Экспериментальные исследования сквозного волнозащитного сооружения с камерой гашения

Гарибин П.А., Субботин М.В. Статья «Экспериментальные исследования сквозного волнозащитного сооружения с камерой гашения». Опубликовано в Вестнике ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова, выпуск 2, 2015 г.

По результатам физического моделирования подтверждена работоспособность и определены оптимальные параметры конст­рукции сквозного оградительного сооружения с камерой гашения: проницаемость, ширина и отметка верха сооружения. Выполнено моделирование по критериям гравитационного подобия Фруда.

Лабораторные исследования проводились в гидроволновом лотке экспериментальной базы НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ на специально разработанной модели сооружения. В результате опытов подобрана конструкция сооружения с отсутствием перелива через верх сооружения и ударного воздействия волн. В выбранном варианте конструкции волновое воздействие наиболее «сглажено» по сравнению с воздействием на другие модификации конструкции. Опытным путем определено, что наличие заполнения камнем и фигурными блоками в камере гашения сквозного оградительного сооружения не оказывает заметного влияния на волногасящие свойства сооружения.

Введение

Целью данного исследования является определение рациональной конструкции оградительного сооружения сквозного типа с камерой гашения. Ввиду сложности протекающих процессов взаимодействия волн с сооружением, получение достоверных теоретических результатов связано со значительными трудностями, поэтому для определения физики явлений был выбран экспериментальный путь исследований. Экспериментальному исследованию конструкций сквозных волнозащитных сооружений посвящено много трудов как отечественных специалистов: [1] - [3], и др., так и зарубежных [14]. Для некоторых видов конструкций проницаемых сооружений составлены нормативные документы с рекомендациями по расчету и конструированию [15]. В данной работе проведены исследования для нового типа оградительного сооружения, разработанного и предложенного специалистами ООО «Морстройтехнология» [4], применяемого при определенных условиях проектирования [5], [6].

Основная часть

Для лабораторного изучения условий обеспечения устойчивости оградительного сооружения и определения эффективности гашения энергии волн необходимо соблюдение законов механического подобия: геометрического, кинематического и динамического, а также соблюдение одинаковых граничных и начальных условий.

Так как лабораторные исследования проводились с одинаковой, как и на натуре, жидкостью и на мало отличающихся высотных отметках, то полагалось правомерным выполнение известных условий [7]:

где ⍴ – плотность жидкости, кг м³; g – ускорение силы тяжести, м с^-2; 
V– орбитальная скорость на поверхности волны, м с^-1.

Исследуемое оградительное сооружение принималось абсолютно жестким. В данном случае имеет место частичное или неполное подобие явлений. Выбор определяющего критерия был произведен исходя из физики процесса. Основная часть возмущающих и восстанавливающих сил, действующих на рассматриваемую систему, является объемной, изменяющейся пропорционально кубу линейного масштабного коэффициента. Сле­довательно, должно быть соблюдено условие

где Fr – число Фруда; l – характерный линейный размер, м.

Как известно, играющие большую роль инерционные силы совместимы с любыми критериями подобия. При волновом воздействии на сооружение возникают обусловленные вязкостью жидкости силы: сопротивление, трение, формы и волновое. Из теоретических проработок [8] и [9] известно, что силы трения от сопротивления движению жидкости, зависящие от числа Рейнольдса (Re), незначительны.

При истечении жидкости через отверстия или щели в проницаемых стенках автомодельность, согласно работе [2], по числу Рейнольдса будет выполняться, если процесс проистекает в квадратичной области сопротивления, т. е.

где V_m– характерная скорость на модели, мс^-1; l_m – характерный линейный размер, м; ѵ –  кинематическая вязкость жидкости, м² с^-1.

Моделирование взаимодействия волн с проницаемой наброской будет независимым от числа Рейнольдса, если выполняется условие

где D_m – крупность элементов наброски.

Для данного процесса силы трения R_тр , зависящие от Re, не оказывают существенного влияния на характер исследуемого явления.

Критерий подобия сил, обусловленных поверхностным натяжением, известный как критерий Вебера (We), может быть получен из следующего выражения:

где  – приращение давления, Па; σ – поверхностное натяжение, Па.

Учитывая рекомендации [2], в экспериментальных исследованиях силами поверхностного натяжения, по сравнению с объемными, можно пренебречь (в этом случае критерий Вебера будет совместим с критерием Фруда) при выполнении следующих условий: высота волн на модели долж­на быть более 2 - 2,5 см, а их длина более 20 - 25 см. Для выполнения данных условий при заданных исходных данных в дальнейшем был подобран масштаб экспериментальных исследований.

На основании ранее изложенного и учитывая методику, предложенную [3], за определяющий критерий при моделировании был принят критерий Фруда: Fr = idem.

Для пересчета лабораторных данных в натурные использовались следующие масштабные коэффициенты:

Экспериментальные исследования по определению воздействий волн на модель мола сквозной конструкции выполнялись в гидроволновом лотке (рис. 1), оснащенном волнопродуктором типа балки «ныряло» [10].

Для проведения эксперимента были приняты следующие исходные данные:

Исходя из условий моделирования, размеров волнового лотка и технических характеристик волнопродуктора максимально возможный масштаб моделирования принят равным 1:38 по отношению к натуре.

Рис. 1 – Гидроволновой лоток

Параметры волн на модели фиксировались емкостными волноме­рами. Коэффициент отражения k_ref в зависимости от экспериментальных данных определялся по формулам:

где h_пуч – высота в пучности интерферированной волны; h_уз – высота в узле интерферированной волны; h_ref– высота отраженной волны.Согласно полученным экспериментальным путем значениям высоты h_ref, расчетным способом вычислялись значения волнового давления от воздействия интерферированных волн, а также определялась устойчивость каменных постелей и защитных креплений дна.

Для определения волновых давлений в шпунтовых стенках моделей и в ростверке были установлены датчики давления. Наличие перелива и всплесков волн, устойчивость камня защитного крепления дна определя­лись визуально с обязательным фиксированием видео и фотосъемкой. При испытаниях моделей каждый опыт повторялся не менее трех раз.

На подготовительном этапе исследований подбирались исходные параметры волн в экспериментальной установке путем изменения периода и амплитуды балки волнопродуктора, а также калибровки модельных параметров (табл. 1). 

Табл. 1 – Принятые исходные параметры волн при моделировании конструкций

Оградительное сооружение включает ряд свай 1 со стороны фронта волны. Со стороны защищаемого объекта – акватории 2 морского порта, расположен ряд свай 3, которые объединены в глухую стену. Между ря­дами свай 1 и 3 установлен промежуточный ряд свай 4. Все сваи сооружения объединены в верхней части ростверком 5. Сваи заглублены в основание – дно акватории 6. Сваи 3 соединены между собой посредством шпунтовых замков 7. Все сваи имеют одинаковую высоту и представляют собой металлические трубы. Схема конструкции мола приведена на рис. 2 [5].

Для выполнения исследований предложена конструкция мола с тре­мя рядами свай, ростверком без парапета и тыловой шпунтовой стенкой. Дополнительно к этой модели предложены семь её модификаций, отличающихся наличием в первой секции моделей наброски из камня, тетраподов и гексабитов либо изменениями сквозности между сваями первого и второго ряда за счет увеличения диаметра свай или их шага во втором ряду. Схема предложенной к моделированию конструкции мола приведена на рис. 2.

Рис. 2 – Принципиальная схема нового типа ОС: а – вид сбоку; б – план. Условные обозначения: Н – превышение ростверка относительно максимального уровня воды на акватории; d1, d2 – наружный диаметр первого и второго ряда свай соответственно; Sпр1 , Sпр2 – продольная проницаемость (отношение площади отверстий к общей площади фрон-тальной поверхности) первого и второго ряда свай соответственно

Состав всех опытов, которые были проведены при моделировании, указан в сводной табл. 2.

Табл. 2 – Сводная таблица состава выполненных опытов

В табл. 3 приведены результаты моделирования предложенных мо­дификаций конструкции оградительных сооружений.

Табл. 3 – Сводная таблица результатов выполненных опытов

При теоретической постановке экспериментов была решена важная задача критериальной оценки и допущений для физического моделировании, а также разработана специальная методика эксперимента, обеспечивающая релевантность данных. По результатам исследований был получен патент на полезную модель [4].

Следует отметить, что на сегодняшний день нет нормативной базы для расчета предложенной конструкции оградительного сооружения. Для успешной реализации конструкции (проектирования) проведены экспери­ментальные исследования оградительного сооружения при условии вол­нового воздействия на него. Особенность эксперимента состояла в том, что были проведены работы по теоретической подготовке по вопросам мето­дов и параметров моделирования. На основании теоретических предпосы­лок, допущений, а также методики эксперимента и его результатов воз­можно проектирование и дальнейшее строительство оградительных сооружений.

Выводы

1. Выбор типа внешних оградительных сооружений должен выпол­няться на основе экспериментальных исследований при проведе­нии физического моделирования.

2. Как показали результаты экспериментов, во всех восьми вариантах конструкции мола переливов волн через верх ростверка не на­блюдалось. Однако ударные воздействия волн у многих из них имели место.

3. Наличие заполнения камнем и фигурных блоков в камере гашения сквозного оградительного сооружения не оказывает заметного влияния на волногасящие свойства сооружения.

4. Работоспособность конструкции подтверждена физическим моде­лированием в лотке НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ в 2009 г. [10].

Литература

1. Михалев М. А. Физическое моделирование гидравлических явлений / М. А. Михалев. – СПб.: Издательство Политехнического ун-та, 2010. – 443 с.

2. Кожевниковы. П. Гидравлика ветровых волн / М. П. Кожевников. – М.: Энергия, 1972. - 264 с.

3. Чугаев Р. Р. Гидравлика / Р. Р. Чугаев. – Л.: Энергия, 1982. – 672 с.

4. Пат. 103367 РФ, МПК Е02В 3/06 (2006.01). Волнозащитное сооружение / М. Ю. Николаевский, Р. Ю. Горгуца, М. В. Субботин. – № 2010146509/21; заявлено 15.11.2010; опубл. 10.04.2011 // Бюл. № 10. - 3 с.

5. Гарибин П. А. Сквозное волнозащитное сооружение с камерой гашения / П. А. Гарибин, М. В. Субботин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. – 2014. – № 2(24). – С. 74-82.

6. Николаевский М. Ю. Сквозное непроницаемое волнозащитное сооружение с камерой гашения в порту Сочи / М. Ю. Николаевский, Р. Ю. Горгуца, М. В. Субботин // Гидротехника XXI век. – 2013. – № 2 (14). – С. 34-39 .

7. Гарибин П. А. Воднотранспортное использование малых водотоков: дис. ... д-ра техн. наук: 05.23.07. – СПб., 2003. – 302 с.

8. Патрашев А. Н. Прикладная гидромеханика. / А.Н. Патрашев. - М., 1970.

9. Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике / Л.И. Седов. – М., 1977. – 440 с.

10. НИЦ 26 ЦНИИ МО РФ. Физическое моделирование воздействия ветровых волн на мол, проектируемый в порту Сочи: отчет о НИР. – СПб., 2009. – 139 с.

11. Математическое и гидравлическое моделирование для разработки проекта первого грузового района в районе устья р. Мзымта, г. Сочи, Краснодарского края: отчет о НИР / ОАО ЦНИИС, филиал ОАО ЦНИИС «НИЦ Морские берега». – Сочи, 2008.

12. Математическое моделирование волнового режима и динамики берега в районе проектируемого порта в Имеретинской низменности Адлерского р-на г. Сочи с разработкой рекомендаций по конструкции и конфигурации оградительных сооружений и берегозащите прилегающих участков побережья: отчет о НИР / ООО «Морстройтехнология. – СПб., 2008. 

13. Гидрометеорологические условия Азовского и Черного побережий Краснодарского края, ГОИН: отчет о НИР. – М., 1996.

14. М. Sc. НапуGomaa Ibrahim Ahmed Wave Interaction with Vertical Slotted Walls as a Permeable Break¬water / Dissertation. – Wuppertal, 2011.

15. ВСП 33-03-07 Инструкция по проектированию откосных и сквозных оградительных сооружений и специальных подводных стендов. – М.: МО РФ, 2008.