Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы проектирования, строительства и эксплуатации морских подходных каналов 11
1.1. Требования к проектированию подходных каналов морских портов 11
1.1.1. Проектные параметры подходных каналов 11
1.1.2. Нормирование запасов на заносимость 15
1.2. Процесс заносимости морских подходных каналов 18
1.3. Гидролито динамические процессы береговой зоны, влияющие на заносимость подходных каналов 22
1.3.1. Изменение параметров волн над морскими каналами 24
1.3.2. Влияние подходных каналов на вдольбереговое течение 25
1.3.3. Потоки наносов в береговой зоне моря 28
1.3.3.1. Динамика потоков наносов 28
1.3.3.2. Определение расхода потока наносов 33
1.3.4. Влияние топографических условий на заносимость подходных каналов 37
1.4. Определение объема заносимости морских подходных каналов 38
1.4.1. Теоретические и эмпирические методы определения заносимости 39
1.4.2. Физико-математическое моделирование процесса заносимости 40
1.5. Защита от заносимости морских подходных каналов 49
1.5.1. Строительство молов 49
1.5.2. Периодические ремонтные дноуглубительные работы 55
1.5.3. Устройство перехватывающих прорезей 56
Глава 2. Исследования заносимости морских подходных каналов методом математического моделирования 59
2.1. Обоснование проведения исследований 59
2.2. Исходные параметры для исследований 62
2.2.1. Естественные условия Темрюкского залива 62
2.2.2. Анализ результатов исследований параметров волнения, потока наносов и заносимости подходного канала в районе порта Темрюк 65
2.3. Математическое моделирование заносимости 71
2.3.1. Модель заносимости подходного канала 71
2.3.1.1. Вдольбереговое перемещение наносов 72
2.3.1.2. Перемещение наносов вдоль мола под действием разрывного течения 78
2.3.1.3. Модификация модели для условий транспорта наносов при совместном действии волн и течения 81
2.3.2. Результаты моделирования и их анализ 83
2.3.2.1. Расчетные варианты компоновки молов 83
2.3.2.2. Расход вдольберегового потока наносов 85
2.3.2.3. Расход потока наносов под действием течения с внешней стороны мола 90
2.3.2.4. Заносимость подходного канала 92
2.3.3. Анализ результатов численного моделирования заносимости подходного канала 96
Глава 3. Экспериментальные исследования заносимости морских подходных каналов 98
3.1. Обоснование проведения экспериментальных исследований 98
3.2. Программа экспериментальных исследований 101
3.3. Физическая модель 102
3.4. Автоматическая система регистрации параметров волн 106
3.5. Методика проведения эксперимента 106
3.5.1. Градуировка волнографов и регистрация параметров волн 106
3.5.2. Экспериментальные исследования 107
3.6. Результаты экспериментов и их анализ 109
3.7. Оценка и сопоставление результатов численного моделирования и экспериментальных исследований заносимости подходного канала 114
Глава 4. Исследования комбинированного способа защиты морских подходных каналов от заносимости 117
4.1. Комбинированный способ защиты морских каналов от заносимости... 117
4.2. Цели исследования эффективности комбинированного способа 119
4.3. Математическое моделирование комбинированного способа защиты.. 120
4.3.1. Модель заполнения аккумулирующей прорези 120
4.3.2. Результаты моделирования аккумулирующей прорези и их анализ 123
4.4. Экспериментальные исследования комбинированного способа защиты 125
4.4.1. Программа и методика проведения экспериментальных исследований 125
4.4.2. Результаты и анализ экспериментальных исследований 128
4.5. Анализ результатов исследований эффективности комбинированного способа защиты 132
Глава 5. Рекомендации по проектированию морских подходных каналов 136
5.1. Состав инженерных изысканий 136
5.2. Научное сопровождение при проектировании подходных каналов 138
5.2.1. Математическое моделирование заносимости подходных каналов 138
5.2.2. Исследование заносимости подходных каналов на физической модели 139
5.3. Рекомендации по защите подходных каналов 140
Заключение 142
Список использованной литературы 145
- Процесс заносимости морских подходных каналов
- Исходные параметры для исследований
- Программа экспериментальных исследований
- Цели исследования эффективности комбинированного способа
Введение к работе
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 гадролитодинамики 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
проведением исследования процесса заносимости подходного канала в зависимости от компоновки портовых сооружений с целью комплексного прогноза количественных и качественных характеристик отложений наносов на фарватере.
разработкой нового эффективного способа защиты подходного канала, позволяющего максимально увеличить сроки межремонтных работ,
3 V\
\ V
исследованием эффективности предложенного способа защиты при оптимальной компоновке оградительных сооружений, представляющего новое техническое решение,
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 про^аммирования Borland С-ч-
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 бьша 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 Вентспилс 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
Процесс заносимости морских подходных каналов
Заносимость подходного канала происходит под воздействием гидрометеорологических факторов на береговую зону в результате изменения литодинамического режима прибрежной зоны. Сразу же после сооружения подходные каналы становятся естественной ловушкой для всего потока взвешенных и донных наносов. Взвешенные наносы откладываются на дне канала в результате уменьшения скорости течения и параметров волнения над каналом вследствие увеличения глубины воды. Донные наносы сползают с бровок под воздействием вдольбереговых течений.
Особенно интенсивная заносимость портов и подходных каналов наблюдается в районах с потоками илистых наносов, причем сложная обстановка возникает на берегах приливных морей, где мощность потока наносов доходит до нескольких миллионов м в год. В бесприливных морях, несмотря на то, что поток илистых наносов обладает меньшей мощностью, он также является причиной достаточно сильной заносимости. В нашей стране илистые наносы широко распространены в Черном и Азовском морях, где ситуация усугубляется наличием устьев рек Дон и Кубань, значительно пополняющих твердым стоком вдольбереговой поток наносов. Так, на Черном и Азовском морях заносимость подходных каналов портов измеряется сотнями тысяч м в год.
Изучению литодинамических процессов прибрежной зоны уделялось достаточное внимание в ведущих отечественных и зарубежных океанологических институтах. За последние десятилетия накоплен значительный теоретический и эмпирический материал по исследованию таких явлений в береговой зоне как волнение, течение, вдольбереговой поток наносов и их влияние на морское побережье. Проблема заносимости подходных каналов к морским портам и способы защиты от нее изучались примерно до начала 90-х годов. В последние десять - пятнадцать лет исследований в этой области проводилось очень мало, несмотря на значительно возросшую актуальность.
В настоящее время проблема учета литодинамических факторов при определении заносимости не до конца изучена. Существует много методов определения объема заносимости подходных каналов, но все они не являются достаточно точными. Многолетний опыт исследования заносимости каналов показал, что между фактическим и расчетным объемами заносимости расхождения очень значительны, иногда на порядок и более. При проектировании каналов используются большие коэффициенты запаса, в результате чего увеличивается объем дноуглубительных работ и, соответственно, их стоимость.
Впервые наиболее полно вопрос о количественных и качественных характеристиках заносимости подходных каналов был рассмотрен Л.А. Логачевым /40, 41, 42/. Им был предложен энергетический подход к определению заносимости, согласно которому средний многолетний объем наносов непосредственно зависит от габаритов канала и гидролитодинамических условий района, с учетом повторяемости и силы волнения при штормах различных направлений. Крупность наносов, а также скорость донных течений являются определяющими при оценке заносимости морских подходных каналов.
Л.А. Логачев заносимость подходных каналов условно разделил на внешнюю, обусловленную перехватом вдольберегового потока наносов, и внутреннюю, определяемую способом ведения дноуглубительных работ. Внутренняя заносимость подходного канала образуется в результате недоработки проектного профиля с заложением откосов то, после достижения динамического равновесия (рис. 1.3). Уменьшение поперечных размеров канала в процессе переформирования профиля учитывается добавлением к суммарным запасам под килем судна Sz (см. п. 1.1) багермейстерского запаса. При этом толщина слоя заносимости от переформирования профиля Ah в первом приближении определялась из условия равенства объемов сползшего грунта объему грунта, распределившегося ровным слоем по сформированному профилю (рис. 1.3):
Деформация поперечного сечения канала от внутренней заносимости усугубляется размывом от воздействия работающих винтов проходящих судов. Особенность такого размыва заключается в воздействии винтов непосредственно на дно канала в его средней (по ширине) части, что приводит к появлению местных вымоин и приближает сечение к треугольной форме.
Внешняя заносимость подходного канала требует периодического дноуглубления прорези вследствие уменьшения проходной глубины.
Исходные параметры для исследований
Порт Темрюк расположен на побережье Темрюкского залива в юго-восточной части Глухого канала Азовского моря, ранее являвшегося одним из рукавов р. Кубань и в настоящее время перекрытого каменно-земляной перемычкой. Характерные глубины Темрюкского залива менее 11 ч- 12 м, дно пологое с плавно убывающими глубинами. Донные отложения в пределах глубин 2V5M состоят из пылеватых песков, а в непосредственной близости от берега представлены мелкозернистыми песками.
Акватория порта Темрюк включает два затона, два искусственных ковша и подходной канал. Общая протяженность подходного канала 2,9 км. Канал состоит из двух участков: внешнего - морского и внутреннего -входящего в сушу. На внешней части подходного канала в начале XX века были построены оградительные сооружения, основное назначение которых защита от заносимости под воздействием вдольберегового потока наносов. В состав оградительных сооружений входят Восточный мол, протяженностью 850 м, и Западный мол, протяженностью 550 м. Молы расположены параллельно оси канала на расстоянии 160 м друг от друга (рис.2.1). Объявленная навигационная глубина на акватории порта и в подходном канале -8 м, ширина канала - 90 м. Однако в последние десятилетия прошлого века ремонтное черпание проводилось лишь эпизодически, в результате чего подходной канал, и особенно его баровая часть, заилился. В настоящее время глубины на внутренней части канала достигают 6 м, на входной части около 7 м.
Характеристики ветроволнового режима в Темрюкском заливе определены на основании данных наблюдений за направлением и скоростью ветра на метеостанции «Темрюк - порт». По результатам наблюдений было установлено, что преобладающими в навигационный период являются северные и северо-восточные ветры и, соответственно, наибольшей продолжительностью отличаются шторма этих же направлений.
Направление течений в прибрежной зоне района в основном совпадает с направлением ветров. Нередко наблюдаются и противотоки, как правило, при северо-восточных ветрах. Максимальная скорость течения составляет 0,4 м/с, средняя - 0,1 м/с.
Динамика перемещения потока наносов в районе порта Темрюк, в соответствии с расчетом баланса материала Темрюкской устьевой станции, характеризуется процессами аккумуляции. Направление результирующего ветроэнергетического воздействия в створе - с востока на запад. Анализ материалов производства эксплуатационных дноуглубительных работ на подходном канале порта показал наибольшую интенсивность заносимости канала при штормах северного и северо-восточного направлений.
Донные наносы в районе подходного канала характеризуются однородностью в пределах нескольких зон по глубине. На участке от уреза воды до глубины 3 м преобладает мелкозернистый песок сравнительно однородного состава. После 3-х метровой изобаты песок начинает заиляться и на глубинах 4т5м составляет в донных отложения около 50%. После 5 м глубины содержание песка начинает возрастать и на глубине 6,5 м ил практически не наблюдается. Средний диаметр фракций песчаных отложений составляет 0,12 -f- 0,15мм (рис. 2.2). При исследованиях был принят расчетный диаметр фракций донных отложений 0,15 мм.
Параметры волн в Темрюкском заливе, необходимые для моделирования заносимости подходного канала, были приняты по результатам проведенных ранее исследований в рамках работ /53, 54/, в соответствии с техническими условиями по проектированию морских каналов 161. Режимные характеристики ветра над Азовским морем были получены путем анализа и сопоставления многолетних рядов наблюдений за ветром на ГМС «Темрюк - порт». Расчетная повторяемость и обеспеченность скоростей ветра по наиболее опасным направлениям представлена в таблице 2.1.
Программа экспериментальных исследований
Программой экспериментальных исследований предусматривалось проведения опытов по определению заносимости подходного канала с использованием в качестве его защиты Восточный оградительный мол, выходящий 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. Предусмотренные программой параметры волн в соответствии с принятыми масштабами моделирования и зависимостями (3.1 - 3.4), приведены в таблице.
В результате воздействия волн заданных параметров и принятого направления распространения волнения, планировалось произвести качественную оценку процессов перемещения вдольберегового потока наносов для принятой компоновки портовых сооружений. Предполагалось выявить структуру движения наносов вдоль мола и локальные эффекты в виде размывов и аккумуляций грунтового основания во входящем углу.
С помощью исследования перемещения наносов у головы мола планировалось выявить схему распределения наносов в районе подходного канала, а также характер отложений на бровке при попадании их в канал. По результатам исследований ставилась задача определить место прохождения вдольберегового потока наносов максимальной концентрации относительно головы оградительного сооружения, для последующего принятия решения о дополнительных мерах защиты подходного канала от заносимости.
Перед началом экспериментов физическая модель подходного канала порта Темрюк, использовавшаяся ранее в исследованиях /53, 54/, была реконструирована в соответствии с программой проведения эксперимента. Из существующих на модели оградительных сооружений был оставлен только Восточный мол, в соответствии с условиями моделирования частично разобранный до глубины 3 м.
Подводный рельеф участка береговой зоны физической модели был замоделирован в соответствии с батиметрическими изысканиями. Устье реки не моделировалось, так как ее влияние было учтено отмелью с восточной стороны канала. Проектный профиль канала имел глубину по оси 8 м, ширину по дну 90 м, уклон откосов 1:4. По длине подходной канал выходил на естественные глубины 8 м. При сооружении физической модели длина канала была ограничена 6-й метровой изобатой в соответствии с особенностями перемещения потока наносов в районе порта, так как по результатам изысканий уже после 5-й метровой изобаты перемещение материала не наблюдалось.
Модель подходного канала с соответствующей батиметрией и существующими оградительными сооружениями выполнена с искажением горизонтального и вертикального масштабов в соответствии с зависимостью 3.5. Горизонтальный масштаб составлял 1:100, вертикальный 1:40, при коэффициенте искажения 2,5. Крутизна откосов подходного канала, соответствующая проектной крутизне, составляла 1:4. Масштаб физического моделирования принимался равным вертикальному и составлял 1М - 1:40 (0,025). На рис.3.2 — 3.4 представлены общая схема и вид модели перед началом эксперимента.
Модель состояла из жесткой неразмываемой части (дно и откосы подходного канала), и размываемых участков (участки дна, примыкающие к верхним кромкам откосов подходного канала). В основание модели был отсыпан песок, который после планировки уплотнялся по всей площади и покрывался цементной стяжкой на неразмываемых участках. Размываемая часть модели покрывалась равномерным слоем люберецкого песка по цементной стяжке толщиной 20 мм.
Исходные параметры волнения на глубокой воде, определенные в соответствии с принятым масштабом моделирования (табл. 3.1), генерировались волнопродуктором и контролировались двумя волнографами. Щит волнопродуктора был расположен под углом к оси канала, таким образом, чтобы направление распространения исходного волнения соответствовало принятому северо-восточному направлению. В соответствии с рекомендациями ЦНИИСа по гидравлическому моделированию волнения 111, расстояние между щитом волнопродуктора и моделью принималось равным пяти максимальным длинам волн.
Цели исследования эффективности комбинированного способа
Исследование комбинированного способа защиты от заносимости осуществлялось с помощью комплексного математического и физического моделирования на основе результатов исследования заносимости подходного канала порта Темрюк, выполненных ранее /глава 2/. По результатам этих исследований были определены место расположения аккумулирующей прорези в зоне прохождения потока наносов наибольшей интенсивности и ее предполагаемый объем, зависящий от объема отложений в подходном канале за время действия расчетного шторма.
С помощью комплексного моделирования планировалось рассмотреть различные комбинации оградительного мола и ловушки с целью определить наиболее рациональные и экономичные их варианты. Конкретные цели исследований комбинированного способа защиты заключались в установлении оптимальной длины оградительного сооружения, геометрических размеров ловушки и места ее расположения относительно головы мола. При этом с помощью математического моделирования определялись ее габаритные размеры в зависимости от вариантов длины мола. А с помощью экспериментальных исследований - точное место расположения ловушки и эффекты от совместного использования обоих сооружений.
В результате сопоставления результатов исследований оценивалась заносимость канала после устройства ловушки, а также характер отложений в ловушке, анализ ее заполнения с внешней стороны и вдоль мола. В дальнейшем это позволило установить зависимости между длиной мола и объемом ловушки, в том числе частоту ее расчистки и ремонтных черпаний на фарватере.
При моделировании эффективности использования ловушки, с целью перехвата наносов перед попаданием их в подходной канал, использовалась модель берегового и поперечного перемещения наносов, описанная в п. 2.3.1. С помощью этой модели были определены объемы потоков наносов обоих направлений при различных вариантах длины оградительного мола. При моделировании ловушки было предположено, что ее оптимальные габаритные размеры связаны с количественными и качественными характеристиками потоков наносов. Соотношение продольного и поперечного размера ловушки зависит от отношения Qx и Qc (рис. 4.2). В этом случае ширина ловушки В принималась равной не менее ширины разрывного течения вдоль мола, которая являлась постоянной величиной при различных вариантах длины мола. Для условий порта Темрюк она составляла 50 м. еэ эпюры вдольберегового потока наносов. В случае выхода мола на глубину замыкания длина ловушки принималась равной минимально возможной ее ширине. Таким образом, при моделировании ловушки оптимальных размеров ее длина изменялась в зависимости от длины мола, а глубина в каждом случае определялась объемом заносимости подходного канала от действия расчетного шторма при заданном заложении ее откосов.
При моделировании работы ловушки расчетные варианты длины мола принимались теми же, что и при моделировании заносимости (рис. 2.7, 2.8), а заложение ее откосов принималось равным 1:3.
