Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЕТРОВЫХ ВОЛН НА ПЛАВУЧИЕ ВОЛНОГАСИТЕЛИ ИЗ НЕКОНДИЦИОННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

Корпачев В.П. 1 Пережилин А.И. 1 Андрияс А.А. 1 Гайдуков Г.А. 1
1 Сибирский государственный технологический университет
После заполнения водохранилищ ГЭС начинается процесс интенсивного переформирования береговой линии. При этом величина размыва может быть очень значительной. Процесс размыва можно проследить на примере наполняющегося в настоящее время водохранилища Богучанской ГЭС, располагающегося в лесопокрытой зоне Нижнего Приангарья. Прогнозная величина отступления кромки берега за 100 лет на некоторых участках составит 170 м. В результате размыва в водохранилище ежегодно будут поступать тысячи тонн взвешенных веществ и более 170 тыс. м3 древесной массы. В целях снижения величин размыва предлагается использование запатентованных плавучих волногасителей коробчатого и пучкового (цилиндрического) типов из плавающей на акватории водохранилищ древесной массы. В статье приводятся различные методики расчета величины волнового воздействия на волногаситель, проводится их сравнительный анализ и предлагается свой метод расчета, имеющий ряд преимуществ.
Богучанская ГЭС
водохранилище
ветровые волны
размыв берегов
волногаситель
1. Балашов Б.В. К вопросу определения волновой нагрузки на неподвижные и плавучие сооружения // Тр. координационных совещаний по гидравлике. – Вып. 91. – Л.: Энергия, 1970. – С. 183–187.
2. Басин А.М., Анфимов В.М. Гидродинамика судна. – Л.: Судостроение, 1961. – 684 с.
3. Богучанская ГЭС на реке Ангара: Технический проект. Том III. Водохранилище и охрана окружающей среды. Кн. I. – М.: Гидропроект, 1976. – 219 с.
4. Корпачев В.П. Теоретические основы водного транспорта леса: монография. – М.: Академия Естествознания, 2009. – 237 с.
5. Корпачев В.П., Пережилин А.И., Андрияс А.А., Рябоконь Ю.И. Загрязнение и засорение водохранилищ ГЭС древесно-кустарниковой растительностью, органическими веществами и влияние их на качество воды: монография. – М.: Академия Естествознания, 2010. – 127 с.
6. Пат. RU 116 156 U1 МПК В02В 3/06. Сооружение для диссипации волновой энергии и защиты береговой полосы от размыва / В.П. Корпачев, И.В. Губин, А.А. Андрияс, А.И. Пережилин, М.А. Тихненко, Г.А. Гайдуков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СибГТУ». – № 2011152574/13; заявл. 22.12.2011; опубл. 20.05.2012б, Бюл. № 14. – 3 с.
7. Пат. RU 116 157 U1, МПК В02В 3/06. Сооружение для диссипации волновой энергии и защиты береговой полосы от размыва / В.П. Корпачев, И.В. Губин, А.А. Андрияс, А.И. Пережилин, М.А. Тихненко, Г.А. Гайдуков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «СибГТУ». – № 2011152575/13; заявл. 22.12.2011; опубл. 20.05.2012а, Бюл. № 14. – 3 с.
8. СНиП 2.06.04-82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые ледовые, и от судов).
9. Черможская Г.Т. Исследование волнового воздействия на плавучие волноломы из хлыстовых пучков // Перспективы механизации рейдовых и лесоскладских работ на лесосплаве: сб. тр. ЦНИИ Лесосплава. – Вып. 27. – М.: Лесн. пром-сть, 1977. – С. 19–27.

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 pic_18.tif

б pic_19.tif

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):

Eqn30.wmf (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

Eqn31.wmf (3)

где σ = 2π/τ – угловая скорость или круговая частота; τ – период волны.

pic_20.tif

Рис. 2. Расчетная схема

Сила давления на переднюю грань площадью S определится интегрированием выражения

Eqn32.wmf (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)

Eqn33.wmf (5)

Интегрируя в заданных пределах, получим

Eqn34.wmf (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

Eqn35.wmf (7)

где Eqn36.wmf – 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

Eqn37.wmf (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].

pic_21.wmf

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.

pic_22.wmf

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.


Библиографическая ссылка

Корпачев В.П., Пережилин А.И., Андрияс А.А., Гайдуков Г.А. ДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЕТРОВЫХ ВОЛН НА ПЛАВУЧИЕ ВОЛНОГАСИТЕЛИ ИЗ НЕКОНДИЦИОННОЙ ДРЕВЕСИНЫ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6-4. – С. 840-844;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31646 (дата обращения: 17.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074