Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор результатов выполненных теоретических и экспериментальных работ 7
1.1 Данные натурных и модельных наблюдений результатов размыва дна струями судовых движителей 8
1.2 Анализ теоретических моделей турбулентной струи судового движителя 12
1.3 Анализ подходов к определению условий размыва струями судовых движителей дна, сложенного несвязным грунтом 18
1.4 Рекомендации и реализация технических решений по устранению угрозы размыва дна 24
Глава 2 Адекватная физическая модель размыва дна струями судовых движителей вблизи причальных набережных 25
2.1 Описание физического процесса воздействия струй судовых движителей на размываемое дно 26
2.2 Схематизация процесса при определении его основных параметров 34
2.2.1 Определение начальной скорости струи судового движителя 35
2.2.2 Схематизация процесса распространения струи 39
2.2.3 Траектория оси судового движителя на излучине реки 43
2.2.4 Обоснование выбора критерия размыва дна водоема 49
2.3 Энергетический подход и его приложение к анализу процесса 56
2.3.1 Оценка возможного эрозионного влияния струй судовых движителей при движении судна 58
2.3.2 Построение функциональной зависимости между глубиной размыва дна и временем действия струи 65
2.3.3 Локализация зоны эрозионного воздействия струи судового движителя на размываемое дно 69
2.4 Оценка устойчивости причальных набережных с учетом размыва дна струями судовых движителей 78
Глава 3 Мероприятия по предотвращению размыва дна вблизи причальных набережных струями судовых движителей 101
3.1 Методика подбора крупности камня для предотвращения размыва дна 103
3.1.1 Выбор расчетного судна 104
3.1.2 Анализ инженерно-геологических условий 105
3.1.3 Определение предельных размеров эрозионной воронки 106
3.1.4 Оценка устойчивости причальной набережной с учетом локальных размывов дна 109
3.1.5 Подбор крупности камня ПО
3.1.6 Определение габаритов защитной зоны 111
3.2 Общие рекомендации по режимам работы пропульсивных установок судов при швартовных операциях 112
Глава 4. Ре зультаты научно-технических работ по устранению подмывов причальных набережны х 115
4.1 Причальная набережная грузового района «Злобино» ОАО «Красноярский речной порт» 115
4.2 Причальная набережная грузового причала ОАО «Зейской ГЭС» 119
Заключение 122
Список литературы 124
Приложение
- Анализ теоретических моделей турбулентной струи судового движителя
- Схематизация процесса при определении его основных параметров
- Общие рекомендации по режимам работы пропульсивных установок судов при швартовных операциях
- Причальная набережная грузового причала ОАО «Зейской ГЭС»
Введение к работе
Современные нормативные документы по проектированию и эксплуатации причальных набережных портов и перегрузочных комплексов указывают на необходимость учета возможности размыва (деформации) струями судовых движителей дна водоема в непосредственной близости от поверхности кордона. Однако в этих документах отсутствуют какие-либо расчетные зависимости, позволяющие с приемлемой для практики точностью оценить размеры размывов (деформаций), а также их влияние на устойчивость причальных сооружений. Рекомендуемые мероприятия по предотвращению размыва дна вблизи речных причальных сооружений носят в основном качественный характер и включают отсыпку камнем различной крупности, а также укладку или устройство железобетонных плит.
Систематические исследования процесса размыва дна под действием струй судовых движителей имеют относительно небольшую историю длиною около 40 лет: в этот период были собраны натурные данные о деформациях дна, сложенного различными грунтами, под действием струйных течений, выполнены экспериментальные исследования на моделях для оценки взаимовлияния различных факторов, предприняты попытки разработки математических моделей струйных течений судовых движителей при их взаимодействии с размываемым грунтом.
Анализ накопленной информации указывает с одной стороны на чрезвычайную сложность (с точки зрения формального описания) гидродинамических и геомеханических процессов, а с другой на необходимость разработки физически адекватных, но относительно простых и удобных расчетных моделей для процессов проектирования и эксплуатации причальных набережных портов и перегрузочных комплексов.
Отдельным вопросом является поведение грунтового массива в процессе его размыва струей движителя в плане локальных сдвигов, изменения пористости и угла внутреннего трения (р.
Таким образом, актуальными задачами являются: 1) разработка адекватной, физически обоснованной, модели струи судового движителя при её взаимодействии с несвязным размываемым грунтом и ограничивающими поверхностями; 2) определение минимальных размеров эрозионной воронки, влияющих на устойчивость причального сооружения; 3) увязка пропульсив-ных качеств судна и проектной глубины воды у причала с крупностью отсыпаемого камня и размерами укрепляемой зоны дна для предотвращения размыва.
Цель работы: разработка адекватной физической модели взаимодействия струй судовых движителей с размываемым несвязным грунтом для локализации эрозионной воронки вблизи поверхности кордона причальной набережной, определения размеров защитной зоны дна и обоснованного подбора размеров каменного материала для защиты дна от размыва.
Основные задачи исследования:
1) разработка адекватной физической модели взаимодействия струй судовых движителей с размываемым несвязным грунтом, основан ная на интегральном энергетическом подходе;
2) определение критических размеров воронки размыва, переводящих отсек причального сооружения в предельное состояние;
3) разработка рекомендаций по устранению опасных размывов дна во доёма вблизи плоскости кордона причального сооружения порта или перегрузочного комплекса.
Достоверность полученных результатов обосновывается сопоставлением результатов расчетов в рамках разработанной теории с данными известных экспериментов и натурных исследований автора.
Анализ теоретических моделей турбулентной струи судового движителя
При определении степени эрозионного воздействия турбулентной струи судового движителя на размываемое дно важным этапом является описание процесса распространения струи в окружающей жидкости. В работах [105], [45] применена аналогия с обычными турбулентными струями. Зарубежные исследователи разработали и широко используют экспериментально-теоретическую модель струи [104], [107], [108], [113]. В ряде работ отечественных [40], [93-95] и зарубежных [7], [109] исследователей предприняты попытки найти строгое решение с использованием уравнений Навье-Стокса в осреднении Реинольдса, внося определенные допущения в отношении закона распределения вызванных скоростей в выходном сечении судового движителя.
Среди существующих теоретических моделей турбулентной затопленной струи можно выделить следующие: 1) полуэмпирическая теория И.М. Коновалова [35]; 2) полуэмпирическая теория Г.Н. Абрамовича [1], [90]; 3) полуэмпирическая теория на базе обширных модельных исследований струй гребных винтов [113]; 4) численное решение общих дифференциальных уравнений гидродинамики вязкой несжимаемой жидкости при турбулентном режиме движения [7], [40], [41], [93]. В полуэмпирических теориях рассматриваются два варианта распространения турбулентной струи: I - в покоящейся жидкости [35], [90]; II - в потенциальном спутном потоке той же жидкости [1]. В ряде работ [78], [90], [95] рассмотрена задача о распространении струи в боковом сносящем потоке. Для I варианта фундаментальным является условие сохранения импульса по длине струи mw и = const (здесь mw — масса воды, проходящая через поперечное сечение в единицу времени, кг/с; и - средняя скорость по поперечному сечению струи, м/с, следствием чего является практически прямолинейная образующая ограничивающей поверхности струи и снижение средней по поперечному сечению струи скорости и обратно пропорционально расстоянию от источника струи, т.е. и 1/х. Для II варианта фундаментальным является условие сохранения избыточного импульса по поперечному сечению струи mw (и-и — const (здесь ин -скорость спутного потока, м/с). При этом образующая ограничивающей поверхности струи становятся криволинейной, а снижение средней скорости по поперечному сечению струи определяется некоторой функцией и =f(x). Распределение скорости по поперечному сечению струи в полуэмпирических теориях принимается либо равномерным (рис. 1.5), либо криволинейным, подчиняющихся либо степенному, либо экспоненциальному закону (рис. 1.6). [У xi Рисунок 1.5 - Схема струи по полуэмпирической теории И.М. Коновалова Распределение скорости в поперечном сечении турбулентной затопленной струи в трудах отечественных ученых описывается с помощью двух основных зависимостей [90], [99]:
Схематизация процесса при определении его основных параметров
Схематизация процесса распространения турбулентной струи судового движителя выполнена с точки зрения следующих основных моментов: 1) учитывается только осевая начальная скорость щ в выходном сечении струи, которая определяется с использованием теории идеального движителя; 2) начальная вызванная скорость щ распределяется равномерно по поперечному сечению выходного отверстия струи; 3) диаметр выходного отверстия струи do равен диаметру открытого винта, диаметру выходного отверстия комплекса гребной винт-насадка или водометного движителя ddmaic, т.е. d0 = ddmi3ic; 4) рассматривается процесс распространения турбулентной струи в безграничной покоящейся жидкости или в потенциальном спутном потоке аналогичной жидкости; 5) в качестве эрозионного критерия рассматривается неразмывающая скорость vner, зависящая от глубины воды hw и заданной крупности частиц грунта: d50 - медианный размер частиц грунта, определяв мый по интегральной кривой зернового состава [13], [16], [17]; dm — средневзвешенное значение крупности несвязного грунта [87]. Учет только осевой составляющей вызванной скорости щ обусловлен достаточно быстрым затуханием окружной составляющей вызванной скорости wo по мере распространения струи. Кроме того результаты конкретных испытаний указывают на то, что частицы грунта перемещаются в преобладающем количестве в направлении распространения струи. Распределение осевой составляющей вызванной скорости щ по поперечному сечению выходного отверстия носит сложный характер и зависит во многом от конструктивных особенностей движителей. Известно [4], что упор идеального движителя выражается следующим образом, Н, где vp - скорость поступательного перемещения идеального движителя, м/с. При работе движителя на швартовах vp = О, тогда из (2.1) имеем После несложных преобразований получаем 8-P Введя коэффициент упора Кг = —j и подставив Р„ выраженное через К\ в (2.3), получаем Здесь п — число оборотов движителя, 1/с. Удобно выразить начальную скорость щ через мощность двигателя. Для этого воспользуемся формулой, связывающей индикаторную мощность Nh Вт, и упор судового движителя на швартовах Рш, Н, [72]:
Индикаторная мощность может быть определена через эффективную мощность Ne, Вт, с учетом механического к.п.д. двигателя цм, т.е Nt - Ne/tjM. В общем случае механический к.п.д. цм зависит от режима работа двигателя. Ввиду принятых допущений примем в рассмотрение некоторое среднее значение данного параметра, а именно цм = 0,793 [16]. При работе двигателя на пониженных оборотах зависимость эффективной мощности от числа оборотов можно определить по скоростной характеристике или по эмпирической формуле Лейдермана [16]: где Ne максимальная эффективная мощность двигателя, Вт; пе - число оборотов двигателя, соответствующее максимальной мощности, с"1; п — про извольное число оборотов, с"1; А, В, С— коэффициенты, принимаемые по таблице 2.1 [16]. В случае отсутствия данных о способе смесеобразования в камере сгорания судового двигателя с некоторой погрешностью можно применять следующие значения коэффициентов А = 0,633, В = 1,367, С = 1. Преобразовав уравнение (2.3) с учетом (2.5) и (2.6), получаем (при этом имеем в виду, что Рш = Р(): При числе оборотов двигателя, соответствующего максимальной мощности, определяется максимальная начальная скорость в выходном сечении судового движителя: Формула (2.7) может быть представлена в приведенном виде: Формула (2.9) позволяет построить универсальный график зависимости мо = ио(п) при значениях коэффициентов в формуле Лейдермана А = 0,633, В = 1,367, С = 1 для всех типов речных судовых дизельных двигателей, м(с/кг)
Общие рекомендации по режимам работы пропульсивных установок судов при швартовных операциях
При маневрах судов в непосредственной близости от причальной стенки следует руководствоваться «Правилами плавания по внутренним водным путям Российской Федерации» [68] и «Обязательными постановлениями по порту». В ряде речных портов России, принимающих суда зарубежных стран, должны выполняться «Общие правила плавания и стоянки судов в речных портах Российской Федерации» [46].
Особенно осторожно следует выполнять швартовные операции при малых запасах воды под днищем судов, оборудованных мощными СЭУ, т.к. в этих условиях струи судовых движителей обладают повышенной эрозионной способностью и при высокой частоте вращения гребного вала могут перемещать частицы значительной крупности в достаточно большом количестве. Подобный факт установлен в Волгоградском речном порту. Приведем цитату из материалов, подготовленных представителями технических служб порта [44]: «Первое, что нарушало целостность конструкции линии - это бой винтов судов во время швартовки, из-за недостатка воды под днищем которых возникал мощные поток воды, выбивающий и щебень, и бетон из гидротехнических сооружений. Далее - это действие подруливающего устройства, когда еще более сильный поток воды вымывал сетку причальной линии. Все эти причины разрушения причалов Волгоградского речпорта можно свести к одной: малая проектная глубина дна речного вокзала».
Следует исключить следующие режимы работы судовых движитель-ных установок при любом состоянии дна акватории: 1) маневры судов, расположенных вплотную или на небольшом расстоянии от поверхности кордона, на высоких оборотах движителей и на большой скорости; 2) длительную (не менее 10 мин) работу движителей в швартовном режиме на высоких оборотах, особенно в условиях песчаных грунтов.
При низких уровнях воды в реке и необходимости выполнить швартовку крупного и мощного судна предпочтительнее применять буксиры-толкачи.
Одним из возможных временных решений может служить аналог способа, примененного на причальной набережной грузового района «Злобино» ОАО «Красноярский речной порт»: установка деревянных отбойных плотиков шириной 1,5.. .2 м у поверхности кордона (см. рис. 3.2).
Данное решение с одной стороны несколько отодвигает зону маневров судна от причальной набережной, а с другой - заставляет судоводителей быть предельно внимательными при выполнении швартовных операций. Подобное решение может применяться в том случае, если позволяет вылет стрелы портального крана. В противном случае следует применять плавкран требуемой грузоподъемности.
Главный гидротехник и начальники смен обязаны следить за соблюдением правил причаливания и стоянки крупных судов. На поверхности кордона или на территории причала должна быть ясно различимая в любое время суток информация о том, что швартовные операции в обязательном порядке выполняются на минимально возможных, с точки зрения управляемости судна, оборотах гребных винтов. В случае отсутствия противоэрозионной защи ты, при длительном стоянии низких уровней и большом количестве швартующихся судов следует не реже 1 раза в месяц выполнять промеры глубин вдоль поверхности кордона, уделяя особое внимание зонам действия судовых движителей.
Для повышения экономической эффективности работ по обследованию технического состояния подводной части сооружения, рекомендуется использовать комплект подводного фотооборудования (видеооборудования) с выводом видеоинформации на экран монитора, установленного на каком-либо специально оборудованном катере.
В этом же цикле производится измерение глубин эхолотом. Подобное обследование может проводиться как лицензированными организациями, так и силами технических служб порта с любой желаемой периодичностью, но не реже 1 раза в 3 года.
Причальная набережная грузового причала ОАО «Зейской ГЭС»
При подготовке к реконструкции причальной набережной грузового причала ОАО «Зейская ГЭС» в рамках водолазного обследования был выявлен факт значительных размывов грунта под нижним обрезом несущей конструкции.
В 2005 году, в рамках комплексного натурного исследования текущего технического состояния причальной набережной, были получены следующие результаты: в зоне переменного уровня воды наблюдается интенсивное гниение древесины венцов ряжа; результаты водолазного обследования показали наличие значительного подмыва причальной набережной на глубину не менее 1,5 м от отметки 223,2 и на расстояние 2,5...4 м в плане; состояние бутобетона удовлетворительное; отсутствуют отбойные устройства.
Образование столь обширных зон эрозии грунта связано преимущественно со следующими факторами: уклон дна; высокие скорости течения при сбросе воды; струйные течения, создаваемые движителями судов; относительно малая длина причального фронта; недостаточная устойчивость грунта к размыву.
При разработке проекта реконструкции причальной набережной были предусмотрены инженерно-технические мероприятия по устранению эрозионных зон и восстановлению её эксплуатационной пригодности. При этом, крупность камня каменной наброски подбиралась с использованием решений, приведенных в данной диссертационной работе.
Указаниями по устранению эрозионных зон причальной набережной были предложены два способа: 1) подмыв причальной набережной устраняется посредством заполнения водолазами полостей под стенкой мешками с цементом (I вариант), гидратация которого приведет к восстановлению её несущей способности (рис. 4.4);
Технические службы ОАО «Зейская ГЭС» приняли решение устранять подмывы посредством подводного бетонирования. Перечень мероприятий приведен в приложении Б. Справка о внедрении материалов НИР в производство приведено в приложении В.
Анализ и решение вышеприведенных практических задач по устранению размывов дна вблизи поверхности кордона причальных набережных указывает на необходимость слежения за глубинами вблизи стенки в течение навигации (для этих целей следует использовать эхолот и вешку для промера глубин). Выявленные эрозионные воронки на начальном этапе своего развития легко устранить засыпкой крупнообломочным материалом.
Похожие диссертации на Анализ влияния размыва дна струями судовых движителей на устойчивость причальных набережных
