автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Инженерные методы предотвращения размыва дна от работы судовых движителей

€

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 627.7

ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ РАЗМЫВА ДНА ОТ РАБОТЫ СУДОВЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ

Специальность 05.23.07 - "Гидротехническое и мелиоративное строительство"

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор, д.т.н. А.И. Альхименко

Санкт-Петербург 1999 г.

Объем - 118 стр., иллюстраций - 52, библиография - 100.

ПРИЧАЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ, СУДОВЫЕ ДВИЖИТЕЛИ, СТРУЯ ОТ ГРЕБНОГО ВИНТА, РАЗМЫВ ДНА, ЗАЩИТНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ, РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

Объектом исследования является размыв дна у гидротехнических сооружений, вызванный действием струй от судовых движителей.

Целью данной работы является разработка инженерной методики расчета параметров водного потока, возникающего при различных режимах работы судовых движителей, анализ размывов донного грунта, которые могут возникнуть в этих случаях, и разработка рекомендаций для проектирования, обеспечивающих наиболее надежную защиту сооружений от размывов.

На основе ранее проведенных исследований, их сопоставления и дальнейшего развития, разработана методика оценки размывов, возникающих при действии струй от судовых движителей.

Применение результатов работы в виде расчетных зависимостей и практических рекомендаций по учету воздействия струи от судовых движителей на русла водотоков и основания сооружений позволяет повысить безопасность судоходства, сооружений и эффективность строительства.

АННОТАЦИЯ............................................................................................................................................................................................................................................7

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..............................................................................................................................................................................8

1. ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................................................................................................12

1.1. Общие положения..............................................................................................................................................................................................12

1.2. Носовые и кормовые подруливающие устройства........................................................................................15

1.3. Размывающие воздействия судна..............................................................................................................................................17

1.4. Причины возникновения размывов........................................................................................................................................19

1.5. Выводы..............................................................................................................................................................................................................21

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ......................................................................................................................................................................................22

2.1. Анализ основных теоретических решений и практических рекомендаций, связанных с размывами дна, при действии струй от

судовых движителей..............................................................................................................................................................................................22

2.2. Выводы............................................................................................................................................................................................................................25

3. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗМЫВА ОТ РАБОТЫ СУДОВЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ И ИНЖЕНЕРНЫХ

МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ..................................................................................................................................................................................................27

3.1. Исследование потока жидкости............................................................................................................................................27

3.1.1. Классификация струй..........................................................................................................................................................27

3.1.2. Затопленные струи..................................................................................................................................................................27

3.1.2.1. Свободные струи........................................................................................................................................27

3.1.2.2. Ограниченные струи..........................................................................................................................31

3.1.3. Особенности струи от судового движителя................................................................................33

3.1.3.1. Понятие о движителях................................................................................................................36

3.1.3.2. Характеристики гребного винта......................................................................................37

3.1.3.3. Теория идеального движителя..................................................................................42

3.1.3.4. Вычисление коэффициентов упора..............................................................................45

3.1.3.5. Начальная скорость струи..............................................................................................................48

3.1.3.6. Уменьшение максимальных скоростей по длине струи................48

3.1.3.7. Распределение скоростей в струе......................................................................................50

3.1.3.8. Донные скорости..........................................................................................................................................52

3.2. Учет влияния конструктивных особенностей судна на параметры струи..........53

3.2.1. Влияние обводов корпуса судна на винтовую струю....................................................53

3.2.2. Влияние рулевого устройства на винтовую струю..............................................................54

3.2.2.1. Нулевой угол поворота руля......................................................................................................54

3.2.2.2. Направляющее действие руля..................................................................................................55

3.2.2.3. Нестандартное положение рулевого устройства........................................56

3.2.2.4. Поток от вращения винта в обратную сторону............................................56

3.2.3. Особенности расчета струи от многовинтовых движителей..............................57

3.3. Исследование процесса размыва струями от судовых движителей при отсутствии ГТС........................................................................................................................................................61

3.3.1. Допускаемые скорости движения воды при условии

неразмываемости дна....................................................................................................................................................61

3.3.2. Существующие методики расчета донных критических скоростей .... 64

3.3.2.1. Метод Шильдса............................................................................................................................................64

3.3.2.2. Метод Избаша................................................................................................................................................66

3.3.2.3. Метод Гришанина........................................................................................................................................66

3.3.3. Описание процессов развития размыва................................................................................................67

3.3.4. Связные материалы................................................................................................................................................................70

3.4. Влияние гидротехнических конструкций на параметры струи от винтовых движителей........................................................................................................................................................................................71

3.4.1. Воздействие струй на сплошные вертикальные стенки..............................................71

3.4.1.1. Суда, причаливающие кормой................................................................................................72

3.4.1.2. Воздействие струи от носового подруливающего

устройства................................................................................................................................73

3.4.2. Влияние сквозных сооружений с откосами и препятствиями для

распространения струи..................................................................................................................................................75

3.4.2.1. Откосы................................................................................................................................................75

3.4.2.2. Свайные конструкции......................................................................................................................77

3.5. Исследования инженерных мероприятий по защите от размыва....................................78

3.5.1. Защита из камня........................................................................................................................................................................78

3.5.1.1. Каменная наброска......................................................................................................................................78

3.5.1.2. Покрытия из камня с пропиткой..........................................................................................79

3.5.1.3. Габионы и матрасы из камня....................................................................................................80

3.5.2. Защита из бетона........................................................................................................................................................................81

3.5.2.1. Мешки, заполненные бетоном................................................................................................81

3.5.2.2. Бетонные плиты..........................................................................................................................................81

3.5.2.3. Сборные маты....................................................................................................................................................82

3.5.2.4. Подводное бетонирование............................................................................................................82

3.5.3. Стабилизаторы потока и направляющие устройства......................................................83

3.6. Выводы..................................................................................................................................................................................................................84

4. АНАЛИЗ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ РАЗМЫВА ДНА..............86

4.1. Систематизированная методика расчета скоростей потока от действия

судовых движителей..............................................................................................................................................................................86

4.2. Методика расчета глубин размыва..................................................................................................................................88

4.2.1. Практические рекомендации по определению начального момента

процесса размыва........................................................................................................................................................88

4.2.2. Методика определения глубины размыва при действии струй от

судовых движителей..........................................................................................................................................................92

4.3. Методика выбора инженерных мероприятий по защите дна акваторий и оснований ГТС с учетом воздействия струи от судового движителя....................96

4.3.1. Анализ различных защитных схем и практических рекомендаций..........96

4.3.2. Рекомендации по определению размера защищаемой территории..........101

4.4. Порядок расчета в случае воздействия струи от движителя на дно..........................102

4.5. Порядок расчета в случае воздействия струи на вертикальную стенку..................103

4.6. Учет влияния тангенциальной составляющей скорости при расчете турбулентной струи от винта......................................................................................................................104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................................................................................................................................107

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................................................109

ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................................................................................................................................................................................................118

ПРИЛОЖЕНИЕ 2..................................................................................................................................................................................................................................121

ПРИЛОЖЕНИЕ 3..................................................................................................................................................................................................................................123

В диссертации представлены результаты анализа проблем, связанных с размывающим действием судовых винтов. В работе использованы данные из технических отчетов и статей, полученные в результате экспериментальных исследований, проведенных различными организациями за последние 30 лет.

Представлены методы определения начальной скорости потока от судовых движителей, распределения скоростей по его длине и результирующего размывающего действия на дно, с учетом влияния конструкции судна и причальных сооружений; расчета глубин размыва, вызванного действием потока от основных судовых движителей и подруливающих устройств; выбора инженерных мероприятий по защите дна акваторий и оснований ГТС при действии струи от судового движителя.

Диссертация была выполнена автором в Санкт-Петербургском государственном техническом университете и в Техническом университете г. Гданьска. Основные результаты, выполненных в диссертации исследований, докладывались и обсуждались на трех международных конференциях, на научных семинарах в Датском гидравлическом институте, в датских организациях Scandline, Carl Bro A/S, Banestyrelsen., на заседаниях кафедры морских и воднотранспортных сооружений СПбГТУ и кафедры морских сооружений Технического университета Гданьска.

Данные исследования были продолжением практической работы автора в 1991 г. в отделе причальных сооружений Датской государственной железнодорожной компании (DSB, Havneteknik). Один из объектов - реконструкция причальных сооружений в порту г. Эльсинор с разработкой схемы защитных мероприятий по предотвращению размывов.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А - площадь поперечного сечения струи; Ае - спрямленная поверхность лопасти; А о - площадь диска винта;

Ь - расстояние от оси струи до точки со средней скоростью струи;

Ър - расстояние между осями винтов в двухвинтовом судне;

В - коэффициент устойчивости для ровного дна;

Ва - коэффициент устойчивости для откоса воронки размыва;

с - эмпирически определенная постоянная, используемая в теории струй;

с/ - коэффициент трения;

С - запас глубины под винтом;

(1, - диаметр частиц донного материала (одинакового размера);

й?5о - средний диаметр частиц донного грунта;

Д) - исходный диаметр винтовой струи;

А, - диаметр ступицы;

1)р - диаметр винта;

Бв - диаметр носового ПУ;

Е, Е2 - постоянные, зависящие от типа судна и рулевого снаряжения;

V

Бг0 - плотностное число Фруда, —-5-•

^ - безразмерные касательные напряжения,

g - ускорение свободного падения;

Н - глубина воды;

Н$ - расстояние от свободной поверхности воды до оси винта; Нр - расстояние от оси винта до дна;

К

,/-относительная поступь, ;

пВр

Т

Кт - коэффициент упора, —^;

р п Ир

М

Ко - коэффициент момента, —~—г;

рпЮ;

п - частота вращения винта;

N - фактор, учитывающий количество винтов на судне; Р - шаг винта;

г - радиальное расстояние от оси струи;

К,1)р

И.е - число Рейнольдса для струи, -;

Ле* - число Рейнольдса для дна, --

5 - осадка судна в грузу; Г-полный упор; Тг - упор ротора; V;; - скорость судна; Ув - донная скорость;

^доп (Гдон.кр)- максимальная допускаемая неразмывающая (критическая донная) скорость; Уо ~ скорость (исходная осевая) в ядре струи от гребного винта; Уов - исходная вызванная осевая скорость струи от носового ПУ; Ух_г - скорость на расстоянии х от винта и г от оси струи;

Гтах - максимальная скорость;

V* - динамическая скорость, I— ;

У к - скорость до винта, приблизительно равная скорости движения судна У-;

Ув ~ средняя скорость в плоскости винта;

Ус - средняя скорость в струе, приблизительно равная У0;

IV50 - средняя масса (вес) донного материала;

х - расстояние в горизонтальном направлении по оси судна;

у - расстояние в горизонтальном направлении перпендикулярно к оси судна;

г - вертикальное расстояние от оси гребного винта;

2Разм - глубина размыва;

^разм.шах - максимальная глубина размыва;

а - угол заложения откоса;

Р - коэффициент потока;

уе - удельный вес морской воды;

ум - удельный вес донного материала;

8 - угол перекладки руля;

8 - угол естественного наклона дна;

г|л - эксплуатационный коэффициент упора (в швартовном режиме);

0 - приблизительный угол расширения струи (полное расширение = 29);

V - кинематическая вязкость;

рч - плотность частиц донного материала;

р - плотность воды;

То - напряжение трения по дну.

Рис. 1. Схема

1.1. Общие положения

Проблема размыва дна у гидротехнических сооружений, возникающего вследствие воздействия мощных струй воды от работающих судовых винтов, приобрела в последние годы большую актуальность во всем мире в связи с ростом интенсивности морских и речных перевозок и повышением мощности судовых двигателей.

В Советских и Российских Нормах крайне редко упоминается о необходимости учитывать размыв от действия движителей судов.

Так в [1] говорится о необходимости учитывать возможность размывов дна у причалов от воздействия струй при работе движителей судов при запасе глубины под днищем менее 2 м и предусматривать мероприятия по предотвращению последствий этих размывов.

В [2] даются рекомендации по определению крупности (веса) материала защитной одежды дна или каменной постели при наличии перед причальным сооружением размывающих скоростей от волновых воздействий, донных течений и движителей судов. Кроме того приводится методика определения допускаемых неразмывающих донных скоростей Гдоп, м/с. Для грунта крупностью фракций с/50 < 100 мм следует принимать Ул<„, по рис. 1.1, при ¿/50 > 100 мм - определять по формуле

где кт - коэффициент, учитывающий влияние крутизны откоса на величину скорости

трогания зерен грунта; для полого дна допускается принимать кт = 1;

с/50 - крупность зерен грунта, мельче которых в пробе содержится 50% материала по весу;

(1.1)

у и - удельный вес материала, т/м3;

ув - удельный вес воды (плотность), принимаемый, как правило, у е = 1,0 т/м3, а для морской - в пределах у в = (1,0 -е-1,03), т/м3.

удопу

м/с 1,6

V

V 1,0 0,8 0,6 0,40,г

о

0,1 0,1 0,3 0,^ 0,8 0,8 1 г 3 4 5 6 8 /0 20 30 40 60 80/00

й10,мм

Рис. 1.1. График для определения значений неразмывающих донных скоростей В последние годы значительно возросли размер судов, их скорость движения и мощность двигателей. Стали использоваться новые типы судов специального назначения, такие как ролкеры, контейнеровозы и скоростные паромы. Кроме того существенно выросло число судов швартующихся без использования буксиров при помощи собственных механизмов - носовых и кормовых подруливающих устройств (ПУ).

Наиболее неблагоприятными с точки зрения возникновения размывов от действия судовой струи являю