При наполнении водохранилищ ГЭС происходит интенсивное переформирование береговой линии. Процесс размыва береговой линии можно проследить на примере создаваемого (наполняющегося) в настоящее время Богучанского водохранилища.
При создании водохранилища Богучанской ГЭС, расположенного в лесопокрытой зоне, будет затоплено около 10 млн м3 древесины, что обусловит ежегодное поступление на акваторию около 800 тыс. м3 плавающей древесной массы [5], в том числе около 175,0 тыс. м3 от размыва берегов.
Для снижения волновой нагрузки на берега водохранилищ предложен ряд плавучих волногасителей [6, 7].
Цель исследования – определение величины динамического воздействия ветровых волн на плавучие волногасители из некондиционной древесины, предложенные для применения на Богучанском водохранилище.
Материал и методы исследования
Плавучий волногаситель цилиндрического типа из хлыстовых пучков (рис. 1, а) рекомендуется для защиты участков береговой линии подверженных воздействию волн высотой до 2 м. Пучки плавучего волногасителя формируются с помощью такелажа из плавающей древесной массы на акватории водохранилища [7].
Плавучий волногаситель ящичного типа из некондиционной древесины и хлыстов (рис. 1, б) рекомендуется для использования на участках, где высота волны до 4 м. Формируется плавучий волногаситель ящичного типа с помощью такелажа и жестких каркасов, заполняемых плавающей древесной массой [6].
При определении волновой нагрузки на плавучие сооружения их принято рассматривать как подвижные преграды, в этом случае используют различные приближенные методы расчета волнового давления [1].
Результаты исследования и их обсуждение
Набегающие на плавучие сооружения волны частично отражаются и частично проходят под преградой, обтекая ее. При этом сделаем следующие допущения: носовая плоскость непроницаемая для частиц жидкости; поперечное сечение плавучего волногасителя имеет прямоугольную форму, тело жесткое. В этом случае энергия набегающей волны должна равняться сумме энергий отраженной и проходящей волн. Для определения силового воздействия волн на стационарный или нестационарный плавучий объект достаточно найти разность энергий этих волн [2, 4].
ΔF = F1 – F2, (1)
где F1, F2 – сила волнового давления на носовую и кормовую поверхности.
а 
б 
Рис. 1. Плавучий волногаситель: а – цилиндрического типа; б – ящичного типа
При рассмотрении взаимодействия волн с плавучими волногасителями возможны три случая: h > z, h < z и h = z (где z – высота плавучего объекта, h – высота волны). Если h ≤ z, в этом случае волновая нагрузка полностью передается на волногаситель. Если h > z – носовая часть тела будет полностью зарываться в воду и в этом случае необходимо учитывать дополнительную нагрузку от подтопления носовой части.
Определим F1 для случая h ≤ z. Избыточное гидродинамическое давление в точке волны на глубине z определится по формуле, записанной для системы координат изображенных на расчетной схеме (рис. 2):
(2)
где x – ордината точек профиля волны; Р – гидродинамическое давление в точке волны; Рат – давление на свободной поверхности жидкости; g – ускорение свободного падения; k – волновое число (k = 2p/l); l – длина волны; r – плотность воды.
Для принятой системы координат в плоскости, совпадающей с лобовой гранью волногасителя, профиль волны описывается уравнением
(3)
где σ = 2π/τ – угловая скорость или круговая частота; τ – период волны.
Рис. 2. Расчетная схема
Сила давления на переднюю грань площадью S определится интегрированием выражения
(4)
Интеграл распространяется на смоченную часть передней грани площадью dS = Bdz (где B – ширина волногасителя, dz – элементарная высота).
Величину силы давления на переднюю грань можно определить интегрируя (4) в пределах от Т до T + x (где T – осадка)
(5)
Интегрируя в заданных пределах, получим
(6)
где x – высота волны у передней грани тела, x = f + j; f – высота подходящей волны; j – высота отраженной волны от передней грани.
Проведенные исследования показывают, что изменение высоты волны у передней грани тела за счет ее частичного отражения незначительно и составляет менее 0,5 %, то есть для практических расчетов можно ее не учитывать [2].
Величина волнового давления на кормовую поверхность волногасителя может быть определена по формуле
(7)
где 
– уравнение профиля волны за телом; hост – высота волны за телом после ее гашения.
Гашение волны можно оценить коэффициентом β = hост/h, величина которого принимается от 0 до 1 (при β = 0 наблюдается полное гашение волны, а при β ≈ 1 – гашение волны не происходит).
Таким образом, при определении силы давления на кормовую поверхность необходимо вводить в расчет величину остаточного значения высоты волны hост = β·h, представленную на расчетной схеме (рис. 2).
Учитывая, что dS = Bdz, введя пределы интегрирования и интегрируя (7), получим
(8)
Определив силу волнового давления на носовую и кормовую поверхности, можно найти величину силового воздействия на волногаситель.
На рис. 3 представлены расчетные значения силы давления волны на волногаситель в зависимости от коэффициента гашения волны при различных параметрах, воздействующих на него волн. В качестве исходных данных, характеризующих волногаситель (осадка T и ширина В) взяты параметры используемых лесосплавных пучков. Значения высоты и длины волны, а также глубин приняты для условий Богучанского водохранилища в соответствии с источниками [3].
Рис. 3. График зависимости силы давления волны на волногаситель от коэффициента гашения волны (осадка Т = 1,2 м; ширина B = 8 м; глубина H = 10 м)
Необходимо отметить, что работы по определению воздействия на плавучие волногасители, выполнялись и ранее. В качестве примера приведем следующие методики.
Из серии волногасителей, применяемых в области лесосплава, наиболее приемлемым для условия водохранилищ являются плавучие волногасители из хлыстовых пучков, исследованиями которых занималась Г.Т. Черможская [9].
Черможская Г.Т. проводила исследования волнового воздействия на плавучие волногасители из хлыстовых пучков, предназначенные для использования на акваториях водохранилищ, озер и рек при высоте волны до 2,4 м и длине волны в диапазоне от 25 до 52 м. Она отмечает отсутствие приемлемой методики расчета воздействия волн на пучковые волногасители, что приводит к ошибкам в определении усилий в якорных связях и отдельных конструктивных узлах волногасителя и часто является причиной разрушения их в период штормов.
Кроме того, при проектировании силы воздействия ветровых волн на гидротехнические сооружения могут быть определены по методике, изложенной в СНиП 2.06.04-82* [8].
Зависимости силы давления волны длиной 30 м, приходящейся на 1 погонный метр плавающего объекта, полученные по различным методикам, представлены на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость силы давления волны длиной 30 м от ее высоты на 1 пог. м плавучего волногасителя
Выводы
Анализ результатов, проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволяет сделать следующие выводы:
1. Коэффициент гашения, обеспечиваемый волногасителями цилиндрического типа, составляет β = 0,6...1,0. Для волногасителей ящичного типа этот коэффициент лежит в диапазоне β = 0,5...0,7, что свидетельствует о более эффективном гашении волны.
2. Предложенная методика позволяет производить расчет силы давления волны на волногаситель с учетом коэффициента гашения волны, который ранее не учитывался, но оказывал влияние на величину нагрузки.
3. Значения силы давления волны, полученные по методике Г.Т. Черможской, близки к полученным нами данным, хотя в ее методике отсутствуют сведения о степени гашения волны.
4. Значения силы давления волны, полученные по методике, приведенной в СНиП 2.06.04-82*, значительно превышают полученные нами данные. Это объясняется тем, что СНиП учитывает силу воздействия на жестко закрепленный (неподвижный) волногаситель и учитывает вертикальную составляющую волновой нагрузки.
5. В соответствии с предложенной методикой расчета нагрузки на волногасители, максимальное значение таковой на 1 погонный метр волногасителя цилиндрического типа составит около 10 кН, для волногасителей ящичного типа – около 15 кН.
Рецензенты:
Лозовой В.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологии и оборудования лесозаготовок, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярск;
Полетайкин В.Ф., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологий и машин природообустройства, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярск.
Работа поступила в редакцию 07.05.2013.