автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Исследование эффективности берегозащитных сооружений откосного типа с горизонтальными бермами

На правах рукописи

НГУЕН ТХИ ЗЬЕМ ЧИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БЕРЕГОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ОТКОСНОГО ТИПА С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ БЕРМАМИ

Специальность 05.23.07 - Гидротехническое строительство.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Москва-2013

005541048

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

кандидат технических наук Константин Петрович Мордвинцев Историк Борис Львович

Доктор технических наук ОАО «НИИЭС», Главный научный специалист, Центр приливной энергетики и возобновляемых источников энергии

Фирсов Александр Викторович,

Кандидат технических наук, ООО "ПНИС Гидроматик", генеральный директор

Ведущая организация: ОАО «Проектно-изыскательский и научно-

исследовательский институт морского транспорта «Союзморниипроект»

Защита состоится 17 декабря 2013 г. в 14 час 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.138.03, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. №9 «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет». Автореферат разослан « » 2013 г.

Ученый секретарь

/

диссертационного совета Бестужева Александра Станиславовна

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. В последние годы в Республике Вьетнам достаточно интенсивно проектируются и строятся новые морские порты, а также реконструируются существующие. Морские перевозки, туризм и рекреация во Вьетнаме являются существенным элементом экономического развития страны.

Вьетнам имеет протяжённость береговой линии более 3000 км. Площадь внутренних морей Вьетнама и его морской экономической зоны в 3 раза больше территории суши Вьетнама, и, следовательно, имеет огромное экономическое значение для существования и развития государства (Рис. 1).

В Республике Вьетнам действует Государственная программа развития морских портов до 2020 г., и на перспективу до 2030 г. Эта программа определяет направления развития морского транспорта Вьетнама с совокупной стоимостью инвестиционного плана до 2020 года около 360 - 440 триллионов донгов (ориентировочно 18-22 миллиардов долларов США). Выполнение плана должно обеспечить транспортировку импортных и экспортных товаров,

Рис. 1. Схема береговой линии Вьетнама

обмен грузами между регионами страны по морю, конкуренцию с другими странами в регионе и мире в области морского транспорта. Ожидаемый объем грузооборота через всю систему портов в 2015 г. составит около 500 - 600 млн. тонн в год, и должен увеличиться до 2020 г. примерно до 900-1100 млн. тонн в год, и до 2100 млн. тонн в год в дальнейшей перспективе.

Проблема эрозии берегов для республики Вьетнам является чрезвычайно актуальной. По всей береговой линии наблюдается интенсивный размыв. В некоторых областях это проявляется особенно сильно, например, в районе г. Хатинь (На Tinh) (около 60 км береговой линии), Нгеан (Nghe An) (45 км), Хайфон (Hai Phong) (18 км).

В этих условиях необходимость зашиты берегов становится весьма актуальной. Широкое применение в Республике Вьетнам получили сооружения откосного типа. Например, в береговой зоне пяти северных провинций дельты Красной реки построено около 360 км берегозащитных сооружений откосного типа.

Существующие в настоящее время методы расчета откосных сооружений не позволяют учитывать наличие горизонтальных берм на лицевом откосе берегозащитного сооружения при определении величины наката волны и, следовательно, расчета отметки гребня сооружения.

Исследованию откосных сооружений сложного профиля были посвящены несколько работ, из которых можно назвать работы B.C. Шайтана и Дж.Вт.ван дер Меера, которые предложили для расчета влияния горизонтальных берм на величину наката на откос использовать дополнительные коэффициенты, позволяющие учесть наличие горизонтальных берм на лицевом откосе.

Однако данный вопрос остаётся недостаточно изученным и существующие нормативные методы расчета откосных сооружений не позволяют проводить расчеты наката волн на откос при наличии горизонтальных берм.

Цель работы - определение физических параметров, влияющих на высоту наката волн на откосное сооружение при наличии горизонтальных берм и построение аналитической зависимости между этими величинами.

Для того в работе было выполнено физическое и численное моделирование процесса наката волн на откос сложного профиля.

В соответствии с поставленной целью исследований в задачи диссертационной работы входило:

- Провести анализ методов расчета высота наката волн на откосное сооружение при наличии на лицевом откосе горизонтальных берм;

- Провести экспериментальное исследование влияния горизонтальных берм на лицевом откосе на высоту наката волн на откосное сооружение;

- Построить численную модель расчета наката волн на откосное сооружение с горизонтальными бермами и верифицировать ее на основе результатов физического моделирования;

- Определить физические параметры взаимодействия волн с откосными сооружениями с горизонтальными бермами, имеющими—определяющие значение на высоту наката волн;

- Установить эмпирическую зависимость между определяющими физическими параметрами и высотой наката волн на откос.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы:

- Обзорное исследование. Анализ мирового опыта исследований взаимодействия откосных сооружений с волной, включая откосы простого и сложного профиля. Анализ методов расчета высоты наката волны на откос, полученных по результатам предыдущих исследований.

Физическое моделирование. Построение физической модели, позволяющей исследовать взаимодействие волн с откосным сооружением с горизонтальными бермами и, на основе анализа его результатов, определить физические параметры, в наибольшей степени влияющие на высоту наката волн на откос при наличии горизонтальных берм.

- Численное моделирование. Построение численной модели, способной воспроизвести физические процессы, протекающие при взаимодействии волн с откосным сооружением с горизонтальными бермами.

Теоретическое исследование: Использование теории анализа размерностей Бакингема для построения эмпирической зависимости между физическими параметрами, влияющими на величину наката волн на откос и высотой наката волны на берегозащитные сооружения откосного типа с горизонтальной бермой.

На основе анализа результатов исследований определена научная новизна работы:

1. Методами физического и численного моделирования впервые были определены физические параметры взаимодействия волн с сооружением откосного профиля с горизонтальными бермами.

2. Разработана численная модель наката волн на откос с горизонтальными бермами.

3. Проведена верификация численной модели на основании результатов экспериментальных исследований.

Научной значимостью диссертации является использование комплексного подхода, объединяющего теоретические и экспериментальные исследования для создания методики расчета высоты наката волн на откос с горизонтальными бермами.

Практическая значимость данной работы состоит в возможности использования разработанной методики для расчета высот наката волн на берегозащитные сооружения откосного типа с горизонтальными бермами. Результаты данной работы могут быть использованы при реализации Государственной программы развития морских портов Республики Вьетнам до 2020 г., и на перспективу до 2030 г. А также и в других условиях.

Достоверность полученных результатов проведенных исследований подтверждается выполненным экспериментальным моделированием

взаимодействия волн с сооружениями откосного профиля с горизонтальными бермами, анализом их результатов и сопоставлением с результатами численных исследований.

Конкретное личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Анализ существующих методов расчета высота наката волн на берегозащитные сооружения откосного типа с горизонтальными бермами. Разработка программа экспериментальных исследований воздействия волн на откос с горизонтальными бермами, проведение экспериментов. Выполнение анализа результатов экспериментальных работ. Выполнение численного моделирования процесса наката волн на берегозащитные сооружения откосного типа с горизонтальными бермами. На основе теории Бакингема проведение анализа размерностей и разработка эмпирической зависимости между основными физическими параметрами, влияющими на высоту наката волн при наличии горизонтальных берм на откос, и высотой наката.

Апробация работы.

По результатам исследований опубликованы 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

На защиту выносятся:

- Методика проведения физического моделирования взаимодействия волн с сооружениями откосного профиля с горизонтальными бермами.

- Результаты проведенных экспериментальных работ.

- Полученная по результатам физического и численного моделирования эмпирическая зависимость расчета высоты наката волн на сооружение откосного профиля с горизонтальными бермами.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 117 наименований, и содержит 120 страницу машинописного текста, 85 рисунков, 11 таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность и практическая значимость темы диссертационной работы, и дается краткая характеристика выполненной работы.

В первой главе приводится обзор исследований берегозащитных сооружений откосного типа.

Наиболее типичными берегозащитными сооружениями для Вьетнама являются откосные сооружения с различными способами крепления откосов. Это определяется геологическим строением берегов с большим распространением песчаных пляжей и практическим отсутствием выходов на поверхность скальных грунтов. В этих условиях откосные сооружения наиболее экономичны, ремонтопригодны, просты при строительстве и долговечны при эксплуатации. Применение таких сооружений может ограничиваться различными требованиями, в частности, наличием строительного материала (горной массы) в достаточном количестве, архитектурными требованиями при оформлении набережных (высота сооружения, внешний вид, доступность к морю и т.д.), размерами акваторий

И.Т.Д.

Опыт строительства берегозащитных сооружений в Республике Вьетнам показывает, что в настоящее время сооружения откосного типа чрезвычайно востребованы и актуальны. Существует необходимость их развития и совершенствования. Важной задачей при этом является расчет основных параметров берегозащитного сооружения откосного типа, в частности, определение высоты сооружения и риска переливов через гребень сооружения. Наиболее это актуально для сооружений со сложным профилем лицевого откоса, например при наличии горизонтальных берм, которые оказывают влияние на взаимодействие волн с берегозащитным сооружением. На рис. 2

приведен типичный профиль сооружения откосного типа с горизонтальными бермами, расположенными в зоне наката волн на откос.

Рис. 2. Профиль берегозащитного сооружения откосного типа с горизонтальной бермой в зоне наката волн. Обозначения: hrun — высота наката

волн на откос, измеряется от невозмущенного уровня воды, Ььг — ширина горизонтальной волногасящей бермы, ф - угол уклона откосной части бермы

Исследования взаимодействия сооружения откосного типа с волной проводились различными авторами. В этой работе принимали участие известные ученые, такие, как H.H. Джунковский, Б.А. Пышкин, A.M. Жуковец, A.A. Смирнов, А.Г. Сидорова, A.B. Мишуев, М.А. Сладкевич и многими другие. Большой вклад в эти исследования внес Г.Ф. Красножон (ИВП РАН). Результаты его работы используются в настоящее время в нормативной документации для расчета высоты наката волн на откосное сооружение.

В Строительных Нормах и Правилах РФ (СНиП 2.06.04-82*), высота наката на откос волн рассчитывается по следующей формуле:

hrun, 1% = krkpkSpkrunkikahi% (1)

где: kr и кр - коэффициент шероховатости и проницаемости откоса соответственно;

ksp - коэффициент определяется путем интерполяции для заданных заложений откосов в диапазонах ctgcp = 1 - 5 и скоростей ветра;

кщп - коэффициент относительного наката;

к, — коэффициент, принимаемый в зависимости от угла наклона откоса q> к горизонту;

ка - коэффициент, учитывающий угол подхода волн к сооружению. Однако эти работы касаются откосов простого профиля. При расчете сооружений с горизонтальными бермами на лицевом откосе эти методы не позволяют рассчитывать высоту наката волны и соответственно определять отметку гребня сооружения.

Исследованию сооружений сложного профиля были посвящены несколько работ, из которых можно назвать работы B.C. Шайтана и Дж.Вт.ван дер Меера, которые предложили для расчета откосных сооружений сложного профиля использовать дополнительные коэффициенты, позволяющие учесть наличие горизонтальных берм на лицевом откосе.

B.C. Шайтан предложил рассчитывать накат нерегулярных волн на откосы с горизонтальными бермами, по формуле:

h-br.run =

krkpkbr>runhmtg(p (2)

где: Lrani% - относительная длина наката с вероятностью превышения 1% ku% - функция связи относительной длины фронтального наката с

вероятностью превышения i% с Lroni%

kbrmn " дополнительный коэффициент, определяемый по диаграмме

(рис. 3)

Рис. 3 График для определения значения коэффициента kbr,mni%

Дж.Вт.ван дер Меер (J.W.van der Meer) предложил для определения высоты наката волн на откос при наличии горизонтальной бермы использовать следующую формулу:

hrun = 1,75h ■ kr ■ kb ■ kß • ^о если 0,5 < kb^0< 1,8 (3)

hrun = h • kr ■ kp(4,3 - -7=) если 1,8 <kb4o< 8+10 (4)

V' 0

с F t99

где: q0- параметр разрыва волн =

Ф - угол заложения откоса;

s0 - крутизна волны;

kp - коэффициент угла подхода волны.

Однако данный вопрос остаётся недостаточно изученным и данные методики не получили широкого распространения в проектной практике. В

настоящее время при проектировании откосных сооружений сложного профиля используется физическое моделирование в волновых лотках

Во второй главе приводится описание экспериментальных исследований высоты наката волн на берегозащитные сооружения откосного типа с горизонтальной бермой.

Экспериментальные работы проводились в отраслевой научно-исследовательской лаборатории нефтегазопромысловых сооружений ФГБОУ ВПО «МГСУ». Основные размеры волнового лотка: длина 20 м; ширина 1,2 м; высота стенок 1,5 м. Волны генерировались щитовым волнопродуктором

В волновом лотке размещалась модель откосного сооружения с заложением откоса 6, верхняя часть которого могла перемещаться, создавая горизонтальную берму различного размера. На горизонтальной берме была создана искусственная шероховатость с помощью шариков размером 10 мм.

В опытах ширина берм изменялась в зависимости от высоты волны, так, чтобы их отношение составляло целое число (0, 1, 2, 3, 4). Расчетные элементы волн: высота волн, Ь = 0,1 м, Ь = 0,2 м, глубина воды перед откосом, с! = 0,63 м, длина расчетных волн, X = 1.56 м, 2.0м, 3.0м, 5.0м, подход волн к откосам фронтальный, а = 0.

Было проведено две серии опытов:

Серия № 1 — проводилось измерение высоты наката на откосное сооружение при наличии горизонтальной бермы с искусственной шероховатостью г= 0.1 при высоте волны 0,1 м и длина волн 1,56 м и 2 м.

Серия № 2 — проводилось измерение высоты наката на откосное сооружение при наличии горизонтальной бермы с искусственной шероховатостью = 0.05 при высоте волны 0,2 м и длина волн 2 м, 3 м и 5 м.

2) Относительная ширина бермы ЬЬг/И, показывающая, количество высот

волн, укладывающихся на ширине бермы.

На рис. 6 показаны результаты измерений высоты наката волны при различной ширине горизонтальной бермы.

0.10 а 0.08 I 0.06

с

0.04 0.02

1.20 1.00

С

,=? 0.80 J 0.60

0.40 0.20

§

1 1 —

0 0.1 0.2 а) 0.3 0.4

0.05

1.20 1.00

г о.£

0.60 0.40 0.20

..... 1

1 1

| !

0 0.1 0.2

0.3

0.4

Ьь„

—♦~И=0.2м, \=2м |1=0.2г\л, \=5м

0.4 0.6 =0.2м, А=3м

0.8 Ьь„м

в) г)

Рис. 6. Графики изменения высоты наката волн при изменеии ширины бермы, а) и в) - 1-ая серия экспериментов; б) и г) - вторая серия экспериментов), а) и б) - абсолютное значение высоты наката волн на откос (Ьгап); в) и г) - относительная высота наката ЬгапДгап.

Как видно из приведенных графиков, высота наката волны уменьшается с увеличение длины горизонтальной бермы. Общий вид графиков одинаковый как для серии 1, так и для серии 2. При этом видно, что чем длиннее волна, тем выше абсолютная высота наката волн, однако при построении графиков для относительной высоты наката волн эта зависимость исчезает. Относительные

1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20

1- -

==ж_

1.20 1.00 0.80 } 0.60 0.40 0.20

ш

* _____

Ж

0.050 0.055 0.060 0.065 ♦ ЬЬг/Ь=0 ШЬЬг/И=1 А ЬЬг/И=2 ЬЛ, ХЬЬг/И=3 ЖЬЬг/Ь=4

0.03 0.05 0.07 0.09 0.11

♦ ЬЬг/Ь=0 Я ЬЬг/Ь=1 л ЬЬг/Ь=2 ЬУХ X ЬЬг/И=3 ЖЬЬг/И=4

В) Г)

Рис. 8. Относительная высота наката волны (Ьшп1/Ьгап) в зависимости от соотношения ЫХ (крутизна волны), а) и в) - 1-ая серия экспериментов, б) и г) -вторая серия экспериментов), а) и б) — абсолютное значение высоты наката волн на откос (Ьшп); в) и г) — относительная высота наката ЬШПДШП Графики, приведенные на рис. 8, показывают влияние крутизны волны

на высоту наката волны на откос при различной относительной ширине бермы. Из этих графиков можно видеть, что при уменьшении длины волны (крутизна увеличивается) абсолютное значение высоты наката волны уменьшается при одинаковой ширине горизонтальной бермы, однако относительная высота наката волны увеличивается, следовательно, скорость гашения волновой энергии при увеличении крутизны волны падает и происходит более медленно.

0.18

0.16

0.14

0.12

Ё 0.10 А

0.08 0.06 0.04 0.02

ф

ф

__

1

0.020

о.оБо гРа.

ЬЬг/И=2

Рис.9. Высота наката волн (ЬГ1Ш) и относительная высота наката волны (НГЦП,/ЬГ11П) в зависимости от шероховатости бермы

тах(|и| + л/^7)

Выполнен ряд тестовых расчетов, показывающих применимость численного решения.

Пример расчета наката волн для условий проведенных экспериментов показан на рис.10.

Рис.10. Накат волны на гладкий откос в различные моменты времени (длина волны 5м, высота 0.2м, ширина бермы 0.8м).

Сравнение результатов численных расчетов с данными экспериментов приведено на графиках рис.11.

Анализ результатов численного расчета показал, что принятая методика правильно воспроизводит физические процессы, протекающие при накате волны на откосное сооружение с горизонтальными бермами.

Результаты экспериментальных работ и численного моделирования позволили выявить, что наиболее значимые физические параметры при определении высоты наката волны, которые должны учитываться при расчетах высоты наката волны на сооружение откосного типа с горизонтальными бермами:

- относительная ширина бермы;

^ - относительная шероховатость бермы;

я

- - крутизна волны;

h — высота волны;

ctg а - котангенс угла наклона откоса к горизонту (заложение откоса).

Серия 1.

Серия 2.

0 12 3 4

Относительная ширина бермы bbr/h

♦ h=0.lM L= 1.56 м -e-h=0.1 м L = 1,56 м Расчет

А h = 0.1 м L= 2,0 м ™»5™h=0.1 м L=2/0 м Расчет

0.25

0.2

1С

............Ж..... ж

5 0.15

£ 0.05

0 12 3 4

Относительная ширина бермы bbr/h

♦ h=0.2 м 1=2.0 м -®~-h=0.2 м L=2.0 м Расчет

А h=0.2 м L=3.0 м ■*«^>h=0.2 м L=3.0 м Расчет

X h=0.2 м 1=5.0 м -0-h*O.2 м L = 5.0 м Расчет

Рис. 11. Сравнение результатов численного расчета с экспериментальными

данными

В четвертой главе приводится построение эмпирической зависимости для расчета высоты наката волн по результатам экспериментальных работ и сравнение результатов расчетов с опытными данными.

Для построения физической зависимости высоты наката волн на откосное сооружение с горизонтальными бермами использовалась теория размерностей Бакингема, уравнение для расчета высоты наката на откос при наличии горизонтальной бермы в зоне наката волны в общем виде может быть записано следующим образом:

Кип = /№. с, р, г], д, й, та, т0 ЪЬг, с*Ьг, к ГI Т» V

Р) (7)

где:

Ьгап — высота наката волны, м;

И — высота исходной волны, м;

с - скорость волны, м/с;

р- плотность воды, кН/м3;

V - динамическая вязкость среды, Н-с/м2;

§ - ускорение свободного падения, м/с2;

<1 - глубина воды, м;

Ша - заложение подводного откоса;

т, - заложение надводного откоса;

Ъьг- ширина бермы, м;

ёьг - глубина бермы, м;

кг - коэффициент шероховатости элементов на склоне; г —радиус искусственной шероховатости горизонтальной бермы, м; во - крутизна волны, м; (3 - угол подхода волны.

В соответствии с данной теорией выводятся безразмерные параметры тгг — 3112 с помощью которых зависимость переписывается к виду:

^пт _ сг 1 т^^ГЬ^/!! С8Л

в) X =5м , Ь=0.2м

результаты опытов HIH расчет по формуле B.C. Шайтана ™?#^расчет по формуле СНиПа

расчет по формуле Дж. Вт.ван дер Меера % расчет по эмпирической формуле в численная модель

Ььп м

Рис. 12. Графики сравнений результатов опытов с расчетами по известным

методикам

На рис.12, приведены графики, полученные расчетом высоты наката волн на откос при наличии горизонтальных берм. Как видно из этих графиков предлагаемая экспериментальная формула в наибольшей степени соответствует результатам проведенных экспериментальных работ и, следовательно, в наибольшей степени учитывает физические величины, влияющие на высоту наката волны на откос при наличии горизонтальных берм.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

По результатам диссертационного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Экспериментально установлено и теоретически подтверждено, что наличие горизонтальной бермы на лицевом откосе защитных сооружений приводит к уменьшению высоты наката волн и, следовательно, к уменьшению высоты гребня этих сооружений.

2. Экспериментально установлено и теоретически подтверждено, что высота наката зависит от длины горизонтальной бермы, крутизны волны, угла заложения откоса и относительной шероховатости горизонтальной бермы.

3. Показано, что полученная по результатам экспериментальных исследований и численного моделирования эмпирическая формула соответствует физическим процессам, проходящим при накате волны на откосное сооружение с горизонтальными бермами.

4. Результаты данной работы могут быть использованы при расчетах откосных сооружений для определения их геометрии и конструктивных особенностей для условий Республики Вьетнам.

Список публикаций по теме диссертации

Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в трёх публикациях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Мордвинцев К.П., Нгуен Тхи Зьем Чи, Анализ методов расчета высоты наката волн на берегозащитные сооружения откосного типа, Вестник МГСУ, 2013. № 10. С.234-241.

2. Нгуен Тхи Зьем Чи, Опыт строительства берегозащитных сооружений в Республике Вьетнам, Научно-технический вестник Поволжья, 2013. № 5. С.267-270.

3. Мордвинцев К.П., Нгуен Тхи Зьем Чи, Экспериментальные исследования высоты наката волн на берегозащитные сооружения откосного типа с горизонтальной бермой, Научное обозрение, 2013. № 9. В печати.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201450263

Нгуен Тхи Зьем Чи

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ БЕРЕГОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ОТКОСНОГО ТИПА С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ БЕРМАМИ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.07. «Гидротехническое строительство»

Научный руководитель: Кандидат технических наук Мордвинцев.К.П.

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ БЕРЕГОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ОТКОСНОГО ТИПА.............................................................9

1.1. Применяемые конструкции берегозащитного сооружения откосного типа ---------------------------------------------------------------------------------------9

1.2. Опыт строительства берегозащитных сооружений откосного типа. -12 1.3 Используемые волновые теории и основные расчетные параметры-28

1.4. Методы определений расчетной высоты наката волн на откосы берегозащитных сооружений.......................................................30

1.5. Выводы по главе 1..............................................................41

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОТЫ НАКАТА ВОЛН НА БЕРЕГОЗАЩИТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ОТКОСНОГО ТИПА С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ БЕРМОЙ......................................................43

2.1 Методика экспериментов-----------------------------------------------------43

2.2 План эксперимента....................................-........................45

2.3 Экспериментальная установка-----------------------------------------------48

2.4 Результаты экспериментов и их анализ------------------------------------51

2.5 Выводы по главе 2............................................................—71

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАКАТА ВОЛН НА ОТКОСНОЕ СООРУЖЕНИЕ С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ БЕРМАМИ.......73

3.1 Описание применяемой модели.............................................73

3.1.1 Схема Яое............-..........................................................73

3.1.2 Схема со вторым порядком аппроксимации по пространственной переменной----------------—........—---------------------------------------------75

3.1.3 ТУО метод Рунге-Кутты второго порядка.............................77

3.1.4 Условие устойчивости-------------------------------------------------------77

3.2 Тестовые примеры...............................—----------------------------77

3.2.1 Одномерный прорыв дамбы—.....................-....................— 77

3.2.2 Отражение волны от вертикальной сетки-----------------------------80

3.3 Моделирование наката волны на откос с горизонтальными бермами.81

3.4 Выводы по главе 3..............................................................86

ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ ЭМПИРИЧЕСКОЙ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ

РАСЧЕТА ВЫСОТЫ НАКАТА ВОЛН НА БЕРЕГОЗАЩИТНОЕ СООРУЖЕНИЕ ОТКОСНОГО ТИПА С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ БЕРМАМИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАБОТ......87

4.1. Основные положения.---------------------------------------------------------87

4.2. Определение связи между высотой наката волн и волновыми параметрами...............—........................................................—87

4.3. Определение коэффициентов эмпирической формулы.---------------89

4.4. Методика определения параметров аппроксимативного уравнения..................................................-............................94

4.4.1. Модель расчета, теория и алгоритм вычислений......................94

4.4.2. Сравнение результатов расчетов с опытными данными. ------------99

4.5. Выводы по главе 4.................................—.......................105

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.................................................................................106

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................107

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований. В последние годы в Республике Вьетнам достаточно интенсивно проектируются и строятся новые морские порты, а также реконструируются существующие. Морские перевозки, туризм и рекреация во Вьетнаме являются существенным элементом экономического развития страны.

Вьетнам имеет протяжённость береговой линии более 3000 км. Площадь внутренних морей Вьетнама и его морской экономической зоны в 3 раза больше территории суши Вьетнама, и, следовательно, имеет огромное экономическое значение для существования и развития государства.

В Республике Вьетнам действует Государственная программа развития морских портов до 2020 г., и на перспективу до 2030 г. Эта программа определяет направления развития морского транспорта Вьетнама с совокупной стоимостью инвестиционного плана до 2020 года около 360 - 440 триллионов донгов (ориентировочно 18-22 миллиардов долларов США). Выполнение плана должно обеспечить транспортировку импортных и экспортных товаров, обмен грузами между регионами страны по морю, конкуренцию с другими странами в регионе и мире в области морского транспорта. Ожидаемый объем грузооборота через всю систему портов в 2015 г. составит около 500 - 600 млн. тонн в год, и должен увеличиться до 2020 г. примерно до 900 - 1100 млн. тонн в год, и до 2100 млн. тонн в год в дальнейшей перспективе.

Проблема эрозии берегов для республики Вьетнам является чрезвычайно актуальной. По всей береговой линии наблюдается интенсивный размыв. В некоторых областях это проявляется особенно сильно, например, в районе г. Хатинь (На Tinh) (около 60 км), Нгеан (Nghe An) (45 км), Хайфон (Hai Phong) (18 км).

4

В этих условиях необходимость зашиты берегов становиться весьма актуальной. Широкое применение в Республике Вьетнам получили сооружения откосного типа. Например, в береговой зоне пяти северных провинций дельты Красной реки построено около 360 км берегозащитных сооружений откосного типа.

Существующие в настоящее время методы расчета откосных сооружений не позволяют учитывать наличие горизонтальных берм на лицевом откосе берегозащитного сооружения при определении величины наката волны и, следовательно, расчета отметки гребня сооружения.

Исследованию откосных сооружений сложного профиля были посвящены несколько работ, из которых можно назвать работы B.C. Шайтана и Дж.Вт.ван дер Меер (J.W.van der Meer), которые предложили для расчета влияния горизонтальных берм на величину наката на откос использовать дополнительные коэффициенты, позволяющие учесть наличие горизонтальных берм на лицевом откосе.

Однако данный вопрос остаётся не достаточно изученным и существующие нормативные методы расчета откосных сооружений не позволяют проводить расчеты наката волн на откос при наличии горизонтальных берм.

Цель работы - определение физических параметров, влияющих на высоту наката волн на откосное сооружение при наличии горизонтальных берм и построение аналитической зависимости между этими величинами. Для того в работе было выполнено физическое и численное моделирование.

В соответствии с поставленной целью исследований в задачи диссертационной работы входило:

Провести анализ методов расчета высота наката волн на откосное сооружение при наличии на лицевом откосе горизонтальных берм;

Провести экспериментальное исследование влияния горизонтальных берм на лицевом откосе на высоту наката волн на откосное сооружение;

Построить численную модель расчета наката волн на откосное сооружение с горизонтальными бермами и верифицировать ее на основе результатов физического моделирования;

Определить физические параметры взаимодействия волн с откосными сооружениями с горизонтальными бермами, имеющие определяющие значение на высоту наката волн;

Установление эмпирической зависимости между определяющими физическими параметрами и высотой наката волн на откос.

Для решения поставленных задач использовались следующие методология исследования:

- Обзорное исследование. Анализ мирового опыта исследований взаимодействия откосных сооружений с волной, включая откосы простого и сложного профиля. Анализ методов расчета высоты наката волны на откос, полученных по результатам данных исследований.

Физическое моделирование. Построение физической модели, позволяющей исследовать взаимодействие волн с откосным сооружением с горизонтальными бермами и, на основе анализа его результатов, определить физические параметры, в наибольшей степени влияющие на высоту наката волн на откос при наличии горизонтальных берм.

Численное моделирование. Построение численной модели, способной воспроизвести физические процессы, протекающие при взаимодействии волн с откосным сооружением с горизонтальными бермами.

Теоретическое исследование: Использование теории анализа размерностей Бакингема для построения эмпирической зависимости

между физическими параметрами, влияющими на величину наката волн на откос и высотой наката волны на берегозащитные сооружения откосного типа с горизонтальной бермой.

На основе анализа результатов исследований определена научная новизна работы:

- Методами физического и численного моделирования впервые были определены физические параметры взаимодействия волн с сооружением откосного профиля с горизонтальными бермами.

- Разработана численная модель наката волн на откос с горизонтальными бермами.

- Проведена верификация численной модели на основании результатов экспериментальных исследований.

Научной значимостью диссертации является использование комплексного подхода, объединяющего теоретические и экспериментальные исследования для создания методики расчета высоты наката волн на откос с горизонтальными бермами.

Практическая значимость диссертации состоит в возможности использования разработанной методики для расчета высот наката волн на берегозащитные сооружения откосного типа с горизонтальными бермами. Результаты данной работы могут быть использованы при реализации Государственной программы развития морских портов Республики Вьетнам до 2020 г., и на перспективу до 2030 г. А также и в других условиях.

Достоверность полученных результатов проведенных исследований подтверждается выполненным экспериментальным моделированием взаимодействия волн с сооружениями откосного

профиля с горизонтальными бермами, анализом их результатов и сопоставлением с результатами численных исследований.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 117 наименований, и содержит 120 страниц машинописного текста, 85 рисунок, 11 таблиц.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ БЕРЕГОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ОТКОСНОГО ТИПА.

1.1. Применяемые конструкции берегозащитного сооружения откосного типа

Берегозащитные сооружения предназначены для защиты берегов водоемов, откосов земляных дамб и искусственно созданных территорий от воздействия волн, льда и течений, а также для защиты от затопления отторгаемых у моря площадей суши.

Берегозащитные сооружения обычно классифицируются в зависимости от их назначения; от продолжительности их эксплуатации -постоянные и временные; от размеров, действующих на них нагрузок и последствий нарушения их эксплуатации на классы.

По характеру взаимодействия с водным потоком берегозащитные сооружения подразделяют на активные и , пассивные. Сооружения активного типа создают условия формирования за счет энергии волн, аккумулятивных форм рельефа - пляжей, которые являются идеальными гасителями волновой энергии. Сооружения пассивного типа принимают на себя воздействие волн и не допускают воздействия волн на защищаемые объекты (Рис.1. 1). Сооружения откосного типа относятся к сооружениям пассивного типа.

Откосными берегозащитными сооружениями

называются сооружения с наклонной морской гранью. Эти сооружения могут быть различной конструкции, как показано на Рис. 1.2 и Рис. 1.3. Берегозащитные сооружения откосного типа сооружают из наброски камня, массивов или фасонных блоков. Они частично или полностью гасят подходящую волну на

наклонной поверхности морского откоса и внутри пористого тела наброски.

а) б) в)

Рис.1. 1 Берегозащитные сооружения: а) морские буны, б) волноотбойная стена, защищенная наброска из фигурных массивов, в) укрепление участков береговых откосов создаваемого водохранилища железобетонными плитами

каменая наброска

стена

каменая наброска

Рис.1. 2 Поперечное сечение берегозащитного сооружения откосного

без берма 10

стена

Рис.1. 3 Поперечное сечение берегозащитного сооружения откосного с горизонтальной бермой на лицевом откосе.

Среди достоинств сооружений откосного типа можно отметить: простоту конструкции и производства работ при ее возведении; возможность строительства на слабых основаниях, на различных глубинах, при любых параметрах волн и характере волнения; способность сохранять свои функции при повреждениях; пониженные требования к погодным условиям при выполнении работ в условиях открытых акваторий.

Наибольшим недостатком этих сооружений является значительный расход строительных материалов, особенно при больших глубинах и невозможность их использования в качестве причальных сооружений. Опыт строительства показал, что сооружения откосного типа наиболее целесообразно возводить при небольших глубинах, при которых берегозащитные сооружения вертикального типа испытывают усиленное действие разбивающихся или прибойных волн.

Берегозащитные сооружения откосного типа в отличие от вертикальных могут применяться в любых гидрологических и инженерно-геологических условиях. Ограничениями служат только их высокая стоимость при больших глубинах и невозможность получения местного камня необходимой крупности (монолитов).

11

1.2. Опыт строительства берегозащитных сооружений откосного

типа.

Берегозащитных сооружений возводятся с древних времен. В 1-м веке до н.э. римляне построили дамбу в Кейсарии (Caesarea) для создания искусственной гавани и этот объект является 1-ым задокументированным берегозащитным сооружением. В строительстве использовался бетон, который затвердевал при контакте с морской водой. Были построены специальные баржи, которые заполнялись бетоном и затапливались в местах установки. Все сооружения существуют по сегодняшний день, т.е более 2000 лет. За этот период в мире построено большое количество берегозащитных сооружений, среди которых наибольшее распространение имеют конструкции откосного типа.

Общая протяженность береговой линии Японии составляет 35 тыс. км. из которых 40 % защищены берегозащитными сооружениями. Например, в городе Камаиси в середине 2000-х была построена защитная дамба, которая в Книге рекордов Гиннеса отмечена как самая глубоководная дамба в мире. Цунами высотой 18 м преодолело основное сооружение, вызвав перелив через гребень дамбы. Удар волны привел к частичному разрушению дамбы, что, в результате открыло доступ к внутренней акватории и обеспечило рост уровня воды в гавани, достаточно быстрый для преодоления внутренних защитных портовых сооружений, и, в конечном итоге, стало причиной затопления низкорасположенных районов города (Рис. 1.4).

Рис. 1. 4 Берегозащитный сооружение в городе Камаиси, Японии Нидерланды - это густонаселенная страна, расположенная на морском побережье, причем достаточно большая территория земли находится ниже уровня моря. Через всю страну проходит густая сеть каналов, С западной и северной сторон вдоль всего побережья Нидерланды защищены дюнами и песчаными дамбами.

Проект Дельта - ряд конструкций, шлюзов, дамб и плотин, построенных между 1950 и 1997 годами и предназначенных для защиты Зеландии и Южной Голландии от морских стихий. Протяженность основных сооружений 2,4 тыс. км и 14080 км вспомогательных дамб (Рис. 1.5).

Рис. 1. 5 Проект Дельта - Нидерланды

Ещё одним крупным проектом строителства берегозащитных сооружений можно назвать строительство искусственных островов пальмовых форм в побережья Дубай. Длина сооружений более 12,5 км,

ширина по гребню - 200 м и 300 м по дну.

Рис.1. 6 Один из «пальмовых» островов в Дубай

V7X Quarry Run (40 - 120 kg) r!~71 Secondary Layer (640 - 800 kgi F*"^ Toe/Crest (2200-2700 kg! £»3 Primary Armour (4200 - 5400 kgl

Reference line Landward boundary

Рис.1. 7 Поперечное сечение защитной дамбы в Дубай В целях обеспечения морских перевозок Правительством РФ принята Федеральная Целевая Программа «Возрождение торгового флота России». В результате реализации программы пропускная способность российских портов должна увеличиться на 142 млн. т в год.

Для достижения этой цели программой предусмотрено строительство новых специализированных грузовых причалов, оборудованных высокопроизводительными перегрузочными комплексами. В ряде портов

эффективная эксплуатация новых грузовых районов может быть обеспечена только путем строительства защитных сооружений.

Порт Туапсе расположен на территории Краснодарского края на северо-восточном побережье Черного моря в вершине бухты Туапсе. Акватория порта ограничена отделяющими ее от открытого моря Южным молом, Юго-Западным и Западным волноломами. В нее ведет подходной канал длиной 400 м, шириной 120 м и глубиной 13,5 м. Порт доступен для судов с осадкой до 12 м и длиной до 230 м. Берегозащитные сооружения откосного типа характеризуются 4-мя рядами бетонных плит (1400x1400x200мм), нижними берменными бетонными плитами (1000x1400x300мм), верхними берменными бетонными плитами (1000x1400x200 мм) и волноотбойной (подпорной) стенкой из бетонных плит. Откосные и берменные плиты уложены на камен