СПОСОБ ЗАЩИТЫ БЕРЕГОВЫХ И МОРСКИХ СООРУЖЕНИЙ ОТ РАЗРУШАЮЩЕГО ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR PROTECTION OF COASTAL AND MARINE STRUCTURES AGAINST DAMAGING WAVE ACTION AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к способам и устройствам для производства гидротехнических работ по защите береговой черты и портовых сооружений от волн, а более конкретно - к вопросам защиты береговых и морских сооружений от разрушающего волнового воздействия.
Известен способ снижения энергии волн в прибрежной зоне с целью уменьшения разрушающего волнового воздействия на береговую черту, включающий силовое воздействие на водную среду элементами, которые выполнены в виде емкости с отверстиями в верхней и обращенной к морю частях (см. патент GB №1378815, Е02В 3/06, от 27.12.1974). Основным его недостатком является неэффективное снижение энергии волн при их максимальном значении.
Известны также способ и устройство подавления волн в прибрежной зоне, согласно которому осуществляют снижение интенсивности волн путем силового воздействия на водную среду элементами, закрепленными на донном грунте зоны, которые выполняют в виде гибких оболочек, располагают их ниже впадин статистических волн и заполняют их деформируемым веществом, например газом, и с объемом, который позволяет каждому из элементов деформироваться во все время нахождения гребня волны над ним. Элементы расставляют хаотично и соединяют между собой магистралями с газом (патент РФ №2147060, Е02В 3/06, от 27.03.2000) - прототип.
Однако указанный способ не обладает достаточной надежностью и эффективностью снижения интенсивности волн, поскольку устройство для осуществления способа подавления волн применимо только для мелководья и имеет большую инерционность деформирования его элементов при прохождении над ними волн, в особенности волн со значительными скоростями, и надежность «проваливания» волны за счет вытеснения водной средой волны из емкостей газа и уменьшения ее высоты будет низкой, а следовательно, будет низкой и эффективность снижения энергии волны.
Кроме того, этот способ требует создания соразмерных волнению устройств, приводящих к значительным материальным затратам.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности снижения энергии волн независимо от глубины акватории, а также экономической эффективности снижения от разрушающего волнового воздействия береговых и морских сооружений.
Для этого в способе защиты береговых и морских сооружений от разрушающего волнового воздействия набегающих волн до подхода набегающих волн к сооружению осуществляют меры по снижению их интенсивности, которые основаны на использовании газообразного деформируемого вещества, например воздуха, для чего перед сооружением в водной среде образуют водовоздушную пузырьковую завесу со степенью объемного дисперсного воздухосодержания завесы не менее 20%, которую создают под волнами в зоне протяженностью по ходу волн, равной не менее 0,3 длины волны, на отстоянии от сооружения, равном по меньшей мере одной длине волны.
Кроме того, водовоздушную завесу создают на глубине не менее 0,6 амплитуды набегающей волны, считая от поверхности спокойной воды.
При этом создают путем подачи в водную среду воздуха с образованием пузырьков.
В устройстве для защиты береговых и морских сооружений от волнового разрушения, включающем средство снижения интенсивности набегающих на сооружение волн, основанное на использовании газообразного вещества, например воздуха, указанное средство выполнено в виде аэратора водной среды пузырьковыми воздушными включениями, состоящего из системы расположенных в ряд перфорированных трубок и сообщенного с ними трубопроводом источника повышенного давления воздуха, причем ширина зоны размещенных в ряд по направлению набегающих волн перфорированных трубок составляет не менее 0,3 длины волны. При этом система перфорированных трубок расположена перед сооружением вынесенной от него навстречу волнам на расстояние не менее одной длины волны и погруженной под воду на глубину от поверхности спокойной воды, равную не менее 0,6 амплитуды набегающей волны, и установлена с возможностью изменения ее отстояния от сооружения, протяженности расположения системы трубок по ширине и величины заглубления трубок под воду.
Кроме того, перфорированные трубки сообщены трубопроводами между собой.
При этом устройство снабжено регулятором расхода подачи воздуха в систему перфорированных трубок.
Наряду с этим система перфорированных трубок установлена с возможностью изменения ширины зоны их размещения в зависимости от длины набегающих волн.
Кроме того, источник воздуха повышенного давления расположен на берегу или на сооружении.
Образование в водной среде под волнами водовоздушной пузырьковой завесы способствует снижению интенсивности проходящих участок такой завесы волн, поскольку при этом энергия волн расходуется на захлопывание воздушных пузырьков. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению высоты и энергии волн, доходящих до сооружения, и к снижению интенсивности их силового воздействия на сооружение.
Эффективность снижения высоты и энергии волн обеспечивается при интенсивности пузырькового воздухосодержания водовоздушной завесы не менее 20% и протяженности зоны, в которой создают эту завесу, равной не менее 0,3 длины проходящих через эту зону волн.
В устройстве для защиты сооружений от волнового разрушения выполнение средства снижения интенсивности набегающих на сооружение волн в виде аэратора водной среды пузырьковыми воздушными включениями, состоящего из расположенных в ряд по ходу волн перфорированных трубок и источника повышенного давления воздуха, сообщенного с ними, характеризующегося простотой конструкции, обеспечивает повышение надежности и эффективности снижения энергии волн и уменьшает материальные затраты на создание такого средства, повышая экономическую эффективность при защите сооружений от волнового разрушения.
Эффективность снижения интенсивности волн обеспечивается при отстоянии системы перфорированных воздушных трубок от сооружения по ходу волн на расстояние не менее одной длины волны.
Погружение системы перфорированных воздушных трубок под воду на глубину не менее 0,6 амплитуды волн, считая от поверхности спокойной воды, необходимо для исключения возможности оголения трубок от воды, которое может привести к снижению эффективности аэрации.
Предусмотренная в устройстве возможность регулирования отстояния от сооружения и величины заглубления системы перфорированных трубок под воду позволяет осуществлять снижение интенсивности набегающих на сооружение волн различной длины и высоты.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен вариант устройства для осуществления предлагаемого способа, а на фиг.2, 3 - результаты модельного эксперимента, подтверждающие снижение высоты волн после прохождения ими зоны насыщения воздушными пузырьками.
Устройство включает средство снижения интенсивности набегающих на сооружение волн, которое выполнено в виде аэратора водной среды пузырьковыми воздушными включениями, состоящего из системы перфорированных трубок 1, расположенных в ряд по ходу набегающих волн, и соединенного с ними магистралью 2 источника повышенного давления 3, который сообщен с указанными трубками 1 через регулятор расхода подачи воздуха 4 в систему. Перфорированные трубки 1 сообщены также между собой в единую систему трубопроводами 5 и установлены в ряд протяженностью по ширине, равной не менее 0,3 длины волны, с возможностью регулировки этой ширины в зависимости от длины набегающих на сооружение волн. Система трубок 1 размещена вынесенной от берегового или морского сооружения навстречу набегающим волнам на отстояние не менее одной длины волны и установлена с возможностью изменения их выноса от сооружения и заглубления под поверхность воды на глубину от поверхности спокойной воды не менее 0,6 амплитуды волны, считая от поверхности спокойной воды, в зависимости от параметров волн. Указанная система трубок 1 расположена на подставке 6 и установлена закрепленной на дно водоема 7 или же на береговом или морском сооружении (на чертеже не показано).
Предлагаемый способ защиты береговых или морских сооружений от волнового разрушения осуществляется с помощью предложенного устройства следующим образом.
В зависимости от длины и амплитуды набегающих на сооружение волн систему перфорированных трубок 1 выносят перед сооружением в направлении волн на расстояние не менее одной длины волны и располагают на глубине не менее 0,6 амплитуды волны, считая от поверхности свободной воды. При этом устанавливают также протяженность зоны расположения системы трубок по ходу волн, равную не менее 0,3 длины набегающей волны. По магистрали 2 подают в систему перфорированных трубок 1 воздух из источника повышенного давления 3; при этом в зависимости от скорости набегающих волн устанавливают расход подачи воздуха с помощью регулятора 4 для достижения степени насыщения воздушными пузырьками водной среды в волнах в процессе их прохождения над системой трубок значения не менее 20%.
В волнах, в районе расположения перфорированных трубок, образуется водовоздушная пузырьковая завеса, в которой затем происходит захлопывание воздушных пузырьков, на осуществление чего расходуется энергия волн. Действие гашения пузырьковой завесой энергии волн основано на расходовании энергии волн, идущей на захлопывание воздушных пузырьков, и на заполнении водной средой объема, занятого воздушными пузырьками. Вследствие этого высота волн уменьшается, происходит диссипация их энергии и вместе с этим снижается интенсивность волн, доходящих до сооружения. И в результате этого береговое или морское сооружение испытывает силовое и, соответственно, разрушающее воздействие со стороны волн с меньшей интенсивностью.
в
в
возд.
Как показывают модельные эксперименты (см. фиг.2), где приведен пример реализации волнения до (участок 1) и после прохождения волнами с длиной волны λв 2,5 м зоны расположения системы воздушных перфорированных трубок протяженностью в 0,5 м (участок 2), благодаря образованию пузырьковой водовоздушной завесы с протяженностью зоны создания по ходу волн, равной 0,2 длины волны λ и с объемным воздухосодержанием α=V/V не менее 0,2, высота волн h после прохождения зоны перфорированных воздушных трубок уменьшается примерно на 1/5.
На фиг.3 приведены результаты эксперимента по снижению высоты волн предлагаемым способом, полученные при ширине зоны расположенных в ряд воздушных перфорированных трубок, равной 0,5 м, для различных длин волн (от 1 м до 3,5 м) при трех значениях объемного насыщения водной среды воздушными пузырьками: 20%, 30% и 40%.
аэр
Из экспериментальных данных следует, что для волн длиной в 1 м при степени насыщения водной среды пузырьками воздуха с объемным содержанием 20% высота аэрированных волн h уменьшается на 0,31 (кривая 1), а с увеличением интенсивности пузырьковой аэрации до 30% и 40% их высота уменьшается соответственно на 0,29 (кривая 2) и 0,27 (кривая 3). Следовательно, от повышения степени пузырьковой аэрации водной среды α свыше 0,2 незначительно зависит падение высоты аэрированных волн и, соответственно, их энергии. Поэтому при воздухосодержании в пузырьковой завесе с α~20% можно получить снижение высоты, а следовательно, и энергии волн не менее чем на 1/3.
тр
Из тех же кривых эксперимента на фиг.3 видно, что для различных длин набегающих волн степень снижения их высоты после зоны аэрации зависит от продолжительности этой зоны b, то есть от ширины расположения системы перфорированных трубок по ходу волн.
тр
в
в
в
аэр
в
Так, при относительной ширине расположения трубок b/λ=0,5, где λ - длина волны, при λ=1 м относительная высота аэрированных волн h/h составляет 0,69÷0,73 при интенсивности аэрации от 20 до 40%, а при длине волны λ=1,5 м, когда
тр
в
аэр
в
b/λ=0,33, указанное уменьшение высоты волн составляет уже 0,84÷0,88, то есть эффект снижения высоты волн становится меньшим. При длине же волн в 2,0 м степень падения высоты аэрированных волн становится еще меньше: h/h=0,86÷0,9. Поэтому для достижения заметного эффекта снижения высоты и энергии волн продолжительность зоны, в пределах которой создают пузырьковую завесу в водной среде, должна быть равной не менее 0,3 длины волны λ.
Таким образом, заметного снижения интенсивности волн можно достичь путем создания по пути следования волн зоны, в которой создают в водной среде пузырьковую завесу интенсивностью α не менее 20% и протяженностью по ходу волн
тр
в
в
b не менее 0,3λ. При этом ее отстояние от сооружения навстречу волнам должно быть не менее одной длины волны λ, поскольку при указанном отстоянии от сооружения высота и энергия аэрированных волн успевает снизиться. В результате этого снижается интенсивность набегающих на сооружение волн, вследствие чего обеспечивается защита береговых и морских сооружений от разрушающего воздействия волн.