Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ современного состояния вопроса 12
Области применения проницаемых волн о гасящих сооружений 12
1 Проницаемая наброска 15
2 Сквозная тонкая стена 21
Существующие методики расчета проницаемых сооружении
1 Нормативная методика расчета проницаемых набросных сооружений 27
2 Нормативная методика расчета проницаемых тонких стен 29
Линейная теория расчета проницаемых сооружений 30
1 Линейная теория для проницаемой наброски 30
2 Линейная теория для тонкой сквозной стены 34
Нелинейно-дисперсионная модель взаимодействия волн с проницаемыми сооружениями 6
Выводы по главе 1 и постановка задач исследования 39
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования взаимодействия волн с проницаемыми волногасящими сооружениями в прибрежной зоне моря
2.1 Общие положения 40
2.2 Методика гидравлического моделирования 41
2.3 Модели сооружений и масштабы моделирования 45
2.4 Определение коэффициентов гидравлического сопротивления проницаемых сооружений в поступательном потоке 46
2.4.1 Определение коэффициентов гидравлического сопротивления проницаемых набросок 47
2.4.2 Определение коэффициентов гидравлического сопротивления сквозных тонких стен 52
2.5 Взаимодействие волн с проницаемыми сооружениями 61
2.5.1 Взаимодействие волн с проницаемыми набросными сооружениями 61
2.5.2 Взаимодействие волн с тонкими проницаемыми сооружениями 69
Выводы по главе 2 78
ГЛАВА 3. Численное моделирование 79
3.1 Определение коэффициентов гидравлических сопротивлений проницаемых сооружений в поступательном потоке 79
3.1.1 Определение коэффициентов гидравлических сопротивлений набросных сооружений поступательном потоке 79
3.1.2 Определение коэффициентов гидравлических сопротивлений сквозных стен поступательном потоке 81
3.2 Сопоставление экспериментальных и расчетных данных для поступательного потока 87
1 Проницаемые набросные сооружения 87
2 Тонкие сквозные стены 89
Определение коэффициентов гидравлических сопротивлений проницаемых сооружений в волновом потоке 91
1 Определение коэффициентов гидравлических сопротивлении набросных сооружении в волновом потоке
2 Определение коэффициентов гидравлических сопротивлений сквозных стен в волновом потоке
Сопоставление экспериментальных и расчетных данных для волнового потока
1. Набросные сооружения 95
2. Сквозные стены 96
Результаты численных экспериментов 98
1 Сквозные стены 98
2 Проницаемые наброски 104
Выводы по главеЗ 108
ГЛАВА 4. Рекомендации по практическому применению разработанных расчетных методик и программ 110
Исходные данные для расчетов ПО
Результаты расчетов 112
Примеры расчетов 112
Выводы по главе 4 122
Заключение 123
Литература
- Существующие методики расчета проницаемых сооружении
- Определение коэффициентов гидравлического сопротивления проницаемых сооружений в поступательном потоке
- Определение коэффициентов гидравлических сопротивлений набросных сооружений поступательном потоке
- Определение коэффициентов гидравлических сопротивлений сквозных стен в волновом потоке
Введение к работе
В настоящее время, актуальной стала задача реконструкции существующих, а также проектирования и строительства новых портов на Юге России. Они должны быть способны обеспечить грузооборот в условиях начавшегося подъема экономики страны.
Не менее важной является задача создания морской туристической инфраструктуры в виде яхтных гаваней (марин). Как показывает мировая практика, такая инфраструктура способна приносить доход, соизмеримый с доходом от эксплуатации крупных портов, не оказывая при этом негативного влияния на экологию.
Традиционно актуальной остается задача управления береговыми процессами путем сочетания берегозащитных сооружений с естественными или искусственными пляжами. Особенно важна эта задача в курортных регионах страны. При этом под управлением береговыми процессами понимается не только стабилизация берегов, но и улучшение их рекреационных качеств.
В связи с этим при проектировании гидротехнических берегозащитных сооружений необходимо учитывать комплекс задач по воздействию волн и течений на сооружение, влияние проектируемых объектов на смежные участки берега, режим движения наносов, подводный береговой склон, вдольбереговые циркуляционные течения и водообмен. Кроме того, в последние годы актуальной является проблема загрязнения прибрежной акватории промышленными и коммунальными сточными водами, химическими удобрениями и нефтепродуктами, поэтому к проектируемым сооружениям предъявляются повышенные требования охраны окружающей среды.
В последние годы в практике проектирования и строительства морских гидротехнических сооружений все большее распространение получают проницаемые волногасящие сооружения. Они частично отражают подходящие к ним волны, частично их гасят и частично пропускают. Их применение уменьшает штормовое воздействие волн на берег, следует отметить и тот факт, что проницаемые сооружения обеспечивают водообмен в прибойной зоне. Как показали исследования, такие конструкции в сочетании с прислоненным пляжем, даже при дефиците наносов, позволяют защитить коренной берег и создать рекреационную зону.
Разработке методов расчета взаимодействия волн с проницаемыми сооружениями посвящено довольно значительное количество как экспериментальных, так и теоретических исследований.
Однако до последнего времени оценка гидро- и лито динамических процессов в зоне влияния проницаемых сооружений производится в основном методом гидравлического моделирования. Это связано с тем, что в нормативных документах пока еще нет утвержденных методик расчета проницаемых сооружений, за исключением Свода правил [60]. Однако и в нем, предлагается методика расчета только для вертикальных сквозных стен.
В последние годы наибольшее распространение получили расчеты взаимодействия волн с проницаемыми сооружениями по линейным и нелинейно-дисперсионным моделям длинных волн.
В расчетах параметры проницаемых сооружений, (например, такие как коэффициент гидравлического сопротивления проницаемого сооружения, коэффициент присоединенной массы и т.д.) принимаются по данным гидравлического моделирования, которое является весьма дорогостоящим. В связи с этим, разработка расчетных методов определения коэффициентов гидравлического сопротивления для различных видов проницаемых гидротехнических сооружений, при взаимодействии их с волнами, представляется актуальной, и являлась предметом данного диссертационного исследования.
Предмет исследования - взаимодействие волн с проницаемыми волногасящими гидротехническими сооружениями в прибрежной зоне моря.
Целью работы является разработка методов расчета коэффициентов гидравлического сопротивления в волновом потоке для различных видов проницаемых волногасящих гидротехнических сооружений.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: - выполнить обзор теоретических и экспериментальных исследований по теме диссертации; -подобрать наиболее характерные экспериментальные данные предыдущих авторов; -выполнить дополнительно специальные экспериментальные исследования для определения коэффициентов гидравлических сопротивлений проницаемых сооружений; - откорректировать существующие расчетные методы (в том числе, для поступательного потока) определения коэффициентов гидравлического сопротивления; -разработать программные средства для расчета проницаемых волногасящих сооружений, провести численные эксперименты и сопоставить полученные результаты с данными экспериментальных исследований; - разработать рекомендации для практического применения разработанных методик и программных средств.
В результате разработаны инженерные методы определения коэффициентов сопротивления различных видов проницаемых конструкций, позволяющие уточнить расчеты взаимодействия волн с проницаемыми волногасящими сооружениями, как по линейным, так и по нелинейным теориям. Разработана программа для расчета взаимодействия волн с проницаемыми сооружениями.
Решена актуальная задача определения коэффициентов гидравлического сопротивления различных волногасящих проницаемых сооружений для расчетов параметров волн по линейной и нелинейной теориям при проектировании портовых оградительных и причальных сооружений, берегозащитных сооружений и искусственных островных комплексов.
Практическая значимость состоит в том, что результаты работы использовались в расчетах при проектировании причалов в порту Новороссийск, оградительного сооружения порта-укрытия Каспийского трубопроводного консорциума, берегозащитных сооружений на Черноморском побережье Краснодарского края, Каспийском побережье Дагестана, Калининградском побережье Балтики. Выполнялись также расчеты для оградительного сооружения островного комплекса «Остров Югра» на Черноморском побережье Кавказа.
Результаты работы могут использоваться проектными и научными организациями при математическом моделировании портовых и берегозащитных сооружений для оптимизации их конструктивных параметров.
На защиту выносятся инженерные методы определения коэффициентов гидравлического сопротивления различных видов проницаемых сооружений при взаимодействии их с волнением и программные средства, реализующие математические модели с использованием этих коэффициентов.
Существующие методики расчета проницаемых сооружении
Традиционно под тонкими сквозными стенами понимаются вертикальные, наклонные, откосно-ступенчатые стены из свай, перфорированных плит, горизонтальных ступеней с просветами, ширина которых составляет менее 0,05 от расчетной длины волны.
В настоящее время в портовом строительстве широко распространены конструкции сквозного типа. Их применяют в сооружениях оградительного и причального типа и в качестве продольных берегозащитных сооружений.
Тонкие проницаемые оградительные сооружения применяют при слабых грунтах основания, высоте волн до h1% =4 -г 5 м. Глубина воды в месте строительства проницаемой конструкции доллша составлять не более 16 м. Используют для сооружений II-IV класса.
В мировой практике портового строительства в настоящее время находят широкое применение оградительные сооружения сквозной конструкции следующих типов: о сквозные сооружения со стеной неполной высоты; о сквозные сооружения в виде отдельно стоящих опор; о сквозные сооружения решетчатого типа.
Основными преимуществами сквозных оградительных сооружений этих типов, по сравнению с традиционными конструкциями гравитационного типа, являются: - меньшая стоимость сооружения; - меньшая материалоемкость; - более высокая степень гашения волновой энергии; - лучшие экологические свойства. Кроме того, по сравнению с традиционными гравитационными оградительными сооружениями, сквозные конструкции оказывают меньшее влияние на деформации рельефа дна.
По конструктивным признакам проницаемые причальные сооружения можно разделить на: о сквозные сооружения; о набережные - стенки. Основное их различие состоит в том, что в системе свайного основания сквозных сооружений отсутствуют сплошные стенки из свай или шпунта, которые есть в сооружениях второй группы.
Сквозные причальные сооружения благодаря наличию подпричального откоса почти не отражают подходящие к ним волны, поэтому их возведение благоприятно сказывается на волновом режиме акватории порта. Их подразделяют на две основные группы: эстакады и сооружения мостового типа. В эстакадах сваи размещают равномерно по всей их длине, образуя свайное поле. В конструкциях мостового типа сваи забивают группами в виде отдельных свайных опор. Используют при сосредоточенном приложении нагрузок. В современной практике при проектировании и строительстве причальных сооружений в целях снижения их стоимости часто отказываются от возведения непрерывного причального фронта, т.к. использование высокопроизводительных перегрузочных устройств позволяет при этом ограничиться отдельными опорами.
Набережные-стенки возводят, как правило, в тех случаях, когда необходимо обеспечить большую операционную площадь причала, устойчивость береговой зоны портовой территории и в тяжелых гидрологических, в частности, ледовых условиях.
В последние годы в мировой практике морского гидротехнического строительства сохраняется тенденция широкого применения металлопроката и предварительно напряженного железобетона для изготовления свай и шпунта при возведении элементов оградительных и причальных сооружений. Продольные берегозащитные сооружения устраиваются в тыльной части пляжа и служат для частичного (или полного) гашения волновой энергии, не погашенной пляжем. При косом подходе волн, отраженная часть волновой энергии участвует в транспортировании наносов вдоль берега, а при фронтальном - в поперечном переформировании берегового склона. При проектировании конструкций береговых продольных сооружений необходимо стремиться к выбору таких их типов, которые имели бы минимальное отражение при максимальном гашении волновой энергии. В качестве продольных берегозащитных сооружений хорошо зарекомендовали себя проницаемые тонкие стенки с вертикальной или откосно - ступенчатой морской гранью с устройством волновой камеры или без нее. Волногасящая камера представляет собой свободное пространство между морской и береговой стенами сооружения и может быть сверху перекрыта для устройства набережной. Береговая стена таких сооружений может быть как сплошной, так и тоже проницаемой с устройством за ней (со стороны берега) обратного фильтра для предотвращения суффозии грунта.
Определение коэффициентов гидравлического сопротивления проницаемых сооружений в поступательном потоке
В экспериментах использовались различные типы набросных элементов, чаще всего применяемые в гидротехническом строительстве, такие как, камень, гексабиты различной крупности, тетраподы, бетонные кубы, бетонные параллелепипеды и тонкие сквозные стены [22].
Скорость потока определялась по формуле: V = , (2.8) F где Q - расход, м / сек; F - площадь сечения наброски, через которое проходит вода, м2.
Важным показателем, характеризующим проницаемую наброску, является ее пористость. Под пористостью конструкции каменного набросного сооружения в данной работе понимается отношение суммы объемов пор в конструкции ко всему ее объему. Значения пористости определялись опытным путем по формуле: n=SizS 100 (29) где Ял - объем лотка, занятого проницаемой наброской, м3; S -объем проницаемой наброски S = a-SH, м3; а - количество элементов наброски, шт; SH - средний объем одного элемента наброски, м3.
Основной задачей исследований являлось определение коэффициентов гидравлических сопротивлений проницаемых гидротехнических сооружений. Физический смысл этого коэффициента можно представить как потери напора потоком, прошедшим сквозь проницаемую наброску. Коэффициент гидравлического сопротивления определяем из уравнения местных потерь напора [3,72]: ДЬ = р, (2.10) где g = 9,81 м/сек2 - ускорение свободного падения; Д h - перепад уровней воды до и после прохождения наброски; 4 - коэффициент гидравлического сопротивления. Из этого уравнения получаем:
Эксперименты проводились в следующих условиях. В центре лотка располагалась проницаемая наброска, ограниченная по краям решеткой, размером 0,6 х 0,6 м, с ячейками 3x3 см. Лоток заполнялся водой до определенного уровня, после чего запускался насос. При работе насоса около 10 минут уровень воды в лотке устанавливался. Циркулируя, вода проходила сквозь проницаемую наброску, образуя перепад отметок. Для уменьшения колебаний на поверхности был использован гаситель, состоящий из проницаемой наклонной плоскости и наброски из тетраподов, находящейся на ней. Схема экспериментальной установки представлена на рис.2.1.
В качестве элементов набросок использовались гексабиты разной массы, кубы, тетраподы и щебень. Модели проницаемых набросок из различных элементов представлены на рис. 2.2, 2.3,2.4,2.5.
В экспериментах использовались проницаемые свайные стены различной сквозности, состоящие из цилиндрических, прямоугольных свай, свай из уголков, откосно - ступенчатые конструкции, различные решетки и другие.
В центре лотка располагалась модель сооружения, при этом сечение лотка было уменьшено. Лоток заполнялся водой до определенного уровня, после чего запускался насос. Эксперименты проводились по аналогии с первой серией. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 2.6.
В качестве элементов тонкой стенки использовались трубы и уголки, располагавшиеся как вертикально, так и горизонтально по отношению к потоку воды. Общий вид проницаемой тонкой стенки в волновом лотке представлен на рис.2.7-2.22.
Важным показателем, характеризующим проницаемую тонкую стенку, является ее сквозность, то есть отношение суммы площадей отверстий в проницаемой морской стене конструкции к площади всей стены. При этом форма отверстий в проницаемой стенке была обусловлена сечением ее элементов, располагаемых вертикально или горизонтально на некотором расстоянии друг от друга.
Непосредственное экспериментальное определение коэффициентов гидравлического сопротивления различных проницаемых конструкций в волновом потоке представляет определенные методические трудности. Поэтому указанные коэффициенты определялись косвенно через коэффициенты отражения и прохождения волн, которые достаточно просто и надежно измеряются на гидравлических моделях. В данной работе использовались как собственные экспериментальные исследования автора, так и данные ранее выполненного другими авторами физического моделирования [93,95,96,97,99,100,101,102,106,100,108].
Определение коэффициентов гидравлических сопротивлений набросных сооружений поступательном потоке
Общие потери в проницаемых тонких стенах, выполненных из стержней различных форм сечения, складываются из потерь на вход, на трение и на внезапное расширение (удар) при выходе из суженного сечения между стержнями в канал.
Коэффициент сопротивления тонких стен при любых значениях коэффициента живого сечения f= OTVp = % и любой относительной глубине просветов (толщине тонкой стены) / для поступательного /ао потока определяется по методике, приведенной в [10]: P2 sin9 , (3.5) где р2 - коэффициент формы стержней, значения которого для элементов круглого сечения 0,74. - коэффициент сопротивления обычной решетки с утолщенными краями отверстий, определяемый по формуле: / і; (3.6) е = p,5 + TVTT) (l-f)+(l-f)2+X T=f принимается по диаграмме, X = 0,02, - угол наклона стержня к потоку.
При расчетах были использованы те же исходные данные, что и в экспериментальных исследованиях тонких стен.
При установке нескольких тонких стен вплотную одна к другой, увеличивается размер длины стержней по потоку, что приводит к увеличению сопротивления, но не более, чем в 2 раза. В тех случаях, когда расстояние между последовательно установленными тонкими стенами превышает 200 элемента стены, коэффициент суммарного сопротивления определяют как сумму коэффициентов сопротивления отдельных проницаемых стен. ъ » (3-7) 1 где z - число рядов проницаемых тонких стен.
Тонкая стена из труб Определяем коэффициент гидравлического сопротивления тонкой стены, состоящей из труб. Исходные данные: 1. Трубы 0 = 0,042 м. Глубина d0 = 0,375м., ширина отверстий в свету ао = 0,015м, сквозность 0,26, располагались: - вертикально, в один ряд - вертикально в два ряда; - горизонтально в один ряд, сквозность 0,23. 2. Цилиндрические сваи 0 - 0,04 м, Глубина d0 =0,2 м, располагались вертикально в один ряд: - сквозность 0,2, ао = 0,01 м, - сквозность 0,3, ао = 0,016 м; - сквозность 0,5, ао = 0,04 м, Расчет производим в следующем порядке: 4f 1. Определяем dr=- , (3.8) о где fore - площадь одного отверстия, м2; По - периметр отверстия, м; 2. Определяем . р Yf (3.9) где F0 - площадь живого сечения решетки, м ; .2 Fi - площадь решетки, м 3. Определяем отношение л , где / - диаметр (ширина) стержней решетки. По вычисленным значениям определяем т, затем расчет ведем по формулам 3.3-3.5. Результаты расчета приведены в таблице 3.3.
Определяем коэффициент гидравлического сопротивления тонкой стенки, состоящей из прямоугольных свай, располагающихся ребрами и гранями на поток по существующей методике, приведенной в [10].
Исходные данные: Глубина d0 = 0,2м, сваи 0,03x0,03 м, 1. Прямоугольные сваи гранями на поток, сквозность 0,28. ширина отверстий в свету ао = 0,08м. 2. Прямоугольные сваи гранями на поток, сквозность 0,49. ширина отверстий в свету ао = 0,04 м. 3. Прямоугольные сваи гранями на поток, сквозность 0,64. ширина отверстий в свету ао = 0,175 м. 4. Прямоугольные сваи ребрами на поток, сквозность 0,35. ширина отверстий в свету ао = 0,09 м.
Коэффициент гидравлического сопротивления определяется по формуле 3.3. При этом коэффициент формы элементов стержней Р2 для прямоугольных свай гранями на поток равен 1, а для прямоугольных свай, расположенных ребром к потоку 0,76 [10,72]. Результаты расчета приведены в таблице 3.5. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных для поступательного потока. Результаты проведенных экспериментальных исследований (см. гл. 2) сопоставляются с результатами расчетов по рекомендуемым формулам справочника [10]. Проницаемые набросные сооружения Для сопоставления значений коэффициента гидравлического сопротивления (КГС), найденного экспериментальным путем, с коэффициентом, рассчитанным по формуле 3.1, приведем элементы набросок к однородному материалу (шару). Гидравлические сопротивления набросок различных типов можно характеризовать безразмерной величиной : Г -Оу , (3.12) где Dy - характерный размер, в качестве которого принимается диаметр условного шара с массой, равной массе фигурного блока или камня. Если задать удельный вес материала фигурных блоков или камня равным рм = 2400 кг/м , то получим результаты, представленные в таблице 3.6:
Определение коэффициентов гидравлических сопротивлений сквозных стен в волновом потоке
Для практических расчетов оптимальных параметров проницаемых волногасящих сооружений по разработанным методикам и программе необходимо подготовить следующие исходные данные, общие для всех типов сооружений: 1. Расчетные элементы волн либо непосредственно на глубине предполагаемого расположения сооружения dc либо на подходе к нему do высота волн h0, длина волн Х0. Период волн Т автоматически рассчитывается программами и принимается постоянным во всей расчетной области; 2. Глубина у морской грани сооружения dc положительная, если стена расположена в море и отрицательная, если стена расположена на берегу в зоне наката волн; 3. Уклон дна в зоне сооружения / . Далее для сквозных стен: 1. Сквозность стены п отношение площади отверстий к общей площади стены; 2. Угол наклона стены к горизонту в (10 - 90); 3. Глубина сквозной части стены D , если глубина dc 0 или высота сквозной части D , если dc 0; 4. Коэффициент отражения волн от береговой границы 0 Кб 1; 5. Ширина волновой камеры b 0 - расстояние от стены до береговой границы. При этом, если К6 = 0, то величина b не играет никакой роли;
В программе для стен можно задать автоматическое варьирование в процессе счета одним из следующих параметров: сквозность стены «; ширина волновой камеры Ь; угол наклона стены к горизонту в. І Для расчета набросных сооружений задаются следующие исходные данные: 1. Пористость наброски п - отношение объема пор в наброске к общему ее объему; 2. Глубина наброски от уровня воды D , если глубина dc 0 или высота наброски от поверхности земли Dskv, если dc 0; 3. Ширина наброски /; 4. Тип элементов наброски: камень, бетонные блоки или фигурные массивы (тетраподы, гексабиты и т.п.); 5. Коэффициент отражения волн от береговой границы 0 Кб 1; 6. Ширина волновой камеры b 0 - расстояние от стены до береговой границы. При этом, если К6 = 0, то величина Ъ не играет никакой роли;
В программе для набросок можно задать автоматическое варьирование в процессе счета одним из следующих параметров: пористость наброски п\ ширина наброски /; ширина волновой камеры Ь.
В программе по нелинейной модели задается рельеф дна в виде Xif...n, di,„.ib где Xit.„n - расстояния между точками аппроксимации рельефа дна; di,.„n - глубины в точках; п - количество точек аппроксимации дна. Кроме того, если надо рассчитывать деформации дна, то задается средний диаметр наносов dgp. Параметры сооружений - те же, что и в линейных моделях. Для ввода указанной информации имеется специальная программа, вызываемая из главного меню системы. Введенные данные помещаются в специальный файл с именем WAVE.DAT.
В результате расчетов для сквозных стен и набросок выдаются коэффициенты отражения, прохождения волн и волногашения, высота прошедшей волны.
Кроме того, для стен и набросок выдается следующая информация: - высота заплеска волны на морскую грань сооружения; - высота заплеска на береговую границу; - погонная горизонтальная нагрузка на сооружение.
Таким образом, в результате расчетов программами определяются все данные, необходимые для принятия проектных решений по конструкциям сооружений, а также для дальнейших расчетов их прочностных характеристик.
В данном разделе приведем примеры расчетов программам, реализующим линейные модели для сквозных стен и набросок при их расположении в мелководной (мористее линии разрушения волн), прибойной (между линией обрушения и урезом) зонах, и в зоне наката волн.
