В настоящей работе показано, что тягуноопасные колебания волн в портовых акваториях можно значительно снизить. Это можно сделать как на стадии проектирования портов, так и в процессе эксплуатации. Практическое применение результатов работы в процессе проектирования оградительных сооружений портовых акваторий позволит не только предупредить возникновение тягуна во вновь строящихся портах и тем самым избежать аварий, но и более точно предсказать возникновение и интенсивность тягуна в существующих акваториях.

Таким образом, данные настоящего исследования позволят повысить эксплуатационную надежность оградительных сооружений морских портов и обеспечить необходимые навигационные условия в акваториях.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на заседаниях секции «Лито-гидродинамики, системы берегозащиты» Ученого совета ОАО ЦНИИС; научно-практических конференциях «Проблемы устойчивого развития регионов рекреационной специализации» (СНИЦ РАН, 2002 г., 2003 г., 2004 г.); II международной научно-практической конференции «Строительство в прибрежных курортных регионах» (г. Сочи, 2003 г.); Научно – техническом совещании «Проблемы инженерной защиты берегов Черного и Азовского морей и пути их решения» (г. Ялта, 2003 г.); XXI Международной береговой конференции «Прибрежная зона моря: морфолитодинамика и геоэкология» (Калининград-Светлогорск, 7-10 сентября 2004 г.); VI конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (Институт водных проблем РАН, г. Москва 2004 г.); и др.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, анализа современного состояния вопроса с изучением основных достижений и тенденций (глава 1), описания исследований реакции портовых акваторий при воздействии инфрагравитационных волн методом математического моделирования (глава 2), описания экспериментальных исследований поверхностных волн в портовых акваториях различной конфигурации (глава 3), разработки способов защиты портовых акваторий от тягуна (глава 4), моделирования тягуноопасных колебаний в порту Туапсе (глава 5), заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 128 страницах, включая 47 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 125 наименований.

Благодарности

Автор благодарит научного руководителя д-ра техн. наук В.М. Шахина за внимание к диссертационной работе и организационное содействие, Е.И. Павлова ведущего инженера лаборатории вибродинамических испытаний (ЦНИИС) за отладку измерительной системы на физической модели, а также Т.В. Шахину н.с. Научно-исследовательского центра РАН (г. Сочи) за помощь в проведении численных экспериментов.

основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, ставятся цели и задачи диссертации, рассматриваются основные проблемы исследования. Здесь же представлены основные результаты и сведения об их апробации.

В первой главе дан обзор современного состояния вопроса. Проанализированы причины возникновения тягуна в портовых акваториях. Отмечается, что тягун представляет собой двойной резонанс: во-первых, акватории порта с внешними инфрагравитационными волнами; во-вторых, этих волн и пришвартованных судов.

В разделе 1.1 приводится описание натурных наблюдений за тягуноопасными колебаниями в порту Туапсе, проведенных в 1957 / 1962 гг. экспедицией Морского гидрофизического института АН СССР. На территории нашей страны этот порт подвергается самому сильному тягуну, поэтому по нему собран наибольший материал натурных наблюдений.

В разделе 1.2 описываются методы гидрометеорологических прогнозов тягуноопасных колебаний. Такие прогнозы строятся в зависимости от характеристик штормовой зоны в океане, в которой образуются инфрагравитационные волны, вызывающие тягун. Рассмотрен метод прогноза тягуна на примере порта Туапсе. Показано, что основным недостатком таких прогнозов является то, что их заблаговременность определяется, в основном, характером прогнозируемого явления. Морское волнение является довольно быстрой реакцией на атмосферное воздействие и прогнозируется в краткосрочном аспекте. Степень надежности гидрометеорологических прогнозов недостаточно высока. Отмечается, что сравнение высот колебаний в портах Туапсе и Сочи, находящихся в одних и тех же гидрометеорологических условиях, показывает, что в Туапсе они больше, что объясняется разницей в конфигурации порта.

В разделе 1.3 проведен обзор предыдущих исследований. Проблема резонансных колебаний в акваториях является актуальной для многих портов мира, поэтому исследования этого явления, как экспериментальные, так и теоретические, проводились учеными разных стран. Например, исследования реакции портовых акваторий при воздействии длиннопериодных волн аналитически выполнены в работах Иппена и Года, Майлза и Манка, Накамуры и др. Изучались характеристики реакции круглой гавани постоянной глубины, возбуждаемой волнами, проходящими через небольшое отверстие; исследовался двумерный случай резонансных колебаний с разными условиями на входе. Приводятся основные формулы расчета тягуноопасных колебаний в акваториях Дефанта и Мериана, а также сравнение результатов, полученных по этим формулам с данными натурных наблюдений. Получено, что аналитические решения возможны лишь в случаях относительно простых конфигураций акваторий (когда акваторию можно схематизировать в виде прямоугольника или окружности).

В разделе 1.4 описана действующая методика расчета, с использованием которой разрабатываются «Атласы волновых условий и тягуноопасных колебаний на акватории портов». Такие атласы разрабатываются в отделе береговых исследований «Союзморниипроекта» для каждого конкретного порта в зависимости от его индивидуальных особенностей. Расчет выполняется на основе теории длинных волн и полуэмпирических формул, разработанных под руководством Крылова Ю.М.

В разделе 1.5 производится выбор оптимальной математической модели для расчета тягуноопасных колебаний в акваториях. Проведенный анализ показал, что на сегодняшний день не существует единой методики расчета, которая позволила бы в полной мере учитывать все факторы, влияющие на возникновение тягуна в портовых акваториях. Это обусловлено, в первую очередь, несовершенством математических моделей расчета трансформации волн. Для разработки новой методики расчета тягуноопасных колебаний в портах был произведен анализ наиболее часто используемых методов расчета трансформации волн в огражденной акватории: нормативного метода, методов, базирующихся на уравнениях Гельмгольца и Биркгофа, а также нового метода расчета дифракции и рефракции (Шахин В.М., Шахина Т.В., 2001). На основании работ Крылова Ю.М., Загрядской Н.Н., Лаппо А.Д, Завьялова В.К. и др. определены достоинства и недостатки каждого из вышеупомянутых методов.

В разделе 1.6 на основании анализа современного состояния вопроса делаются следующие выводы:

1. Единого рецепта для борьбы с тягунопасными колебаниями в портах нет - необходимо в каждом отдельном случае исследовать статистические и спектральные характеристики морского волнения на подходах к порту и индивидуальные особенности данной портовой системы.

2. Влияние компоновки и типа оградительных сооружений на резонанс инфрагравитационных волн в портовых акваториях почти не изучалось. Некоторые исследователи только отмечали, что такое влияние существует.

3. На сегодняшний день не существует единой методики расчета, которая позволила бы в полной мере учитывать это влияние. Лишь немногие методики расчета позволяют учитывать конфигурацию портовой акватории. Действующая методика расчета тягуноопасных колебаний в порту имеет некоторые недостатки. Например, параметры волн, полученные на глубокой воде, затем трансформируют с учетом изменяющихся глубин только до ворот порта, а параметры волн, включая их средний период и длину, принимаются на акватории такими же, как и на входе.

4. При решении задач о резонансе инфрагравитационных волн в огражденных акваториях перспективным представляется использование нового метода расчета дифракции и рефракции волн (метода интегрирования по глубине). Этот метод обладает определенными преимуществами по сравнению с известными.

Вторая глава содержит описание исследования реакции портовых акваторий при воздействии инфрагравитационных волн методом математического моделирования.

В разделе 2.1 изложена методика моделирования.

Уравнения для описания волнового движения невязкой несжимаемой жидкости с малой амплитудой (уравнения количества движения и уравнение неразрывности) могут быть записаны в виде:

- отклонение свободной поверхности от невозмущенного уровня; ( - длина

Система уравнений (2.1) / (2.3) описывает и рефракцию, и дифракцию поверхностных волн при произвольном плавном рельефе дна. Для решения этой системы необходимо задать начальные и граничные условия. Если расчетная область имеет вид прямоугольника с непроницаемыми боковыми стенками и береговой границей, то эти условия можно задать в виде:

при t = 0: U = V = 0, ( = 0,

при y = 0: U = 0, ( = a sin kt,

Здесь x = 0 и x = M - соответственно левая и правая границы расчетной области; y = 0 – входной створ; y = N – береговая граница; а – амплитуда волн.

, где ( (x,y) – линеаризованный (размерный) коэффициент сопротивления.

Задача о «реакции» водной массы в портовой акватории на воздействие инфрагравитационных волн решена в приведенной постановке. Расчеты выполнены численно методом конечных разностей по двухслойной схеме с пересчетом.

В разделе 2.2 описаны результаты моделирования

Исследования проводились для прямоугольных гаваней произвольной конфигурации с разными условиями на входе (полностью или частично открытом).

2.2.1 Вход в гавань полностью открыт

= 0,0127 1/м.

Рис. 2.1 – План расчетной области

В случае отсутствия портовой акватории (при l=0) волнограф 1 запишет колебания свободной поверхности у вертикальной стенки с амплитудой а1, равной двойной амплитуде 2а0 исходных волн. Расчетная хронограмма колебаний свободной поверхности приведена на рисунке 2.2.

Рис. 2.2 - Хронограмма колебаний свободной поверхности в точке 1