автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Защита подходных каналов морских портов от заносимости

На правах рукописи

ГУБИЛА НАДЕЖДА АНДРЕЕВНА ЗАЩИТА ПОДХОДНЫХ КАНАЛОВ МОРСКИХ ПОРТОВ ОТ ЗАНОСИМОСТИ

Специальность 05 23 07 - Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-«^огазэ

Москва-2007

003162999

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете

Научный руководитель

доктор технических наук, старшин научный сотрудник Рогачко Станислав Иванович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, старшин научный сотрудник ТТТахин Виктор Миронович

кандидат технических наук, доцент Корчагин Евгений Александрович

Ведущая организация

ОАО «Гипроречтранс»

Защита состоится /3 ноября 2007г в /t> часов на заседании диссертационного совета Д 212 138 03 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу 107066, Москва, ул Спартаковская, д 2/1, аудитория гС диссертацией можно ознакомиться б библиотеке ГОУ ВПО Московский государственный строительный университет

Автореферат разослан _ // октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Г В Орехов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Подъем экономики России связан с интенсивным развитием морского транспорта Увеличение объема перевозок, рост грузоподъемности современных судов, привели к необходимости строительства новых портов, а также реконструкции существующих портов на Балтийском, Черном и Азовском морях Эти порты уже сегодня функционируют со значительной перегрузкой Освоение запасов углеводородов на континентальном шельфе в европейской и азиатской частях нашей страны приводит к расширению географии портового строительства в том числе и для обслуживания нефтегазопромыслового флота, обеспечивающего работу морских промыслов Создание специализированных береговых баз требует строительства новых специализированных портов а также устройства отдельных точечных причалов в мелководных зонах шельфа Реализация значительного объема морского гидротехнического строительства невозможна без строительства и реконструкции подходных каналов На мелководных побережьях потребуются довольно протяженные и глубокие подходные каналы, которые будут подвергаться заносимости наносами Это приведет к большим объемам дноуглубительных работ в целях поддержания объявленных глубин на подходах к портам и на их акваториях

Существующая нормативная база по проектированию морских подходных каналов устарела и требует обновления Целый ряд рекомендаций всероссийских и ведомственных нормативных документов не соответствует запросам современной проектной практики Они разработаны на моделях, не отвечающих современному уровню знаний о гидролитодинамике береговой зоны Нормы проектирования морских подходных каналов не содержат рекомендаций, в которых исходные данные включали бы параметры инженерной геологии и прибрежной гидролитодинамики Запасы на заносимость устанавливаются в зависимости от габаритов расчетного судна Явление заносимости учитывается эмпирическим коэффициентом В процессе проектирования неправильно принятые решения приводят к неоправданно большим объемам ремонтных дноуглубительных работ, а, следовательно, и к значительным финансовым издержкам В связи с этим исследование процесса заносимости морских подходных каналов и способов ее предотвращения является актуальной проблемой

Цель работы

Целью настоящей работы являлось исследование процесса заносимости морских подходных каналов на мелководных побережьях, разработка эффективного метода их защиты от заносимости и рекомендаций по проектированию Поставленная цель была достигнута

1 проведением исследования процесса заносимости подходного канала в зависимости от компоновки портовых сооружений с целью комплексного прогноза количественных и качественных характеристик отложений наносов на фарватере.

2 разработкой нового эффективного способа защиты подходного канала, позволяющего максимально увеличить сроки межремонтных работ,

3 исследованием эффективности предложенного способа защиты при оптимальной компоновке оградительных сооружений, представляющего новое техническое решение,

4 разработкой рекомендаций по проектированию подходных каналов, включая инженерные изыскания и научное сопровождение проекта с учетом природно-климатических условий района строительства

Методы исследований

В работе были применены современные методы математического и физического моделирования динамических процессов береговой зоны А также был использован аналитический метод, включающий обобщение и анализ современного состояния проектирования морских подходных каналов и их защиты от заносимости

Математическое моделирование проводилось с помощью составленной двухмерной модели расчета заносимости подходного канала и предложенного способа его зашиты на базе языка программирования Вог1апд С-н-

Экспериментальные исследования были выполнены в мелководном бассейне Отраслевой научно-исследовательской лаборатории морских

нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений при кафедре Водного хозяйства и морских портов Московского государственного строительного университета (ОНИЛ МНГС МГСУ)

Научная новизна работы

Выполненные исследования позволили получить более полное представление о процессе перемещения наносов в прибрежной зоне моря, при сооружении на их пути преград в виде молов вертикального профиля Кроме этого была установлена зависимость объема отложений в подходном канале от длины мола и выявлен количественный и качественный вклад потоков наносов, перемещающихся вдоль внешней стороны мола в результате штормовых нагонов, в общий объем заносимости подходного канала Использованная в работе математическая модель позволила учесть изменение процесса перемещения донных наносов при распространении волн на течении

В работе предложен и исследован комбинированный способ защиты подходного канала от заносимости а также разработаны соответствующие рекомендации по проектированию морских подходных каналов и по научному сопровождению таких проектов с учетом природно-климатических условий районов будущего строительства

Фактический материал

В работе использовались результаты исследований заносимости подходных каналов порта Нового на Черном море, порта в бухте Батарейная на Балтийском море, порта Темрюк на Азовском море, выполненных в рамках НИР Такие исследования были проведены в ОНИЛ МНГС МГСУ в Период с 1994 по 2003 гг Кроме этого, в настоящей работе были использованы результаты натурных наблюдений за заносимостью подходного канала порта Вентсгашс на побережье Балтийского моря

Практическая ценность работы

На основании анализа выполненных исследований был разработан более точный метод определения объемов заносимости подходных канатов и комбинированный способ их защиты Разработанные в результате исследований рекомендации по проектированию подходных каналов позволяют снизить затраты на капитальное и ремонтное дноуглубление за счет уменьшения их объемов, а также увеличить сроки межремонтных черпаний Предложенный способ защиты подходных каналов от заносимости был успешно применен в порту Темрюк на Азовском море

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на совместных заседаниях научно-технического совета ОНИЛ МНГС и кафедры Водного хозяйства и морских портов МГСУ

Публикации

По теме диссертационной работы опубликована 1 статья и 1 статья находится в печати Статьи раскрывают основное содержание работы, в том числе результаты математического моделирования и экспериментальных исследований процесса заносимости морских подходных каналов и предложенного способа их защиты

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы Работа изложена на 151 страницах, включая 47 рисунков, 13 таблиц и списка литературы из 70 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные цели и задачи исследований, которые были решены в результате выполнения работы

В первой главе представлен краткий обзор современного состояния проектирования, строительства и эксплуатации морских подходных каналов Проанализированы причины заносимости морских подходных каналов, а также степень влияния на нее природно-климатических факторов

В разделе 1.1 приведены требования действующих нормативных документов по проектированию морских подходных каналов к нормированию запасов на заносимость Показано отсутствие методик, позволяющих определить интенсивность протекания процесса заносимости

В разделе 1.2 описана природа процесса заносимости подходного канала, а также ее связь со штормовыми условиями района. Показано, что проблема заносимости особенно актуальна для подходных каналов портов расположенных на мелководных побережьях Балтийского, Черного и Азовского морей с характерным вдольбереговым потоком наносов Отмечается, что в настоящее время проблема учета литодинамических факторов при определении заносимости не до конца изучена.

В разделе 13 приведен анализ влияния гидролитодинамических факторов прибрежной зоны моря на заносимость подходных каналов Показаны изменения в динамике волнения, течения и потока наносов, происходящие после строительства подходных каналов Трансформация волнения над подходным каналом, согласно спектральной теории Ю М Крылова, происходит в результате рефракции волн, вследствие чего уменьшаются волновые скорости над каналом и наносы осаждаются на его дно Изменение подходным каналом режима прибрежных течений приводит к формированию струи оттока в море и к созданию сложной системы прибрежной циркуляции, существенно влияющей на процесс заносимости Также приведены параметры потоков наносов береговой зоны моря и основные зависимости для их определения Показано, что расход потоков наносов напрямую зависит от распределения скоростей течения и концентрации частиц в толще воды Кроме того, описано влияние топографических условий на заносимость подходных каналов При расположении порта в устье реки или на приустьевых участках, наличии > стья в непосредственной близости от подходного канала необходимо связывать объем заносимости с гидрологическим режимом рек

В разделе 1.4 описаны существующие теоретические и эмпирические методы определения объемов заносимости подходных каналов Показано, что большинство исследователей объем отложений связывают с расходом берегового потока наносов и глубинами воды в самом канале и за его бровками Некоторыми авторами дополнительно учитывались пористость донного грунта, габариты канала и трансформация волн над ним Однако предложенные зависимости не являются универсальными и приемлемыми для различных геоморфологических и гидродинамических условий Результаты расчетов по этим зависимостям для определенного подходного канала отличаются примерно в 20 раз

Более точное определение объема заносимости возможно в результате проведения численного и физического моделирования Существующие трехмерные математические модели позволяют воспроизводить природные процессы во времени и пространстве, а также производить оценку эволюции береговой линии, как свободных пляжей, так и пляжей с поперечными молами и дноуглубительными прорезями Однако эти модели очень сложны для инженерных расчетов и их успешное использование зависит от корректного задания входных параметров и констант При проведении экспериментальных исследований процесса заносимости невозможно полное соблюдение необходимых условий подобия, поэтому их основной задачей являлось определение направлений и локальной интенсивности перемещения водных масс и материала, а также определение и сопоставление зон возможной аккумуляции и зон размывов у основания оградительных сооружений Объединение результатов численного и физического моделирования позволяет получить более полную картину заносимости подходных каналов

В разделе 1.5 приведены основные способы защиты подходных каналов от заносимости, используемые на практике Исследования работы ряда портов показали, что строительство молов является эффективным только в первое время после их возведения В течение нескольких лет происходит заполнение входящего угла наносами Дальнейшая перестройка подводного рельефа приводит к

обтеканию наносами головы мола Наносы, попадающие при этом в канал, формируют у входа в порт четко выделенную аккумулятивную перемычку, приводящую к быстрому обмелению Дополнительное увеличение длин молов в большинстве случаев не решает задачи надежной защиты морских путей от заносимости При этом возведение молов на больших глубинах резко увеличивает стоимость строительства портов Наиболее эффективным средством поддержания судоходных глубин подходных каналов является периодическое проведение ремонтных дноуглубительных работ Процесс производства дноуглубительных работ может затруднять или даже частично прерывать судоходство на довольно значительные периоды времени, приводя к экономическим издержкам

В разделе 1.6 на основании проведенного обзора проблем, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией морских подходных каналов, были сформулированы следующие выводы

1 Развитие и реконструкция существующих портов в нашей стране, а также строительство новых, требуют совершенства устаревшей нормативной базы, в том числе по проектированию морских подходных каналов

2 Влияние природных факторов и компоновочных решений портов на процесс заносимости подходных каналов не до конца изучено и требует проведения соответствующих исследований

3 Существующие программные комплексы позволяют производить только примерную оценку объемов заносимости подходных каналов Невозможность при этом учета влияния конфигурации портовых сооружений приводит к завышенным объемам дноуглубительных работ и, соответственно, к большим экономическим затратам

4 Практика эксплуатации подходных каналов показала неэффективность защиты от заносимости с помощью одиночных или сходящихся молов В результате перемещения наносов вдоль сооружений под действием штормового нагона и дальнейшего обтекания наносами их голов, участок у входа в порт неизбежно подвергается заносимости

5 Необходимо проведение исследований для совершенствования и комбинирования существующих способов защиты в целях снижения затрат на поддержание навигационных глубин

Во второй главе содержатся сведения об исследовании заносимости подходных каналов, защищенных оградительными молами, методом численного моделирования

В разделе 2.1 обосновано проведение исследований Поставлены цели и задачи моделирования

1 определение количественных характеристик отложений на фарватере в зависимости от природно-климатических условий района,

2 определение зависимости объема отложений в подходном канале от длины мола и определение оптимальных размеров последнего,

3 оценка количественного вклада потока наносов, перемешающихся вдоль стенки оградительного мола, в общий объем заносимости подходного канала,

4 разработка модели, удобной для использования в инженерных расчетах

В качестве расчетного примера был выбран порт Темркж, расположенный на мелководном побережье Азовского моря с вдольбереговым потоком наносов, в основном определяемым выходом устья реки Кубань, а также соответствующим направлением преобладающего штормового волнения.

В разделе 2.2 выполнен анализ результатов имеющихся исследований параметров волнения, потока наносов в районе порта Темрюк, а также заносимости его подходного канала. Назначены основные расчетные параметры природно-климатических факторов для моделирования, том числе параметры волнения, направления действия штормов и размер донных отложений.

В разделе 2.3 изложена методика проведения и результаты численного моделирования.

2.3.1. Модель заносимости подходного канала

Математическое моделирование динамики перемещения потока наносов и отложения их в канал основывалось на описаниях закономерностей морфологических изменений морского дна. Заносимоеть подходного канала моделировалась с учетом действия поперечного потока наносов вдоль мола (рис. 1).

Рис. 1. Схема моделирования заносимости подходного канала

Профиль вдольберегового течения вычислялся по известной методике Лонге-Хиггинса, проанализированной во многих исследованиях и соответствующей условиям и приближениям моделирования Удельный расход вдольберегового потока наносов д(х) определялся по скоростям вдольберегового течения на подходе к каналу и топографии морского дна. Параметры поперечного потока наносов были оценены по результатам имеющихся натурных наблюдений для порта Темрюк Ширина полосы течения вдоль мола составляла 50 м при средней скорости 0,3 м/с и типичным значении объемной концентрации взвеси во время шторма 0,38 10"3 л/м3 Эти значения сохранялись на протяжении всей длины мола

Расчетный удельный расход потока наносов у головы мола определялся с учетом удельного потока наносов вдоль мола qx

д = ч(х)ю + Ч-. (1)

При моделировании принималось, что транспорт наносов находится в динамическом равновесии, и параметры волн неизменны во времени Модель предполагала мгновенную адаптацию поля наносов к локальным гидравлическим условиям, что позволило использовать формулы транспорта наносов в равновесных условиях Уравнение баланса наносов записывалось в виде

5-2-- ®

где к - глубина воды С целью определения расхода наносов была выбрана методика Акерса-Уайта, позволяющая рассчитывать суммарный транспорт донных и взвешенных наносов В методике использовалось понятие «величина нагрузки наносами», которая устанавливалась равной отношению массового расхода наносов к массовому расходу течения, переносящего наносы

ч.(3)

р,

где д - расчетный расход течения, включающий течение вдоль мола, р-плотность воды, р, - плотность частиц, 5 - нагрузка наносами

При определении нагрузки наносами от течения используется концепция мощности, затрачиваемой на перенос наносов Результирующие соотношения для течения получены в следующем виде

-Я —С?, (4)

где РцТ - параметр подвижности наносов, Рг,с - критическое значение параметра подвижности (при параметре подвижности ниже критического перенос наносов не происходит), £) - диаметр частиц наносов, С* - безразмерное число Шези, 5 = р^р, К, т, п - величины, показывающие вклад донных и взвешенных наносов в суммарный транспорт

Далее, согласно методике С М Анцыферова и И Г Кантаржи, модель была модифицирована для условий транспорта наносов при совместном действии волн и течения При этом определялся волновой коэффициент, который увеличивал параметр подвижности наносов в формуле (4)

Численная схема для уравнения баланса наносов (2) была реализована на конечно-разностной сетке (рис 2) с использованием разностей по потоку по схеме Лакса-Вевдорфа Шаги по времени принимались 11 = ]£й и в пространстве у, = ¡Ау, численная модель записывалась следующим образом

Ь; - Ъ

' (5)

где в - коэффициент по схеме Лакса

ч

Рис 2 Конечно-разностная сетка для одномерной модели морфологии морского дна

2 3 2 Результаты численного моделирования

Расчеты выполнялись для пяти вариантов длины Восточного мола порта Темрюк при северном направлении штормового воздействия (рис 3) Во всех вариантах проектный профиль канала имел глубину по оси -8 м, ширину по дну 90 м, заложение откосов 14 В качестве расчетного сечения канала принималось сечение, в котором удельный расход вдольберегового течения максимален Если голова мола в рассматриваемом варианте его длины не достигала этого створа, то в качестве расчетного принималось сечение, соответствующее максимальному значению удельного вдольберегового течения

При расчетах объемов отложений, приносимых в канал береговым потоком наносов, принималась длина каната от головы мола до зоны, где вдольбереговое течение было уже неспособно перемещать наносы Средний уклон подводного берегового склона был принят равным 0,0075, состав донных отложений -однородным с характерным средним диаметром частиц песка 0,15 мм Расчеты объема заносимости подходного канала проводились для штормов северного направления с режимной обеспеченностью 1 раз в 25 лет, при исходном проектном профиле канала Угол между направлением действия шторма и перпендикуляром к линии обрушения волн принимался равным 40,5 , а высоты волн -обеспеченностью 13% в системе шторма

Результаты расчетов показали, что расход вдольберегового потока наносов составит 12,05 м7е, а объем потока наносов за время действия одного шторма 19,5 тыс м3 Подходной канал подвергался заносимости от перемещения вдольберегового штока наносов только в случае расположении головы мола на глубине менее 3 м При расположении головы мола на большей глубине, береговой

поток наносов полностью задерживался, а заносимость подходного канала определялась в основном действием потока наносов вдоль мола.

На рис. 4 показана эволюция поперечного профиля подходного канала при выходе мола на глубину 2 м. Видно, что со временем происходит аккумуляция наносов на наветренном откосе канала и размыв противоположного откоса.

Рис. 4. Динамика эволюции поперечного сечения канала за время действия шторма.

В результате моделирования заносимости подходного канала были определены объемы отложений в расчетном створе, а также суммарные объемы на протяжении всего незащищенного участка за время действия одного шторма. Зависимость объема отложений от длины мола показана на рис. 5. Результаты расчетов позволили определить оптимальное значение длины мола. Увеличение длины мола сверх оптимальной не приводит к значительному сокращению объемов отложений в подходном канале. Так для условий порта Темрюк оптимальная длина мола составила 300 м.

Кроме того, с помощью модели была количественно оценена часть потока наносов, задерживаемого оградительным сооружением Ое, переходящая в поперечный поток вдоль мола Ох (рис. 6). В порту Темрюк до 16 % аккумулированных во входящем угле отложений перемещается к голове мола под действием сильных штормов.

V,

.10з 160 -М3 140 120 100 80 60 40 20

100 200 300 400 S00 600

Длина молг, м

Рис. 5. Зависимость объема отложений в подходном канале за время действия шторма от длины мола.

0,16 0,16 014 0,12 0,1 0.08 0.06 0,04 -j 0,05 4 oí

500

Дтмна мола, м

Рис. 6. Зависимость объема потока наносов, переходящего в разрывное течение (к= от длины мола

В разделе 2.4 сформулированы выводы по результатам численного моделирования

1 Заносимость подходного канала находится в зависимости от природно-климатических условий района, включающих параметры и преобладающее направление штормового воздействия, уклон дна и состав донных отложений

2 Возведение молов существенным образом меняет динамику наносов, что приводит к формированию течения вдоль мола, способного во время сильного шторма перемещать около 10 % наносов, аккумулированных во входящем угле

3 Объем заносимости подходного канала зависит от длины оградительного мола При этом существует оптимальная длина мола. Дальнейшее увеличение длины не приводит к полной защите подходного канала от заносимости

4 Учет распространения волн на течении показал значительное увеличение объема перемещаемого материала под совместным действием обоих факторов

В третьей главе представлены экспериментальные исследования заносимости подходного ханала на физической модели порта Темрюк, проведенные в мелководном бассейне с плановыми размерами 30 м х 30 м и глубиной 1,1 м

В разделе 3.1 сформулированы цели и задачи экспериментальных исследований

1 определение характера перемещения наносов вдоль мола и качественных характеристик заносимое™ подходного канала,

2 выявление зон прохождения потоков наносов наибольшей интенсивное™ и картин распределения частиц,

3 получение результатов, необходимых для верификации математической модели

Раздел 3.2 содержит программу экспериментальных исследований, согласно которой предусматривалось провести оценку заносимости подходного канала с использованием в качестве его защиты Восточного мола, выходящего на глубину 3 м Режим воздействия расчетного шторма принимался северо-восточного направления относительно оси канала, повторяемостью один раз в 25 лет, с высотами волн 13% обеспеченности

Моделирование параметров волнения и продолжительности действия расчетного шторма проводилось в соответствии с рекомендациями ЦНИИСа по критерию Фруда При моделировании использовался песок Люберецкого карьера расчетного диаметра 0,15 мм В связи с этим возникла необходимость в искажении горизонтального и вертикального масштабов

л, =а„г (6)

где Я; - горизонтальный масштаб модели, - вертикальный масштаб Принятые вертикальный и горизонтальный масштабы моделирования составляли Мв =140 и Мг = 3 100 Масштаб физической модели принимался равным вертикальному масштабу и составлял = 1 40 Масштаб времени принимался равньм масштабу высоты волны

В разделе 3.3 приведено описание физической модели подходного канала порта Темрюк. Модель подходного канала с соответствующей батиметрией и существующими оградительными сооружениями выполнена с искажением горизонтального и вертикального масштабов (6). Крутизна откосов подходного канала, соответствующая проектной крутизне, составила 1:4. Перед началом экспериментов модель была реконструирована. Из существующих на модели оградительных сооружений был оставлен Восточный мол, частично разобранный до необходимой глубины. На рис.7 представлена общая схема модели перед началом эксперимента.

ограждающие стенки

Рис. 7. Схема физической модели подасодного канала, защищенного оградительным молом. В1 и В2 - места расположения волнографов.

Исходные параметры волнения на глубокой воде генерировались волнопродуктором и контролировались двумя волнографами. Щит волнопродуктора был расположен под углом к оси канала, и соответствовал принятому направлению распространения исходного волнения. Во избежание искажения параметров волн использовались ограждающие щиты шириной 6 метров, расположенные с обеих сторон от щита волнопродуктора.

Раздел 3.4 содержит описание использованной системы регистрации параметров волнения, генерируемых волнопродуктором. Их обработка проводилась с использованием автоматизированной системы сбора экспериментальной информации в режиме реального времени.

В разделе 3.5 изложена методика проведения эксперимента. Перед началом исследований проводилась тарировка волнографов и устанавливался режим проведения эксперимента Эксперимент начинался с подготовительных работ по выравниванию верхнего слоя мелкозернистого песка, на котором исследовалась миграция наносов, с погрешностью ±1 мм После чего бассейн наполнялся водой до расчетной отметки и запускался в работу волнопродуктор

В процессе опытов модель подходного канала подвергалась воздействию регулярного волнения, направление и параметры которого соответствовали программе эксперимента. В процессе опытов фиксировалась волновая картина трансформации, рефракции и дифракции волн по мере их распространения с глубокой воды к оградительному сооружению и далее в канал После завершения каждого эксперимента производилось понижение уровня воды в бассейне, ниже отметки русла подходного канала, и фиксировался характер донных микроформ

В разделе 3.6 приведены результаты экспериментальных исследований Оценка заносимости подходного канала, перемещения потока наносов и детализации гидродинамического режима проводилась с помощью данных о форме, параметрах и ориентации фронтов микроформ (рифелей), образованных в результате воздействия волн и течений При данных условиях волнения действие вдольбереговых перемещений потока наносов приводит к заносимости участка подходного канала у входа в порт, которая качественно выразилась в виде наплыва на откос песчаного «языка», способного сползти в канал и образовать пробку (рис 8) Область наиболее интенсивного течения и, соответственно, максимального перемещения наносов располагалась в районе головы мола

Анализ образовавшихся донных микроформ рельефа позволил установить, что заносимость моделируемого подходного канала происходит под воздействием потока наносов, направленных как перпендикулярно оси канала, так и идущих вдоль мола с внешней стороны На рисунках 8 и 9 видны области переработанного дна по обоим направлениям Основным результатом моделирования явилось определение места прохождения максимального потока наносов с наибольшей концентрацией у головы мола.

Раздел 3.7 содержит оценку и сопоставление результатов исследований заносимости подходного канала, проведенных с помощью численного и физического моделирования Результаты обоих видов моделирования дополнили друг друга Совместная ик оценка позволила получить более полное представление о специфике перемещении наносов, местах их отложения в подходном канале и на его откосах, а также значениях объемов заносимости от действия расчетного шторма. Исследования показали, что при защите подходного канала молом, процесс заносимости участка у входа в порт, при соответствующих ветроволновых условиях, напрямую связан с действием течения вдоль мола, образованным в результате штормового нагона при ветроволновом воздействии

Необходимо также отметить, что экспериментальные исследования на физической, модели позволили выявить характер перемещения наносов вдоль вертикальной стенки В случае использования оградительного мола откосного типа характер перемещения, огибания и попадание в канал отложений в значительной степени изменится

Рис. 8. Картина рифельных систем у головы Рис. 9. Перемещение наносов мола после завершения эксперимента. вдоль мола с внешней стороны.

В разделе 3.8 сформулированы выводы по результатам проведенных исследований процесса заносимости.

1. Характер перемещения потока наносов в береговой зоне моря изменяется в зависимости от компоновки портовых оградительных сооружений. Часть берегового потока наносов, аккумулированная у корня сооружения, переходит в поперечный поток вдоль мола под действием течения, являющегося разгрузкой штормового нагона.

2. На заносимость подходного канала существенным образом оказывает влияние поперечный поток наносов. Величина поперечного потока зависит от длины мола, а также от природно-климатических условий района. При этом в зависимости от длины оградительного сооружения, меняются составляющие общего объема отложения, связанные с воздействием обоих потоков.

3. В зависимости от ветроволновых условий района возможно определение оптимальной длины оградительного сооружения, при которой заносимость подходного канала будет минимальной.

4. Даже при значительном увеличении длины мола сохраняется заносимость подходного канала в результате обтекания наносами головы мола. С целью уменьшения объемов заносимости канала и, соответственно, затрат на производство ремонтных дноуглубительных работ, необходимо принимать дополнительные меры, которые заключаются в предложенном автором комбинированном способе.

В четвертой главе содержатся результаты исследований эффективности предложенного комбинированного способа защиты подходного канала от заносимости.

В разделе 4.1 описана суть комбинированного метода, состоящая в совместном использовании оградительного сооружения оптимальной длины и

аккумулирующей прорези (ловушки) в морском дне у его головы (рис. 10). Располагая ловушку в месте прохождения потока наносов максимальной интенсивности, можно предотвратить попадание наносов в подходной канал. Габаритные размеры ловушки должны обеспечивать перехват берегового потока наносов у головы мола в соответствии с определенным (годовым или другой периодичности) объемом заносимости, Новое решение позволит избежать проведения дноуглубительных работ непосредственно на подходном канале, а также увеличит межремонтные сроки. Суда технического флота будут проводить работы по разбору ловушки без выхода в канал.

Раздел 4.2 содержит дели и задачи исследования комбинированного способа зашиты С помощью комплексного моделирования планировалось исследовать различные комбинации оградительного мола и ловушки и выявить наи!хшее рациональные и экономичные их варианты. Конкретные цели исследования представляли собой:

1. определение зависимости объема ловушки от длины мола методом численного моделирования;

2. определение оптимального места расположения ловушки относительно головы мола с помощью экспериментальных исследований;

3. выявление эффектов совместного использования мола и ловушки;

4. определение геометрических размеров ловушки, соответствующих оптимальной длине оградительного мола.

Исследования комбинированного способа защиты осуществлялось на основе результатов определения заносимости подходного канала порта Темрюк, выполненного автором ранее и приведенного в главе 2 и 3 настоящей работы. По результатам проведенных исследований были определены: место расположения аккумулирующей прорези в зависимости от зоны прохождении потока наибольшей

Рис. 10. Защита подходного канала комбинированным способом.

интенсивности, а также ее предполагаемый объем, зависящий от объема отложений в подходном канале за время действия расчетного шторма.

В разделе 4.3 описано численное моделирование при изучении комбинированного способа защиты. При моделировании ловушки было предположено, что ее габаритные размеры связаны с количественными характеристиками берегового потока наносов. Соотношение длины и ширины ловушки зависит от отношения Ох и Ос (рис. 1). Ширина ловушки принималась равной не менее ширины течения вдоль мола, которая являлась постоянной величиной при различных вариантах длины мола. Длина ловушки зависит от эпюры вдольберегового потока наносов. При длине мола, не позволяющей перехватить весь береговой поток наносов, длина ловушки принималась равной не менее длины остальной части эпюры вдольберегового потока наносов. В случае выхода мола на глубину замыкания (I* (рис. 11) длина лозушки принималась равной минимальной, удовлетворяющей условиями производства работ. При определенных плановых размерах ловушки ее глубина назначалась в зависимости от объема заносимости подходного канала от действия расчетного шторма при заданном заложении откосов прорези.

Рис. 11. Влияние вдольберегового потока наносов на совместное расположение оградительного мола и ловушки.

Анализ результатов численного моделирования наполняемости аккумулирующей ловушки позволил выявить зависимость ее объема от длины мола. Оптимальный объем ловушки, позволяющий полностью перехватить поток наносов до попадания их в подходной канал, с учетом природно-климатических условий порта Темрюк, составил 13 тыс. м\

В разделе 4.4 представлены результаты физического моделирования порта Темрюк при исследовании комбинированного способа защиты с режимом ветроволнового воздействия согласно п. 2.2. Перед началом экспериментов с восточной стороны мола на расстоянии 30 м от его головы была устроена лов лика с выступом в море на 2/3 ее длины (рис. 10). Размеры ловушки были выполнены на модели в соответствии с принятым геометрическим масштабом и коэффициентом искажения (7). Ловушка была выполнена размерами в плане 1,1 х 0,2 м с крутизной откосов 1 : 1 при различных вариантах глубины. На первом этапе глубина ловушки была принята равной 1 м, что, в соответствии с принятыми масштабами моделирования, составило на модели 0,025 м. На втором этапе глубина ловушки была увеличена до 3 м, в переводе на модельные размеры - 0,075 м.

Анализ полученной рифельной картины после первого этапа исследов ший, показал, что в этом случае наличие ловушки незначительно сказывается на изменении кинематики движения вдольберегового потока, так же кис в проведенных ранее исследованиях (глава 2). Был выявлен выход песчаного «языка» на откос канала (рис. 12). На втором этапе исследований глубина ловушки была увеличена, и весь поток наносов, движущихся перпендикулярно оси канала и ндоль мола, отложился в ловушке (рис 13), Отсутствие на откосе канала продольных параллельных рифелей показало, что перемещения потока наносов в направлении дна канала не происходит, «языка» нет, а на откосе остался песок, составлявший перемычку между каналом и прорезью. Ловушка выполнила свою функцию, перехватив полосу движения наносов наибольшей интенсивности. На-гоеы, являющиеся основной причиной заносимости, в канал не попали. Изучение характера отложений внутри самой ловушки показало наличие наибольшего скопления наносов по ее центру.

Рис 12. Результат первого этапа исследований с устройством ловушки малой глубины.

Рис. 13. Результат второго этага исследования, работа ловушки большей глубины.

В разделе 4.5 приведен анализ результатов исследований комбинированного способа защиты. Исследования показали достаточно высокую эффективность предложенного способа защиты подходного канала от заносимости и позволили определить наиболее экономичный вариант компоновки сооружений. Кроме того, были выявлены все эффекты от взаимного расположения мола и ловушки, что позволило рекомендовать расположение ловушки у головы мола с учетом возможного размыва донного основания (рис. 14).

, | ! | 1 II | ' | 1 | 1 1 1 > ! ; 1 | 1 | 1 | , 1 | 1 ось подходного канала

огоадительный мол 1 I 1 1 1 1 1 1 1 1Д1 1 1 1 ; : .

/

\ \ \\\\-\\\\\ N N 1

область размыва а

11 аккумулирующая

основания у головы 1 < ловушка

мола

Рис. 14. Оптимальное положение аккумулирующей ловушки относительно головы оградительного мола в случае перехвата им берегового потока наносов.

В разделе 4.6 сформулированы основные выводы по результатам исследований эффективности комбинированной защиты подходного канала от заносимости.

1. Комбинирование оградительного мола с ловушкой в морском дне у его головы позволяет полностью защитить подходной канала от заносимости.

2. Оптимальным взаимным расположением оградительных сооружений является такая компоновка, при которой мол пересекает область вдольберегового потока наносов, а ловушка перехватывает только поперечный поток наносов.

3. В случае расположения оградительного мола меньшей длины, размеры ловушки меняются в зависимости от характера эпюры вдольберегового потока наносов. При этом ловушка может быть выполнена переменной глубины.

4. Габаритные размеры ловушки следует назначать с учетом перехвата потока наносов, поступающего в подходной канал за время действия одного шторма. Однако они могут быть изменены в соответствии с выбранной частотой ремонтных черпаний - раз в полгода, год или с другой периодичностью.

5. С учетом симметричного расположения молов относительно оси подходного канала, ловушки должны быть расположены соответственно у их голов.

6. Предложенный комбинированный способ защиты подходного канала от заносимости может быть применен при конструкции молов только вертикального профиля.

В пятой главе приведены рекомендации по проектированию морских подходных каналов, разработанные по результатам проведенных исследований Рекомендации включают состав инженерных изысканий, предшествующих началу проектных работ, проведение комплексного исследования в виде научного сопровождения на стадии проектирования и выбора оптимального варианта, а также предложения по защите от заносимости

Внедрение этих рекомендаций в проектную практику позволит успешно строить и эксплуатировать морские подходные каналы в любом регионе В ряде случаев наличие полной информации о природно-климатических условиях того или иного района строительства позволит заблаговременно отказаться от строительства порта в намеченном месте и, тем самым избежать неоправданных затрат в процессе эксплуатации подходных каналов

В заключении на основании проведенных в настоящей работе исследований были проанализированы основные итоги работы и сформулированы общие выводы

1 Существует необходимость в разработке методики расчета объемов заносимости морских подходных каналов и рекомендаций по их проектированию, отвечающих современному представлению о гидролитодинамических процессах береговой зоны моря Методика расчета и рекомендации по проектированию должны учитывать компоновку и тип оградительных сооружений порта, а также природно-климатические условия конкретного района строительства

2 Результаты исследований выявили особенности явления заносимости подходных каналов у входа в порт при их защите одиночными или сходящимися молами, которые совпали с данными натурных наблюдений Процесс заносимости канала у входа в порт связан с потоком наносов, перемещающихся вдоль внешней стороны мола Заносимость подходного канала происходит под совместным действием продольного и поперечного потоков наносов

3 Результаты численного моделирования позволили определить объем аккумуляции наносов в подходном канале от воздействия шторма наиболее опасного направления определенной обеспеченности При этом была количественно оценена роль потока наносов вдоль мола в общем объеме заносимости канала Установлено, что в зависимости от длины оградительного сооружения меняется соотношение объемов, связанных с потоком различных направлений Также определена зависимость между объемом отложений в подходном канале и длиной мола при соответствующих гидролитодинамических условиях района

4 Результаты исследований совпали с натурными данными и показали, что использование только одиночного мола не является достаточно эффективным способом защиты подходного канала от заносимости Даже при значительном увеличении длины мола сохраняется заносимость подходного канала в результате обтекания наносами головы мола. По этой причине требуются комбинирование мола с аккумулирующей прорезью в целях снижения затрат на поддержание навигационных глубин

5 Исследования подходного канала при комбинированном способе защиты от заносимости показали эффективность предложенного метода, являющимся новым техническим решением Они позволили определить оптимальные размеры и взаимное расположение мола и ловушки В зависимости от ветроволновых условий района строительства мол оптимальной длины прерывает весь береговой поток наносов, а габаритные размеры ловушки соответствуют параметрам разрывного течения В этом случае заносимость подходного канала будет минимальной, а стоимость обоих сооружений наименьшей

6 При наиболее распространенной компоновке портовых сооружений, включающей симметричное ограждение молами подходного канала, предусматривается аналогичная комбинированная схема защиты с использованием симметричного расположения ловушек Ловушки должны быть расположены у голов оградительных молов с учетом локальных размывов морского дна

7 Предложенный комбинированный способ защиты подходного канала от ЗЙНОСИМОСТИ МОЖ8Т ОсаХо Применен В СДу конструкции МОлЙ. о6р*НК2илоНОГО профиля Внедрение этого способа в практику позволит существенным образом сократить заносимость подходных каналов, снизить объемы дноуглубительных работ, а, следовательно, и затраты на поддержание проектных глубин

8 У головы мола наблюдается размыв донного основания, что объясняется локальной интенсификацией в этой области динамических процессов Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании конструкций оградительных сооружений, в том числе в принятии ряда защитных мер от размывов дна у оснований молов

9 На основании выполненных аналитических и экспериментальных исследований были разработаны рекомендации по проектированию подходных каналов с целью использования их в инженерной практике Рекомендации включали состав инженерных изысканий, предшествующих началу проектных работ, проведение комплексного исследования в виде научного сопровождения на стадии проектирования и выбора оптимального варианта, а также защиту подходного канала от заносимости

Основное содержание диссертации опубликовано в работе

Губина Н А Использование аккумулирующих прорезей для защиты морских подходных каналов от заносимости // Гидротехническое строительство, 2007, № 3

КОПИ-ЦЕНТР св 7 07 10429 Тираж 100 зкз Тел 185-79-54 г Москва, ул Енисейская д 36

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ МОРСКИХ ПОДХОДНЫХ КАНАЛОВ.

1.1. Требования к проектированию подходных каналов морских портов.

1.1.1. Проектные параметры подходных каналов.

1.1.2. Нормирование запасов на заносимость.

1.2. Процесс заносимости морских подходных каналов.

1.3. Гидролитодинамические процессы береговой зоны, влияющие на заносимость подходных каналов.

1.3.1. Изменение параметров волн над морскими каналами.

1.3.2. Влияние подходных каналов на вдольбереговое течение.

1.3.3. Потоки наносов в береговой зоне моря.

1.3.3.1. Динамика потоков наносов.

1.3.3.2. Определение расхода потока наносов.

1.3.4. Влияние топографических условий на заносимость подходных каналов.

1.4. Определение объема заносимости морских подходных каналов.

1.4.1. Теоретические и эмпирические методы определения заносимости.

1.4.2. Физико-математическое моделирование процесса заносимости.

1.5. Защита от заносимости морских подходных каналов

1.5.1. Строительство молов.

1.5.2. Периодические ремонтные дноуглубительные работы.

1.5.3. Устройство перехватывающих прорезей.

1.6. Выводы.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАНОСИМОСТИ МОРСКИХ ПОДХОДНЫХ КАНАЛОВ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.

2.1. Обоснование проведения исследований.

2.2. Исходные параметры для исследований

2.2.1. Естественные условия Темрюкского залива.

2.2.2. Анализ результатов исследований параметров волнения, потока наносов и заносимости подходного канала в районе порта Темрюк.

2.3. Математическое моделирование заносимости.

2.3.1. Модель заносимости подходного канала.

2.3.1.1. Вдольбереговое перемещение наносов.

2.3.1.2. Перемещение наносов вдоль мола под действием разрывного течения.

2.3.1.3. Модификация модели для условий транспорта наносов при совместном действии волн и течения.

2.3.2. Результаты моделирования и их анализ.

2.3.2.1. Расчетные варианты компоновки молов.

2.3.2.2. Расход вдольберегового потока наносов.

2.3.2.3. Расход потока наносов под действием течения с внешней стороны мола.

2.3.2.4. Заносимость подходного канала.

2.3.3. Анализ результатов численного моделирования заносимости подходного канала.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАНОСИМОСТИ МОРСКИХ ПОДХОДНЫХ КАНАЛОВ.

3.1. Обоснование проведения экспериментальных исследований.

3.2. Программа экспериментальных исследований.

3.3. Физическая модель.

3.4. Автоматическая система регистрации параметров волн.

3.5. Методика проведения эксперимента.

3.5.1. Градуировка волнографов и регистрация параметров волн.

3.5.2. Экспериментальные исследования.

3.6. Результаты экспериментов и их анализ.

3.7. Оценка и сопоставление результатов численного моделирования и экспериментальных исследований заносимости подходного канала.

3.8. Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО СПОСОБА ЗАЩИТЫ МОРСКИХ ПОДХОДНЫХ КАНАЛОВ ОТ ЗАНОСИМОСТИ.

4.1. Комбинированный способ защиты морских каналов от заносимости.

4.2. Цели исследования эффективности комбинированного способа.

4.3. Математическое моделирование комбинированного способа защиты.

4.3.1. Модель заполнения аккумулирующей прорези.

4.3.2. Результаты моделирования аккумулирующей прорези и их анализ.

4.4. Экспериментальные исследования комбинированного способа защиты.

4.4.1. Программа и методика проведения экспериментальных исследований.

4.4.2. Результаты и анализ экспериментальных исследований.

4.5. Анализ результатов исследований эффективности комбинированного способа защиты.

4.6. Выводы.

ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ МОРСКИХ ПОДХОДНЫХ КАНАЛОВ.

5.1. Состав инженерных изысканий.

5.2. Научное сопровождение при проектировании подходных каналов.

5.2.1. Математическое моделирование заносимости подходных каналов.

5.2.2. Исследование заносимости подходных каналов на физической модели.

5.3. Рекомендации по защите подходных каналов.

Актуальность темы

Подъем экономики России связан с интенсивным развитием морского транспорта. Потребность в увеличении объема перевозок и осадок судов привела к необходимости строительства новых портов, а также к увеличению габаритов уже построенных. Существенное увеличение пропускной способности портов, особенно требуется в Балтийском и Черноморско-Азовском бассейнах, где они уже сегодня функционируют со значительной перегрузкой. В настоящее время только один российский порт Санкт-Петербург имеет развитую транспортную инфраструктуру и способен обрабатывать крупнотоннажные морские суда дедвейтом до 300 тыс. т.

В соответствии с Федеральной целевой программой «Модернизация транспортной системы России», для обеспечения морского транспорта страны современными специализированными комплексами ведется строительство новых портов. Один из них сухогрузный порт на Балтийском море уже построен в районе Усть-Луга. На черноморском побережье России предполагается увеличение производственных мощностей портов Новороссийск, Туапсе и Кавказ. На Дальнем Востоке - развитие портов Восточный, Находка, Ванино, Де-Кастри. Увеличение глубин на акватории требуется также и порту Северодвинск.

Освоение запасов углеводородов на континентальном шельфе европейской и азиатской частях страны требует расширения географии портового строительства для обслуживания нефтегазопромыслового флота, обеспечивающего работу морских промыслов. Возведение специализированных береговых баз требует строительства новых специализированных портов, а также устройства отдельных точечных причалов в мелководных зонах шельфа.

Реализация весьма значительного объема морского гидротехнического строительства невозможна без строительства и реконструкции подходных каналов. Как правило, портам на мелководных побережьях требуются довольно протяженные и глубокие подходные каналы, подвергающиеся явлению заносимости донными отложениями. Это приводит к необходимости большого объема дноуглубительных работ в целях поддержания объявленных глубин на подходах к портам и на их акваториях. В процессе производства дноуглубительных работ судами технического флота существенным образом затрудняется судоходство и работа портов.

Существующая нормативная база по проектированию подходных каналов устарела. Целый ряд рекомендаций норм не соответствуют запросам проектной практики. В настоящее время всероссийские и ведомственные нормативные документы не содержат рекомендаций, в которых исходные данные для проектирования включали бы параметры инженерной геологии и прибрежной гидролитодинамики. Запасы на заносимость устанавливаются в соответствии с нормами проектирования морских каналов, в зависимости от расчетного судна. Явление заносимости учитывается лишь эмпирическим коэффициентом. Существующие рекомендации не являются достаточно надежными, так как не базируются на обоснованных представлениях о процессе заносимости, а опираются на устаревшие модели, не соответствующие современному уровню знаний о гидролитодинамике береговой зоны. В процессе проектирования неправильно принятые решения приводят к неоправданно большим объемам ремонтных дноуглубительных работ, а, следовательно, к значительным финансовым издержкам.

Настоящая работа посвящена исследованию процесса заносимости морских подходных каналов и связанных с ним процессов перемещения вдольбереговых потоков наносов. Эти две проблемы объединены, так как без изучения особенностей литодинамических условий региона, а также без комплексного подхода к учету природных факторов, невозможно решить задачу защиты морского подходного канала от заносимости. В связи с этим разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации морских подходных каналов является весьма актуальной проблемой.

Цель работы

Целью настоящей работы являлось исследование процесса заносимости морских подходных каналов на мелководных песчаных побережьях, разработка эффективного метода их защиты от заносимости и рекомендаций по проектированию. Поставленная цель была достигнута:

1. проведением исследования процесса заносимости подходного канала в зависимости от компоновки портовых сооружений с целью комплексной оценки количественных и качественных характеристик отложений наносов на фарватере;

2. разработкой нового эффективного способа защиты подходного канала, позволяющего максимально увеличить сроки межремонтных работ;

3. исследованием эффективности предложенного способа защиты при оптимальной компоновке оградительных сооружений, представляющего новое техническое решение;

4. разработкой рекомендаций по проектированию подходных каналов, включая инженерные изыскания, научное сопровождение проекта и назначение межремонтных сроков дноуглубительных работ с учетом природно-климатических условий района строительства.

Методы исследований

В работе были использованы современные методы математического и физического моделирования динамических процессов береговой зоны. А также был использован аналитический метод, включающий обобщение и анализ современного состояния проектирования морских подходных каналов и их защиты от заносимости.

Математическое моделирование проводилось с помощью составленной двухмерной модели расчета заносимости подходного канала и предложенного способа его защиты на базе языка программирования Borland С++.

Экспериментальные исследования были выполнены в мелководном бассейне Отраслевой научно-исследовательской лаборатории морских гидротехнических сооружений при кафедре Водного хозяйства и морских портов Московского государственного строительного университета (ОНИЛ МНГС МГСУ).

Научная новизна работы

Выполненные исследования позволили получить более полное представление о перемещении потоков наносов в прибрежной зоне моря при сооружении на их пути преграды в виде мола вертикального профиля. Кроме этого была установлена зависимость объема отложений в подходном канале от длины мола и выявлен количественный и качественный вклад потока наносов, перемещающихся вдоль внешней стороны мола в результате штормового нагона, в общий объем заносимости подходного канала. Использованная в работе математическая модель позволила учесть изменение процесса перемещения донных наносов при распространении волн на течении.

Предложен и исследован комбинированный способ защиты подходного канала от заносимости и разработаны соответствующие рекомендации по проектированию морских подходных каналов.

Фактический материал

В работе использовались результаты исследований заносимости подходных каналов порта Нового на Черном море, порта в бухте Батарейная на Балтийском море, порта Темрюк на Азовском море, выполненных специалистами ОНИЛ МНГС МГСУ в период с 1994 по 2003 гг. Кроме этого, в настоящей работе были использованы результаты натурных наблюдений за заносимостью подходного канала порта Вентспилс на побережье Балтийского моря.

Практическая ценность работы

На основании анализа выполненных исследований был разработан более точный метод определения объемов заносимости подходных каналов и комбинированный способ их защиты. Разработанные в результате исследований рекомендации по проектированию подходных каналов позволяют в конечном итоге снизить затраты на капитальное и ремонтное дноуглубление уменьшением их объемов, а также увеличить сроки межремонтных черпаний, которые диктуются технико-экономическими требованиями и условиями производства работ. Предложенный способ защиты подходных каналов от заносимости был успешно применен в порту Темрюк на Азовском море.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на заседаниях кафедры Водного хозяйства и морских портов МГСУ.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 2 статьи:

1. Губина H.A. Использование аккумулирующих прорезей для защиты морских подходных каналов от заносимости. // Гидротехническое строительство, 2007, № 3

2. Губина H.A. Математическое моделирование заносимости морских подходных каналов. // Гидротехническое строительство, 2007, № 11 (принята к публикации)

Статьи раскрывают основное содержание работы, в том числе результаты экспериментальных исследований и численного моделирования процесса заносимости морских подходных каналов и предложенного способа их защиты.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, анализа состояния проблемы (глава 1), описания исследований заносимости подходных каналов морских портов (глава 2), исследований предложенного способа защиты подходных каналов (глава 3), разработанных рекомендаций (глава 4), заключения и списка используемой литературы. Работа изложена на 151 страницах, включая 47 рисунков, 13 таблиц и списка литературы из 70 наименований.

4.6. Выводы

1. Проведенные исследования защиты подходного канала от заносимости показали эффективность предложенного способа, использующего комбинирование оградительного мола и аккумулирующей прорези в морском дне у его головы.

2. Оптимальным взаимным расположением защитных сооружений является компоновка, при которой мол пересекает область вдольберегового потока наносов, а аккумулирующая прорезь перехватывает только поток наносов, идущих вдоль мола в результате штормового нагона.

3. В случае расположения оградительного мола меньшей длины, размеры ловушки меняются в зависимости от характера эпюры вдольберегового потока наносов. При этом ловушка может быть выполнена переменной глубины.

4. С учетом симметричного расположения оградительных молов относительно оси подходного канала, ловушки должны быть расположены соответственно у их голов.

5. Предложенный способ защиты подходного канала от заносимости может быть применен при конструкции оградительного мола вертикального профиля.

ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ МОРСКИХ ПОДХОДНЫХ КАНАЛОВ

На основании анализа проектирования и эксплуатации морских подходных каналов отечественных и зарубежных портов, а также выполненных в настоящей работе аналитических и экспериментальных исследований, были разработаны некоторые рекомендации с целью использования их в инженерной практике. Рекомендации по проектированию подходных каналов включали: состав инженерных изысканий, предшествующих началу проектных работ; проведение комплексного исследования в виде научного сопровождения на стадии проектирования и выбора оптимального варианта; а также защиту от заносимости.

5.1. Состав инженерных изысканий

Перед началом проектирования морских гидротехнических сооружений, необходимо проводить комплексные инженерно-гидрометеорологических изыскания. Перечень соответствующих изысканий при строительстве на континентальном шельфе приведен в нормах /5/. Однако в состав изысканий, предшествующих началу проектирования подходных каналов, необходимо дополнительно включить следующие виды работ.

1. Определение параметров ветрового волнения, с учетом трансформации и рефракции волн от волноопасных направлений, непосредственно на трассе будущего подходного канала, а также на участках побережья, прилегающих к ней, протяженностью не менее 30 километров в обе стороны. При этом необходимо использовать репрезентативный ряд натурных наблюдений по ветру ближайшей к району строительства гидрометеорологической станции.

2. Изучение гидрологических режимов рек, впадающих на участок побережья, соответствующей протяженности, обозначенной в предыдущем пункте, и, в частности, определение количества твердого стока, выносимого ими в море.

3. Проведение топографической съемки морского дна на исследуемом участке побережья, ограниченном урезом и глубиной воды, где транзит наносов в период действия расчетного шторма не наблюдается.

4. Проведение топографической съемки пляжа выше уреза воды на исследуемом участке побережья.

5. Определение гранулометрического состава поверхностного слоя донного грунта и его происхождения на исследуемом участке побережья.

6. Изучение картины прибрежной циркуляции масс воды, а также течений и эпюры их скоростей при различных гидрометеорологических условиях, включающих приливно-отливные и сгонно-нагонные явления.

7. Определение транзитного объема наносов, обеспечивающего динамическое равновесие в районе будущего строительства. При этом следует использовать апробированные в океанологии методы расчета, основанные на математическом моделировании гидролитодинамических процессов прибрежной зоны. Использование нескольких методов расчета позволит достичь достаточной для инженерной практики точности.

Отсутствие перечисленных дополнительных данных в действующих рекомендациях по составу инженерных изысканий /5/, исключает успешное строительство и эксплуатацию морских подходных каналов в любом регионе. В ряде случаев наличие полной информации о районе строительства позволит заблаговременно отказаться от возведения портовых сооружений в намеченном месте и, тем самым избежать неоправданных затрат в процессе эксплуатации подходных каналов. Поэтому выбор оптимального места строительства порта невозможен без получения и анализа перечисленного выше объема материалов инженерных изысканий на стадии технико-экономического обоснования.

5.2. Научное сопровождение при проектировании подходных каналов

Научное сопровождение необходимо при проектировании морских подходных каналов, как и любого гидротехнического сооружения. Это обстоятельство обусловлено тем, что существующие нормативные документы не учитывают всего многообразия природно-климатических факторов, которые необходимо учитывать в процессе проектирования. При выполнении ряда расчетов приходится использовать недостаточно апробированные методики, требующие проведения дополнительных аналитических и экспериментальных исследований. При проектировании подходных каналов новых портов, прежде всего необходимо произвести предварительную оценку влияния будущих сооружений на экологическую обстановку в районе строительства и, в том числе, на сохранность прилегающих пляжей по обе стороны от трассы канала.

Основной целью научного сопровождения при проектировании подходных каналов является исследование эффективности различных вариантов компоновок планового положения трасс каналов и оградительных сооружений. Желаемого результата можно достичь с помощью совместного проведения математического моделирования и экспериментального исследования. Анализ результатов комплексных исследований позволяет выбрать оптимальный вариант, обеспечивающий бесперебойную работу проектируемого порта при минимальных затратах на поддержание проектных глубин в процессе эксплуатации.

5.2.1. Математическое моделирование заносимости подходных каналов

Проведение математического моделирования должно начинаться с определения исходных данных, полученных на основании анализа результатов инженерных изысканий, перечень которых представлен в 5.1.

Далее осуществляется расчет параметров берегового потока наносов и оценка объемов заносимости подходного канала по пунктам:

1. определение расчетных параметров волнения заданной обеспеченности в глубоководной и мелководной зонах моря;

2. определение расходов вдольберегового течения от наиболее опасных направлений штормового воздействия расчетной обеспеченности;

3. определение параметров вдольберегового потока наносов при воздействии штормов наиболее опасных направлений, в том числе объем потока наносов по обе стороны от подходного канала, а также суммарный объем перемещаемого материала;

4. количественная оценка расхода разрывного течения с внешней стороны мола, а также характера соответствующего потока наносов;

5. определение объема отложений в подходном канале от действия берегового и поперечного потоков наносов за время действия расчетного шторма;

6. оценка точности расчетов путем сопоставления результатов, полученных с использованием различных моделей.

5.2.2. Исследование заносимости подходных каналов на физической модели

При проведении исследований на физической модели также необходимы в полном объеме данные инженерных изысканий. В состав подготовительных работ входит:

1. определение масштабов моделирования (горизонтального и вертикального), их соотношение не должно превышать 2,5;

2. строительство физической модели с учетом топографии дна по результатам инженерных изысканий и наличия проектируемого канала с оградительными сооружениями; откосы канала назначаются с учетом физико-механических характеристик поверхностного слоя донного грунта;

3. определение расчетных параметров ветрового волнения от различных волноопасных направлений, а также продолжительность действия расчетного шторма;

4. подбор материала для моделирования наносов;

5. разработка программы и методики проведения опытов;

6. разработка измерительной системы для регистрации параметров волн.

После проведения каждого из опытов определяются параметры волн, картина движения и места скопления наносов, а также локальные размывы.

Как показывает опыт проведения таких исследований, совместный анализ результатов математического и физического моделирования позволяет наилучшим образом откорректировать плановое положение и оптимальную длину оградительных сооружений, выявить места скопления и объем наносов в канале. Полученная информация позволит также разработать размеры ловушек и разработать рекомендации по предотвращению размывов у оснований гидротехнических сооружений под воздействием волн и течений. Кроме этого, на основе результатов совместных исследований становиться возможным прогнозирование сроков заполнения внешних углов и межремонтных дноуглубительных работ непосредственно в подходном канале.

5.3. Рекомендации по защите подходных каналов

Как показали результаты исследований заносимости подходных каналов, наиболее эффективным является комбинированный метод защиты. Он состоит в одновременном применении оградительных сооружений и аккумулирующих прорезей (ловушек), и может быть положен в основу уже на стадии разработки проекта с учетом рекомендаций, разработанных по результатам научного сопровождения в каждом конкретном проекте. Основным из них являются:

1. оптимальные габаритные размеры и плановое положение защитных сооружений назначаются по результатам физического моделирования различных вариантов;

2. по результатам математического моделирования определяется объем наносов, которые будут откладываться в подходном канале;

3. с помощью физического моделирования выявляются наиболее вероятные места концентрации наносов в подходном канале;

4. в непосредственной близости от мест скопления наносов проектируются ловушки для перехвата потока наносов, размеры которых назначаются, исходя из прогнозируемых годовых объемов отложений и оптимальных сроков межремонтных дноуглубительных работ;

5. на основании прогноза сроков заполнения внешних углов предусматривается проведение дноуглубительных работ и соответствующего восполнения разрушенных пляжей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе были использованы результаты НИР в рамках хоздоговора по заносимости подходного канала порта Темрюк. Результаты этих исследований показали, что защита от заносимости подходного канала только с помощью оградительных сооружений является не эффективной и требует дополнительных финансовых вложений. Анализ нормативных документов, действующих в нашей стране, выявил их несоответствие требованиям современной проектной практики на различных стадиях проектирования. По этой причине существует ряд портов, работа которых затруднена из-за интенсивной заносимости подходных каналов. Поддержание проектных глубин в таких портах приводит к дополнительным затратам, связанными с проведением ремонтных дноуглубительных работ, объемы которых, в зависимости от интенсивности штормовой деятельности в том или ином регионе могут быть значительными. На основании анализа методов защиты подходных каналов от заносимости в настоящей работе был разработан и исследован комбинированный способ. При апробации данного способа защиты были проведены комплексные аналитические и экспериментальные исследования. Разработанная в диссертации математическая модель, позволяет производить количественную оценку с учетом природно-климатических особенностей района будущего строительства, а также компоновки и конструкции проектируемых морских гидротехнических сооружений. Использованный в настоящей работе комплексный подход при решении поставленных задач, позволил разработать рекомендации по: проведению инженерных изысканий в районах будущего строительства; научному сопровождению проектирования подходных каналов; эффективной защите каналов в процессе их эксплуатации.

Результаты исследований и их анализ позволили выявить ряд закономерностей, которые были положены в основу при разработке соответствующих рекомендаций. Так рекомендации по проектированию морских подходных каналов соответствуют современному представлению о гидролитодинамических процессах береговой зоны моря. Они учитывают компоновку и тип оградительных сооружений порта, а также природно-климатические условия конкретного района строительства.

На основании экспериментальных исследований были выявлены особенности заносимости подходных каналов у входа в порт при их защите одиночными или сходящимися молами, которые удовлетворительно согласуются с результатами натурных наблюдений. Было установлено, что процесс заносимости подходных каналов у входа в порт напрямую связан с действием потоков наносов, перемещающихся вдоль внешней стороны мола под действием разрывного течения, являющимся следствием разгрузки штормового нагона. Заносимость подходного канала происходит под совместным действием берегового и поперечного потоков наносов.

По результатам численного моделирования определялись объемы аккумуляции наносов в подходном канале от воздействия шторма наиболее опасного направления заданной обеспеченности. При этом была количественно оценена роль разрывного течения в общем объеме заносимости канала. Было выявлено, что в зависимости от длины оградительного сооружения меняются составляющие общего объема отложения от воздействия обоих потоков. Кроме этого была установлена зависимость между объемом отложений в подходном канале и длиной оградительного мола с учетом гидролитодинамических условий конкретного района будущего строительства.

Из результатов исследований следует, что использование только молов не является эффективным способом защиты морских подходных каналов от заносимости. Даже при значительном увеличении длины мола невозможно избежать заносимости подходных каналов в результате обтекания наносами голов сооружений. По этой причине наиболее эффективной защитой каналов является комбинирование использование молов с аккумулирующими прорезями (ловушками). При этом снижаются затраты на поддержание навигационных глубин в процессе эксплуатации подходных каналов.

Исследования защиты подходного канала с помощью предложенного комбинированного способа выявили его эффективность, а также позволили определить оптимальные размеры и взаимное расположение обоих сооружений, составляющих новое техническое решение. В зависимости от ветроволновых условий района молы оптимальной длины полностью прерывают береговые потоки наносов, а габаритные размеры аккумулирующей соответствуют параметрам разрывного течения. В таких случаях заносимость подходных каналов будет минимальной.

При наиболее распространенной компоновке портовых сооружений включающей симметричное ограждение молами подходного канала, предусматривается аналогичная схема защиты с использованием предложенного в настоящей работе способа. Аккумулирующие ловушки должны располагаться у голов оградительных молов с учетом локальных размывов морского дна. Исследованный способ защиты морских подходных каналов от заносимости может применяться только при конструкции мола вертикального профиля.

В заключении автор благодарит научного руководителя д.т.н. С.И. Рогачко за организационную помощь, в том числе при проведении экспериментальных исследований, консультанта д.т.н. И.Г. Кантаржи профессора кафедры Водного хозяйства и морских портов МГСУ за помощь в проведении математического моделирования, д.ф-м.н. |С.М. Анцыферова заведующего лабораторией института Океанологии РАН за проявленное внимание и содействие работе. А также к.т.н. Е.В. Квятковскую и инженера Е.В. Тверитнева за помощь при редактировании диссертации и постановке эксперимента.

1. ВНТП 01-78. Нормы технологического проектирования морских портов. ММФ. М.: 1978

2. ВСН 15-69. Методические указания по составлению долгосрочных прогнозов заносимости предустьевых подходных каналов. Союзморниипроект. М. 1969

3. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений

4. ГОСТ II. 004-74. Прикладная статистика. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров нормального распределения

5. Инженерно-гидрометеорологические изыскания на континентальном шельфе. М.: Гидрометеоиздат, 1993

6. Нормы проектирования морских каналов РД.31.31.47-88

7. Рекомендации по гидравлическому моделированию волнения и его воздействия на песчаные побережья морей и водохранилищ. ВНИИ транспортного строительства. М., 1987

8. Руководство по назначению объявленной осадки судов в морских портах РД.31.63.02-83

9. СНиП 2.06.04-82* Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). М., Госстрой, 1989

10. Айбулатов Н.А. Деятельность России в прибрежной зоне моря и проблемы экологии. М.: Наука, 2005

11. Айбулатов H.A. Динамика твердого вещества в шельфовой зоне. Л.: Гидрометеоиздат, 1990

12. Айбулатов H.A., Шадрин И.Ф. Роль разрывных течений в перемещении песчаных наносов в береговой зоне. В кн.: Динамика береговой зоны Черного моря. /Труды инст. Океанологии, 1961, с. 19-29

13. Анцыферов С.М. Процессы движения песчаных осадков в береговой зоне моря. Автореферат дис. доктора физ.-мат. наук. М. Ин-т океанологии РАН, 1999

14. Анцыферов С.М., Кантаржи И.Г. Придонное граничное условие для определения концентрации наносов, взвешенных волнами и течением. М.: Океанология, 2000, 40 (4), с. 606 613

15. Анцыферов С.М., Пиляев С.И., Рогачко С.И. О методе изучения на размываемых моделях динамического режима в окрестности морских гидротехнических сооружений. Журнал "Гидротехническое строительство" № 11, М., 2002, с. 28-31

16. Башкиров Г. С. Динамика прибрежной зоны моря. М.: Морской транспорт, 1961, с. 167-213

17. Белошапков A.B. К вопросу о разработке энергетического метода расчета расхода вдольберегового потока наносов. Океанология 1988. Т.28, вып.5, с. 803-809

18. Белошапков A.B. Сравнительный анализ существующих методов и разработка оптимального метода расчета вдольберегового перемещения наносов. Афтореф. дис. канд. геогр. наук. М., 1988

19. Бернар Jle Меоте. Введение в гидродинамику и теорию волн на воде. -Л.: Транспорт, 1974

20. Бертман Д.Я. Заносимость каналов западной части Черного моря. В кн.: Проблемы эксплуатации морских каналов. М.: ЦРИА Морфлот, 1982 (Сборник научных трудов Черноморниипроекта), с. 70-75

21. Бертман Д.Я. Некоторые результаты расчета перемещения наносов в прибрежной зоне моря. Сб. «Развитие морских берегов в условияхколебательных движений земной коры». Институт геологии АН ЭССР. Таллин, Вилтус, 1966, с. 218-220

22. Бертман Д.Я., Шепсис В.И. Метод определения количественных характеристик движения наносов. В кн.: Береговая зона моря. М.: Наука, 1981, с. 166-171

23. Болдырев В.Л., Невский E.H. Западный темрюкский поток песчаных наносов // Труды Океанографической комиссии. Т. VIII. V. 1961, с. 45-5925 .Вайсфелъд И. А. Выбор масштаба и масштабные поправки при моделировании акваторий портов. М.: Госстройиздат, 1961

24. Егоров E.H., Касьянов Б.Л. Интенсивные современные преобразования морского берега, вызванные выдвижением речной дельты и сооружением молов. В кн.: Динамика береговой зоны Черного моря. /Труды инст. Океанологии, 1961, с. 42-52

25. Знаменская Н.С. Грядовое движение наносов. Л., 1968

26. Камчия 77. Взаимодействие атмосферы, гидросферы и литосферы в прибойной зоне моря. Результаты международного эксперимента.: Изд. болгарской акад. наук, София, 1980

27. Камчия 78. Взаимодействие атмосферы, гидросферы и литосферы в прибойной зоне моря. Результаты международного эксперимента.: Изд. болгарской акад. наук, София, 1982

28. Кантаржи И.Г., Анцыферов С.М. Моделирование взвешенных наносов под волнами на течении. М.: Океанология, 2003

29. Караушев A.B., Абакумов В.И., Маркус Е.К. Приближенный метод расчета заносимости морских каналов. Тр. Океанографической комиссии АН СССР, 1961

30. Кнапс Р.Я. Перемещение наносов у берегов Восточной Балтики. Сб. «Развитие морских берегов в условиях колебательных движений земной коры». Институт геологии АН ЭССР. Таллин, Вилтус, 1966

31. Кожухов И.В. Движение наносов и заносимость подходных каналов у отмелого песчаного берега. Дис. кандидата геогр. наук. Л., 1980

32. Косъян Р.Д., Пыхов Н.В. Гидрогенные перемещения осадков в береговой зоне моря. М.: Наука, 1991

33. Крылов Ю.М. Спектральные методы исследования и расчета ветровых волн. JL: Гидрометеоиздат, 1966

34. Купче JI.B. О методике и опыте прогнозирования заносимости предустьевых подходных каналов. В кн.: Инженерные изыскания и исследования в береговой зоне. М.: Транспорт, Труды Союзморниипроекта. 1969, вып. 26(32)

35. Леонтьев И.О. Прибрежная динамика: волны, течения, потоки наносов. М.: ГЕОС, 2001

36. Леонтьев И.О. Изменение береговой линии в условиях влияния гидротехнических сооружений. М.: Океанология, 2007, Т. 47 №5

37. Логачев Л.А. О норме заносимости открытых морских каналов. В кн.: Инженерные изыскания и исследования. М.: Транспорт, Труды Союзморниипроекта. 1966, вып. 12(18)

38. Логачев Л.А. Расчет запаса глубины канала на заносимость и определение оптимального режима ремонтного черпания. В кн.: Инженерные изыскания и исследования. М.: Транспорт, Труды Союзморниипроекта. 1966, вып. 12(18)

39. Логачев Л.А., Попков P.A. О методических основах нормирования проектных габаритов подходных каналов. В кн.: Инженерные изыскания и исследования в береговой зоне. М.: Транспорт, Труды Союзморниипроекта. 1969, вып. 26(32)

40. Лонге-Хиггинс М.С. Механика прибойной зоны. // Механика, 1. М.: Мир, 1974

41. Лонгинов В.В., Кожухов И.В. О заносимости частично огражденных морских каналов на отмелых песчаных побережьях. В кн.: Инженерные изыскания и исследования. М.: Транспорт, Труды Союзморниипроекта. 1966, вып. 12(18)

42. Макаров К.Н. Прогнозирование и управление гидро-литодинамическими процессами в прибрежной зоне на основе комплексной автоматизированной системы. Автореферат дис. С-Пб., 1998

43. Мирошниченко В.Г., Дроздов В.Б. Оптимизация методов поддержания глубин на морских каналах. В кн.: Проблемы эксплуатации морских каналов. М.: ЦРИА Морфлот, 1982 (Сборник научных трудов Черноморниипроекта), с. 24-31

44. Мирошниченко В.Г., Купче Л.В., Шепсис В.И., Шулейко О.В. О нормировании запасов на заносимость морских каналов. В кн.: Портовое гидротехническое строительство и инженерные изыскания в береговой зоне моря: Сб. науч. тр. М.: Транспорт, 1986, с. 140-143

45. Мирошниченко В.Г., Шепсис В.И. Совершенствование методов назначения запасов на заносимость морских каналов. В. кн.: Развитие методов расчета морских портовых сооружений. М.: Транспорт, 1985, с.122-131

46. Назаретский Л.Н. Изменение средних значений высот и периодов волн на морских каналах. В кн.: Инженерные изыскания и исследования. М.: Транспорт, Труды Союзморниипроекта. 1966, вып. 12(18)

47. Отчет на оказание консультационных услуг по выполнению инженерного проекта, и строительтсва мола нефтеперерабатывающего завода «Вьетросс». М.: МГСУ, 2002

48. Отчет о НИР по теме «Исследование заносимости подходного канала нового глубоководного морского торгового порта на Черном море и прогноза динамики берега в районе мыса «Железный рог» Анапа». М.: МГСУ, 1994

49. Отчет о НИР по теме «Исследование заносимости подходного канала порта Темрюк». М.: МГСУ, 2001

50. Отчет о НИР по теме «Исследование заносимости подходного канала порта Темрюк с учетом строительства морского перегрузочного комплекса ОАО «Кубанское речное пароходство»». М.: МГСУ, 2003

51. Отчет о НИР по теме «Исследование конструктивно-компоновочных решений нефтеналивного порта в бухте Батарейная». М.: МГСУ, 1995

52. Офицеров А. С. Гидравлические лабораторные исследования морского порта. М.: Госстройиздат, 1961

53. Пясецкий Г.Я. Тенденции и проблемы развития морских портов и подходных каналов. М.: Транспорт, 1979

54. Смирнов Г.Н. и др. Порты и портовые сооружения: Учебное издание М.: Издательство АСВ, 2003

55. Смирнов Г.Н. Океанология. М. Высшая школа, 1987

56. Смирнова Т.Г., Правдивец Ю.П., Смирнов Г.Н. Берегозащитные сооружения М.: АСВ, 2002

57. Филипс О.М. Динамика верхнего слоя океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1980

58. Шахин В.М. Вдольбереговое движение песка в прибойной зоне // Вопросы инженерной защиты берегов Черного моря. М.: МИИТ, 1988

59. Шепсис В.И, Клейн А.Л. Исследование распределения наносов по профилю морского канала. В кн.: Проблемы эксплуатации морских каналов. М.: ЦРИА Морфлот, 1982 (Сборник научных трудов Черноморниипроекта), с. 62-69

60. Шишов Н.Д. О методике определения характеристик движения наносов на морях. В. кн.: Развитие методов расчета морских портовых сооружений. М.: Транспорт, 1985

61. Шуйский Ю.Д. Вопросы исследования баланса наносов в береговой зоне морей и океанов. В кн.: Береговая зона моря. М.: Наука, 1981, с. 61-67

62. Ackers P., White W.R. Sediment Transport: New approach and analysis. Proceedings of the ASCE, vol. 99, no. HY11, Nov. 1973, pp. 2041-2060

63. Bagnold R.A. Mechanics of marine sedimentation. // The Sea. Vol. 3. N. Y.: J. Wiley, 1963, pp. 507-528

64. Hanson H. GENESIS: a generalized shoreline change numerical model. //J. Coastal Res, 1989.Vol.5. N 1

65. Silvester R, Hsu J. Coastal Stabilization. // Innovative Concepts, 1999, p. 271292

66. Willis D.H. Sediment load under waves and currents. National Research Council Canada. Reprint. Bui. No. (3), 1979