Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Защита морских берегов и ее народнохозяйственное значение 10
1.1. Краткий обзор существующих способов защиты морских берегов 10
1.2. Анализ работы существующих конструкций бун. 14
1.3. Исследование существующих технологических методов возведения берегозащитных сооружений 20
Выводы 23
ГЛАВА 2. Исследование работы перфорированного блока для берегозащитных сооружений 24
2.1. Постановка задачи 24
2.2. Особенности конструирования перфорированного блока для берегозащитных сооружений 25
2.3. Экспериментальные исследования взаимодействия волн с перфорированными блоками 27
2.3.1. Экспериментальная установка 27
2.3.2. Планирование экспериментальных исследований 30
2.3.3. Анализ результатов эксперимента 35
2.4. Расчетные формулы для определения коэффициента гашения в перфорированных конструкциях 55
Выводы 63
ГЛАВА 3. Анализ работы конструкции буны, состоящей из перфорированных блоков 65
3.1. Постановка задачи 65
3.2. Исследования работы системы бун различной конструкции с помощью ЭВМ 67
3.3. Экспериментальные исследования работы системы бун, состоящих из перфорированных блоков 74
Выводы 86
ГЛАВА 4. Исследования по выбору оптимального варианта "конструкция берегоукрепления - способ возведения" 87
4.1. Постановка задачи 87
4.2. Анализ новых технологических методов строительства берегозащитных сооружений.. 90
4.2.1. Метод с применением самоподъемных платформ 90
4.2.2. Метод надвижки 92
4.3. Исследования по эффективному применению синтетических материалов в берегозащитных сооружениях 96
4.4. Анализ технико-экономических показателей по возведению берегозащитных сооружений с использованием различных технологий строительства 101
ГЛАВА 5. Исследование процесса формирования фактической схемы берегозащитного сооружений 105
5.1. Анализ работы берегозащитного сооружения с учетом истории его возведения и эксплуатации 105
5.2. Новый метод паспортизации берегозащитных сооружений 106
Выводы 112
Литература 113
- Исследование существующих технологических методов возведения берегозащитных сооружений
- Расчетные формулы для определения коэффициента гашения в перфорированных конструкциях
- Экспериментальные исследования работы системы бун, состоящих из перфорированных блоков
- Исследования по эффективному применению синтетических материалов в берегозащитных сооружениях
Введение к работе
Актуальность проблемы. Инженерная защита прибрежных территорий морей нашей страны от воздействия активных абразионных и оползневых процессов при интенсивном развитии гражданского, промышленного и транспортного строительства представляет собой важную народнохозяйственную задачу.
Дальнейшее выполнение таких крупных и все возрастающих объемов работ должно быть организовано на базе новых прогрессивных научно-технических решений, вносящих эффективные изменения в технологию строительства и конструкции внутрипортовых и вне-портовых берегозащитных сооружений.
В настоящее время решение вопроса совершенствования берего-защиты в основном сводится к модернизации конструкций, оптимально же эта задача должна решаться значительно шире. В данной работе рассмотрен комплекс практических задач, направленных на выбор оптимального варианта "конструкция берегоукрепления - технология возведения". С этой целью исследовалась конструкция блока, обладающая высокими волногасящими свойствами, позволяющая снизить материалоемкость, стоимость, а также определялась оптимальная технологическая схема возведения берегозащитного сооружения.
Для ответа на вопрос, что собой представляет конструкция берегозащитного сооружения к моменту сдачи его в эксплуатацию, необходимо выполнить исследования формирования фактической расчетной схемы сооружения, направленные на повышение долговечности сооружения и предотвращения возможных аварий. Эти обстоятельства и обуславливают необходимость предпринятого исследования.
Цель "работы и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка и исследование работы новой конструкции блока для возведения берегозащитных сооружений, исследова-
ния работы систем бун новой конструкции, а также исследование взаимосвязи конструктивных решений с методами технологии возведения берегоукрепительных сооружений.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
на основании критического анализа существующего состояния строительных работ по возведению берегоукрепительных сооружений обосновать необходимость предпринятого исследования;
разработать новые конструктивные решения берегозащитных сооружений;
провести экспериментальные исследования работы блоков берегозащитного сооружения новых конструкций;
провести математические расчеты указанных конструкций на ЭВМ;
сопоставить результаты расчета с данными эксперимента;
оценить экономическую эффективность от применения новых технологий при возведении берегозащитных сооружений;
разработать ряд технологических карт;
провести анализ расчленения технологии возведения берегоукрепительного сооружения;
внедрить результаты исследований в производство и разработать мероприятия по повышению эффективности строительного производства.
Научная новизна. В работе разработаны и исследованы новые конструкции блока для берегозащитных сооружений. С помощью математического моделирования по программе Черноморского отделения ЦНИИС доказана целесообразность применения системы бун из перфорированных блоков, расположенных в плане под углом друг к другу.
Исследована взаимосвязь конструкций берегоукреплений и технологий их возведения, в том числе проанализированы перспектив-
ные методы строительства. Для определения необходимого количества экспериментов при исследовании конструкции блока и формы буны использована теория планирования эксперимента. Разработаны основные принципы формирования фактической схемы сооружения.
Практическая ценность. Предложена новая конструкция перфорированного блока для берегозащитных сооружений, позволяющая повысить эффект волногашения в прибрежной зоне и определить переформирование линии уреза в межбунном пространстве.
Выработаны методологические рекомендации, позволяющие выбрать эффективную комплексную систему "конструкция берегозащитного сооружения - технология возведения".
Разработаны новые перспективные методы возведения берегозащитных сооружений с помощью надвижки и с применением самоподъемных платформ, приводящие к значительному сокращению сроков строительства.
Выработаны также рекомендации по эффективному применению синтетических материалов с целью сокращения объема остродефицитных материалов - камня и щебня, применяемых в качестве контрфильтров, разгрузочных призм и постелей.
На основании результатов исследования принципов формирования фактической схемы берегозащитного сооружения предложен новый метод паспортизации, повышающий их надежность.
Методика исследований. Экспериментальные исследования проводились в большом волновом лотке ОИМФа. Испытывались различные типы блоков для берегозащитных сооружений. Определялись их волно-гасящие характеристики и нагрузки при различных волновых режимах.
Пространственная задача защиты и накопления территории прибрежного участка решалась в бассейне Черноморниипроекта. Для этого использовалась модель системы из 4-х бун, состоящих из
пустотелых перфорированных блоков, выполненных в масштабе 1:30. Для численных исследований использовалась программа, разработанная Сочинским отделением ЦНИИС, для определения переформирования линии уреза галечного пляжа в межбунных отсеках.
Осуществлен выбор (средствами теории планирования эксперимента) необходимого числа испытаний, достаточных для получения надежных данных в работе.
Реализация работы. Результаты проведенных исследований внедрены в проектную практику:
при составлении новой редакции главы 8 СНиП П-5І-74 "Берегозащитные сооружения" (анализ и рекомендации по форме расположения блоков буны в виде ломаной линии и выбор оптимального соотношения длины буны и межбунного расстояния);
при проектировании городской набережной в п.Феодосия и причала портофлота в п.Ярылгач (усовершенствование технологических приемов укладки синтетических полотен и надежном закреплении швов полотен);
при составлении проекта паспорта на берегозащитное сооружение, учитывающего историю его возведения (рассмотрен и рекомендован для практического внедрения рядом портов Черноморско-Азов-ского и Дунайского бассейнов).
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и одобрены на научно-технических конференциях ОИИМФа 1982, 1983, 1984 гг.; на симпозиуме "Проблемы инженерной геологии и гидрогеологии в связи с рациональным использованием и охраной геологической среды в шельфовой и прибрежной зонах моря" в 1983 г., г.Батуми; на ХП научно-технической конференции Одесского инженерно-строительного института в 1984 г.; на конференции специалистов и ученых Союзморниипроекта в 1984 г.; на конфе-
ренции "Прогрессивные методы в проектировании и строительстве морских берегозащитных сооружений" в 1984 г., г.Сочи.
Публикации. По результатам исследований автором опубликовано 6 печатных трудов и авторское свидетельство на способ возведения берегозащитных сооружений (№ 1094886) и 3 находятся в печати.
Исследование существующих технологических методов возведения берегозащитных сооружений
Перечисленные конструкции бун могут быть возведены по технологии с моря с помощью плавкранов или комбинированным способом, при котором корневая часть возводится сухопутным краном, а морская часть - плавкраном. Возведение облегченных типов бун может быть осуществлено пионерным методом.
Традиционные технологии возведения берегозащитных сооружений имеют ряд существенных недостатков, они предусматривают либо использование дорогостоящих плавсредств, которые требуют отстоя в защищенных портах-укрытиях, либо выполнения работ пионерным способом, с берега. В обоих случаях продолжительность рабочего времени регламентирована погодными условиями, проводить работы при шторме свыше двух баллов не разрешается, а сухопутные краны большой грузоподъемности необходимо отводить в укрытие при переливе волны через монтируемую часть буны.
В результате многолетних наблюдений выявлено, что во многих случаях, сразу же после постройки, такие буны получают просадки и перекосы головных массивов, в связи с расстройством по тем или иным причинам каменной постели /3,12,14,20/. В таких случаях приходится производить большие ремонтные работы, что по существу представляют собой коренное переустройство морской части буны. С целью более рационального использования имеющихся в распоряжении строителей плавсредств и механизмов, а также, опираясь на имеющийся опыт и отработанную технологию производства работ по сооружению гравитационных бун, было признано целесообразным строительство бун из массивов, но на свайном основании с тем, чтобы исключить из технологии работ очень трудоемкие работы по устройству искусственной каменной постели /56,57,74/.
Однако забивка свай с плавсредств на открытом берегу не дала желаемых результатов. Следовательно, работы по забивке свай необходимо проводить доступными средствами с берега.
Кроме того, массивы в случае установки на свайном основании должны иметь меньшие размеры в поперечном сечении по сравнению с гравитационными массивами, что позволяет сократить объем бетонных массивов на 10-15%. Такие буны могут сооружаться на двухрядном и однорядном свайных основаниях. Однако в приурезовой зоне железобетонные сваи разрушаются галечной бомбардировкой, по-этому в этих условиях важнейшей задачей является защита против абразии.
Буны на колоннах-оболочках выгодно отличаются от конструкции на сваях. Одна колонна-оболочка диаметром 1,6 м по своей несущей способности эквивалентна 5-6 железобетонным сваям призматического сечения, в 5-6 раз сокращаются операции по погружению /81/.
Целесообразным является также устройство анкеров, забуриваемых в коренные породы. Глубины погружения анкеров и их число должны определяться расчетом. Если же основанием буны служат размываемые грунты, но по своему составу не позволяющие производить забивку свай, то строительство буны может вестись на буровых сваях, однако сваи должны закладываться готовыми в разбуренные скважины и забиваться. Эти работы дорогостоящие, однако они избавляют от труда водолазов при устройстве каменной постели.
В настоящее время все большее распространение в практике бе-регозащиты получает строительство бун пионерным способом по технологии с берега, без применения плавучих кранов для монтажных работ, почти весь объем монтажных работ при такой технологии строительства выполняют самоходными кранами г/п 20-30 т, перемещающимися по пляжной полосе, специальной подсыпке, подмостям или по верху строящейся буны по мере ее монтажа. Обобщение отечественного и зарубежного опыта строительства бун по технологии с берега, выполненные Черноморским отделением ЦНИИС, позволило разработать несколько наиболее рациональных и экономичных конструкций бун и технологии их строительства без применения плавучих кранов /79/.
Одна из таких конструкций бун из блоков - косоугольных параллелепипедов. Нормативно-исследовательской станцией ВПТИтранс-строя при участии Черноморского отделения ЦНИИСа проведены исследования и выполнен гравитационный анализ экономической эффективности внедрения в практику берегозащиты бун описанной конструкции в сравнении с бунами из наклонных прямоугольных плит, входящих в состав проекта унифицированных конструкций берегозащитных сооружений для Кавказского побережья Черного моря /24,78,84/.
Из результатов анализа следует, что при применении бун из блоков - косоугольных параллелепипедов сокращается объем земляных работ на 25%, объем сборного бетона на 40%.
Расчетные формулы для определения коэффициента гашения в перфорированных конструкциях
Берега Кавказа, Крыма и Одесского побережья благоустраиваются с помощью методов активной защиты берегов. Чаще всего это системы бун или траверсы с подводными волноломами. Такие сооружения выполняются, как правило, гравитационного типа, независимо от конструкции и служат для полного перехвата движущегося потока наносов и удержания пляжевого материала в пределах укрепленного участка.
Под действием штормового волнения линия уреза пляжа переформировывается и стабилизируется, что благоприятно сказывается на укреплении прибрежной территории /7,8/. Там, где вдольбереговой поток наносов отсутствует, рациональным мероприятием является отсыпка искусственных межбунных заполнений, с частичной подпиткой (периодической) /74/. Однако такой способ укрепления прибрежной зоны имеет существенные недостатки. Поперечные сооружения, состоящие из бун, в конечной точке системы полностью перехватывают естественный поток наносов, и низовые участки полностью размываются /36/. Поэтому основная задача сводится к поиску такой конструкции буны, которая выполняла бы свою основную функцию, - пляжезадер-жание, но и способствовала бы частичному перемещению естественного потока наносов на низовые участки /53/. Этими двумя свойствами может обладать только перфорированная конструкция, которая была рассмотрена и исследована во второй главе данной работы. Кроме того, при расположении буны по нормали к берегу волновой поток подходит к сооружению под небольшим углом и гашение волны практически не происходит, а вдольбереговой поток будет недостаточно перехвачен. Поэтому возникло предположение расположить блоки буны под углом друг к другу. Так как волнение бывает различных направлений, то эти блоки будут попеременно участвовать в процессе гашения волн. С увеличением гасящего эффекта конструкции частицы грунта будут терять скорость, выпадать из потока и оседать в межбунном пространстве. Накопление наносов будет происходить более интенсивно и возле каждой впадины у буны происходит накопление пляжевого материала, а линия уреза будет иметь при переформировании более закругленную форму у сооружения. Для определения положения линии уреза и её переформирования под действием шторма в межбунных отсеках можно использовать программу GROS , составленную и используемую Сочинским отделением ЦНИИС им. А.М.Жданова /30,33/. Программа позволяет вычислять линию уреза в каждом отсеке системы бунных отсеков через равные заданные промежутки времени в течение одного шторма. Максимальное число этих промежутков (включая начальный) равно 24. При этом в каждый момент времени вычисляется значение функции У) (# ; t ) согласно в заданном числе равностоящих точек на участке 0 ± f і . Программа позволяет разбивать участок 0 & 1 на любое число интервалов от I до 100. Программа позволяет производить расчет для системы межбунных отсеков, различным образом ориентированных к фронту подходящего волнения. При этом сложный укрепленный берег разбивается на участки, на которых береговая линия составляет угол одного знака с фронтом волны. Расчет производится отдельно для систем межбунных отсеков на каждом из выделенных участков. Количество межбунных отсеков программой не ограничивается. Хотя программа производит вычисления для любых углов подхода волн к берегу, необходимо помнить, что положенный в основу программы математический метод дает достоверные результаты лишь для углов 0 20. Более детально состав программы и функции даны в приложении 3. Практика показала, что во многих случаях сооружения применяют без соответствующего научного и инженерного обоснования необходимости и рациональности их использования. Математическое моделирование процессов, происходящих на берегах, укрепленных бунами, наряду с натурными и лабораторными исследованиями, позволяет изучать и прогнозировать наносоудержи-вающую способность бун. Математические модели при этом дают возможность легко изменять параметры изучаемого явления и, таким образом, оптимизировать проектирование бунного способа берегозащиты.
В данной работе для сравнения были приняты семь вариантов межбунного переформирования галечного пляжа при различных формах бун, межбунных расстояниях и различных значениях потока наносов, которые наиболее четко отражали работу той или иной конструкции буны. Исходные данные, заложенные в расчетную схему, натурные для п/п Лоо (вблизи п.Сочи). Все геологические и гидрологические характеристики приняты по материалам изысканий.
Экспериментальные исследования работы системы бун, состоящих из перфорированных блоков
. В пятом варианте расчета переформирование линии уреза продолжается в течение всего времени шторма. В промежутке 1-2 концевой участок возрастает до 6 часов шторма, а потом начинает постепенно убывать, но очень медленно и незначительно. В промежутке 2-3 наблюдается подобная картина, и только в промежутке 3-4 наблюдается уменьшение пляжевого материала до размыва в теневом участке за счет полного отсутствия поступления материала в этот промежуток. Следовательно, сквозная конструкция блоков буны способствует частичному сквозному поступлению пляжевого материала из отсека в отсек, и ломаная линия буны позволяет одновременно задерживать наносы более равномерно по длине буны как с лицевой, так и с теневой стороны.
В шестом варианте рассмотрена работа бун, состоящих из гравитационных блоков, расположенных друг за другом в одну линию перпендикулярно линии уреза, при межбунном расстоянии 90 м.
Повсеместно наблюдается размыв пляжа в теневых участках бун. Следовательно, расстояние 90 м при такой длине буны L = = 50 м является не эффективным, даже для гравитационных конструкций Кавгипротранса, которые должны полностью перехватывать поток наносов.
Седьмой вариант расчета выполнен для гравитационных конструкций бун из массивов Кавгипротранса, расположенных по прямой линии перпендикулярно берегу с расстоянием 90 м.
При угле подхода волнения, заложенном в программе 30, такое расстояние между бунами не дает эффекта накопления пляжевого материала, а ведет к размыву теневых участков бун. Рис.П.2.4 (Приложение 2). Первый и седьмой варианты расчета, выполненные для гравитационных конструкций бун из массивов Кавгипротранса, в которых заложены неизменяющиеся объемы пляжевого материала без переноса наносов через буны,дают различные линии переформирования уреза за счет изменения межбунного расстояния. Наиболее оптимальным при данной длине буны является первый вариант с расстоянием между бунами 75 м (1,5 L-). Рис.3.1. Планирование экспериментальных исследований Аналогично п. 2.3.2, где описано планирование эксперимента для испытания блоков в волновом лотке, определим необходимое количество испытаний, достаточных для получения надежных данных о работе исследуемой системы бун при определенной вероятности и заданной степени точности. Используя формулы (2.4) и (2.5) и подставляя соответствующие величины: [б ] - предельную относительную ошибку при измерении, равную 0,07; cL = 0,05 - уровень значимости, соответствующий допустимой вероятности Р= 0,95 /9/; = 2,14 - коэффициент доверия, представляющий собой доверительные границы нормального распределения при к = 0,05. Расчеты показали, что необходимое количество испытаний равно трем. В настоящее время, в связи с широким внедрением вычислительных методов на базе использования современных ЭВМ, значительно расширился круг гидравлических задач, которые могут быть решены расчетом без постановки лабораторных исследований. Однако оптимальным путем гидравлических исследований является сочетание численного и физического моделирования. Поэтому были проведены экспериментальные исследования работы системы из 4-х бун, три из которых состояли из пустотелых трапецеидальных блоков с асимметричной перфорацией, расположенных в плане под углом друг к другу, а четвертая представляла собой традиционную гравитационную конструкцию из блоков, расположенных в плане один за другим. Также исследовалась работа системы из 4-х бун, вся состоящая из перфорированных блоков, расположенных в плане под углом друг к другу. В бассейне Черноморниипроекта (размером 30 х 45 х 0,6 м) была сооружена модель участка побережья, укрепленного системой бун. Блоки, из которых монтировалась конструкция буны, были выполнены из бетона с соблюдением геометрических размеров и массы согласно закону гравитационного подобия, в масштабе 1:30. Работа систем бун исследовалась при следующих волновых режимах: (что в натуре соответствует А = 60 м; h = 2,7 3,0 м). Задачей исследований являлось определение степени защиты пляжа от размыва при разных вариантах укрепления и различных направлениях волнения. Выбранный масштаб (1:30) допускает достаточно точное проведение эксперимента на пространственной модели, возводимой без искажения масштабов. Модель воспроизводила рельеф морского дна до глубины -4,5 м и очертание береговой линии. Вся система располагалась на откосе 1:7 (рис.3.4, 3.5, 3.6).
Исследования по эффективному применению синтетических материалов в берегозащитных сооружениях
В настоящее время выработаны три основные технологические схемы производства работ по возведению берегозащитных сооружений: с воды, пионерный и комбинированный (рис.4.1). Выбор технологической схемы является столь же важным, как и выбор соответствующей конструкции для берегов защиты, позволяющий в сочетании добиться снижения материалоемкости и стоимости, а также сократить сроки строительства. Самая экономичная конструкция при неудачно выбранной технологии возведения теряет свои положительные качества и становится дорогостоящей /41/. Поэтому нужно четко проследить взаимосвязь между конструкцией берегоукрепления - технологией возведения /49/. Строительство бун с воды осуществляют при глубоком море у берега с тем, чтобы максимально допустимый вылет стрелы плавучего крана позволял монтировать корневую часть буны. Буну монтируют на всю длину с воды при помощи плавучего крана соответствующей грузоподъемности и сопутствующих плавсредств. Этот способ предусматривает наличие портов-укрытий для плавучих средств, благоприятных погодных условий для возможности работы на море, достаточную глубину берега, специальных конструкций бун со сборной корневой частью. При комбинированном способе строительства корневую часть буны сооружают с берега, а с воды монтируют только головную часть сооружения /10/. При этом способе производства работ плавучие средства так же нужны, как и при строительстве с воды, но в значительно меньших объемах. Строительство корневой части буны с берега возможно при наличии места для расположения строительной площадки в непосредственной близости от корня буны, а также возможности прокладки к этой площадке сухопутных транспортных коммуникаций. Сооружение бун пионерным способом с берега не требует использования дорогостоящих плавучих средств и портов-укрытий для них. Буны монтируются сухопутным краном, передвигающимся по уже возведенной части со стороны корня. Способ неприменим при отсутствии пляжевой полосы и при крутых обрывистых берегах, на которых весьма сложно организовать подъездные пути к морю в месте строительства бун. Кроме того, работы по этому методу приостанавливаются при накате, вызывающем перелив волны через возведенную часть бун.
Из всех трех рассмотренных способов этот способ наиболее экономичен. Возможность применения всех описанных способов строительства в меньшей или большей степени ограничивается погодными условиями на море /44/.
Очень важным вопросом при выборе того или иного способа возведения берегозащитного сооружения является определение оснащенности морских стройтрестов, ведущих работу основными строительными механизмами /50/.
К недостаткам можно отнести также оснащение строительных организаций недостаточно полным комплектом оборудования для проведения берегозащитных работ. Коэффициент использования этого оборудования не высок. Все указанные механизмы нуждаются в укрытии при развитии шторма. Поэтому возникает потребность в поиске такого механизма, работа которого не зависела бы от погодных условий, а оснащение механизмами было бы комплексным /43,47,48,102/. Всем этим требованиям отвечает конструкция самоподъемной платформы /6 0,76,85,86,93/. Универсальным способом строительства бун, практически не зависящим от погоды на море и пригодным для любого композиционного сочетания рельефа берега, с отмелым или приглубым морем у берега, является способ с применением самоподъемных платформ /89,90,101/.
При работе механизмов, находящихся на поднятом над горизонтом моря на нужную высоту понтоне, возведение бун и волноломов не будет зависеть от волнения, течений и ветра на море.
Самоподъемная платформа, благодаря своей устойчивости, обеспечивает большую точность строительно-монтажных работ, чем любые другие механизмы, находящиеся на плаву. Для возможности строительства бун на отмелых берегах при отсутствии пляжевой полосы и береговых коммуникаций, а также при наличии крутых берегов нужны самоподъемные платформы "шагающей" конструкции.
Самоподъемную платформу приближают максимально близко к берегу на расстояние, определяемое глубиной моря и осадкой понтона установки, осуществляя опускание опор, подъем и передвижение при помощи системы трубчатых колонн с опорными башмаками при поступательном перемещении каждой из двух частей платформы.
