Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния вопроса. изучение основных достижений и тенденций в разработке морских волногасящих гидротехнических сооружений 9
1.1. Волногасящие гидротехнические сооружения. Общие сведения... 9
1.2. Тенденции в разработке волногасящих гидротехнических сооружений 20
1.3. Постановка задачи 25
Глава 2. Экспериментальные исследования 28
2.1. Методика исследований 28
2.1.1. Методика измерений 28
2.1.2. Точность измерений 30
2.1.3. Экспериментальные установки 32
2.1.4. Измерительная система 33
2.2. Оценка эффективности работы исследуемого сооружения при различных режимах волнения 34
2.3. Исследование нового волногасящего прикрытия 43
2.3.1. Общие сведения 43
2.3.2. Исходные данные проведения экспериментов в волновом лотке 44
2.3.3. Результаты экспериментальных исследований 45
2.4. Исследование возможности использования новой конструкции волногасящего сооружения в качестве берегозащитного подводного волнолома 61
2.4.1. Общие сведения 61
2.4.2. Исходные данные проведения экспериментов в волновом лотке 64
2.4.3. Результаты экспериментальных исследований 69
2.5. Исследование новой конструкции оградительного сооружения на пространственной модели 75
2.5.1. Исходные данные проведения экспериментов в глубоководном бассейне 75
2.5.2. Результаты экспериментальных исследований 76
2.6. Определение нагрузок на проницаемое волногасящее сооружение 83
2.6.1. Определение устойчивости сооружения на сдвиг и опрокидывание 85
2.6.2. Определение горизонтальной суммарной нагрузки и опрокидывающего момента при волнении 91
2.6.3. Определение нагрузок на стенки каркаса от отсыпки и от волнения 95
2.6.4. Расчет нагрузок на проницаемое волногасящее сооружение.. 103
Глава 3. Расчет взаимодействия волн с понрщаемыми волногасящими гидротехническими сооружениями 112
3.1. Расчет по линейной теории 112
3.1.1. Система уравнений 112
3.1.2. Постановка задачи 115
3.1.3. Результаты расчетов трансформации необрушающихся волн 117
3.2. Расчет по нелинейной теории 119
3.2.1. Основные уравнения 119
3.2.2. Результаты расчетов трансформации обрушающихся волн... 121
3.3. Влияние проницаемых волногасящих сооружений на транспорт наносов 122
Заключение 130
Список использованной литературы 133
- Тенденции в разработке волногасящих гидротехнических сооружений
- Оценка эффективности работы исследуемого сооружения при различных режимах волнения
- Исследование возможности использования новой конструкции волногасящего сооружения в качестве берегозащитного подводного волнолома
- Влияние проницаемых волногасящих сооружений на транспорт наносов
Тенденции в разработке волногасящих гидротехнических сооружений
В процессе поиска и изучения отечественных и зарубежных источников научно-технической информации было установлено, что основные тенденции в морском гидротехническом строительстве, отмечающиеся в предыдущие годы сохранились /5, 8, 86, 106/. При этом используются и модернизируются конструктивные решения, с использованием новых материалов и технологий охватывающие все известные типы волногасящих гидротехнических сооружений/68, 89,119, 130, 131, 150, 159/.
В последние годы наряду с традиционными прикрытиями в практике берегозащитного строительства все чаще применяются относительно тонкие проницаемые конструкции с волновыми камерами /154/.
Следует отметить работы по обоснованию методов расчета оптимальных параметров проницаемых конструкций и волновых нагрузок /6, 36, 40, 90, 108, 121, 140/. Наиболее активно исследовались волновые воздействия на непроницаемые вертикальные преграды /90, 22, 80/. В работе /65/ исследуется неполное отражение волн от протяженной преграды с произвольным поперечным сечением при конечной глубине.
В нормативных документах /40, 90/ приведены методы расчетов взаимодействия волн с отдельно стоящими вертикальными или горизонтальными обтекаемыми преградами и со сквозными сооружениями из обтекаемых элементов.
В зарубежной практике при проектировании и строительстве оградительных и причальных сооружений в целях снижения их стоимости часто отказываются от возведения непрерывного причального фронта, т.к. использование высокопроизводительных перефузочных устройств позволяет при этом офаничиться отдельными опорами.
Сплошные набережные стенки строятся тогда, когда необходимо обеспечить большую оперативную площадь причала, а также устойчивость береговой зоны портовой территории. Известно, что для обеспечения долговечности тонкостенных сфоительных консфукций из железобетона необходимо устранить основную причину появления фещин, способствующих коррозии арматуры и разрушению бетона - образование чрезмерных растягивающих напряжений. Это достигается применением предварительно напряженного железобетона, сокращающего расход цемента и металла на 10-25%, а стоимость консфукций на 5-10%. Поэтому в последние годы в морском гидротехническом сфоительстве сохраняется тенденция широкого применения предварительно напряженного железобетона для изготовления свай, шпунта, элементов верхнего сфоения офадительных и причальных сооружений.
Кроме того, значительный удельный вес среди материалов, используемых в сфоительстве офадительных сооружений и причалов, сохраняет стальной металлопрокат (лист, шпунт и фубы). Однако в результате коррозии происходит разрушение стальных конструкций и уменьшение срока их службы. Известно, что наиболее интенсивной коррозии стальной шпунт подвергается в зоне переменного уровня и в зоне всплеска. В надводной смачиваемой зоне на 1-3 м выше спокойного уровня воды интенсивность коррозии составляет 0,4-0,6 мм в год, а в подводной зоне от 0,06 до 0,15 мм в год, и в зоне грунта от 0,01 до 0,03 мм в год /25, 47, 52, 92, 113/.
В настоящее время в портовом строительстве находят широкое применение оградительные сооружения сквозной конструкции следующих типов: - сквозные сооружения со стенкой неполной высоты; - сквозные сооружения в виде отдельно стоящих опор; - сквозные сооружения решетчатого типа. Таким образом, для нормальной эксплуатации оградительных и причальных сооружений сквозной конструкции необходимо иметь в их составе эффективные гасители волновой энергии. Поэтому совершенствованию и разработке принципиально новых гасителей волновой энергии уделяется особое внимание /9, 74, 144, 154/. Широко применяются металлические трубы в качестве свай, особенно для глубоководных причалов. Это объясняется тем, что с точки зрения возможности реконструкции причалов (с целью увеличения глубин) наиболее рациональными являются конструкции на свайных основаниях /41, 88/. По технико-экономическим показателям, относительной простоте производства работ и долговечности, при наличии специальных антикоррозионных покрытий, стальной металлопрокат в настоящее время считается одним из самых надежных конструктивных материалов для применения при строительстве морских гидротехнических сооружений. Этим и объясняется то, что традиционные конструкции оградительных сооружений гравитационного типа в последние годы вытесняются из практики строительства морских гидротехнических сооружений. 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 /76,136/. Поэтому исследования волногасящих конструкций, включающих оградительные сооружения сквозной конструкции и подпричальные гасители волновой энергии, а также разработка методики их расчета, имеют актуальное значение /38, 39,42,44, 56, 84, 154/.
Оценка эффективности работы исследуемого сооружения при различных режимах волнения
Эффективность работы проницаемого сооружения при различных значениях высоты и периода волн оценивалась экспериментально (в волновом лотке) и теоретически /100/. Основные размеры волнового лотка представлены в разделе 2.1. Для чистоты экспериментов исходный волновой режим в лотке подбирался без сооружений. С целью исключения отражения волн в противоположной от волнопродуктора торцевой части лотка отсыпалась волногасящая берма. Глубина воды в зоне расположения сооружений равнялась 40,0 см. Основные размеры проницаемого сооружения приведены на рис.2.1. По результатам проведенных экспериментов были построены зависимости коэффициентов прохождения ktr и волногашения квг от величины h/d (где h — исходная высота волн, d — глубина воды) при d г. различных значениях отношения —-. Эти зависимости представлены на рис. 2.2. Сравнение экспериментальных данных с расчетными приводится на рис. 2.3- 2.7. Полученные в результате расчетов значения ktr и квг показаны сплошными линиями, а экспериментальные данные -кружочками. Можно видеть, что согласование теоретических и экспериментальных результатов удовлетворительное. Расчеты выполнялись по нелинейно-дисперсионной модели, описанной в разделе 3.2. Коэффициент гидравлического сопротивления сооружения на единицу ширины равен =200 м"1. В качестве примера, при h=15 см и Т=2,0 с исходное волнение в математическом лотке иллюстрируется на рис. 2.8, а взаимодействие волн с проницаемым волногасящим сооружением - на рис. 2.9. Широкое применение в мировой практике портостроения получили гравитационные оградительные сооружения откосного типа. Одни из первых оградительных сооружений откосного типа возводились из несортированного камня массой от 10 кг до нескольких тонн. Во избежание размыва такие откосы делались с уклонами от 1:8 до 1:12 с волноопасного направления.
Основной недостаток таких сооружений это большой расход материала. Исходя из этого, появилась необходимость увеличения уклона откосов, используя при этом сортированный камень. С волноопасного направления уклоны откосов из сортированного камня устраиваются от 1:1,5 до 1:3,5. Несмотря на увеличение крутизны откосов, такие сооружения также требуют использования большого количества материала. Также недостатком сооружений из сортированного камня является большая трудоемкость работ по заготовке и транспортировке камня. Использование фигурных блоков частично устраняет эти недостатки. Откосы набросных сооружений из фигурных блоков обеспечивают лучшее гашение волновой энергии, так как имеют большую шероховатость и проницаемость. Также отсыпка из фигурных блоков обеспечивает устойчивость откосов при уклонах 1:1, а при специальной укладке круче, чем 1:1. Экономический эффект сооружений откосного типа из фигурных блоков достигается за счет большей крутизны откосов и тем самым сокращения объема материала /116, 144/. Волногасящие откосы различных типов широко применяются в качестве волногасящих прикрытий для гидротехнических сооружений с вертикальной передней гранью. В Научно-исследовательском центре «Морские берега» на модели в волновом лотке было выполнено 3 серии экспериментальных исследований с целью: 1) оценки эффективности нового волногасящего гидротехнического сооружения и его устойчивости на стадии строительства; 2) определения возможного использования нового сооружения в качестве волногасящего прикрытия; 3) сравнения нового сооружения с откосом по волногасящим свойствам. Для оценки волноотражающей способности исследуемых конструкций во всех опытах определялся коэффициент отражения по формуле: где: kref - коэффициент отражения волн, hint - высота волн в пучности, h - исходная высота волн. Коэффициент волногашения квг, определялся по формуле h где: ktr = — - коэффициент прохождения волн, h hlr - высота волн за сооружением. В каждой серии опытов сооружения исследовались во взаимодействии с двумя различными волнениями.
Волнение 1: Волнение 2: -высота волн h = 10,0 см; -высота волн h = 20,0 см; -средний период волн Т= 1,3 с. -средний период волн Т 2,2 с. Глубина воды в зоне расположения сооружений равнялась 37,5 см. Профиль дна и основные размеры волногасящего сооружения приведены на рис.2.10. В первой серии опытов были проведены экспериментальные исследования для оценки эффективности нового волногасящего гидротехнического сооружения и его устойчивости на стадии строительства. В опытах №1 и №2 исследовалось взаимодействие исходных волнений (опыт №1 — волнение 1, опыт №2 - волнение 2) с новым волногасящим гидротехническим сооружением в виде наброски из бетонных кубов массой 450г, отсыпанной в каркас, который полностью погружен в воду. Верхняя отметка каркаса расположена на 5 см ниже уровня воды. Выше каркаса гексабиты массой 450 г отсыпались в виде призмы без крепления откосов. Ширина сооружения принята равной 55 см. Воздействие исходных волнений на волногасящее сооружение показано на рис.2.11. Опыты №3 и №4 были проведены для оценки устойчивости сооружения на стадии строительства. Отличие опытов №3 и №4 от опытов №1 и №2 состоит в том, что каркас устанавливался без наброски. По результатам первой серии опытов можно сделать следующие выводы: 1. При воздействии волн на новое волногасящее гидротехническое сооружение оно устойчиво и его волногасящая эффективность весьма высока - квг&0,79. 2. Высота волн за сооружением в 2,5 -2,9 раз меньше, чем высота исходных волн. 3. У сооружения не формируются интенсивные всплески и переливы воды. Оно работает «мягко».
Исследование возможности использования новой конструкции волногасящего сооружения в качестве берегозащитного подводного волнолома
Практика укрепления морских берегов убедительно показала, что защитить берег одним только фронтом волноотбойных стен невозможно /18, 20/. Поэтому для решения задач укрепления и защиты берегов от морской абразии разрабатываются и строятся различные берегозащитные сооружения. Трудами ученых и инженеров П.К. Божича, Н.Н. Джунковского, A.M. Жданова, B.C. Гамаженко и др. подводный волнолом со скошенной морской и вертикальной береговой гранями внедрен в практику гидротехнических работ и с переменным успехом применяется для защиты берегов от размыва в качестве пляжеудерживающего сооружения. Волноломы относят к сооружениям активной защиты, т.к. они предназначены для регулирования вдольберегового и поперечного перемещения наносов с целью консервации существующих или защиты искусственно отсыпаемых пляжей, на которых происходит гашение энергии штормового волнения /134/. Многочисленные исследования волноломов различных конструкций посвящены определению их волногасящей способности /2, 48, 64, 82, 87, 98, 123, 135, 138, 142, 148, 152/, пляжеудерживающей эффективности /1, 11, 12, 19, 46, 55, 61, 110/ и устойчивости на береговом склоне /17, 50, 51, 66, 125, 145/. Также необходимо отметить, что множество работ выполнено по исследованию волноломов из каменной наброски /118, 123, 125, 147, 148, 155, 158/. Волноломы, сооружаемые на Черноморском побережье, не отличаются большим разнообразием конструкций и собираются из бетонных массивов массой до 100 т со скошенной передней гранью с уклонами от 1:1,7 до 1:2 /62/. Для современной практики берегоукрепления характерно широкое применение подводных волноломов с траверсами, образующими в плане замкнутые акватории.
Применение волноломов из бетонных массивов имеет ряд существенных недостатков /16, 29, 49/: - формирование волнового нагона за волноломами; с повышением уровня воды в заволноломном пространстве ширина пляжа уменьшается, урез приближается к коренному берегу, берегозащитные свойства волнолома ухудшаются; - при подходе впадины волны к волнолому гидростатическое давление на его заднюю грань увеличивается за счет нагона, устойчивость сооружения уменьшается; - с увеличением нагона усиливается обратный отток воды, повышаются донные скорости, увеличивается опасность размыва дна и постели сооружения, следовательно устойчивость волнолома уменьшается; - при наличии разрывов между секциями волнолома нагон может существенно снизить наносоудерживающую способность сооружения. Кроме того, небольшое заглубление гребня волнолома под уровень воды на 0,5- 0,8 м не обеспечивает необходимой интенсивности водообмена. Для поддержания санитарного состояния воды в таких акваториях необходим принудительный водообмен с морем в период штиля. Модельные исследования и натурные наблюдения показали /49, 57, 58, 59, 136/, что на величину волнового нагона в заволноломном пространстве влияют следующие факторы: - глубина затопления гребня волнолома; - глубина моря у волнолома и расстояние от уреза; - степень замкнутости заволноломного пространства траверсами, соединяющими волнолом с берегом; - форма поперечного сечения волнолома и траверсов; - конструкция и размеры постели в основании волнолома; - крутизна подводного склона; - параметры волн; - направление и скорость ветра. К вышеперечисленному следует добавить такой важный фактор как пористость конструкции волнолома.
Пористая конструкция волнолома частично или полностью могла бы решить проблему устранения недостатков, возникающих при применении волноломов в виде бетонных массивов /132, 136, 144, 153/. Вопрос является достаточно актуальным и в результате его решения в Научно-исследовательском центре «Морские берега» была разработана новая конструкция волнолома.
Влияние проницаемых волногасящих сооружений на транспорт наносов
В процессе вдольберегового перемещения наносов основным транспортирующим механизмом во время шторма является вдольбереговое течение, генерируемое подходящими под углом к берегу волнами. Для ряда практических приложений особый интерес представляет вдольбереговой расход наносов Q, характеризующий перемещение твердого материала в пределах всей ширины потока наносов. Расход Q обычно выражается в кг/с, кг/ч или м /ч. Для анализа долговременной эволюции исследуемого побережья более подходящей характеристикой является результирующая величина Q, выраженная в м /год /46/.
Следует отметить существенные различия способов экспериментальной оценки расхода наносов в лаборатории и в натурных условиях. В лабораторном волновом бассейне величина продольного расхода может быть измерена непосредственно с помощью особых ловушек, перекрывающих поток твердого материала, причем конструкция ловушек иногда позволяет отделять влекомые частицы от взвешенных /107/. При полевых же исследованиях более или менее достоверно удается оценить только поток взвеси, причем величина продольного расхода непосредственно не измеряется, а вычисляется по данным о вертикальном профиле концентрации наносов и скорости течения /46/.
Из-за ограничений существующих методов измерений приходится применять те или иные аппроксимации. Так, в ходе наблюдений часто удается получить только средние концентрации и скорости. Методы измерения средней концентрации взвеси подробно изложены в работах СМ. Анцыферова и Р.Д. Косьяна /3/ и Р.Д.Косьяна и Н.В.Пыхова /33/.
В соответствии с энергетической концепцией, расход наносов в водном потоке пропорционален потере мощности или скорости диссипации энергии. При косом подходе волн величина продольного расхода, очевидно, должна быть пропорциональна потоку энергии вдоль берега {ECg jsin 0 cos0 /46/, где Е- энергия волн; Cg-групповая скорость; 0 - угол между фронтами волн и линией берега; Это обстоятельство служит основой так называемой формулы CERC (Coastal Engineering Research Center) или SPM (Shore Protection Manual), которая уже много лет используется во многих странах мира и имеет вид где все величины относятся к линии обрушения волн; К - эмпирический коэффициент. Как показали специальные исследования /46/, в 65 % всех случаев отношение вычисленных значений к измеренным лежит в пределах от 0.5 до 2. Для расчета вдольберегового расхода песчаных наносов применяются также формулы Пышкина Б.А. /77,78,79/, Леонтьева И.О. /45,46/ и др. В результате обработки лабораторных и натурных данных Шахиным В.М. получена эмпирическая зависимость /109/ где v - кинематическая вязкость жидкости; D — средняя крупность наносов; hcr- высота волн по линии обрушения 10-15% обеспеченности в системе расчетного шторма. Вдольбереговой расход галечных наносов может быть рассчитан по зависимости Петрова В.А., Ярославцева Н.А. /81/ где hsurl%- высота волны 1% обеспеченности в системе по линии последнего обрушения; d50% - медианный диаметр пляжеобразующего материала; рв - объемный вес наносов; р - объемный вес воды; acr.u Угол подхода волн к линии последнего обрушения; At - время действия данного волнения; кок - коэффициент, учитывающий влияние степени окатанности пляжевого материала на интенсивность его перемещения. Теоретические решения задачи об изменении контура берега под влиянием поперечных сооружений и неоднородностей дна, являющихся местом стока наносов, известны /10, 46, 109/. В этих работах при условии, что высота и направление волн вдоль берега постоянны, для описания эволюции линии берега используется уравнение диффузии. В рассматриваемом случае эти предположения недействительны, поскольку после взаимодействия волн с проницаемым волноломом изменяется их высота и направление. Поэтому высота и направление волн в зоне влияния волноломов рассчитывались предварительно на базе математической модели /112/ (раздел 3.2). Расчет выполнялся до линии обрушения, и полученные значения высоты и направления волн применялись для дальнейшего изучения динамики контура берега на базе уравнения баланса наносов где t - время; л: - продольная координата; в — ширина надводного пляжа; Н — суммарная высота надводной и подводной части пляжа, которая зависит от волновых параметров /46/; Q — вдольбереговой расход наносов, определяемый для песчаных наносов по формуле (3.18), а для галечных - по формуле (3.19) в зависимости от высоты, периода, угла подхода волн и крупности наносов. Предполагается, что со временем поперечный профиль пляжа остается неизменным, возможны лишь его смещения к берегу или от берега при изменении ширины пляжа. В качестве примера с целью оценки влияния двух проницаемых волноломов на изменение береговой линии выполнен численный расчет. При расчете принято