Delist.ru

Защита подходных каналов морских портов от заносимости (13.11.2007)

Автор: Губина Надежда Андреевна

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 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

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 1.3 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 устья 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.

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.

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

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.

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.

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:

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

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

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

разработка модели, удобной для использования в инженерных расчетах.

В качестве расчетного примера был выбран порт Темрюк, 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.

Модель заносимости подходного канала

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

Профиль вдольберегового течения вычислялся по известной методике Лонге-Хиггинса, проанализированной во многих исследованиях и соответствующей условиям и приближениям моделирования. Удельный расход вдольберегового потока наносов q(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.

Рис. 1. Схема моделирования заносимости подходного канала

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 qх :

q = q(х)вх + qх . (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

загрузка...