Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Габионы: Характеристики, материалы, свойства, использование в гидротехническом и транспортном строительстве 5
1.1. Описание и область применения коробчатых габионов и матрацев Рено 5
1.2. Классификация сооружений, возводимых из габионов 8
1.3. Основные технические характеристики и преимущества использования изделий из сетки двойного кручения 9
1.4. Действующие нормативные документы по использованию габионов 12
1.5. Требования к каменным материалам 13
1.6. Концепция работы и свойства габионных структур
1.6.1. Гибкость 16
1.6.2. Прочность и устойчивость 16
1.6.3. Проницаемость 16
1.6.4. Срок службы 17
1.6.5. Экологические свойства 17
1.6.6. Экономичность 17
1.6.7. Волновые нагрузки на сооружения из габионов 18
1.7. Определение расчетных исходных данных, характеризующих ледовую обстановку в районе строительства сооружения, возводимого из габионов 23
Выводы по Главе 1 34
Глава 2. Воздействие льда на гидротехнические сооружения, в том числе из габионов 35
2.1. Воздействие льда на гидротехнические сооружения 36
2.2. Ледовые нагрузки на гидротехнические сооружения. Классификация и типы расчетов 52
2.3. Особенности воздействия льда на габионные конструкции 58
2.4. Ледовые воздействия на конструкции из габионов в условиях ледохода 60
2.5. Динамическое воздействие льда 62
2.6. Истирающее действие льда 65
2.7. Наползание льда на откосы 69
2.8. Ледовые воздействия на конструкции из габионов в период ледостава 76
2.9. Промерзание габионов и вмерзание их в лед, термический режим конструкций из габионов в период ледостава 78
2.10. Статическое давление льда за счет температурного расширения 81
2.11. Статическая нагрузка при изменении уровня воды 84
Выводы по Главе 2 88
Глава 3. Модели взаимодействия ледовых образований с сооружениями из габионных конструкций 89
3.1. Феноменологическая модель воздействия торосов с речными берегоукрепительными сооружениями 89
3.2. Обобщенная математическая модель воздействия ледовых образований на сооружения из габионов 91
3.3. Имитационная модель воздействия льда на сооружения вертикального и откосного типов при изменении горизонта воды в водоеме 102
Выводы по Главе 3 109
Глава 4. Практическая реализация математических моделей воздействия льда на сооружения из габионов ПО
4.1. Алгоритм и программа реализации обобщенной математической модели воздействия льда на сооружения из габионов ПО
4.2. Алгоритм и программа реализации имитационной математической модели воздействия льда на сооружения из габионов 115
4.3. Предложения по совершенствованию нормативно-расчетной базы 126
4.4. Методические рекомендации по оценке возможности применения габионных конструкций в регионах с суровыми климатическими
условиями 127
Выводы по Главе 4 129
Глава 5. Мониторинг построенных сооружений с применением габионов на территории России, странах Содружества и иностранных государств 130
5.1. Цели и виды мониторинга сооружений из габионов 130
5.2. Методика по выполнению мониторинга сооружений из габионов работающих в условиях ледовых нагрузок 133
5.3. Анализ мониторинга сооружений из габионов работающих в ледовых условиях (собственные наблюдения автора) 136
5.4. Карта-схема 154
Заключение 154
Библиографический список
- Действующие нормативные документы по использованию габионов
- Особенности воздействия льда на габионные конструкции
- Обобщенная математическая модель воздействия ледовых образований на сооружения из габионов
- Алгоритм и программа реализации имитационной математической модели воздействия льда на сооружения из габионов
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Обеспечение национальных водной, энергетической и транспортной стратегий Российской Федерации на период до 2020 года, утвержденных распоряжениями Правительства РФ, связано с дальнейшим развитием топливно-добывающей промышленности, гидротехнического, транспортного и энергетического строительства в северных, сибирских и дальневосточных регионах страны, как правило, отличающихся от европейской территории России достаточно суровым климатом и большим количеством водных объектов. Экономическое освоение и обустройство этих территорий потребовали решения целого ряда инженерно-технических задач, связанных с проектированием, строительством и реконструкцией гидротехнических, транспортных и защитных сооружений на водных объектах со сложными ледовыми условиями.
Ледовые условия на большинстве водных объектов России создают значительные трудности для эксплуатации существующих на них сооружений. Как правило, конструкции этих сооружений подвергаются воздействию статического и динамического давления льда, истирающему воздействию ледохода, выворачиванию отдельных частей массива сооружения, смерзшегося с ледяным покровом при изменении уровня воды.
Аналогичным воздействиям подвергаются и конструкции сооружений, выполненные с использованием габионов (в т.ч. матрасов Рено, системы Террамеш), которые все шире применяются отечественной строительной индустрией при выполнении берегоукрепительных работ, защиты русел рек, различных противооползневых и противоэрозионных мероприятий, а также в других областях строительства.
Цель диссертационной работы состоит в совершенствовании существующих и разработке новых подходов обследования и расчета надежности гидротехнических сооружений из габионов вертикального и откосного типов, работающих в условиях ледовых нагрузок. В свою очередь, это необходимо для обеспечения рационального проектирования ледостойких конструкций из габионов, эффективного мониторинга построенных сооружений и разработки мероприятий по обеспечению безопасной эксплуатации сооружений из габионов, подверженных воздействию льда.
Достижение поставленной цели предполагает необходимость решения следующих задач:
выполнить мониторинговые исследования и анализ современного уровня знаний о ледовых воздействиях на гидротехнические сооружения из габионов на ряде эксплуатируемых объектов в различных регионах России и странах СНГ;
выявить и изучить основные факторы, особенности и механизмы взаимодействия льда и сооружений из габионных конструкций, работающих в различных ледовых условиях;
выполнить анализ существующих методов и подходов к расчету взаимодействия льда и сооружений из габионов; усовершенствовать методы оценки взаимодействия ледовых образований и сооружений из габионов;
разработать практические рекомендации по предотвращению и уменьшению негативного влияния ледовых образований на сооружения из габионов;
составить электронную карту-схему и базу данных по работающим отечественным гидротехническим сооружениям из габионов с описанием технических аспектов и условий их эксплуатации в зимний период.
Научная новизна.
Получены новые оригинальные результаты натурных исследований воздействия ледовых образований на гидротехнические и транспортные сооружения, выполненные с применением габионных конструкций в различных регионах России, странах СНГ и за рубежом;
Впервые выявлены факторы и закономерности, влияющие на общую и внутреннюю устойчивость различных типов сооружений на основании опыта проектирования, эксплуатации и свойств габионных конструкций;
Автором усовершенствованы методики расчета сооружений из габионных конструкций при наличии ледовых воздействий на основе актуализированных математических моделей взаимодействия ледового покрова с гидротехническими и транспортными сооружениями из габионных конструкций;
Впервые разработана информационная база данных и электронная карта-схема по работающим отечественным сооружениям из габионов в различных ледовых условиях.
Достоверность основных исходных положений и результатов, полученных в ходе написания работы, подтверждена значительным объемом натурного и теоретического материала, полученного и проанализированного автором в ходе выполнения диссертационной работы; апробированными исходными положениями, принятыми в теоретических исследованиях, а также удовлетворительной сходимостью расчетных результатов и данных натурных наблюдений, полученных автором в ходе визуального обследования и мониторинга целого ряда сооружений из габионных конструкций, эксплуатирующихся на территории России и стран СНГ. На защиту выносятся:
усовершенствованная математическая модель взаимодействия ледовых образований и сооружений из габионов, как инструмента для изучения явлений взаимодействия ледовых образований с гидротехническими сооружениями откосного и вертикального типов;
методика выполнения поверочных расчетов надежности выбранной конструкции берегоукрепительных сооружений, на основании свойств ледовых образований и параметров габионных изделий с учетом их конструктивных особенностей; методика выполнения визуального обследования и мониторинга сооружений из габионов; информационная электронная база данных и карта-схема по отечественным гидротехническим габионным сооружениям в России и СНГ;
рекомендации по проектированию и безопасной эксплуатации берегоукрепительных сооружений из габионов в условиях развивающейся ледовой нагрузки, а также научно-методические подходы по предотвращению последствий возможных нарушений целостности их конструкций при воздействии льда.
Практическая значимость работы. Разработанные методики, практические рекомендации и электронные ресурсы предназначены для использования их при проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических и транспортных сооружений из габионных конструкций, работающих в условиях взаимодействия с ледовыми образованиями, а также для применения их в научно-исследовательской, инженерной и педагогической деятельности.
Полученные результаты имеют реальное практическое использование при анализе возможности применения габионов и габионных технологий проектными и строительными организациями России и стран СНГ.
Реализация основных результатов работы. Результаты исследований внедрены при проектировании дамбы инженерной защиты в г. Томске; защитных мероприятий причальных стен причала «Нижнеленинское» и "Пашково» на Среднем Амуре, железнодорожной насыпи на участке «Сызрань-Сенная» Куйбышевской ж/д; при разработке противоэрозионных и противооползневых мероприятий на водохранилищах Куйбышевского, Угличского, Рыбинского гидроузлов и др.
Апробация работы. Результаты исследований автора по теме диссертации докладывались на 9 научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе на международных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО МГУП (Москва, 2004, 2005, 2008, 2011); на Всероссийской научно-практической конференции «Инженерные системы-2008» (РУДН, Москва, 2008г.); на VII конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежных морей» (ИВП РАН, Москва 2009г.); на конференции «Актуальные задачи и перспективы развития городского строительства и хозяйства» (МГСУ, Москва 2009г.); на IV Международной научно-технической конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее», (ГАЗПРОМ ВНИИГАЗ, Москва 2011 г); на III Всероссийской конференции «Ледовые и термические процессы на водных объектах России» (г. Онега, Архангельской области, Россия, 2011г).
Основные положения диссертации отражены в 10 научных статьях (в том числе 4 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ) и тезисах докладов общим объемом 5 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка из 82 наименований, 2-х приложений. Материалы диссертации изложены на 161 странице, содержат 84 рисунка и 45 таблиц.
Действующие нормативные документы по использованию габионов
Основная концепция работы габионных структур состоит в следующем; после заполнения камнем корзин из металлической сетки мы получаем строительный элемент - габион, который имеет пористость п=0,3 - 0,4. С течением времени пространства между камнями заполняются пылью, илом, грязью, мельчайшими фракциями грунта, то есть происходит аккумуляция. Аккумуляция частичек грунта в габионе способствует увеличению его прочностных свойств, играя при этом роль связующего элемента. Таким образом, сама природа превращает габионы в очень прочное сооружение, которое с течением времени становятся частью природного ландшафта. Кроме того, происходит консолидация грунта в месте возведения габионов, т.е. происходит улучшение его физических свойств, [80, 81, 83].
Время, в течение которого происходят процессы, описанные выше, называется временем консолидации, и в зависимости от климата и типа сооружения, находится в пределах от 1 до 5 лет. Именно в этот период особенное значение приобретает целостность металлической сетки, как армирующего элемента конструкции. После завершения процесса консолидации сооружение из габионов приобретает максимальную прочность и устойчивость. В этом случае срок жизни сооружения не ограничен, [26, 81]. Ярким примером этому может служить более чем столетняя практика возведения сооружений из габионов фирмы “Officine Maccaferri S.p.A”. Приведем несколько примеров:
Первое сооружение из габионов было построено в 1894г. Это была дамба на реке Рено в местечке Казалечио ди Рено, недалеко от г. Болонья (рис. 8), [80, 81]. Габионы имели цилиндрическую форму и были выполнены из сетки простого кручения. В течение многих лет габионы аккумулировали на себе слой почвы, превращаясь в коренной берег. Это сооружение работает и сегодня. Территория, ранее подвергавшаяся постоянным размывам, защищенная габионами, превратилась в парковую зону. Сегодня обнаружить габионы, здесь можно только откопав слой грунта глубиной 30 - 40 см. Этот уникальный объект очень ярко демонстрирует работоспособность габионных сооружений и их долговечность. Также, можно отметить такие сооружения как;
Гибкость. Габионные сооружения относятся к классу гибких сооружений. Это значит, что габионные структуры воспринимают возможные осадки грунта, реагируя на это незначительными прогибами. При этом, разрушения самой габионной структуры не происходит, и сооружение продолжает выполнять свое основное функциональное назначение. Как правило, подобные процессы происходят в течение времени консолидации сооружения и основным фактором противостояния осадкам является сетка двойного кручения, которая воспринимает, основные нагрузки.
Прочность и устойчивость. По завершении процесса консолидации сооружение из габионов приобретает максимальную прочность и устойчивость за счет природных процессов. Это значит, что основные расчетные нагрузки уже не играют никакой роли и габионное сооружение становится частью общего ландшафта. Однако, в течение времени консолидации, габионное сооружение находится под воздействием этих нагрузок, следовательно, материал, из которого выполнено габионное сооружение должен отвечать требованиям прочности и устойчивости.
Проницаемость. Пористая структура габиона придает этим сооружениям великолепные дренажные свойства (рис. 9). Высокая проницаемость габионных структур исключает возможность возникновения одного из основных факторов нестабильности конструкций - гидростатических нагрузок. Исключен так же разрыв связи грунтовых и поверхностных вод (в случае, берегоукрепительных сооружений). Следовательно, практически нет процессов суффозии под подошвой таких сооружений. Высокие дренажные свойства габионов позволяют в большинстве случаев строить подпорные стены без сопутствующего застенного дренажа, что сразу сказывается на удешевлении конструкции. Кроме того, водопроницаемость габионов создает идеальные условия для появления на габионах растительности, подпитывая и стимулируя их рост.
Срок службы. Многолетний опыт применения габионов позволяет относить эти конструкции к классу постоянных, а не временных. Сооружения из габионов благоприятствуют со временем восстановления состояния естественного равновесия в зоне их возведения, благодаря чему на сооружение воздействуют нагрузки меньшие, чем те, на которые они были рассчитаны первоначально. Таким образом, эффективность габионных конструкций не уменьшается, а возрастает с годами (рис.8.).
Экологические свойства. Благодаря тому, что габионы аккумулируют частички грунта, проницаемы, способствуют росту растительности, они представляют собой уникальный строительный материал для восстановления и оздоровления ландшафтов. В случае берегоукрепления, в зоне устройства габионов увеличивается численность рыбы. Согласно Рыбохозяйственному заключению ФГУ «Мосрыбвод» (2003г.), это происходит потому, что габионы способствуют развитию флоры и биоты, которые необходимы для жизнедеятельности рыб.
Экономичность. Конструкции из габионов более экономичны, чем жесткие или полужесткие конструкции, традиционно применяемые в России для целей инженерной защиты территорий от различных типов эрозий по целому ряду причин; - меньшая удельная стоимость одного погонного метра сооружения. Выполненный анализ показывает, что при применении габионов экономия средств составляет от 10 до 50%. - меньшие затраты по эксплуатации и ремонту, даже, когда по случайным причинам происходит поломка проволоки, наложение дополнительного полотна сетки может быть легко выполнено. При этом прочность всего сооружения не изменяется. - структура поделена диафрагмами на ячейки, размером 1м, поэтому при возможных механических повреждениях нарушается только одна или несколько ячеек. Основная часть сооружения работает дальше без потери прочности. - простота конструкции, не требующая квалифицированной рабочей силы. - минимальные объемы работ по подготовке основания сооружения. Необходимо простое выравнивание поверхности. - не нужны дополнительные затраты на устройство дренажных систем, так как габионы являются хорошо проницаемыми конструкциями. - не вызывают проблем климатические или сезонные условия, так как габионные конструкции могут быть установлены как в сухом месте, так и в водной среде. - производство работ не требует наличия специальной техники. 1.6.7. Волновые нагрузки на сооружения из габионов. При использовании габионов в морской берегозащите основным вопросом является вопрос о величине волновых нагрузок, при которых сооружения из габионов работают эффективно. В 1979 году в Австралии лабораторией водных исследований университета Нового Южного Уэльса была выполнена работа по исследованию габионов на волновые нагрузки с целью применения их в морской берегозащите, [7]. Исследования проводились как в лабораторных, так и в натурных условиях. Типоразмеры исследуемых габионов были следующими: 6,0х2,0х0,23м; 6,0х2,0х0,3м; 4,0х1,0х0,5м; 4,0х1,0х1,0м; В исследованиях варьировали высотой волн, углом наклона защитного покрытия (заложением откоса) к горизонту и размером камня заполнителя. Основные результаты этих экспериментов дают представление о необходимой толщине облицовки габионами и необходимом размера камня заполнителя в зависимости от высоты волн и угла наклона сооружения.
Особенности воздействия льда на габионные конструкции
Существующие практические рекомендации по определению ледовых нагрузок от торосов не имеют строгого теоретического обоснования и носят полуэмпирический характер. Это можно объяснить как недостатком информации о характеристиках торосов и процессе их взаимодействия с сооружениями [29, 71, 86]. Кроме того, для вычисления нагрузки от торосов необходимо решить несколько проблем, связанных с анализом ледовой обстановки района строительства сооружения, достоверного выбора расчетной модели тороса и определением его геометрических и прочностных параметров, от чего очень сильно зависит схема разрушения тороса у сооружения [37].
В практических расчетах в соответствии с [43] за нагрузку от торосов принимают значение нагрузки от поля ровного льда, умноженную на значение коэффициента торосистости Кт 1,0. Но натурные исследования ледового режима северных морей показывают, что толщина плотного ядра в средней части торосов значительно больще рассчитанных по этой методике величин и может достигать 4 толщин ровного льда и даже более, [4, 86]. Поэтому очевидно, что экстремальные нагрузки, определяющие надежность сооружения, будут возникать от торосистых образований.
Для оценки надежности сооружения необходимо получить вероятностные характеристики экстремальных ледовых нагрузок и оценить вероятность столкновения торосистого образования с сооружением. В настоящее время это одна из наиболее сложных задач, требующая дополнительных специальных исследований. Накопление статистических данных о геометрических и прочностных параметрах торосов, влияющих на величину нагрузки, затруднено из-за отсутствия длительных натурных наблюдений за изменчивостью этих параметров.
Таким образом, проблема определения нагрузок от торосов состоит в определении геометрических размеров и прочностных характеристик торосов, а так же в разработке моделей взаимодействия торосов с сооружениями и формирования экстремальных нагрузок. [8, 29, 37]. В [29] представлена экспериментально обоснованная теория, в которой, проведены параллели с гранулированным материалом. Было предложено уравнение расчета горизонтальной силы от льда, зависящей главным образом от размеров сооружения и сцепления льда. Так же учитывалось отношение глубины киля тороса hk к размеру сооружения De через коэффициент формы q, определяемый из следующего соотнощения:
Необходимо отметить, что в уравнении Долгополова не учитывались плоскости скольжения, по которым производится распределение давления на переднюю грань сооружения.
Продановик (Prodanovic) развил оценку "верхней связанной" максимальной нагрузки от обломочных образований льда, основанное на теории Кулона-Мора и анализе предела пластичности [86]. Этот метод рекомендован для расчета ледовой нагрузки в [70].
Меллор (Mellor) исследовал поведение мелкобитого льда у гладкой вертикальной стенки, и основываясь на балансе между силой тяжести льда и его плавучестью в воде, определил нормальное напряжение, в виде функции от толщины льда. Применяя методы механики грунтов, были выведены уравнения для определения сил от воздействия паруса Fh;S и от воздействия киля тороса, Fh,к- Общая горизонтальная сила определяется как сумма FhjSHFh,k[70,86]: Fh=FhJc + FKs5 (28) Этот вариант расчета был рекомендован в [70]. В [70] описана предложенная Хойкканеном методика определения максимальной нагрузки на опору, основанные на предположении о линейном изменении давления с глубиной. На основе методов механики грунтов были выведены формулы для расчета усилий, создаваемых надводной и подводной частями торосов, без учета нагрузок, обусловленных ровным ледяным покровом. Общая нагрузка в этой методике определяется аналогично формуле (28).
Кросдейл разработал теорию разрущения льда клином, согласно которой предполагалось, что при локальном разрушении киля образуется клин, составленный из плоскостей проходящих под углом 45 через торос в пересечении киля и консолидированного слоя, и двух вертикальных боковых плоскостей.
Св - сопротивление срезу обломков, равное cB=hk/2 yetan p+с. Кросдэйл предложил уравнение, определяющее максимальную нагрузку на вертикальный цилиндр, в случае разрушения сколом треугольного клина. При этом было сделано предположение, что киль тороса разрушается как «пробка», ограниченная двумя вертикальными плоскостями разрушения, которые начинаются у кромки сооружения, и горизонтальной плоскостью разрушения, которая примыкает к подводной консолидированной части. Расчет нагрузки производится по формуле [70]:
В предложенной Эранти методике расчета по определению ледовой нагрузки на цилиндрическое сооружение, предполагалось, что общая нагрузка Fr состоит из двух составляющих: Fer - силы, необходимая для раздавливания смерзшейся верхней части гряды и Fp - силы, отталкивающую рыхлую (не смерзшуюся) подводную часть торосистой гряды. Сила Fer, при выборе соответствующих переменных, оценивается по формулам расчета раздавливающей силы для ровного ледяного покрова, опубликованными в [70,
Обобщенная математическая модель воздействия ледовых образований на сооружения из габионов
В осенний и особенно в весенний периоды речные гидротехнические (плотины и их элементы, временные водосбросные и ледосбросные сооружения, причальные стенки), транспортные (опоры мостов, укрепленные откосы земляного полотна железных и автомобильных дорог) и другие (например, маяки, опоры ЛЭП) сооружения испытывают нагрузки как от движущихся ледяных полей во время ледохода, так и от прорвавшихся зажорных и заторных масс льда, [28, 60].
Известно, что характер взаимодействия льда с речными сооружениями в период ледохода или подвижек льда определяется типом сооружения(препятствия), гидравлическими условиями вблизи них, толщиной и прочностью льда. Решающую роль во всех динамических нагрузках играет масса ледовых образований, [30, 34].
Так, например опоры мостов в зоне влияния водохранилищ и бычки водосливных плотин могут испытывать воздействие достаточно крупных ледяных полей, дрейфующих под влиянием ветра и течения. При подходе к водосливным плотинам размеры ледяных полей уменьшаются в результате излома и кривой спада.
Силы воздействия между движущимися ледовыми массами и сооружениями могут привести к повреждениям, и даже разрушениям последних, что неоднократно наблюдалось, например, на р. Енисее (Дудинка), р. Оби (Нижневартовск, Нефтеюганск), р Томь (Томск).
Рассматривая варианты воздействия льда на габионные конструкции в условиях ледохода, необходимо отметить, что при укреплении берегов рек, в случае когда скорость движения льда в водоеме отсутствует или меньше, чем 1 1,5 м/с, возможно применение габионов без ограничений. В этом случае, должен быть выполнен расчет на устойчивость сооружения под воздействием ледовых нагрузок в соответствии с существующим СНиП 2.06.04-82(95), [43]. А при скоростях движения льда более 1,5 м/с необходимо применять гибкие сетчатые матрацы Рено, уложенные на насыпи под углом к воде, так как в этом случае величина ледовых нагрузок будет меньше, по сравнению с вертикальной габионной стеной, [43].
При изменении уровней весеннего ледохода, может иметь место истирание и прорезание (экзарация) конструкции движущимся льдом. Не исключены также навалы льда на конструкцию, (рис. 25). Исходя из наблюдений, при наклонном типе крепления поверхность из габионов или прорезала движущиеся льдины или оттесняла льдины в основной поток, испытывая при это только ударную нагрузку. Однако, вертикальный тип крепления лучшим образом воспринимает нагрузки от двигающихся ледяных полей в местах меандрирования русла реки, в местах поворотов. Это в первую очередь обусловлено тем, что на таких участках при вертикальном типе крепления исключена возможность наползания льда на откосы и истирающего воздействия, которое в свою очередь может приводить к нарушению целостности сетки двойного кручения (рис. 27). V 85.50
Положение ледяного покрова относительно ледовых конструкций при характерных уровнях ледохода. Наползание ледовых образований в момент ледохода, р. Томь, 2006г. Рис. 27. Повреждение сетки двойного кручения в следствие ледохода на р. Томь, 2006г. Гидротехнические и транспортные сооружения также подвержены воздействию динамических нагрузок от волн, ветра, землетрясений, льда и др.
Воздействие льда на сооружения арктического шельфа возможно практически в любое время года и зависит от характера и особенностей ледовой обстановки. Так, например, в районах припайных льдов ледовое воздействие имеет место в весеннее время, когда лед достигает максимальной толщины, а скорость его подвижки не превышает 0,1м/с. Сооружения, установленные в районах припайных льдов, могут подвергаться ледовому воздействию с момента взлома припая до момента становления устойчивого припая. Кроме того, в этих районах возможно смерзание льда с сооружением, что может привести к значительному увеличению ледовой нагрузки, возникающий при внезапной подвижке льда.
В районах дрейфующих льдов основным фактором, определяющим величину ледовой нагрузки и механизм разрушения льда при его взаимодействии с сооружением, является скорость движения ледовых образований, которая может изменяться от нескольких миллиметров в секунду до 1,0м/с и более. Например, в пределах разведанных месторождений нефти и газа в Баренцевом и Карском морях характерные скорости движения льда 0,2-0,4м/с. Высокие скорости движения льда наблюдаются только на приливных участках морей. Практически повсеместно в арктических акваториях наблюдаются дрейфующие гряды торосов и крупные нагромождения смерзшегося торосистого льда, представляющие собой особую опасность для сооружений.
Взаимодействие шельфовых сооружений с движущимся льдом сопровождается, как правило, его смятием. Нагрузка от смятия льда в общем случае больше нагрузки от раздробления, сдвига или излома, и существенно зависит от скорости движения ледяных полей. При низких скоростях (0,1... 1,0м/с) имеет место пластическое (хрупкопластическое) разрушение взаимодействующего с сооружением льда, а при высоких скоростях (0,5м/с и более) - хрупкое разрушение.
При проектировании, строительстве и эксплуатации как речных, так и морских гидротехнических сооружений необходимо обеспечить; - прочность и устойчивость сооружения с учетом наиболее неблагоприятного воздействия льда; защиту сооружения от истирающего и ударного воздействия льда, а также оледенения и смерзания с ледяным покровом; В российских и зарубежных нормативных документах, [33, 43] предусматривается расчет следующих динамических нагрузок на сооружения: - от движущихся ледяных полей на сооружения с вертикальной передней гранью; для отдельно стоящих опор при прорезании ими льда и при остановке ими ледяного поля; для секции сооружения при ударе отдельных льдин и разрушении льда; - от ледяного поля на сооружение откосного профиля или отдельно стоящую опору, имеющую в зоне действия льда наклонную поверхность; - от движущихся ледяных полей на сооружение из ряда вертикальных опор; - от остановившегося ледяного поля, наваливающегося на сооружения под воздействием течения воды и ветра; - при прорезании опорой зажорной массы льда; - при навале зажорной массы льда на сооружение перпендикулярно его фронту; - от навала зажорных масс льда на единицу длины сооружения, расположенного параллельно направлению течения, а также на берега.
Алгоритм и программа реализации имитационной математической модели воздействия льда на сооружения из габионов
Величина ледовых нагрузок определяются по специальному алгоритму и программе моделирования воздействия торосов на МЛП разработанной на VBA для Windows 2000, Windows ХР, Windows Vista/7. Программа составлена в соответствии с алгоритмом вероятностного моделирования, приведенным в виде блок-схемы на рис. 51, 52, табл. 3.1. главы 3.
Расчет значений экстремальных ледовых нагрузок по имитационной модели взаимодействия начинается с ввода параметров величин Hs, К, скорости дрейфа ледового поля V, ширины/протяженности сооружения - В, а также некоторых постоянных параметров берегоукрепительных сооружений и льда. Блок ввода информации включает следующие этапы: Присваиваются начальные значения переменных для расчета взаимодействия тороса с сооружением: внедрение Х=0; энергия потерь тороса Epot, t=0; приращение времени взаимодействия - Л; скорость движения тороса в начале процесса взаимодействия Voct принимается равной его скорости дрейфа Vt. Выполняется моделирование взаимодействия сооружения с торосистым ледовым полем. Для этого открывается цикл в котором рассчитывается пошаговое внедрение опоры в торос - X. Ограничение работы цикла - ширина консолидированной части тороса - Вк (т.е. максимально возможная величина внедрения опоры в торос). При ее превышении (т.е. опора прорезала весь торос) - расчет идет в п.22.
Для определения величины h k угол а можно приближенно определить, воспользовавшись следуюшим приемом: Одной из характеристик строения тороса является угол наклона нижней поверхности тороса 0к, под которым понимается средний наклон определяемый для киля шириной подводной части и максимальной осадкой тороса (отчет осадки киля идет от уровня воды) 0K=arctg(2hk/Bk), [29].
Протяженность взаимодействия тороса с сооружением определяется по формуле (4.2). Нагрузка от тороса определяется по формулам (127), (129), (133), с учетом того, что нагрузка от паруса Fj в данном случае равна 0.
Если X D/2, проверяется возможность разрушения тороса по следующему условию -внедрилось сооружение шириной В в торосистое ледовое образование на величину составляющую более чем половину ширины килевой части тороса или нет (т.е. Х Вк/2 или Х Вк/2). Если Х Вк/2 - ширина взаимодействия принимается равным ширине сооружения - D, глубина килевой части принимается равной величине определенной расчетом. Нагрузка от паруса Fs в данном случае так же равна 0. Нагрузка от тороса определяется по формулам (127), (129), (133).
В случае если сооружение прорезает торос более чем на половину своей ширины и более половины ширины килевой части (т.е X D/2 и Х Вк/2) считается, что в работу по созданию нагрузки включается также надводная часть торосистого образования - парус.
При внедрении опоры в парус на некоторую величину высота взаимодействия паруса тороса lv определяется аналогично (77). Величина внедрения X при этом будет равна (х-0,5Вк), угол а приближенно определяется как 9к(45/2), где 9s=arctg(2hs/Bs) - угол наклона поверхности паруса 9S [9, 10, 29].
На экран выводится запрос о возможности подхода к остановившемуся у сооружения ТО DO С И СТО М V образованию поля ровного льда («Да» или «нет»). Если «да» - предлагается самостоятельно ввести данные о параметрах поля льда - его толщине hi, прочности R, диаметре Di, скорости движения Vi, далее переход к п.24, если ответ «нет» - расчет идет к
Если пользователь отказывается ввести данные п.24 самостоятельно - машина автоматически продолжает расчет с заложенными в программу данными. Назначаются параметры движения поля ровного льда (у“0) и торосистого образования (Х=Х, vt=0). Энергетические характеристики движения поля льда в начале расчета назначаются следующие - остаточная кинетическая энергия поля ЕкоСТ1 =0, кинетическая энергия поля льда Екин=0, приращение энергии потерь поля, Епот=0, энергия потерь поля Епот О.
Для расчета нагрузки от ровного ледяного поля по формуле (79) определяем коэффициенты kb и kv. Они определяются по табл. 30 и 31 нормативного документа [43]. В программе эти таблицы даны в виде ряда последовательно проверяющихся условий. Коэффициент irift согласно таблице 29 нормативного документа [43] принимается равньм постоянной величине 0,83 (так как форма торосистого образования приближенно круглая, согласно модели).
Нагрузка от поля ровного льда определяется по формуле (125). Учет движения поля производится при помощи изменяющегося диаметра взаимодействия dK0HT (обозначен как D), а также коэффициентов kb и kv, mft определенных выше. Толщина поля льда hi назначена как he. Полученной величине нагрузки присваивается обозначение F.
Производится проверка условия - превосходит ли нагрузка от поля ровного льда рассчитанную нагрузку на опору от торосистого образования (Fi Fridge или Fi Fridge). Если Fi Fridge - поле воздействует на торос, придавая ему ускорение для дальнейшего внедрения сооружение в торосистое образование. Расчет в этом случае переходит к п.43. Если Fi Fridge - поле разрушается о поверхность тороса (расчет идет к п.40).
Цикл считается завершенным. Производится вывод на экран компьютера окончательных результатов расчета: hi, Db Vb Fb Fridge, Fyz, .у, y, x, En0Ti, EkoCTi 4.2. Алгоритм и программа реализации имитационной математической модели воздействия льда на сооружения из габионов.
Предлагаемый алгоритм расчета по оценке возможности применения габионов в условиях прямого воздействия льда рассмотрим на примере защиты насыпи мостового перехода на участке ПК 38+00 Сызрань-Сенная, Куйбыщевской ж/д. Протяженность защищаемого участка 500м.
Природно-климатические условия в регионе. Расчетная толщина ледового покрова с обеспеченностью 1 % составляет - 1,30 м. Наблюдается две волны половодья реки Сызранки: первая волна - весенняя, проходит в конце марта - начале апреля, при этом уровень повыщается на 2-3 м выше НПУ. На пике подъема может быть ледоход. Вторая волна половодья проходит с конца апреля - начала мая до середины июня. Ледоход в водохранилище проходит обычно перед второй волной половодья и длится 2-7 дней. Минимальный уровень ледохода составляет 27,50 м, максимальный - 29,00 м Балтийской Системы. Ледостав устойчиво устанавливается в конце ноября - начале декабря. Максимальный уровень в начале ледостава - 28,70 м БС, максимальный уровень ледостава - 27,40 м БС.
Устойчивый ледостав длится до начала - середины апреля. Колебания уровней воды в водохранилище в период ледостава вызывают деформации льда. Максимальная скорость повышения или понижения уровня воды в период ледостава составляет 0,017 м/с, время, в течение которого происходит деформация ледяного покрова при понижении или повышении уровня воды, составляет 120 ч, [36, 47, 53] .
