Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ВЗАИМОДЕЙСТВИЮ ВОЛНОВОГО ПОТОКА С СООРУЖЕНИЯМИ ИЗ ФИГУРНЫХ МАССИВОВ 8
1.1. Область применения фигурных массивов . ...8
1.2. Типы фигурных массивов и конструкции из них . 17
1.3. Гидравлические методы расчета устойчивости фигурных массивов 27
1.4. Цель и задачи исследований 33
Глава 2. МЕТОДИКА, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ, АППАРАТА И СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ОПЫТНЫХ ДАННЫХ ... 36
2.1. Моделирование нерегулярного волнения и его воздействия на сооружения и дно 36
2.2. Экспериментальные установки и методика проведения аэродинамических испытаний плохо-обтекаемых тел 54
2.3. Экспериментальные установки и методика гидравлического моделирования взаимодействия волнового потока с сооружениями из фигурных массивов 71
2.4. Аппаратура, система сбора и обработки опытных данных, оценки погрешностей при измерении 78
Глава 3. ГИДРОАЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИЛОВОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА НА ЗАЩИТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ИЗ ФИГУРНЫХ МАССИВОВ 83
3.1. Испытания фигурных массивов в аэродинамической трубе и на гидравлическом стенде 83
3.2. Силовое воздействие на одиночный фигурный массив и массив, расположенный в
"теле" сооружения 93
3.3. Гашение волн сооружениями из фигурных массивов .122
Глава 4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОЛНОВОГО ПОТОКА С СООРУЖЕНИЯМИ ИЗ ФИГУРНЫХ МАССИВОВ 136
4.1. Разработка гидравлического метода расчета устойчивости фигурных массивов 136
4.2. Экспериментальные исследования устойчивости фигурных массивов в берменных сооружениях и покрытиях 149
4.3. Гидравлические методы расчета транспорта наносов волнами и течениями в зоне строительства сооружения из фигурных массивов .... 163
Глава 5. ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО РАСЧЕТУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОЛНОВОГО ПОТОКА С СООРУЖЕНИЯМИ ИЗ ФИГУРНЫХ МАССИВОВ 186
5.1. Рекомендации по выбору основных исходных данных по определению ветроволнового и уровенного режима с разработкой алгоритма расчета на ЭВМ 186
5.2. Влияние берм из фигурных массивов на волновые нагрузки и технология укладки фигурных массивов 200
5.3. Внедрение и рекомендации по практическому использованию предлагаемых решений 213
ВЫВОДЫ 218
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 222
- Область применения фигурных массивов .
- Моделирование нерегулярного волнения и его воздействия на сооружения и дно
- Испытания фигурных массивов в аэродинамической трубе и на гидравлическом стенде
- Разработка гидравлического метода расчета устойчивости фигурных массивов
- Рекомендации по выбору основных исходных данных по определению ветроволнового и уровенного режима с разработкой алгоритма расчета на ЭВМ
Введение к работе
Актуальность работы, В соответствии с решениями ХХУІ съезда КПСС и XI пятилетним планом развития народного хозяйства СССР в нашей стране широко развернуто морское гидротехническое строительство, масштабы которого непрерывно возрастают.
В связи с этим, актуальными становятся задачи исследования взаимодействия волнового потока с берегами и сооружениями. Однако, построение инженерных методов расчета устойчивости сооружений от воздействия волнового потока после зоны обрушения встречает на своем пути значительные трудности, при этом физическая картина, описывающая динамику реального прибойного потока, слабо раскрыта даже для идеальных условий. Наличие же на береговом склоне различных гидротехнических сооружений и сложная батиметрия существенно усложняет структуру прибойного потока. Исследование трансформации волн, вдольбереговых течений, динамики среднего волнового уровня, нагонных эффектов, дифрагированных и рефрагированных волн в зоне портовых и берегозащитных соору-ний и взаимодействия волн с сооружениями имеет большое научное и народно-хозяйственное значение.
Выполнение поставленных задач требует разработки новых методов расчета и моделирования, в частности, основанных на спектральном анализе волновых процессов в прибрежной зоне.
В натурных условиях на исследуемые нами в работе сооружения из фигурных массивов, берегозащитные стенки, волногасящие и причальные сооружения влияет большое количество факторов, учесть которые полностью практически невозможно. Поэтому при изучении механизма взаимодействия волнового потока с морскими сооружениями существенное значение приобретает натурный и лабораторный эксперимент, при постановке которого, исследуются ос- новные факторы, определяющие изучаемый процесс. Особое внимание в работе уделяется анализу работы сооружений из фигурных массивов, берегозащитных стен и оградительных сооружений, определению их устойчивости и волногашению, а также исследованию некоторых гидравлических процессов (трансформация волн, вдоль-береговые течения, транспорт наносов, местный размыв и т.д.), которые необходимы при инженерных расчетах сооружений из фигурных массивов и недостаточно освещены в нормативных документах.
Цели и задачи работы. Целью работы является определение устойчивости различных типов фигурных массивов, их волногася-щей способности, определение расчетных параметров волн в прибрежной зоне и уточнение существующей инженерной методики расчета нагрузок на волноотбойные стенки, прикрытых берменными сооружениями, с учетом отмеченных факторов.
Реализация поставленной цели потребовала решения следующих задач: обследования ряда сооружений из фигурных массивов в натурных условиях; разработки методики и аппаратурных средств проведения натурных и лабораторных гидроаэродинамических исследований фигурных массивов; определения спектральных характеристик волнового потока и отыскания различных статистических связей, позволяющих моделировать натурный процесс волнения в лабораторных условиях; создание инженерной методики расчета устойчивости сооружений из фигурных массивов; разработки практических рекомендаций по расчету нагрузок на причальные, оградительные и берегозащитные сооружения с учетом использования фигурных массивов; - разработки гидравлического метода расчета транспорта наносов волнами и течением в зоне сооружений.
Научная новизна работы заключается в том, что получены новые данные о волновом потоке, взаимодействующем с сооружениями из фигурных массивов.
На основе материала натурных и лабораторных исследований получены уточненные расчетные зависимости для определения элементов волн в зонах трансформации и обрушения, являющиеся основой расчета устойчивости и волногашения сооружений из фигурных массивов.
Разработана инженерная методика расчета волногашения у берегозащитных стен и предлагаются мероприятия по их уменьшению с помощью берм, сложенных из фигурных массивов. Исследованы гидродинамические нагрузки на морские сооружения и выявлено влияние вышеперечисленных факторов на их устойчивость. Выявлены некоторые особенности динамики наносного материала в зоне сооружений и предлагается расчетная схема транспорта наносов волнами и течением.
Практическая ценность выполненного исследования заключается в непосредственном использовании полученных зависимостей в морской гидротехнике.
Результаты проведенных исследований использовали во Всесоюзном научно-исследовательском институте транспортного строительства при исследовании ряда морских гидротехнических объектов. Они нашли применение при составлении рекомендаций ЦНИИСа Минтрансстроя СССР для обоснования и расчета элементов волн на ЭВМ и использованы при проектировании оградительных сооружений Новоталлинского и Рижского торгового порта.
Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования соответствующих разделов СНиП.
Аппробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
На семинарах и конференциях Всесоюзного НИИ транспортного строительства (ЦНИИС) (г.Москва, 1977-1983 гг.).
На семинаре по Литодинамике океана АН СССР (г.Москва, 1980. и г.Тбилиси, 1982 г.).
На П-ом Всесоюзном съезде океанологов (г.Ялта, 1982 г.).
На I и П Всесоюзной конференции по берегозащитным сооружениям (г.Сочи, 1982 и 1984 г.).
5. На научно-технических советах института Кавгипротранс. По теме диссертации опубликовано в открытой печати шесть статей и "Рекомендации по расчету элементов волн на ЭВМ".
Работа выполнялась в лаборатории "Методов гидравлических исследований" ЦНИИС под руководством доктора технических наук, профессора Масса Е.И., научные консультации оказывал кандидат технических наук Кантаржи И.Г., которым автор приносит свою благодарность.
Область применения фигурных массивов
Большая протяженность береговой линии, стремление располагать промышленные предприятия вблизи моря, широко проводимые в настоящее время работы по расширению и защите территорий городов, предприятий, портов, аэродромов в сторону моря за счет намыва, вызвали необходимость осуществления больших объемов берегоукрепительных работ.
Транспортные гидротехнические сооружения расположенные в непосредственной близости к приурезовой зоне, и особенно в регионах с приглубыми берегами, где высоты волн достигают в отдельных местах 5-7 м, требуют создания мощных и устойчивых конструкций, надежно защищающих берег и сооружения от их воздействия, с одновременным обеспечением максимального снижения стоимости этих сооружений и возможности высоких темпов строительства.
Проведенный обзор исследований в области проектирования и строительства берегоукрепительных сооружений показал, что к настоящему времени во многих странах мира отказались от строительства различного рода морских стен и других сплошных защитных сооружений и перешли на защиту берегов и искусственных сооружений путем устройства сквозных конструкций из фигурных массивов или устройством перед ними волногасящих сооружений [23,24,25, 41,62,84,85,93,100,124,125,137,140,148] .
Достаточно исследованы и широко применяются в морской гидротехнике более пятидесяти видов фигурных массивов различных очертаний, причем каждый из видов имеет значительный весовой диапазон от 0,5 до 50 тонн и создание новых продолжается. Необходимо отметить, что большое разнообразие применяемых фигурных массивов, вызвано не столько технической необходимостью, сколько тем, что каждый из видов создаваемых массивов запатентован и его применение вызывает необходимость оплаты лицензий [68-74, 150, 151].
Фигурные массивы находят применение в самых различных сферах морского и речного гидротехнического строительства. Молы и волноломы, берегозащитные сооружения, струенаправляющие дамбы, буны - вот далеко не полный перечень, где используются фигурные массивы. На рис. І.І показана область применения фигурных массивов в гидротехническом строительстве.
В конструкциях берегозащитных сооружений фигурные массивы применяются в основном для создания пассивных способов защиты, хотя в последнее время разрабатываются и внедряются сооружения активно влияющие на динамику береговых процессов. На рис. 1.2, 1.3 и 1.4 показаны наиболее распространенные сооружения из фигурных массивов построенные на приглубых берегах Черного моря.
Основным фактором эффективности работы берегоукрепительного сооружения являются повышенное взаимосцепление элементов массивов при специальной укладки, способность существенно снижать высоту волны и уменьшать всплески.
Моделирование нерегулярного волнения и его воздействия на сооружения и дно
Как указывалось выше в главе I, учет нерегулярности волнения является одним из основных факторов, которые необходимо учитывать при модельных исследованиях взаимодействия волнового потока с сооружениями из фигурных массивов. В настоящем параграфе обсуждаются разработанные в диссертации различные моменты методики подобных исследований. Вопрос, естественно, имеет более широкое значение и относится к взаимодействию волнового потока не только с сооружениями из фассонных массивов, но и с другими гидротехническими сооружениями и берегами.
Рассмотрим прежде всего методику воспроизведения нерегулярного волнения в лотке. Реализация методики и эксперименты проводились в большом волновом лотке лаборатории методов гидравлических исследований ЦНИИСа размерами 69x1, 64x2,5 м. Схема управления для нерегулярного волнения реализована по принципу, используемому в работе [і,11,86] , где первичным источником, генерирующим управляющий сигнал с заданным спектром, является стандартный электронный генератор "белого шума" с равномерной спектральной плотностью в диапазоне частот от 0 до 35 Гц. В качестве управляющего сигнала для регулярного волнения используется стандартный генератор низких частот Г6-І5. Основным функциональным элементом, преобразующим маломощный управляющий сигнал в пропорциональный и усиленный по мощности поток рабочей жидкости, подаваемый к гидравлическому исполнительному механизму, является электрогидроусилитель УЭГС-200. В основу известных спектральных волнопродукторов положены различные физические способы воспроизведения искусственного нерегулярного волнения со спектральным составом, близким к натурному. Все они сводятся к созданию генератора случайных функций и волнопродуктора, способного преобразовать управляющий сигнал этого генератора в колебания водной поверхности [і,7, П,8б].
Основные пути синтеза управляющего сигнала таковы:
1. Выделение специальным фильтром при подаче на вход "белого шума" сигнала с требуемыми спектральными характеристиками;
2. Синтез требуемого сигнала из периодических функций;
3. Модулирование гармонического сигнала по амплитуде, частоте или фазе;
4. Воспроизведение записанного натурного волнения с поправкой на масштабный коэффициент.
В большинстве случаев выбор того или иного пути синтеза управляющего сигнала диктует соответствующую конструкцию волнопродуктора. Так, например, использование сигнала, выделенного из "белого шума", затруднительно при управлении щитовым волно-продуктором с электромеханическим приводом. Модуляция гармонического сигнала по амплитуде и частоте пригодна для всех известных конструкций волнопродукторов. Использование метода модуляции тем предпочтительнее, что при этом без существенной реконструкции можно использовать для генерации регулярного волнения волнопродукторы, уже имеющиеся в лаборатории. Кроме того, модуляция выгодна из энергетических соображений, т.к. мощность модулирующего устройства несравненно меньше мощности приводного устройства волнопродуктора [5,6,87].
class3 ГИДРОАЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИЛОВОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА НА ЗАЩИТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ИЗ ФИГУРНЫХ МАССИВОВ class3
Испытания фигурных массивов в аэродинамической трубе и на гидравлическом стенде
Третья серия опытов проводилась в проточном лотке. Целью этой серии было определить степень влияния свободной поверхности на коэффициент лобового сопротивления блоков. Использовать те же модели блоков, что и во второй серии, т.е. в масштабе 1:6. Последовательно проводились эксперименты для модели, затопленной наполовину (а), в случае, когда поверхность воды немного покрывает модель (б) и в случае, когда расстояние от поверхности до дна равно приблизительно двум высотам модели.
После обработки полученных материалов результаты изображались графические в виде зависимостей аэродинамических коэффициентов от ориентировки тела в пространстве, числа Не и т.д. Для обеспечения достаточной точности при использовании такими диаграммами их необходимо строить в масштабе:
Осноеным критерием суммарной точности проведения опытов в аэродинамических трубах и, в частности, в трубе А-6 является точность "единичного испытания", определяемая на основе многократных испытаний контрольной модели. Такой моделью в трубе А-6 является контрольное крыло. Это крыло имеет размеры: 3\ =6,12; хорда Da = 269,5 мм; размах В = 1650 мм; относительная толщина профиля С = 11,7$. Оно изготовлено из стали и хранится особо тщательно во избежание его повреждения и изменения геометрической формы.
Предварительно, в процессе наладки поля трубы, тарировки весов и других измерительных приборов, применяемых в опытах, исключаются или уменьшаются по возможности все систематические ошибки, что производится в виде тарировочных или поправочных коэффициентов (коэффициенты поля весовых элементов, манометров, насадок и т.п.), вводимых непосредственно в расчеты. Результаты многократных испытаний контрольной модели, проводимые в различное время, при различной установке модели и различными экспериментаторами обрабатывались по теории ошибок для нахождения средней квадратичной погрешности измерения по формуле Бесселя
Разработка гидравлического метода расчета устойчивости фигурных массивов
В работе [l58] Ps называется фазовой устойчивостью, R - отношением инерции к тяжести. Так как лабораторные исследования ориентируются на формулы типа (4.18), то необходимо убедиться, что в натурных условиях Ps небудет больше лабораторных, на которых основаны расчеты устойчивости.
Для оценки примем обычные для откоса волноломов из фигурных массивов заложения от 1:3 ( 18,4) до 1:1,5 (33,7). Расчетная крутизна волны может колебаться от 0,01 до 0,10. Если принять Ъ}9 =1, См = 1,5 (полусфера на плоскости), 5 = 2,65, то величины И будут находиться в пределах 0,045-1,030.
На рис. 4.2 показана зависимость Рьтах в функции И . ЭТО кривая дает некоторое представление об условиях, при которых силы инерции становятся значительными. Из рис. 4.2 следует, что с увеличением R- величина Ps увеличивается и при приближении И к 1,0 становится больше, чем при ft. = 0 ( Ps = 1,0), когда инерционные условия не учитываются. Очевидно также, что чем больше крутизна волны и угол откоса бермы, тем больше R в указанном диапазоне и, следовательно, тем больше опасность, что лабораторные опыты не соответствуют натурным условиям по степени влияния инерционных сил на устойчивость.
Уравнение (4.19) и (4.20) можно использовать и для определения максимально допустимого заложения откоса. Сооружения, имеющие откос круче допустимого, подвергаются риску разрушения под влиянием сил инерции. Рис. 4.2 свидетельствует о том, что если величина R- больше приблизительно 0,5, то значение будет превышать 1,25, т.е. вес блоков может быть занижен на 25% за счет неучета инерционных сил. В этом случае возникает необходимость введения компенсационных коэффициентов. При больших & происходит дальнейшее ухудшение ситуации, поэтому можно установить некоторую максимальную величину R. , за пределами которой существует опасность неучтенного риска разрушения сооружения. В этом случае максимальная крутизна волны Н/ и коэффициент инерции См , величина и угол естественного откоса 8- определяет величину максимального откоса сооруженил.
Рекомендации по выбору основных исходных данных по определению ветроволнового и уровенного режима с разработкой алгоритма расчета на ЭВМ
Целью настоящего параграфа является обсуждение вопросов определения параметров волн, воздействующих на сооружение из фигурных массивов и являющихся исходными в оценках расчета устойчивости и эффективности сооружения в натурных условиях и при гидравлическом моделировании. Здесь не рассматриваются вопросы определения величины скорости расчетного ветра, длин разгона и уровня. Эти вопросы на современном уровне исследований отражены в существующих нормативных документах [51,76] , некоторые более сложные вопросы включены в подготавливаемые в настоящее время дополнения к СНиПу 2.06.04-82 "Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). В соответствии с [51,76] определяются параметры ветровых волн на глубокой воде. Однако, в связи с тем, что применяемые методы расчета ветрового волнения не учитывают волн зыби полезно всегда анализировать имеющиеся (если они имеются) данные по наблюдениям в натурных условиях волн для данного участка моря. В некоторых случаях удается выполнить пересчет параметров волн, наблюденных на ближайшем берегопосту.
Перейдем к задаче трансформации волн в мелководной зоне. Хорошо известный метод расчета рефракции и трансформации волн в мелководной зоне, основанный на лучевой теории рефракции и сохранении потока волновой энергии используется в инженерной практике достаточно давно как у нас в стране [51,76] , так и за рубежом [100,101,110,143,152,153] . В большинстве гидротехнических расчетов, когда рельеф дна имеет достаточно гладкий характер, отсутствуют крупные неоднородности дна типа банок, островов, каналов и т.д. или важны только параметры волн на входе в прибойную зону такая методика позволяет получить надежные, достоверные результаты. Это подтверждается сравнением расчетов с данными лабораторных и натурных измерений [38,115] .
Для инженерной практики важна автоматизация проведения подобных расчетов. Это связано с тем, что проведение расчетов трансформации волн вручную трудоемко и может приводить к значительным субъективным ошибкам. Составлением соответствующих алгоритмов и программ автор занимался совместно с И.Г.Кантар-жи [59]. Важна автоматизация расчетов трансформации также при пересчете глубоководных параметров. Для кодирования рельефа дна береговой отмели используется батиметрическая карта. Масштаб карты и густота изобат должны соответствовать сложности донного рельефа. На карту наносится прямоугольная координатная сетка: ось ОХ проводится вдоль изобат на глубокой воде так, чтобы на изучаемом участке берега она нигде не пересекала изобату с наибольшей глубиной и находилась за этой изобатой (если "смотреть" с берега). Начало системы координат выбирается на левой границе участка, если "смотреть" с моря на берег. Ось ОУ направлена к берегу. Участок берега рекомендуется выбирать возможно более широким, охватывающим район определения волновых параметров, с учетом возможности расчета рефракции для направлений, составляющих малые углы с береговой линией.
