CC BY
29
УДК 504.4.062.2:556
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ПРЕГРАД ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ*
В.К. Дебольский1, И.И. Грицук1'2, А.В. Остякова1, И.Н. Завьялов3, Н.К. Пономарев2, Е.К. Синиченко2
'Институт водных проблем Российской академии наук ул. Губкина, 3, Москва, Россия, 119333
2Российский университет дружбы народов ул. Орджоникидзе, 3, Москва, Россия, 115419
Научно-образовательный центр УНПК МФТИ
Институтский пер., 9, Долгопрудный, Московская область, Россия, 141700
Проведены лабораторные эксперименты деформаций подводных преград литологического генезиса при воздействии экстремальных волн. Получены соотношения, связывающие объемы деформаций подводной преграды с параметрами волнений и динамики течений.
Ключевые слова: подводные преграды литологического генезиса, стратифицированный волновой поток, экстремальные параметры волнения, обрушение подводной преграды, экспериментальные исследования.
На водных объектах в зависимости от режима регулирования, в особенности в местах значительных сбросов даже условно чистых вод, аккумулируются значительные объемы твердых осадков. Это возможно, например, в океане при прохождении экстремальной волны типа цунами, в устьях рек, при плотинных частях водохранилища и нижнего бьефа ГЭС и шельфе. Экстремальные воздействия волновых процессов на подводные преграды, в том числе естественного происхождения, и подводные части сооружений, возникают из-за появляющихся вторичных волн. При возникновении критических, экстремальных параметров волновых процессов могут достигаться условия, близкие к условиям потери устойчивости и разрушению подводных преград. Эти воздействия приписывались к литологической сейсмике. Ранее подобная фундаментальная проблема не ставилась, однако известны эти явления и их последствия, часто приводящие к катастрофам.
Поэтому исследование влияния волновых процессов и течений на изменение параметров подводных преград (объема и формы) является одной из важных задач исследования волновых процессов в целом. Задачи, поставленные в работе, касаются изучения, моделирования и прогнозирования процессов деформаций дна под влиянием волн. Согласно имеющимся публикациям [1; 2] аналога подобных исследований в мировой практике не обнаружено.
Анализ информационных источников в области волновых процессов, теории транспорта и деформаций донного рельефа показал, что лабораторные экспери-
* Работа проведена при поддержке РФФИ, проект № 13-05-41095-рго_а.
ментальные исследования влияния волн на подводные преграды, проведенные в гидравлическом канале циркуляционного действия с размываемым дном при волновых воздействиях различной интенсивности, а также теоретический анализ подтвердили предположение, что поставленная тема исследований и результаты экспериментов являются новыми. К настоящему времени известны только модели воздействия волнений на сооружения и береговые склоны.
В связи с этим проведены экспериментальные исследования проблемы, позволяющие оценить последствия экстремального воздействия волновых процессов на подводные преграды, в том числе литологического генезиса в реках, устьях, водохранилищах и шельфе. Исследования влияния волновых процессов на деформацию дна, в том числе подводной преграды литологического генезиса, в лабораторных условиях проводились впервые.
Методика лабораторных исследований. При разработке методики лабораторных исследований, соответствующих поставленным задачам, определены влияющие факторы и построена гидравлическая модель, удовлетворяющая теории подобия.
Особенностью модели является выбор материала наносов по характеристикам, подобным натурным, и выбор критериев моделирования волнового процесса. В качестве наносов использовался хорошо отсортированный люберецкий песок ё50 = 0,30 мм.
Волны генерировались волнопродуктором, их параметры варьировались в следующих пределах: высота Н = 5—13 см и длина X = 50—200 см (рис. 1).
X
Рис. 1. Схема гидравлической модели
Лабораторные эксперименты проводились в лаборатории РУДН в открытом лабораторном канале прямоугольного очертания, имеющем волнопродуктор с изменяемым уклоном дна. Канал циркуляционного действия длиной — 16,0 м, ши-
риной 0,3 м, высотой стеклянных стенок 0,4 м. Измерения параметров течения и волнения (скорости, расхода воды, длины и высоты моделируемых волн) проводились типовым оборудованием. Скорости течения измерялись микровертушкой, дублировались электронным измерителем скоростей течения с применением батометров. Время прохождения волны фиксировалось видеокамерой, дублировалось секундомером. Волновые характеристики задавались на волнопродуктор через ноутбук при помощи лицензированной программы. Распространение волн фиксировалось с помощью видеосъемки.
Одновременно измерялась скорость потока, характеристики волн, время до-бегания волны до преграды, а также количество взвешенных и смытых с преграды материала наносов.
Проведение экспериментов. Эксперименты проводились при ровном дне с нулевым уклоном, равным 0,4% в сторону распространения волнения и уклоне 0,4% в сторону, противоположную распространению волнения.
Было проведено 27 экспериментов, из них 17 тестовых с целью установления оптимальной формы преграды различной высоты по отношению к глубине потока, создания пропуска одиночных волн различных высот и длин с помощью волно-продуктора и создания различных уклонов дна потока.
Критериями подобия являлись отношение высоты волны к ее длине и число Фруда
Гг = Г2^И,
где V — скорость потока у вершины преграды, И — глубина потока над вершиной преграды.
На рис. 2 и 3 представлен общий вид гидравлической модели.
Рис. 2. Общий вид гидравлического лотка
Рис. 3. Общий вид гидравлической модели
Обработка результатов измерений и анализ экспериментальных данных.
Данные измерений для каждого эксперимента, т.е. каждого процесса прохождения одиночной волны либо нескольких волн, записывались в табличном виде (таблица), удобном для дальнейшей обработки и анализа экспериментальных данных. В результате обработки и анализа экспериментальных данных построен график (рис. 4).
Таблица
Данные измерений
№ Вид волн 1, см h, см hн в конце опыта, см m осадка, г
1 серия. Положительный уклон 0,4%
1 Одиночная волна 130,0 9,0 11,0 10,516
2 Одиночная волна 80 10 11 10,846
3 Несколько волн 130 9,5 11 1,621
4 Несколько волн 130 12,5 11 42,846
2 серия. Уклон 0%
5 Одиночная волна 130 8 10,9 14,986
6 Несколько волн 85 8,5 10,7 1,431
7 Несколько волн 140 12 10,6 34,95
3 серия. Отрицательный уклон
8 Одиночная волна 130 13 10,4 10,781
9 Несколько волн 60 8 10,4 2,568
10 Одиночная волна 130 12,5 10,1 31,158
4
0
0,0
■ Д
■ • •
• £
■ п
0,1
0,2
0,3
Рис. 4. График зависимости параметров течения от относительного объема осадка W
0,4
X
Ь 1П А
Н
По данным экспериментов построены аппроксимационные кривые степенного вида и установлены эмпирические зависимости для объема деформации подводной преграды от гидравлических параметров.
Относительный объем разрушения преграды под воздействием волны можно оценить соотношением
г У/2
X Fr
W = 4 •
отн
h 1П ^
H у
где И — глубина воды перед подводной преградой; Гт =
V2
И
V — скорость над вер-
шиной преграды; ИВ — глубина течения над подводной преградой; X — длина волны;
к
высота волны.
Проведенные серии лабораторных экспериментов показали, что размыв в тыловой части преград на дне, в том числе литологического генезиса, происходит интенсивнее при возникновении волновых процессов, чем под влиянием естественных придонных течений.
Количество взвешенных наносов превышает количество сальтирующих наносов в 5—7 раз.
Серии экспериментов показали, что моделирование придонных и волновых процессов, наблюдаемых в устьевых областях рек и на морском шельфе, достаточно с большой долей достоверности описывают естественные процессы переформирования.
^отн, %
3
2
***
Результаты экспериментальных исследований экстремального воздействия волновых процессов на подводные преграды позволяют разработать физико-математическую модель трансформации подводных преград под воздействием волновых процессов. Ранее подобная фундаментальная проблема не ставилась, однако известны эти явления и их последствия, часто приводящие к катастрофам.
ЛИТЕРАТУРА
[1] СП 38.13330.2012 Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). Актуализированная редакция СНиП 2.06.04—82*. [SP 38.13330.2012 Nagruzki i vozdejstvija па gidrotekhnitheskie soorugemja (volnovye, ledovye i ot sudov) Аки alizirovannaja redakcija SNiP 2.06.04—82*.]
[2] СН 92-60 Технические условия определения волновых воздействий на морские и речные сооружения и берега. [SN 92-60 Teknitheskie uslovija opredelenija volnovyh vozdejstvij па morskie i rethnye berega.]
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF DESTRUCTION OF UNDERWATER BARIERS UNDER THE INFLUENCE OF EXTREME WAVE PROCESSES
V.K. Debolskiy1, I.I. Gritsuk1,2, A.V. Ostiakova1, I.N. Zav'yalov3, N.K. Ponomarev2, E.K. Sinichenko2
!Water Problems Institute Russian Academy of Science Gubkina str., 3, Moscow, Russia, 119333
2Peoples' Friendship University of Russia Ordzhonikidze str., 3, Moscow, Russia, 115419
Moscow Physics and Technology Institute
The laboratory experiments of the deformations of the underwater barriers at step of the extreme waves were conducted. Some relations connecting the volume of deformation of underwater obstacles with the wave parameters and flow dynamics parameters are obtained.
Key words: underwater obstacles of lithological genesis, wave stratified flow, the extreme wave parameters, the collapse of underwater obstacles, an experimental study.
