автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Методика оценки воздействия цунами при проектировании и эксплуатации морских портов Дальневосточного бассейна

На правах рукописи

005014376

Базыкин Иван Викторович

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЦУНАМИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МОРСКИХ ПОРТОВ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО БАССЕЙНА

Специальность 05.22.19 «Эксплуатация водного транспорта, судовождение»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 мдр 20/2

Москва - 2012

005014376

Работа выполнена в ФБОУ ВПО «МГАВТ»

Научный руководитель: Доктор технических наук Литвиненко Геннадий Иванович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук Кантаржи Измаил Григорьевич

Кандидат физико-математических наук, Филиппов Юрий Григорьевич

Ведущая организация - ЗАО «Проектный институт «ГТ Морстрой»

Защита состоится 2012 г. в « часов на

заседании диссертационного совета Д 223.006.01 при Московской государственной академии водного транспорта по адресу: 117105, г. Москва, Новоданиловская набережная, д.2, корп. 1, стр. 2, Ученый совет, ауд. 306.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской государственной академии водного транспорта

Объявление о защите диссертации и автореферат размещены на сайте http://vmw.msawt.ru, на сайте ВАК http://vak.ed.gov/ru

Автореферат разослан и 2012 г.

кандидат технических наук Е.А. Корчагин

Ученый секретарь диссертационного совета Д223.006.01

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эксплуатация морских портов Дальневосточного бассейна осуществляется в условиях постоянного риска воздействия одного из самых катастрофических явлений природы - гигантских волн цунами.

Повышение интереса в мире к проблеме предупреждения цунами на настоящем этапе обусловлено произошедшими в последнее десятилетие двумя катастрофическими цунами, в результате которых погибло свыше 200 тысяч человек, а также цунами 11 марта 2011 года у берегов Японии.

Внимание всего мира было приковано к ситуации вокруг АЭС «Фукусима», поэтому практически незамеченными для средств массовой информации остались проблемы морских портов Японии, эксплуатация которых до настоящего времени нарушена вследствие катастрофических разрушений, оградительных сооружений.

Следует отметить, что авария на АЭС Фукусима также произошла вследствие разрушения оградительных сооружений морского водозабора.

Исследования, направленные на объективный и правильный учет экстремальных волн цунами, приобретают еще большую актуальность в связи с необходимостью реконструкции существующих объектов инфраструктуры морских портов.

Актуальность работы не ограничивается ее практической значимостью. Результаты выполненных исследований имеют вполне определенное научное значение: они позволяют понять и уточнить особенности физической структуры трансформации волн цунами в прибрежных мелководных районах, вероятностных характеристик этих волн районах существующих портов и перспективных площадок, а также описать процесс их взаимодействия с портовыми гидротехническими сооружениями и берегами.

Объектом исследования является оценка цунамиопасности при эксплуатации гидротехнических сооружений морских портов Дальневосточного бассейна.

Цель и задачи исследований. Цель работы - получение научно-обоснованных характеристик, обеспечивающих надежную эксплуатацию морских портов в цунамиопасных районах Дальневосточного бассейна.

3

Основные задачи работы состояли в следующем:

- разработать метод расчета высоты наката волн цунами на гидротехнические сооружения и берега;

- разработать метод оценки цунамиопасности существующих морских портов Дальневосточного бассейна и перспективных площадок размещения объектов портовой инфраструктуры;

- разработать концепцию создания средств оперативного предупреждения цунами в морских портах Дальневосточного бассейна.

Методы исследований. В процессе работы использовались:

- лабораторные данные исследования трансформации волн цунами из материалов открытой печати;

- методы теории вероятностей, подобия и размерностей при обработке результатов лабораторных исследований трансформации волн цунами в прибрежной мелководной зоне;

- вероятностные методы обработки и анализа статистических сведений о волнах цунами в Дальневосточном бассейне за многолетний период.

Научная новизна работы:

- предложены зависимости для определения высоты наката волн цунами на гидротехнические сооружения и берега;

- разработана методика районирования акваторий морских портов и перспективных площадок их строительства в Дальневосточном бассейне с учетом воздействия волн цунами;

- разработана концепция создания средств оперативного предупреждения цунами в морских портах Дальневосточного бассейна.

Практическая значимость и внедрение результатов работы. Результаты исследований могут быть использованы при расчетах нагрузок и воздействий от волн цунами на объекты портовой инфраструктуры в цунамиопасных районах.

Полученные соотношения для расчета наката волн цунами 'на гидротехнические сооружения и берега использованы при расчетах отметок зон затопления и нагрузок на гидротехнические сооружения морских водозаборов АЭС Куданкулам (Республика Индия).

Основные научные результаты могут быть использованы при дальнейших исследованиях эксплуатационной надежности объектов инфраструктуры морских портов в цунамиопасных районах.

Научная обоснованность результатов работы подтверждается:

- привлечением достоверного массива натурных данных о параметрах и вероятностных характеристиках волн цунами в Дальневосточном бассейне;

- использованием результатов современных отечественных и зарубежных лабораторных исследований наката волн цунами на сооружения и берега;

- применением методов теории вероятностей, подобия и размерностей;

- разработкой математических моделей и сопоставления расчетных данных с данными лабораторного моделирования;

- результатами внедрения полученных соотношений в практику морского гидротехнического строительства.

Апробация работы. Основные результаты работы автора были доложены им лично на международной конференции «The Tenth International Conference on The Mediterranean Coastal Environment «MEDCOAST-1 ]» (Греция, Родос, 25-29 октября 2011 г.).

Результаты работы также докладывались автором и обсуждались на заседаниях НТС ФГУ «Дирекция государственного заказчика программ развития морского транспорта» и ООО «МорТрансПроект» в 2007-2011 г.г.

Личный вклад. Научные результаты, выносимые на защиту получены лично автором.

Публикации:

Общий список публикаций автора составляет 11 научных работ.

По теме диссертации опубликовано 3 статьи, написанные как лично автором, так и в соавторстве, в том числе в журналах, рекомендованных ВАК - 2.

На защиту выносятся следующие положения диссертации:

- зависимости для определения высоты наката волн цунами на гидротехнические сооружения и берега различной крутизны;

- методика районирования акваторий морских портов и перспективных площадок их строительства в Дальневосточном бассейне с учетом цу нам иопасности;

- концепция создания средств оперативного предупреждения цунами в морских портах Дальневосточного бассейна.

Структура и объем диссертации. Содержание работы составляют введение, пять глав, заключение и список литературы.

Глава I. Сведения о морских портах Дальневосточного бассейна,

расположенных в цунамиопасных районах. Глава II. Сведения о низкочастотных волнах сейсмического

происхождения (цунами) на побережье Дальнего Востока. Глава III. Обзор методов расчета высоты наката волн цунами и их

воздействий на морские гидротехнические сооружения и берега. Глава IV. Методика расчета высоты наката экстремальных единичных волн

цунами на гидротехнические сооружения и берега. ГлаваV. Оценка' риска воздействия цунами на морские порты Дальневосточного бассейна и перспективные площадок размещения их инфраструктуры. Объем диссертации 127 страницы, в том числе 55 рисунков, 7 таблиц. Библиографический список включает 73 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении сформулированы основные цели диссертационной работы, обоснована актуальность решаемых в ней задач, обозначены методы исследований, показаны научная новизна, обоснованность и практическая значимость работы.

В первой главе приведены сведения о морских портах Дальневосточного бассейна. Отмечено, что в настоящее время в Дальневосточном бассейне России функционирует свыше 25 больших и малых морских портов. В 2010 году портами бассейна было переработано 116 млн. тонн грузов (22 % от общего грузооборота российских портов).

Сделаны следующие основные выводы:

- многолетний опыт эксплуатации этих портов показал, что практически все порты Дальневосточного бассейна, за исключением портов Хабаровского края и ряда портов западного побережья о. Сахалин, неоднократно подвергались воздействию волн цунами;

- при разработке Стратегии развития морских портов до 2030 г., выбор перспективных площадок размещения инфраструктуры морских портов в Дальневосточном регионе выполнен без учета цунамиопасности побережий.

Во второй главе описана общая характеристика возникновения волн цунами в океане их трансформации в прибрежной мелководной зоне. Рассмотрены существующие математические модели расчета высоты волн цунами в очаге землетрясения и их наката на побережья, изложенные в работах E.H. Пелиновского, С.С. Стрекалова, И.Г. Кантаржи, П.П. Кульмач,

A.Н. Марчука, С.Л. Соловьева, Т.С. Мурти, А.И.Зайцева, Г.И. Литвиненко,

B.Н. Чеброва, А.Б. Белоусова и др.

Приведены сведения о воздействии цунами на прибрежную зону Дальневосточного бассейна. Рассмотрены вероятностные методы оценки риска возникновения цунами.

По результатам второй главе сделаны следующие основные выводы:

- имеющиеся статистические сведения о подводных землетрясениях и возникновении волн цунами обосновывают высокий уровень риска этих явлений для морских портов Дальневосточного бассейна России;

- районирование морских портов Дальневосточного бассейна по цунамиопасности до настоящего времени не выполнено;

- техническое оснащение системы оперативного предупреждения цунами в Дальневосточном регионе крайне недостаточно, а в морских портах отсутствует;

- теоретические и лабораторные исследования высоты наката волн на берега, а в особенности на гидротехнические сооружения крайне скудные;

- инженерные методы расчета высоты наката волн цунами на

гидротехнические сооружения различной крутизны и берега до настоящего времени не разработаны.

В третьей главе выполнен анализ методов расчета высоты наката волн цунами и их воздействий на морские гидротехнические сооружения и берега.

Теоретические методы расчета высоты наката волн цунами базируются на аналитических решениях и обладают рядом существенных недостатков. Так, в частности, отсутствуют решения по определению наката в зоне обрушения волны цунами, что необходимо для расчета воздействий на крутонаклонные сооружения. Аналитические решения задач по накату волн цунами на берега и сооружения относятся к случаям подтопления берега без обрушения. Формула для определения высоты наката (заплеска) Л, без учета диссипации имеет вид:

где - амплитуда на глубине сі; X - длина волны на глубине с/; - расстояние от уреза воды до точки с глубиной сі (1*-%; а- уклон дна); Р.- коэффициент

формы, определяемый путем подбора репрезентативного профиля волны.

Формула для определения амплитуды наката (заплеска) /? с учетом потерь на трение имеет вид:

где 5 - коэффициент затухания волны (8=сот0% g - ускорение свободного падения.

Лабораторные исследования наката одиночных волн обобщены в монографии Л^еде! (1964). Для вычисления высоты наката предполагается

(1)

формула:

где Хаііу/а- параметры, зависящие от уклона а.

Выполненное в диссертации сопоставление теоретических расчетов для регулярных и нерегулярных волн с зависимостями, полученными но лабораторным данным представлено на рис.1.

R/H |

о -........................................1----,----1-—,---------.-----г- LR/X

О ОЛ 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Рис. 1. Сопоставление расчетных зависимостей с лабораторными. Расчетные зависимости: 1,2-Клеваштй; 3 - Сладкевич; 4 - Бухтеев; 5 - Лятхер. Лабораторные зависимости: 7 - Ямомоте и Абе; 8 - Тогаши; 9 - Конанкова;

10-Клеванный.

По горизонтальной оси графика отложены значения параметра Lr / Я , по вертикальной - R1H. Из рассмотрения рис. 1 следует, что результаты расходятся в несколько раз.

По результатам анализа, выполненного в Главе 3 сделаны следующие основные выводы:

- при расчетах высоты наката соотношения линейной и нелинейной теории волн пригодны только в области необрушенных волн, для области обрушения аналитические решения отсутствуют;

- сложность одновременного учета многих факторов при решении задачи по определению высоты наката цунами приводит к необходимости привлечения данных лабораторного моделирования;

- при расчетах набегания волн цунами на берега и откосы сооружений для конкретных объектов результаты численного моделирования в

9

сочетании с лабораторными измерениями могут быть использованы лишь в первом приближении. Необходимым звеном является рассмотрение альтернативных вариантов.

В четвертой главе представлена разработанная методика расчета высоты наката экстремальных единичных волн цунами на гидротехнические сооружения и берега.

Исследование явления наката волн цунами начато с рассмотрения одиночных волн. Эффективность исследования процесса наката одиночных волн следует из того обстоятельства, что при анализе выпадает из рассмотрения такой важный параметр, как длина волны, которая предполагается бесконечно большой.

Анализ лабораторных данных по накату одиночных волн выполнен в соответствии с положениями теории подобия и размерностей. В качестве системы определяющих параметров рассмотрены высота наката одиночных волн Я, высота исходной волны Я на глубине d, угол а - уклон откоса (а = й / Ьк , где -расстояние от уреза воды до точки с глубиной ¿О"

Функциональная зависимость между относительным накатом волн Юй и безразмерными параметрами - относительной высотой исходной волны Н М и углом а выражена в виде:

Поскольку при анализе длина волны X предполагается бесконечно, большой, постольку любая комбинация Я или d с X ( Я/А или d/X ) стремится к нулю при Я оо. По этой причине комбинации Н/Х или d/X не входят в зависимость (5).

Форма представления функциональной зависимости вида (5) неоднократно использовалась при анализе лабораторных данных. В анализ включали группы данных, построенных при фиксированных уклонах дна (а = comí), полагая:

R = f{H,d,a),

(4)

(5)

Далее искали в уравнении (3) зависимость параметров Ха и Ц>а от уклона дна. Очевидным недостатком такого представления является многопараметричность уравнения (3), что вынуждало проводить осреднение групп данных по уклонам дна.

В целях построения универсальной зависимости нами предложен принцип анализа, основанный на использовании безразмерных модулей (блоков) -комбинаций из набора безразмерных параметров. При этом вид модулей определялся на основании изучения физических свойств процесса, или теоретическим путем.

В качестве модуля предложено использование аналога - так называемого числа Ирибаррена, используемого для описания физических процессов, происходящих на откосах:

где Г - период волны; <р - угол наклона дна к горизонтальной плоскости.

Численные значения параметра Ирибаррена в зависимости от типа разрушения волны на откосе приняты из монографии Р. Bruun (1985): скользящая волна - 1г < 0.5; ныряющая - 0.5 < /г < 2.0; переходная от ныряющей к обрушивающейся - 2.0 < 1г < 2.6; переходная от обрушивающейся к вздымающейся - 2.6 < Ir < 3.1; вздымающаяся 3.1 < 1г.

В нашем анализе для низкочастотных волн длина волны Л, фигурирующая в числе Ирибаррена, заменена для случая одиночных волн на глубину d. Выражение для модуля записано в виде:

(7)

Используя выражение для длины волны к= gT/Q > паРаметР Ирибаррена

представлен в виде:

(8)

С учетом (9) зависимость относительной высоты наката R/H от определяющих параметров представлена в виде:

R

Н

f (£♦>«).

(10)

В качестве исходных данных для анализа были приняты лабораторные данные G. Hall, G. Watts (1953) и C.Synolakis (1987).

Используемые для анализа данные, в делом, охватывают широкий диапазон условий: уклоны дна а = 2.9*4 45°, относительные высоты наката Ш = 0.02+1.9, относительные глубины H/d = 0.05+0.7.

Совокупность исходных данных была представлена в виде (10) и приведена на рис. 2.

R/H 5 4

• 1 д 4 + 2 А 5 Ф 3 D 6

... • * íf« * • ■ -

_£ v: ** tátír . ♦ • • А А

++ — ♦ рт"^ < а А * А АА "l □ □ О □ ппоп

•Ч У (?) ч> 0 а □ 3

0.06

0.1

0.2 0.3

0.5

Рис. 2. Зависимость относительной высоты наката от параметра

1 - по данным Синолакиса; 2 - 6 - по данным Холла и Уатса для а = 5° (2); 10°(3); 15° (4); 25° (5); 45° (6)

Совокупность исходных данных была осреднена по интервалам совместно как для данных Синолакиса, так и для данных Холла и Уатса. Результаты осреднения представлены на рис. 3.

Процедура получения аппроксимационных зависимостей, изображенных на рис 3. в виде отрезков прямых линий была следующей. По осредненным данным

Синолакиса была построена левая часть графика. Совокупность данных при = 0.06+0.15 описывается в виде линейной функции высоты относительного наката R/H от параметра

| = 20.4£. (И)

R/H г-.................... г............-........................,...............................................-т--------------------------т_........................................................_

•06 0.1 0.2 0.3 0.5 1 2 3 4

Рис. 3. Результаты осреднения но интервалам данных, приведенных на рис. 2 (сплошные линии - аппроксимирующие зависимости)

Правая часть графика рассмотрена по осредненным данным Холла и Уатса. Совокупность данных в диапазоне волн без обрушения ¿> = 0.4+3.8 описывается в виде степенной функции высоты относительного наката волн R/H от параметра £

~ = 2.80|,"°,и. {12)

Промежуточный режим в районе максимума функции на рис. 3, характеризующий потери энергии при переходе волн от стадии обрушения к стадии без обрушения при данной схематизации процесса не рассматривается.

Одиночные, не осредненные, данные в районе максимума "заполняют" угол, образованный зависимостями (11) и (12) в диапазоне 0.15 < £ < 0.4, т.е. эти зависимости могут рассматриваться в указанном диапазоне в качестве верхних огибающих.

Режим полного отражения при £»>3.8 не представлен экспериментальными данными, однако крайние значения R/H на графике рис. 3 при & - 3.5+4.0 соответствуют теоретическому значению R/H = 2.

Результирующие зависимости для определения высоты наката одиночных волн цунами на откосы записаны в виде:

Параметр £» в формулах (13)-(15) определяется из (9).

Приведены примеры расчета высоты наката волн цунами для уклонов от 5°

В пятой главе выполнена оценка риска воздействия цунами на морские порты Дальневосточного бассейна и перспективные площадки размещения объектов портовой инфраструктуры.

Сформулирована методология районирования морских портов Дальневосточного бассейна по цунамиопасности. Отмечено, что изложенный в параграфе 2.4 диссертации вероятностный прогностический метод построения карты цунамирайонирования Тихоокеанского побережья России в целом может быть использован и для морских портов. Однако расчет высоты наката волн цунами на гидротехнические сооружения и берега необходимо выполнять по формулам, полученным автором в Главе IV с учетом реальных глубин и уклонов дна на подходах к морским портам.

В качестве основных параметров цунамирайонирования для целей эксплуатации и оценки риска разрушения объектов инфраструктуры морских портов, а также проектирования новых объектов, в настоящей работе предлагаются следующие:

- безразмерный параметр уклона дна = а

V Я

- относительная высота наката цунами (отношение высоты наката в прибрежной зоне к высоте цунами на подходах к порту) Л/Я;

- частота цунами с высотой наката более 0,5 м, А, случ. в год.

14

20,46,

при <0,21; при 0,21 < i. < 3,8; при > 3,8.

(13)

(14)

(15)

|=W.-0-25 2,0

до 60°.

Согласно предлагаемой методике для расчета высоты наката волн цунами на конкретный объект портовой инфраструктуры необходимо:

- по батиметрическим картам с учетом величины Н и глубины места определить значение безразмерного параметры уклона дна

- рассчитать значение относительной высоты наката цунами (отношение высоты наката в прибрежной зоне к высоте цунами на подходах к порту) R/H;

- рассчитать высоту наката волны цунами R в конкретной точке расположения объекта портовой инфраструктуры.

В соответствии с классификацией побережий по цунамиопасности, изложенной в разделе 2.5 диссертации, перспективные площадки для размещения портовой инфраструктуры оценены следующим образом.

К неблагоприятному, с точки зрения цунамиопасности, типу побережий (тип I) отнесены залив ГТосьета и залив Восток. Эти побережья характеризуются низменными пологими берегами. Данный тип берегов наиболее опасен, характеризуется большой глубиной проникновения водных потоков на сушу, большими площадями затопления.

К промежуточному (тип II) отнесены бухта Витязь, восточное побережье Уссурийского залива и залив Ольги.

Нижние ступени террас и вершины фиордов в этих районах могут затапливаться, в то время как более возвышенные места не подвержены действию цунами. В общем, для таких берегов характерно проникновение водных потоков на расстояние около 0,5 км.

К благоприятному (тип III) отнесены бухта Троицы, Славянский залив, бухта Суходол, мыс Красный, бухты Пяти Охотников и ГТодъяпольского, мыс Голый и бухта Безымянная, залив Находка, бухты Врангеля, Козьмина, Краковка, Рудная.

Этот тип берегов практически безопасен в отношении воздействия цунами, береговые площади почти не затапливаются. Вместе с тем крутые обрывистые

берега неудобны для строительства береговых и гидротехнических сооружений и в целом затрудняют хозяйственную деятельность.

Сформулированы основные принципы концепции создания средств оперативного предупреждения цунами в морских портах Дальневосточного бассейна. Рассмотрены исходные данные и требования к развитию системы сейсмологических наблюдений для службы предупреждения цунами в морских портах Дальневосточного бассейна.

Сформулированы общие технические и методические требования системы предупреждения цунами.

Наряду с базовыми региональными станциями предложено создать вспомогательные станции в следующих основных портах Дальневосточного бассейна: Владивосток; Находка; Восточный с районом Козьмино; Посьет; Магадан; Корсаков с районом Пригородное; Москальво; Петропавловск-Камчатский; Усть-Камчатск.

Вспомогательная портовая сейсмическая станция должна обеспечивать сейсмическими данными на уровне принятия решения о возможности цунами по сети станций, должна обеспечивать распознавание сильных землетрясений в автоматическом режиме и давать предупреждение в локальную систему оповещения населенного пункта о происходящем сильном землетрясении.

Вспомогательная сейсмическая станция должна работать в непрерывном автоматическом режиме.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании положений теории подобия и размерностей применительно к анализу лабораторных данных по накату одиночных волн получена функциональная зависимость между относительным накатом волн и безразмерными параметрами - относительной высотой исходной волны и уклоном дна.

2. Показано, что параметр Ирибаррена является необходимой составной частью для исследований типов волн, распространяющихся на откосах и высоты наката волн на откос.

3. Получены зависимости для определения высоты наката одиночных волн цунами на откосы различной крутизны. Приведены примеры расчета высоты наката одиночных волн цунами на откосы различной крутизны.

4. Выполнено районирование морских портов Дальневосточного бассейна по цунамиопасности. Определены основные параметры и режимные характеристики волн цунами на подходах к морским портам.

5. Предложена методика расчета высоты наката волн цунами на конкретный объект портовой инфраструктуры.

6. Рассмотрены исходные данные и требования к развитию системы сейсмологических наблюдений для службы предупреждения цунами в морских портах Дальневосточного бассейна.

7. Сформулированы общие технические и методические требования системы предупреждения цунами в морских портах.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Цыкало В. А., Базыкин И. В.. Анализ причин физического износа причальных сооружений эстакадного типа на сваях-оболочках. Труды Союзморниипроекта. Эксплуатационные, экономические проблемы морского транспорта и портов России. Вып. 3. М.: МГАВТ. 2002. С. 119-125.

2. Цыкало В. А., Базыкин И. В.. Методика расчета причальных сооружений эстакадного типа с учетом особенностей действия нагрузок от судов. Кафедра «Водные пути и порты» МГАВТ. Материалы научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов. Изд. «Альтиар». Москва-2004.С. 12-14.

3. Цыкало В. А., Базыкин И. В.. Техническое состояние причальных сооружений эстакадного типа на сваях-оболочках. Кафедра «Водные пути и порты» МГАВТ. Материалы научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов. Москва-2003.

4. Цыкало В. А., Базыкин И. В.. Исследование прочности бетона колонн-

оболочек причальных сооружениий Черноморских портов. Материалы научно-

17

практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов. Москва-2003.

5. Базыкин И. В.. Расчет причальных сооружений эстакадного типа на сваях-оболочках 0 1200, 1600 мм с учетом их физического износа. «Инструкция по проектированию морских причальных и берегоукрепительных сооружений» (Союзморниипроект, 2003 г.).

6. Цыкало В. А., Базыкин И. В.. Несущая способность причальных сооружений эстакадного типа на сваях-оболочках с учетом их физического износа. Материалы научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов. Москва-2005.

7. Базыкин И.В., Литвиненко Г.И. Применение многомерного статистического анализа при обработке результатов измерения прочности бетона гидротехнических сооружений //Гидротехническое строительство.-2011.-№6.-С.34-35.

8. Цыкало В. А., Базыкин И. В.. Анализ строительных дефектов и эксплуатационных повреждений морских причалов эстакадного типа на сваях-оболочках.//Г идротехническое строительство.- 2005.- №3,С.35-37.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Базыкин И.В. Совершенствование действующих норм и правил при проектировании портовых гидротехнических сооружений//Гидротехническое строительство.-2011 .-№6.-С.22-23.

2. Базыкин И.В., Литвиненко Г.И. Накат низкочастотных волн сейсмического происхождения на сооружения и берега. //Гидротехническое строительство.-2011.-№6.-С.56-59.

3. Bazykin I.V., Litvinenko G.I. Calculation Method of Tsunami Waves Run-up//. Proceedings of the Tenth International Conference on the Mediterranean Coastal Environment, «MEDCOAST-11 », 25-29 Oktober 2011, Rhodes, Greece, p. 831-839.

61 12-5/1873

ФБОУВПО

«МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА»

На правах рукописи

БАЗЫКИН Иван Викторович

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЦУНАМИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ МОРСКИХ ПОРТОВ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО

БАССЕЙНА

Специальность: 05.22.19 - эксплуатация водного транспорта, судовождение

Научный руководитель доктор технических наук Г.И. Литвиненко

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

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

Глава 1. Сведения о морских портах Дальневосточного бассейна,

расположенных в цунамиопасных районах..................... 9

1.1. Общие сведения.......................................................... 9

1.2. Основные эксплуатационные и технические характеристики морских портов, расположенных в цунамиопасных районах

Дальневосточного бассейна........................................... 13

Выводы по главе 1....................................................... 35

Глава II. Сведения о низкочастотных волнах сейсмического

происхождения (цунами) на побережье Дальнего Востока. 36

2.1. Общая характеристика явления....................................... 36

2.2. Математические модели расчета волн цунами.................... 43

2.3. Сведения о воздействии цунами на прибрежную зону Дальневосточного бассейна............................................ 51

2.4. Вероятностные методы оценки риска цунами..................... 60

2.5. Система районирования побережья Дальнего Востока

по цунамиопасности.................................................... 68

Выводы по главе II........................................................ 72

Глава III. Обзор методов расчета высоты наката волн цунами и их воздействий на морские гидротехнические сооружения и берега..................................................................... 73

3.1. Постановка задачи........................................................ 73

3.2. Аналитические решения задач по накату волн цунами

на берега и сооружения................................................. 75

3.3. Лабораторные исследования наката одиночных волн........... 79

Выводы по главе III...................................................... 84

Глава IV. Методика расчета высоты наката экстремальных единичных волн цунами на гидротехнические сооружения и берега................................................... 85

4.1. Анализ лабораторных данных по накату одиночных волн

4.2. Введение параметра Ирибаррена...................................... 87

4.3. Зависимости для определения высоты наката одиночных волн цунами на откосы различной крутизны....................... 89

4.4. Примеры расчета......................................................... 96

Выводы по главе IV...................................................... 88

Глава V. Оценка риска воздействия цунами на морские порты Дальневосточного бассейна и перспективные площадок размещения их инфраструктуры.................................. 99

5.1. Районирование морских портов Дальневосточного бассейна

по цунамиопасности..................................................... 99

5.2. Оценка цунамиопасности перспективных площадок для развития портовой инфраструктуры в Дальневосточном бассейне..................................................................... 104

5.3. Концепция создания средств оперативного предупреждения

цунами в морских портах Дальневосточного бассейна.......... 105

Выводы по главе V....................................................... 115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................... 116

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................ 120

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Эксплуатация морских портов

Дальневосточного бассейна осуществляется в условиях постоянного риска воздействия одного из самых катастрофических явлений природы - гигантских волн цунами.

Проблема своевременного предупреждения цунамиопасных ситуаций на Дальневосточном побережье России получила особую актуальность в 50-е годы прошлого века. В 1980 г. было принято Постановление Совета Министров СССР (№ 821 от 23.09.80) «О мерах по дальнейшему совершенствованию и организации своевременного предупреждения населения приморских районов Дальнего Востока о морских волнах, вызываемых подводными землетрясениями (цунами)».

Этим Постановлением предусматривалось создание в 1985-90 гг. на Дальнем Востоке единой автоматизированной системы (ЕАС) наблюдения за возникновением и распространением цунами "Цунами" (ЕАСЦ). В ходе работ по выполнению Постановления в начале 80-х гг. XX века была разработана структура ЕАСЦ, включающая в себя сейсмическую и гидрофизическую подсистемы; подсистему связи и ряд центров сбора и обработки информации. В ходе работ были проработаны методы и алгоритмы автоматизированного прогноза цунами. Однако в морских портах создание такой системы не предусматривалось.

В конце 80-х и 90-х гг. прошлого века по ряду причин, проблема цунами в России отошла на второй план и уже начатые работы были не завершены.

В соответствии с поручением Президента РФ работы по развитию средств предупреждения цунами были включены в ФЦП «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года».

Повышение интереса в мире к проблеме предупреждения цунами на настоящем этапе обусловлено сильнейшим Суматра-Андаманским землетрясением 26 декабря 2004 г., вызвавшего катастрофическое цунами, которое унесло жизни более 200 тысяч человек и нанесло значительный экономический ущерб.

11 марта 2011 года в 08:46 по московскому времени у берегов Японии произошло землетрясение магнитудой не менее 8,9. Эпицентр был расположен в 130 километрах от побережья префектуры Мияги. Вскоре на берега Японии обрушилось мощное цунами, высота волн которого в некоторых местах составила десять метров. Обширное затопление привело к отключению электричества в миллионах домов, остановке ряда АЭС и другим происшествиям. По предварительной оценке, число жертв и пострадавших составило около 23 тысяч человек.

Исследования, направленные на объективный и правильный учет экстремальных волн цунами, приобретают еще большую актуальность в связи с необходимостью реконструкции существующих объектов инфраструктуры морских портов.

Актуальность работы не ограничивается ее практической значимостью. Результаты выполненных исследований имеют вполне определенное научное значение: они позволяют понять и уточнить особенности физической структуры волн цунами в прибрежных мелководных районах, вероятностных характеристик этих волн районах существующих портов и перспективных площадок, а также описать процесс их взаимодействия с портовыми гидротехническими сооружениями и берегами.

Объектом исследования является оценка цунамиопасности при эксплуатации гидротехнических сооружений морских портов Дальневосточного бассейна

Цель и задачи исследований. Цель работы - получение научно-обоснованных характеристик, обеспечивающих надежную эксплуатацию морских портов в цунамиопасных районах.

Основные задачи работы состояли в следующем:

- разработать метод расчета высоты наката волн цунами на гидротехнические сооружения и берега;

- разработать метод оценки цунамиопасности существующих морских портов Дальневосточного бассейна и перспективных площадок размещения объектов портовой инфраструктуры;

- разработать концепцию создания средств оперативного предупреждения цунами в морских портах Дальневосточного бассейна.

Методы исследований. В процессе работы использовались:

- лабораторные данные исследования трансформации волн цунами из материалов открытой печати;

- методы теории вероятностей, подобия и размерностей при обработке результатов лабораторных исследований трансформации волн цунами в прибрежной мелководной зоне;

- вероятностные методы обработки и анализа статистических сведений о волнах цунами в Дальневосточном бассейне за многолетний период.

Научная новизна работы:

- предложены зависимости для определения высоты наката волн цунами на гидротехнические сооружения и берега;

- разработана методика районирования акваторий морских портов и перспективных площадок их строительства в Дальневосточном бассейне с учетом воздействия волн цунами;

- разработана концепция создания средств оперативного предупреждения цунами в морских портах Дальневосточного бассейна.

Практическая значимость и внедрение результатов работы. Результаты исследований могут быть использованы при расчетах нагрузок и воздействий от волн цунами при проектировании и эксплуатации объектов

портовой инфраструктуры и гидротехнических сооружений в

цунамиопасных районах.

Полученные соотношения для расчета наката волн цунами на гидротехнические сооружения и берега использованы при расчетах отметки зон затопления и нагрузок на сооружения морских водозаборов АЭС Куданкулам (Республика Индия).

Основные научные результаты могут быть использованы при дальнейших исследованиях эксплуатационной надежности объектов инфраструктуры морских портов в цунамиопасных районах.

Научная обоснованность результатов работы подтверждается:

- привлечением достоверного массива натурных данных о параметрах и вероятностных характеристиках волн цунами в Дальневосточном бассейне;

- использованием результатов современных отечественных и зарубежных лабораторных исследований наката волн цунами на сооружения и берега;

- применением методов теории вероятностей, подобия и размерностей;

- разработкой математических моделей и сопоставления расчетных данных с данными лабораторного моделирования;

- результатами внедрения полученных соотношений в практику морского гидротехнического строительства.

Апробация работы. Основные результаты работы автора были доложены им лично на международной конференции «The Tenth International Conference on The Mediterranean Coastal Environment «MEDCOAST-11» (Ереция, Родос, 25-29 октября 2011 г.).

Результаты работы также докладывались автором и обсуждались на заседаниях НТС ФГУ «Дирекция государственного заказчика программ развития морского транспорта» и ООО «МорТрансПроект» в 2007-2011 г.г.

Публикации:

Общий список публикаций автора составляет 11 научных работ.

По теме диссертации опубликовано 3 статьи, написанные как лично автором, так и в соавторстве, в том числе в журналах, рекомендованных ВАК - 2.

На защиту выносятся следующие положения диссертации:

- зависимости для определения высоты наката волн цунами на гидротехнические сооружения и берега различной крутизны;

- методика районирования акваторий морских портов и перспективных площадок их строительства в Дальневосточном бассейне с учетом цунамиопасности;

- концепция создания средств оперативного предупреждения цунами в морских портах Дальневосточного бассейна.

Глава I. Сведения о морских портах Дальневосточного бассейна, расположенных в цунамиоласных районах 1.1. Общие сведения

В настоящее время в Дальневосточном бассейне России функционирует свыше 25 больших и малых морских портов (рис. 1.1.1).

б

X Провидения ^ Эгвекинот

Анадырь

/

Г

^ г

Л л I

чк р

ч® р

и Беринговский

\

А N I

Штк &

X Усть-Камчатск

\ \ V '

(

/

^ Магадан

^Петропавловск Камчатский

х а\

)

0

Л\ Москальво

Александровсг-Сахалинский Ншшевск-яв-А^Х + Л + Шахтерск

Мыс ЛазареваX. Х^поронайск I /\ Д^Каари 4- Углегорск

ВаНИНО ^Л** &+Красногорск СоветскаяГавань X +Х Анива (Пригородное) Хммск4^ Корсаков

\ -- I

\У X Пластун

X Ольга

.X Восточный

ВладивостокХХнаходка

_Посье^Ь_

Рис. 1.1.1. Морские порты Дальневосточного бассейна

Порты заняты, в основном, перевалкой внешнеторговых и каботажных грузов. Каботажные грузы составляют 12,5 % в их грузообороте.

В 2010 году портами бассейна было переработано 116 млн. тонн грузов (22 % от общего грузооборота российских портов), в том числе 14,5 млн. тонн каботажных грузов (39,7 % от общего объема перевалки каботажных грузов в стране). Порты бассейна переваливают 16,9 % наливных и 29,9 % сухих грузов от общего грузооборота но этим видам грузов всех портов страны.

Порты бассейна можно условно разделить на три группы.

К первой относятся порты Восточный, Ванино, Владивосток, Находка и Посьет, связанные с транспортной системой страны железнодорожными подходами или трубопроводами. Пять этих портов переваливают более 72 % грузов, проходящих через бассейн.

Ко второй - порты, связанные трубопроводами с шельфовыми месторождениями Сахалина - Пригородное, Де-Кастри, и обслуживающие потребности одной компании. Их грузооборот составляет более 20 % от грузооборота портов бассейна.

К третьей группе относятся остальные 15 портов, которые расположены в местностях, где отсутствуют сухопутные коммуникации, и которые в настоящее время обеспечивают перевалку грузов для обеспечения жизнедеятельности населенных пунктов, в которых они расположены, с ближайшими окрестностями. Их пропускная способность используется на 5-50 %, и предпосылок для увеличения грузовой базы и роста грузооборота нет. Особняком стоит порт Зарубино, который имеет железнодорожные и автомобильные подходы, удачное расположение, возможности для развития и практически полностью не загруженные мощности.

По своим параметрам, условиям расположения и возможностями дальнейшего развития и их социальной значимости порты Тихоокеанского бассейна могут быть классифицированы следующим образом:

Основные федеральные порты: Восточный;

Ванино; Зарубино.

Федеральные порты Владивосток; Находка; Посьет.

Социальные порты Холмск, Магадан, Петропавловск-Камчатский.

Региональные порты Алексанров-Сахалинский, Де-Кастри, Корсаков, Москальво, мыс Лазарев, Невельск, Николаев-на-Амуре, Ольга, Охотск, Поронайск, Пригородное, Советская Гавань, Шахтерск.

Основные порты Приморского края - Владивосток, Восточный, Находка, Посьет, Зарубино.

На Камчатке находится 2 морских порта: Петропавловск-Камчатсткий и Усть-Камчатск.

В Чукотском автономном округе находится 5 морских портов: Анадырь, Певек, Провидения, Эгвекинот и Беринговский.

В Сахалинской области (рис. 1.1.2) функционируют 8 морских торговых портов: Холмск, Корсаков, Красногорск, Бошняково, Углегорск, Поронайск, Шахтёрск, и Александровск-Сахалинский. Завершается строительство морского порта в районе пос. Пригородное (залив Анива).

Морские порты Хабаровского края (рис. 1.1.2) - Ванино, Советсткая гавань, Де-Кастри, Николаевск-на-Амуре.

Рис. 1.1.2. Морские порты Хабаровского края и Сахалинской области

Многолетний опыт эксплуатации этих портов показал, что практически все порты Дальневосточного бассейна, за исключением портов Хабаровского края и ряда портов западного побережья о. Сахалин, неоднократно подвергались воздействию волн цунами.

1.2. Основные эксплуатационные и технические характеристики морских портов, расположенных в цунамиопасных районах

Дальневосточного бассейна

Морской порт Владивосток. Порт Владивосток занимает всю акваторию пролива Босфор-Восточный и бухт, вдающихся в его берега, (Золотой Рог, Диомид, Улисс, Новик), а также часть акватории Амурского залива (Рис, 1.2.1).

ч контяйнйпнпро терминала ОАО "ВМТП

Рис. 1.2.1. Схема морского порта Владивосток

Количество причалов: 17

Общая длина причального фронта: 4000 м

Основу грузовой базы порта составляют следующие грузы: грузы в контейнерах - 34%; металлы - 20%; техника и средства транспорта - 12%; целлюлоза - 9%; массовые грузы - 6%.

В настоящее время в порту действуют два контейнерных терминала: на причале № 16 «Владивостокский контейнерный терминал» (ВКТ) и на причалах № 14 и 15 «Владивостокский контейнерный сервис» (ВКС). Причалы

комплексов имеют длину 210-265 метров, глубины 11,5 метров, и могут обрабатывать суда вместимостью до 2 тыс. TEU.

В планах ОАО «Владивостокский морской торговый порт» реконструкция комплексов с доведением суммарной пропускной способности до 520 тыс. TEU (320 ВКТ и 200 ВКС) в год. В дальнейшем планируется строительство 17 причала с глубинами до 16 метров и возможностью обрабатывать суда вместимостью до 8 тыс. TEU.

В порту Владивосток кроме планов ОАО «Морской торговый порт» по развитию контейнерного бизнеса, существует еще, по крайней мере, три проекта строительства контейнерных терминалов мощностью 100-130 тыс. TEU предназначенных для обслуживания фидерных линий.

ОАО «Дальневосточное морское пароходство» планирует построить контейнерный терминал за 16 причалом торгового порта на 100 тыс. TEU в год с глубинами до 16 м и длине причала 350 м, что позволит принимать суда вместимостью до 8 тыс. TEU.

Холдинг Евразфинас планирует в районе причала № 30 Владивостокского рыбного порта (его длина 338 м, глубина 12,40 м) создать контейнерный терминал с мощностью переработки до 130 тысяч контейнеров TEU в год. После строительства терминал смог бы принимать контейнеровозы с осадкой Ими больше и вместимостью более 2 тыс. TEU.

ООО «Парк Групп» планирует строительство контейнерного терминала мощностью 100 тыс. TEL) в год на Первомайский судоремонтном заводе. Предполагается строительство причала длиной 170 м с глубинами до 10,0 м, способного принимать контейнеровозы с осадкой до 8,5 м и вместимостью 800850 TEU.

В настоящее время прорабатывается концепция создания транспортно-логистического комплекса «Южный Приморский Терминал» в районе поселка Новый (ЮПТ).

В связи с развитием города Владивосток, как центра �