Исследование размыва у лицевой стенки оградительного сооружения от воздействия косоподходящих волн

УЕБТЫНС

мвви

УДК 627.4

В.В. Шарова

ФГБОУВПО «МГСУ»

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗМЫВА У ЛИЦЕВОЙ СТЕНКИ ОГРАДИТЕЛЬНОГО СООРУЖЕНИЯ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОСОПОДХОДЯЩИХ ВОЛН

С целью изучения местного размыва от взаимодействия косоподходящих волн с вертикальной стенкой в волновом бассейне была проведена серия опытов. Получены формы воронок размыва и глубина ямы размыва. Результаты эксперимента показали, что картина локального размыва от косоподходящих волн отличается от размыва при фронтальном подходе, что необходимо учитывать при проектировании оградительных сооружений.

Ключевые слова: местный размыв, косоподходящие волны, оградительное сооружение, вертикальная стенка, волновое течение, аналитические исследования.

Основной задачей при проектировании оградительных сооружений является обеспечение их устойчивости в процессе эксплуатации. В настоящее время для защиты гравитационных оградительных сооружений вертикального типа от размыва подбирается крепление основания в зависимости от неразмывающих донных скоростей. При этом считается, что максимальный размыв будет происходить на расстоянии 0,25Х от стены, где X — длина волны, что характерно для взаимодействия волн с сооружением при фронтальном подходе [1, 2]. Однако, в большинстве случаев, волны подходят к сооружению под некоторым углом, и, отражаясь, образуют систему трехмерных волн, которые условно называют «волны с короткими гребнями». Особенностью таких волн является то, что они формируют течение вдоль лицевой грани сооружения [3—5]. В этом случае размыв перед лицевой стенкой сооружения будет существенно отличаться от размыва, формирующегося при фронтальном подходе волн [6—8].

Трехмерные волны «с короткими гребнями» представляют собой систему гребней и впадин, расположенных в шахматном порядке. Движение жидкости в этих волнах происходит по трем направлениям: по оси Х, направленной вдоль стены, по оси Z, направленной перпендикулярно к стене, и по оси Y, направленной вверх (рис. 1).

Рис. 1. Поверхность волн с короткими гребнями

ВЕСТНИК

МГСУ-

При этом вдоль оси X волновая поверхность распространяется со ско-

C

ростью Cs =-, где C — скорость распространения прогрессивных волн;

sin 9

9 — угол между лучом волны и поперечной осью стенки, а вдоль оси Z пред-

„ L 3L' 5L'

ставляет собой систему стоячих волн с узлами в точках Z = —, ——, ——..., где

L — длина волны вдоль оси Z.

Движение частиц воды в волнах с короткими гребнями изображено на рис. 2, где видно, что на дне траектории частиц воды — горизонтальные линии,

L

направленные вдоль стены на расстоянии Z = 0, —, L'...; круговые орбиты,

L 3L' 5L'

параллельные дну на расстоянии Z = —,-,-...; и линии, направленные

8 8 8

„ L 3L 5L по нормали к стене на расстоянии Z = —, ——, .

Рис. 2. Траектории движения частиц в волнах с короткими гребнями [5]

Движение частиц воды на дне является наиболее важным, так как оно связано с перемещением наносов и образованием размыва [9]. Значения максимальных донных скоростей, направленных параллельно и по нормали к стене, на различных расстояниях от стены определяются по графику, представленному на рис. 3, в зависимости от угла подхода волны к сооружению. Также учитывается порядок приближения волновой теории, обозначенный на графике индексами 1, 3. Скорость и(90) представляет собой максимальную донную скорость в прогрессивной волне.

Рис. 3. Зависимость отношений и / и(90) и V / и(90) от угла подхода волны 9 [5]

Однако если частицы воды после каждого волнового периода вернутся в свое исходное положение, то размыв происходить не будет [6, 9].

В 1979 г. Сюй Дж., проведя эксперименты в волновом бассейне, доказал, что при взаимодействии косоподходящих волн с вертикальной стенкой кроме волновой скорости, характеризующей движение частиц около своего положения равновесия, существует перемещение массы воды вдоль лицевой грани стенки. Скорость этого течения, направленного параллельно и по нормали к стене, на различных расстояниях от стены можно определить по графику рис. 4 в зависимости от скорости течения прогрессивной волны и угла подхода волны к сооружению. ЦД90) представляет собой течение в прогрессивной волне и определяется по формуле

5п2 Н2

Um (90) = -

4T sinh

2 2nd'

L

где Н — высота волны; Т — период волны; й — глубина воды; L — длина волны.

С целью изучения механизма местного размыва дна у оградительных сооружений вертикального типа от косоподходящих волн, в отраслевой научно-исследовательской лаборатории морских нефтегазопромысловых гидротехнических сооружений (ОНИЛ МНГС) МГСУ была проведена серия опытов.

Опыты проводились в волновом бассейне размером 25^27 м, оборудованным щитовым волнопродуктором (рис. 5). Внутри бассейна двумя параллельными стенками был выделен канал шириной 7,6 м. Модель стенки шириной 0,9 м устанавливалась на песчаную площадку размерами в плане 3^2 м и заглублялась на 10 см в грунт из песка средней крупностью й50 = 0,4 мм. Расстояние от модели до стен канала составляло 3 м, что препятствовало образованию толчеи. Для гашения волновой энергии в конце бассейна были устроены отко-

ВЕСТНИК

МГСУ-

сы. Модель стенки располагалась под углами 15°, 30° и 40° к поперечной оси канала, что создавало эффект косоподходящих волн. Глубина воды у стенки 0,4 м, высота волны 0,1 м. Опыты проводились для двух волновых режимов: с периодом волны 1 и 1,3 с. Каждый опыт длился 2 ч, что обеспечивало стабилизацию процесса местного размыва у модели.

Рис. 4. Зависимость отношений ит/ит (90) и Vт|Uт (90) от угла подхода волны 9 [5]

Рис. 5. Схема лабораторной установки: 1 — мелководный бассейн; 2 — стенки волнового канала; 3 — щитовой волнопродуктор; 4 — гаситель; 5 — песчаная площадка; 6 — модель стенки

Результаты эксперимента. У лицевой грани модели наблюдалось формирование трехмерной волновой системы «волны с короткими гребнями», что свидетельствовало о правильно подобранных параметрах волны и достаточной ширине стенки.

Во всех проведенных опытах максимальная глубина воронки размыва наблюдалась непосредственно у стены. Что соответствовало представленному графику на рис. 4, где видно, что донная скорость течения на расстоянии от стены Z = 0 является наибольшей.

На формирование ямы размыва влияет как скорость течения и так и волновая скорость и [10]. Эти значения, посчитанные аналитически с помощью представленных выше графиков, приведены в табл. 1 для углов подхода волны а = 15°, 30°, 45°.

Скорость течения ит — это та составляющая прямой волновой скорости, за счет которой происходит размыв. Прямая волновая скорость представляет собой орбитальную скорость под гребнем волны. В табл. 1 она представлена в виде суммы ^и + ит. Несмотря на то, что значение ^и + ит в опыте с T=1 с, при угле подхода а = 15° не превышает донную скорость исг = 0,12 м/с [6], соответствующую исследуемому грунту со средней крупностью й50 = 0,4 мм, размыв все равно происходит. Это может быть вызвано влиянием волновых

V 3Ь' 5Z'

осциляций скорости, образующихся на расстоянии Z = —,-,-... от

стены. 8 8 8

Табл. 1. Скорость течения в волнах с короткими гребнями

a, ° 15 30 45

T, с 1 1,3 1 1,3 1 1,3

U, м/с 0,06 0,11 0,11 0,198 0,17 0,3

Um, м/с 0,0049 0,018 0,011 0,04 0,018 0,066

+ Um, м/с 0,06 0,13 0,12 0,24 0,19 0,37

Как видно из табл. 1 скорость течения и волновая скорость незначительно меняются в зависимости от различных углов подхода волны. Поэтому во всех проведенных опытах максимальная глубина ямы размыва практически не изменялась (табл. 2). Несмотря на то, что при угле подхода а = 45° волновая донная скорость и скорость течения наибольшие размыв у стенки наблюдался наименьший. Это связано с возможным влиянием на размыв боковой грани модели.

Табл. 2. Глубина ямы размыва

a, ° 15 30 45

T, с 1 1,3 1 1,3 1 1,3

hp, см 1,7 1,75 1,9 1,99 1 1

При исследовании форм воронок размыва рассматривался размыв в центральной части лицевой стенки, где минимально сказывались краевые эффекты боковых граней. Во всех проведенных опытах в центральной части воронка местного размыва представляла собой вытянутую вдоль стены полосу, что свидетельствовало о существующем течении, направленном вдоль стены. У краев наблюдались круговые воронки размыва большей глубины, чем в центре из-за увеличения донных волновых скоростей при дифракции волн. В опытах с периодом волны Т = 1 с воронки размыва имели практически симметричную форму, однако в опытах с периодом волны Т = 1,3 с форма воронок размыва была несимметричной. В общем случае для каждого опыта наблюдалась своя воронка размыва, что не позволило сделать обобщающих выводов. Картина местного размыва приведена в табл. 3.

ВЕСТНИК

мгсх.

Табл. 3. Формы воронок местного размыва

Т, с

Картина локального размыва

15

1,3

30

1,3

45

: >

1

1

1

По проведенной серии опытов не удалось выявить каких-либо закономерностей локального размыва от косоподходящих волн. С одной стороны, это вызвано недостаточной шириной стенки и влиянием краевых граней на размыв. С другой стороны, небольшой волновой скоростью и течением вдоль стены, что не дает возможности анализировать глубину ямы размыва при различных углах. Несмотря на это можно сделать важный вывод о том, что размыв вдоль лицевой грани стенки, вызванный течением от косоподходящих волн, существенно отличается от размыва, вызванного волнами при фронтальном подходе, как формой воронки размыва, так и глубиной ямы размыва. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании оградительных сооружений с целью усиления крепления основания, если яма размыва от косоподходящих волн будет больше, или наоборот облегчения крепления, если размыв будет слабее.

Для более точного определения закономерностей местного размыва в дальнейшем целесообразно:

провести еще одну серию опытов с грунтом меньшей крупности и моделью оградительного сооружения большей ширины;

определить скорость течения вдоль лицевой стенки модели и сравнить ее со скоростью посчитанной аналитически по графикам (см. рис. 3, 4);

провести численное моделирование и сравнить полученные результаты с физическим моделированием.

Примечание. Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 13-05-00955).

Библиографический список

1. Лаппо Д.Д., Стрекалов С.С., Завьялов В.К. Нагрузки и воздействия ветровых волн на гидротехнические сооружения. Ленинград : ВНИИГ, 1990.

2. Беляев Н.Д. Защита оснований ледостойких платформ от размыва // Предотвращение аварий зданий и сооружений. 2009. Режим доступа: http://www. pamag.ru/pressa/razmiv.

3. Herbich J.B., Bretschneider C.L. Short-crested waves. Handbook of coastal and Ocean Engineering. 1990.

4. Hsu J.R.C., Tsuchiya Y., SilvesterR. Boundary-layer Velocities and Mass Transport in Short-crested Waves. Journal of Fluid Mechanics. 1980, vol. 99, no. 2, pp. 321—342. DOI: http://dx.doi.org/10.1017/S0022112080000638.

5. Silvester R., Hsu J.R.C. Coastal Stabilization. PTR Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey. 1993.

6. Халфин И.Ш. Воздействие волн на морские нефтегазопромысловые сооружения. М., 1990. 310 с.

7. Халфин И.Ш. О прогнозе глубины местного размыва дна у цилиндрических опор большого диаметра при течении и волнении // Техника и технология для освоения ресурсов нефти и газа на континентальном шельфе : сб. науч. тр. Рига : ВНИИморгео, 1983. С. 16—27.

8. Summer B.M., Christiansen N., Fredsoe J. Influence of cross section on waves scour around Piles. Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering. 1993, vol. 119, no. 5, pp. 477—495. DOI: http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)0733-950X(1993)119:5(477)).

9. Дэвис М.Х., Мищенко С.М. Экспериментальные исследования местных размывов дна у основания морских гидротехнических сооружений // Известия ВНИИГ. 2000. Т. 23. С. 140—151.

10. Кантаржи И.Г., Анцыферов С.М. Моделирование взвешенных наносов под волнами на течении // Океанология. 2005. Т. 45. № 2. С. 173—181.

Поступила в редакцию в декабре 2013 г.

Об авторе: Шарова Вера Владимировна — аспирант кафедры гидротехнических сооружений, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, sh88-vera@yandex.ru.

Для цитирования: Шарова В.В. Исследование размыва у лицевой стенки оградительного сооружения от воздействия косоподходящих волн // Вестник МГСУ. 2014. № 2. С. 179—186.

V.V. Sharova

SCOUR STUDY IN FRONT OF THE BREAKWATER CAUSED BY THE OBLIQUE WAVES IFLUENCE

This paper presents a study of the scour in front of the breakwater caused by oblique waves influence. The experiments were conducted to investigate this scour. The experimental results indicate that the maximum depth of scour hole is observed near the breakwater. The scour depth increases as a wave period and incident wave angle

ВЕСТНИК о/ОП^/1

2/2014

increase. While comparing the present experimental results with the previous study, it is found out that the scour caused by oblique waves influence considerably differs from the scour caused by the influence of straight waves. Breakwater is an important component of a sea port. It is intended to protect the port water area from the impacts of waves, currents and sediments. The scour in front of the breakwater may occur as a result of waves and currents. It may cause the damage of a construction and stop the proper functioning of the port. Therefore the study of scour is an important task of hydraulic construction.

When oblique waves approach the breakwater the system of three-dimensional waves are formed, which are called "short-crested waves". These waves generate a current along the breakwater front. The current interacts with the ground and causes erosion of the bed. This mechanism differs from the mechanism of erosion in the case of frontal approach of waves when the standing waves are formed. Namely, erosion of the bed is the result of the wave velocity increase due to the reflection of waves at the structure. However, in engineering practice of hydraulic structures design, the influence of oblique waves is neglected and is taken into account only in case of the regular incoming of the waves.

Key words: local scour, oblique waves, breakwater, vertical wall, wave current, analytical studies.

References

1. Lappo D.D., Strekalov S.S., Zav'yalov V.K. Nagruzkii vozdeystviya vetrovykh voln na gidrotekhnicheskie sooruzheniya [Loadings and Impacts of Wind Waves on Hydraulic Engineering Constructions]. Leningrad, VNIIG Publ., 1990.

2. Belyaev N.D. Zashchita osnovaniy ledostoykikh platform ot razmyva [The Protection of Ice-resistant Platforms Foundations from Scour]. Predotvrashchenie avariy zdaniy i sooruzheniy [Accident Prevention of Buildings and Structures]. 2009. Available at: http://www. pamag.ru/pressa/razmiv.

3. Herbich J.B., Bretschneider C.L. Short-crested Waves. Handbook of Coastal and Ocean Engineering. 1990.

4. Hsu J.R.C., Tsuchiya Y., Silvester R. Boundary-layer Velocities and Mass Transport in Short-crested Waves. Journal of Fluid Mechanics. 1980, vol. 99, no. 2, pp. 321—342. DOI: http://dx.doi.org/10.1017/S0022112080000638.

5. Silvester R., Hsu J.R.C. Coastal Stabilization. PTR Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 1993.

6. Khalfin I.Sh. Vozdeystvie voln na morskie neftegazopromyslovye sooruzheniya [The Impact of Waves on the Offshore Oil and Gas Structures]. Moscow, 1990, 310 p.

7. Khalfin I.Sh. O prognoze glubiny mestnogo razmyva dna u tsilindricheskikh opor bol'shogo diametra pri techenii i volnenii [On the Prediction of Local Scour Depth at the Bottom of Cylindrical Supports with Large Diameter in Case of Flow and Heave]. Tekhnika i tekh-nologiya dlya osvoeniya resursov nefti i gaza na kontinental'nom shel'fe : sbornik nauchnykh trudov [Technologies for Oil and Gas Resources Development on the Continental Shelf]. Riga. VNIImor-geo Publ., 1983, pp. 16—27.

8. Summer B.M., Christiansen N., Fredsoe J. Influence of Cross Section on Wave Scour around Piles. Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering. 1993, vol. 119, no. 5, pp. 477—495. DOI: http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)0733-950X(1993)119:5(477)).

9. Devis M.Kh., Mishchenko S.M. Eksperimental'nye issledovaniya mestnykh razmyvov dna u osnovaniya morskikh gidrotekhnicheskikh sooruzheniy [Experimental Studies of Local Bed Scour in Front of the Foundation of Marine Hydraulic Engineering Constructions]. Izvestiya VNIIG [News of VNIIG]. 2000, vol. 23, pp. 140—151.

10. Kantarzhi I.G., Antsyferov S.M. Modelirovanie vzveshennykh nanosov pod volna-mi na techenii [Modeling of Suspended Sediment under Waves in Currents]. Okeanologiya [Oceanology]. 2005, vol. 45, no. 2, pp. 173—181.

About the author: Sharova Vera Vladimirovna — postgraduate student, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; kanz@mgsu.ru; (495) 783-08-09.

For citation: Sharova V.V. Issledovanie razmyva u litsevoy stenki ograditel'nogo sooruzheniya ot vozdeystviya kosopodkhodyashchikh voln [Scour Study in Front of the Breakwater Caused by the Oblique Waves Influence]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 2, pp. 179—186.