Содержание к диссертации
Введение
1 Применения гидротехнических сооружений откосного профиля 13
1.1 Откосные гидротехнические сооружения в морской и речной гидротехнике 13
1.2 Сооружения откосного профиля с защитной наброской
1.2.1 Портовые оградительные сооружения 14
1.2.2 Берегозащитные сооружения 21
1.2.3 Морские нефтегазопромысловые сооружения островного типа
1.3 Проницаемые закрепленные сооружения откосного профиля 29
1.4 Выводы по главе 1 35
2 Методы определения волновой нагрузки на сооружения откосного профиля 37
2.1 Общая постановка задачи 37
2.2 Расчет наката волн на непроницаемый и проницаемый откос 41
2.3 Экспериментальные лабораторные исследования воздействия волн на откосные сооружения 70
2.4 Цель и задачи диссертационного исследования 83
3 Экспериментальные исследования воздействия регулярных волн на набросные откосные сооружения проницаемого типа 86
3.1 Программа проведения экспериментальных исследований 86
3.2 Первая серия экспериментальных исследований 87
3.2.1 Анализ первой серии экспериментальных исследований 95
3.3 Вторая серия экспериментальных исследований 99
3.3.1 Анализ второй серии экспериментальных исследований 105
3.4 Третья серия экспериментальных исследований 107
3.4.1 Анализ третьей серии экспериментальных исследований 115
3.5 Четвертая серия экспериментальных исследований 117
3.5.1 Анализ четвертой серии экспериментальных исследований
3.5 Пятая серия экспериментальных исследований 133
3.5.1 Анализ пятой серии экспериментальных исследований 141
3.6 Выводы по главе 3 149
4 Волновая нагрузка на проницаемое закрепленное сооружение откосного профиля 151
4.1 Численное и физическое моделирование наката волн на непроницаемый откос 151
4.2 Экспериментальное исследование волновой нагрузки и устойчивости откоса, закрепленного покрытием Эластокост 159
4.3 Математическая модель наката волн на откос, закрепленный проницаемым закрепленным покрытием. Сравнение результатов численных и лабораторных исследований 165
4.4 Выводы по главе 4 175
Заключение 175
Список использованных источников .
- Сооружения откосного профиля с защитной наброской
- Морские нефтегазопромысловые сооружения островного типа
- Экспериментальные лабораторные исследования воздействия волн на откосные сооружения
- Анализ четвертой серии экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Выход на новый эффективный уровень экономической деятельности России, непосредственно связан со строительством новых морских портов и реконструкцией существующих портовых сооружений в различных районах России, а также в обустройстве морских месторождений углеводородов на мелководных участках шельфа. Целью нового строительства является увеличение транспортно-логистических мощностей морских бассейнов, увеличение добычи нефти и газа, а также развитие внешнеэкономических отношений с другими странами. Современные конструкции морских гидротехнических сооружений должны обеспечивать круглогодичное и безопасное обслуживание транспорта, а также бесперебойную работу морских промыслов.
Успешное проектирование морских гидротехнических сооружений, предназначенных для эксплуатации в различных климатических условиях России, зависит от точных и достоверных методов расчета волновых нагрузок. Нагрузки от волн на морские гидротехнические сооружения являются основополагающими факторами при выборе их конструктивных типов с учетом природно-климатических условий конкретного района строительства. Точность расчета волновых нагрузок позволит оптимизировать стоимости проектируемых сооружений и обеспечить их безопасность как в период строительства, так и эксплуатации.
В течении многих лет широко используются на практике набросные защитные откосные сооружения из каменной наброски и фигурных массивов. В последние годы в практике проектирования и строительства морских гидротехнических сооружений все большее распространение получают проницаемые морские гидротехнические сооружения откосного профиля с закрепленным и незакрепленным покрытием. Они частично отражают подходящие к ним волны, частично их гасят, в том числе за счет
проницаемости защитных слоев покрытия.
Оценка гидродинамических и литодинамических процессов в зонах влияния проницаемых морских гидротехнических сооружений откосного профиля производится в основном методом физического моделирования. Это связано с тем, что действующие в настоящее время нормативные документы по определению внешних нагрузок на гидротехнические сооружения, не содержат целого ряда рекомендаций, которые бы учитывали многообразие различных расчетных сценариев, реализующихся в процессе срока службы морских сооружений. В нормах не содержатся рекомендации по расчету волновых нагрузок для сооружений откосного профиля с закрепленным и незакрепленным покрытием. По этой причине, развитие существующих и разработка новых методов экспериментальных лабораторных исследований и расчета волновых нагрузок на данный тип морских гидротехнических сооружений (откосного профиля с закрепленным и незакрепленным покрытием), является актуальной задачей.
Степень разработанности темы.
В настоящее время в наличии у проектировщиков имеются лишь действующие методы расчета элементов набросок на откосах, основывающиеся на расчетах их масс по предельному равновесию, а также методики расчета высоты наката волн. Данные методы содержатся в виде рекомендаций в нормативных документах России.
Методы по определению волновой нагрузки на элементы набросных покрытий, а также методики расчета прохождения волн сквозь проницаемые сооружения в нормативных документах отсутствуют.
Существующие в настоящее время математические модели разработаны для условий непроницаемых откосов в рамках линейной и нелинейной теорий длинных волн.
Цели и задачи. Целью диссертационной работы является развитие методов экспериментальных лабораторных исследований и расчета волновой нагрузки на проницаемые морские гидротехнические сооружения откосного
профиля с закрепленным и незакрепленным защитным покрытием.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
обзор и анализ конструкций гидротехнических сооружений откосного типа различного назначения с различными видами защитного покрытия;
обзор теоретических и экспериментальных исследований по расчету таких сооружений на воздействие ветровых волн;
экспериментальные исследования (физическое моделирование) на плоской и пространственной моделях проницаемых сооружений откосного профиля с незакрепленным покрытием, обеспечивающих защиту откосов сооружения от размыва штормовыми волнами для нескольких объектов и обобщение методик экспериментальных исследований таких конструкций;
численное и экспериментальное исследование наката волн на непроницаемый откос, позволяющее определить удовлетворительную расчетную модель для процесса наката;
- разработка численной модели движения поверхностных вод и движения
воды в насыщенно-ненасыщенной пористой среде, позволяющей определять
положения свободной волновой поверхности - величину наката волн на откос и
значение высоты отката волн с откоса в различные моменты времени на
откосное сооружение, защищенное проницаемым закрепленным слоем;
- сравнение полученных результатов численных расчетов с данными
крупномасштабных экспериментальных исследований.
Методология и методы исследований. Поставленная цель была достигнута использованием метода, включающего обобщение и анализ современного состояния вопроса по расчету волновых нагрузок на откосные морские гидротехнические сооружения. Комплексно использовались физическое и численное моделирование. Эксперименты проводились в лабораторных условиях на крупномасштабных моделях. Разработанные численные модели подтверждаются результатами экспериментальных исследований. Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась современными статистическими методами.
Научная новизна исследования состоит в следующем:
- выделены два класса рассматриваемых сооружений (защитные
сооружения откосного профиля): с незакрепленным и закрепленным откосом,
показаны существенные различия процесса взаимодействия волн с
сооружениями из этих двух классов;
- волновые нагрузки на откосные защитные сооружения с
незакрепленным откосом, представленными многослойными защитными
слоями каменной наброски или фигурных массивов, а также устойчивость
таких сооружений определяются с помощью лабораторных экспериментальных
исследований. Отработана методика таких исследований в волновых бассейнах
и лотках;
- для описания наката волн на непроницаемый откос можно использовать
с хорошей точностью длинноволновые модели типа Буссинеска;
- взаимодействие волн с откосным защитным сооружением с
закрепленным проницаемым верхним слоем, может рассматриваться как
взаимодействие волн с пористой средой. Разработана численная модель наката
волн на откос такой конструкции, позволяющая получать характеристики
наката и отката волн. Численная модель проверена сравнением с данными
доступных крупномасштабных лабораторных исследований.
Теоретическая и практическая значимость состоит в достигнутом развитии методов исследований и расчета волновых нагрузок на проницаемые морские гидротехнические сооружения откосного профиля с закрепленным и незакрепленным покрытиями. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании портовых и берегоукрепительных морских гидротехнических сооружений.
Положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся:
- выделение двух классов защитных сооружений откосного профиля: с
незакрепленным и закрепленным откосом, имеющих существенные различия
процесса взаимодействия волн с сооружениями;
комплексная методика исследований в волновых бассейнах и лотках устойчивости откосных защитных сооружений с незакрепленным покрытием, представленным многослойными защитными слоями каменной наброски или фигурных массивов;
численная модель наката волн на защитный откос с закрепленным проницаемым верхним слоем, позволяющая получать характеристики наката и отката волн на откос.
Степень достоверности и апробация результатов.
Высокая степень достоверности результатов обеспечивается использованием статистических методов обработки данных, аттестованного лабораторного оборудования, стандартных методов испытаний и современных численных методов.
Основные положения диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: Международной научной конференции «Интеграция, партнёрство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, 2014 г); XVII Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2014 г); XVI Международной межвузовской научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и докторантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2013 г); IV Всероссийской конференции «Ледовые и термические процессы на водных объектах России» (Рыбинск, Ярославской области, 2013г); 4 Международной конференции по применению физического моделирования в портовом строительстве и берегозащите, Coastlab 12, (Гент, Бельгия, 2012).
Результаты диссертации опубликованы в 8 научных публикациях, в том числе в 5 работах в научных изданиях, входящих в действующий перечень, утвержденный ВАК Минобрнауки России, а также в научных отчетах, общим объемом около 2 000 усл. п. л.
Состав и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 186 страниц текста, 157 рисунков, 24 таблиц, 103 использованных источника.
Сооружения откосного профиля с защитной наброской
Основным фактором уменьшения волновой нагрузки рассматриваемыми сооружениями откосного профиля является их проницаемость. Можно выделить два типа сооружений: с незакрепленным покрытием и с закрепленным покрытием. К первому типу относятся набросные откосы и укладки, формируемые камнем, фигурными блоками, прямоугольными массивами. Ко второму - относятся откосы, защищенные проницаемыми плитами или блоками в укладке. А также откосы, элементы которых скреплены специальным клеевым раствором с сохранением проницаемости верхнего слоя. При взаимодействии волн с откосами с закрепленным проницаемым покрытием энергия волн не тратится на перемещения элементов откоса.
К этому же классу сооружений можно отнести откосы с защитным слоем из железобетонных плит или блоков, имеющих конструктивные отверстия. Однако, для таких сооружений не происходит движения воды вдоль откоса в верхнем защитном слое, поэтому для них проницаемость мало влияет на характеристики наката волн.
Несмотря на относительную простоту, откосные проницаемые сооружения имеют многослойную структуру. Процесс взаимодействия волн с такими откосами является достаточно сложным. Поэтому, при проектировании таких сооружений, следует тщательно исследовать исходные параметры, которые устанавливаются на основе анализа материалов инженерных изысканий, в том числе и расчетных параметров волн. Особое внимание в процессе проектирования следует уделять научному сопровождению реальных проектов и совершенствованию методов расчетов и лабораторных экспериментальных исследований. 2 Методы определения волновой нагрузки на сооружения откосного профиля
Рассмотрим общую постановку задачи взаимодействия волн с откосным сооружением. Когда волны подходят к откосному сооружению, они могут обрушаться на откос, если он достаточно пологий. При этом, они могут воздействовать на откос, прежде всего в зоне обрушения (рисунок 2.1). Поэтому, когда откос подвержен воздействию больших волн, его морская грань закрепляется часто покрытием каменной наброской или наброской (укладкой) фасонных массивов. Задача такой защиты простая – уменьшить волновое воздействие на защищаемый откос или вертикальное сооружение, снизить заплеск или перелив через гребень сооружения. Иногда, если речь идет о внутрипортовых сооружениях, защита откоса позволяет снизить отражение волн от сооружения и, таким образом, уменьшить высоты частично стоячих волн в порту. Такая же цель может стоять перед берегозащитной стенкой, если мористее находится пляж и снижение отраженной волны уменьшает размыв пляжа.
Выше зоны обрушения, волны накатываются на откос и затем ударяются об парапет или переливаются через гребень откоса. Соответствующие зоны на откосе — это зона наката-отката в заплеска волн. На основе этих параметров проектируется сооружение, обеспеч олн и зона заплеска или перелива (рисунок 2.1). Расчет и проектирование откосных сооружений основывается на следующих расчетных параметрах: pmax,2% или pmax – максимальное расчетное давление, Ru2% - высота наката волн на откос, q или Vmax – расход перелива или максимальный объем перелива или hm – высота ивающее решение поставленных задач, с применением расчетных методов или физического моделирования (экспериментальных исследований) в волновых бассейне или лотке. При физическом моделировании взаимодействие волн с сооружением моделируется, чаще всего, по критерию Фруда, что обеспечивает подобие натурным условиям.
Таким образом, четыре процесса взаимодействия волн с откосным сооружением являются контрольными, каждый со своими расчетными параметрами. Первый – силовое воздействие на откос, расчетные параметры: pmax,2% или pmax , определяются распределением волнового давления вдоль откоса, продолжительностью воздействия, длиной (вдоль откоса) зоны воздействия Bimpact,50% и местоположением максимального воздействия.
Второй процесс взаимодействия волн с откосом – волновой накат и откат, который определяется высотами наката и отката, соответственно Ru2% и Rd2% . Эти параметры являются характеристиками высот наката и отката волн и распределения скоростей в волнах вдоль откоса.
Третий процесс – перелив через гребень сооружения, расчетные параметры которого: q, Vmax. Описывается распределением объемов перелива в отдельных волнах, скоростями перелива, толщиной слоя перелива и продолжительностью перелива.
Четвертый процесс – заплеск волн, определяется высотой заплеска и распределением заплесков в отдельных волнах.
По давлению волн на откос собрано большое количество фактических данных, лабораторных и натурных. В частности, в [73] на основе имеющих результатов даны следующие расчетные формулы. Волновое воздействие определяется высотой значительных волн. В частности, опыты с определением волнового воздействия были сделаны в Дельта лотке с высотой волн около 75 см. Двухпроцентное максимальное давление описывается следующим выражением: = 0,17 —-1,2 +1 , (2) где: g - ускорение силы тяжести, м/с ; Hs - значительная высота волн, м; пъ - вертикальное расстояние от уровня спокойной поверхности до верха откоса (положительное, если верх откоса выше уровня воды), м; ртах,х% - давление обеспеченностью x% в системе волн, измеряется в высоте водного столба; а?- угол откоса, град.; уъегт.ртах - параметр откоса, 2 у безразмерный; pw - плотность воды, кг/м ; aw - поверхностное натяжение, 0,073 Н/м ; дор -параметр обрушения для периода пика спектра Тр, безразмерный.
Крупномасштабные эксперименты в Дельта-лотке показали [102], что максимальное давление на откос имеет Рэлеевское распределение. Анализ опытных данных свидетельствует о том, что практически все расчетные параметры приведены в соответствии с распределением Рэлея. Намного сложнее найти связи между отдельными факторами.
Основным расчетным параметром для наката волн на откос является высота наката 2% обеспеченности в статистике накатывающихся волн. В [79] приводятся расчетные зависимости для вычисления высоты наката и расхода перелива для различных волновых условий и видов откосов. После вычисления 2% высоты наката с использованием распределения Рэлея можно описать процесс наката полностью.
Морские нефтегазопромысловые сооружения островного типа
Дальнейший анализ положений расчета конструкций откосных сооружений, выполнялся по отечественным нормативным документам [52; 19; 53] с применением иностранных источников [74], с учетом только воздействия волн на сооружения (без учета грунтовых оснований). Сравнение основных формул и методов расчета рассматривалось по следующим характеристикам конструкций откосных сооружений: заложение откосов, отметка верха сооружений, ширина гребня, наличие и ширина берм, масса элементов защитного слоя, фильтра и ядра.
Проведенный анализ российских и зарубежных расчетных методов показал, что расчеты конструкций гидротехнических сооружений по известным нормативным материалам проводятся по общим правилам: выбирается тип конструкции, производится расчет или назначение ее параметров, при этом чаще используются эмпирические формулы.
Следует отметить некоторые особенности применения российских нормативных документов и иностранных норм.
В формуле (39) (российские нормативы) учитывается влияние пологости волны и формы элемента. В формуле (14) [74] влияние всех факторов учтено в коэффициенте устойчивости KD. Согласно таблице 2, приведенной в Стандарте [74], значение указанного коэффициента, относящееся только к случайной укладке камня, т.е. наброске, изменяется в пределах от 1,1 до 4,5 и зависит от формы камня, угла откоса а, места наброски, (тело или голова мола) и типа волны (обрушающаяся, необрушающаяся). В целом структура формул (14) [74] и (39) (российский норматив) идентична: масса камня в обоих случаях прямо пропорциональна высоте волны в кубе и обратно пропорциональна заложению откоса. Обе эмпирические формулы (39) и (14) [74] получены на базе экспериментов с регулярными волнами. В современных условиях расчетная высота волны в формуле (14) [74] Нр была откорректирована в соответствии с учетом нерегулярности волнения. В формуле (39), где расчетная высота волны принята равной /г %, и с учетом того, что модельные испытания проводятся до настоящего времени, в основном с регулярными волнами, снижение числового коэффициента 2,25 против 3,16 в СНиП [52], где h = УІ2%, видимо было недостаточным. В Указаниях [53] с идентичной формулой этот коэффициент равен 2,1. Таким образом, для сближения результатов потребовалось бы уменьшение коэффициента 2,25.
Возвышение zc гребня сооружения, при условии недопущения перелива волны, в российских нормативах, немного превышает рекомендуемую в иностранных разработках, где допускается некоторый нормируемый перелив. Из этого следует, что результат значения возвышения в зарубежных разработках [74], в достаточной мере адаптируем к расчетам по отечественным нормам и правилам.
Коэффициент ksp (российские нормативы) в зарубежных нормах США, Англии, Голландии – отсутствует.
Принимаемое иностранными проектировщиками заложение мористого и тылового откосов, соответствует рекомендациям Инструкции [19]. Защитное крепление откосов [19] должно устраиваться не менее чем из 2-х слоев защитных элементов, в качестве которых используются камни (в наброске), бетонные массивы и фасонные блоки. В иностранных разработках применяется один слой укладки блоков. Если считать, что располагаемая под слоем набросных элементов по ядру каменная наброска выполняет функцию крепления и обратного фильтра, то положения инструкции [19] будут находиться в соответствии с иностранными.
Ширина гребня определяется необходимостью проезда техники и принимается не менее 4-6 м – во всех нормативах (российских и зарубежных) определение совпадает. Наличие берм по краям проезжей части на откосе и увеличение их ширины способствует уменьшению высоты наката волн и повышению устойчивости элементов крепления, в том числе и при сейсмическом воздействии. Таким образом, назначение и использование этих параметров в зарубежных и российских нормативах - общепринято.
Для определения массы защитных элементов откосных сооружений, в мировой зарубежной практике, используется известная формула Хадсона [74], соответственно требования по обеспечению устойчивости элементов защитного слоя выражаются через фактор устойчивости Хадсона KD. Расчет защитного слоя из камня так же возможен по формулам Ван дер Меера в случае мелководья, с возможным воздействием обрушающихся волн.
Поскольку учет косого подхода волн, в частности, в нормах [74] не рассматривается, то иностранные проектировщики используют рекомендации литературных источников, например, данные Голланда, полученные в Национальной лаборатории гидравлики (Франция) [80].
Таким образом, можно констатировать тот факт, что сама методика проектных разработок, необходимые расчеты, с последующим проведением физического моделирования, является общепринятой в мире. Различие заключается лишь в том, что при расчетах волновых воздействий, зарубежные нормативы основываются на спектральной модели волнения, а отечественные - на статистической [52].
Формулы для расчета массы элемента защитного слоя в конструкциях откосных сооружений в зарубежной практике адаптированы к результатам расчетных волн при нерегулярном волнении и не противоречат отечественным нормам. В целом, расчеты, выполненные по иностранным нормам, в достаточной мере соответствуют нашим нормам и правилам.
Следует отметить, что расчеты с применением российских нормативов, рекомендуется выполнять, применяя весь имеющийся в наличии объем нормативной литературы из-за многообразия факторов каждого расчетного случая и необходимости их учета.
Экспериментальные лабораторные исследования воздействия волн на откосные сооружения
Далее уровень свободной поверхности воды поднимался до значения 50 % обеспеченности. На сооружении этому уровню соответствовала отметка + 0,25 м. Все остальные параметры опыта были аналогичны предыдущему. На рисунке 3.21, а, представлен зарегистрированный сигнал волнового заплеска (волнограф № 2) на волноотбойный козырек. За «0» отсчета показаний волнографа принята отметка + 2,000 м сооружения. Пересчет полученных в опыте показаний на натурный объект показан на диаграмме рисунка 3.21, б.
Анализ результатов проведенной серии показал: накат волн не достигал парапета, проходя по всему участку сооружения; в целом наброска из тетраподов была устойчива. Тем не менее, в процессе волнового воздействия все же наблюдалось лишь шевеление отдельных блоков. Ни один тетрапод на исследованной модели не был смещен из первоначального положения. Однако в опыте фиксировался вымыв камня m = 50 150 кг (рисунок 3.22) в районе верхней отметки + 1,5 м защитной наброски (натурные данные).
Это привело к уполаживанию откоса низовой упорной призмы (рисунок 3.23), а также к перемещению отдельных камней вниз по склону модели.
Состояние модели после окончания опыта позволяет сформулировать вывод о том, что для обеспечения устойчивости откосов сооружений, выполненных из набросок, необходимо устройство дополнительного слоя обратного фильтра из более крупного камня массой 300 600 кг (в соответствии с рисунком 3.24).
Необходимость и достаточность этого конструктивного мероприятия была подтверждена дополнительно следующими экспериментами (рисунок 3.25).
Результаты проведенного опыта показали, что: накат волн достигал парапета, проходя по всему участку сооружения до отметки +1,9 м; шевеления, сдвига и подмыва тетраподов не зафиксировано; тетраподы защитной наброски массой 3 т и 5 т оказались вполне устойчивыми благодаря и принятым в проекте размерам берм. Таким образом, второй конструктивный вариант волнолома при воздействии экстремального шторма от Южного направления длительностью 2 часа, с параметрами волнения Тер = 1,25 сек, hl% = 7,00 -11,00 см и уровнем свободной поверхности воды 5% и 50 %, является работоспособным в течение расчетного срока службы без каких-либо разрушений.
Целью проведения третьей серии экспериментов являлся выбор рациональной конструкции волнолома портового комплекса нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств ЗАО «Восточная нефтехимическая компания» [56].
Горизонтальный масштаб физической модели (1:100) и вертикальный масштаб физической модели (1:50) был выбран исходя из плановых размеров волнового бассейна (27 х 27м), натурных размеров порта, достаточного волнообразующего расстояния от волнопродуктора до входа в акваторию порта, глубины воды в бассейне, соответствующей проектной, преобладающего направления волнения, соответствия волновых процессов в натуре и на модели по критерию подобия Фруда [80, 13, 30, 41, 25]. При строительстве модели воспроизводились в масштабе все проектируемые гидротехнические сооружения, а также глубины акватории проектируемого порта. План порта, приведен на рисунке 3.26, а на рисунке 3.27 - схема эксперимента.
На искаженной модели плановое очертание акватории порта и сооружений осуществлено в горизонтальном масштабе, а вертикальные элементы сооружений созданы в более крупном масштабе по отношению к горизонтальному. Волнение на модели, как исходное, вне акватории порта, так и распространяющееся на акватории моделировалось в вертикальном масштабе. При этом сохранялась тождественность величин на модели и в натуре - крутизны волн h/Л и относительной глубины воды d/Л.
При строительстве искаженной модели были сохранены те же крутизны откосов сооружений и берегов, которые имели место в натуре. Выше уровня воды и ниже его на глубину, равную двум высотам волн (2/г), крутизна донных откосов на модели была принята раной натурной. Программой экспериментальных исследований предусматривалось изучение воздействия регулярных волн с высотой, соответствующей высоте волны 5% обеспеченности в системе расчетного шторма от Юго-Западного направления на Западную часть мола.
При проведении экспериментальных исследований измерение и регистрация параметров волн производилась с помощью волнографов с выводом данных на дисплей и записью их на жесткий диск компьютера. Параллельно проводились визуальные наблюдения, и осуществлялась фото и видеосъемка. Тарировка волнографов проводилась в начале каждой серии экспериментальных исследований. Она проводилась на спокойной воде и состояла в установке волнографов на определенную глубину с выбранным количеством шагов, снятии с них показаний и расчете тарировочных коэффициентов с помощью программы tar.exe. Результаты всех проведенных в процессе исследований тарировок волнографов представлены в сводной таблице 3.6.
Результаты измерения параметров волн, полученные с помощью программы volna.exe, сохранялись в файле data.txt. Эти данные с помощью средств операционной системы WINDOWS 7 переносились на лист редактора EXCEL и там автоматически обрабатывались.
Массу щебня на модели при отсыпке склона принимали равной: ткм = (0,004 -=- 0,012) кг. Массу мелкого щебня на модели принимали: ткм = (0,0004 -=- 0,0012) кг. Ввиду того, что опыты с гексабитами проводились в пресной воде, были выполнены расчеты по определению массы гексабитов для данных условий. Массу гексабитов рассчитывали по формуле [22]:
При проектировании и расчете оградительных сооружений откосного типа с креплением каменной наброской или фасонными массивами, принималась высота волны 2% обеспеченности в системе (//2%) расчетного шторма при средней ее длине (Я ). Плотность материала гексабита: рт = 2,35 т/м , плотность воды - р = 1,0 т/м (пресная вода). Масса отдельного гексабита при этих условиях составляла - 10,0 т. С учетом коэффициента запаса, масса камня равна 9,16 х 1,25 = 11,5 т. На модели - 0,092 0,093 кг. Массу щебня (камней) для модели определяли на электронных весах. По форме щебень подбирали близкой к форме рваного камня.
Анализ четвертой серии экспериментальных исследований
Принятый геометрический масштаб модели принимался равным: Я& =1: 100, Лв =1:50. При проведении экспериментальных исследований измерение и регистрация параметров волн производилась с помощью волнографов с выводом данных на дисплей и записью их на жесткий диск компьютера. Параллельно проводились визуальные наблюдения, и осуществлялась фото и видеосъемка. Тарировка волнографов проводилась в начале каждой серии экспериментальных исследований. Она проводилась на спокойной воде и состояла в установке волнографов на определенную глубину с выбранным количеством шагов, снятии с них показаний и расчете тарировочных коэффициентов с помощью программы tar.exe. Результаты всех проведенных в процессе исследований тарировок волнографов представлены в сводной таблице 3.6.
Результаты измерения параметров волн, полученные с помощью программы volna.exe, сохранялись в файле data.txt. Эти данные с помощью средств операционной системы WINDOWS 7 переносились на лист редактора EXCEL и там автоматически обрабатывались.
Массу щебня на модели при отсыпке склона принимали равной: ткм = (0,004 -=- 0,012) кг. Массу мелкого щебня на модели принимали: ткм = (0,0004 -=- 0,0012) кг. Ввиду того, что опыты с гексабитами проводились в пресной воде, были выполнены расчеты по определению массы гексабитов для данных условий. Массу гексабитов рассчитывали по формуле [22]:
При проектировании и расчете оградительных сооружений откосного типа с креплением каменной наброской или фасонными массивами, принималась высота волны 2% обеспеченности в системе (//2%) расчетного шторма при средней ее длине (Я ). Плотность материала гексабита: рт = 2,35 т/м , плотность воды - р = 1,0 т/м (пресная вода). Масса отдельного гексабита при этих условиях составляла - 10,0 т. С учетом коэффициента запаса, масса камня равна 9,16 х 1,25 = 11,5 т. На модели - 0,092 0,093 кг. Массу щебня (камней) для модели определяли на электронных весах. По форме щебень подбирали близкой к форме рваного камня.
Модельные параметры волн шторма от юго-западного направления в опыте, генерируемые щитовым волнопродуктором, на глубине 44 см составляли: Т = 1.47 сек, hs% = 14.4см (натурные данные: глубина 22 м, Т = 10,4 сек, hs% = 7,2 м).
Модель мола представлена на рисунке 3.28, на рисунке 3.29 - схема расположения волнографов и волнопродуктора. Картина взволнованной поверхности, зафиксированная на фото в опыте, представлена на рисунке 3.30.
Экспериментальные исследования по исследованию устойчивости конструкции мола проводились в волновом лотке. Учитывая натурные параметры волн, глубину воды перед сооружением, массу и размеры отдельных элементов откосного сооружения (камень, гексабиты), а также технические возможности волнопродуктора, был принят максимально возможный геометрический масштаб моделирования, равный X, = 1:50. В опытах проводилась оценка состояния элементов крепления (устойчивость набросных элементов).
Программой экспериментальных исследований предусматривалось воздействие волн с высотой 1% обеспеченности в системе расчетного шторма от Юго-Западного направления на модель головы волнолома. В исследованиях взаимодействия волн с сооружением откосного типа для задания и контроля параметров волн использовался волнограф № 1 (В1), расположенный в зоне набегающей волны на удалении 4,5 м от модели. В этом опыте параметры волн на глубине 40 см (16 м) были следующими: Т = 10,4 сек, h1% = 8.4 м (натурные значения), Т = 1,5 сек, h1% = 16,8 см (модельные экспериментальные). Эти значения соответствуют параметрам волн расчетного шторма ЮЗ румба, воздействующего на модель в течение 70 мин (8 часов).
Анализ результатов данной серии (рисунок 3.35) показал, что: накат расчетных волн достигал парапета Западной части волнолома, расположенного со стороны наиболее опасного волнового фронта; в процессе опыта фиксировался подмыв и, как следствие, сдвиг отдельных набросных элементов конструкции сооружения с торцевой грани головы волнолома; наблюдалось частичное явление дифракционного разворота волнового фронта у головы волнолома и распространением дифракционных волн на защищаемой акватории.
Основной волновой фронт распространялся левее входа в порт. Предусмотренная проектом конструкция головы волнолома с защитной наброской из гексабитов в данном опыте повела себя неустойчиво. Следует отметить, что разрушение фиксировалось не на всей Западной части волнолома, а только в ее торцевой части (в районе головы волнолома). В последующих опытах в волновом лотке задача по исследованию устойчивости конструкции сооружений и выялению наиболее эффективной, была рассмотрена последовательно и более подробно. Распределение высот волн по акватории порта в опыте, зарегистрированные в точках измерений 1 – 6 расстановки волнографов на фиксированной глубине, приведены в таблице 3.7.