تجاوز الأمواج

إن تجاوز الأمواج هو متوسط ​​كمية المياه التي يتم تصريفها (باللترات في الثانية) لكل طول هيكل (بالمتر) بواسطة الأمواج فوق هيكل مثل حاجز الأمواج أو الجدار الاستنادي أو السد الذي يبلغ ارتفاع قمته فوق مستوى المياه الساكنة.

عندما تتكسر الأمواج فوق سد، فإنها تتسبب في تدفق المياه إلى الأرض خلفه. ويُعدّ تجاوز المياه للسد بشكل مفرط أمرًا غير مرغوب فيه لأنه قد يُضعف سلامة السد أو يُشكّل خطرًا على السلامة، لا سيما إذا كان السد يقع في منطقة يتواجد فيها الناس أو البنية التحتية أو المركبات، كما هو الحال في حالة السد المُطل على ممشى ساحلي أو منطقة مكتظة بالسكان.

يحدث تجاوز الأمواج عادةً خلال الظواهر الجوية المتطرفة، مثل العواصف الشديدة، التي غالباً ما ترفع مستويات المياه فوق المعدل الطبيعي بسبب هبوب الرياح . وقد تتفاقم هذه التأثيرات عندما تتزامن العاصفة مع مد الربيع العالي .

قد يؤدي تجاوز المياه المفرط إلى إلحاق الضرر بالمنحدر الداخلي للسد، مما قد يتسبب في انهياره وغمر الأرض خلفه، أو قد يخلق مشاكل متعلقة بالمياه داخل السد نتيجةً لزيادة ضغط المياه وعدم كفاية التصريف . وتتسم هذه العملية بدرجة عالية من العشوائية ، ويعتمد مقدار التجاوز على عوامل تشمل ارتفاع السد، وارتفاع الموجة ، ودورة الموجة ، وهندسة السد، وميله. ^{[ 1 ]}

يمكن أن يحدث تجاوز المياه لسطح النهر نتيجةً لتراكيب مختلفة من مستويات المياه وارتفاعات الأمواج، حيث قد يؤدي انخفاض مستوى المياه المصحوب بأمواج عالية إلى تجاوز مماثل لتجاوز المياه الناتج عن ارتفاع مستوى المياه مع انخفاض ارتفاع الأمواج. لا تُشكل هذه الظاهرة أهميةً تُذكر عندما يكون هناك ترابط بين مستويات المياه وارتفاعات الأمواج؛ إلا أنها تُسبب صعوبات في أنظمة الأنهار التي لا يوجد فيها ترابط بين هذين العاملين. في مثل هذه الحالات، يصبح الحساب الاحتمالي ضروريًا.

الارتفاع الحر هو ارتفاع قمة السد فوق مستوى الماء الساكن، والذي يتوافق عادةً مع مستوى ارتفاع مياه العواصف أو مستوى مياه النهر. يُعبر عن تجاوز المياه عادةً باللترات في الثانية لكل متر من طول السد (لتر/ثانية/متر)، كقيمة متوسطة. يتبع تجاوز المياه الطبيعة الدورية للأمواج، مما يؤدي إلى تدفق كمية كبيرة من المياه فوق المنشأة، يليه فترة انعدام المياه. يعرض الموقع الإلكتروني الرسمي لدليل EurOtop ، المستخدم على نطاق واسع في تصميم المنشآت الهندسية الساحلية، عددًا من الرسوم التوضيحية لتجاوز الأمواج. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

في حالة تجاوز الأمواج لحواجز الأمواج ذات الركائز الحجرية ، تشير الأبحاث الحديثة باستخدام النماذج العددية إلى أن التجاوز يعتمد بشكل كبير على زاوية الميل. ^{[ 6 ]} ولأن إرشادات التصميم الحالية للأمواج غير المتكسرة لا تتضمن تأثير زاوية الميل، فقد تم اقتراح إرشادات معدلة. ورغم أن تأثيرات الميل الملحوظة هذه كبيرة جدًا بحيث لا يمكن تجاهلها، إلا أنها لا تزال بحاجة إلى التحقق منها من خلال اختبارات باستخدام نماذج فيزيائية . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

يتأثر سلوك تجاوز الأمواج أيضًا بهندسة وتصميم المنشآت الساحلية المختلفة. فعلى سبيل المثال، غالبًا ما تقع الجدران البحرية (التي تكون عادةً عمودية أو شبه عمودية، على عكس حواجز الأمواج أو الجدران الاستنادية المائلة) خلف الشواطئ الطبيعية . ويمكن أن يؤثر التعرية عند قاعدة هذه المنشآت أثناء العواصف تأثيرًا مباشرًا على تبديد طاقة الأمواج على طول واجهتها، مما يؤثر بالتالي على تجاوز الأمواج. وتكتسب هذه الظاهرة أهمية بالغة عندما تحدث العواصف بتتابع سريع بحيث لا يتوفر للشاطئ وقت كافٍ لإعادة ترسب الرواسب التي أزالتها العاصفة. وتُظهر النتائج التجريبية أنه بالنسبة للمنشآت شبه العمودية في الجزء الخلفي من الشاطئ، يزداد حجم تجاوز الأمواج في حالة العاصفة التي تبدأ من شاطئ متآكل، وليس من منحدر بسيط. ^{[ 8 ]}

يعتمد تجاوز الأمواج بشكل أساسي على ارتفاع كل موجة على حدة مقارنةً بمستوى قمة المنشأة الساحلية المعنية. ولا يحدث هذا التجاوز بشكل مستمر، بل هو حدث متقطع يقع عندما تصطدم أمواج عالية بشكل خاص ضمن عاصفة بالمنشأة. ^{[ 3 ] [ 11 ]}

يُقاس مدى تجاوز الأمواج للجدار البحري بحجم المياه المتدفقة إلى الأرض المجاورة. ويمكن قياس ذلك إما بحجم المياه لكل موجة لكل وحدة طول من الجدار البحري، أو كمعدل متوسط ​​حجم المياه المتجاوزة لكل وحدة طول خلال فترة موجة العاصفة. ^{[ 11 ]}

أُجريت العديد من الأبحاث حول ظاهرة تجاوز السد، بدءًا من التجارب المخبرية وصولًا إلى الاختبارات واسعة النطاق واستخدام أجهزة المحاكاة. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} في عام 1971، وضع يورجن باتجس معادلة دقيقة نظريًا لتحديد متوسط ​​تجاوز السد. ^{[ 19 ] [ 20 ]} مع ذلك، فإن تعقيد هذه المعادلة، بما في ذلك دوال الخطأ ، قد حدّ من انتشار استخدامها في التطبيقات العملية. ونتيجةً لذلك، تم التوصل إلى علاقة تجريبية بديلة.

${\displaystyle Q=a\cdot \exp \left(-b{\frac {R}{\gamma }}\right)}$

في أي${\displaystyle Q}$هو التجاوز غير البُعدي، و${\displaystyle R}$هو الارتفاع الحر عديم الأبعاد:

${\displaystyle Q={\frac {q}{\sqrt {gH_{s}^{2}}}}{\sqrt {\frac {h/L_{0}}{\tan \alpha }}}}$

${\displaystyle R={\frac {h_{c}}{H_{s}}}{\frac {1}{\xi }}}$

حيث:

${\displaystyle h}$عمق الماء

${\displaystyle h_{c}}$هو الارتفاع الحر

${\displaystyle q}$معدل التدفق الفائض (بالمتر المكعب في الثانية)

${\displaystyle H_{s}}$يمثل الارتفاع الموجي الكبير عند قاعدة الهيكل

${\displaystyle L_{0}}$هو طول الموجة في المياه العميقة

${\displaystyle \alpha }$هو ميل المنحدر (مثلاً، حاجز الأمواج أو الجدار الاستنادي)

${\displaystyle \xi }$هو رقم إيريبارين

${\displaystyle \gamma }$هو مصطلح مقاومة.

قيم${\displaystyle a}$و${\displaystyle b}$يعتمد ذلك على نوع الموجة المتكسرة ، كما هو موضح في الجدول أدناه:

نوع الموجة	قيمة مقابل${\displaystyle a}$	قيمة مقابل${\displaystyle b}$
الانكسار (الغوص)	0.067	4.3
غير متقطع (متصاعد)	0.2	2.3

مصطلح المقاومة${\displaystyle \gamma }$تتراوح قيمتها بين 0.5 تقريبًا (لطبقتين من أحجار التدريع المتناثرة ) و1.0 (لمنحدر أملس). ويُؤخذ تأثير الحاجز الرملي والأمواج الساقطة بشكل مائل في الحسبان من خلال معامل المقاومة. ويُحدد هذا المعامل بنفس طريقة حساب ارتفاع الأمواج. كما تُقلل كتل التكسية الخاصة التي تُخفض ارتفاع الأمواج (مثل Hillblock وQuattroblock) من تجاوز الأمواج. ^{[ 21 ] [ 22 ]} وبما أن تجاوز الأمواج هو الشرط الحدودي، فإن استخدام هذه العناصر يسمح بحاجز فيضان أقل ارتفاعًا. ^{[ 23 ]}

وقد وفرت الأبحاث التي أجريت لإعداد دليل EurOtop بيانات إضافية كثيرة، وبناءً على ذلك، تم تعديل الصيغة قليلاً لتصبح كالتالي:

${\displaystyle {\frac {q}{\sqrt {gH_{m0}^{3}}}}={\frac {0{.}026}{\sqrt {\tan \alpha }}}\gamma _{b}\xi _{m-1.0}\cdot \exp \left[-\left(2{.}5{\frac {R_{c}}{\xi _{m-1.0}H_{m0}\gamma }}\right)^{1{.}3}\right]}$

بحد أقصى:

${\displaystyle {\frac {q}{\sqrt {gH_{m0}^{3}}}}=0{.}1\,\exp \left[-\left(1{.}35{\frac {R_{c}}{H_{m0}\gamma }}\right)^{1{.}3}\right]}$

اتضح أن هذه الصيغة هي أيضًا تقريب منطقي مثالي لصيغة باتجيس الأصلية.

في بعض التطبيقات، قد يكون من الضروري أيضًا حساب كميات التجاوز الفردية، أي التجاوز لكل موجة. تتوزع أحجام موجات التجاوز الفردية وفقًا لتوزيع ويبول . يُعطى حجم التجاوز لكل موجة لاحتمالية تجاوز معينة بالصيغة التالية:

${\displaystyle V=a[-\ln(P_{v})]^{4/3}}$

${\displaystyle a=0.84T_{m}q/P_{ov}}$

${\displaystyle P_{ov}=\exp {\Bigl [}-{\Bigl (}\surd -\ln 0.02*(h_{c}/R_{u2\%}){\Bigr )}^{2}{\Bigr ]}}$

في أي${\displaystyle P_{v}}$تمثل احتمالية تجاوز الحجم المحسوب،${\displaystyle P_{ov}}$هي احتمالية تجاوز الأمواج لقمة الجبل، و${\displaystyle h_{c}}$هو ارتفاع القمة. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

يتطلب فهم ظاهرة تجاوز الأمواج مزيجًا من البيانات التجريبية والنمذجة الفيزيائية والمحاكاة العددية للتنبؤ بآثارها على المنشآت الساحلية والسلامة والتخفيف منها. ^{[ 3 ]} تقليديًا، يُستخدم متوسط ​​تصريف التجاوز المسموح به كمعيار لتصميم المنشآت الساحلية. من الضروري تقييد متوسط ​​تصريف التجاوز لضمان السلامة الإنشائية للمنشأة، فضلًا عن حماية الأفراد والمركبات والممتلكات الواقعة خلفها. غالبًا ما تنص أدلة التصميم على عتبات لأحجام التجاوز الفردية القصوى، مما يستلزم دراسة تجاوز الأمواج على أساس كل موجة على حدة. في كثير من الأحيان، ولضمان مستوى أمان أكثر موثوقية للمشاة والمركبات، أو لتقييم استقرار المنحدر الداخلي للجدار الاستنادي، من الضروري مراعاة ذروة سرعة وسمك تدفق التجاوز. ^{[ 30 ]}

يُقصد بالفيضان المسموح به الفيضان الذي يقبله التصميم أثناء عاصفة تصميمية. ويعتمد ذلك على عدد من العوامل، بما في ذلك الاستخدام المقصود للسد أو المنشأة الساحلية، وجودة التدعيم. وتختلف أحجام الفيضان المسموح بها باختلاف الموقع، وتعتمد على عوامل متعددة، منها حجم منطقة الاستقبال واستخدامها، وأبعاد قنوات الصرف وسعتها، ومنحنيات الضرر مقابل الفيضان، وفترة التكرار . ولحماية أرواح وسلامة السكان والعمال والمستخدمين لأغراض الترفيه في الدفاعات الساحلية، يجب على المصممين والسلطات المشرفة معالجة المخاطر المباشرة التي يشكلها الفيضان. ويتطلب ذلك تقييم مستوى الخطر واحتمالية حدوثه، مما يُمكّن من وضع خطط عمل مناسبة للتخفيف من المخاطر المرتبطة بحالات الفيضان. ^{[ 4 ]}

بالنسبة لحواجز الأمواج المصنوعة من الأنقاض (مثل حواجز الأمواج في الموانئ) وارتفاع الموجة الكبير${\displaystyle H_{m0}}$في حال تجاوز ارتفاع السد 5 أمتار من الخارج، يلزم بناء جدار ترابي ثقيل من الداخل لتجنب تجاوز المياه له بمعدل 10-30 لتر/ثانية لكل متر. أما في حال تجاوز المياه له بمعدل 5-20 لتر/ثانية لكل متر، فهناك خطر كبير لتضرر قمة السد.

الوضع على المنحدر	${\displaystyle q}$(لتر/ثانية لكل متر)
حجر المحجر في موجات${\displaystyle H_{m0}}$أكثر من 5 أمتار، وبعض الأضرار	1
حجر المحجر في موجات${\displaystyle H_{m0}}$> 5 أمتار، وبعض الأضرار (*)	5 - 10
غطاء عشبي جيد${\displaystyle H_{m0}}$بين متر واحد وثلاثة أمتار	5
غطاء عشبي ضعيف${\displaystyle H_{m0}}$بين 0.5 متر و 3 أمتار	0.1
غطاء عشبي ضعيف${\displaystyle H_{m0}}$أقل من متر واحد	5 - 10
غطاء عشبي ضعيف${\displaystyle H_{m0}}$< 0.3 م	غير محدود
(*) والمنحدر الداخلي مصمم لتحمل التدفق الزائد

بالنسبة للعشب العادي، يُعتبر معدل تجاوز 5 لترات/ثانية لكل متر من السد مسموحًا به. أما بالنسبة للعشب الكثيف جدًا، الخالي من العناصر الخاصة أو تجهيزات الشوارع كالسلالم أو أعمدة اللافتات أو الأسوار، فيُسمح بتجاوز 10 لترات/ثانية لكل متر. وقد أظهرت اختبارات تجاوز الأمواج باستخدام جهاز محاكاة أن تجاوز 50 لترًا/ثانية لكل متر غالبًا لا يُسبب أي ضرر للعشب السليم الخالي من العناصر الخاصة. لا تكمن المشكلة في قوة العشب بقدر ما تكمن في وجود عناصر أخرى كالبوابات والسلالم والأسوار. تجدر الإشارة إلى أنه، على سبيل المثال، قد يحدث تجاوز 5 لترات/ثانية لكل متر نتيجة أمواج عالية وارتفاع حافة السد، أو أمواج منخفضة مع انخفاض حافة السد. في الحالة الأولى، لا توجد أمواج كثيرة تتجاوز السد، ولكن عند تجاوز إحداها، فإنها تُحدث سرعة تدفق عالية على المنحدر الداخلي. أما في الحالة الثانية، فتوجد أمواج كثيرة تتجاوز السد، ولكنها تُحدث سرعات تدفق منخفضة نسبيًا. ونتيجة لذلك، تختلف متطلبات تجاوز المياه لسدود الأنهار عن متطلبات تجاوزها لسدود البحار. ^{[ 26 ]}

يمكن لسد بحري جيد مغطى بالعشب بشكل متواصل أن يستوعب بسهولة 10 لترات/ثانية لكل متر دون مشاكل، بشرط توفير تصريف جيد عند قاعدة المنحدر الداخلي. وبدون تصريف كافٍ، ستكون كمية المياه التي قد تدخل العقارات عند قاعدة المنحدر الداخلي غير مقبولة، ولهذا السبب تُصمم هذه السدود لتحمل كمية أقل من المياه المتدفقة فوق سطح الماء. ونظرًا لأنه تبيّن أن الغطاء العشبي لا ينهار بسبب متوسط ​​التدفق المتدفق، بل بسبب تكرار سرعات التدفق العالية، فقد قررت السلطات الساحلية، مثل هيئة الأشغال العامة الهولندية (Rijkswaterstaat ) (منذ عام 2015)، التوقف عن اختبار المنحدرات العشبية على الجانب الداخلي من السد لقياس متوسط ​​التدفق المتدفق فوق سطح الماء، والتركيز بدلاً من ذلك على قياس تكرار سرعات التدفق العالية أثناء التدفق المتدفق. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

أظهرت الأبحاث أن جذور الأعشاب تُسهم في تحسين مقاومة القص للتربة المستخدمة في بناء السدود، شريطة العناية الجيدة بالعشب. ^{[ 33 ]} يتطلب نمو الغطاء العشبي وقتًا وتربة مناسبة، مثل الطين الخفيف والمتماسك نسبيًا . تكون التربة الطينية المتماسكة بشدة غير مناسبة في البداية لنمو الأعشاب. مع ذلك، بعد الصقيع أو فصل الشتاء، تصبح الطبقة العليا من هذه التربة الطينية المتماسكة مفتوحة بما يكفي لنمو العشب. ولكي يعمل الغطاء العشبي بكفاءة، يجب أن يبدأ تكوينه قبل فصل الشتاء بوقت كافٍ. ^{[ 34 ]}

أظهرت الأبحاث في هولندا أن السدود ذات البطانة الطينية المسطحة والمضغوطة جيدًا قادرة على تحمل ارتفاع محدود للأمواج أو تجاوز محدود لها، كما هو الحال في معظم مناطق الأنهار، خلال فصل الشتاء الأول بعد إنشائها، حتى بدون غطاء عشبي، لعدة أيام دون أضرار جسيمة. وفي حال كان حمل الأمواج في منطقة النهر أعلى، فلن تحدث أضرار تهدد السلامة إذا كانت البطانة الطينية سميكة بما يكفي (0.8 متر أو أكثر) ومضغوطة بشكل مناسب في جميع طبقاتها. ويمكن حماية الغطاء العشبي غير المكتمل النمو مؤقتًا من الأحمال الهيدروليكية باستخدام حصائر جيوتكستيل مثبتة بدبابيس . ^{[ 35 ]}

فئة	${\displaystyle H_{m0}}$(م)	${\displaystyle q}$لتر/ثانية لكل متر
مشاة يطلون على البحر	3	0.3
مشاة يطلون على البحر	2	1
مشاة يطلون على البحر	1	10-20
مشاة يطلون على البحر	<0.5	غير محدود
السيارات والقطارات	3	أقل من 5
السيارات والقطارات	2	10-20
السيارات والقطارات	1	أقل من 75

بالنسبة للأضرار التي تلحق بالسفن في الموانئ أو المراسي، يمكن استخدام الأرقام التالية:

فئة	${\displaystyle H_{m0}}$(م)	${\displaystyle q}$لتر/ثانية لكل متر
غرق السفن الكبيرة	>5	أكثر من 10
غرق السفن الكبيرة	3 - 5	>20
أضرار لحقت بالسفن الصغيرة	3 - 5	>5
آمن للاستخدام على السفن الكبيرة	> 5	أقل من 5
آمن للسفن الصغيرة	3- 5	<1
أضرار لحقت بالمباني	1-3	<1
أضرار لحقت بالمعدات وأثاث الشوارع		<1

توفر هذه القيم إرشادات حول التأثير المتوقع لتجاوز الأمواج للسفن في المراسي أو الموانئ، وعلى المباني المجاورة والبنية التحتية الأخرى، وذلك اعتمادًا على ارتفاع الموجة الكبير${\displaystyle H{m0}}$ومعدل الفيضان (باللتر/ثانية لكل متر). تساعد هذه المعلومات في تحديد التصميم المناسب، وتدابير الحماية المطلوبة، وخطط الاستجابة لمختلف السيناريوهات. ^{[ 24 ]}

عندما يحيط الماء بحاجز من كلا الجانبين (كما هو الحال في سدود الموانئ، أو كاسرات الأمواج، أو سدود الإغلاق)، فإن تجاوز الأمواج للسد يُولّد أمواجًا على الجانب الآخر منه. يُسمى هذا انتقال الأمواج. لتحديد مقدار انتقال الأمواج، ليس من الضروري تحديد مقدار التجاوز. يعتمد الانتقال فقط على ارتفاع الموجة على الجانب الخارجي، والارتفاع الحر، وخشونة المنحدر. بالنسبة لمنحدر أملس، يكون معامل الانتقال (النسبة بين الموجة داخل السد والموجة القادمة) كما يلي:

${\displaystyle K_{T}=\left[{-0.3{\frac {R_{c}}{H_{m0}}}+0.75\left({1-exp(-0.5\xi _{0p})}\right)}\right]\cdot ({cos\beta })^{3/2}}$

حيث يمثل ξ _0p عدد إيريبارين بناءً على فترة الذروة للموجات، و β زاوية سقوط الموجات. ^{[ 36 ] [ 24 ]}

لتقييم سلامة السدود ومرونتها، بالإضافة إلى متانة البطانة العشبية على قممها ومنحدراتها الداخلية، يمكن استخدام جهاز محاكاة لتجاوز الأمواج. ونظرًا لأن ظروف الأمواج العاتية التي صُمم السد لمواجهتها نادرة الحدوث نسبيًا، فإن استخدام جهاز محاكاة لتجاوز الأمواج يُمكّن من محاكاة الظروف المتوقعة على السد نفسه في الموقع. وهذا يسمح للجهة المسؤولة عن الإشراف على المنشأة بتقييم قدرتها على تحمل تجاوز الأمواج المتوقع خلال سيناريوهات قصوى محددة. ^{[ 37 ]}

خلال هذه الاختبارات، يُوضع جهاز محاكاة تجاوز الأمواج على قمة السد ويُملأ بالماء باستمرار. يحتوي الجهاز على صمامات في قاعدته يمكن فتحها لإطلاق كميات متفاوتة من الماء، مما يحاكي نطاقًا واسعًا من أحداث تجاوز الأمواج. يساعد هذا النهج على ضمان تقييم سلامة السد بدقة وفعالية. ^{[ 38 ]}

في حالة السدود ذات المنحدرات العشبية، تتمثل إحدى طرق الاختبار الأخرى في استخدام جهاز سحب العشب لتحديد قوة شد العشب، والتي يمكن ترجمتها بعد ذلك إلى قوة تحمل الحمل الناتج عن تجاوز الأمواج. بالإضافة إلى محاكاة تجاوز الأمواج، يمكن محاكاة تأثيرات الأمواج وارتفاعها باستخدام مولد ومحاكي مصممين خصيصًا لهذا الغرض. ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 24 ]}

• الهندسة الساحلية

• دليل يوروتوب حول تجاوز الأمواج لحواجز البحر والمنشآت ذات الصلة. دليل للتجاوز يعتمد بشكل كبير على الأبحاث الأوروبية، ولكنه قابل للتطبيق في جميع أنحاء العالم: الطبعة الثانية 2018