автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Развитие методов расчета волновых и ледовых воздействий на морские гидротехнические сооружения

На правах рукописи

РОГАЧКО Станислав Иванович

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ВОЛНОВЫХ И ЛЕДОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА МОРСКИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ /' СООРУЖЕНИЯ

05.23.07 - Гидротехническое строительство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2003

Работа выполнена в Московском государственном строительном университет

Научный консультант: доктор технических наук, профессор,

Смирнов Глеб Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Костюков Виктор Дорофеевич доктор технических наук, профессор, Мирзоев Дилижан Аллахверди оглы доктор физико-математических наук, Смирнов Виктор Николаевич

Ведущая оэганизация: Федеральное государственное унитарное предприятие "СОЮЗМОРНИИПРОЕКГ'.

Запита состоится «У» ///О/¡У 2003 г. в 1530 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.03 при Московском государственном строительном университете по адресу: 107066, г. Москва, Спартаковская ул., дом 2/1. аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государсгвенного строительного университета.

Автореферат разослан « 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

2ооЗ-А

?4*9

Общая характеристика работы

Актуальность диссертационной работы. Углеводородное сырье остается основным энергоносителем и в XXI веке. В настоящее время его доля превосходит 70% от общего числа энергоносителей, потребляемых в мире. Относительно невысокая стоимость нефти и природного газа, высокая теплотворность, простая транспортабельность, многообразие, получаемых в результате переработки, нефтепродуктов и универсальность их использования в различных областях промышленности стали причиной того, что эти природные ископаемые уже в течение многих десятилетий находятся вне конкуренции с другими источниками тепловой энергии.

К настоящему времени на нашей планете осваивается большое количество месторождений углеводородов, расположенных на суше. Однако, запасов этих месторождений недостаточно для того, чтобы обеспечить дальнейшее развитие мировой экономики. В развитых, в экономическом и техническом отношении странах, была произведена разведка и обустройство морских месторождений углеводородов на континентальном шельфе. Большинство этих месторождений эксплуатируются и по настоящее время. Следует отметить, что доля добываемой на море нефти в мире составляет более трети от общего объема. Специалисты полагают, что к 2020 г почти половина добываемого объема углеводородного сырья будет осуществляться на континентальном шельфе, в том числе и замерзающих морей.

Основная площадь шельфа России занимает примерно 22% от общей площади на планете. К настоящему времени геофизической и геологической разведками установлено, что примерно 7% этой площади перспективна в отношении углеводородного сырья и основная его часть находится в замерзающих морях.

Предстоящий подъем экономики нашей страны требует существенного роста добычи нефти и газа, в первую очередь для увеличения производства электроэнергии и тепла. Решение этой важной народнохозяйственной задачи невозможно без освоения месторождений на континентальном шельфе морей нашей страны. Обустройство морских месторождений углеводородов в современных условиях связано с разработкой и строительством ледостойких морских нефтегазопромы-словых гидротехнических сооружений в открытом море, а также специализированных причальных сооружений для отгрузки добываемого сырья. Эксплуатация самого молодого флота России - нефтегазопромыслового невозможна без строительства новых портов, в том числе портов-убежищ в различных районах Арктики, тяготеющих, в географическом отношении, к перспективным месторождениям.

Успешное проектирование ледостойких морских гидротехнических сооружений, как нефтегазопромысловых, так и портовых, предназначенных для эксплуатации в суровых климатических условиях, зависит от достоверных методов расчета волновых и ледовых нагрузок. Внешние нагрузки на морские гидротехнические сооружения являются основополагающими факторами при выборе их типов и конструктивных особенностей в процессе проектирования с учетом природно-климатических условий конкретного района строительства. Объективный рас-

чет этих нагрузок позволит оптимизировать (

I, которые РОС. НАЦИОНАЛЬНА" ! БИБЛИОТЕКА I С. Петербург л\ 09 т]

должны противостоять воздействию ветрового волнения и дрейфующим торосам в замерзающих морях, обеспечивая эффективную эксплуатацию промыслов и экологическую безопасность целых регионов. Действующие в нашей стране нормативные документы по определению этих нагрузок, не содержат целого ряда рекомендаций, которые бы учитывали различные формы проектируемых сооружений и то многообразие расчетных сценариев, которые могут реализоваться в процессе их срока службы. По этой причине, развитие существующих и создание новых методов расчета волновой и ледовой нагрузок на стационарные морские гидротехнические сооружения специфичных форм представляется весьма актуальной проблемой.

Цель работы. Целью диссертационной работы является развитие и разработка новых методов расчета волновой и ледовой нагрузок, включая локальное давление льда на опоры морских гидротехнических сооружений.

Поставленная цель достигнута путем решения следующих задач:

1. Разработки методов расчета силового воздействия регулярных волн на подводное морское гидротехническое сооружение типа затопленный цилиндр и ледостойкое морское нефтегазопромысловое гидротехническое сооружение (МНГС) типа "монопод".

2. Усовершенствование метода расчета волновой нагрузки на цилиндрические преграды больших диаметров, пересекающих поверхность воды с учетом возвышения свободной поверхности по контуру.

3. Разработки методов расчета ледовых нагрузок от воздействия дрейфующих торосистых образований, с учетом их метрических и прочностных характеристик, на опорные части ледостойких морских гидротехнических сооружений цилиндрической формы.

4. Разработки метода расчета локальных давлений на опорные части ледостойких МНГС и портовые гидротехнические сооружения при их взаимодействии с ровными ледяными полями и торосистыми образованиями.

Методы исследований. Поставленная цель была достигнута использованием аналитического метода, включающего обобщение и анализ современного состояния вопроса по расчету волновых и ледовых нагрузок на морские нефтегазо-промысловые и портовые гидротехнические сооружения и развитие методов расчета, апробированных результатами экспериментальных исследований. Эксперименты проводились, как в лабораторных, так и в натурных условиях на крупномасштабных моделях.

Научная новизна исследования состоит в более совершенном, с точки зрения инженерной практики, решении задач о взаимодействии регулярных волн с затопленной цилиндрической преградой большого диаметра и морским нефтега-зопромысловым гидротехническим сооружением типа "монопод". При определении волновых нагрузок на вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра, пересекающих поверхность воды, учитывается влияние свободной по-

верхности по контуру преграды, которое приводит к соответствующему увеличению волновой нагрузки.

В процессе опытов была разработана и использована экспериментальная установка, позволяющая синхронно регистрировать вертикальную и горизонтальную равнодействующие волновой нагрузки на модели морских гидротехнических сооружений сложных форм, что позволило повысить качество результатов экспериментальных исследований с моделями затопленного цилиндра и "монопода".

Используя комплексный подход в исследовании торосистых образований в Охотском, Карском и Баренцевом морях были выявлены соотношения в их метрических и прочностных характеристиках.

Результаты экспериментальных исследований в натурных и лабораторных условиях позволили установить эмпирическую зависимость снижения интегральной прочности торосов от их пористости. Она была положена в основу развития методов расчета ледовой нагрузки от полей торошения на опорные части ледо-стойких МНГС.

Крупномасштабные эксперименты позволили получить опытные значения коэффициентов торосистости в зависимости от относительного диаметра опорной части ледостойких сооружений и метрических характеристик расчетной модели тороса.

Предложен метод расчета суммарной ледовой нагрузки на основании принципа суперпозиции (от каждой из частей торосистого образования с учетом их метрических и прочностных характеристик).

Разработан метод расчета максимальных значений локального ледового давления на опорные части проектируемых ледостойких морских гидротехнических сооружений с учетом площади контакта, прочностных свойств, а также скорости дрейфа и толщины ледовых образований.

Практическая значимость.

Практическая значимость состоит в развитии и разработке методов расчета волновых нагрузок на сооружения типа затопленный цилиндр, "монопод" и вертикальные опорные части в виде цилиндров большого диаметра в зависимости от размеров сооружения, расчетных параметров волн и глубин воды в месте установки сооружения.

Результаты исследований могут быть использованы при: назначении расчетных значений метрических и прочностных характеристик торосистых образований на основании материалов инженерных изысканий в конкретном районе строительства морских гидротехнических сооружений; определении ледовых нагрузок на ледостойкие МНГС от воздействия расчетного торосистого образования; расчетах локальных давлений льда на опорные части проектируемых гидротехнических сооружений при их взаимодействии с ровными ледяными полями и полями торошения.

Внедрение результатов работы. Рекомендации по определению волновых и ледовых нагрузок на ледостойкие морские нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения предложены в первую редакцию ведомственного Свода Пра-

вил по проектированию ледостойких платформ. Кроме этого, рекомендации по расчету ледовой нагрузки от воздействия торосов на ледостойкие морские гидротехнические сооружения и по определению максимальных значений локальных ледовых давлений включены в ведомственный нормативный документ Р 31.3.0701 "Указания по расчету нагрузок и воздействий от волн и льда на морские гидротехнические сооружения", которые дополняют и уточняют СНиП 2.06.04 - 82*. Данные нормы утверждены Департаментом регулирования производственной деятельности морских портов Министерства транспорта России и введены в действие с 1 января 2002 г.

Настоящая работа решает крупную народнохозяйственную проблему по проектированию, строительству и эксплуатации ледостойких морских нефтегазо-промысловых и портовых гидротехнических сооружений, требующих развития методов расчета волновых и ледовых нагрузок. Диссертация является итогом комплексных исследований по целому ряду государственных научных программ, а также международных проектов "Выбор сооружений континентального шельфа для арктических регионов" и "Устойчивость ледостойких нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений в арктических морях", которые были поддержаны Европейским Союзом в рамках Международной ассоциации по содействию сотрудничества с исследователями новых независимых государств бывшего СССР (ШТАБ-МБ).

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

1. Усовершенствованный метод расчета волновых нагрузок на вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра, учитывающий влияние возвышения свободной поверхности по контуру преграды.

2. Метод расчета волновых нагрузок на затопленные вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра, основанный на теории дифракции с использованием концепции волн малой амплитуды.

3. Метод расчета волновых нагрузок на морские нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения типа "монопод", основанный на теории дифракции с использованием концепции волн малой амплитуды.

4. Методика определения расчетных значений метрических и прочностных характеристик торосистых образований.

5. Эмпирическая зависимость снижения интегральной прочности торосов от их пористости.

6. Методы расчета ледовой нагрузки от воздействия дрейфующих торосистых образований на ледостойкие МНГС.

7. Рекомендации по учету локального давления льда на гидротехнические сооружения в зависимости от площади контакта, прочностных характеристик, типов и толщины ледовых образований, а также скорости их дрейфа.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: Всесоюзной конференции и совещания по гидротехнике (Одесса, 1981 г); Всесоюзной научно-технической конференции

"Проблемы проектирования, строительства, реконструкции и технической эксплуатации водно-транспортных гидротехнических сооружений" (Одесса, 1989 г); международной конференции 13th "Offshore Mechanics and Arctic Engineering" (Houston, USA 1994); международных конференциях "Освоение шельфа арктических морей России", состоявшихся в г. Санкт-Петербурге в 1997 и 1999 гг.; международных конференциях 16th "Offshore Mechanics and Arctic Engineering" and 14th "Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions" (Yokohama, Japan 1997); международной конференции 15th "Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions" (Finland, Helsinki 1999); международной конференции 16th "Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions" (Canada, Ottawa, Ontario 2001).

Публикации. Результаты настоящей работы опубликованы в 24 научных статьях, изданных в трудах российских и международных конференций как единолично, так и в соавторстве, в учебном пособии МГСУ, а также в научных отчетах общим объемом около 21 усл. п. л.

Личный вклад автора состоит в: общей постановке задач исследований; анализе состояния проблем; постановке задач аналитических и экспериментальных исследований; организации и проведении экспериментальных исследований; обработке, анализе и обобщении результатов; разработке рекомендаций по расчету волновых и ледовых нагрузок на морские гидротехнические сооружения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Она содержит 312 страниц текста, 115 рисунков, 50 таблиц, 221 использованного источника, одного приложения.

Во ВВЕДЕНИИ диссертационной работы показана ее актуальность, сформулированы цели, поставлены соответствующие задачи и методы их решения.

В первой главе диссертации приведен обзор работ, выполненных как в нашей стране, так и за рубежом, посвященных исследованиям силового воздействия ветровых волн на вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра, а также на затопленный цилиндр и "монопод". Воздействием волн на цилиндрические преграды в нашей стране занимались ряд исследователей: A.A. Каспарсон, Д.Д. Лаппо, В .В. Каплун, Ю.М. Крылов, М.Д. Хаскинд, М.Ф. Барштейн, Б.Х. Глу-ховский, В.П. Фуртенко, Ю.З. Алешков, C.B. Иванова, Ю.Б. Майоров, С.С. Мищенко, Д.А. Мирзоев, И.Ш. Халфин, Ю.Н. Шестаков М.В. Бухтоярова, O.A. Гайдук и др. К числу зарубежных исследователей, опубликовавших свои работы по этой проблеме можно отнести Morison J.R., OBrien М.Р., Jonson J.W., Shaff S.A. MacCamy, R.C., Fuchs R.A., Bonnefille Rene et German, Chacrabarti, Subrata K., Jam William A., Tarn W.A., Mogridge G.R., Jemison W.W., Garrison C.J., Chow P.Y. и др.

По результатам этих работ, как в нашей стране, так и за рубежом, были разработаны нормативные документы, которые на протяжении десятилетий успешно применялись в проектной практике, постоянно совершенствуясь с учетом новых научных достижений, полученных на основании аналитических и экспериментальных исследований. Так всероссийский нормативный документ СНиП 2.06.04-

82* с достаточной степенью точности позволяет рассчитывать волновую нагрузку на вертикальные обтекаемые цилиндрические преграды при глубинах воды d > dCT.

Волновую нагрузку на вертикальные цилиндрические преграды больших диаметров при глубинах воды больше критических d > dcr и D/X >0,1, следует определять с учетом явления дифракции. Основополагающим решением задачи о дифракции регулярных волн на вертикальном круговом цилиндре является решение М.Д. Хаскинда, в котором получены выражения для определения гидродинамического давления по высоте цилиндра в любом сечении ниже статического уровня и соответствующей суммарной горизонтальной волновой нагрузки. Рекомендации ведомственных норм ВСН 41.88 основаны на теории дифракции и применимы в следующем диапазоне безразмерных параметров - при DЛ, = 0,2 + 1 и d/Я. £ 0,175, а также при D/X > 0,4 и d/X > 0,175. Поправочный коэффициент ведомственных норм, учитывающий влияние возвышения свободной поверхности по контуру цилиндрической преграды при расчете горизонтальной равнодействующей волновой нагрузки, основан на решении, которое содержит неточность. Применение этого коэффициента приводит к занижению волновой нагрузки. Следует особо отметить, что при глубинах воды d/X < 0,2 может нарушаться гармоничность волнового профиля, что необходимо учитывать соответствующими приближениями.

В процессе проектных проработок обустройства разведанных месторождений углеводородов на шельфе замерзающих морей, в СССР уже в 70-е годы прошлого столетия возникла потребность в создании нормативной базы для проектирования ледостойких морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений в условиях открытого моря. Такие сооружения имеют конструктивные отличия от портовых гидротехнических сооружений. Это в первую очередь относится к подводному сооружению типа затопленный цилиндр и к ледостойкому типа "монопод".

Задача о силовом воздействии волн на затопленный цилиндр была решена В.В. Яковлевым аналитически в рамках теории длинных волн и, на ее основе, разработаны рекомендации ведомственных норм ВСН 41.88 по расчету вертикальной и горизонтальной равнодействующих волновой нагрузки, а также суммарного опрокидывающего момента на подводные гидротехнические сооружения в виде затопленного цилиндра. Однако применение этих рекомендаций в ряде случаев приводит к значительным неточностям. Так как в России к настоящему времени не реализовано ни одного проекта по обустройству морских месторождений, разработка которого была бы осуществлена отечественными специалистами, то существенная часть рекомендаций данного нормативного документа не была, в достаточной степени, апробирована на практике. Данная задача решалась и зарубежными исследователями. Положенные в основу их решения предпосылки, не позволяют использовать полученные результаты при умеренных глубинах воды.

Существующее аналитическое решение задачи о взаимодействии длинных волн с сооружением типа "монопод" не может быть основой для разработки реко-

мендаций по расчету волновой нагрузки, так как не полностью подтверждается результатами экспериментальных исследований.

Рекомендации всероссийских и ведомственных норм по расчету волновых нагрузок на цилиндрические преграды нуждаются в совершенстве и требуют коррекции относительно их применимости в проектной практике, учитывая, что в течение длительного времени они не обновлялись.

Во второй главе, в рамках теории волн малой амплитуды в жидкости конечной глубины, была решена задача о дифракции поверхностных гравитационных волн на затопленном цилиндре и "моноподе" и получены расчетные зависимости для определения вертикальной и горизонтальной составляющих волновой нагрузки, а также суммарного опрокидывающего момента на гидротехнические сооружения данного типа. Учтено влияние возвышения свободной поверхности воды у опорных частей морских гидротехнических сооружений в виде цилиндрических преград большого диаметра при расчетах волновых нагрузок.

На затопленный неподвижный цилиндр радиуса - Ь и высотой - (<12- с!|) (см. рис. 1) набегают плоские регулярные волны малой амплитуды.

Рис. 1. Расчетная схема взаимодействия регулярных волн с затопленным цилиндром

Потенциал скорости ср, представляется в виде ряда по функциям Бесселя:

Р^^^е'^а^Моовтб. (1)

сИк^Ы, „.о

Потенциал скорости ф2при г > Ь представляется в следующем виде:

= «**&-«) (, (2) сИЫг V со )

где потенциал скорости рассеянных волн - р,, с учетом условия затухания на бесконечности отраженных от цилиндра волн, может быть представлен в виде ряда по функциям Ханкеля 2-го рода:

<9,=$,А.Н®(ь)аям6. (3)

м-0

Потенциалы скорости ф] в области 0<г<Ьиф2, ав области г > Ь удовлетворяют уравнениям Гельмгольца: У2ф, + к,2ф, = 0, У2ф2 + к2ф2=0

и следующим граничным условиям на поверхности жидкости на расстоянии - Ь от оси цилиндра:

ли f

(4)

' »и*

После подстановки выражения (1) и (2) с учетом (3), в граничные условия (4), была получена система линейных алгебраических уравнений для нахождения (4), и определения, таким образом, потенциалов скорости во всей области решения. При определения давлений на верхнюю и боковую поверхности цилиндра было использовано известное соотношение:

Pn=-p% = -p0Re[/?„]> (5)

et

где n = 1,2.

Силы Fx и F» действующие по осям X и Z на затопленный цилиндр, и максимальный общий опрокидывающий момент М™, относительно точки Oi (см. рис. 1), были определены интегрированием давлений Рп по соответствующим поверхностям.

После промежуточных преобразований были получены соотношения для определения максимальных нагрузок и опрокидывающего момента:

Fr=Pghnbshf>-^k,, (6)

kchkd2

где kx - функция от дифракционного параметра, соответствующая максимуму горизонтальной нагрузки (см. рис. 2);

J.--2 pghb'-l-k,, (7)

chk^d,

где kt - функция от дифракционного параметра, соответствующая максимуму вертикальной нагрузки (см. рис. 2);

M" = Frfa -<*>',-FrbM'y lk„ (8)

где h'z и M'y - коэффициенты опрокидывающего момента соответственно от горизонтальной и вертикальной волновых нагрузок на затопленный цилиндр, определяемые по графикам на рис. 3 и рис. 4.

кх. 7

0,75 0.5 0,25 О

(7CD)A.

Рис. 2. Коэффициенты кх, кг для расчета вертикальных и горизонтальных нагрузок на затопленный цилиндр

Ыг

0,53 т-----

0,52

0,51 0,5

Ch[k(d2-d,)]

1.1

1.2

1,3

1.5

Рис. 3. Коэффициент Ъ'г для расчета момента от горизонтальной нагрузки на затопленный цилиндр

М'у

0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

(TtD)A

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Рис. 4. Коэффициент М'у для расчета момента от вертикальной составляющей волновой нагрузки на затопленный цилиндр

Полученные таким образом расчетные зависимости были использованы для сравнения с результатами соответствующих экспериментальных исследований, а также для разработки рекомендаций по расчету горизонтальной и вертикальной равнодействующих волновой нагрузки и суммарного опрокидывающего момента на подводные гидротехнические сооружения типа затопленный цилиндр.

Задача о воздействии регулярных волн на морское нефтегазопромысловое гидротехническое сооружение типа "монопод" решалась следующим образом. На затопленный цилиндр радиуса - Ь и высотой - (<А2 - <11), на котором расположен соосно цилиндр-колонна радиуса - а (рис. 5), набегают плоские регулярные волны малой амплитуды.

Рис. 5. Расчетная схема взаимодействия регулярных волн с МНГС типа "монопод"

Потенциал скоростей при айгйЬ представляется в виде ряда: * (9)

Потенциал скоростей при г > Ь был представлен в виде: _ М{а2 -г)( ¡ф!2 1кгса6

сИЫ2 V ш

М)}'", (10)

где <р,, с учетом условия затухания на бесконечности отраженных от "монопода" волн излучения, записывается в виде ряда по функциям Ханкеля 2-го рода: где <р,, с учетом условия затухания на бесконечности отраженных от "монопода" волн излучения, записывается в виде ряда по функциям Ханкеля 2-го рода:

' овтб. (И)

м*0

.Потенциалы скоростей <р2 в области г>Ьи в области а< г < Ь удовлетворяют уравнениям Гельмгольца: У^р. + кДр^О, У2ф2 + к2ф2=0

и следующим граничным условиям на поверхности жидкости и боковой поверхности "монопода":

- непрерывность поверхности жидкости;

дг

дг

_ёЧ> 2 " дг

= 0.

- равенство скоростей;

- скорость на боковой поверхности.

Волновые числа к и к| были определены из соотношений:

к =

к,=

(12)

(13)

&КЫ2) - &КкАУ После подстановки выражений (9) и (10) с учетом (11) в граничные условия (12) и решения полученной системы линейных алгебраических уравнений, были найдены коэффициенты ат, /5„ и 6Я. С помощью значений ат, рт и <5„, были полностью определены потенциалы скоростей во всей исследуемой области. Гидродинамическое давление, оказываемое полным волновым полем, было вычислено с помощью линеаризованного уравнения Бернулли:

Рп /»И**.], (14)

гдеп = 1,2.

С учетом промежуточных преобразований были получены аналитические зависимости для определения максимальных значений горизонтальной и вертикальной составляющих волновых нагрузок в следующем виде:

РГ + Л» = (15)

где , - силы, действующие на основание и колонну;

- 1рФ\(ь2 -а2У/, (16)

где А, = А, = ~тт~г> а зависимости // - представлены на

-(¡¡)спк(а1) сНк^]

рис. 6 И 7.

ад, хк

1.2 1 ,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

Г хк

V

к,акЬ

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

Рис. 6. Коэффициенты Р'хк и Р'м для расчета горизонтальной составляющей волновой нагрузки на "монопод"

р,

к,2(Ь2-а2)кЬ

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0

Рис. 7. Коэффициент для расчета вертикальной нагрузки на "монопод"

Максимальный общий опрокидывающий момент на "монопод" был представлен как сумма моментов сил, приложенных к основанию, его поверхности и опорной колонне:

(17)

«Г -¿.>1 -ТКут*

где с2

= - ■ ——, а значения коэффициентов л;, с\, М' - представлены на

2 Л

рис. (8) + (10).

И

0,55 0,54 0,53 0,52 0,51 0,50

сЦк^-а,)]

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

1,50

Рис. 8. Коэффициент Ь'2 для расчета момента от горизонтальной составляющей волновой нагрузки на основание "монопода" С'х

0,70 0,65 0,60 0,55

0,50

— — -—" ------- ---

— —--

сЬка2/сЬк(<12-с1,)

I

ю

Рис. 9. Коэффициент с'г для расчета момента от горизонтальной составляющей волновой нагрузки на колонну "монопода"

0,1

(itD )/k

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Рис. 10. Коэффициент M'y для расчета момента от вертикальноЗ составляющей волновой нагрузки на "монопод"

0.4

В классическом решении М.Д. Хаскинда о дифракции волн на вертикальной цилиндрической преграде, суммарная горизонтальная составляющая волновой нагрузки определяется путем интегрирования волнового давления по поверхности цилиндра от статического горизонта до дна.

Явление дифракции приводит к неравномерному повышению уровня взволнованной поверхности у цилиндрических преград большого диаметра над статическим горизонтом. По этой причине влияние возвышения взволнованной поверхности по контуру цилиндрической преграды следует учитывать при расчетах волновой нагрузки.

В качестве первого приближения, при решении поставленной задачи, предполагалось, что эпюра давления от линии пересечения взволнованной поверхности с кошуром цилиндра до статического горизонта распределяется по гидростатическому закону рис. 11.

Рис. 11. Схема расчета дополнительной нагрузки на цилиндр с учетом возвышения взволнованной поверхности

В таком случае, если проинтегрировать по контуру надводной части цилиндра горизонтальную по лучу волны силу, то можно получить дополнительную силу ДР к горизонтальной равнодействующей волновой нагрузки на вертикальный круговой цилиндр большого диаметра (БЛ, > 0,2).

мЛр&В^сохШ,

(18)

где х - возвышение взволнованной воды поверхности у цилиндрической преграды; 0 - угол в полярной системе координат. Суммарная волновая нагрузка

¥ = + & , (19)

где Р„ = -/#ЛяС,£>2*Ш. (20)

8

Разделив каждый член уравнения (19) на Рр, было получено выражение коэффициента кп, учитывающего добавку к горизонтальной нагрузке Е0,

4ып " ып

К = -2-= (21)

pghnC,D thkd

C,nthkd,

4

где а = —

7tC,

nD

Значение а, в зависимости от безразмерного параметра представлены

на рис. 12.

тЮ!Х

Рис. 12. График зависимости значений а от безразмерного параметра TtD/X.

Данное решение позволяет более корректно рассчитывать величину волновой нагрузки на морские гидротехнические сооружения, опорные части которых представлены цилиндрическими преградами большого диаметра. Применимость этого подхода справедлива как на глубокой воде, так и в условиях относительного мелководья, но при глубинах воды больше критических (d > d^).

Третья глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям силового воздействия волн на затопленный цилиндр, "монопод" и вертикальные

цилиндрические преграды. В ней изложены критерии подобия и правила моделирования, подробно описаны: экспериментальная установка; программы и методики проведения опытов; результаты экспериментальных исследований.

Исходя из опыта проведения подобного рода экспериментальных исследований, при приведении опытных данных к натурным условиям, в настоящей работе использованы следующие зависимости, определяемые моделированием по критерию Фруда:

Индексы "м" и "н" относятся соответственно к модели и к натуре.

/—время;

V— скорость;

(О - ускорение;

F- волновая нагрузка;

Лм - линейный масштаб моделирования;

Г = Ь"1ЬМ, где Ь" , Ьм - линейные размеры натуры и модели.

С помощью экспериментальной установки, представленной на рис. 13, при проведении опытов синхронно регистрировались горизонтальные и вертикальные суммарные составляющие волновой нагрузки на модели затопленного цилиндра и "монопода".

V" =Ум4г ю" =<о"4г

ю" =а>"

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

/у = рум хм3.

Рис. 13. Экспериментальные установки с затопленным цилиндром и "моноподом"

1 - металлические планки для фиксации модели на тросах.

2 - натяжное устройство, 3 - датчик вертикальной нагрузки; 4 - тарировочное кольцо; 5 - консольная балка в обтекателе, 6 - верхний датчик, 7 - нижний датчик; 8 - цементный раствор. 9 - донная плита; 10 - крепежный тросик; 11 - резиновый бандаж;

12 - натяжное устройство горизонтального положения модели;

13 - продольные растяжки; 14 - опорная плита.

Принятая в настоящей работе программа экспериментальных исследований, предусматривала проведение опытов с затопленным цилиндром в соответствии со схемами, представленными на рис. 14, а с моделью "монопода" - на рис. 15.

а) при с = 0,12 м б) при с = 0,06 м в) при с = 0,30 м

Рис. 14. Схемы испытаний затопленного цилиндра

Экспериментальные исследования силового воздействия регулярных волн и суммарного опрокидывающего момента на затопленный цилиндр были проведены при трех относительных возвышениях верхнего торца модели над уровнем дна 0,1 < с/<1 < 0,5 и относительных глубинах воды в опытах 0,16 < А1Х < 0,67. При этом дифракционный параметр %П/Х изменялся от 0,6 до 1,47.

Изучение силового воздействия волн на модель нефтегазопромыслового гидротехнического сооружения типа "монопод" происходило при двух относительных возвышениях верхнего торца основания сооружения над уровнем дна в диапазоне 0,13 < c/d < 0,4 и относительных глубинах воды в лотке 0,125 ^ d/Я 5 0,5. Дифракционный параметр находился в пределах 0,63 < жП/\ < 1,83, а соотношение диаметра опорной части к диаметру основания 0,156 < D,/D < 0,31.

Программой также предусматривались опыты с моделями вертикальных цилиндрических преград, пересекающих свободную поверхность воды, диаметром 0,13; 0,25 и 0,35 м (0,14 < tiDA, < 0,91), как в условиях глубокой воды, так и относительного мелководья (0,12 <dJX< 1,4).

Четвертая глава содержит анализ опытных данных по волновым нагрузкам на затопленный цилиндр, "монопод" и вертикальные цилиндрические преграды. Опытные значения горизонтальной и вертикальной равнодействующих волновой нагрузки на затопленный цилиндр, полученные в диапазоне исследованных параметров:

0,1 - 0,4; -5- = 0,09 - 0,7; — = 0,35 -1,76,

сравнивались с результатами расчета по рекомендациям ВСН 41.88 и по зависимостям (15) и (16). Результаты сравнения, представленные на рис. 16.а, б, выявили расхождения между опытными и расчетными (вычисленными по рекомендациям норм) значениями волновой нагрузки.

Fx' = Fx/pgh'b(d2-d,)

2,5 ■ 2 1,5 1

0,5 0

c/d=0,2

1 -л

________ 1 1

У

0 0,5 1 1,5

shk(d7 -d,)

где h' = h

k(d2 -dt)chk(d2)'

kD/X

Рис. 16.а. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений горизонтальной составляющей волновой нагрузки

1. _____ ВСН 41.88;

2. — — — - по методике автора;

3. ■ экспериментальные значения автора.

Б^Рг/р^Ь2

1,8 1,6 1.4

1,2 1

0,8 0,6

с/а=о,2

1 ^

и

1

"" ......'рКц^-*.

1

жВ/к

0,5

где А, =

1,5

Рис. 16.6. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений вертикальной составляющей волновой нагрузки

ВСН 41.88;

2. — — — - по методике автора;

3. ■ экспериментальные значения автора.

Расчетные значения горизонтальной равнодействующей волновой нагрузки на затопленный цилиндр превышают опытные в среднем на 18,5%, а вертикальной равнодействующей - в среднем на 16,7% меньше опытных. Расчетные значения волновой нагрузки, вычисленные по зависимостям, полученным автором, удовлетворительно совпадают с результатами опытов (см. рис. 16.а, б).

Данное сопоставление показало, что применение рекомендаций действующих ведомственных норм в инженерной практике приводит к однозначному завышению горизонтальной составляющей волновой нагрузки и занижению ее вертикальной составляющей при проектировании подводных гидротехнических сооружений в виде затопленного цилиндра.

Результаты экспериментальных исследований силового воздействия волн на "монопод" сравнивались с расчетом в соответствии с аналитическим решением автора. Как показало сравнение, представленное на рис. 17, выявленные расхождения, как для горизонтальной, так и для вертикальной составляющих волновой нагрузки на "монопод" находятся в интервале (10%, что в принципе соответствует погрешностям измерений при проведении такого рода экспериментальных исследований.

расчетная зависимость автора

1

/ 1

• ^ ♦ Рх экс ■ Рх по перимент жяету Я» автора — овлева В.

3.

кЛа2-к-Ь

0,000 0,100 0,200 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700

Рис. 17.а. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений горизонтальной равнодействующей волновой нагрузки на "монопод"

Е^Р^р^^-а2) расчетная зависимость автора 1,6

1,4 1,2 1

0,8 0,6 ■

1 А —+- в Гг по расчету Яковле _\ лРгэкспериментавто ваВВ — за

-ЯП,

А А

■ 1. " Гт»

■

к12-(Ь2-а2)-Ь-к

1

Рис. 17.6. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений вертикальной равнодействующей волновой нагрузки на "монопод"

Опытные значения волновой нагрузки на цилиндрические преграды сравнивались также с расчетными по рекомендациям, действующих ныне, нормативных документов СНиП 2.06.04-82« и ВСН 41.88.

Сравнение результатов опытов на глубокой воде (при ¿/X > 0,5) показало, что для модели цилиндра И = 0,13 м расчет по СНиП 2.06.04-82* приводит к занижению волновой нагрузки в пределах от -2,58% до -7,66%, а для моделей цилиндров диаметром 0,25 и 0,35 м в среднем на -12,6% и-14,9% соответственно.

Опытные значения волновой нагрузки для цилиндрических преград диаметром 0,25 и 0,35 м, полученных в условиях мелководья (0,12 < д/Х <, ОД 1) при 0,3 < ■кО/Х < 0,6 и 0,011 < ЬА ^ 0,041, сравнивались с расчетными, только в соответствии с рекомендациями ВСН 41.88, так как рекомендации всероссийских норм в данном случае выходят за пределы их применимости. Анализ сравнения опытных и расчетных значений волновой нагрузки показал, что выявленные расхождения находятся в пределах точности проведения экспериментов (-6,8% + 5,7%).

На рис. 18 в графическом виде представлены безразмерные опытные и расчетные значения горизонтальной равнодействующей волновой нагрузки на вертикальные цилиндрические преграды в зависимости от пО/Х.

Расчетные значения волновой нагрузки по рекомендациям СНиП 2.06.0482* и ВСН 41.88 определялись как для условий глубокой воды, так и для относительного мелководья. Кривая 1 была построена для глубокой воды при d/>„ > 0,5 с использованием опытных параметров волн для цилиндрических преград диаметром 0,13; 0,25 и 0,35 м. Дифракционный параметр находился в пределах 0,14 < яШ. < 0,9, а крутизна волн - 0,01 < h/A, < 0,05.

С целью анализа применимости рекомендаций СНиП 2.06.04-82* эта кривая была продлена до предельных для этих норм значений jiD/X = 1,2 при h/Л. = 1/40. Кривая 1 ' построена для условий относительного мелководья (d/X = 0,15) при 0,3 < tiD/X й 1,2 и h/X. = 0,1.

F'„=2F/pghb2th(kd)

Рис. 18. Сравнение опытных и расчетных значений волновой нагрузки на цилиндрические преграды

♦ - экспериментальные данные Гайдука O.A. (относительное мелководье);

® - экспериментальные данные автора (глубокая вода);

О - экспериментальные данные автора (относительное мелководье);

И - MacCamy R.C. и Fuchs R.A. (глубокая вода);

□ - MacCamy R.C. и Fuchs R.A. (относительное мелководье);

1 - СНиП 2.06.04-82* (глубокая вода);

1' - СНиП 2.06.04-82* (относительное мелководье);

2 - ВСН 41.88 (относительное мелководье); 2' - ВСН 41,88(глубокая вода);

3 - дифракция; 3' - дифракция с ДР.

Следует отметить, что выбранное значение относительной глубины d/A. фактически является предельным для данного нормативного документа. Это утверждение относится и к принятой в расчетах крутизне волны h/iL

Кривая 2 построена с использованием параметров волн, зарегистрированных в опытах в условиях относительного мелководья. Для анализа применимости рекомендаций ВСН 41.88, была построена и расчетная зависимость 2', (которая соответствует глубокой воде. При этом дифракционный параметр находился в пределах 1,0 < TiDA, < 1,5, а крутизна волн - 0,03 < h/A. < 0,04. На рис, 18 также представлена расчетная зависимость 3, соответствующая концепции теории дифракции волн, которая рассчитывалась по опытным значениям параметров волн. Кривая 3 соответствует интервалу 0,9 < TtD/A. S 1,5 и следующим безразмерным параметрам: d/X > 0,5; 0,03 < h/A, < 0,04. Учет возвышения гребня волны по контуру цилиндрической преграды, при использовании теории дифракции, приводит к увеличению волновой нагрузки и соответствующему стремлению расчетной зависимости 3 к 3'. При построении 3' использовались те же значения соответствующих безразмерных параметров, что и при расчете кривой Г.

При сравнении методов расчета, кроме экспериментальных данных автора использовались и результаты опытов других исследователей. Так, MacCamy R.C. и Fuchs R.A. проводили опыты, как в условиях глубокой воды, так и относительного мелководья. Экспериментальная программа O.A. Гайдука была реализована в волновом лотке, выгороженном в мелководном бассейне Отраслевой научно-исследовательской лаборатории морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений Московского Государственного Строительного Университета. Опыты проводились с моделью цилиндрической преграды равной 0,3 м только в условиях мелководья при 0,1 S dJX S 0,3 и 0,04 S hJX < 0,11.

Сравнение опытных и расчетных значений волновой нагрузки на модели цилиндрических преград показало, что расчетная зависимость 1, по рекомендациям СНиП 2.06.04-82* для глубокой воды, находится на нижней границе поля экспериментальных точек. Можно отметить, что на глубокой воде использование этих рекомендаций приводит к однозначному занижению волновой нагрузки в исследованном диапазоне. С увеличением дифракционного параметра (лБ/Я->1,2) зависимость 1 стремится к расчетной зависимости 3. Аналогична* зависимость в условиях мелководья (кривая 1') смещается вверх и значительно превышает верхнюю границу поля всех экспериментальных точек. Причем наибольшие расхождения наблюдаются при 0,3 < kD/\ < 0,5 и WK —> 0,1. Это связано с трансформацией профиля волны на относительном мелководье и крутизной волн. Таким образом, применение расчетных зависимостей всероссийских норм для определения волновой нагрузки на цилиндрические преграды больших диаметров на глубокой воде приводит к ее занижению, а в условиях относительного мелководья - к завышению.

Сравнение опытных значений волновой нагрузки с расчетными по рекомендациям ВСН 41.88 (зависимость 2), показало удовлетворительное совпадение результатов в условиях относительного мелководья. Следует отметить, что зависимость 2 практически совпадает с расчетом, основанным на дифракционной теории (кривая 3). Что касается условий глубокой воды, то в соответствии с указаниями

ведомственных норм относительно их применимости (БЛ, > 0,4 и ¿IX > 0,175), представленная на рис. 18 кривая 2' также тяготеет к расчетной зависимости 3.

Анализ также показал, что расчетные зависимости, основанные на теории дифракции волн на цилиндрах большого диаметра, справедливы для различных глубин. Представленные на рис. 18 опытные значения волновых нагрузок автора и других исследователей, наилучшим образом согласуются с зависимостью 3. Тем не менее, кривая 3*, учитывающая возвышение свободной поверхности по контуру цилиндрической преграды, является верхней границей поля всех экспериментальных точек. По этой причине, в качестве расчетной зависимости для определения волновых нагрузок на цилиндрические преграды большого диаметра, может быть рекомендовано к использованию в проектной практике выражение, основанное на теории дифракции с учетом влияния возвышения свободной поверхности по контуру цилиндрической преграды.

В пятой главе приведен обзор исследований метрических и прочностных характеристик торосистых образований, существующих методов расчета ледовых нагрузок на морские сооружения от воздействия дрейфующих тросов, а также методов расчета локальных ледовых давлений от различных типов ледовых образований.

К основным метрическим характеристикам торосов (см. рис. 19), которые необходимо учитывать при расчете ледовой нагрузки на сооружения относятся:

а) толщина обломков льда слагающих торос Ьг, м;

б) длина обломков льда, слагающих торос 1г, м;

в) высота надводной части (паруса) тороса Ъ^, м;

г) толщина средней консолидированной (смерзшейся) части тороса Ьт, м;

д) высота подводной части (киля) тороса Ьк, м;

е) пористость тороса р - отношение объема пустот к общему объему, выраженное в процентах, % ( р = Ур/У -100%).

Все эти параметры зависят, прежде всего, от климатических условий, размеров ровных ледяных полей и процесса формирования торосов, на которые, в свою очередь, существенное влияние оказывает географическое местоположение района будущего строительства. Немаловажным фактором, влияющим на объем пустот и состояние тороса, является возраст ледового образования.

Рис. 19. Идеализированная схема строения тороса

В начале прошлого века в России данный вид ледового образования представлял интерес с точки освоения северного морского пути. Одним из ранних исследователей Арктики является H.H. Зубов. В настоящей работе основное внимание уделено однолетним торосам, которые формируются и существуют в течение одного зимнего сезона.

Определение ледовой нагрузки на сооружения континентального шельфа от воздействия дрейфующих одиночных торосов и полей торошения, потребовало всестороннего изучения данного типа ледяных образований. К ранним исследованиям морфологии торосистых образований, выполненным в семидесятые годы , прошлого столетия, относятся работы Weeks W.F., Kovacs A., Wadhams P., Kry P.R., Parmerter R., Coon M.D., Wright В., Hnatiuk J., Mellor M.A., Sodhi D., а также Wittman W., Schule T.J., Hibler W.D., Weeks W.F., Moch S.Y., Hartwell A.D. В процессе выполнения этих работ были разработаны и апробированы соответствующие методы исследований торосистых образований в натурных условиях. Наряду с опытом проведения таких исследований, как в условиях открытого моря, так и на пассивных припаях, были изучены механизмы торосообразования и получены некоторые закономерности в соотношениях размеров частей торосистых образований. Так, Parmerter R. и Coon M.D., на основании анализа результатов натурных наблюдений, разработали кинематическую модель процесса торошения. Конфигурация поперечного сечения задавалась в виде двух треугольников с углами равными: т = 45° (парус) и <р = 35° (киль), рис. 19. Натурные наблюдения показали, что значения высот подводной части торосов, полученных с помощью данной кинематической модели, являются типичными для большинства натурных торосов.

Аналогичные исследования продолжались и в последующем десятилетии, в различных замерзающих морях. Особую значимость для инженерной практики имеют исследования морфологии надводной части торосов Tucker W.B., Govoni J.W., которые, на основании результатов полевых обследований 30 торосов, находящихся в 30 -г- 200 км от побережья Аляски, установили эмпирическую зависимость высоты надводной части тороса от средней толщины обломков, слагающих л торос:

hs= 3,69л/й, (27)

где: hs - высота надводной части тороса; 6 - толщина обломков льда, слагающих 1 торос.

Исследования морфологии торосистых образований в Охотском море проводились и специалистами СахалинНИПИморнефть. Благодаря разработке и внедрению метода термического бурения была получена ценная информация о торосистых образованиях и, в частности, о пористости их надводной, средней и подводной частей.

Результаты исследований метрических характеристик торосистых образований, проведенные зарубежными исследователями в различных регионах, позволили получить представление о соотношении размеров торосистых образований и

обломков льда, слагающих торосы. Тем не менее, выявленные соотношения нуждаются в апробации в условиях замерзающих морей России.

Специалисты Финляндии Matti Leparanta и Risto Hakala исследовали структуры и прочности однолетних торосов в Финском и Ботническом заливах Балтийского моря в течение нескольких зимних периодов (1987 + 1989 гг.).

S. Lukkonen и другими финскими специалистами исследовались прочности средней и нижней частей торосов дрейфующих ледяных полей Охотского моря в 1990 и 1991 гг. Прочности отдельных частей торосистого образования позволили оценить результаты измерения ледовых нагрузок на опору маяка Кеми, выполненные под руководством J. Noikkanen. Изучением прочностных свойств торосов через их воздействие на шпунтовую стенку в полевых условиях занимались Eranti Е., Lehmus Е., Nortala-Hoikkanen А. Прочностные свойства торосистых образований исследовались в северной части Балтийского моря (Veitch В. и др.) путем определения прочности на одноосное сжатие образцов льда, изготовленных из обломков надводной и консолидированной частей двух торосов в зимние периоды 1990 -н 199 ^гг.

, В зимние периоды 1997 + 1998 гг., под руководством K.R. Croasdale, в Охотском море бьго! проведены комплексные исследования прочностных характеристик килевой части торосов.

, Впервые в нашей стране целенаправленные исследования физико-механических свойств торосистых образований были проведены в 1980 г совместными усилиями специалистов Отраслевой научно-исследовательской лаборатории морских дефтегазопромысловых гидротехнических сооружений Московского инженерно-строительного института и Японии (при технической поддержке отраслевого института СахалинНИПИморнефть). В результате были обследованы поля торошения на припае восточного побережья о. Сахалин.

В 1983 г в период работы второй экспедиции на ледоколе "Ермак" в Охотском море было произведено обследование гряды торосов и стамух на акватории Сахалинского залива в районе Астрахановской структуры. Испытание образцов льда, изготовленных из проб килевой части торосов, показало, что их прочность на одноосное сжатие в несколько раз ниже прочности образцов из ровного ледяного поля, окружающего торос.

j Обзор исследований прочностных свойств торосистых образований в натурных условиях показывает, что полученные данные носят разрозненный характер и не дают даже приближенного представления об интегральной прочности торосистых образований, которую необходимо учитывать при расчетах ледовой нагрузки на морские стационарные сооружения. Одна из причин такой ситуации состоит в трм, что в настоящее время не существует единой стандартизированной методики, которой бы пользовались исследователи различных стран. Использование разных методам приводит к тому, что в некоторых случаях невозможно сравнение опытных данных, полученных в различных регионах, даже схожих по природно-климатическим условиям.

Многими учеными различных стран на основании аналитических и экспериментальных исследований были разработаны методы расчета ледовых нагрузок на сооружения от воздействия дрейфующих торосистых образований. В нашей стране решением данной проблемы занимались В.П. Афанасьев, Ю.В. Долгополое, В.А. Коренков, Д.Ф. Панфилов, Е.М. Копайгородский, С.С. Варданян, Б.Д. Носков, А.Б. Белов и другие. К числу известных зарубежных работ по данной проблеме относятся работы A. Prodanovic, M. Mellor, K.R. Croasdale, A.B. Cammaert, E. Eranti, G.C. Lee, M.P. Maattanen, J. Hoikkanen, T. Krankkala, J.S. Weaver.

На основании некоторых из этих методов в нормативные документы США (API), Канады (CSA) и России (СНиП 2.06.04-82* и ВСН 41.88) были разработаны соответствующие рекомендации по расчету ледовых нагрузок. Использование рекомендаций этих норм в проектной практике приводит к разноречивым результатам. Так, в 1996 г по инициативе Croasdale K.R., в Канаде было проведено совещание международных экспертов из разных стран (с участием автора), которым было заранее предложено произвести расчеты ледовых нагрузок на одно и тоже сооружение при заданных параметрах торосистых образований. Сравнение расчетных значений ледовых нагрузок, определенных с помощью различных методов показало, что они отличались примерно в 30 раз. Исходя из этого факта, можно утверждать, что рассматриваемая задача представляется довольно сложной и в настоящее время она не решена с достаточной степенью точности.

Следует отметить, что применение закономерностей статики сыпуче-связной среды и критерия разрушения Кулона-Мора для описания прочностных свойств торосистых образований, представляется не вполне корректным. По этой причине, расчетные зависимости для определения ледовых нагрузок на сооружения от воздействия торосистых образований, основанные на этих закономерностях, не полностью отражают физическую картину этого сложного процесса.

В России основным нормативным документом является СНиП 2.06.04-82*. В соответствии с его рекомендациями, нагрузка на сооружение в виде одиночной вертикальной опоры от движущегося поля торошения определяется путем умножения нагрузки от ровного ледяного поля Fb,p на коэффициент торосистости к,: Fr = Fb,p-kr. (28)

Fb,p = m.kb-kvRc-b-hd, (29)

где m - коэффициент формы опоры в плане;

kb - коэффициент смятия льда с учетом кристаллического строения расчетного ледяного поля;

kv - коэффициент скорости деформации льда; Re - предел прочности льда на одноосное сжатие; b - ширина (диаметр) опоры по фронту на уровне действия льда; hd - расчетная толщина ровного ледяного поля.

Рекомендации ведомственных норм ВСН 41.88 отличаются только расчетом ледовой нагрузки от ровного ледяного поля. Значения же коэффициентов тороси-стости идентичны рекомендуемыми всероссийскими нормами.

Таким образом, нормативные документы нашей страны не учитывают ни метрических, ни прочностных характеристик торосистых образований и фактически являются недостаточно обоснованными. Их использование в проектной практике приводит к неточностям при расчетах ледовой нагрузки на проектируемые сооружения. Занижение ледовой нагрузки в процессе проектирования может привести к авариям морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений и, как следствие, к региональным экологическим катастрофам, а ее завышение к неоправданным капиталовложениям.

При проектировании ледостойких морских гидротехнических сооружений, выборе форм их опорных частей, определении толщины стенок и размеров подкрепляющих элементов, необходимо осуществлять расчеты местной прочности на воздействие локального ледового давления от различных типов ледовых образований. Отечественные нормативные документы не содержат экспериментально обоснованных рекомендаций по определению максимальных значений локального давления льда.

Исследованиями локального давления льда в нашей стране занимались В.П. Афанасьев, А.Д. Истомин, В.А. Лихоманов, В.А. Никитин, Д.Е. Хейсин, В.Н. Смирнов, Е.М. Апполонов, О.Е. Литонов, А.Б. Нестеров, В.М. Шапошников. К числу иностранных работ в этой области относятся работы F.J. Bruen, S.H. Iyer, T.J. Sanderson, D. Blanchet, H.R. Kivisild, I.F. Glen, G. Comfort L.M. Gold, B. Michel, N. Toussian, D.M. Masterson, R. Johnson, D. Nevel, T. Karna, J. Kenny, P.A. Spencer, K.R. Croasdale, P. Varsta, H. Blont, K. Riska, R. Frederking, I.J. Jordaan, S. Tanaka, M. Sakai, K. Narita, H. Matsushita, D.S. Sodhi, T. Takeuchi, N. Nakazawa, S. Akagawa, M. Kawamura, G.W. Timco, B. Wright, V. Vivatrat, S. Slomski.

В тех случаях, когда опорная часть морских сооружений постепенно внедряется в ледовое образование, суммарная ледовая нагрузка представляется через осредненное давление по ширине сооружения с учетом площади контакта по всей толщине ледового образования. Локальное ледовое давление достигает максимальных значений при наибольшем стеснении, когда площадь контакта с опорной частью сооружения относительно мала и ее высота значительно меньше толщины ледового образования. Следует также отметить о существовании и полулокального давления льда, которое проявляется в тех случаях, когда площадь контакта занимает промежуточное положение, а высота контакта достигает толщины ледового образования рис. 20.

Ширина опорной части сооружения В

Локальная площадь Площадь по ширине преградь

Ровный лел

->1 Популокальная

площадь

Рис. 20. Различные площади контакта при взаимодействи преград с ровным ледяным пoлe^

На величину локального давления льда влияют типы ледовых образований, их метрические и прочностные характеристики. При низких скоростях деформации происходит пластичное разрушение льда, а при высоких скоростях деформации - хрупкое. Следует отметить, что локальное давление льда значительно превышает прочность льда на одноосное сжатие.

Результаты исследований Б.М. М^егеоп были положены в основу рекомендаций, по расчету максимальных значений локальных ледовых давлений, нормативных документов США и Канады. Их использование в проектной практике приводит к завышению расчетных значений локального давления льда на опорные части морских гидротехнических сооружений.

Шестая глава посвящена разработке методов исследований метрических и прочностных характеристик торосистых образований, а также методов проведения опытов по исследованию коэффициентов торосистости и локальных ледовых давлений.

При проведении опытов по исследованию экспериментальных значений коэффициента торосистости кг на основании анализа размерностей был получен целый ряд зависимостей между натурой и моделью. При этом было использовано известное предположение, что натурный торос или поле торошения состоит из трех частей. В этом случае суммарная ледовая нагрузка может быть представлена следующим выражением:

Ъ-Р.+ Рп.+ Рь (30)

где Б,- ледовая нагрузка от надводной (парусной) части тороса;

Рт - ледовая нагрузка от средней смерзшейся (консолидированной) части тороса;

Рк - ледовая нагрузка от подводной (килевой) части тороса.

Моделирование силового воздействия торосистых образований на гидротехнические сооружения возможно при соблюдении следующих условий:

Ргн = (Яг-В Ьг)7(Кг-0-Ьг)м-Ргм, то есть Ргн = АЛ^Л (31)

где X - геометрический масштабный коэффициент, а X, = КГ7КГМ (соотношение прочностных свойств торосистого образования). Выражение (31) справедливо если:

№ = №м = 11тнЛ1тм = Ькн/Ькм;

= № = ВСЯС=^Ж". (32)

Данные зависимости позволяют осуществлять пересчет ледовой нагрузки, полученной экспериментальным путем, на натуру при соблюдении условий (32).

Поскольку в нормативных документах нашей страны учет силового воздействия торосистых образований осуществляется с помощью коэффициента тороси-стости к,, то на основании результатов соответствующих экспериментальных исследований, для определения опытных значений коэффициентов торосистости, можно использовать следующее отношение:

№)"=№)" = к,. (33)

При этом дополнительно к условиям (32) необходимо соблюдение следующих соотношений:

'' № = кж = кг/К" = = утьЛ (34)

ягн/ягм== ьСДС = = ^Ж". (35)

Данные критерии подобия позволили, с достаточной для инженерной практики точностью, провести крупномасштабные экспериментальные исследования по моделированию силового воздействия полей торошения на жесткие вертикальные цилиндрические преграды различных диаметров.

В процессе экспериментальных исследований были разработаны и усовершенствованы методы создания крупномасштабных моделей полей торошения в натурных и в лабораторных условиях с различными метрическими и прочностными характеристиками. Способ создания крупномасштабной модели поля торошения в натурных условиях был защищен авторским свидетельством.

Проведение морфологических исследований торосистых образований потребовало разработки специальных методов исследований. Под руководством и при участии автора был разработаны способы оценки метрических характеристик торосистых образований, а также нарушений дна их килевой частью. Первый способ, защищенный авторским свидетельством, применим в тех случаях, когда исследуемые торосы находятся в зоне активных и пассивных припаев. Второй спо-' сбб применим также и в условиях дрейфа рис. 21. Эти способы апробированы на практике в условиях Охотского моря. Они могут успешно использоваться в процессе инженерных изысканий в районах будущего строительства, как на пассивных и активных ледовых припаях, так и в состоянии дрейфа.

Рис. 21. Схема устройства для сканирования подводной части торосов

Исследование прочностных характеристик торосистых образований, как в натурных, так и в лабораторных условиях осуществлялось с помощью методов, разработанных под руководством и при участии автора. Так, для проведения опытов по определению интегральной прочности надводной части модели тороса, был разработан метод создания и испытания на одноосное сжатие образцов кубической формы размером 0,75 х 0,75 х 0,75 и 0,4 х 0,4 х 0,4 м3, который был реализован на о. Сахалин. Методы создания моделей средней части поля торошения, с различной пористостью, а также исследования их прочностных характеристик, был разработан и внедрен автором при проведении экспериментальных исследований на пресноводном озере.

Метод изготовления крупномасштабных моделей полей торошения в натурном ледяном поле позволил провести экспериментальные исследования по взаимодействию полей торошения с жесткими цилиндрическими преградами различных диаметров с целью получения опытных значений коэффициентов торосисто-сти. На созданных в натурных условиях моделях средней части торосов, экспериментальным путем исследовались локальные ледовые давления на жесткие штампы различной площади (0,1 х 0,1; 0,25 х 0,15 и 0,4 х 0,4 м2). При этом, в процессе опытов, штампы внедрялись как в среднюю консолидированную часть моделей торосов, так и в ровный естественный ледяной покров.

При проведении экспериментальных исследований, выполненных в рамках настоящей работы, были впервые разработаны и использованы специальные экспериментальные установки.

В седьмой главе содержатся результаты и анализ экспериментальных исследований. Учитывая, что результаты натурных исследований морфологии торосов, выполненные автором, наилучшим образом согласуются с моделью Tucker W.B. и Govoni J.W., то зависимость (28) была принята в качестве основной при

разработке рекомендаций по назначению расчетных значений их метрических характеристик. На основании анализа результатов натурных наблюдений (в Охотском, Карском и Баренцевом морях) (5ыло установлено, что:

а) толщина средней консолидированной части тороса находится в определенном соотношении с толщиной ровного ледяного поля, окружающего торосистые образования Ьп, = (1,5 + 2)Ь<ь

б) высота подводной части тороса зависит от высоты паруса = 5Ь8 - Ьт;

в) толщина обломков льда, слагающих тело тороса на момент, когда торосу или полю торошения присущи максимальные значения метрических и прочностных характеристик равна Ь, = 0,8^.

Анализ результатов экспериментальных исследований позволил получить зависимость отношения интегральной прочности надводной части тороса (Д5) к прочности образцов льда на одноосное сжатие (Я«), изготовленных из обломков льда ее слагающих, от относительных размеров обломков: КЛ*« = ФгД^), рис. 22.

- 1гУЬга 8

Рис. 22. Зависимость интегральной прочности надводной части торосов от прочности и относительных размеров обломков льда

Данная зависимость позволяет производить оценку интегральной прочности паруса тороса при наличии данных о размерах обломков из парусной части тороса и о прочности образцов льда из этих обломков на одноосное сжатие:

КЖ3 = 0,05-(1^)"°'35. (36)

где 1„ и Ъп - длина и толщина обломков льда, слагающих торос.

Таким образом, интегральная прочность надводной части тороса может бьггь определена с помощью следующего выражения:

^ = 0,05-1^ -(У^)-0'35. (37)

Обобщение результатов экспериментальных исследований, выполненных автором на о. Сахалин, в лабораторных условиях в Финляндии, на пресноводном озере в Мытищах, а также опытных данных других исследователей, позволило получить эмпирическую зависимость для коэффициента, учитывающего снижение интегральной прочности всех частей торосистого образования от увеличения пористости (рис. 23).

№

о —————1—1———(-0 2 4 6

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

\

I

Р,%

10

20

30

40

50

Рис. 23. Зависимость коэффициента, учитывающего снижение интегральной прочности тороса от пористости

□ - автор (1983 г); ■ - автор - VTT (1995-1997 гг.);

О- L. Franson (1993 г); Д - Li Zhijun, Zi Wang (1996 г).

Аппроксимация опытных данных привела к следующему выражению: kp=e"0,066p, (38)

где р — пористость той или иной части тороса в процентном отношении; коэффициент кр учитывает отношение интегральной прочности той или иной части тороса к прочности обломков льда из этой части на одноосное сжатие. Таким образом, kp = Rs/Rcs = Rm/Rcra = Rt/Rck» где Rm - интегральная прочность средней, консолидированной части тороса; Rcm - прочность образцов льда на одноосное сжатие из средней части тороса; Rt - интегральная прочность килевой части тороса; Ret -прочность образцов льда на одноосное сЭкатие из обломков подводной части тороса.

Выявленная закономерность (38), была также использована при разработке рекомендаций по расчету ледовых нагрузок на стационарные морские сооружения от дрейфующих торосов, в рамках дополнения и уточнения СНиП 2.06.04 - 82*.

На основании обобщения результатов экспериментальных исследований были получены эмпирические зависимости коэффициента торосистости к, от отношения диаметра цилиндрической преграды к толщине средней консолидированной части поля торошения D/hm (рис. 24):

kr = 3,3 • (D/hm)-0'16, при Ми = 1,5; (39)

k, = 2,4 • (D/hm)"0,11, при Mid = 1,0. (40)

Путем интерполирования было получено также соответствующее выражение коэффициентов торосистости и при hm/h<j =1,25:

kr =2,85- (p/hra)"0'14. (41)

Обобщение зависимостей (39) и (40) позволило выразить коэффициент торосистости в зависимости от соотношений D/hm и hm/hd

krihm/hd)"0'5 = f( D/hm). _______ (42)

РОС. ИАии*«ЛЛЪКЛй

I библиотека

I С. Петербург

* ЭЭ Î00 акт f '—----

к,

4 3,5 3 2,5 2 1,5 1

п/К

20

40

60

80

Рис. 24. Зависимость коэффициентов торосистости от относительного диаметра цилиндрической преграды

1 - Мц, = 1,5;

2 - Мч,= 1,25;

3 - М1ь= 1Д

Аппроксимация результатов опытов в виде функциональной зависимости (42) с учетом экстраполяции позволила получить нижеследующее выражение:

кг = 2,53 • (Шгт)"°'ш • (Ьщ/Ьа)1

,0,5

(43)

Графическая интерпретация коэффициента торосистости представлена на рис. 25.

кД^/Ь/5 з

2,5 2

1,5 1

0,5 0

Ш1т

0 10 20 30 40 50 60 70 Рис. 25. Зависимость коэффициентов торосистости к, от 0/Ьт и Ьщ/Ьй

Таким образом, реализация данного подхода позволила экспериментальным путем исследовать значения коэффициентов торосистости, которые учитывают увеличение суммарной ледовой нагрузки на цилиндрические преграды от воздействия полей торошения по сравнению с суммарной нагрузкой от ровного ледяного поля расчетной толщины и соответствующей прочности. Эмпирические значения коэффициентов торосистости учитывают метрические характеристики торосистых образований. Применение этих коэффициентов в проектной практике позволит производить более обоснованные расчеты суммарной ледовой нагрузки от воздействия полей торошения на опорные части ледостойких морских гидротехнических

сооружений в виде цилиндрических преград. Точность результатов таких расчетов существенным образом зависит от количества и качества материалов инженерных изысканий, на основании которых возможно назначение расчетных характеристик торосистых образований в каждом конкретном районе будущего строительства. Кроме этого, использование экспериментального подхода, апробированного в настоящей работе, открывает возможность крупномасштабного моделирования взаимодействия полей торошения с опорными частями проектируемых ледостой-ких морских гидротехнических сооружений различных форм, с целью определения на них суммарной ледовой нагрузки опытным путем.

Рассматривая силовое воздействие торосистых образований на морские гидротехнические сооружения, представляется целесообразным исходить из того, что каждая из составляющих частей тороса, при взаимодействии с сооружением, вносит конкретный вклад в суммарную составляющую ледовой нагрузки. Располагая данными о прочностных характеристиках и размерах каждой из частей расчетного тороса или поля торошения, можно расчетным путем определить составляющие суммарной ледовой нагрузки на цилиндрические преграды.

где Р5 - нагрузка от надводной части поля торошения; Рт - нагрузка от средней части поля торошения; Рк- нагрузка от подводной части поля торошения.

Расчет составляющих суммарной ледовой нагрузки может производиться с помощью модифицированной классической зависимости К.Н. Коржавина для определения ледовой нагрузки на сооружение от воздействия ровных ледяных полей. При этом в качестве прочностных характеристик, следует использовать интегральные значения прочности каждой из частей торосистого образования, которые назначаются на основании результатов инженерных изысканий, проводимых в районах будущего строительства.

Составляющие ледовой нагрузки от поля торошения рт и Рк, МН, в таком случае можно определять с помощью нижеследующих выражений:

ш - коэффициент формы в формулах (45 - 47) определяется по данным нормативного документа СНиП 2.06.04-82* (п. 5.5., таблица 29);

к - коэффициент неполноты контакта между льдом и сооружением в формулах (45, 47), принимаемый по данным нормативного документа СНиП 2.06.04-82 (п. 5.5., таблица 32);

kb - коэффициент смятия льда в формуле (46) определяется по данным нормативного документа СНиП 2.06.04-82 (п. 5.5., таблица 30);

kv - коэффициент, учитывающий скорость дрейфа ледовых образований и эффективную скорость деформации льда г, который равен 1 при наибольшем силовом воздействии льда на сооружение.

b - ширина (диаметр D) опорной части сооружения, м.

Fr = Fs + Fm + Fk,

(44)

Fs = m • k • kv ■ Rs • b • hs; Fm = m • kb • kv ■ Rm • b • h, Fk=m • k • kv - Rk - b • hk.

(45)

(46)

(47)

Поскольку характер разрушения консолидированной части тороса идентичен разрушению ровного ледяного поля, то в зависимости (46) применяется коэффициент смятия кь. В расчетных зависимостях (45) и (47) применяется коэффициент неполноты контакта к, так как парусная и килевая части торосов отличаются значительной пористостью.

Анализ величин ледовых нагрузок от каждой из частей поля торошения, по результатам данных опытов показал, что основной вклад в суммарную ледовую нагрузку на цилиндрические преграды вносит средняя консолидированная часть тороса. Ее значение может превышать 80% от суммарной равнодействующей. Средние значения составляющих суммарной ледовой нагрузки в процентном отношении от различных частей поля торошения распределялись следующим образом: от парусной части - 19,1 %; от средней консолидированной части - 78,4% и от килевой части - 2,5%. По этой причине, при отсутствии данных изысканий на предварительных стадиях проектирования, суммарную ледовую нагрузку от однолетнего торосистого образования можно определять с учетом размеров и интегральной прочности средней, консолидированной части поля торошения, принимая во внимание вклад парусной и килевой частей, по следующей зависимости:

Ег = 1,3 • т • кь- ку • Лт • Ь • Ьш, (48)

где 1,3 - числовой коэффициент, учитывающий нагрузку от подводной и надводной частей тороса.

На основании анализа результатов экспериментальных исследований локальных ледовых давлений, а также сопоставительных расчетов с использованием различных методик, в нормативные документы были сформулированы рекомендации по определению максимальных значений локального давления льда.

Основные расчетные зависимости, с целью удобства применения в проектной практике, представлены в традиционной для нормативных документов форме. Так, локальное давление льда на гидротехнические сооружения при воздействии ровных ледяных полей определяется по формуле:

Р, = к • К ■ I ■ Я« (49)

где к - коэффициент, учитывающий тип льда и, в соответствии с рекомендациями всероссийских норм для пресноводного льда принимается равным 1, а для морского льда- 1,164;

ку - коэффициент, учитывающий эффективную скорость деформации льда, принимается в соответствии с данными таблицы 31 СНиП 2.06.04-82*;

I - эмпирический коэффициент (коэффициент смятия), учитывающий сложное напряженно-деформированное состояние льда в зоне контакта с сооружением, для максимальных значений локальных ледовых давлений, определяется по формуле:

1 =

■',2 +0,56

+0,93, (50)

где Б - площадь контакта ровного ледяного поля или консолидированной части поля торошения с сооружением, м2;

\2

Ь| - расчетная толщина ровного ледяного поля, м;

Ис - нормативная прочность льда на одноосное сжатие, МПа, определяемая опытным путем.

Эмпирическая зависимость (50) была получена на основании аппроксимации опытных данных при внедрении жестких штампов в естественный ледяной покров и в модели консолидированной части полей торошения, ее графическая интерпретация представлена на рис. 26.

Рис. 26. Зависимость коэффициента смятия I от относительной

площади контактной зоны

При этом видно, что локальное давление льда стремиться к увеличению при площадях контакта менее 0,25 Ь,2, а наиболее интенсивный его рост отмечен при площадях контакта менее 0,12 Ь2. Это обстоятельство объясняется тем, что на его величину значительное влияние оказывает также стесненность поперечных деформаций по толщине льда.

Выявленная в настоящей работе закономерность снижения интегральной прочности торосов от их пористости, позволяет также использовать зависимость (38) для определения максимальных значений локальных ледовых давлений на гидротехнические сооружения не только от воздействия ровных ледяных полей, но и от полей торошения. Очевидным является тот факт, что наибольшие локальные давления будут проявляться в зонах контакта со средней консолидированной частью одиночного тороса или поля торошения. При определении локального давления от воздействия средней консолидированной части полей торошения, расчетные зависимости трансформируются следующим образом:

Рш= к- -1т (51)

Кт = Кс-кР, (52)

где кр - коэффициент, учитывающий снижение интегральной прочности средней части тороса Ят в зависимости от ее пористости рга.

Следует отметить, что при определении параметра 1т в расчетную зависимость (50) вместо толщины ровного ледяного поля вводится толщина средней консолидированной части торосистого образования Ьт.

Результаты расчетов локальных ледовых давлений, полученных с помощью, предлагаемой в настоящей работе эмпирической зависимости (49), сравнивались с расчетными данными по методикам других авторов рис. 27.

Рис. 27. Зависимость величины локального ледового давления от площади контактной зоны

I автор

р,+г о /

М^егеоп е1 а1 Нуз1гщ е! а1 Афанасьев В.П.

Значения локального ледового давления, рассчитанные по методике автора, находятся в доверительном интервале Р,± 2а.

При площадях контакта, находящихся в пределах 0,75 < Б < 12 м2, локальное ледовое давление, рассчитанное по предложению В.П. Афанасьева, практически совпадает со среднеарифметическими значениями, полученными по эмпирической зависимости автора. С уменьшением площади контакта до 0,1 м2 расхождения в расчетных локальных давлениях льда увеличиваются примерно в 2,4 раза.

Значения локального ледового давления по рекомендациям В.П. Афанасьева, при площадях контакта 0,3 < Э < 12 м2, тяготеют к нижней границе доверительного интервала, а при в > 0,3 м2 стремятся к верхней его границе.

Полученные в настоящей работе эмпирические зависимости, позволяют производить более достоверные расчеты локального давления льда на проекта-

руемые гидротехнические сооружения с учетом площади контакта, толщины и прочности льда, а также скорости его деформирования. Следует отметить, что другие исследователи не принимали во внимание изменение относительной высоты площади контакта и скорости деформирования к ледовых образований в процессе их взаимодействия с конструкциями опорных частей сооружений.

Основные результаты и выводы

1. Разработан метод расчета горизонтальной и вертикальной составляющих волновой нагрузки, а также суммарного опрокидывающего момента на подводное гидротехническое сооружение типа затопленный цилиндр, который подтвержден результатами экспериментальных исследований при относительных возвышениях верхнего торца над уровнем дна 0,1 < c/d < 0,5, в диапазоне относительных глубин воды 0,16 < dA, < 0,67 и изменении дифракционного параметра тСй!"к от 0,6 до 1,47.

2. Разработан метод расчета горизонтальной и вертикальной составляющих волновой нагрузки, а также суммарного опрокидывающего момента на морское нефтегазопромысловое гидротехническое сооружение типа "монопод", который подтвержден результатами экспериментальных исследований при относительных возвышениях верхнего торца основания сооружения над уровнем дна в диапазоне 0,13 < c/d < 0,4 и относительных глубинах воды 0,125 < dJX < 0,5 при дифракционном параметре в пределах 0,63 < пН/Х < 1,83 и соотношении диаметра опорной части к диаметру основания 0,156 < Di/D < 0,31.

3. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия регулярных волн с цилиндрическими преградами различных диаметров на глубокой воде и в условиях мелководья (0,12 <d/X< 0,21), при дифракционном параметре 0,14 < TtDA. < 0,9 и крутизне волн - 0,01 < hA, < 0,041, удовлетворительно согласуются с расчетными значениями волновой нагрузки, определенной по зависимости, основанной на теории дифракции и с учетом влияния возвышения свободной поверхности по контуру цилиндра.

4. Результаты исследований однолетних торосов в Охотском, Карском и Баренцевом морях пополнили существующий в России банк данных по морфомет-рическим параметрам торосистых образований. Полученные данные не противоречат существующим эмпирическим зависимостям соотношений метрических характеристик натурных торосистых образований, которые необходимо учитывать при расчетах ледовой нагрузки на проектируемые морские гидротехнические сооружения.

5. Разработанные методы исследований метрических характеристик торосистых образований апробированы в полевых условиях и рекомендуются к использованию при проведении инженерных изысканий в районах будущего строительства, как на активных и пассивных припаях, так и в состоянии дрейфа.

6. На основании результатов крупномасштабных экспериментов разработан метод обоснованного определения коэффициента торосистости в зависимости от морфометрических характеристик расчетного ровного ледяного поля, поля торошения и диаметра опорной части ледостойких морских гидротехнических сооружений.

7. Предложенный в настоящей работе экспериментальный подход по крупномасштабному моделированию взаимодействия полей торошения с опорными частями проектируемых ледостойких морских гидротехнических сооружений различных форм, позволяет определять на них суммарную ледовую нагрузку опытным путем в процессе научного сопровождения проектных работ.

8. Экспериментально определено, что основной вклад в суммарную ледовую нагрузку на цилиндрические преграды вносит средняя консолидированная часть тороса. Ее значение может превышать 80% от суммарной равнодействующей. Примерно около 15% ледовой нагрузки приходится на парус, а остальная доля на килевую часть. Выявленная закономерность, была учтена при разработке метода расчета ледовой нагрузки от воздействия полей торошения на проектируемые сооружения с использованием модифицированной классической зависимости Кор-жавина К.Н.

9. Разработаны методы расчета ледовой нагрузки от воздействия дрейфующих торосистых образований, учитывающие вклад каждой из частей тороса. Точность таких расчетов зависит от наличия данных о морфометрических и прочностных характеристиках торосов.

10. Получена эмпирическая зависимость, позволяющая определять величину локального давления льда на проектируемые гидротехнические сооружения в зависимости от относительной ширины (b/hj) и высоты (h/hj) контактной зоны, площади контакта, прочности льда, а также скорости его деформирования. Применение этой зависимости справедливо, как при воздействии ровных ледяных полей, так и торосов.

По теме диссертации автором опубликованы следующие работы:

1. Рогачко С.И. Экспериментальное исследование воздействия регулярных и нерегулярных волн на опору большого диаметра. "Нефтепромысловое строительство", № 1, реф. научно-техн. сб-к., ВНИИОЭНГ, М., 1975.

2. Каспарсон A.A., Рогачко С.И. Расчет воздействия регулярных волн на цилиндрические опоры большого диаметра. "Нефтепромысловое строительство", №

Ч реф. научно-техн. сб - к., ВНИИОЭНГ, М., 1975.

3. Каспарсон A.A., Халфин И.Ш., Рогачко С.И. Исследование воздействия нерегулярных волн на цилиндрические опоры. "Транспортное строительство", № 3, научн.-техн. и производств, журнал, орган Министерства Транспорт. Стр-ва СССР, М., 1976.

4. Рогачко С.И. Волновые нагрузки на центральную опору ледостойкого основания типа "монопод". Экспресс-информация ВНИИЭгазпрома. Освоение ресурсов нефти и газа морских месторождений, Вып. 7, М., 1980.

5. Веселая О.Г., Гайдук O.A., Рогачко С.И., Халфин И.Ш., Яковлев В.В. Теоретические и экспериментальные исследования волновых нагрузок, действующих на затопленный цилиндр и "монопод". Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. "Методы исследований и расчетов волновых воздействий на гидротехнические сооружения и берега", ЭНЕРГОИЗДАТ, Л., 1982.

6. Гайдук O.A., Рогачко С.И., Халфин И.Ш. Устройство для измерения волновой нагрузки на модели гидротехнических сооружений. - А. С. № 987435, М., 1982.

7. Рогачко С.И., Гайдук O.A. О применимости приближенных методов расчета волновых нагрузок на затопленный цилиндр. Сб. научн. тр. "Техника и технология для освоения ресурсов нефти и газа на континентальном шельфе", ВНИИморгео, Рига, 1983.

8. Носков Б.Д., Варданян С.С., Копайгородский Е.М., Рогачко С.И., Белов А.Б. и др. Способ создания моделей торосистых образований. Авторское свидетельство № 1219708 от 22.11.1985, М., 1985.

9. Рогачко С.И., Варданян С.С. Исследование геометрических и физико-механических параметров торосистых образований. Экспресс-инф. ВНИИЭгаз-пром, сер. "Геология, бурение и разработка газовых и нефтяных морских месторождений", Изд. ВНИИЭгазпром, вып. 1, М., 1985.

10. Белов А.Б., Варданян С.С., Копайгородский Е.М., Носков Б.Д., Рогачко С.И. Взаимодействие торосистых образований с цилиндрическими опорами гидротехнических сооружений. Сборник научных трудов "ПОРТОВОЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО И ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ В БЕРЕГОВОЙ ЗОНЕ МОРЯ", "ТРАНСПОРТ', М„ 1986.

11. Варданян С.С., Белов А.Б., Носков Б.Д., Рогачко С.И. Исследование воздействия торосистых образований на сооружения континентального шельфа. "Воздействие внешних факторов на морские гидротехнические сооружения". Межвузовский сборник научных трудов, М., 1986, с. 148-157.

12. Варданян С.С., Евдокимов Г.Н., Носков Б.Д., Рогачко С.И. Методика моделирования воздействия торосистого поля на цилиндрическую опору и определение прочности льда неразрушающим способом. - Тезисы докл. на I Всесоюзной конф. "Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа", М., МИНГ им. И.М. Губкина, 1986, ч. II, с. 102.

13. Зверев Л.А., Рогачко С.И. О способе определения нарушений морского дна дрейфующими торосами. Тезисы докладов Всероссийской конференции "МОРСКИЕ ЛЬДЫ И ХОЗЯЙСТВЕННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ НА ШЕЛФЕ", Мурманск, 1989, с. 27-29.

14. Рогачко С.И., Зверев Л.А. и др. Способ разбивки геодезического обоснования топографической съемки земной поверхности. А. С. № 1520337 СССР, МКИ Е 21 В 43/14, М„ 1989.

15. Зверев Л.А., Рогачко С.И. О способе определения нарушений морского дна дрейфующими торосами. Информационный сборник "Научно-технические

достижения и передовой опыт, рекомендуемые для внедрения в нефтяной промышленности", М., 1990, выпуск 6, с. 27-29.

16. Rogachko S.I., Evdokimov G.N., Burdjug Т.Р. THE ACTION OF SEA ICE ON OFFSHORE CONSTRUCTION. PROCEEDINGS of the 13th INTERNATIONAL CONFERENCE ON OFFSHORE MECHANICS AND ARCTIC ENGENEERING VOLUME IV Houston, Texas, USA, 1994.

17. Rogachko Stanislav I., Evdocimov Gennady N., Melnikov Michail V., Tuomo Kama, Eila Lehmus. THE INFLUENCE OF POROSITY ON MECHANICL STRENGTH OF HUMMOCKS. Proceedings of the 16th International Conference OFFSHORE MECHANICS AND ARCTIC ENGINEERING and Proceedings of the 14th International Conference Port and Ocean Engineering under Arctic Condition, Yokohama, Japan, 1997, vol. IV.

18. Лунин А. Ф., Рогачко С. И. Взаимодействие дрейфующих ледовых образований с морским дном. Производственно-технический журнал "ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ", № 12, М., 1998, с. 49-50.

19. Рогачко С.И. Метод расчета силового воздействия торосистых образований на стационарные сооружения. Труды четвертой международной конференции "Освоение шельфа арктических морей России", С. Петербург, 1999, с. 195-199.

20. Noskov B.D. and Rogachko S.I. DETERMINATION OF THE ICE LOADS ON OFFSHORE STRUCTURES FROM FIRST YEAR RIDGES. Proceedings the 15th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Condition, Helsinki, Finland 1999, vol. 3.

21. Rogachko S.I. and Tuomo Kama. EXPERIMENTS ON THE STRENGTH OF REFROZEN LAYERS OF FIRST-YEAR ICE RIDGES. Proceedings the 15th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Condition, Helsinki, Finland, 1999, vol. 3.

22. Рогачко С.И., Зуев Н.Д. Силовое воздействие волн на морские нефтега-зопромысловые гидротехнические сооружения типа "монопод". СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ, посвященный семидесятилетию факультета гидротехнического и специального строительства МГСУ, М., 2001.

23. Зуев Н.Д., Рогачко С.И. Силовое воздействие регулярных волн на подводные гидротехнические сооружения в виде цилиндра. Гидротехническое строительство № 7, М., 2002.

24. Рогачко С.И. Исследование влияния пористости на интегральную прочность торосистых образований. Сборник научных трудов "ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО, ПОРТЫ И ПОРТОВЫЕ СООРУЖЕНИЯ, ОБЪЕКТЫ СТРОИТЕЛЬСТВА НА ШЕЛЬФЕ", МГСУ, М., 2002, с. 35-41.

25.Рогачко С.И., Пиляев С.И. Воздействие волн и льда на морские нефтега-зопромысловые сооружения континентального шельфа. Учебное пособие МГСУ. М., 2002.

1

КОПИ-ЦЕНТР св. 77:07:10429 Тираж 100 экз. г. Москва м. Бабушкинская ул. Енисейская, 36 комната № 1 (Экспериментально-производственный комбинат)

i* -9 4 8 9

i

\

f

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ВОЛН НА ПРЕГРАДЫ БОЛЬШИХ ПОПЕРЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ.

1.1. Воздействие регулярных волн на вертикальные цилиндрические преграды.

1.2. Воздействие нерегулярных волн на вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра.

1.3. Расчет волновой нагрузки на вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра по рекомендациям действующих норм.

1.4. Воздействие длинных волн на вертикальный затопленный цилиндр большого диаметра.

1.5. Воздействие регулярных волн на сооружение типа "монопод".

1.6. Области применения волновых теорий.

1.7. Параметры волн, используемые при расчетах морских гидротехнических сооружений.

1.8. Выводы.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ РЕГУЛЯРНЫХ ВОЛН НА ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ПРЕГРАДЫ БОЛЬШИХ ПОПЕРЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ.

2.1. Воздействие волн на затопленный вертикальный цилиндр.

2.2. Воздействие волн на составные вертикальные цилиндрические преграды типа "монопод".

2.3. Воздействие волн на вертикальные цилиндрические преграды.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛНОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ.

3.1. Законы подобия и правила моделирования.

3.2. Экспериментальная установка.

3.3. Программа экспериментальных исследований.

3.4. Методы проведения экспериментальных исследований.

3.4.1. Методы проведения и обработки результатов опытов с затопленным цилиндром и "моноподом".

3.4.2. Методы проведения и обработки результатов опытов с вертикальными цилиндрическими преградами.

3.5. Результаты экспериментальных исследований.

3.5.1. Оценка точности измерений.

3.5.2. Затопленный цилиндр.

3.5.3. "Монопод".

3.5.4. Вертикальные цилиндрические преграды.

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И

АНАЛИТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Затопленный цилиндр.

4.2 . "Монопод".

4.3. Вертикальные цилиндрические преграды.

4.3.1. Деформация взволнованной поверхности.

4.3.2. Волновая нагрузка.

4.4. Выводы.

5. ПАРАМЕТРЫ ТОРОСИСТЫХ ОБРАЗОВАНИЙ, МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК ОТ ТОРОСОВ И ЛОКАЛЬНЫХ

ЛЕДОВЫХ ДАВЛЕНИЙ.

5.1. Метрические характеристики торосистых образований.

5.2. Прочностные характеристики торосистых образований.

5.3. Методы расчета ледовой нагрузки от воздействия торосов на вертикальные преграды.

5.4. Локальное давление льда при взаимодействии ледовых образований с опорными частями гидротехнических сооружений.

5.4.1. Экспериментальные исследования.

5.4.2. Методы расчета локального давления льда.

5.5. Выводы.

6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЕДОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ.

6.1. Моделирование силового воздействия полей торошения на жесткие вертикальные цилиндрические преграды.

6.2. Методы создания крупномасштабных моделей торосов.

6.2.1. Метод создания модели поля торошения.

6.2.2. Метод создания модели консолидированного слоя тороса в ледяном покрове.

6.2.3. Метод создания пористых образцов льда в лабораторных условиях.

6.3. Методы исследований метрических характеристик торосов в натурных условиях.

6.4. Метод исследований прочностных характеристик торосов.

6.4.1. Метод исследований прочностных характеристик надводной части торосов.

6.4.2. Метод исследований прочностных характеристик средней части ф торосов в лабораторных условиях.

6.4.3. Метод исследований прочностных характеристик средней части моделей торосов в полевых условиях.

6.5. Метод проведения опытов по взаимодействию ледовых образований с цилиндрическими преградами.

6.5.1. Метод проведения крупномасштабных опытов по воздействию полей торошения и ровных ледяных полей на вертикальные цилиндрические преграды.

6.5.2. Метод экспериментальных исследований локального давления льда.

I ГЛАВА 7. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ.

7.1. Исследование метрических характеристик торосистых образований.

7.2. Исследование прочностных характеристик торосистых образований.

7.2.1. Исследование интегральной прочности надводной части моделей торосов.

7.2.2. Исследование прочностных свойств образцов льда с различной пористостью в лабораторных условиях.

7.2.3. Исследование прочностных свойств консолидированной части моделей торосов в натурных условиях.

7.3. Взаимодействие моделей полей торошения с цилиндрическими преградами.

7.3.1. Экспериментальные исследования коэффициента торосистости.

7.3.2. Экспериментальные исследования составляющих равнодействующей ледовой нагрузки от поля торошения на цилиндрическую преграду.

7.4. Экспериментальные исследования локального ледового давления. 249 ф 7.4.1. Результаты экспериментальных исследований.

7.4.2. Анализ результатов экспериментальных исследований.

7.5. Рекомендации по определению ледовых нагрузок.

7.5.1. Рекомендации по определению суммарной ледовой нагрузки от воздействия полей торошения на вертикальные цилиндрические преграды.

7.5.2. Рекомендации по расчету локального давления льда.

7.6. Выводы.

Актуальность диссертационной работы. Углеводородное сырье остается основным энергоносителем и в XXI веке. В настоящее время его доля превосходит 70% от общего числа энергоносителей, потребляемых в мире. Относительно невысокая стоимость нефти и природного газа, высокая теплотворность, простая транспортабельность, многообразие, получаемых в результате переработки, нефтепродуктов и универсальность их использования в различных областях промышленности стали причиной того, что эти природные ископаемые уже в течение многих десятилетий находятся вне конкуренции с другими источниками тепловой энергии.

К настоящему времени на нашей планете осваивается большое количество месторождений углеводородов, расположенных на суше. Однако, запасов этих месторождений недостаточно для того, чтобы обеспечить дальнейшее развитие мировой экономики. В развитых, в экономическом и техническом отношении странах, была произведена разведка и обустройство морских месторождений углеводородов на континентальном шельфе. Большинство этих месторождений эксплуатируются и по настоящее время. Следует отметить, что доля добываемой на море нефти в мире составляет более трети от общего объема. Специалисты полагают, что к 2020 г почти половина добываемого объема углеводородного сырья будет осуществляться на континентальном шельфе, в том числе и замерзающих морей.

Основная площадь шельфа России занимает примерно 22% от общей площади на планете. К настоящему времени геофизической и геологической разведками установлено, что примерно 7% этой площади перспективна в отношении углеводородного сырья и основная его часть находится в замерзающих морях.

Предстоящий подъем экономики нашей страны требует существенного роста добычи нефти и газа, в первую очередь для увеличения производства электроэнергии и тепла. Решение этой важной народнохозяйственной задачи невозможно без освоения месторождений на континентальном шельфе морей нашей страны. Обустройство морских месторождений углеводородов в современных условиях связано с разработкой и строительством ледостойких морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений в открытом море, а также специализированных причальных сооружений для отгрузки добываемого сырья. Эксплуатация самого молодого флота России -нефтегазопромыслового невозможна без строительства новых портов, в том числе портов-убежищ в различных районах Арктики, тяготеющих, в географическом отношении, к перспективным месторождениям.

Успешное проектирование ледостойких морских гидротехнических сооружений, как нефтегазопромысловых, так и портовых, предназначенных для эксплуатации в суровых климатических условиях, зависит от достоверных методов расчета волновых и ледовых нагрузок. Внешние нагрузки на морские гидротехнические сооружения являются основополагающими факторами при выборе их типов и конструктивных особенностей в процессе проектирования с учетом природно-климатических условий конкретного района строительства. Объективный расчет этих нагрузок позволит оптимизировать стоимость таких сооружений, которые должны успешно противостоять воздействию ветрового волнения и дрейфующим торосам в замерзающих морях, обеспечивая эффективную эксплуатацию промыслов и экологическую безопасность целых регионов. Действующие в нашей стране нормативные документы по определению этих нагрузок, не содержат целого ряда рекомендаций, которые бы учитывали различные формы проектируемых сооружений и то многообразие различных расчетных сценариев, которые могут реализоваться в процессе их срока службы. По этой причине, развитие существующих и создание новых методов расчета волновой и ледовой нагрузок на стационарные морские гидротехнические сооружения специфичных форм представляется весьма актуальной проблемой.

Цель работы. Целью диссертационной работы является развитие и разработка новых методов расчета волновой и ледовой нагрузок, включая локальное давление льда на опоры морских гидротехнических сооружений.

Поставленная цель достигнута путем решения следующих задач:

1. Разработки методов расчета силового воздействия регулярных волн на подводное морское гидротехническое сооружение типа затопленный цилиндр и ледостойкое морское нефтегазопромысловое гидротехническое сооружение (МНГС) типа "монопод".

2. Усовершенствование метода расчета волновой нагрузки на цилиндрические преграды больших диаметров, пересекающих поверхность воды с учетом возвышения свободной поверхности по контуРУ

3. Разработки методов расчета ледовых нагрузок от воздействия дрейфующих торосистых образований, с учетом их метрических и прочностных характеристик, на опорные части ледостойких морских гидротехнических сооружений цилиндрической формы.

4. Разработки метода расчета локальных давлений на опорные части ледостойких МНГС и портовые гидротехнические сооружения при их взаимодействии с ровными ледяными полями и торосистыми образованиями.

Методы исследований. Поставленная цель была достигнута использованием аналитического метода, включающего обобщение и анализ современного состояния вопроса по расчету волновых и ледовых нагрузок на морские нефтегазопромысловые и портовые гидротехнические сооружения и развитие методов расчета, апробированных результатами экспериментальных исследований. Эксперименты проводились, как в лабораторных, так и в натурных условиях на крупномасштабных моделях.

Научная новизна исследования состоит в более совершенном, с точки зрения инженерной практики, решении задач о взаимодействии регулярных волн с затопленной цилиндрической преградой большого диаметра и морским нефтегазопромысловым гидротехническим сооружением типа "монопод". При определении волновых нагрузок на вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра, пересекающих поверхность воды, учитывается влияние свободной поверхности по контуру преграды, которое приводит к соответствующему увеличению волновой нагрузки.

В процессе опытов была разработана, создана и внедрена экспериментальная установка, позволяющая синхронно регистрировать вертикальную и горизонтальную равнодействующие волновой нагрузки на модели морских гидротехнических сооружений сложных форм, что позволило повысить качество результатов экспериментальных исследований с моделями затопленного цилиндра и"монопода".

Используя комплексный подход в исследовании торосистых образований в Охотском, Карском и Баренцевом морях были выявлены соотношения в их метрических и прочностных характеристиках.

Результаты экспериментальных исследований в натурных и лабораторных условиях позволили установить эмпирическую зависимость снижения интегральной прочности торосов от их пористости. Она была положена в основу развития методов расчета ледовой нагрузки от полей торошения на опорные части ледостойких МНГС.

Крупномасштабные эксперименты позволили получить опытные значения коэффициентов торосистости в зависимости от относительного диаметра опорной части ледостойких сооружений и метрических характеристик расчетной модели тороса.

Предложен метод расчета суммарной ледовой нагрузки на основании принципа суперпозиции (от каждой из частей торосистого образования с учетом их метрических и прочностных характеристик).

Разработан метод расчета максимальных значений локального ледового давления на опорные части проектируемых ледостойких морских гидротехнических сооружений с учетом площади контакта, прочностных свойств, а также скорости дрейфа и толщины ледовых образований.

Практическая значимость состоит в развитии и разработке методов расчета волновых нагрузок на сооружения типа затопленный цилиндр, "мо-нопод" и вертикальные опорные части в виде цилиндров большого диаметра в зависимости от размеров сооружения, расчетных параметров волн и глубин воды в месте установки сооружения.

Результаты исследований могут быть использованы при: назначении расчетных значений метрических и прочностных характеристик торосистых образований на основании материалов инженерных изысканий в конкретном районе строительства морских гидротехнических сооружений; определении ледовых нагрузок на ледостойкие МНГС от воздействия расчетного торосистого образования; расчетах локальных давлений льда на опорные части проектируемых гидротехнических сооружений при их взаимодействии с ровными ледяными полями и полями торошения.

Внедрение результатов работы. Рекомендации по определению волновых и ледовых нагрузок на ледостойкие морские нефтегазопромысловые гидротехнические сооружения предложены в первую редакцию ведомственного Свода Правил по проектированию ледостойких платформ. Кроме этого, рекомендации по расчету ледовой нагрузки от воздействия торосов на ледостойкие морские гидротехнические сооружения и по определению максимальных значений локальных ледовых давлений включены в ведомственный нормативный документ Р 31.3.07-01 "Указания по расчету нагрузок и воздействий от волн и льда на морские гидротехнические сооружения", которые дополняют и уточняют СНиП 2.06.04 - 82*. Данные нормы утверждены Департаментом регулирования производственной деятельности морских портов Министерства транспорта России и введены в действие с 1 января 2002 г.

Настоящая работа решает крупную народнохозяйственную проблему по проектированию, строительству и эксплуатации ледостойких морских нефтегазопромысловых и портовых гидротехнических сооружений, требующих развития методов расчета волновых и ледовых нагрузок. Диссертация является итогом комплексных исследований по целому ряду государственных научных программ, а также международных проектов "Выбор сооружений континентального шельфа для арктических регионов" и "Устойчивость ледостойких нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений в арктических морях", которые были поддержаны Европейским Союзом в рамках Международной ассоциации по содействию сотрудничества с исследователями новых независимых государств бывшего СССР (INTAS - NIS).

Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

1. Усовершенствованный метод расчета волновых нагрузок на вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра, учитывающий влияние возвышения свободной поверхности по контуру преграды.

2. Метод расчета волновых нагрузок на затопленные вертикальные цилиндрические преграды большого диаметра, основанный на теории дифракции с использованием концепции волн малой амплитуды.

3. Метод расчета волновых нагрузок на морские нефтегазопромысло-вые гидротехнические сооружения типа "монопод", основанный на теории дифракции с использованием концепции волн малой амплитуды.

4. Методика определения расчетных значений метрических и прочностных характеристик торосистых образований.

5. Эмпирическая зависимость снижения интегральной прочности торосов от их пористости.

6. Методы расчета ледовой нагрузки от воздействия дрейфующих торосистых образований на ледостойкие МНГС.

7. Рекомендации по учету локального давления льда на гидротехнические сооружения в зависимости от площади контакта, прочностных характеристик, типов и толщины ледовых образований, а также скорости их дрейфа.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: Всесоюзной конференции и совещания по гидротехнике (Одесса, 1981 г); Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы проектирования, строительства, реконструкции и технической эксплуатации водно-транспортных гидротехнических сооружений" (Одесса, 1989 г); международной конференции 13th "Offshore Mechanics and Arctic Engineering" (Houston, USA 1994); международных конференциях "Освоение шельфа арктических морей России", состоявшихся в г. Санкт-Петербурге в 1997 и 1999 гг.; международных конференциях 16th "Offshore Mechanics and Arctic Engineering" and 14th "Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions" (Yokohama, Japan 1997); международной конференции 15th "Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions" (Finland, Helsinki 1999); международной конференции 16th "Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions" (Canada, Ottawa, Ontario 2001).

Публикации. Результаты настоящей работы опубликованы в 24 научных статьях, изданных в трудах российских и международных конференций как единолично, так и в соавторстве, в учебном пособии МГСУ, а также в научных отчетах общим объемом около 21 усл. п. л.

Личный вклад автора состоит в: общей постановке задач исследований; анализе состояния проблем; постановке задач аналитических и экспериментальных исследований; организации и проведении экспериментальных исследований; обработке, анализе и обобщении результатов; разработке рекомендаций по расчету волновых и ледовых нагрузок на морские гидротехнические сооружения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Она содержит 312 страниц текста, 115 рисунков, 50 таблиц, 221 использованного источника, одного приложения.

7.6. Выводы

На основании выполненного объема экспериментальных исследований по ледовому направлению в настоящей работе получены следующие выводы.

1. Результаты обследований метрических характеристик однолетних торосов в Охотском, Карском и Баренцевом морях позволили расширить существующий в России банк данных по морфометрическим параметрам торосистых образований, созданный на основе исследований отечественных и зарубежных специалистов. Полученные данные подтверждают существующие эмпирические зависимости соотношений метрических характеристик натурных торосистых образований, которые необходимо учитывать при расчетах ледовой нагрузки на проектируемые морские гидротехнические сооружения.

2. Разработанные методы исследований метрических характеристик торосистых образований апробированы в полевых условиях и рекомендуются к использованию при проведении инженерных изысканий в районах будущего строительства, как на активных и пассивных припаях, так и в состоянии дрейфа.

3. На основании анализа результатов комплексных исследований получена зависимость отношений интегральной прочности надводной части тороса Rs к прочности образцов льда на одноосное сжатие Rc, изготовленных из обломков льда ее слагающих, от относительных размеров обломков Rs/Rcs = f(lrs/hrs). Данная зависимость позволяет производить оценку интегральной прочности паруса тороса при наличии данных о размерах обломков из парусной части тороса и о прочности образцов льда из этих обломков на одноосное сжатие.

4. Экспериментально установлено, что интегральной прочность торосов зависит от пористости каждой из частей торосистого образования. С увеличением пористости от 0% до 50% интегральная прочность уменьшается по экспоненциальной зависимости.

5. Разработан метод определения коэффициента торосистости в зависимости от морфометрических характеристик расчетного ровного ледяного поля, поля торошения и диаметра опорной части ледостойкого морского гидротехнического сооружения. Использование этих коэффициентов в проектной практике позволит производить расчеты суммарной ледовой нагрузки от воздействия полей торошения на опорные части ледо-стойких морских гидротехнических сооружений в виде цилиндрических преград. Точность результатов таких расчетов существенным образом будет зависеть от количества и качества результатов инженерных изысканий, на основании которых возможно назначение расчетных характеристик торосистых образований в каждом конкретном районе будущего строительства.

6. Апробированный в настоящей работе экспериментальный подход по крупномасштабному моделированию взаимодействия полей торошения с опорными частями проектируемых ледостойких морских гидротехнических сооружений различных форм, позволяет определять на них суммарную ледовую нагрузки опытным путем в процессе научного сопровождения проектных работ.

Анализ величин ледовых нагрузок от каждой из частей поля торошения по результатам данных опытов показал, что основной вклад в суммарную ледовую нагрузку на цилиндрические преграды вносит средняя консолидированная часть тороса. Ее значение может превышать 80% от суммарной равнодействующей. Примерно около 15% ледовой нагрузки приходится на парус, а остальная доля на килевую часть. Выявленная закономерность, была учтена при разработке рекомендаций по расчету ледовой нагрузки от воздействия полей торошения на проектируемые сооружения в нормативные документы с использованием модифицированной классической зависимости Коржавина К.Н.

Разработанные методы расчета ледовой нагрузки от воздействия дрейфующих торосистых образований, учитывающие вклад каждой из частей тороса. Точность таких расчетов зависит от наличия данных о мор-фометрических и прочностных характеристиках торосов. Анализ результатов опытов по исследованию локальных давлений льда показал, что: изменение площади контактной зоны до 0,06hj2 приводит к превышению локального давления льда над его прочностью при одноосном сжатии в 2,5 6,1 раз; при высоте контактной зоны в 2 раза меньшей толщины льда происходит заметный рост локального давления льда за счет влияния стесненности поперечных деформаций по толщине льда; отношение локального давления ровного поля или средней консолидированной части поля торошения к соответствующей прочности льда при одноосном сжатии (коэффициент смятия I) не зависит от вида ледового образования при одной и той же относительной площади зоны контакта.

Полученная в настоящей работе эмпирическая зависимость, позволяет производить расчеты локального давления льда на проектируемые гидротехнические сооружения в зависимости от относительной ширины b/hj) и высоты (h/hj) контактной зоны, площади контакта, прочности льда, а также скорости его деформирования. Применение этой зависимости справедливо, как при воздействии ровных ледяных полей, так и торосов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментальные исследования по силовому воздействию волн на модели морских гидротехнических сооружений проводились в гидравлических лотках и бассейнах Отраслевой научно-исследовательской лаборатории морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений Московского государственного строительного университета.

Исследования метрических и прочностных характеристик торосистых образований в Охотском, Карском и Баренцевом морях осуществлялись во время экспедиций, которые проводились в районах разведанных месторождений углеводородов: Одопту, Чайво, Луньское - на северо-восточном шельфе о. Сахалин; по трассе проектируемого газопровода через Байдарацкую губу Карского моря; Штокмановкое газоконденсатное месторождение в Баренцевом море. При использовании береговых баз применялась вертолетная авиация, а в случаях значительной удаленности от берега работы велись с помощью ледоколов и судов ледового класса.

Проведение крупномасштабных опытов по исследованию силового взаимодействия торосистых образований с цилиндрическими опорами потребовало создания специальной экспериментальной базы в порту Москальво, что в заливе Байкал Сахалинского залива Охотского моря в северо-западной части о. Сахалин.

Экспериментальные исследования локальных ледовых давлений и прочностных характеристик моделей средней консолидированной части полей торошения проводились в ледовом покрове озера в г. Мытищи. Кроме этого прочностные свойства торосистых образований с различной пористостью исследовались и в лабораторных условиях в техническом центре Финляндии в г. Эспоо.

На основании анализа результатов экспериментальных исследований в настоящей работе получены следующие результаты.

1. Разработан метод расчета горизонтальной и вертикальной составляющих волновой нагрузки, а также суммарного опрокидывающего момента на подводное гидротехническое сооружение типа затопленный цилиндр, который подтвержден результатами экспериментальных исследований при относительных возвышениях верхнего торца над уровнем дна 0,1 < c/d < 0,5, в диапазоне относительных глубин воды 0,16 < d/X, < 0,67 и изменении дифракционного параметра ttD/X, от 0,6 до 1,47.

2. Разработан метод расчета горизонтальной и вертикальной составляющих волновой нагрузки, а также суммарного опрокидывающего момента на морское нефтегазопромысловое гидротехническое сооружение типа "монопод", который подтвержден результатами экспериментальных исследований при относительных возвышениях верхнего торца основания сооружения над уровнем дна в диапазоне 0,13 < c/d < 0,4 и относительных глубинах воды 0,125 < d/X. < 0,5 при дифракционном параметре в пределах 0,63 < rcD/X, < 1,83 и соотношении диаметра опорной части к диаметру основания 0,156 < D]/D < 0,31.

3. Результаты экспериментальных исследований взаимодействия регулярных волн с цилиндрическими преградами различных диаметров на глубокой воде и в условиях мелководья (0,12 < d/X, < 0,21), при дифракционном параметре 0,14 < 7iD/X, < 0,9 и крутизне волн - 0,01 < h/X, < 0,041, удовлетворительно согласуются с расчетными значениями волновой нагрузки, определенной по зависимости, основанной на теории дифракции и с учетом влияния возвышения свободной поверхности по контуру цилиндра.

4. Результаты исследований однолетних торосов в Охотском, Карском и Баренцевом морях пополнили существующий в России банк данных по морфо-метрическим параметрам торосистых образований. Полученные данные не противоречат существующим эмпирическим зависимостям соотношений метрических характеристик натурных торосистых образований, которые необходимо учитывать при расчетах ледовой нагрузки на проектируемые морские гидротехнические сооружения.

5. Разработанные методы исследований метрических характеристик торосистых образований апробированы в полевых условиях и рекомендуются к использованию при проведении инженерных изысканий в районах будущего строительства, как на активных и пассивных припаях, так и в состоянии дрейфа.

6. На основании результатов крупномасштабных экспериментов разработан метод обоснованного определения коэффициента торосистости в зависимости от морфометрических характеристик расчетного ровного ледяного поля, поля торошения и диаметра опорной части ледостойких морских гидротехнических сооружений.

7. Предложенный в настоящей работе экспериментальный подход по крупномасштабному моделированию взаимодействия полей торошения с опорными частями проектируемых ледостойких морских гидротехнических сооружений различных форм, позволяет определять на них суммарную ледовую нагрузку опытным путем в процессе научного сопровождения проектных работ.

8. Экспериментально определено, что основной вклад в суммарную ледовую нагрузку на цилиндрические преграды вносит средняя консолидированная часть тороса. Ее значение может превышать 80% от суммарной равнодействующей. Примерно около 15% ледовой нагрузки приходится на парус, а остальная доля на килевую часть. Выявленная закономерность, была учтена при разработке метода расчета ледовой нагрузки от воздействия полей торошения на проектируемые сооружения с использованием модифицированной классической зависимости Коржавина К.Н.

9. Разработаны методы расчета ледовой нагрузки от воздействия дрейфующих торосистых образований, учитывающие вклад каждой из частей тороса. Точность таких расчетов зависит от наличия данных о морфометрических и прочностных характеристиках торосов.

10. Получена эмпирическая зависимость, позволяющая определять величину локального давления льда на проектируемые гидротехнические сооружения в зависимости от относительной ширины (b/hj) и высоты (h/hi) контактной зоны, площади контакта, прочности льда, а также скорости его деформирования. Применение этой зависимости справедливо, как при воздействии ровных ледяных полей, так и торосов.

В проект Свода Правил по проектированию морских ледостойких стационарных платформ (первая редакция) включены рекомендации по расчету суммарной ледовой нагрузки от воздействия полей торошения на опорные части ледостойких стационарных морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений, а также рекомендации по определению максимальных значений локальных ледовых давлений. Данные рекомендации включены также в ведомственный документ Департамента Морского транспорта Министерства Транспорта РФ - Указания по расчету нагрузок и воздействий от волн, судов и льда на морские гидротехнические сооружения (Дополнение и уточнение СНиП 2.06.04 - 82*), который введен в действие с 1 января 2002 г.

1. Алексеев Ю.Н., Афанасьев В.П. и др. Ледотехнические аспекты освоения морских месторождений нефти и газа. ГМС, 2001, Санкт-Петербург, 340 с.

2. Астафьев В.Н., Сурков Г.А., Трусков П.А. Торосы и стамухи Охотского моря. "Прогресс-погода", Санкт-Петербург, 1997, 197 с. Афанасьев В.П. Давление льда на вертикальные преграды. Транспортное строительство, М., 1972, Вып. 3, с. 47 48.

3. Варданян Г.С. Применение теории подобия и анализа размерностей к моделированию задач механики деформируемого твердого тела. М., Изд. МИСИ, 1980, 104 с.

4. Варданян С.С. Моделирование контактного воздействия ледяного поля на цилиндрические опоры. Автореферат диссертации, М., 1985.

5. ВСН 41.88. Проектирование ледостойких стационарных платформ. Миннефтепром СССР, М., 1988, 138 с.

6. Гайдук О.А., Рогачко С.И., Халфин И.Ш. Устройство для измерения волновой нагрузки на модели гидротехнических сооружений. А. С. № 987435, М., 1982.

7. Глуховский Б.Х. Исследование морского ветрового волнения. JL, Гидрометеоиздат, 1966. - 284 с.

8. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс. Л., Гидрометеоиздат, 1978, 287 с.

9. Доусон Т. Проектирование сооружений морского шельфа. Л., Судостроение, 1986, 286 с.

10. Евдокимов Г.Н., Рогачко С.И., Мишке Д.Б. О применении уровнемера типа РУС для измерений параметров волн. Межвузовский сборник "Гидротехнические сооружения", Владивосток, 1985.

11. Зверев Л.А., Рогачко С.И. О способе определения нарушений морского дна дрейфующими торосами. Тезисы докладов Всероссийской конференции "МОРСКИЕ ЛЬДЫ И ХОЗЯЙСТВЕННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ НА ШЕЛФЕ", Мурманск, 1989, с. 27-29.

12. Зверев Л.А., Рогачко С.И. О способе определения нарушений морского дна дрейфующими торосами. Информационный сборник "Научно-технические достижения и передовой опыт, рекомендуемые для внедрения в нефтяной промышленности", М., 1990, выпуск 6, с. 27-29.

13. Зуев Н.Д., Рогачко С.И. Силовое воздействие регулярных волн на подводные гидротехнические сооружения в виде цилиндра. Гидротехническое строительство № 7, М., 2002.

14. Исследование волновых воздействий на ледостойкие сооружения различных типов при глубине моря до 25 м. Отчет о научно-исследовательской работе по х. д. 349/А-2, ОНИЛ МНГС, МИСИ им. В.В. Куйбышева, М„ 1980.

15. Исследование взаимодействия ледяных полей и торосистых образований с ледостойкими опорами в условиях Охотского моря. Отчет о НИР, ОНИЛ МНГС, МИСИ им. В.В. Куйбышева, шифр 350/В-1, В-2, М., 1980.

16. Исследование взаимодействия торосистых образований и ледостойких опор применительно к условиям Охотского моря. Отчет о НИР, ОНИЛ МНГС, МИСИ им. В.В. Куйбышева, 4.1 и 4.2, М., 1983.

17. Исследование взаимодействия торосистых образований и ледостойких опор применительно к условиям Охотского моря. Отчет о НИР, ОНИЛ МНГС, МИСИ им. В.В. Куйбышева, М., 1984.

18. Исследование взаимодействия торосистых образований и ледостойких опор применительно к условиям Охотского моря. Отчет о НИР, ОНИЛ МНГС, МИСИ им. В.В. Куйбышева, 4.1 и 4.2, М„ 1985.

19. Исследовать физико-механические и геометрические параметры ледовых образований Охотского моря на шельфе о. Сахалин. Отчет о НИР, ОНИЛ МНГС, МИСИ им. В.В. Куйбышева, М., 1990, 136 с.

20. Исследовать физико-механические свойства ледовых образований Байдарацкой губы для проектирования и строительства перехода магистрального газопровода". УДК. 554.67, № гос. регис. 01880027920. Отчет о НИР, ОНИЛ МНГС, МИСИ им. В.В. Куйбышева, М., 1989.

21. Исследование силового воздействия полей торошения. Отчет о НИР, INTAS Report "CHOICE OF OFFSHORE STRUCTURES FOR ARCTIC REGIONS", M., 1996.

22. Каспарсон А.А. Определение давления волны на опоры морских сооружений сквозного типа. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1950.

23. Каспарсон А.А. Определение давления волны на опоры морских сооружений сквозного типа. Научные доклады высшей школы, раздел "Строительство", М., 1958, № 1.

24. Каспарсон А.А., Рогачко С.И. Расчет воздействия регулярных волн на цилиндрические опоры большого диаметра. "Нефтепромысловое строительство", № 4, реф. научно-техн. сб к., ВНИИОЭНГ, М., 1975.

25. Каспарсон А.А., Халфин И.Ш., Рогачко С.И. Исследование воздействия нерегулярных волн на цилиндрические опоры. "Транспортное строительство", № 3, научн.-техн. и производств, журнал, орган Министерства Транспорт. Стр-ва СССР, М., 1976.

26. Копайгородский Е.М., Вершинин С.А. и др. Устройство для определения несущей способности преимущественно ровных ледяных полей. А.С. № 697833 от 20.07.1979, М.

27. Копайгородский Е. М., Вершинин С. А., Упоров А. В., Нифонтов С.А. Установка для натурных исследований воздействия льда на гидротехнические сооружения. А.С. № 473781 от 21.02.1975, М.

28. Коржавин К. Н. Воздействие льда на инженерные сооружения. -Новосибирск, Изд-во СО АН СССР, 1962, 224 с.

29. Кочин Н. Е. Ученые записки МГУ. Выпуск 46, механика, М.,1940.

30. Крылов Ю. М. Дифракция волн жидкости. Труды Государственного океанологического института, выпуск 16 (28), JL, 1950.

31. Крылов Ю. М. Спектральные методы исследования и расчета ветровых волн. J1., Гидрометеоиздат, 1966. - 256 с.

32. Крылов Ю. М., Стрекалов С.С., Цылухин В.Ф. Ветровые волны и их воздействие на сооружения. Л., Гидрометеоиздат, 1976. - 256 с.

33. Лаппо Д. Д. Приближенное решение о воздействии двухмерной прогрессивной волны на некоторые препятствия малых поперечных размеров. Сборник НИР, № 16, УВМУ ЗВМС, Л., 1951.

34. Лаппо Д. Д. Силовое воздействие гравитационных волн при обтекании гидротехнических сооружений. АН СССР, М., 1962.

35. Леви И. И. Моделирование гидравлических явлений. Изд. 2-е. Л., Энергия, 1967, 235 с.

36. Лунин А. Ф., Рогачко С. И. Взаимодействие дрейфующих ледовых образований с морским дном. Производственно-технический журнал "ГАЗОВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ", № 12, М., 1998, с. 49-50.

37. Майоров Ю.Б. Об инерционном и скоростном коэффициентах волновой нагрузки на сваю. Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 61, "Энергия", Л., 1970, с. 205-211.

38. Носков Б.Д., Варданян С.С. Определение механических свойств фрагментов торосистых образований. Межвуз. сб. "Гидротехническое строительство", Владивосток, 1985.

39. Носков Б.Д., Варданян С.С., Копайгородский Е.М., Рогачко С.И., Белов

40. A.Б. и др. Способ создания моделей торосистых образований. Авторское свидетельство № 1219708 от 22.11.1985, М., 1985.

41. Определение влияния пористости на характеристики льда. Отчет о НИР. INTAS Report "CHOICE OF OFFSHORE STRUCTURES FOR ARCTIC REGIONS", M„ 1996.

42. Определить физико-механические свойства льда Баренцева моря в районе Штокмановской структуры. УДК. 554.67. Отчет о НИР, ОНИЛ МНГС, МИСИ им. В.В. Куйбышева, М., 1991.

43. Определение физико-механические свойств ледовых образований Баренцева моря в районе Штокмановского ГКМ. УДК. 554.67. Отчет о НИР, ОНИЛ МНГС, МИСИ им. В.В. Куйбышева, М., 1992.

44. Отчет об экспедиции на ледоколе "Ермак". Мингазпром, М., 1982, 216с.

45. Павленко Г.Е. Сопротивление воды движению судов. "Морской транспорт", М., 1956.

46. Разработка методов расчета нагрузок и воздействий от волн на морские гравитационные и ледостойкие сооружения. Отчет о научно-исследовательской работе по х. д. 310/А-1, ОНИЛ МНГС, МИСИ им. В.В. Куйбышева, М., 1983.

47. Разработка рекомендаций по расчету конструкций гравитационно-свайных фундаментов. Отчет о НИР. Часть II "Исследования воздействия волн на опоры МНГС", ОНИЛ МНГС, МГСУ, М., 1998.

48. Разработка рекомендаций по расчету волновых нагрузок на платформу Варандей-море. ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к НИР, ОНИЛ МНГС, МГСУ, М., 2000.

49. Разработать ведомственные строительно-технологические нормы (ВСТН) по воздействию торосистых образований на морские ледостойкие стационарные платформы. Отчет о НИР, ОНИЛ МНГС, МГСУ, М., 2000.

50. Расчет режима морского ветрового волнения. М., Методические указания. ГОИН, 1979, 42-95 с.

51. Рогачко С.И. Экспериментальное исследование воздействия регулярных и нерегулярных волн на опору большого диаметра. "Нефтепромысловое строительство", № 1, реф. научно-техн. сб-к., ВНИИОЭНГ, М., 1975.

52. Рогачко С.И. Исследование воздействий ветровых волн на цилиндрические опоры большого диаметра. Дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук, МИСИ им. В.В. Куйбышева, М., 1975.

53. Рогачко С.И., Гайдук О.А. О применимости приближенных методов расчета волновых нагрузок на затопленный цилиндр. Сб. научн. тр. "Техника и технология для освоения ресурсов нефти и газа на континентальном шел ьфе", ВНИИморгео, Рига, 1983.

54. Рогачко С.И., Зуев Н.Д. Силовое воздействие волн на морские нефтега-зопромысловые гидротехнические сооружения типа монопод. СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ, посвященный семидесятилетию факультета гидротехнического и специального строительства МГСУ, М., 2001.

55. Рогачко С.И., Зверев J1.A. и др. Способ разбивки геодезического обоснования топографической съемки земной поверхности. А. С. № 1520337 СССР, МКИ Е 21 В 43/14, М., 1989.

56. Рогачко С.И. Исследование влияния пористости на интегральную прочность торосистых образований. Сборник научных трудов "ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО, ПОРТЫ И ПОРТОВЫЕ СООРУЖЕНИЯ, ОБЪЕКТЫ СТРОИТЕЛЬСТВА НА ШЕЛЬФЕ", МГСУ, М., 2002, с. 35-41.

57. Рогачко С.И. Волновые нагрузки на центральную опору ледостойкого основания типа "монопод". Экспресс-информация ВНИИЭгазпрома. Освоение ресурсов нефти и газа морских месторождений, Вып. 7, М., 1980.

58. Рогачко С.И. Метод расчета силового воздействия торосистых образований на стационарные сооружения. Труды четвертой международной конференции "Освоение шельфа арктических морей России", С. Петербург, 1999, с. 195-199.

59. СВОД ПРАВИЛ "ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОРСКИХ ЛЕДОСТОЙКИХ ПЛАТФОРМ". Часть I Классификация, общие положения и требования. Нагрузки и воздействия. Остойчивость. СП 33 - 101 00, М., 2001.

60. Селезов И.Т., Сидорчук В.Н., Яковлев В.В. Трансформация волн в прибрежной зоне шельфа. "Наукова думка", Киев, 1983.

61. Смирнов Г.Н. Океанология. Учебник для вузов. Высшая школа, М., 1987.-406 с.

62. СНиП 2.06.04-82*. Нагрузки и взаимодействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)/Минстрой России. М.: ГПЦПП, 1995.48 с.

63. Трусков П.А. Ледотехнические аспекты создания объектов обустройства морских месторождений нефти и газа (на примере Охотского моря). Автореферат диссертации, С. Петербург.: ГНЦ РФ ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 1997, 33 с.

64. Указания по волновым расчетам гидротехнических сооружений. УВРГС-67, МО СССР, М„ 1968.

65. Указания по расчету нагрузок (волновых, ледовых и от судов) на гидротехнические сооружения. Раздел 6. Ледовые нагрузки на гидротехнические сооружения. Отчет о НИР, ОНИЛ МНГС, МГСУ, М„ 1998.

66. Халфин И.Ш. Воздействие волн на морские нефтегазопромысловые сооружения. Недра, М., 1990, 312 с.

67. Халфин И.Ш., Авдеева В.И., Мурина Е.Ю. Установка для волновых исследований. А. С. № 845041, М., 1981.

68. Хаскинд М.Д. Дифракция бегущих волн вокруг вертикальной преграды в тяжелой жидкости. Известия АН СССР, ОТН, М.,1957.

69. Хаскинд М.Д. Гидродинамическая теория качки корабля. "Наука", М., 1973, 327 с.

70. Afanasev V.P. Ice Pressure on Vertical Structures. Transportnoe Stroitel-stvo (3). NRC Technical Translation 1708, Ottawa, Canada, 1972, p. 47-48.

71. API (American Petroleum Institute). Planning, Designing, and Constructing Structures and Pipelines for Arctic Conditions. American Petroleum Institute Recommended Practice 2N, Dallas, TX, USA, 1994.

72. Beketsky S.P., Astafiev V.N. and Truskov P.A. Structure of Hummocks Offshore of Northern Sakhalin, Proceedings of the Sixth International Offshore and Polar Engineering Conference, Los Angeles, USA, May 26-31, 1996, vol. II, p. 398-400.

73. Blanchet D. Variation of the Local Failure Pressure with Depth Trough First Year and Multi Year Ice. Proc. OMAE-86, Tokyo, Japan, 1986, vol. 4, p. 310-318.

74. Bonnefille Rene et Germain Pierre. Action de la houle sur les outrages isoles de grande dimension. IAHR, Congress, London, 1963, p. 311-318.

75. Broms B. The lateral resistance of piles in cohesion less soil. JSMD, ASCE, 1964, vol. 90, No. SM3, p. 123-156.

76. Bruen F.J. et al. Selection of local Design Ice Pressure for Arctic Systems, OTC-82, Houston, 1982, p. 417-435.

77. Byrd R.C. at al. The Arctic Cone Exploration Structure a Mobil Offshore Drilling Unit for Heavy Ice Cover. OTC, Houston, 1984.

78. Chacrabarti Subrata K., Jam William A. Gross and local wave loads on a large vertical cylinder theory and experiment. Proc. 5th Ann. Off. Techn. Conf., Houston, Tex., 1973, vol. 1, p. 813 - 820.

79. Chacrabarti Subrata K. Second-order wave force on large vertical cylinder. J. of Waterways, Harbors and Coastal Engineering Division, ASCE, vol. 101, No. WW3, August, 1975, p. 311-317.

80. Chacrabarti Subrata K. Wave forces on pile including diffraction and viscous effects. J. of the Hydraul. Div., Proc. Amer. Soc. Civ. Eng, vol. 99, No. HY8, 1973, p. 1219-1233.

81. Chacrabarti Subrata K. and Jam William A. Wave height distribution around vertical cylinder. J. of Waterways, Harbors and Coastal Engineering Division. Proc. of the American Society of Civ. Eng., May, 1975, vol. 101, No. WW2, p. 225-230.

82. CHOICE OF OFFSHORE STRUCTURES FOR ARCTIC REGIONS. Отчет о НИР. Experiments on the strength of refrozen layers of first-year ice ridges. INTAS Report, M., 1997.

83. CHOICE OF OFFSHORE STRUCTURES FOR ARCTIC REGIONS. Отчет о НИР. Final Report RTE38-IR-4/1997, VTT BULDING TECHNOLOGY, Espoo, Finland, 1997.

84. Cox G.F.N, et al. Assessment of ice ridge up pile up on slopes and beaches. Proc. POAC-83, Espoo, Helsinki, 1983, vol. 2, p. 971-981.

85. Croasdale K.R. The Nut Cracker Ice Strength Tests, APOA-1, Imperial Oil Ltd., Production, Research and Technical Services Laboratory, Calgary, 1970.

86. Croasdale K.R. The Nut Cracker Ice Strength Tests, APOA-9, 1971.

87. Croasdale K.R. Ice forces on fixed rigid structures. In IAHR Working Group on Ice Forces on Structures (Edited by T. Carstens), US Army CRREL, Special Report 80-26, Hanover, N.H., USA, 1980, p. 34-106.

88. Croasdale K.R. and Cammaert A.B. An improved method for the calculation of ice loads on sloping structures in first-year ice. First International Conference on Exploration of Russian Arctic Offshore, St. Petersburg, Russia,1993, p. 161-168.

89. Croasdale K.R., Cammaert A.B. and Metge M. A method for the calculation of sheet ice loads on sloping structures. Proceedings of the IAHR'94 Symposium on Ice, Trondheim, Norway, 1994, vol. 2, p. 874-875.

90. CSA (Canadian Standards Association). General Requirements, Design Criteria, the Environment, and Loads. Canada, 1992.

91. Daley C.G. et al. Analysis of Extreme Ice Loads measured on the USCGC POLAR SEA, SNAME, New York, 1984.

92. Danielewicz B.W., Cornettes S. Ice Forces on Hans Island. APOA Project,1994, No. 202.

93. Dolgopolov Y.V., Afanasev V.P., Korenkov V.A. and Panfilov D.F. Effect of hummocked ice on piers of marine hydraulic structures. Proceedings IAHR Symposium on Ice, Hanover, New Hampshire, USA, 1975, p. 469478.

94. Eatock Taylor R. and Hung S. Second-order diffraction forces on a vertical cylinder in regular waves. Appl. Ocean Res., 9(1), 1987, p. 19-30.

95. Edwards R.Y. et al. Results of Full Scale Trials in Ice if CCGS PIERRE RADISON, SNAME Ice Technology Symposium, Quebec City, 1982.

96. Eranti E., Lehmus E. and Nortala-Hoikkanen A. First-year Ice Ridges Characteristics and Load on Offshores. Proc. of the 2nd Int. Offshore and Polar Eng. Conf., 1992, p. 681-687.

97. Eranti E. and Lee G.C. Introduction to ice problems in civil engineering. Department of Civil Engineering and Center for Cold Regions Engineering, Science, and Technology (81-1), State University of New York, Buffalo, 1981, 194 p.

98. Fransson L. and Sandkvist J. Brash ice shear properties laboratory tests. Proc. POAC-85, Greenland, 1985, vol.l, p.75-87.

99. Frederking R., Jordaan I.J. and McCallum J.C. Field tests of ice indentation at medium scale. Hobson's Choice Ice Island, 1989. IAHR Symposium on Ice, Espoo, 1990, vol. 11, p. 931-944.

100. Garrison C.J. and Chow P.Y. Wave forces on submerged bodies J. Waterways, Harbors and Coastal Engineering Division, ASCE, Aug., 1972, vol. 98, No. WW3,p. 375-392.

101. Garrison C.J. and Stucey Robert. Wave loads on North sea gravity platforms: a comparison of theory and experiment. 9-th Annual OTC in Houston, Tex, May, 1977, p. 513-524.

102. Garrison C.J. and Seetharama Rao V. Interaction of waves wish submerged objects. J. Waterways, Harbors and Coastal Engineering Division, ASCE, May, 1971, vol. 97, No. WW2, p. 259-277.

103. Geisel F.A. Proposed standard methods for measuring and reporting Arctic pressure ridges. Proc. POAC-83, Espoo, Helsinki, 1983, vol. 3, p. 122-131.

104. German & Milne VTT. M.V. "Arctic", Tests Results and Analysis, Final Report. A report by German & Milne and Technical Research Centre of Finland, Ship Laboratory to Transport Canada, Coast Guard Northern, 1985.

105. Glen I.F. and Comfort G. Ice Impact Pressure Loads, Investigation by Laboratory Experiments and Ship Trials, POAC, Helsinki, 1983.

106. Glen I.F. and Daley C. Ice Impact Loads on Ships, SNAME, Article Section, 1982.

107. Glen I.F. and Blont H. Measurement of Ice Impact Pressure and Loads onboard CCGS Louis St. Laurent. Proceedings of the ASME Symposium, New Orleans, 1984.

108. Gold L.W. Ice Pressure and Bearing Capacity Geotechnical Engineering for Cold Region, McGraw Hill Book Co., New York, 1978.

109. Harms Volker W. Diffraction of water waves by isolated structures. J. Waterway, Port, Coastal and Ocean Division, ASCE, May, 1979, vol. 105, No. WW2, p. 131-147.

110. Hibler W.D. Ill, Weeks W.F. and Mock, S.J. Statistical aspects of sea-ice ridge distribution. J. Geophys. Res., 1972, vol. 77, p. 5954-5970.

111. Hnatiuk J., Kovacs A. and Mellor M.A. A study of several pressure ridges and ice island in the Canadian Beaufort Sea. Journal of Glaciology, 20, 1978, No. 84, p. 519-530.

112. Hogben N., Standing R.G. Experience in computing wave loads on large bodies. "Offshore Technol. Conf.", Houston, Tex, 1975, Proc., vol. 1, p. 413-431.

113. Hoikkanen J. Measurements and analysis of ice pressure against a structure in level ice and in pressure ridges. Proceedings of the 7th International IAHR Symposium on Ice, Hamburg, Germany, 1984, vol. 3, p. 151-160.

114. Hudson R.D. Observation on the extrusion of sea ice rubble. Proc. POAC-83, Espoo, Helsinki, vol. 1, 1983, p. 99-108.

115. Hysing T. and Bach-Gansmo O. Loads on Offshore Structures due to Multi Years Ridges. Marine Structures and Ships in Ice. Report No. 8-07, 1981.

116. Isaacson M. Nonlinear wave effects on fixed and floating bodies. J. Fluid Mech., 120, 1982, p. 267-281.

117. Isaacson M., Cheund Kwok Fai. Time-domain solution for second-order diffraction. J. Waterway, Port, Coast, and Ocean Eng., 1990 No. 2.

118. Iyer S.H. Size Effect in Ice and their Influence on the Structure Design of Offshore Structure, Proc. POAC-83, Espoo, Helsinki, 1983, vol. 3, p. 414432.

119. Iyer S.H. and Masterson D.M. Field Strength Tests of the Multi Year Ice Using Thin Walled Flat Jacks, POAC, APOA-200, Fairbancs, Alasca, 1987.

120. Iyer S.H. A state of the art review of local ice loads for the design of offshore structures. Proc. IAHR Ice Symp., Sapporo, Japan, 1988, p. 509-566.

121. Jefferies M.G. and Wright W.H. Dynamic Response of Molikpaq Ice Structure Interaction. OMAE, Houston, 1987.

122. Joint Norwegian Research. Loads on Offshore Structures due to Multi Year Ice. Report No. 81-07, 1984.

123. Johnson R.C. and Benoit J.R. Ice Berg Impact Tests. Houston, 1987.

124. Keinonen A. and Nyman T. An experimental model-scale study on the compressible, frictional and cohesive behaviour of broken ice mass. Proc. Int. "IAHR Symp. on Ice Probl.", Lulea, 1978, part 2, p. 335-353.

125. Kennet R. Croasdale & Associates Ltd., Канада. Исследования в целях достижения консенсуса при определении ледовых нагрузок. Труды международной конференции "Освоение шельфа арктических морей России" RAO-97. Санкт-Петербург, Россия, 1997.

126. Kheisin D.E. et al. Determination of Specific Breakup Energy and Contact Pressure Produced by the Impact of a Solid Against Ice, CRREL TL 539, New Hampshire, 1976.

127. Kivisild H.R. and Iyer S.H. In Site Tests for Ice Strength Measurements, Ocean Eng., 1976, vol. 3.

128. Koma N. et al. Design Consideration of Global Ice Load Distribution and Local Ice Pressure on Offshore Structures OMAE, Houston, 1987.

129. Korzahvin K.N. Action of ice on engineering structures. CRELL Draft Translation No. 269, Hanover, New Hampshire, U.S.A., 1962.

130. Kovacs A., Weeks W.F., Ackley S.F. and Hibler W.D. III. Structure of multi-year pressure ridge. Arct. Journal of the Arctic Institute of North America, 26(1), 1973, p. 22-31.

131. Kovacs A. and Sodhi D.S. Shore ice pile up and ridge up. In: Field observations. Models. Theoretical analyses. Cold Regions Science and Technology,1980, vol. 2, p. 209-288.

132. Kovacs A. and Sodhi D.S. Sea ice piling at Fairway Rock, Bering strait, Alaska: observations and theoretical analyses. Proc. POAC-81, Quebec,1981, vol. 2, p. 985-1000.

133. Kovacs A. Sea ice rubble formations off the Northeast Bering Sea and Norton Sound coasts of Alaska. Proc. POAC-81, Quebec, 1981, vol. 3, p. 13481363.

134. Krankkala T. and Maattanen M.P. Methods for determining ice forces due to first-and multi-year ridges. Proceedings of the 7th International IAHR Symposium on Ice, Hamburg, Germany, 1984, vol. IV, p. 263-287.

135. Kry P.R. Ice rubble fields in the vicinity of Artificial Islands. Proc. 4th POAC-77 Conf., Newfoundland, 1977, vol. 1, p. 200-211.

136. Kry P.R. High Aspect Ratio Crushing Tests. APOA-93, 1977.

137. Kry D.R. Ice Forces on wide Structures. Third Canadian geotechnical collo-quim, Can. Geotech. J., 1980, vol. 17, p. 97-113.

138. Lennart Fransson, Lars Stehn. POROSITY EFFECTS ON MEASURED STRENGTH OF WARM ICE. The 12th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions 17-20 August 1993. Hamburg.

139. Lepparanta M. and Hakala R. Field measurements of the structure and strength of first-year ice ridges in the Baltic Sea. Proc. 8th Int. Conf. on Offshore Mech. and Arctic Eng., 1989, vol. IV, p. 169-174.

140. Lepparanta M. and Hakala R. The structure and strength of first-year ice ridges in the Baltic Sea. Cold Region Science and Technology, 20, 1992, p. 295-31 1.

141. Li Zhijn, Peng Wanwei, Zhang Tao, Lu Ming, Gao Shugang. EFFECT OF POROSITY UNIAXIAL COMPRESSIVE STRENGTH OF ICE IN LIAODONG GULF. The tenth international symposium on OKHOTSK SEA, SEA ICE & PEOPLES. MOMBETSU, HOKKAIDO, JAPAN, 1995.

142. Likhomanov V.A. and Kheisin D.E. Experimental Investigation of Solid Body Impact on Ice, Problem of the Arctic Collection of articles. Vol. 38. Edited by Treshnikov, New Delht American Publishing Co. Pvt. Ltd., 1973.

143. Lukkonen S. Experiments from use of pressuremeter in ice tests on the Sea of Okhotsk during the winter of 1990 and 1991, Finland.

144. Maattanen M.P. Design recommendations for ice effects on aids-to-navigation, third draft. IALA Technical committee to study the effect of ice on light-houses, Oulu, 1983, 15 p.

145. MacCamy R.C. and Fuchs R.A. Wave forces on piles: a diffraction theory. -US Army Corps of Eng. Techn. Memorandum, Washington, Dec., 1954, No. 69, p. 17.

146. MacGonigal D. and Wright B.D. First-year pressure ridges in the Beaufort Sea. Proc. "Intermaritec", 1982, vol. 82, p. 444-459.

147. Malenica S. Diffraction de troisieme order et ineraction houle-courant pour un cylindre vertical en profounder finie. Ph. D Thesis, University of Paris VI, 1994.

148. Masterson D.M., Johnson R., Nevel D., Kenny J. and Spencer P.A. Pressure vs. area relationships from medium scale field in impact tests. IAHR (11th International Ice Symposium, Banff.), 1992.

149. Masterson D.M. and Frederking R.M.W. Local contact pressures in ship/ice and structure/ice interactions. Cold Regions Science and Technology, Amsterdam, 1993, vol. 21, p. 169-185.

150. Mellor M. Ship resistance in thick brash ice. Cold Regions Science and Technology, 1980, No. 3(4), p. 305-321.

151. Michel B. and Toussain N. Mechanism and Theory of Indentation of Ice Plates. Journal of Glaciology, 1977, vol. 19, No. 81, p. 285-300.

152. Miller T.M. Ice Crushing Tests. APOA-66. Imperial Oil Ltd. Calgary, 1974.

153. Mock S. J. and Hartwell A.D. Quantitative analysis of pressure ridge orientation. Submitted to the Journal of Glaciology, 1972.

154. Mogridge G.R., Jamieson W.W. Wave forces on large diameter vertical cylinders. IAHR, XVI-th Congress, July-August, 1975, p. 262-269.

155. Morison J.R., O'Brien M.P., Johnson J.W. and Schaff S.A. Forces exerted by surface waves in piles. Petroleum Transactions Amer. Inst, of Mining Eng., 1950, vol. 189, p. 149-154.

156. Morison J.R. Design of Piling. Proceedings of first conference on coastal Eng. ch. 28, 1951.

157. Morison J.R., Johnson J.W. and O'Brien M.P. Experimental studies on Forces on Piles. Proceedings of the Fourth Conference on Wave Res., Berkeley. Calif, ch. 25, 1953.

158. Muhonen A., Kama Т., Eranti E., Riska K., Jarvinen E. and Lehmus E. Laboratory indentation tests with thick freshwater ice. vol. 1. Techn. Res. Centre of Finland. Espoo, 1992, 198 p.

159. Naoki Nakazawa, Satoshi Akagawa, Muneo Kawamura at all. Medium-Scale Field Ice Indentation Test (MSFIT) Results of 1996-1998 winter tests, 1999.

160. Noikkanen J. Measurement and Analysis of ice pressure against a structure in level ice pressure ridges. Proc. IAHR Ice Symp., Hamburg, 1984, vol. 3, p. 151-160.

161. Nortala-Hoikkanen A. Shtockman Field Development Study. Spring 1991. Barents Sea Expedition, Part 2, 1991.

162. Noskov B.D. and Rogachko S.I. DETERMINATION OF THE ICE LOADS ON OFFSHORE STRUCTURES FROM FIRST YEAR RIDGES. Proceedings the 15th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Condition, Helsinki, Finland 1999, vol. 3.

163. Parmerter R.R. and Coon M.D. Model of pressure ridge formation in sea ice. Journal of Geophysical Research, 1972, vol. 77, No. 33, p. 6565-6575.

164. Parmerter R.R. and Coon M.D. Mechanical models of ridging in the Arctic sea ice cover. AIDJEX Bulletin, 1973, No. 19, p. 59-112.

165. Prodonovic A. Model test of ice rubble strength. Proc. POAC-79. Trond-heim, 1979, vol. 1, p. 89-105.

166. Prodanovic A. Upper bounds of ridge pressure on structures. Proceedings POAC-81, Quebec City, P.Q., Canada, 1981, vol. Ill, p. 1288-1302.

167. Ralston T.D. An analysis of ice sheet indentation. Proc. IAHR Symp. on Ice Problems, Lulea, Sweden, 1978, vol. 1, p. 13-31.

168. RELIABILITY OF ENGENEERING FACILITIES IN THE ARCTIC SEAS. Отчет о НИР, INTAS project, M., 2002.

169. Riska K. et al. Ice Load and Pressure Measurement on Board L. B. Sisu. POAC-83, Finland, 1983.

170. Rogachko S.I. and Tuomo Kama. EXPERIMENTS ON THE STRENGTH OF REFROZEN LAYERS OF FIRST-YEAR ICE RIDGES. Proceedings the 15th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Condition, Helsinki, Finland, 1999, vol.3.

171. Rogachko S.I., Evdokimov G.N., Burdjug T.P. THE ACTION OF SEA ICE ON OFFSHORE CONSTRUCTION. PROCEEDINGS of the 13th INTERNATIONAL CONFERENCE ON OFFSHORE MECHANICS AND ARCTIC ENGENEERING VOLUME IV Houston, Texas, USA, 1994.

172. Rogachko S.I., Istomin A.D. and Tuomo Kama. INDENTATION TESTS ON LAKE ICE. Proceedings of the 16th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions POAC'Ol Ottawa, Ontario, CANADA, 2001, p. 649-656.

173. Sanderson T.J. A Pressure Area Curve for Ice. Proc. of IAHR Symposium, Iowa City, Iowa, 1986.

174. Sayed M. and Frederking R.M.W. Stresses in first-year ice pressure ridges. Proc. 3rd OMAE-Symp., New Orleans, 1984, p. 213-223.

175. Slomski S. and Vivatrat V. Selection of Design Ice Pressure and Application to Impact Load Prediction. POAC, Helsinki, Finland, 1983.

176. Sodhi D.S. and Kovacs A. Forces associated with ice pipe up and ridge up. Proc. of IAHR-84 Ice Symposium, Hamburg, 1984, vol. 4, p. 239-262.

177. Sodhi D.S., Takeuchi Т., Nakazawa N. at all. DUCTILE-TO-BRITTLE TRANSITION SPEED DURING ICE INDENTATION TESTS. Proceedings of International Workshop on RATIONAL EVALUATION OF ICE FORCES ON STRUCTURES, Mombetsu, Japan, 1999.

178. Surkov G.A. Parameters of Ice Ridges of the Okhotsk Sea. Sakhalin Oil and Gas Institute, Okha, Russia. From the Proceedings of the Seventh International Offshore and Polar Engineering Conference, Honolulu, USA, May 25-30, 1997, vol. II, p. 68-69.

179. Tanaka S. et al. The Distribution of Ice Pressure Acting on Offshore Pile Structure and the Failure Mechanism of Ice Sheet. Journal of Offshore Mech. and Arctic Eng., 1987.

180. Taylor T.P. Ice Crushing Tests, Imperial Oil Limited, Calgary, (IPRT-16-ME-73) APOA-52, 1973.

181. Timco G.W. Indentation and penetration of edge-loaded freshwater ice sheets in the brittle range. Proc. of the fifth OMAE-1986 Symp., vol 4, p. 444-452.

182. Tucker W.B. and Govoni J.W. Morphological investigations of first-year sea ice pressure ridge sails. Cold Regions Science and Technology, 1981, vol. 5, p. 1-12.

183. Varsta P. et al. Long Term Measurement of Ice Pressure and Ice Induced Stresses on the Ice Breaker SISU in Winter 1978. Report No. 26, Winter Navigation Research Board, 1979.

184. Veitch В., Kujala P., Kosloff P. and Lepparanta M. Field measurements of the thermodynamics of an ice ridge. Report, 1991, 52 p.

185. Veitch B. et al. Field observations of ridges in the northern Baltic Sea. Proc. of 11th Int. Conf. POAC, 1992, p. 381-400.

186. Vesic A.S. Analysis of ultimate loads of shallow footings. USMFD, ASCE, vol. 99, No. SMI, 1973, p. 45-73.

187. Vivatrat V. and Slomski S. Probabilistic Basis for Selecting Design Ice Pressures and Ice Loads for Arctic Structures. Proc. OTC, Houston, Texas, 1983.

188. Wadhams P. Characteristics of deep pressure ridges in the Arctic Ocean. Proc. POAC-77, Newfoundland, 1977, vol. 1, p. 544-555.

189. WAMDI Group. The WAM model. A third generation ocean wave prediction model, J. Rhys. Oceanog., 1988, vol. 18, p. 1773-1810.

190. Weaver J.S. Review of ice rubble strengths and failure modes for the PE1 Bridge Piers. Report to Canatec Consultants Ltd., Calgary, Alberta, Canada, 1994.213. 213. Weeks W. F. and Kovacs A. On pressure ridges. Report, U.S., Cold.