Волновые нагрузки и устойчивость экранирующей стенки портового мола в период строительства

ВОЛНОВЫЕ НАГРУЗКИ И УСТОЙЧИВОСТЬ ЭКРАНИРУЮЩЕЙ СТЕНКИ ПОРТОВОГО МОЛА В ПЕРИОД

СТРОИТЕЛЬСТВА

WAVE LOAD AND STABILITY OF THE PORT MOLE WALL IN THE PERIOD OF CONSTRUCTION

Л.З. Чан, И.Г. Кантаржи L.Z. Chan, I.G. Kantarji

ГОУ ВПО МГСУ

Во время первого этапа строительства глубоководного мола морского порта имели место аварийные ситуации, связанные с методикой расчета волновой нагрузки. В данной статье, волновые нагрузки на отражающие стены морской портового мола на различных этапах строительства изучались численными и экспериментальными методами. Авторами были рассмотрены различные подходы к решению задачи, анализ показывает, что предлагаемая математическая модель может использоваться на практике для определения максимальной суммарной силы волн, действующей на морской портовый мол.

Some of failure have been occurred during stage of construction of the sea port due to applied method of calculation of the wave loads in the period o construction., Therefore, in this article, the wave loads on the reflecting wall of the sea port mole at the various stages of construction have been studied by numerical and experimental methods. The authors have been analyzed the different approaches and show that this mathematical model is possible to use in practice to determine the maximum total wave force impacted on the sea port mole.

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы в России происходит активное строительство морских портов, в состав сооружений большинства их них входят оградительные молы. Для современных проектов оградительные молы выходят на значительные глубины, 20-30 м и имеют значительную протяженность. Популярно использование свайных конструкций с экраном, создаваемым шпунтовой стенкой, располагающейся со стороны акватории порта. В последнее время произошло несколько аварий на этапе строительства глубоководных участков таких сооружений (геопорт в г. Новороссийск, порт Мзымта в г.Сочи). Проблема связана с обеспечением устойчивости строящегося сооружения. В статье предполагается рассмотреть две задачи. Первая: при каких характеристиках построенной шпунтовой стенки и подходящих волн, волновую нагрузку можно рассматривать на основе дифракции волн за стенкой? Вторая: как формируется перенос воды вдоль фронта стенки при косо подходящих волнах в режиме волн с коротким гребнем? И какие риски потери устойчивости связаны с такими течениями.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объект, используемый для данного исследования можно кратко описать следующим образом: «Геопорт» в г.Новороссийск расположен в Цемесской бухте, на побережье Черного моря.

Глубоководная часть мола Восточный предназначена для защиты территории от волнового воздействия и обеспечения ппичальных мест для судов на внутренней акватории порта. Длина защитного мола (вторая фаза развития порта) 650м. Выбранная конструкция мола порта - причал на буронабивных своих Б = 1420 мм, экран в виде вертикальной шпунтовой стенки и железобетонные надстройки. Свайный фундамент является системой из двух косых свай (10/1); диаметром 1420 мм; шагом 4,86 м, глубина забивки до -40м ...- 45м. Конструкция мола порта показана на рис. 1.

40...70-70%1 М

Рис.1. Конструкция глубоководного мола-причала

РЕЗУЛЬТАТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ШТОРМА

Ноябрь, 4-5,2009, Во время шторма, большая часть шпунтовой стены оказалась нестабильной. Рис. 2 показывает, что шпунтовая стальная (коробчатый шпунт шириной 1,2 м) стена получил уклон примерно 8 градусов относительно первоначального строго вертикального положения.

2М

На объекте расчетные параметры волн принимаются следующим образом: высота волн 4,0 м, длина волн 76,0м, и период волн 7,09с. Эти параметры были приняты и в проекте, но нестабильность построенных участков стенки реально имела место. В волновом бассейне были проведены специальные тесты для изучения взаимодействия между подходящими волнами и участками шпунтовой стены длиной (5, 10, 20 и 40 м в пересчете в натуральную величину). Результаты тестов, используются для получения условия приложения теории дифракции.

Рис.2. Уклон сегмента шпунтовой стены после шторма

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВОЛНОВОЙ НАГРУЗКИ НА СТЕНКУ

Волновые нагрузки на шпунтовые стены на этапе строительства с различными длинами следует рассматривать как препятствия. В качестве метода расчета может быть использован технический стандарт для определения нагрузки на портовые структуры [1], основанный на теории нелинейных волн, но этот метод очень достаточно громоздкий и сложный. Написание компьютерной программы для прямого расчета максимальной горизонтальной силы волны необходимо, и ее гораздо проще использовать на практике. На основе вычисленной горизонтальной скорости и ускорения воды [2], максимальная общая горизонтальная сила волны непосредственно определяется по следующей формуле:

dFт=dFD+dFI

В которой, dFD и dFI составляющие силы; скоростная и инерционная силы. Интегрируя dFт вдоль всего погруженной участка стены, максимальная общая горизонтальная сила волны может быть выражена следующим образом:

Где:

F - суммарная сила, действующая на шпунтовую стенку р - плотность воды

а - угол похода волн Ь - ширина шпунтовой стены Ь - длина шпунтовой стены С - коэффициент скоростного сопротивления С - коэффициент инерционного сопротивления. В уравнении (2):

гх - скорость волнового течения по горизонтальному направлению wx - ускорение волнового течения по горизонтальному направлению, которые могут быть определены по следующим уравнениям:

V - а^.кАкс1.сСгкс^—сс«£(х-й) + х shkd

3 а2к

4 sh4kd 3 а3!2 64'sh7kd

Jg.kjhkd.ch2k(d - z)cos2k(x - ct) -

gkthkd

13-4 ch

.ch3k

b H U It и  U t> TH

Рис.3.Пример прямого вычисления горизонтальной силой волн на короткую шпунтовую стенку

w — akc^g.k.thkd.----sinÁ:(x-cí) +

x shkd

2 2

„а к .e ch2k(d - z) .

+ 3—----.sin 2k(x - ct) +

sh2kd sh2kd

9 a3!3.,? [l3-4ch2kd] ч . „,,

+ —.--J.ch3k

32 sh5kd sh2kd

Где:

a - амплитуда волн к - волновое число, к = 2л/Х. X - длина волн d- глубина воды

x, y и z- координаты расчетной точки t - время волнового движения.

Фазовая скорость волн, c определяется как следующим уравнением

c = J gthkd

1 + -

16sh kd

Расчет общей горизонтальной силы для условий строительства мола «Геопорта» был проведен по этой методике [3], рисунок 3 показывает пример расчета горизонтальной силы, действующей от волны на относительно короткую шпунтовую стенку, рассматриваемую как обтекаемое препятствие.

ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ

При использовании численной модели взаимодействия волн со стенкой [4] уравнение для распределения давления по глубине имеет вид,

ch m

p = -pgz + pg--—-— 7

ch md

После интегрирования по глубине, при сохранении членов первого порядка малости, получим

\ , 1 ,2 th md

\pdz = -pgd + pg-r¡

a 2 m

-d

В уравнение (7), второй член - «волновая» часть нагрузки на единицу ширины стенки.

7/ = a sin ú)t ^

TI=0

Т]=1м

Т1 = 2 м

Т] = 2 м

Рис.4. Изолинии свободной поверхности воды в окрестности стенки длиной 1=5 м при р=60 на основе численного моделирования взаимодействия волн со стенкой

5/2011 ВЕСТНИК

_МГСУ

Координата точки приложения равнодействующей волновой нагрузки определяется по формуле

m sh md

Рисунок 4 показывает пример расчета изолиний свободной поверхности воды в окрестности стенки длиной 1=5 м при ^=60°.

2 л 1л ,

В данном случае (при Ш =-=-= 0,08267 м ; d=25 м) 7° ~ -9,4 м

X 76

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Расчет волновой нагрузки на шпунтовую стену может быть выполнен как расчет нагрузки от волн на вертикальную обтекаемую преграду при относительно короткой длине стенки на этапе строительства или с учетом дифракции волн при относительно длинной стенки.

Математическая модель взаимодействия волн с обтекаемой стенкой позволяет прямо определить максимальную силу, действующую на стенку с различными размерами, результаты расчета при этом согласуются с фактическими данными.

Коэффициент скоростного сопротивления С и коэффициент инерционного сопротивления С в математической модели необходимо определять с помощью физического моделирования.

Литературу

[1] СНиП 2.06.04-82*

[2] Д.Д Лаппо, С.С Стрекалов and В. К. Завьялов, "Нагрузки и воздействия ветровых волн на гидротехнические сооружения" Ленинград, 1990

[3] L.G Tran and I,G Kantardgi "Numerical study of the wave load on the reflecting wall of the port mole at the construction stage", European researcher, 2011. №5-1

[4] B.M Шахин, T.B Шахина «Метод расчета дифракции и рефракции волн», Океанология, 2001, том 41, №5, с.674-679

Literature

[1] SNiP 2.06.04-82*

[2] D.D Lappo, S.S Strekalov and V. K. Zav'yalov, "Nagruzki i vozdeistviya vetrovyh voln na gidrotehnicheskie soorujeniya" Lennigrad, 1990

[3] L.G Tran and I,G Kantardgi "Numerical study of the wave load on the reflecting wall of the port mole at the construction stage", European researcher, 2011. №5-1

[4] V.M Shahin, T.V Shahina «Metod rascheta difrakcii i refrakcii voln», Okeanologiya, 2001, tom 41, №5, s.674-679

Ключевые слова - Портовый мол, волновая нагрузка, шпунтовые стены, косые волны, дифракция волн.

Keywords- Port mole, wave load, steel sheet-pile wall, oblique waves, wave diffraction.

Почтовый адресс авторов: 129337, г. Москва, Ярославское ш.26 Email авторов: frangiang@yandex.ru, kanfardgi@yandex.ru

Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ»