ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 1, с. 56-67
ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 551.466.31
МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ РАЗМЫВА ДНА ВОКРУГ ВЕРТИКАЛЬНОГО ЦИЛИНДРА БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВОЛН
© 2007 г. И. Ш. Халфин
Поступила в редакцию 21.07.2005 г.
Изложены результаты исследований размыва дна из мелкого и крупного песка вокруг моделей вертикальных цилиндров большого диаметра под воздействием регулярных волн. На основе сравнения результатов опытов с мелким и крупным песком показаны их существенные качественные и количественные различия. По результатам анализа опытов с крупным песком впервые получена формула для расчета глубины размыва, включающая два критерия подобия - наносодвижущий фактор и параметр Кэйлегана-Карпентера и пригодная для инженерных расчетов глубины размыва граве-листого дна или защитной отсыпки из щебня и мелкого камня, а также для приближенного прогноза глубины размыва песчаного дна вокруг сооружений в реальных штормовых условиях. Рассмотрены условия корректного моделирования размыва от волн вокруг сооружений больших поперечных размеров и доказана нерелевантность моделирования такого размыва при использовании на модели мелкого песка.
Проектирование и строительство в открытом море сооружений больших поперечных размеров (гравитационных нефтегазопромысловых платформ, опор мостов, маяков и т.д.) в последние три десятилетия потребовали: во-первых, развития методов прогноза глубины местного размыва естественного песчаного дна около этих сооружений под воздействием штормовых волн; во-вторых, разработки методов защиты от размыва, в частности, при использовании защитной отсыпки из щебня и мелкого камня. До сих пор большинство исследований было посвящено изучению размыва от волн вокруг вертикальных цилиндров малого диаметра (свай), а процесс размыва от волн (далее - размыв) вокруг вертикального цилиндра большого диаметра (ВЦБД) изучен мало. В этом случае определяющими являются процессы дифракции и отражения волн вокруг цилиндра, а не процесс вихреобразования, как в случае свай.
В 1980-1984 гг. в Московском инженерно-строительном институте (МИСИ) были выполнены уникальные по объему (>70 опытов) исследования размыва и методов защиты от него моделей ВЦБД, как простейшего прототипа гравитационных сооружений, проектируемых для добычи нефти и газа на шельфе о. Сахалин. Модели располагались на размываемом дне из мелкого и крупного песка в волновом канале и подвергались воздействию регулярных волн. Результаты этих исследований были частично опубликованы в [2, 8, 9]. На основе теории подобия и размерностей, а также математического анализа результатов опытов с крупным песком, впервые была полу-
чена эмпирическая формула для расчета глубины размыва защитной отсыпки из щебня или мелкого камня вокруг ВЦБД [2, 9]. Эта формула включала три безразмерных параметра (критерия подобия): относительную размывающую донную волновую скорость, параметр мелководности волн Урсела и параметр дифракции.
Однако в последующие годы в научно-технической литературе не было публикаций, существенно развивающих количественные методы прогноза глубины размыва около ВЦБД.
В [11] дан обзор исследований, выполненных за последние 20 лет, которые посвящены изучению течений, вызванных волнами, вблизи ВЦБД и только качественно описывают некоторые частные случаи размыва вокруг цилиндра при использовании на моделях мелкого песка и полимерных частиц. В [13] сделан вывод о качественном различии картин размыва дна вокруг ВЦБД при волнении в случае движения наносов на ровном и рифельном дне, что ранее было показано в [2]. В [11, 12] изложены результаты изучения местного размыва под воздействием длинных регулярных волн вокруг моделей ВЦБД, расположенных на дне из мелкого песка, на котором во время опытов образовывались рифели. На основе этих опытов была предположительно обнаружена прямопропорциональная зависимость глубины размыва от числа Кэйлегана-Карпентера и параметра дифракции.
Следует отметить, что ни в одной из ранее опубликованных работ, где в опытах с моделями ВЦБД использовался мелкий песок, не обсуждались вопросы о корректности такого моделиро-
Рис. 1. Схема волнового канала. 1, 2 - стенки волнового бассейна и канала соответственно; 3 - волнопродуктор; 4 -клинообразный волногаситель; 5 - модель цилиндра; 6 -приямок с песком; 7 - жесткое дно канала; 8 - наклонный и 9 - вертикальный волногасители. Здесь и на рис. 2 стрелки - направление движения волн.
вания и допустимости применения полученных в лаборатории данных для натурных условий.
С начала 1980-х гг. стала интенсивно развиваться теория донного волнового трения, которая внесла существенный вклад в решение общей проблемы транспорта наносов под действием волн. К середине 1990-х гг. были опубликованы работы, позволяющие использовать основные положения этой теории в инженерных приложениях [6, 10].
Исходя из вышеизложенного, было признано целесообразным сопоставить полученный ранее в МИСИ обширный экспериментальный материал с результатами более поздних исследований других авторов для повторного углубленного анализа с точки зрения теорий подобия и донного волнового трения. Особое внимание в настоящей работе уделено следующим задачам: сопоставительному анализу качественных и количественных результатов опытов с мелким и крупным песком на моделях; получению новой формулы для расчета глубины размыва дна около ВЦБД; анализу условий корректного моделирования процесса размыва при волнении и обоснованию возможности переноса данных лабораторных исследова-
ний в натурные условия с целью их использования в инженерных расчетах.
ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗМЫВА ДНА
ВОКРУГ ВЦБД ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВОЛН
Экспериментальная установка, программа и методика исследований
Для проведения экспериментальных исследований была спроектирована и построена специальная волновая установка - волновой канал с открытыми торцами и клинообразным волногасителем [2, 3]. Схема волнового канала представлена на рис. 1. Волновой канал шириной 3, глубиной 1 и длиной 20.3 м был сооружен внутри мелководного волнового бассейна с размерами 25, 1.2 и 27 м соответственно. Дно волнового канала на 0.2 м выше дна бассейна, торцы открыты, т.е. канал не замкнут. В одном торце канала установлен волнопродуктор для воспроизведения регулярных волн. На расстоянии 2 м от противоположного открытого торца канала в бассейне установлен наклонный клинообразный волногаситель, отражающий волны, выходящие из канала, в сторону бассейна, а не обратно в канал. Конструкция вол-
(а)
(б)
бине воды в волновом канале 0.135, 0.15, 0.18, 0.20, 0.30 и 0.45 м. Цилиндры заглублялись в горизонтальное дно из крупного песка, уложенного в придонный приямок размером 2 X 2 и глубиной 0.2 м. Средняя крупность частиц песка ё50 в 45 опытах была равна 0.80, в трех - 1.5 и в двух - 2.5 мм.
Общая продолжительность процесса размыва дна в каждом опыте обеих серий составляла от 5 до 9 ч. Подробное описание техники и методики исследований дано в [2]. По результатам измерений отметок деформированного дна для фиксированного момента времени строились профили размыва дна по контуру цилиндров в 16 точках. Кроме того, в каждом опыте определялись максимальные значения глубины размыва ^тах, высоты отложения песка Атах на дне у контура цилиндра и фиксировались точки их местонахождения в плане (рис. 2).
Рис. 2. Места образования максимальной глубины размыва (светлые кружки) и максимальной высоты отложения песка (темные) вокруг ВЦБД в опытах при волнении. а - мелкий песок (серия I); б - крупный песок (серия II); 1, 5, 9, 13 - номера четырех из 16 точек измерения деформаций дна вокруг контура цилиндра.
нового канала практически исключала волновой нагон и возникновение обратного компенсационного течения в канале, которое обычно искажает донные волновые скорости (ДВС) и картину деформации песчаного дна на моделях в замкнутых каналах.
Были выполнены две большие серии опытов по изучению местного размыва вокруг моделей ВЦБД на размываемом дне, сложенном как мелким, так и крупным песком. Характеристики моделей (диаметры цилиндров, глубина воды, высота, период и длина волн) выбирались, исходя из условия геометрического подобия в масштабе ~1 : 50 для проектируемых ледостойких сооружений на шельфе о. Сахалин.
В серии I были проведены исследования местного размыва дна из мелкого песка со средней крупностью частиц ё50 = 0.25 мм вокруг трех моделей вертикальных жестких полых (из листового металла) цилиндров с диаметрами В = 0.3, 0.45 и 0.6 м, и высотой 1 м при глубине воды ё, равной 0.15, 0.3 и 0.45 м. Цилиндры располагались на горизонтальном участке дна из мелкого песка длиной 6 и шириной 3 м при толщине слоя песка 0.2 м. Полые цилиндры заглублялись в песок на 0.15 м и доверху засыпались песком для придания устойчивости. Всего в серии I было проведено 23 опыта при различных параметрах регулярных волн.
В серии II было проведено 50 опытов с четырьмя моделями вертикальных цилиндров диаметром В, равным 0.15, 0.3, 0.45 и 0.6 м, при глу-
Основные качественные особенности размыва дна вокруг вертикальных цилиндров в опытах
Анализ и сравнение результатов, полученных в опытах двух серий, выявили существенные различия картин местного размыва дна вокруг цилиндров при равных условиях проведения опытов с регулярными волнами.
Тип дна. Движение наносов и местный размыв вокруг цилиндров во всех опытах серии I (с мелким песком) происходили с образованием ри-фельного дна. В серии II (с крупным песком) ри-фели не образовывались и процесс местного размыва происходил при ровном дне.
Формы воронок местного размыва вокруг
ВЦБД. В серии I картины местного размыва мелкого песка носили случайный характер и во всех опытах были различны; отсутствовала четко очерченная воронка размыва, и ее границы имели произвольные очертания. Профили деформации дна по контуру ВЦБД имели случайное чередование зон отложения песка и размыва, что видно на примерах, приведенных в [2]. Важно отметить, что положение точек максимальной глубины размыва ^тах и максимальной высоты отложения песка Атах у контура цилиндра во всех 23 опытах было случайным
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.