Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

ЧАН ЛОНГ ЗАНГ

УСТОЙЧИВОСТЬ ГЛУБОКОВОДНЫХ

ПОРТОВЫХ ОГРАДИТЕЛЬНЫХ МОЛОВ

НА СТАДИИ СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность 05.23.07 - Гидротехническое строительство.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования 

Московский государственный строительный университет.

Научный руководитель:        Доктор технических наук, профессор

       Кантаржи Игорь Григорьевич

Официальные оппоненты:        Шахин Виктор Миронович

       Доктор технических наук,

       ООО Гидротехника, зам. генерального директора

       Корчагин Евгений Александрович

       Кандидат технических наук, профессор

       Государственная академия водного транспорта, профессор кафедры Водных путей и портов

Ведущая организация:        ООО Морские транспортные проекты

Защита состоится 13 ноября 2012 г. в 14 час Е мин. на заседании диссертационного совета Д. 212. 138. 03 при ФГБОУ ВПО Московский государственный строительный университет по адресу:

129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. №9 Открытая сеть.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО Московский государственный строительный университет.

Автореферат разослан л_______ ____________ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Орехов Генрих Васильевич

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. В последние годы, как в Российской Федерации, так и в Республике Вьетнам достаточно интенсивно проектируются, строятся новые морские порты, а также реконструируются существующие порты и их элементы. В обеих странах морские перевозки являются существенным фактором экономического развития.

В Республике Вьетнам действует государственная программа развития морских портов до 2020г., и на перспективу до 2030г. Эта программа определяет направления развития морского транспорта Вьетнама с совокупной стоимостью инвестиционного плана до 2020 году около 360 - 440 тысяч миллиардов донгов (ориентировочно, 18-22  миллиарда американских долларов). Выполнение плана должно обеспечить транспортировку импортных и экспортных товаров, обмен грузами между регионами страны по морю, конкуренцию с другими странами в регионе и мире в области морского транспорта. Ожидаемый объем грузооборота через всю систему портов в 2015г.  составит около 500 - 600 млн. тонн в год, и должен увеличиться до 2020г. примерно до 900-1100 млн. тонн в год и до 2100 млн. тонн в год после 2020г.

В России и во Вьетнаме, как и в других морских странах, развитие портов связано со строительством портовых гидротехнических сооружений. При этом важной тенденцией последних лет является использование для оградительных портовых сооружений облегченных конструкций, чаще всего свайных. Такие конструкции включают стенки-рефлекторы. При этом за последние годы существенно уменьшилось продолжительность строительства портовых оградительных сооружений и портов в целом. Если в прошлом веке время строительства порта составляло десятки лет, то сейчас оно уменьшилось до нескольких лет. В том числе время строительства даже протяженных оградительных сооружений составляет 1-2 года.

Портовые молы, строятся, как правило, пионерным способом, с берега. Однако встречаются ситуации, когда протяженные молы строятся с моря. При этом возникает задача обоснованного определения волновых нагрузок на части строящегося мола, в том числе достаточно короткого.

Такая ситуация с практикой и потребностями строительства современных портовых сооружений требует развития методов расчета их устойчивости под волновой нагрузкой на стадии строительства, на различных этапах строительства сооружения. Существующие же нормативные методы расчета относятся к полностью построенным сооружениям.

Цель работы - развитие метода расчета волновых нагрузок на портовые оградительные сооружения на стадии строительства для обеспечения устойчивости сооружений, снижения потерь и обеспечения плановых сроков строительства.

В соответствии с поставленной целью и на основе анализа результатов предыдущих исследований в задачи диссертационной работы входило:

1. Исследовать аналитические методы определения волновой нагрузки на вертикальную жесткую стенку конечной длины и сравнить условия их применения.
2. Разработать и сравнить компьютерные программы, позволяющие выполнить расчеты максимальной волновой силы на стенку конечной длины в рамках различных существующих аналитических подходов.
3. Проанализировать возможные подходы к разработке численной модели взаимодействия волн с вертикальными  стенками конечной длины. Проанализировать существующие численные модели и выбрать наиболее подходящие для целей исследования.
4. Провести специальную серию физических экспериментов по воздействию волн на стенки конечной длины, разработать для этого методику проведения экспериментов, измерений необходимых параметров и анализа результатов.
5. Выполнить для условий экспериментов аналитические и численные расчеты взаимодействия волн со стенками. Проанализировать результаты экспериментов, аналитических и численных исследований и сделать выводы по возможности применения различных расчетных подходов для стенок конечной длины.
6. Предложить практические рекомендации по расчету волновых воздействий на портовые оградительные сооружения на стадии строительства в виде стенок конечной длины.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы:

1. Аналитические исследования взаимодействия регулярных волн с вертикальными стенками конечной длины. Для определения волновой нагрузки используются линейная теория волн, а также нелинейная теория волн Стокса в третьем приближении. Применяется метод расчета обтекания знакопеременным волновым потоком преград относительно малых размеров, а также обтекания преград с дифракцией.
2. Численные исследования взаимодействия волн со стенкой на основе программы SAP2000, рефракционно-дифракционной модели и модели Буссинеска.
3. Физическое моделирование стенки конечной длины под волновым воздействием с измерением параметров волн и сил от волн на стенку.

Научная новизна исследований состоит в следующем:

1.   Установлено, что для волн, падающих на вертикальную стенку относительно небольшой длины, наблюдается картина обтекания без образования дифракционной картины волн. Дифракция волн наблюдается при относительно длинной стенке. Критерием изменения физической картины взаимодействия волн со стенкой конечной длины является отношение длины волн λ к длине проекции стенки на направление поперечное лучу волн Lb; при (относительно короткая стенка) волны обтекают стенку без дифракции, при (относительно длинная стенка)  - с дифракцией.
2.   Для относительно коротких стенок расчет волновых сил на стенку может быть выполнен с удовлетворительной точностью по формуле Лаппо-Морисона с использованием для определения волновых скоростей и ускорений нелинейной теории волн Стокса в третьем приближении. Для коэффициента скоростного сопротивления рекомендуется принимать , а для коэффициента инерционного сопротивления , как для призматических обтекаемых преград. Вычисление максимальных сил удобно делать, используя численный расчет распределения сил по волновой фазе.
3. Численные методы моделирования взаимодействия волн со стенкой универсальны, в том смысле, что дают примерно одинаковую погрешность для различных относительных длин стенки. Использование различных существующих моделей и программ подтвердило основные выводы исследования в смысле физической картины воздействия волн со стенкой.

Практическая значимость работы состоит в возможности использования разработанной методики для расчета нагрузок от волн, установленных в качестве расчетных на строительный период, на недостроенные участки оградительного мола различной длины. С учетом фактического волнового режима района строительства можно прогнозировать потенциальные разрушения от штормов на этапе строительства, а также разрабатывать план организации строительства.

Достоверность полученных результатов проведенных исследований подтверждается выполненными гидравлическими экспериментами по взаимодействию волн со стенками конечной длины, анализом их результатов и сопоставлением с результатами численных исследований.

Конкретное личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Выполнен анализ существующих методов расчета взаимодействия волн с обтекаемыми, относительно малыми и относительно большими преградами. Разработаны программы в среде MathCAD для расчета сил на обтекаемую, относительно малую преграду для линейных и нелинейных волн. Предложен метод численного расчета максимальной волновой силы. Разработана программа в среде MathCAD для расчета волновой силы на стенку с учетом дифракционных волн с тыльной стороны стенки. Разработана программа экспериментальных исследований силового воздействия волн на стенку конечной длины, проведены эксперименты, сделан анализ результатов и сопоставление результатов измерений волновой силы с расчетом по разным методам. Выполнены численные опыты с использованием различных существующих численных моделей и выполнен анализ результатов в сопоставлении с данными экспериментов и аналитических исследований.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены: на VII Всероссийской научно-практической конференции Актуальные задачи математического моделирования и информационных технологий, Сочи (2011); на Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов Строительство - формирование среды жизнедеятельности, Москва (2012); на III Всероссийской конференции Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений, Москва (2012), на заседании кафедры Гидротехнические сооружения МГСУ (2012).

По результатам работы опубликованы 8 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

На защиту выносятся: метод определения волновых сил на вертикальную, жесткую стенку конечной длины с использованием формулы Лаппо-Морисона для обтекаемых преград, теории волн Стокса в третьем приближении, скоростного коэффициента , коэффициента инерционного сопротивления , а также численной рефракционно-дифракционной модели взаимодействия волн со стенкой.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 136 наименований, и содержит 165 страниц машинописного текста, 102 рисунка, 14 таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении  обоснована актуальность и практическая значимость проведенных исследований, дана краткая характеристика выполненной работы и полученных результатов.

Глава 1. Конструкции современных портовых оградительных сооружений

Оградительные сооружения портов (внешние) предназначены для защиты акватории порта от волнения, течений, наносов и движущегося льда.

Система морских портов во Вьетнаме в программе развития до 2020 года и до 2030 году разделена на 8 групп, и показана на  рис 1:

Рис.1. Схема системы портов во Вьетнаме

При строительстве оградительных сооружений морских портов во Вьетнаме применяются как набросные, так и свайные конструкции. Так порт Ласн Хуен в Хайфонге  в настоящее время запроектирован. Этот морской порт из группы 1 будет строиться с 2014г. до 2016г., появится возможность обрабатывать суда дедвейтом 100000 DWT, общая длина мола составит 20 км, ширина - 27,4 м, что позволит использовать мол, как транспортную магистраль.

В последнее время произошло несколько аварий на этапе строительства глубоководных участков строящихся оградительных сооружений (Геопорт в г. Новороссийск, порт Мзымта в г. Сочи). Проблема связана с обеспечением устойчивости строящегося сооружения.

На основании выполненного анализа сформулирована цель диссертационной работы - развитие метода расчета волновых нагрузок на портовые оградительные сооружения на стадии строительства для обеспечения устойчивости сооружений, снижения потерь и обеспечения плановых сроков строительства.

Глава 2. Определение волновых нагрузок на оградительные сооружения порта

       Во второй главе рассмотрены методы определения волновых воздействий на гидротехнические сооружения. Волновые воздействия на гидротехнические сооружения определяются через волновое давление под волнами, и зависят от глубины воды в месте установки и конструкции сооружений. Величины волновых давлений определяются решениями уравнений теории волн.

Теория волн Стокса (Stokes) до 5-го порядка - нелинейная волновая теория, в которой высота поверхности отнсчитывается от невозмущенного уровня воды:

       ,        (1)

где коэффициенты ряда .

Расчетное волново е давл енни е:

,        (2)

где н, С3, С4: коэффициенты волнового давленния, которые зависят от величины d/λ.

Уравнения двумерных нелинейно-дисперсионных процессов типа Буссинеска за последнее десятилетие стали основным инструментом моделирования трансформации волн в прибрежной зоне моря. Предположение о соотношении между параметрами нелинейности и дисперсии , где - соответственно характерные глубина воды, амплитуда и длина поверхностной волны, отражено в различных формулировках уравнений типа Буссинеска с различным порядком точности относительно обоих параметров.

       Характеристики расчетных волн зависят от глубины воды, при рассмотрения волнения выделяются четыре основных зоны: глубоководная, мелководная, прибойная и приурезовая. Кратко рассмотрен современный подход к определению расчетных параметров волн для портовых и береговых сооружений.

       Охарактеризованы нормативные методы расчета нагрузок от волн на вертикальные преграды. Волновые силы на оградительное сооружение определяются с учетом характера волн перед стенкой, которые могут быть стоячими (при достаточной глубине воды), разбивающимися или прибойными. В расчетной ситуации учитывается нагрузка от падающих волн на лицевой грани сооружения и нагрузка от дифрагированных волн с тыловой грани стенки. Таким образом, предполагается, что воздействие волн на стенку сопровождается дифракцией на краю сооружения, расположенного, как правило, в створе ворот порта.

Глава 3. Аналитический расчет нагрузок на элементы конструкций оградительных сооружений в режиме обтекания

       Основное уравнение для расчета нагрузок от волн на обтекаемую преграду было получено Д.Д. Лаппо в 1948-1949 гг. и имеет следующий вид:

        ,  (3)

где: Cv - коэффициент скоростного сопротивления, Ci - коэффициент инерционного сопротивления, v - проекции локальных значений скорости при отсутствии преграды, ∂v/∂t - проекции локальных значений ускорения при отсутствии преграды,, kv - коэффициент перехода от действительных величин проекции скорости и ускорения к их средним значениям по координате в пределах области жидкости, интенсивно воздействующей на преграду (корректив скорости), a - размер преграды по лучу волн, b - размер преграды в направлении поперек лучу волн.

Уравнение (3) совпадает с известным уравнением Морисона, которое получается из (3) при kv=1. Поэтому расчетное уравнение принято называть уравнением Морисона-Лаппо.

В существующих нормативных документах рекомендуется для определения нагрузок на обтекаемые преграды использовать нелинейную теорию волн Стокса в третьем приближении. Согласно этой теории ординаты взволнованной поверхности рассчитываются по формуле:

                      (4)

Горизонтальные волновые скорости и ускорения в рамках этой теории равны:

       (5)

       (6)

Результаты расчетов для условий опытов (в пересчете в масштаб натуры) показаны на рисунках 2,3. Суммарная сила показана на рис 2, она отстает несколько от поверхности волн по фазе, т.е. максимальная сила на стенку имеет место несколько позже подхода гребня волн, также как для линейных волн. График силы имеет выраженный несимметричный характер, сила в направлении стенки превосходит обратную силу. Полная сила показана на рис.3. Максимальное ее значение составляет 331 кН.

Рис.2. Суммарная горизонтальная удельная сила на единицу высоты стенки длиной 20 м для различных вертикальных уровней (синие линии)

Рис.3. Полная горизонтальная волновая сила

Численный расчет нагрузки от волн на обтекаемую преграду, как при использовании линейной теории волн малой амплитуды, так и при использовании нелинейной теории в третьем приближении, позволяют прямо определить максимальные нагрузки. При этом отпадает необходимость использования инерционного и скоростного коэффициента сочетания, которые предлагается определять в нормативных методиках. Расчет этих коэффициентов существенно усложняет расчет.

Различие между расчетами нагрузки на стенку, как на обтекаемую преграду, и на стенку по дифракционной теории отличаются существенно для относительно коротких стенок. Это объясняется, в частности, отличиями реальной картины волнового поля перед короткой стенкой от схемы, принимаемой в нормативном расчете. Поэтому вопрос корректного подхода к расчету волновых нагрузок на относительно короткие стенки требует дальнейшего анализа с использованием численного и физического моделирования.

Глава 4. Численные расчеты нагрузок на оградительные сооружения

       В четвертой главе описывается применение трех программ, реализующих численные гидродинамические модели взаимодействия волн с преградой. Это программа SAP2000 (Integrated Software for Structural Analysis & Design - Программное обеспечение для анализа и проектирования конструкций, модель на основе уравнений Буссинеска и рефракционно-дифракционная модель.

Рис.4. Численное моделирование косопадающих волн вокруг относительно короткой стенки и длинной стенки на основе модели Бусинеска.

На рис.4 показаны результаты моделирования взаимодействия косопадающих волн со стенкой разной длины. По-прежнему, дифракция волн формируется при достаточно длинной стенке. При этом картина дифрагирующих волн выглядит достаточно сложно, что видно из рис.4.

Основные расчеты волновых нагрузок выполнялись по рефракционно-дифракционной модели. Схема расчетов показана на рис.5, параметры волнения на подходе к стенке: высота волн 4,20 м, период волн 7,09 с, длина волн 76,0 м, угол подхода α=300.

На рис.6 показаны полученные изолинии свободной поверхности и высот волн в окрестности стенки по результатам численных опытов с различными вариантами длины стенки и при разных фазах подходящего волнения.

Результаты расчетов в сопоставлении с результатами численных опытов показаны на рис.6. Для короткой стенки L=5 м, сила, полученная по численным опытам и аналитическим расчетам, вполне удовлетворительно совпадают. Для стенок большей длины различие увеличивается значительно, причем, чем длиннее стенка, тем больше расхождение.

Рис.5. Схема к численным расчетам волновых нагрузок на стенку

Рис.6. Сравнение сил по численной модели и аналитическим расчетам

Численное моделирование обтекания волнами вертикальной стенки дает возможность определять картину волн в окрестности сооружения и волновую нагрузку на стенку для различной относительной длины стенки, как в режиме обтекания, так и в режиме дифракции. В этом смысле численные методы универсальны.

Исследование численными методами картины волн в окрестности стенки подтверждает основную идею, состоящую в том, что для относительно короткой стенки обтекание волнами происходит в режиме обтекания, а для относительно длинной стенки - с образованием дифракционной системы волн. Соответственно, нагрузка на стенку определяется с учетом дифракционных волн или без учета этой системы волн.

Рис.7. Изолинии свободной поверхности воды в окрестности стенки  длиной L=5 м, L=15 м, L=30 м, L=40 м по данным численного моделирования.

Глава 5. Экспериментальные исследования волновых нагрузок на оградительные сооружения в различных режимах, сопоставление с расчетами

В пятой главе представлены результаты физических экспериментальных исследований. Опыты проводились в волновом лотке Отраслевой научно-исследовательской лаборатории морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений МГСУ. Схема опытов показана на рис.8. Основные размеры волнового лотка: длина 20 м; ширина 1,2 м; высота стенок 1,5 м. Волны генерировались щитовым волнопродуктором, установленным в приямке у одной из торцевых стенок лотка.

В опытах длина стенки принималась 80см, 60см, 40 см, 20см, соответственно в натурных условиях 40, 30, 20 и 10 м (в масштабе 1:50). В опытах измерялась волновая поверхность, а также с помощью весового элемента суммарная сила, действующая от волн на стенку. Это позволяет выполнить сравнение с расчетами волновой силы по дифракционной теории и теории без дифракционного обтекания.

Рис.8. Схема экспериментальной установки

Рис.9. Взаимодействие волн с моделью стенки длиной 20 см

В случае модели стенки шириной 80 см (рис.10), видно, что волна обтекает стену с дифракцией и за стенкой образуется практически поперечная дифрагированная волна. В отличие от опыта со стенкой длиной 20 см (рис.9).

Рис.10. Взаимодействие волн с моделью стенки длиной 80 см

Измеренные значения суммарных волновых сил на единицу длины стенки показаны на рис.11. Наблюдается изменение картины обтекания при отношениях длины препятствия к длине волн около 0,28.

Рис.11. Значение силы на единицу длины стенки в зависимости от отношения длина препятствия/длина волн

На рис.11 по горизонтальной оси отложено отношение длины проекции стенки на направление поперек волнового потока к длине волн. Измеренная длина волн в опытах составляла 1,56 м.

Был проведен расчет нагрузки на стенки для условий опытов с дифракцией. Метод расчета соответствует СНиП, расчетный случай соответствовал подходу к стенке гребня волн, со стороны акватории от дифрагированных волн в момент прохождения волновой ложбины. Измеренные и рассчитанные силы показаны и сравнение дано на рис.12.

Рис.12. Сравнение максимальных измеренных (горизонтальная ось) и рассчитанных (вертикальная ось) полных волновых сил на стенку. Кружки - расчет по теории обтекания без дифракции,  крестики - обтекания с дифракцией.

Рис.13. Сравнение полных волновых сил на стенку, полученных измерениями в опытах и численным моделированием (кружки - по численной модели, треугольники - по результатам измерений)

Для проверки сделанного предположения выполнены расчеты волновой силы для условий экспериментов по соответствующим волновым теориям, а также с помощью численного моделирования. Результаты  измерений, аналитических расчетов и численных опытов удовлетворительно совпадают - рис.13.

При сравнении сил, полученных расчетом по теории обтекания с дифракцией и без дифракции (рис.12), получено, что для стенки длиной 0,2 м в лаборатории (10 м в натурных условиях), полная максимальная сила равна 0,253 Н при расчете без дифракции и 0,339 Н при расчете с дифракцией. При этом соответствующая сила по результатам измерений равна 0,198 Н. Отличие расчета обтекания с дифракцией от результата измерений составляет 71%, а обтекания без дифракции - 28%.

Следовательно, для относительно коротких стенок расчет волновой силы на обтекаемую преграду дает более точные результаты. Однако, при этом суммарная сила получается меньше, чем при расчете с дифракцией для одного и того же волнения перед стенкой. Это означает, что опасность чрезмерной волновой нагрузки на короткие стенки на этапе строительства отсутствует. А наблюденные на реальных объектах продольные наклоны стенок после прохождения шторма были вызваны другими эффектами, возможно динамическими.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

По результатам диссертационного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Для расчетного определения волновых нагрузок на обтекаемые преграды используются две волновых теории: теория обтекания волнами сооружений относительно малых поперечных размеров и теория дифракции волн на сооружения. В обоих случаях применяется нелинейная теория волн Стокса с сохранением членов до третьего порядка. Для определения волновых сил в теории обтекания используется уравнение Лаппо-Морисона, коэффициенты скоростной и инерционной компонент нагрузки определяются на основе экспериментов. Целесообразно такой подход распространить на стенки конечной длины.
2. Использование компьютерных программ для расчета обтекания волнами преграды позволяет определить максимальные волновые силы на стенку конечной длины в рамках существующего аналитического подхода без усложняющего введения дополнительных коэффициентов сочетания, как это делается в нормативной расчетной методике.
3. Для численного моделирования взаимодействия волн с вертикальными  с