автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Метод определения нагрузок от судовых потоков обтекания на крепления канала

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На права* рукописи

КИРШ Виктор Иванович

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗОК ОТ СУДОВЫХ ПОТОКОВ ОБТЕКАНИЯ НА КРЕПЛЕНИЯ КАНАЛА

Специальность

05.23.07. Гидротехническое и мелиоративное строительство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ленинград - 1990

Работа выполнена на кафедре гидротехнических сооружений и конструкций Ленинградского ордена Трудового Красного Знамени института водного транспорта.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор В.Б.Баланин

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор В.В.Дегтярен кандидат технических наук, П.А.Гарибин

Ведущая организация - ПО Волго-Балтийский водный путь

имени В.И.Ленина

Защита состоится " " ¿¡ея^гг^/г^2- £ ^ на эаседа-нии специализированного совета Д 063.38.19 при Ленинградском государственном техническом университете. ■ ^А^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Просим Вас принять участие в заседании совета, или прислать отзыв на автореферат, заверенный печатью, по адресу: 195251, Ленинград, ул. Политехническая, 29 ЛГТУ, Совет университета.

Автореферат разослан " '¿У * 1990 ГОда

Ученый секретарь специализированного совета

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Развитие речного транспорта в нашей стране характеризуется интенсивным ростом числа судов, имеющих большие габариты и мощные силовые установки, позволяющие двигаться по каналу со скоростями, близкими к вритическим.

При движении судов с такими скоростями в канале возникают сложные гидравлические явления, результатом действия которых являются весьма значительные разрушения береговых креплений и ложа канала.

В настоящее время интенсивность разрушений крепления берегов и размыв ложа каналов значительно превышает темпы ремонтно-восста-новительных работ.

Проведенные до настоящего времени исследования не позволяют с достаточной для практики точностью произвести оценку разрушающего воздействия на конструкции канала двгаопцихся с большими скоростями водоизмещающих судов, в связи с чем, для рационального проектирования и ремонта береговых креплений и ложа канала потребовалось выделить основные факторы, характеризующие процесс разрушения, определить степень иг воздействия и указать дути предотвращения этих разрушений.

Целью работы являлась разработка метода определения нагрузок от встречного потока, обтекающего движущееся по каналу судно, на крепления канала.

Научная новизна.

I. Впервые предложен метод теоретического определения параметров потока, обтекающего движущееся по каналу самоходное судно или толкаемый состав, с применением эквивалентной расчет-

ной схемы, в том числе в зоне предкритических скоростей движения.

2. На практике метод определения параметров потока обтекания с применением эквивалентной схемы применен для расчета прочности береговых креплений и устойчивости ложа канала на размыв.

3. Впервые выявлено и экспериментально подтверждено положение о том, что после прохода судна по каналу любой формы поперечного сечения происходит перемещение всей массы воды в канале на определенное расстояние в противоположном движению судна направлении и установлена зависимость перемещения

от габаритов и скорости движения судна, а также от габаритов канала.

4. Получена формула для расчета параметра

5. С помощью метода, позволяющего определить перемещение массы воды в канале при движении судна, исследована структура потока обтекания в непосредственной близости от дна и откосов канала и даны рекомендации по определению устойчивости ложа канала на размыв.

Практическая ценность работы заключается в получения надежной методики расчета параметров потока, обтекающего движущееся по каналу судно, и в возможности применения полученных данных в качестве исходных при расчете прочности береговых креплений и устойчивости ложа канала на размыв.

Полученные результаты хорошо согласуются с натурными данными и позволяют более обоснованно и надежно определять нагрузки на конструкции канала.

Апробация работы. Результаты работы докладывались в Ленинградском институте водного транспорта на заседаниях кафедры ГТС и К (Ленинград, 1987, 1988). По материалам диссертации

сделаны доклады на УП, IX, X, XI и ХП конференциях молодых научных сотрудников (Москва,. 1985, 1987, 1988, 1989, 1990).

. Публикации. Основное содержание работы отражено в 3-х Публикациях. ■

Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержацего основные результата работы, и списка литературы (76 наименований). Основное содержание работы изложено на 183 страницах машинописного текста и содержит 52 рисунка и % таблицы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, отражено значение данной работы для у.чучшения процесса' проектирования, строительства и ремонта судоходных каналов, изложены основные задачи исследований и подученные результаты.

В первой главе диссертации дается общее представление о процессах, происходящих в канале при движении судов и указываются причины, вызывающие разрушение береговых креплений при интенсивном движении самоходных судов и толкаемых составов с большими габаритами и мощностями силовых установок, составляющих в настоящее время основное ядро флота.

В связи с этим указывается на то, что главное внимание в настоящей работе необходимо было уделить изучению гидравлики встречного потока обтекания, возникающего при движении судов по ограниченному фарватеру, и влиянию этого потока на дно и откосы канала, а также на режим движения судов и их расположение по высоте на ходу для исключения возможного задевания дна канала.

Далее приводится обзор и анализ литературы по расчетам гидравлических параметров потока обтекания и описывается механизм

воздействия этого потока на конструкции канала. Большой практический интерес представляют работы В.В.Баланина, А.М.Васина, Д.А.Зернова, С.С.Кирьякова, Х.Крей, Г.Е.Павленко, К.Ремиш, Г.И.Сухомела, ИЛогхнлл, К.Хельм и других исследователей.

В этих работах показано большое разнообразие способов крепления откосов канала и методов их расчета на прочность и устойчивость, а также технологий ремонта конструкций канала в нашей стране и за рубежом. Выделены наиболее надежные способы креплений, зарекомендовавшие себя на практике.

Каждая из перечисленных работ представляет существенный интерес, однако для случаев движения судов с большими скоростями, близкими к первой критической скорости > указанные в

работах методы расчета дают ощугицую погрешность и во многих случаях могут быть применимы для определенных типов судов и каналов.

В заключении этой главы подчеркнута особая актуальность работы в связи с тем, что при неизменном поперечном сечении канала и непрерывном росте габаритов флота движение последнего происходит как правило с предкритическими скоростями, вследствии чего интенсивность разрушений креплений берегов и размыв ложа каналов значительно опережают темпы ремонтно-восстановительных работ. Поэтому необходимо было обеспечить потребность проектировщиков в подготовке надежной базы исходных данных и методов расчета нагрузок, определяющих прочность и устойчивость конструкций канала.

Во второй главе предлагается и описывается полуэмпирический подход к определению параметров потока, обтекающего движущееся по

каналу судно, с целью применения полученных результатов для расчета прочности и устойчивости креплений канала.

Показано, что теоретический подход, основанный на решении уравнений в трехмерной постановке задачи сопряжен с большими математическими трудностями и поэтому его применение в настоящее время нереально.

В данной работе предложен метод расчета гидравлических параметров потока, обтекающего движущееся судно, по эквивалентной схеме, представляющей собой вариант подхода к решению плоской задачи с помощью уравнений Бернулли и неразрывности с применением поправочного эмпирического коэффициента.

В этой схеме используется принцип относительности движения и судно принимается неподвижным, а поток воды вместе с каналом -набегающим на судно.

Указанный метод расчета, в отличии от предлагавшихся ранее аналогичных вариантов подхода к решению этой задачи позволяет в широком диапазоне скоростей движения сурна учиты-

вать неравномерность распределения скоростей и уровней воды в потоке обтекания в продольном его направлении с более высокой точностью.

Поскольку при движении судна по каналу со скоростями, близкими к первой критической ^ , скорости и уровни вода в потоке обтекания в районе нормы и в конце цилиндрической вставки корпуса по приведенным в работе данным значительно отличаются от значений средних величин этих параметров ¿^г и Л ¡7 , положенных в основу расчетов в действующих в настоящее время строительных нормах и правилах по определению устойчивости дна, откосов и береговых креплений, в данной работе при выполне-

нии таких расчетов рекомендовано использовать значения этих параметров, определенные по приведенной в работе методике, позволяющей более достоверной оценить воздействие потока обтекания на ложе канала и крепления' берегов.

Принцип определения параметров потока обтекания по предла- . гаемой эквивалентной схеме заключается в следующем.

Применяемую до настоящего времени расчетную схему, показанную на рис. 1а, согласно которой понижение уровня свободной поверхности воды, принимаемое ранее по всей длине.потока обтека--ния одинаковым и равный значению А Ь , подученной при совместном решении системы уравнений Бернулли и неразрывности, предлагается заменить эквивалентной по гидростатике'схемой, показанной на рис. 16, согласно которой понижение уровня концентрируется в одном определенном центре максимального понижения . уровня воды на величину 2, в два раза.болыцую Прежнего' понижения А $ . Условно принимается, что понижения, уровня • у носа и кормы не происходит. При этом среднее понижение уровня-по всей длине корпуса сохраняется равным а /? , и ватерлиния судна V ~ Т занимает горизонтальное положение на уровне. как и на предыдущем рисунке.

При постепенном наборе судном скорости.до,определенного значения величины относительной скорости . ~ 0,7

■ ■ • и*/

происходит равномерное понижение уровня вдоль' всего корпуса,. . При дальнейшем увеличении скорости начинается постепенный подъем уровня у носа и опускание у кормы. Судно начинает,приобретать дифферент на корцу.

Для того, чтобы отразить происходящие изменения на эквивалентной схеме, принято неизменным положений центра максимального

Эквивалентная расчетная схема

понижения уровня воды у середины корпуса до значения относительной скорости У = 0,7. При дальнейшем увеличении скорости центр максимального понижения начинает перемещаться к корме (см. рис. 1г) по экспериментально установленной зависимости:

где ' ¿7 - смещение центра максимального понижения уровня от середины судна, I - длина кордуса судна, - первая критическая скорость.

По принятой схеме судно перемещается по каналу постоянно находясь в углублении треугольной формы (в продольном сечении) с нижней вершиной треугольника, смещенной отвсимметрии к корме на величину "а" (см.рисЛг), зависящую от скорости движения по каналу.

Положение судна по высоте в этом углублении определено по законам гидростатики.

Определив положение корпуса по высоте, при возврате от эквивалентной промежуточной схемы к действительной устанавливается уровень воды в зоне потока обтекания по ватерлинии судна. По известным уровням вдоль всего корпуса определяются значения скоростей воды в потоке обтекания по условию неразрывности потока.

Такой подход позволяет относительно просто и с достаточной для практики точностью определять гидравлические параметры потока обтекания для любого типа водоизмещающего судна, для любого

4<?р

режима движения до значения первой критической скорости и в либом сечении по длине потока обтекания.

Для определения понижений уровня воды в потоке обтекания у носа и кормы судна подучены следующие формулы:

где Л Я - среднее понижение уровня воды в зоне потока обтекания, рассчитанное при совместном решении уровней Бернулли и неразрывности в плоской постановке задачи по обращенной схеме (вода набегает на неподвижное судно)

о.?)г

На рис. 2 показаны графики для определения уровней воды в потоке обтекания у носа и кормы судна, построенные в относительных величинах. Значение Д обозначает среднее понижение уровня при первой критической скорости.

По рассчитанным значениям понижений уровней у носа, кормы и середины корпуса А & , л и А $ определены по

И п

обращенной схеме площади поперечных сечений потока у носа, кормы

и середины,корцуса, обозначенные соответственно Я . Я и

" /г

Графики для определения уровней воды в потоке обтекания

Для определения скоростей воды в потоке обтекания у носа и кормы судна получены следующие зависимости:

где - среднее значение скорости воды в потоке обтекания,

рассчитанное при совместном решении уравнений Бернулли и неразрывности в плоской постановке задачи по обращенной схеме (вода набегает на неподвижное судно).

На рис. 3 показаны графики для определения скоростей воды в потоке обтекания у носа и кормы судна, построенные в относительных величинах. Значение ' обозначает среднюю величину скорости води в потоке обтекания при первой критической скорости движения судна.

Для большегрузных судов, имеющих длинную цилиндрическую вставку снижение уровня вода в потоке обтекания от носа к корме происходит по линейному закону. При движении соответственно уровню воды изменяется и положение корпуса судна по высоте, легко определяемое по тем же зависимостям, что и понижения уровней воды у носа и кормы. Этот расчет позволяет предотвратить задевание судном дна канала.

В ходе проведения экспериментов установлено, что после прохода судна по каналу любой формы сечения происходит перемеще-

Графики для определения скоростей воды в потоке обтекания

Чр г.в

16

/4 /.2 и 0.8 0.5 ОЛ 0.2 О

Корма |

I

/ 1 // / /

1 1 // // ✓

Ног

!

0>2 ОЛ 0.6 О.в

щ

¡'не. 3.

ние всей массы вода в канале в среднем на расстояние в

направлении противоположном движению судна. Установлена зависимость этого перемещения <_£> от габаритов и скорости проходящего судна и от габаритов канала. Дано объяснение этому явлению и предложена следующая формула для определения перемещения

л- '

Г / +

где I - длина судна,

- скорость судна,

- средняя скорость воды в потоке обтекания.

Кроме уровней и скоростей воды новый параметр явля-

ется важной характеристикой потока обтекания, представляющей возможность определять не только перемещение массы воды в канале, но и частиц грунта, подхваченных потоком обтекания из ложа канала и тем самым предсказывать и предотвращать его размыв и деформацию.

Для определения нагрузки на крепления канала за основу взята методика расчета, предлагаемая в действующих строительных нормах и правилах, с заменой исходных расчетных данных на уточненные в данной работе.

Среднее значение величины понижения уровня воды вдоль судна1 Л % заменено на максимальное значение его у кормы судна

Среднее значение скорости воды в потоке обтекания

также заменено на максимальное его значение по уточненным

/г

данным.

В результате видоизмененная методика для расчета нагрузки на крепления берегов представлена в следующем виде.

Условные обозначения в последующих зависимостях соответствую1? принятым в реферате и приведенным на рис. 4.

Значение нагрузки на водонепроницаемые или слабо водопроницаемые крепления берегов должно приниматься по эпюрам, показанным на рис. 4, при этом значения Р кН/м^ необходимо определять по формулам:

а) при понижении уровня воды во время прохода судна по каналу с откосами, укрепленными плитами (см. рис. 4а), если имеет значения

, то Р, = О

где Л /{.у - понижение уровня воды, м, вследствие фильтрации за креплением берега канала, &рн - динамическая составляющая давления, кН/м^, - скорость судна, м/сек,

сУу//

$' - глубина низа крепления откоса, м.

б) при понижении уровня воды во время прохода судна по каналу с креплением берегов в виде шпунтовой стенки (см.рис.46), если % , м, имеет значения

Эпюры нагрузок на крепления берегов каналов от воздействия потока.обтекания

б) Эрюры давления на шпунтовую стенку

1-ис. 4.

'Л Л? ■Ч- , то , то 4-0

, го

, то

, то

На рис. 4а и рис. 46 пунктиром на эпюрах показаны значения линейной нагрузки А , полученные при расчете в соответствии с указаниями СНи11 2.Об.04-82„ Нагрузки и воздействия на гидротехнических сооружения (волновые, ледовые и от судов)',' в которых не учитывается влияние динамической составляющей давления А р и расчет производится по средним, а не по максимальным значениям понижения уровня воды в потоке обтекания и скорости вода в потоке. Как видно по эпюрам, предложенная в СНиП методика расчета нагрузки на крепления берегов канала дает заниженные значения по сравнению с предлагаемой в диссертации методикой, отвечающей реальному положений уровней воды в канале.

В третьей главе дано полное описание выбранной методики проведения лабораторных и натурных исследований, приводится обоснование выбора масштабов лаборатор'ых моделей с подробным описанием характеристик всех лабораторных установок.

Приводятся также конструктивные особенности и характеристики предложенных и изготовленных автором работы датчиков для измерения скоростей и уровней воды и дифферента судна. Перечислены применяемые в ходе исследований приборы и вычислительная

техника заводского изготовления.

Отмечено, что основное внимание было уделено проведению натурных исследований.

В четвертой главе приведены результаты натурных и лабораторных исследований. Определена и отмечена удовлетворительная сходимость экспериментальных данных с расчетными зависимостями, полученными в диссертации.

В натурных и лабораторных сериях опытов подтвержден факт перемещения всей массы воды в канале при проходе судна на расчетную величину

Изучена кинематика и структура потока обтекания по всему его объему и особенно в придонной области.

Показана удовлетворительная сходимость опытных и расчетных данных при определении скоростей и уровней воды в потоке обтекания. Тем самым подтверждена в частности правомерность применения приведенных в диссертации расчетных зависимостей для подготовки надежных исходных данных, необходимых при определении прочности и устойчивости береговых креплений канала и устойчивости его ложа на размыв.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Основной причиной вызывающей разрушение дна, откосов и береговых креплений канала, являются сложные гидравлические явления, возникающие при движении судов.

2. Как следствие из пункта I, главное внимание в данной работе уделено изучению влияния потока обтекания, возникающего при движении судна по ограниченному фарватеру, на дно, откосы

и береговые крепления канала, и в особенности таким параметрам потока, как изменения уровней и скоростей воды, наиболее полно . характеризующим разрушающее воздействие этого потока.

3. При движении водоизмещающих самоходных судов и толкаемых . составов по каналам со скоростями, близкими к первой критической, -гидравлические процессы, оказывающие разрушающее воздействие'.на конструкции канала, резко усиливаются.

4. Для случаев движения судов по каналам со скоростями, . близкими к первой критической, существующие до настоящего времени расчетные зависимости для определения параметров потока обтекания не дают достаточной для практики точности вычислений.

5. Указанные в пункте 2 явления имеют прямую связь с величиной дополнительной посадки судна на ходу, поэтому в данной работе уделено определенное внимание и этой проблеме, изучение которой позволило более точно и обоснованно подойти к вопросу об исключении возможного задевания днищем судна дна канала и точнее указать допустимые скорости движения судов по каналам, обеспечивая при этом гарантированную безопасность плавания и сохранность дна канала от размыва.

6. Поскольку при движении судна по канаду со скоростями, близкими к первой критической, скорости и понижения уровней воды в потоке обтекания в районе кормы и в конце цилиндрической вставки по приведенным данным значительно превышают значения средних величин этих параметров, положенных в основу расчетов в существующих строительных нормах и правилах по определению устойчивости дна, откосов и береговых креплений, при выполнении таких расчетов рекомендовано использовать значения этих параметров, опреде-

ленные по приведенной в работе методике, позволяющей более достоверно оценить воздействие потока обтекания на ложе канала и крепления берегов.

7. Предлагаемый в данной работе метод расчета гидравлических параметров по эквивалентной схеме представляет собой один из вариантов подхода к решению плоской задачи движения судна

по ограниченному фарватеру с помощью уравнений Бернулли и неразрывности с применением поправочного эмпирического коэффициента.

8. Указанный в пункте 7 метод расчета позволяет в широком диапазоне скоростей движения судна учитывать неравномерность распределения скоростей и уровней воды в потоке обтекания в пределах цилиндрической вставки корпуса, в продольном направлении, с более высокой точностью, чем предлагаемые ранее методы.

9. В ходе исследований удалось установить, что после прохода судна по каналу любой формы сечения происходит перемещение всей массы воды в канале в среднем на расстояние (в направлении противоположном движению судна), которое в свою очередь зависит от габаритов, скорости судна и от габаритов канала.

10. Вычисленная величина конечного перемещения массы воды

в канале имеет важное практическое значение при определе-

нии деформации ложа канала от воздействия потока обтекания, так как конечное перемещение частиц грунта, подхваченных потоком обтекания со дна канала, связано пропорциональной зависимостью с этой величиной и для различных грунтов конечное перемещение любой частицы составляет определенную долю от параметра

&

11. Экспериментальная проверка показала удовлетворительную сходимость расчетных зависимостей, приведенных в работе и опытных

данных по определению конечного перемещения массы воды в канале после прохода судна.

12. Лабораторные и натурные серии экспериментов в широком диапазоне скоростей движения судов по каналам показали удовлетворительную сходимость опытных данных и теоретических зависимостей для определения скоростей и уровней воды в потоке обтекания, а также посадки носа и кормы судна на ходу.

13. Указанные в работе методы определения гидравлических параметров потока обтекания позволяют достаточно обоснованно подготовить исходные данные для расчета прочности и устойчивости креплений канала и произвести сам расчет.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Киреев В.И. Оценка разрушающего воздействия судов на конструкции каналов. - М., 1988, - 14 с. - Рукопись представлена ШТ. Деп. в ЦЕНТЛ 13 юол.1988, № 216-рф.

2. Киреев В.И. Определение дополнительной посадки судна при движении по каналу. М., 1988 - 13 с. - Рукопись представлена МИВТ. Деп. в ЦЕНТИ 13 июл. 1988, № 215-рф.

3. Киреев В.И. Расчет баланса объемов в процессе замещения масс воды в канале движущимся судном. - К., 1988. - 8 с. - Рукопись представлена МИВТ. Деп. в ЦШТИ 13 июл. 1988, № 214-рф.