СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ОДИНОЧНОГО ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО СООРУЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR PROTECTION AGAINST WAVE ACTION OF SINGLE HYDRAULIC STRUCTURE, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам и устройствам для производства гидротехнических работ по защите гидротехнических сооружений от волн, а более конкретно - к вопросам защиты одиночных гидротехнических сооружений от волнового воздействия.
Известны 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, которые располагают ниже впадин 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).
Указанный способ и устройство не обладают достаточной надежностью и эффективностью снижения интенсивности волн, поскольку устройство применимо только для мелководья и имеет большую инерционность деформирования его элементов при прохождении над ними волн, в особенности волн со значительными скоростями, когда уменьшение высоты волн будет низкой, а следовательно, и эффективность снижения энергии волн.
Известны также способ и устройство защиты береговых и морских сооружений от разрушающего волнового воздействия, согласно которому до подхода набегающих на сооружение волн осуществляют снижение их интенсивности с использованием газообразного вещества, преимущественно воздуха, с помощью которого перед сооружением в водной среде образуют водовоздушную пузырьковую завесу со степенью объемного воздухосодержания завесы не менее 20%. Протяженность зоны такой завесы по ходу волн составляет не менее 0,3 длины набегающей волны. Устройство состоит из системы перфорированных трубок, расположенных в ряд по ходу волн с шириной, равной протяженности зоны упомянутой водовоздушной завесы, которые сообщены магистралью с источником повышенного давления воздуха (патент РФ №2366777, Е02В 3/06 (2006.01) с приоритетом от 14.01.2008 г.) - прототип.
Однако реализация известного способа требует значительных энергетических затрат на создание водовоздушной завесы с энергией, сравнимой с энергией набегающей на сооружение волны, интенсивность которой необходимо понизить или разрушить волну перед сооружением. Кроме того, создание самого устройства для реализации способа также требует существенных материальных затрат.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение эксплуатационных затрат при защите одиночного гидротехнического сооружения от волнового воздействия набегающих на него волн и материальных затрат на создание устройства для осуществления указанной защиты.
Для этого в способе защиты от волнового воздействия одиночного гидротехнического сооружения по изобретению набегающие на гидротехническое сооружение волны разводят по обе стороны вокруг сооружения путем создания расходящихся в обе стороны поперек направления волн горизонтальных приповерхностных течений, формирующихся плоскосимметричным всплывающим газожидкостным потоком, который создают в водной среде под набегающими волнами, причем плоскость симметрии расположена в диаметральной плоскости сооружения и перпендикулярна движению волн. При этом расход газа, преимущественно воздуха, подбирают так, чтобы горизонтальная скорость приповерхностных течений газожидкостного потока была не менее 0,2 скорости набегающих волн, а зону, где формируют газожидкостный поток, располагают в указанной плоскости симметрии на расстоянии перед гидротехническим сооружением не ближе (0,3 - 0,5) ширины и не далее (1,5 - 2,0) длины гидротехнического сооружения, где длиной считается габарит сооружения по диаметральной плоскости в направлении волны, а шириной считается габарит по фронту волны.
Кроме того, газожидкостный поток создают на глубине не менее 0,6 амплитуды набегающей волны путем подачи под давлением в водную среду воздуха с образованием пузырьков.
Создание в водной среде под набегающими волнами плоскосимметричного всплывающего газожидкостного потока обеспечивает формирование и создание расходящихся в обе стороны поперек направления волн горизонтальных приповерхностных течений, которые в результате разводят по обе стороны вокруг гидротехнического сооружения набегающие на него волны.
Выбор расхода газа, при котором скорость приповерхностных течений была бы не менее 0,2 скорости набегающих волн, обеспечивает эффективное формирование приповерхностных течений, которые разводят вокруг гидротехнического сооружения набегающие на него волны, обеспечивая его защиту от их силового воздействия.
В устройстве для защиты от волнового воздействия одиночного гидротехнического сооружения, включающем средство отвода по обе стороны вокруг гидротехнического сооружения набегающих волн на основе использования газообразного вещества, преимущественно воздуха, указанное средство выполнено в виде аэратора водной среды пузырьковыми воздушными включениями, состоящего из расположенной по диаметральной плоскости сооружения вдоль направления движения набегающих волн перфорированной трубки и сообщенного с ней магистралью источника повышенного давления воздуха. Причем длина трубки составляет (1-1,5) длины гидротехнического сооружения, а отстояние ближнего от упомянутого сооружения торца трубки составляет (0,3-0,5) ширины сооружения. При этом трубка расположена погруженной под воду на глубину, равную не менее 0,6 амплитуды набегающей волны, считая от поверхности спокойной воды.
Кроме того, трубка установлена с возможностью изменения ее отстояния от сооружения, регулировки ее горизонтальной ориентации и глубины установки под воду.
При этом устройство снабжено регулятором подачи воздуха в перфорированную трубку.
Наряду с этим, источник воздуха повышенного давления может быть расположен на берегу или на гидротехническом сооружении.
Эффективность отвода от гидротехнического сооружения волн и их развод по обе стороны вокруг сооружения обеспечивается при длине перфорированной трубки, составляющей (1-1,5) длины гидротехнического сооружения, и отстоянии ближнего от сооружения торца трубки, равном (0,3-0,5) ширины сооружения.
Предусмотренная в устройстве возможность регулирования отстояния перфорированной трубки от сооружения, величины ее заглубления и горизонтальной ориентации позволяет осуществлять отвод вокруг одиночного гидротехнического сооружения набегающих на него волн различной длины, высоты и разных направлений.
Погружение под воду перфорированной трубки на глубину не менее 0,6 амплитуды набегающих волн, считая от поверхности спокойной воды, обеспечивает достаточный «разгон» всплывающих пузырьков воздуха и, следовательно, необходимую скорость приповерхностных течений - не менее 20% скорости набегающей волны. Это вытекает исходя из следующей оценки максимальной скорости приповерхностного течения:
<mrow><mi>u</mi><mo>=</mo><mn>1.46</mn><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Q</mi><mi>g</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msup><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>p</mi><mi>g</mi><mi>H</mi></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msup></mrow>
,
где Q - объемный расход, отнесенный к длине трубки, g - ускорение свободного падения, Н - глубина залегания трубки, ρ - плотность жидкости - величина атмосферного давления.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен вариант устройства для осуществления предлагаемого способа, на фиг.2 - схема возникновения приповерхностных течений от всплывающих пузырьков, на фиг.3 - физическое моделирование расходящихся приповерхностных течений и на фиг.4 - схема модельного эксперимента в опытном бассейне.
С
Устройство включает средство отвода по обе стороны вокруг одиночного гидротехнического сооружения набегающих волн, которое выполнено в виде аэратора водной среды пузырьковыми воздушными включениями, состоящего из расположенной перед сооружением по его диаметральной плоскости (ДП) вдоль направления движения набегающих волн перфорированной трубки 1 и соединенного с ним магистралью 2 источника повышенного давления воздуха 3, который сообщен с указанной трубкой 1 через регулятор расхода 4 подачи в нее воздуха (фиг.1). Указанная трубка 1 расположена вынесенной от сооружения навстречу набегающим волнам на отстояние ближнего от сооружения торца трубки 1, составляющее (0,3-0,5) габарита ширины сооружения (В) по фронту волны и установлена с возможностью изменения ее выноса от сооружения, горизонтальной ориентации и заглубления под поверхность воды на глубину не менее 0,6 амплитуды волны, считая от поверхности спокойной воды, в зависимости от параметров набегающих волн. Длина трубки 1 составляет (1-1,5) длины гидротехнического сооружения и расположена она на регулируемой по высоте подставке 5, закрепленной на дне водоема 6 (фиг.1).
Предлагаемый способ защиты от волнового воздействия одиночного гидротехнического сооружения осуществляется с помощью предложенного устройства следующим образом.
В зависимости от параметров набегающих на гидротехническое сооружение волн (скорости набегания и амплитуды) перфорированную трубку 1 выносят перед сооружением навстречу набегающим волнам на расстояние, отсчитываемое между ее ближним к сооружению концом и самим сооружением, равное (0,3-0,5) ширины сооружения, и располагают по диаметральной плоскости сооружения под водой на глубине не менее 0,6 амплитуды набегающей волны, считая от поверхности спокойной воды. По магистрали 2 в трубку 1 подают воздух из источника повышенного давления 3, который всплывая, увлекает за собой частицы воды, образуя плоскосимметричный всплывающий газожидкостный поток, который формирует горизонтальные приповерхностные течения, расходящиеся поперек направления волн в противоположные стороны (фиг.2, 3). В зависимости от скорости набегающих волн устанавливают расход подачи воздуха в трубку 1 с помощью регулятора расхода 4 для достижения значения горизонтальной скорости приповерхностных течений газожидкостного потока, равной не менее 0,2 скорости набегающих волн. Образующиеся в результате этого поперечные приповерхностные течения осуществляют развод вокруг одиночного гидротехнического сооружения набегающих на него волн, благодаря чему обеспечивается защита указанного сооружения от силового воздействия волн. При изменении направления или амплитуды набегающих волн корректируют соответственно положение перфорированной трубки 1, ориентируя ее вдоль направления волн, и глубину ее погружения под воду.
В процессе проведения модельного эксперимента в опытном бассейне (фиг.4) волнение генерировалось волнопродуктором и измерялось волнографом, перфорированная трубка была уложена на подъемное дно и ориентированы перпендикулярно фронту распространения волны в диаметральной плоскости модели сооружения. Перед моделью сооружения волнограф регистрировал набегающую на модель волну. Сила волнового воздействия на упомянутую модель регистрировалась динамометрами. Данные динамометрических измерений, выполненных на модели сооружения, показывают, что силовое воздействие на модель сооружения уменьшается не менее чем на 30%.
Предлагаемые способ и устройство обеспечивают снижение эксплуатационных затрат при защите одиночного гидротехнического сооружения от силового волнового воздействия набегающих на него волн и материальных затрат на создание устройства для осуществления указанной защиты, что их выгодно отличает от прототипа.