автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Местный размыв дна у больших вертикальных цилиндрических опор морских буровых платформ при действии волн и течений

ШСКОВШЯ ОРДЫ1А ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАЮЩИ!

ГИДОйМИОРЛТИВШЙ институт

Ка правах рукописи

ИЬРАГИЫ Аднан 1.1оха.твд

ЖЮЛ РАЗШВ ДНА у БОЛЬШИХ ВШИКАЛЫШ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОПОР МОРСКИХ ЬУРОВЫХ ПЛАТФОРМ ПРИ ДЕЙСТВИИ ВОЛН I! ТЕЧЕНИЙ'

05.¿3.07 - Гидротехническое и мелиоративное строительство

Автореферат

диссертации на соиснацие ученой степенн кандидата технических наук

Москва 199Й

Рабога выполнена на кафедре гидротехнических сооружении Московского ордена Трудового Красного Знамени гидромелиоративного института

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

С.Н.КОРЮКИН

Научный консультант - кандидат технических наук, старший

научный сотрудник О.М.ВАНЧАГОВ

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

А.И.КУЗНЕЦОВ

- кандидат технических наук

С. А.ХАВСКИЙ . «

Ведущая организация - Государственный проектно-изыскагель-

ский и научно-исследовательский институт морского транспорта "Союзморнпипроект"

Защита состоится " /?? "/ж^^^-Яг 1992 г. в часов на заседания специализированного совета К 120.16.01 в Московском ордена Трудового Красного Знамени гидромелиоративном институте по адресу: 127550, Москва, ул.Прянишникова, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского ордена Трудового Красного Знамени гидромелиоративного института.

Автореферат разослан " 2. " ■ 5Г 1992 года

• УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА К 120.16.01 . кандидат технических наук, доценг

С.Е, КУ ЗТ'1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Начавшееся о начала 70-х годов интенсивное хозяйственное освоение шэльфовой зоны морей п океанов связано со строительством различных по назначению гидротехнических сооружений: рейдовых причалов, плавучих электростанций, нефтепромысловых сооружений, платформ для производства работ, искусственных островов. Б зависимости от назначения и условий эксплуатации эти сооружения имеют стационарные или пяавучио основания. Огромная стоимость таких сооружений требует их экономного проектирования при одновременном обеспечении их надежности л долговечности.

Действующие нормативные документы в основном регламентируют расчет волновых воздействий на сооружения свайного типа в виде ферм. В настоящее время для освоения шельфа морей проектируются и строятся сооружения гравитационного типа, размеры которых соизмеримы с длиной набегающих волн. При исследовании взаимодо]'.стш1л волн и течений с подобными сооружениями необходим учет дифракционных эффектов, связанных с отражением а обтеканием потоком этих сооружения. Конструктивные формы подобных сооружений многообразны, но наиболее распространенными являются сооружения цилиндрической формы. Взаимодействио волн и течений с такими сооружениями недостаточно изучено. Особу.» важность приобретает исследование распределения придонных скоростей в окрестности сооружений я определение возможных зон местного размыва дна, что оказывает существенное влияние на устойчивость сооружений.

Практически отсутствуют рекомендации по расчету зоздайсг-вий на морские опоры больших поперечных размеров при совместном действии волн и течений, поэтому исследование дифракционного вза-

имодайсгзия волн и течений с сооружениями больших поперечных ра меров и разработка обоснованных и надежных методов расчета мост ного размыва является актуальной научной проблемой и важной хозяйственной задачей. Поскольку местные размывы могуг достигать больших размеров как по глубине, так и по площади, важно достоверно запрогнозировать параметры воронки размыва и предусмотрен мероприятия по защита дна от размыва в окрестности устанавлявао мых платформ гравитационного типа.

Цель работы. Целью работы, является разработка прогностича ких методов расчета параметров воронки местного размыва при сое местном действии волн и течений на цилиндрические опоры морских буровых платформ больших поперечных размеров и мероприятий по э щите дна в окрестности установки этих сооружений.

В соответствии с поставленной целью в задачи исследования входило:

- экспериментально исследовать при широком диапазона парг метров волн и течений процессы переформирования размываемого до в зоне установки цилиндрических опор большого диаметра;

- оценить с использованием существующих методов расчета параметры воронки размыва при действии точений, волн и их совместном действии;

- осуществить корректировку расчетных зависимостей на основе полученных экспериментальных результатов;

- провеет!] оценку достоверности полученной информации и разработанного метода расчета параметров воронки местного разм: ва в окрестности установки цилиндрических сооружений большого диаметра;

- разработать мероприятия по защите дна от размыва в окрестности установки цилиндрических сооружений большого диаметр.

- 3 -

! исследовать их эффективность.

Научная новизна. В диссертации экспериментально обооновц-заегся и уточняется методика расчета параметров ворогки мпипюго зазмыва в окрестности расположения цилиндрических опор больших юперечных Я > 0,2)размеров с учетом влияния дифракции поли и исследования поля скоростей в окрестности цилиндра. Получони юлуэмиирические зависимости для расчета параметров поролон местного размыва при действии течений, волн и их совместном действии, Уточнены коэффициенты волнового сопротивления.

Практическая значимость работы. Проведенные исследования и их анализ позволили получить новую методику определения характеристик полей скоростей в окрестности цилиндрических препятствий относительно большого диаметра с учетом взаимодействия ноли и точений, что позволяет определить зоны возможного размыва дна. Исследованы некоторые типы крепления дна в окрестности .цилиндрических препятствий больших поперечных размеров, поииптющиа снизить или исключить местные размывы в окрестности сооружений, что предупреждает разрушение оснований сооружений и поторю их устойчивости. Цогодика расчета параметров воронок местного размыва может бнть использована при проектировании морских добывающих установок и других обтекаемых гидротехнических сооружений, подверженных воздействию волн и течений и их совместному действию.

Внедрение результатов работы. Результаты работы и разра-ботанние методы расчета использованы институтами СахалинНШИмор-нефть и ЦНИИ лроектстальконструкция при проектировании буровых платформ и цилиндрического иску ¡ственного острова на шельфе острова Сахалин.

Структура и объем работы. Диссертация состоит г,з введения, пяти глав, общих выводов и спио.;а литературы» Работ; изложила на.

** - 4 -:. у'.

170 страницах машинописного -текста,. иллюстрирована 41 рисункам и I таблицей. Список литературы состоит-из 119 наименований из них 60 иностранных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ: РАБОТЫ ■

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проб мы, показана роль данной работы в системе современных исследов ний местного размыва дна у сооружений больших поперечных разме ров. Изложена цель и основные задачи исследований.

В первой главе рассматриваются существующие и перспектив типы инженерных сооружений и конструкций морских гравитационны отдельно стоящих сооружений больших поперечных размеров. Опред лены критерии взаимодействия волн с опорными частями стационар платформ, представляющие собой отношение диаметра сооружения к длине набегающей волны. Если это соотношение меньше 0,1, влиян конструкции на кинематические и динамические характеристики на бегающих волн мало и расчеты.волновых воздействий допускается полнягь на основе.теорий обтекания преграды волнами. При 0,1 4 0,2 (где: О - диаметр преграды; ^ - длина набега

щей волны) явление взаимодействия волн с преградами носит иром жуточный характер, а при'Ъ/'Х>0,2 сооружение молено отнести к сплошным и следует учитывать.влияние дифракции волн.

В этой главе диссертации анализируются результаты исслед ваний местных размывов'в окрестности сооружений больших попере ных размеров, характер взаимодействия и взаимное влияние течек и золи по результатам исследований Е.И.Масса, И.Г.Кантаржи, Г.Е.Кононковой и К.В.Показеева, И.Л.Макаровой, Ж.Р.Д.Франциса, С.Р.Дугеоиа .-и др. .

.■.. 'Характеристики и критерии движения донных наносов анализ руются по результатам'исследоЕ иий А.Шилдса, К.В.Гришанина,

Ц.й.Ыпрнхулавы, Е.В.Давэляа, О.Х.Мофальда-, Б.Д.Тэйлора, С.Р.Найла, Н.С.Ялпна, Л.Ленхоффа и др. Отмечается, что в настоящее время вопрос о придонных касательных напряжениях при совместном действии-волн и течений дискутируется и находится б стадии отдельных теоретических и экспериментальных исследований. Общепринятой методики но существует, но наиболее простой метод состоит в линейном сложении касательных напряжений при действии течения и волн. При расчете движения несвязного материала в придонном потоке предложена схема, основанная на использовании исследований А.Шилдса.

Рассматриваются и анализируются результаты работ по определению местного размыва при действии установившегося поступательного течения, основная часть которых посвящена местному размыву дна. у .■•.остовых опор. Однако Т.Карстанс установил, что расчет местного размыва дна у платформ гравитационного типа существенно отличается от расчета размыва у мостовых опор.'

По результатам анализа предыдущих работ сделан вывод, что при взаимодействии течений с морскими стационарными гравитационными ' платформами больших поперечных размеров формулы, применяемые для мостовых опор,, дают завышенные результаты, поэтому представляется необходимым проведение специальных лабораторных я натурных исследований местных размывов -при действии морских течений на опори морских буровых платформ.

При действии волн, распространяющихся на спокойной воде, образование и развитие воронки-размыва зависит от диаметра преграды, интенсивности колебательного, движения и транспорта наносов на морском дне. Воронка размыва образуется у бокояых поверхностей цилиндра, а с фронтальной и тыловой сторон цилиндра во многих случаях наблюдается незначительная аккумуляция наносов. Размыв основания обусловливается многими факторами. В нашей работа рассматривается

это явление о позиций касательных напряжений в жидкости, которые вызывают ускорение течений в области прегради и градиента касательных' напряжений в придонной области жидкости. Вопросу размыва Дна у преград больших поперечных размеров при действии волн нос-вялены работы А.В.Биедорова, А.И.Кузнецова и М.В.Бухгояровои, В.В.Яковлева, И.ШДаяфина, В.Шзуркевича и др. Имеющиеся рекомендации по определению максимальной глубины размыва носяг частный характер а касаются только крупнозернистого материала, рекомендации по определению плановых размеров воронок размыва при действии волн полностью отсутствуют.

Наиболее опасный случай образования воронок размыва в окрестности сооружений большого диаметра изучей наиболее слабо. В этой области имеются работы Т.Карсгенса, Г.Далберга, А.Кларка и. П.Новака, Ю.Занкэ, которые носят частный характер, для определения размыва морского дна у препятствия необходимо рассматривать до Ш значащих параметров. На основании изложенного выше нами сделан вывод, что для получения достоверных данных по местному размыву в окрестности цилиндрических опор большого диаметра проблему следует решать в комплексе с применением аналитических и численных методов, которые не требуют моделей, по имеют ряд упрощающих допущений, несколько искажающих явление мастного размыва и должны быть дополнены натурными и лабораторными экспериментальными исследованиями.

Первая глава заканчивается рассмотрением методов и конструкций крепления дна в окрестности сооружений больших поперечных размеров, применяемых с целью защиты морского дна от размыча.

По результатам обзора и анализа предыдущих исследовании уточнены цель и задачи проводимых нами исследований.

Во ягорой глава, излагается методика экспериментальных ис~

следований мостпого размыва в окрестности «одолей сооружений больших поперечных размеров при действии течении, волн и их совместном действии. Приводятся критерии подобия проведения модельных лабораторных исследований, установлены зоны автомодельности.■Отмечается, что имеющиеся работы по моделированию движения наносов ч'смешанных потоках (волна плюс течение) носят характер экспериментальных исследований и не доведены до расчетных методик, пригодных к применению для решения практических задач.

Обеспечить одновременно идентичность всех критериальных чисел моделирования (Фруда, РейнольДса, Сгрухаля, Эйлера) практически невозможно. Это вызывает необходимость при решении практических задач отказаться от строгого подобия явлений и обеспечить лице приближенное подобие.

В работах У.Д.Гранта и О.С.Мадсепа и Б.А.О'Коннора приведены модели транспорта наносов, которые в рабогэ К.И.Шевченко доведены до стадия практического использования, но эти работы касаются размыва дна при'отсутствии препятствия в виде опор, которые вносят существенные изменения в структуру потока вследствие дифракции потоков. Сложность' происходящих процессов затрудняем получение аналитического решения задачи и получения поля скоростей в окрестности сооружения при действии наиболее слабо изученного смешанного потока, поэтому появляется необходимость проведения соответствующих экспериментальных модельных исследований,

В лабораторных условиях практически невозможно зз(додедаровать местный размыв вследствие невозможности точного воспроизве- . доиия натурных процессов в лаборатории на относительно мелкомасштабных моделях, поэтому при проведении экспериментальных исследований предусмотрено проведение различных' серий опытов на нераз-мываемом и размываемом основаниях с использованием материалов

различной крупности.

Опыты по изучению взаимодействия волн и течений о моделями опор относительно большого диаметра проводились в русло-волновом логке Всесоюзного научно-исследовательского института транспортного строительства. Экспериментальная установка включала в себя логов, волнопродуктор качающегося типа, модели оаор, измерительную, согласующую и регистрирующую аппаратуру и вспомогательное оборудование. Русло-волновой лоток имеет длину рабочей части 30,0 м, ширину 3,8 м, высоту борта 0,9 м. С далью исключения поперечных колебаний воды в головной и тыловой частях логка"устраивались продольные перегородки, разделяющие,по ширине лоток на четыре равные части. В средней части лотка в <й<рестности установки модели опоры продольные перегородки имели разрыв, чтобы не нарушать дифракцию волн в окрестности иодели сооружения. В тыловой, части логка устраивался волногаситель, предохраняющий от отражения,, волн от тыловой стенки лотка.

В лаборатории моделирования гидротехнических сооружений ВНИИ транспортного-строительства создана автоматизированная измерительная система "Гидравлика" на базе информационно-вычислительного комплекса ИВК-3, позволяющая автоматизировать процесса сбора и обработки поступающей информации ог датчиков скоростей, давлений и волномеров, регистрировать информацию в цифровод! виде на магнитном запоминающем устройстве и в дальнейшем осуществлять обработку и анализ информации в соответствии с поставлонными задачами в реальном масштабе времени. Система "Гидравлика" также включает в себя программы тарировки измерительной аппаратуры, тестирования работоспособности устройств, статистического анализа параметров волнения,

В первой серии опытов на неразрываемом основании иеследо-

пали лоло скоростей о измерением последних в направлении распространения течения и волн с последующим выражением этих скоростей через коэ^иционты дифракции волн п различных створах модели и на различных расстояниях от nao. Имея измеренные скорости, которые моделируются по закону гравитационного подобия, и определив касательные придонные напряжения, можно выявить возможность размыва основания в окрестности модели цилиндрической опоры в процесса образования воронки ыосгного размыва.

Во второй серии опытов производилось непосредственное измерение размывов в окрестности опоры, что позволило получить общую качественную картину воронки размыва и сравнить ее параметры с той, которая прогнозируется при использовании подученного экспериментально поля скоростей в окрестности опоры. Рассмотрение этих двух методов позволяет получить более достоверную картину воронки местного размыва в окрестности цилиндрической опоры. Масштаб моделирования принят равным 1:100.

Исследование мастных размывов дна в окрестности модели цилиндрической опоры проводились в три этапа:

1. Исследовался местный размыв дна при действии установившегося поступательного точения с придонными скоростями, рапными 6, 9, 12 и 18 см/с (соответственно 0,6; 0,9; 1,2 и 1,8 м/с в натуре) .

2, Изучался местный размыв при действии волн, распространяющихся на спокойной вода. При этом параметры волн были следующие: с/ = 0,3 м (где с/ - глубина вода; h - высота волны; т - период волны; "Я - длина волны). Высота водны изменялась от 6 до 10,5 см; период волны - от 0,8 до 1,6 с; длина волн - от 100 до 250 см (соответственно для натурных условий: </ с 30 м; h а 6-10,5 м;

- Т = 8-16 с; Я =J[00-250 м).

- 10 -

3. Исследовали местный размыв а окрестности модели цилин дрической опоры при совместном действии волн и точений с парам рамя, указанными выше. Придонные скорости измерялись на рассго. нии I см от дна.

Каждый опыт по определению размыва продолжался в точение 7 часов, что соответствовало натурному времени 70 часов. По за. шению каждого опыта выкладывались горизонтали с шагом 2 см.

Измерения скорости потока производили микровертушками Х-' а высоты волн - волномерами емкостного типа. В процессе исслед! ваний производили измерения как при-попутном, так и встречном ! чениях относительно направления распространения волн.

Сравнение чисто экспериментальных данных по определению глубин и плановых размеров воронки размыва в окрестности цилиндрической опори с данными, полученными с использованием изморе! ных скоростей с последующим определением действующих и критиче< ких касательных напряжений, позволило с достаточной точностью 1 большой достоверностью получить параметры воронки местного разл ва в окрестности цилиндрической опори при заданных скоростях тс чения и параметрах воля.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных I следований местного размыва дна при действии течений, волн и иг совместного действия на цилиндрические сооружения больших попе]: них размеров.

В процесса исследований установлено, что при взаимодейсгЕ с моделью цилиндрической опори большого диаметра установившегос поступательного течения перед моделью опоры размывы практически отсутствуют, поскольку скорости течения воды перед моделью не п вышают скоростей течения при отсутствии модели.

- Максимальные скорости, течения имеют место в миделевом ств

модули цилиндра (под углом 90° по огношению к направлению распространения точения и волн), там не зафиксированы и максимальные гяубшш воронки размыва. Но мзре удаления от шдздавого створа модели цилиндра спорости течения п глубины размыва уменьшаются, Уаксшшьияя шрина ворснкз размыва получена в миделевом створо моде/и цилиндра, ксгорая но прввндаег 0,1-0,2 диаметра цилиндра, ¿¡.чксвпаяьпая глубвна воронки размыва получена в непосредственное оллзосгн ог поворхиос?я .модели цилиндра'при скорости течения 1а см/с и равна 9,0 см. (9,0 и в пересчете ка натуру). Максималъ-пая глусипа разкпва при расчете по формуле И.Ш.Холфпна равна

,о .'!, что примерно соответствует максимальной глубине размыва, пол;ченной в иааах эколорямелтох. Таким образом, при взаимодвй-огилн усганопквшгося поступательного течения с цилиндрической опорол глубины воронки размыва у поверхности цилиндра существен-Ш!, однако плановые размеры воронок размыва невелики.

Лря действии волн на модель доляядра механизм размыва отличается ог таковых при действии установившегося поступательного течоиал предо всего вследствие уменьшения толщины граничного слоя, поскольку амплитуды движения частиц жидкости в колебательном потоке недостаточно велики для развития граничного сдоя большой толщины. Размыв доннах наносов при колебательном течении является следствием совместного влияния орбитальных скоростей в г.олпз п медленно, изменяющихся течений в граничном слое.

Лрп действии волн с параметрами (| = 10,5 см, т = 1,6 с и 'Я = ¿50 см (при глубине шдн, равной 30 см) зоронка размыва начинает образовываться примерно от створа 45°, причем максимальная глубина воронки размнва зафиксирована в миделояом створо цилиндра (90°) непосредственно у поверхности цилиндра и равна -г см. Воронка размыва исчезает в створе 1У5°. С тыловой стороны

цилиндра наблюдается намыв наносов с максимальной отметкой 4 см непосредственно у поверхности цилиндра, а затем отметки намыва наносов уменьшаются и принимают .нулевые значения на расстоянии примерно 0,5 диаметра цилиндра. Таким образом, при взаимодействии распространяющихся на спокойной воде волн с моделью цилиндра размывы в окрестности цилиндра существенно меньше размывов при действии установившегося поступательного течения»

При взаимодействии с моделью цилиндра смотанного погона (течение плюс волна) скорости смешанного потока значительно выше скоростей потоков при действии отдельно поступательного течения и волк, распространяющихся на спокойной воде.

При совместном действии волн и течений*у фронтальной части цилиндра образуется обширная зона размыва наносов, которая распространяется на расстояние до половины диаметра цилиндра. Это объясняется тем обстоятельством, что при наличии волнения в ок~ . рост-ности цилиндра образуются интерферированные волны, что способствует увеличению градиентов порового давления б грунте при попеременном подходе гребней и впадин волн. Увеличение градиентов порового давления по сравнению со случаем действия бегущих волк способствует отрыву частиц наносов от дна, а поступательное течение вызывает их транспорт вниз по течению.

В мзде левом створе цилиндра зафиксированы максимальные глубина (до 12 ом) и тарана воронки разлива (до 0,3-0,4 дэаиетра цилиндра). Б сгзора цилиндра 135° отметки воронки размыва выходят на естественные глубина, а за тыловой частью модели цилиндра отмечается незначительный намыв наносов. При этом в ствсре цилиндра 165° образуются два симметричных холка с вершинаян, достигающими отметок +8-10 с.м, которые расположены ¡¡а рассмяппа л,5-^,0 диаметра цилиндра.

Ироаодеипво экспериментальные исследования показали, что !![!! действии смешанного погона на цилиндрические опори относительно больших диаметров возможен существенный (если из катастрофический) разини дна в окрестности цилиндрической прегради. Эти размы-вч значительны как но глубина, так и по площади размыва, что обусловливает необходимость прогнозирования характеристик воронок гачшиа, а также разработку мероприятий по устранению или ыани-пнзацпп размывов и окрестности цилиндрических опор,-йиеквда большие размеры в плана.

Б четвертой главе приводятся рекомендации по расчету параметров воронок мастного размыва' дна в окрестности гидротехнических сооружений с опорными элементами б виде цилиндров большого диаметра.

Результат проведенных модельных исследований полей скоростей и местных размывов дна в.'окрестности модели цилиндра относительно солыпого диаметра павши применение при определении критических и действующих касательных напряжений, допустимых неравны-ваадщх скоростей, кинематических характеристик поступательного, волнового и смешанного потоков. - "

При рексииз указании инкзнерных задач параметры вод:] и г.гчений предполагаются заданными, либо рассчитываются но известии!« методика!.! с учетом данных метеорологических набладений за иаяраалеивом и силой ветра з районе установки проектируемого еоьекта.

Практика морского гидротехнического строительства, связанная с возведенном портовых и нефгегазопрокыслових сооружений с грьзагацпотшмк опорами в виде цилиндров большого диаметра гре-

разработка рекомендаций по предотвращении или минимизации местных размывов шпосоы в окрестности опоры. Для итого иообхо-

димо знать поле придонных скоростей в условиях, когда сущзсгвен-нов влияние оказывает дифракция волн 3 опоры.

Такие рекомендации по определению коэффициентов дифракции при действии волн, распространяющихся на спокойной водо, при взаимодействии волн с цилиндрами большого диаметра даны в работа А.й.Кузнецова и Ц.В.ЬухгояровоЕ, где даются рекомендации по определении безразмерной скорости ч^ , представляющей собой отношение мода ля донной скорости частицы жидкости в дифрагированной волне к удвоенному значению максимальной донной скорости в бегущей волне. Пользуясь данными работы А.И.Кузнецова и .М.и.ьухгояро- • вой, можно в первом приближении получить пола скоростей дифрагированных волн в окрестности цилиндрической опори большого диаметра.

Данные работы К.И.Ыевченко свидетельствуют о го«, что определяющим фактором при регламентировании транспорта донных швоеов является придонной касательное напряжение, которое входит в расчетные зависимости либо непосредственно, либо через дипамическ;п скорость смешанного потока. К.И.Шевченко с использошпвом результатов ранее выполненных работ русских и зарубежных исоледоваясл!.'■ получены эмпирические зависимости' для определения удельного рас- -хода наносов при совместном действии волн и течений, придонных касательных напряжений и допустимпх -неразмывающих скоростей'.' Ьсс зависимости получаны К.И.Шевченко для'смешанного-потока, распространяющегося над ровным дном при отсутствии препятствий, то есть для свободного смешанного потока.

В задачу наогсяцей работы входило использование материалов работ АЛ).Кузнецова и Ы.В.ЬухтоАровой и К.И.Шевченко для определения параметров воронки местного размква в окрестности цилиндра большего диаметра при сог-местном де.1сгв::п ьолн ¡1 течения, пси

* л '

этом разработаны корректирующие зависимости и коэффициенты, учитывающие влияние этой преграды. Корректирующие зависимости а коэффициенты получены при использовании результатов проведенных в настоящей работе экспериментальных исследований полой скоростей и воронок размыва в окрестности цилиндров большого диаметра.

Основная идея предложенного нами метода расчета параметров воронки размыва в окрестности цилиндрических преград больших раз' меров состоит в отыскании действующих и критических касательных напряжений и их последующем сравнении. Если расчетное действующее касательное напряженно при заданной глубине воды и параметрах течения и волнения меныш критического, то размыв отсутствует. При получении расчетного действующего касательного напряжена: бо;я>ше критического - размыв дна в окрестности цилиндра есть. 3 этом случае следует задаться новой увеличенной глубиной потока я пересчитать значения придонных скоростей в волне и течении при изменившейся глубине потока и повторить расчеты придонных касательных напряжений. Эту процедуру следует повторять до тех пор, пока расчетное действующее касательное напряжение не станет равным или несколько метшим по сравнению с критическим, для данной точки в окрестности цилиндрической опоры.

Исходными данными для расчета глубины размыва для данной точки в окрестности цилиндрической опоры являются: средни.! размер частиц наносов - (м); глубина потока - с! (м); средняя скорость установившегося поступательного течения - и (>.1/0); высота волны - Ь (м); период волны - т (с); длина волны - X (м); плотность воды - / = 1000 кг/м3; плотность наносов - Д (например, для песка ^ = 2650 кг/м3); ускорение свободного падения £ (м/с**); диаметр цилиндрической опоры - 3> (м); угол естественного откоса влажного материала наносов - (град).

- 16 -

Расчетная схема для определения параметров воронки раэлн в окрестности цилиндрической опоры большого диаметра приводом рис.1, где а - радиус цилиндра; г - радиальное расстояние с центра цилиндра до данной точки воронки размыва; в - угол ме направлением распространения потока и соответствующим створом линдра; - расчетная глубина размыва в данной точке вороши размыва в окрестности цилиндра, координаты которой определяйте относительным расстоянием до центра цилиндра ( г-а)/о. и углом в .

- 17 -

Расчет выполняется в следующей последовательности:

1. Определяется физическая донная шероховатость':

=,0,7 ( I )

2. Определяется придонная орбитальная волновая скорость

3. Амплитуда волны в придонной области: /7 «_Ь_ . 1-ттс/

( 2 )

( 3 )

^ а

4. По данным, приведенным на рис.2 определяем максимальные относительные придонные скорости на поверхности опоры (кривая 1) п в ее окрестности (кривая 2).

70

-18.

1 2

<О

"Ч \ \

\ \ 2

-*

ч -

/ / — —

/ / /

КО

2 6 3.0

О о.г ^ 0.6 . Ю )(/ 18 г 7.7

Р:зс.2. График по определению .максимальных, донных скоростей: I - скорость, на поверхности опоры; . 2 - скорость в окрестности опоры

Определяем коэф|п;иенг дифракции за вцчигом данных по скорости бегущей (ненарушенной) волны ■' ' '

' ( 4 )

Затухание'дифракции'по море удаления от поверхности ццлян- ' дра принимаем по яинейпому закону < считая что на расстоянии 0,5 'О

Ь = У

дифракция отсутствует.

5. Определяем безразмерный коэффициент Шези:

С к

6. Волновой коаф|ациенг трейня:

ъ

е*р[5,И{ ~ $~,ъв\ при А/^Ъ-*-?

£>,28 ПрИ А)КЙ <4.7

7. Определяем безразмерный садименгологический диаметр:

Г(-5-ч).

I »"

( 7 )

где ; У - коэффициент кинематической вязкости

( 9 = ю-6).

8. Критическое касательное напряжение, соответствующее -умеренному .транспорту наносов (началу действия основного агрегата наносов):

—V -Э-7(Г!.- ч п Г с? . Л \ Г? . Лг-

( 8 )

Г' - ^Чус-'Р ( з-

и с*, кр 1 — —:

у

где ~Щр-* параметр Шидцса, определяемый по зависимости аппроксимирующей кривую Шилдса:

О,¿4 О,-1 . при ; > 4

0Д4 Т>,"0'64 при 4 < $ 10

0,04 ТГ0,1 ПРИ Ю^'О^ЗО (9)

0,013 . т^0'^9 при 20< Т><150

0,55 при ' ' ^ > [50-

3. Средняя скорость смешанного потока (волна плюс течение): при ¿7 £ ^ 1 ;

I

тг

Ц Т • ? "X .

,1/2

( ю )

при и I И) < -I •■

и = и.

с\Ы

г?-т * х

X

7Г

V- т ' я

"ЕЛ

'/а

( II )

где

экспериментальный коэффициент затухания

волны, учитывающий резкое изменение глубинн потока а зависящий от относительной глубины размыва ; р<7 = ¿¿с/ и ■,

= ¿/*с/й > = ^'(¿//¿фс)

10. Определение действующего касательного напряжения:

Г

■ Р-

а' 4 г

■ ( 12 )

Скорость (У но данным экспериментов равна 1,5 I/ . На расстоянии 0,15 средняя скорость течения равна ¿/ , где и' - скорость течения на границе с цилиндром; ^ - эмперичесиий коэффициент, рассчитываемым по зависимости:

v/= ^сзэгТ) ^ о.ов ( 13 )

11. Коли - размыва нет.

12. Если <ГСИ/ > Сс*.,р - размыв ость. В этом случав задаемся новой увеличенной глубиной потока с/ и определяем глубину ряз-

Г,

с*,«';

мына шке отметки дна 1Р до тех пор, пока Таким образом, определяется глубина размыва в заданной точке воронки местного размыва в окрестности цилиндрической.прегради относительно большого диаметра. '

На рис.З в качестве наиболее наглядного примера с майсимояь-

+ 6 + 4

*г о -г.

-е -8 -10 ~1г -и -16

Стаор 0=90" • "

0 .1 0 г о 3 0 1 0 5 0 S 0 7 0 8 С 9 t.t

к--"'"

^ ,, - -

—_ — — эксперимент о———о рзсч«т

-

Рис.3. Сравнение экспериментальных и расчетных абсолютных значений размыва дна в окрестности модели опоры ТЬ =1,0 м при действии смешанного потока с параметрами: J = 0,3 м; % = 0,12 м/о; h = 0,105 м; Т = 1,6 с; с/&0 = 0,0002 м-

о /

о о ^ 0^^^

• 0 о -пвее»« , -Г»СОК d„ > о.озсг «* d„ «O.COIS *

г.«-г....

Тис.4. Зависимость относительного размыва у цилиндрической

¡.рзграды ^¡.ГО от опшоагельно:: разности мезду де|!оГ0У(0-кпии i; KpavMecKnMiO^wльгота напряжениями

0.IO

- 21 - ;

!

ими глубинами воронки местного размыва приведена расчепшй и экс- ; зриментальный поперечники воронки "месгного размыва в створе 90°, | ца видно удовлетворительное соответствие между расчетными и эко- | эриментальными данными. На рис.4 график зависимости относитель- ! эй глубины размыва от относительной разности действующих расчет-IX и критических касательных напряжений. Хорошев совпадение рас-этных и экспериментальных данных свидетельствует о правильном вы-зрв основного критерия для определения параметров воронки месгно-э размыва, а также о достоверности результатов расчетов пэрамэ?-зв воронки месгного размыва.

В пятой главе исследуется эффективность различных защитных инструкций, предназначенных для защиты дна от местного размыва окрестности цилиндрической преграды большого диаметра. Даются Зщие замечания, обсукдаюгся результаты экспериментов с испытан- ; дни защитными креплениями дна в виде отмостки из более крупного лториала и конструкции защитного крепления решетчатого типа с |

шолнением полостей решеток песком или более крупннм материалом. ; ззультаты исследований показали, что применение более крупного иериала отмостки требует устройства обратного фильтра, что соп-гаено с необходимостью применять трудоемкий и дорогой труд водо-1зов. При жестоких волновых условиях и действий сильных течений зимененио каменной отсыпки потребует использования камня или ис~ : /ссгвенных бетонных элементов большого размера и веса, поэтому тя защиты морского дна в окрестности сооружения в жестоких усло-1ях более эффективно применение искусственных защитных конструк- ;

В нашей работе испытана эффективность конструкции решетча- : )го типа, предложенной институтом СахалинНШИморнефть для исполь-эвания на щельфв острова Сахалин. Применение в качестве защитных , |

конструкций устройств решетчатого типа показало их высокую эффективность как яри отдельном действии волн и течений, гак и при их совместном действии. При высоте решеток 3 см (3 м в натуре) наибольшие отметки размыва грунта заполнения зафиксированы перед фронтальной частью цилиндра. В этой области наблюдалось смещение отдельных секций решеток относительно соседних, но это не приводило к потере устойчивости дна, поскольку секции решетки не связаны жестко друг с другом.

При действии волн и течений с менее жесткими параметрами зафиксирован намыв наносов в полости решеток. Указанное выше сви детельствует о высокой эффективности испытанной защитной конструкции решетчатого типа и позволяет рекомендовать эту конструкцию для применения в натурных условиях.

В Ы В О Л Ы

1. Анализ имеющихся литературных источников и нормативных документов показал, что наиболее слабо изученным является наиболее опасный случай совместного действия волн и течений на цилиндрические опоры большого диаметра, поэтому для регламентирования местных размывов требуется постановка модельных и натурных исследований с исследованием полей скоростей и размывов в окрест ности сооружений.

2. При совместном действии волн и течения во фронтальной зоне перед опорой большого диаметра образуется обширная зона раз' мыва, что является следствием образования частично стоячих волн возникновения больших градиентов порового давления в грунте при попеременном подходе гребней и впадин волн, а поступательное течение способствует транспорту наносов вниз по течению. В створах

цилиндра ±45° и ±90° зафиксировали максимальные значения глубин воронок размыва яри ширине воронок до 0,4 диаметра цилиндра. В створе ±135° размыв "тсутствует, а в створе * 165° с обеих сторон цилиндра образуются два симметричных холма с вершинами, располо- | женнымн на расстоянии 1,5-2 диаметра цилиндра. |

3. В результате исследований установлено, что в качестве |

основного критерия относительного размыва дна у опоры можно при- |

!

нять соотношение между действующими и критическими касательными {

!

напряжениями.

4. В работе предложен метод расчета вертикальных и плано- | вот размеров воронки местного размыва. Предложенный метод бази- |

руется на использовании существующих методов расчета колей при- |

|

донных скоростей в окрестности цилиндрической преграды при дей- |

отвии волн с применением коэффициента дифракции, а также метода !

расчета придонных касательных напряжений с последующей коррекги- Г

ровной данных применительно к условиям совместного действия волн |

и течений при наличии преграды. Корректирующие зависимости и ко- Г

эффициентн получены по результата!,I проведенных нами энсцеримен- |

!

гальных исследовании. ;

5. Имеются различные способы укрепления дна от размыва в $ зоне установки морских сооружений. Наиболее часто применяются |

отмостка из камня или щебня и переходных защитных зон в виде об- |

?

ратного фильтра. В условиях действия высоких волн и больших ско~ ростей точения применение отмоетни потребует использования камня [ или искусственных блоков больших поперечных размеров и веса с' | использованием трудоемкого и дорогостоящего ручного труда водо- |

лазов. |

г

6. В работе испытана эффективность работы защитной конст- 1

I

руиции решетчатого гчша из огдолииос ячеек, полость которых за- > I

|

I

полняется мелким камнем или щебнем. Установлено, что максимальные отметки размыва заполнения внутри ячеек редко превышают высоту ячеек. К преимуществам этой конструкции следует отнести вы полнение ее из отдельных ячеек, способных перемещаться одна относительно другой без нарушения целостности и эффективности все конструкции в целом.

7. Разработанные рекомендации позволяют приближенно определить параметры воронок местного размыва в окрестности гравита ционных сооружений большого диаметра. Более точные данные по местным размывам для сооружений высокого класса капитальности согласно действующим нормативным документам требуют постановки специальных исследований применительно к данным местным условие