Защита подходных каналов морских портов от заносимости

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.23.07. - Гидротехническое строительство

ЗАЩИТА ПОДХОДНЫХ КАНАЛОВ МОРСКИХ ПОРТОВ ОТ ЗАНОСИМОСТИ

ГУБИНА НАДЕЖДА АНДРЕЕВНА

Москва - 2007

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Подъем экономики России связан с интенсивным развитием морского транспорта. Увеличение объема перевозок, рост грузоподъемности современных судов, привели к необходимости строительства новых портов, а также реконструкции существующих портов на Балтийском, Черном и Азовском морях. Эти порты уже сегодня функционируют со значительной перегрузкой. Освоение запасов углеводородов на континентальном шельфе в европейской и азиатской частях нашей страны приводит к расширению географии портового строительства в том числе и для обслуживания нефтегазопромыслового флота, обеспечивающего работу морских промыслов. Создание специализированных береговых баз требует строительства новых специализированных портов, а также устройства отдельных точечных причалов в мелководных зонах шельфа. Реализация значительного объема морского гидротехнического строительства невозможна без строительства и реконструкции подходных каналов. На мелководных побережьях потребуются довольно протяженные и глубокие подходные каналы, которые будут подвергаться заносимости наносами. Это приведет к большим объемам дноуглубительных работ в целях поддержания объявленных глубин на подходах к портам и на их акваториях.

Существующая нормативная база по проектированию морских подходных каналов устарела и требует обновления. Целый ряд рекомендаций всероссийских и ведомственных нормативных документов не соответствует запросам современной проектной практики. Они разработаны на моделях, не отвечающих современному уровню знаний о гидролитодинамике береговой зоны. Нормы проектирования морских подходных каналов не содержат рекомендаций, в которых исходные данные включали бы параметры инженерной геологии и прибрежной гидролитодинамики. Запасы на заносимость устанавливаются в зависимости от габаритов расчетного судна. Явление заносимости учитывается эмпирическим коэффициентом. В процессе проектирования неправильно принятые решения приводят к неоправданно большим объемам ремонтных дноуглубительных работ, а, следовательно, и к значительным финансовым издержкам. В связи с этим исследование процесса заносимости морских подходных каналов и способов ее предотвращения является актуальной проблемой.

Цель работы

Целью настоящей работы являлось исследование процесса заносимости морских подходных каналов на мелководных побережьях, разработка эффективного метода их защиты от заносимости и рекомендаций по проектированию. Поставленная цель была достигнута:

1. проведением исследования процесса заносимости подходного канала в зависимости от компоновки портовых сооружений с целью комплексного прогноза количественных и качественных характеристик отложений наносов на фарватере;

2. разработкой нового эффективного способа защиты подходного канала, позволяющего максимально увеличить сроки межремонтных работ;

3. исследованием эффективности предложенного способа защиты при оптимальной компоновке оградительных сооружений, представляющего новое техническое решение;

4. разработкой рекомендаций по проектированию подходных каналов, включая инженерные изыскания и научное сопровождение проекта с учетом природно-климатических условий района строительства.

Методы исследований

В работе были применены современные методы математического и физического моделирования динамических процессов береговой зоны. А также был использован аналитический метод, включающий обобщение и анализ современного состояния проектирования морских подходных каналов и их защиты от заносимости.

Математическое моделирование проводилось с помощью составленной двухмерной модели расчета заносимости подходного канала и предложенного способа его защиты на базе языка программирования Borland C++.

Экспериментальные исследования были выполнены в мелководном бассейне Отраслевой научно-исследовательской лаборатории морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений при кафедре Водного хозяйства и морских портов Московского государственного строительного университета (ОНИЛ МНГС МГСУ).

Научная новизна работы

Выполненные исследования позволили получить более полное представление о процессе перемещения наносов в прибрежной зоне моря, при сооружении на их пути преград в виде молов вертикального профиля. Кроме этого была установлена зависимость объема отложений в подходном канале от длины мола и выявлен количественный и качественный вклад потоков наносов, перемещающихся вдоль внешней стороны мола в результате штормовых нагонов, в общий объем заносимости подходного канала. Использованная в работе математическая модель позволила учесть изменение процесса перемещения донных наносов при распространении волн на течении.

В работе предложен и исследован комбинированный способ защиты подходного канала от заносимости, а также разработаны соответствующие рекомендации по проектированию морских подходных каналов и по научному сопровождению таких проектов с учетом природно-климатических условий районов будущего строительства.

Фактический материал

В работе использовались результаты исследований заносимости подходных каналов порта Нового на Черном море, порта в бухте Батарейная на Балтийском море, порта Темрюк на Азовском море, выполненных в рамках НИР. Такие исследования были проведены в ОНИЛ МНГС МГСУ в период с 1994 по 2003 гг. Кроме этого, в настоящей работе были использованы результаты натурных наблюдений за заносимостью подходного канала порта Вентспилс на побережье Балтийского моря.

Практическая ценность работы

На основании анализа выполненных исследований был разработан более точный метод определения объемов заносимости подходных каналов и комбинированный способ их защиты. Разработанные в результате исследований рекомендации по проектированию подходных каналов позволяют снизить затраты на капитальное и ремонтное дноуглубление за счет уменьшения их объемов, а также увеличить сроки межремонтных черпаний. Предложенный способ защиты подходных каналов от заносимости был успешно применен в порту Темрюк на Азовском море.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на совместных заседаниях научно-технического совета ОНИЛ МНГС и кафедры Водного хозяйства и морских портов МГСУ.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликована 1 статья и 1 статья находится в печати. Статьи раскрывают основное содержание работы, в том числе результаты математического моделирования и экспериментальных исследований процесса заносимости морских подходных каналов и предложенного способа их защиты.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы. Работа изложена на 151 страницах, включая 47 рисунков, 13 таблиц и списка литературы из 70 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

заносимость морской подходный канал

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные цели и задачи исследований, которые были решены в результате выполнения работы.

В первой главе представлен краткий обзор современного состояния проектирования, строительства и эксплуатации морских подходных каналов. Проанализированы причины заносимости морских подходных каналов, а также степень влияния на нее природно-климатических факторов.

В разделе 1.1 приведены требования действующих нормативных документов по проектированию морских подходных каналов к нормированию запасов на заносимость. Показано отсутствие методик, позволяющих определить интенсивность протекания процесса заносимости.

В разделе 1.2 описана природа процесса заносимости подходного канала, а также ее связь со штормовыми условиями района. Показано, что проблема заносимости особенно актуальна для подходных каналов портов расположенных на мелководных побережьях Балтийского, Черного и Азовского морей с характерным вдольбереговым потоком наносов. Отмечается, что в настоящее время проблема учета литодинамических факторов при определении заносимости не до конца изучена.

В разделе 1.3 приведен анализ влияния гидролитодинамических факторов прибрежной зоны моря на заносимость подходных каналов. Показаны изменения в динамике волнения, течения и потока наносов, происходящие после строительства подходных каналов. Трансформация волнения над подходным каналом, согласно спектральной теории Ю.М. Крылова, происходит в результате рефракции волн, вследствие чего уменьшаются волновые скорости над каналом и наносы осаждаются на его дно. Изменение подходным каналом режима прибрежных течений приводит к формированию струи оттока в море и к созданию сложной системы прибрежной циркуляции, существенно влияющей на процесс заносимости. Также приведены параметры потоков наносов береговой зоны моря и основные зависимости для их определения. Показано, что расход потоков наносов напрямую зависит от распределения скоростей течения и концентрации частиц в толще воды. Кроме того, описано влияние топографических условий на заносимость подходных каналов. При расположении порта в устье реки или на приустьевых участках, наличии устья в непосредственной близости от подходного канала необходимо связывать объем заносимости с гидрологическим режимом рек.

В разделе 1.4 описаны существующие теоретические и эмпирические методы определения объемов заносимости подходных каналов. Показано, что большинство исследователей объем отложений связывают с расходом берегового потока наносов и глубинами воды в самом канале и за его бровками. Некоторыми авторами дополнительно учитывались пористость донного грунта, габариты канала и трансформация волн над ним. Однако предложенные зависимости не являются универсальными и приемлемыми для различных геоморфологических и гидродинамических условий. Результаты расчетов по этим зависимостям для определенного подходного канала отличаются примерно в 20 раз.

Более точное определение объема заносимости возможно в результате проведения численного и физического моделирования. Существующие трехмерные математические модели позволяют воспроизводить природные процессы во времени и пространстве, а также производить оценку эволюции береговой линии, как свободных пляжей, так и пляжей с поперечными молами и дноуглубительными прорезями. Однако эти модели очень сложны для инженерных расчетов и их успешное использование зависит от корректного задания входных параметров и констант. При проведении экспериментальных исследований процесса заносимости невозможно полное соблюдение необходимых условий подобия, поэтому их основной задачей являлось определение направлений и локальной интенсивности перемещения водных масс и материала, а также определение и сопоставление зон возможной аккумуляции и зон размывов у основания оградительных сооружений. Объединение результатов численного и физического моделирования позволяет получить более полную картину заносимости подходных каналов.

В разделе 1.5 приведены основные способы защиты подходных каналов от заносимости, используемые на практике. Исследования работы ряда портов показали, что строительство молов является эффективным только в первое время после их возведения. В течение нескольких лет происходит заполнение входящего угла наносами. Дальнейшая перестройка подводного рельефа приводит к обтеканию наносами головы мола. Наносы, попадающие при этом в канал, формируют у входа в порт четко выделенную аккумулятивную перемычку, приводящую к быстрому обмелению. Дополнительное увеличение длин молов в большинстве случаев не решает задачи надежной защиты морских путей от заносимости. При этом возведение молов на больших глубинах резко увеличивает стоимость строительства портов. Наиболее эффективным средством поддержания судоходных глубин подходных каналов является периодическое проведение ремонтных дноуглубительных работ. Процесс производства дноуглубительных работ может затруднять или даже частично прерывать судоходство на довольно значительные периоды времени, приводя к экономическим издержкам.

В разделе 1.6 на основании проведенного обзора проблем, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией морских подходных каналов, были сформулированы следующие выводы.

1. Развитие и реконструкция существующих портов в нашей стране, а также строительство новых, требуют совершенства устаревшей нормативной базы, в том числе по проектированию морских подходных каналов.

2. Влияние природных факторов и компоновочных решений портов на процесс заносимости подходных каналов не до конца изучено и требует проведения соответствующих исследований.

3. Существующие программные комплексы позволяют производить только примерную оценку объемов заносимости подходных каналов. Невозможность при этом учета влияния конфигурации портовых сооружений приводит к завышенным объемам дноуглубительных работ и, соответственно, к большим экономическим затратам.

4. Практика эксплуатации подходных каналов показала неэффективность защиты от заносимости с помощью одиночных или сходящихся молов. В результате перемещения наносов вдоль сооружений под действием штормового нагона и дальнейшего обтекания наносами их голов, участок у входа в порт неизбежно подвергается заносимости.

5. Необходимо проведение исследований для совершенствования и комбинирования существующих способов защиты в целях снижения затрат на поддержание навигационных глубин.

Во второй главе содержатся сведения об исследовании заносимости подходных каналов, защищенных оградительными молами, методом численного моделирования.

В разделе 2.1 обосновано проведение исследований. Поставлены цели и задачи моделирования:

1. определение количественных характеристик отложений на фарватере в зависимости от природно-климатических условий района;

2. определение зависимости объема отложений в подходном канале от длины мола и определение оптимальных размеров последнего;

3. оценка количественного вклада потока наносов, перемещающихся вдоль стенки оградительного мола, в общий объем заносимости подходного канала;

4. разработка модели, удобной для использования в инженерных расчетах.

В качестве расчетного примера был выбран порт Темрюк, расположенный на мелководном побережье Азовского моря с вдольбереговым потоком наносов, в основном определяемым выходом устья реки Кубань, а также соответствующим направлением преобладающего штормового волнения.

В разделе 2.2 выполнен анализ результатов имеющихся исследований параметров волнения, потока наносов в районе порта Темрюк, а также заносимости его подходного канала. Назначены основные расчетные параметры природно-климатических факторов для моделирования, том числе параметры волнения, направления действия штормов и размер донных отложений.

В разделе 2.3 изложена методика проведения и результаты численного моделирования.

2.3.1. Модель заносимости подходного канала

Математическое моделирование динамики перемещения потока наносов и отложения их в канал основывалось на описаниях закономерностей морфологических изменений морского дна. Заносимость подходного канала моделировалась с учетом действия поперечного потока наносов вдоль мола (рис. 1).

Профиль вдольберегового течения вычислялся по известной методике Лонге-Хиггинса, проанализированной во многих исследованиях и соответствующей условиям и приближениям моделирования. Удельный расход вдольберегового потока наносов q(х) определялся по скоростям вдольберегового течения на подходе к каналу и топографии морского дна. Параметры поперечного потока наносов были оценены по результатам имеющихся натурных наблюдений для порта Темрюк.



Рис. 1. Схема моделирования заносимости подходного канала

Ширина полосы течения вдоль мола составляла 50 м при средней скорости 0, 3 м/с и типичным значении объемной концентрации взвеси во время шторма 0, 38·10^-3 л/м³. Эти значения сохранялись на протяжении всей длины мола.

Расчетный удельный расход потока наносов у головы мола определялся с учетом удельного потока наносов вдоль мола q_х:

q = q(х)_вх + q_х.(1)

При моделировании принималось, что транспорт наносов находится в динамическом равновесии, и параметры волн неизменны во времени. Модель предполагала мгновенную адаптацию поля наносов к локальным гидравлическим условиям, что позволило использовать формулы транспорта наносов в равновесных условиях. Уравнение баланса наносов записывалось в виде:

, (2)

где h - глубина воды. С целью определения расхода наносов была выбрана методика Акерса-Уайта, позволяющая рассчитывать суммарный транспорт донных и взвешенных наносов. В методике использовалось понятие «величина нагрузки наносами», которая устанавливалась равной отношению массового расхода наносов к массовому расходу течения, переносящего наносы:

, (3)

гдеq - расчетный расход течения, включающий течение вдоль мола; - плотность воды; - плотность частиц; S - нагрузка наносами.

При определении нагрузки наносами от течения используется концепция мощности, затрачиваемой на перенос наносов. Результирующие соотношения для течения получены в следующем виде:

, (4)

гдеF_gr - параметр подвижности наносов; F_grc - критическое значение параметра подвижности (при параметре подвижности ниже критического перенос наносов не происходит); D - диаметр частиц наносов; C_h - безразмерное число Шези; ; К, m, n - величины, показывающие вклад донных и взвешенных наносов в суммарный транспорт.

Далее, согласно методике С.М. Анцыферова и И.Г. Кантаржи, модель была модифицирована для условий транспорта наносов при совместном действии волн и течения. При этом определялся волновой коэффициент, который увеличивал параметр подвижности наносов в формуле (4).

Численная схема для уравнения баланса наносов (2) была реализована на конечно-разностной сетке (рис. 2) с использованием разностей по потоку по схеме Лакса-Вендорфа. Шаги по времени принимались и в пространстве , численная модель записывалась следующим образом:

(5)

где - коэффициент по схеме Лакса.

Рис. 2. Конечно-разностная сетка для одномерной модели морфологии морского дна.

Результаты численного моделирования

Расчеты выполнялись для пяти вариантов длины Восточного мола порта Темрюк при северном направлении штормового воздействия (рис. 3). Во всех вариантах проектный профиль канала имел глубину по оси - 8 м, ширину по дну 90 м, заложение откосов 1:4. В качестве расчетного сечения канала принималось сечение, в котором удельный расход вдольберегового течения максимален. Если голова мола в рассматриваемом варианте его длины не достигала этого створа, то в качестве расчетного принималось сечение, соответствующее максимальному значению удельного вдольберегового течения.

Рис. 3. Расчетные варианты длины Восточного мола порта Темрюк.

При расчетах объемов отложений, приносимых в канал береговым потоком наносов, принималась длина канала от головы мола до зоны, где вдольбереговое течение было уже неспособно перемещать наносы. Средний уклон подводного берегового склона был принят равным 0, 0075, состав донных отложений - однородным с характерным средним диаметром частиц песка 0, 15 мм. Расчеты объема заносимости подходного канала проводились для штормов северного направления с режимной обеспеченностью 1 раз в 25 лет, при исходном проектном профиле канала. Угол между направлением действия шторма и перпендикуляром к линии обрушения волн принимался равным 40, 5⁰, а высоты волн - обеспеченностью 13% в системе шторма.

Результаты расчетов показали, что расход вдольберегового потока наносов составит 12, 05 м³/с, а объем потока наносов за время действия одного шторма 19, 5 тыс. м³. Подходной канал подвергался заносимости от перемещения вдольберегового потока наносов только в случае расположении головы мола на глубине менее 3 м. При расположении головы мола на большей глубине, береговой поток наносов полностью задерживался, а заносимость подходного канала определялась в основном действием потока наносов вдоль мола.

На рис. 4 показана эволюция поперечного профиля подходного канала при выходе мола на глубину 2 м. Видно, что со временем происходит аккумуляция наносов на наветренном откосе канала и размыв противоположного откоса.

Рис. 4. Моделирование эволюции поперечного сечения канала за время действия шторма. (Цветные линии иллюстрируют динамику изменения сечения, красная линия соответствует окончанию действия шторма).

В результате моделирования заносимости подходного канала были определены объемы отложений в расчетном створе, а также суммарные объемы на протяжении всего незащищенного участка за время действия одного шторма. Зависимость объема отложений от длины мола показана на рис. 5. Результаты расчетов позволили определить оптимальное значение длины мола. Увеличение длины мола сверх оптимальной не приводит к значительному сокращению объемов отложений в подходном канале. Так для условий порта Темрюк оптимальная длина мола составила 300 м.

Кроме того, с помощью модели была количественно оценена часть потока наносов, задерживаемого оградительным сооружением , переходящая в поперечный поток вдоль мола (рис. 6). В порту Темрюк до 16 % аккумулированных во входящем угле отложений перемещается к голове мола под действием сильных штормов.

Рис. 5. Зависимость объема отложений в подходном канале за время действия шторма от длины мола.



Рис. 6. Зависимость объема потока наносов, переходящего в разрывное течение (k = /), от длины мола.

В разделе 2.4 сформулированы выводы по результатам численного моделирования.

1. Заносимость подходного канала находится в зависимости от природно-климатических условий района, включающих параметры и преобладающее направление штормового воздействия, уклон дна и состав донных отложений.

2. Возведение молов существенным образом меняет динамику наносов, что приводит к формированию течения вдоль мола, способного во время сильного шторма перемещать около 10 % наносов, аккумулированных во входящем угле.

3. Объем заносимости подходного канала зависит от длины оградительного мола. При этом существует оптимальная длина мола. Дальнейшее увеличение длины не приводит к полной защите подходного канала от заносимости.

4. Учет распространения волн на течении показал значительное увеличение объема перемещаемого материала под совместным действием обоих факторов.

В третьей главе представлены экспериментальные исследования заносимости подходного канала на физической модели порта Темрюк, проведенные в мелководном бассейне с плановыми размерами 30 м 30 м и глубиной 1, 1 м.

В разделе 3.1 сформулированы цели и задачи экспериментальных исследований:

1. определение характера перемещения наносов вдоль мола и качественных характеристик заносимости подходного канала;

2. выявление зон прохождения потоков наносов наибольшей интенсивности и картин распределения частиц;

3. получение результатов, необходимых для верификации математической модели.

Раздел 3.2 содержит программу экспериментальных исследований, согласно которой предусматривалось провести оценку заносимости подходного канала с использованием в качестве его защиты Восточного мола, выходящего на глубину 3 м. Режим воздействия расчетного шторма принимался северо-восточного направления относительно оси канала, повторяемостью один раз в 25 лет, с высотами волн 13% обеспеченности.

Моделирование параметров волнения и продолжительности действия расчетного шторма проводилось в соответствии с рекомендациями ЦНИИСа по критерию Фруда. При моделировании использовался песок Люберецкого карьера расчетного диаметра 0, 15 мм. В связи с этим возникла необходимость в искажении горизонтального и вертикального масштабов:

(6)

где_l - горизонтальный масштаб модели; _h - вертикальный масштаб. Принятые вертикальный и горизонтальный масштабы моделирования составляли М_в = 1:40 и М_г = 1: 100. Масштаб физической модели принимался равным вертикальному масштабу и составлял l_м = 1:40. Масштаб времени принимался равным масштабу высоты волны:

(7)

В разделе 3.3 приведено описание физической модели подходного канала порта Темрюк. Модель подходного канала с соответствующей батиметрией и существующими оградительными сооружениями выполнена с искажением горизонтального и вертикального масштабов (6). Крутизна откосов подходного канала, соответствующая проектной крутизне, составила 1:4. Перед началом экспериментов модель была реконструирована. Из существующих на модели оградительных сооружений был оставлен Восточный мол, частично разобранный до необходимой глубины. На рис.7 представлена общая схема модели перед началом эксперимента.

Рис. 7. Схема физической модели подходного канала, защищенного оградительным молом. В1 и В2 - места расположения волнографов.

Исходные параметры волнения на глубокой воде генерировались волнопродуктором и контролировались двумя волнографами. Щит волнопродуктора был расположен под углом к оси канала, и соответствовал принятому направлению распространения исходного волнения. Во избежание искажения параметров волн использовались ограждающие щиты шириной 6 метров, расположенные с обеих сторон от щита волнопродуктора.

Раздел 3.4 содержит описание использованной системы регистрации параметров волнения, генерируемых волнопродуктором. Их обработка проводилась с использованием автоматизированной системы сбора экспериментальной информации в режиме реального времени.

В разделе 3.5 изложена методика проведения эксперимента. Перед началом исследований проводилась тарировка волнографов и устанавливался режим проведения эксперимента. Эксперимент начинался с подготовительных работ по выравниванию верхнего слоя мелкозернистого песка, на котором исследовалась миграция наносов, с погрешностью 1 мм. После чего бассейн наполнялся водой до расчетной отметки и запускался в работу волнопродуктор.

В процессе опытов модель подходного канала подвергалась воздействию регулярного волнения, направление и параметры которого соответствовали программе эксперимента. В процессе опытов фиксировалась волновая картина трансформации, рефракции и дифракции волн по мере их распространения с глубокой воды к оградительному сооружению и далее в канал. После завершения каждого эксперимента производилось понижение уровня воды в бассейне, ниже отметки русла подходного канала, и фиксировался характер донных микроформ.

В разделе 3.6 приведены результаты экспериментальных исследований. Оценка заносимости подходного канала, перемещения потока наносов и детализации гидродинамического режима проводилась с помощью данных о форме, параметрах и ориентации фронтов микроформ (рифелей), образованных в результате воздействия волн и течений. При данных условиях волнения действие вдольбереговых перемещений потока наносов приводит к заносимости участка подходного канала у входа в порт, которая качественно выразилась в виде наплыва на откос песчаного «языка», способного сползти в канал и образовать пробку (рис. 8). Область наиболее интенсивного течения и, соответственно, максимального перемещения наносов располагалась в районе головы мола.

Анализ образовавшихся донных микроформ рельефа позволил установить, что заносимость моделируемого подходного канала происходит под воздействием потока наносов, направленных как перпендикулярно оси канала, так и идущих вдоль мола с внешней стороны. На рисунках 8 и 9 видны области переработанного дна по обоим направлениям. Основным результатом моделирования явилось определение места прохождения максимального потока наносов с наибольшей концентрацией у головы мола.

Раздел 3.7 содержит оценку и сопоставление результатов исследований заносимости подходного канала, проведенных с помощью численного и физического моделирования. Результаты обоих видов моделирования дополнили друг друга. Совместная их оценка позволила получить более полное представление о специфике перемещении наносов, местах их отложения в подходном канале и на его откосах, а также значениях объемов заносимости от действия расчетного шторма. Исследования показали, что при защите подходного канала молом, процесс заносимости участка у входа в порт, при соответствующих ветроволновых условиях, напрямую связан с действием течения вдоль мола, образованным в результате штормового нагона при ветроволновом воздействии.



Рис. 8. Картина рифельных систем у головы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9. Перемещение наносов мола после завершения эксперимента. вдоль мола с внешней стороны.

Необходимо также отметить, что экспериментальные исследования на физической, модели позволили выявить характер перемещения наносов вдоль вертикальной стенки. В случае использования оградительного мола откосного типа характер перемещения, огибания и попадание в канал отложений в значительной степени изменится.

В разделе 3.8 сформулированы выводы по результатам проведенных исследований процесса заносимости.

1. Характер перемещения потока наносов в береговой зоне моря изменяется в зависимости от компоновки портовых оградительных сооружений. Часть берегового потока наносов, аккумулированная у корня сооружения, переходит в поперечный поток вдоль мола под действием течения, являющегося разгрузкой штормового нагона.

2. На заносимость подходного канала существенным образом оказывает влияние поперечный поток наносов. Величина поперечного потока зависит от длины мола, а также от природно-климатических условий района. При этом в зависимости от длины оградительного сооружения, меняются составляющие общего объема отложения, связанные с воздействием обоих потоков.

3. В зависимости от ветроволновых условий района возможно определение оптимальной длины оградительного сооружения, при которой заносимость подходного канала будет минимальной.

4. Даже при значительном увеличении длины мола сохраняется заносимость подходного канала в результате обтекания наносами головы мола. С целью уменьшения объемов заносимости канала и, соответственно, затрат на производство ремонтных дноуглубительных работ, необходимо принимать дополнительные меры, которые заключаются в предложенном автором комбинированном способе.

В четвертой главе содержатся результаты исследований эффективности предложенного комбинированного способа защиты подходного канала от заносимости.

В разделе 4.1 описана суть комбинированного метода, состоящая в совместном использовании оградительного сооружения оптимальной длины и аккумулирующей прорези (ловушки) в морском дне у его головы (рис. 10).



Рис. 10. Защита подходного канала комбинированным способом.

Располагая ловушку в месте прохождения потока наносов максимальной интенсивности, можно предотвратить попадание наносов в подходной канал. Габаритные размеры ловушки должны обеспечивать перехват берегового потока наносов у головы мола в соответствии с определенным (годовым или другой периодичности) объемом заносимости. Новое решение позволит избежать проведения дноуглубительных работ непосредственно на подходном канале, а также увеличит межремонтные сроки. Суда технического флота будут проводить работы по разбору ловушки без выхода в канал.

Раздел 4.2 содержит цели и задачи исследования комбинированного способа защиты. С помощью комплексного моделирования планировалось исследовать различные комбинации оградительного мола и ловушки и выявить наиболее рациональные и экономичные их варианты. Конкретные цели исследования представляли собой:

1. определение зависимости объема ловушки от длины мола методом численного моделирования;

2. определение оптимального места расположения ловушки относительно головы мола с помощью экспериментальных исследований;

3. выявление эффектов совместного использования мола и ловушки;

4. определение геометрических размеров ловушки, соответствующих оптимальной длине оградительного мола.

Исследования комбинированного способа защиты осуществлялось на основе результатов определения заносимости подходного канала порта Темрюк, выполненного автором ранее и приведенного в главе 2 и 3 настоящей работы. По результатам проведенных исследований были определены: место расположения аккумулирующей прорези в зависимости от зоны прохождении потока наибольшей интенсивности, а также ее предполагаемый объем, зависящий от объема отложений в подходном канале за время действия расчетного шторма.

В разделе 4.3 описано численное моделирование при изучении комбинированного способа защиты. При моделировании ловушки было предположено, что ее габаритные размеры связаны с количественными характеристиками берегового потока наносов. Соотношение длины и ширины ловушки зависит от отношения Q_x и Q_c (рис. 1). Ширина ловушки принималась равной не менее ширины течения вдоль мола, которая являлась постоянной величиной при различных вариантах длины мола. Длина ловушки зависит от эпюры вдольберегового потока наносов. При длине мола, не позволяющей перехватить весь береговой поток наносов, длина ловушки принималась равной не менее длины остальной части эпюры вдольберегового потока наносов.

В случае выхода мола на глубину замыкания d* (рис. 11) длина ловушки принималась равной минимальной, удовлетворяющей условиями производства работ. При определенных плановых размерах ловушки ее глубина назначалась в зависимости от объема заносимости подходного канала от действия расчетного шторма при заданном заложении откосов прорези.

Рис. 11. Влияние вдольберегового потока наносов на совместное расположение оградительного мола и ловушки.

Анализ результатов численного моделирования наполняемости аккумулирующей ловушки позволил выявить зависимость ее объема от длины мола. Оптимальный объем ловушки, позволяющий полностью перехватить поток наносов до попадания их в подходной канал, с учетом природно-климатических условий порта Темрюк, составил 13 тыс. м³.

В разделе 4.4 представлены результаты физического моделирования порта Темрюк при исследовании комбинированного способа защиты с режимом ветроволнового воздействия согласно п. 2.2. Перед началом экспериментов с восточной стороны мола на расстоянии 30 м от его головы была устроена ловушка с выступом в море на 2/3 ее длины (рис. 10). Размеры ловушки были выполнены на модели в соответствии с принятым геометрическим масштабом и коэффициентом искажения (7). Ловушка была выполнена размерами в плане 1, 1 0, 2 м с крутизной откосов 1: 1 при различных вариантах глубины. На первом этапе глубина ловушки была принята равной 1 м, что, в соответствии с принятыми масштабами моделирования, составило на модели 0, 025 м. На втором этапе глубина ловушки была увеличена до 3 м, в переводе на модельные размеры - 0, 075 м.

Анализ полученной рифельной картины после первого этапа исследований, показал, что в этом случае наличие ловушки незначительно сказывается на изменении кинематики движения вдольберегового потока, так же как в проведенных ранее исследованиях (глава 2). Был выявлен выход песчаного «языка» на откос канала (рис. 12). На втором этапе исследований глубина ловушки была увеличена, и весь поток наносов, движущихся перпендикулярно оси канала и вдоль мола, отложился в ловушке (рис 13). Отсутствие на откосе канала продольных параллельных рифелей показало, что перемещения потока наносов в направлении дна канала не происходит, «языка» нет, а на откосе остался песок, составлявший перемычку между каналом и прорезью. Ловушка выполнила свою функцию, перехватив полосу движения наносов наибольшей интенсивности. Наносы, являющиеся основной причиной заносимости, в канал не попали. Изучение характера отложений внутри самой ловушки показало наличие наибольшего скопления наносов по ее центру.



Рис. 12. Результат первого этапа исследований с устройством ловушки малой глубины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 13. Результат второго этапа исследования, работа ловушки большей глубины.

В разделе 4.5 приведен анализ результатов исследований комбинированного способа защиты. Исследования показали достаточно высокую эффективность предложенного способа защиты подходного канала от заносимости и позволили определить наиболее экономичный вариант компоновки сооружений. Кроме того, были выявлены все эффекты от взаимного расположения мола и ловушки, что позволило рекомендовать расположение ловушки у головы мола с учетом возможного размыва донного основания (рис. 14).

Рис. 14. Оптимальное положение аккумулирующей ловушки относительно головы оградительного мола в случае перехвата им берегового потока наносов.

В разделе 4.6 сформулированы основные выводы по результатам исследований эффективности комбинированной защиты подходного канала от заносимости.

1. Комбинирование оградительного мола с ловушкой в морском дне у его головы позволяет полностью защитить подходной канала от заносимости.

2. Оптимальным взаимным расположением оградительных сооружений является такая компоновка, при которой мол пересекает область вдольберегового потока наносов, а ловушка перехватывает только поперечный поток наносов.

3. В случае расположения оградительного мола меньшей длины, размеры ловушки меняются в зависимости от характера эпюры вдольберегового потока наносов. При этом ловушка может быть выполнена переменной глубины.

4. Габаритные размеры ловушки следует назначать с учетом перехвата потока наносов, поступающего в подходной канал за время действия одного шторма. Однако они могут быть изменены в соответствии с выбранной частотой ремонтных черпаний - раз в полгода, год или с другой периодичностью.

5. С учетом симметричного расположения молов относительно оси подходного канала, ловушки должны быть расположены соответственно у их голов.

6. Предложенный комбинированный способ защиты подходного канала от заносимости может быть применен при конструкции молов только вертикального профиля.

В пятой главе приведены рекомендации по проектированию морских подходных каналов, разработанные по результатам проведенных исследований. Рекомендации включают: состав инженерных изысканий, предшествующих началу проектных работ; проведение комплексного исследования в виде научного сопровождения на стадии проектирования и выбора оптимального варианта; а также предложения по защите от заносимости.

Внедрение этих рекомендаций в проектную практику позволит успешно строить и эксплуатировать морские подходные каналы в любом регионе. В ряде случаев наличие полной информации о природно-климатических условиях того или иного района строительства позволит заблаговременно отказаться от строительства порта в намеченном месте и, тем самым избежать неоправданных затрат в процессе эксплуатации подходных каналов.

В заключении на основании проведенных в настоящей работе исследований были проанализированы основные итоги работы и сформулированы общие выводы.

1. Существует необходимость в разработке методики расчета объемов заносимости морских подходных каналов и рекомендаций по их проектированию, отвечающих современному представлению о гидролитодинамических процессах береговой зоны моря. Методика расчета и рекомендации по проектированию должны учитывать компоновку и тип оградительных сооружений порта, а также природно-климатические условия конкретного района строительства.

2. Результаты исследований выявили особенности явления заносимости подходных каналов у входа в порт при их защите одиночными или сходящимися молами, которые совпали с данными натурных наблюдений. Процесс заносимости канала у входа в порт связан с потоком наносов, перемещающихся вдоль внешней стороны мола. Заносимость подходного канала происходит под совместным действием продольного и поперечного потоков наносов.

3. Результаты численного моделирования позволили определить объем аккумуляции наносов в подходном канале от воздействия шторма наиболее опасного направления определенной обеспеченности. При этом была количественно оценена роль потока наносов вдоль мола в общем объеме заносимости канала. Установлено, что в зависимости от длины оградительного сооружения меняется соотношение объемов, связанных с потоком различных направлений. Также определена зависимость между объемом отложений в подходном канале и длиной мола при соответствующих гидролитодинамических условиях района.

4. Результаты исследований совпали с натурными данными и показали, что использование только одиночного мола не является достаточно эффективным способом защиты подходного канала от заносимости. Даже при значительном увеличении длины мола сохраняется заносимость подходного канала в результате обтекания наносами головы мола. По этой причине требуются комбинирование мола с аккумулирующей прорезью в целях снижения затрат на поддержание навигационных глубин.

5. Исследования подходного канала при комбинированном способе защиты от заносимости показали эффективность предложенного метода, являющимся новым техническим решением. Они позволили определить оптимальные размеры и взаимное расположение мола и ловушки. В зависимости от ветроволновых условий района строительства мол оптимальной длины прерывает весь береговой поток наносов, а габаритные размеры ловушки соответствуют параметрам разрывного течения. В этом случае заносимость подходного канала будет минимальной, а стоимость обоих сооружений наименьшей.

6. При наиболее распространенной компоновке портовых сооружений, включающей симметричное ограждение молами подходного канала, предусматривается аналогичная комбинированная схема защиты с использованием симметричного расположения ловушек. Ловушки должны быть расположены у голов оградительных молов с учетом локальных размывов морского дна.

7. Предложенный комбинированный способ защиты подходного канала от заносимости может быть применен в случае конструкции мола вертикального профиля. Внедрение этого способа в практику позволит существенным образом сократить заносимость подходных каналов, снизить объемы дноуглубительных работ, а, следовательно, и затраты на поддержание проектных глубин.

8. У головы мола наблюдается размыв донного основания, что объясняется локальной интенсификацией в этой области динамических процессов. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании конструкций оградительных сооружений, в том числе в принятии ряда защитных мер от размывов дна у оснований молов.

9. На основании выполненных аналитических и экспериментальных исследований были разработаны рекомендации по проектированию подходных каналов с целью использования их в инженерной практике. Рекомендации включали состав инженерных изысканий, предшествующих началу проектных работ, проведение комплексного исследования в виде научного сопровождения на стадии проектирования и выбора оптимального варианта; а также защиту подходного канала от заносимости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Губина Н.А. Использование аккумулирующих прорезей для защиты морских подходных каналов от заносимости. // Гидротехническое строительство, 2007, № 3

Размещено на Allbest.ru

...