Полный текст

Введение Безопасная эксплуатация транспортных сооружений не может быть обеспечена без надежных и эффективных сооружений инженерной защиты. Недостаточная степень учета геологических условий приводит к авариям сооружений [1]. В последние годы для проектирования земляного полотна автомобильных дорог и устоев мостов разрабатывается и применяется большое количество расчетных комплексов [2-4], которые предназначены для оценки устойчивости склонов. При проектировании и эксплуатации мостов в береговой зоне важнейшей задачей является также обеспечение защиты мостовых опор от размыва. Данный вопрос достаточно широко освещен в нормативной и технической литературе по проектированию мостовых переходов через водотоки, когда требуется обеспечить устойчивую защиту при воздействии речного потока [5-7]. Однако для случаев, когда опоры мостов расположены на морских акваториях в зоне воздействия волн, требуется иной подход к проектированию. При этом руководствоваться нормами для проектирования морских берегозащитных сооружений также недостаточно ввиду того, что в отличие от линейных береговых сооружений (защитные волногасящие полосы земляного полотна железных дорог) вблизи мостовых опор на акваториях возникают достаточно сложные гидрологические рефракционно-дифракционные эффекты [8]. Также может иметь место интерференция ветровых волн (т.е. наложение подходящих и отраженных волн, и, как следствие, увеличение амплитуды), которая обусловливает возрастающую волновую нагрузку на элементы крепления защитных откосов при косом подходе волн [9-11], что, в свою очередь, создает угрозу размыва основания мостовых опор. В настоящей статье представлены результаты экспериментальных исследований волногасящих откосов для защиты мостовых опор от волнового воздействия. Объектом исследования являются конструкции защитных волногасящих откосов, сооружаемых для защиты опор мостов, проектируемых и эксплуатируемых в условиях волнового воздействия на берегах морей (таких как мост на остров Русский во Владивостоке и др.). Цель работы - выбор оптимальных конструктивных решений защитных откосов, обеспечивающих надежную и безопасную эксплуатацию мостовых переходов при морских штормах редкой повторяемости. Методика исследования Для обеспечения устойчивости откосов и определения возможных деформаций при волновом воздействии проводились исследования методом физического моделирования в научно-исследовательском центре «Морские берега», г. Сочи (в настоящее время ОП АО ЦНИИТС «НИЦ “Морские берега”»). Метод физического моделирования широко применяется при решении разного рода задач в геотехнике [12-14], гидротехническом строительстве [15, 16] и т.п. В масштабе 1 : 52 в волновом бассейне была построена модель сооружения с волногасящими откосами. Линейные размеры (геометрические размеры сооружений и их элементов, глубины, высоты и длины волн) на модели принимались в линейном масштабе. Подводный рельеф строили по деревянным шаблонам, устанавливаемым по нивелиру. Подготовленное основание модели засыпалось песком, а затем покрывалось бетонной стяжкой. Модель исследуемого участка от остальной части бассейна была отгорожена металлическими щитами (рис. 1). Рис. 1. Вид модели в волновом бассейне Fig. 1. Layout model in the wave basin При моделировании принимались параметры волн, соответствующие волнам расчетного шторма, возможного один раз в 25 лет, 5 % обеспеченности. Продолжительность шторма во всех опытах была принята равной 10 ч в пересчете на натуру. Физическое моделирование проводилось по методике, изложенной в [15, 16]. Данная методика применяется исследователями для оценки устойчивости волногасящих откосов как в мировой практике [17-19], так и в нашей стране [20-22]. При этом в качестве основного критерия подобия следует использовать число Фруда, т.е. необходимо обеспечить равенство чисел Фруда объекта и модели [23, 24]: (1) где Fr - число Фруда; V - характерная скорость (например, скорость распространения волны); g - ускорение свободного падения; L - характерный линейный размер (например, длина волны). Так как исследовалось волновое воздействие на откосы набросных сооружений (из камня или фасонных массивов), также обеспечивалось на модели выполнение условия Re ≥ 1000, (2) где Re - число Рейнольдса, определяемое по формуле (3) где V - характерная скорость (например, скорость распространения волны); L - характерный линейный размер (например, диаметр элементов наброски); n - кинематическая вязкость жидкости. В работе, с учетом размеров волнового бассейна и моделируемого сооружения, геометрический масштаб модели принят равным = 1 : 52. (4) Чтобы обеспечить на модели и в натурных условиях равенство чисел Фруда (1) масштаб периода волн составил: = 1 : 7,21, (5) а масштаб массы элементов наброски волногасящего откоса = 1 : 140608. (6) Деформации оценивались путем сравнения поперечных профилей (рис. 2). Результаты Конструкция № 1. Вначале для защиты откоса от волнового воздействия исследовалась конструкция, представленная на рис. 3. В верхней части откоса от отметки минус 11,5 см (минус 6,0 м)[1] на скальную массу крупностью 0,14÷1,9 см (70÷1000 мм) отсыпан камень крупностью 1,9÷2,9 см (1,0÷1,5 м) толщиной слоя 6,3 см (3,3 м) до отметки 8,5 см (4,4 м). Уклон откоса с морской стороны составлял 1 : 2,5, а отметка верха технологической площадки - +5,8 см (+3,0 м по Балтийской системе высот (БС) 1977 г.). Во время проведения опыта наблюдались переливы через волногасящий откос. Кроме того, произошло значительное уположение откоса (рис. 4). Профили откоса, переформированные волнением, представлены на рис. 5. Рис. 3. Конструкция № 1. Схема Fig. 3. Construction No. 1. Scheme Рис. 4. Конструкция № 1. Деформации волногасящего откоса во время опыта Fig. 4. Construction No. 1. Deformation of the wave-damping slope during the experiment Рис. 5. Конструкция № 1. Переформирование откоса на разных участках по окончании опыта Fig. 5. Construction No. 1. Reshaped slopes at different sites at the end of the experiment Конструкция № 2. Далее исследовалась конструкция, представленная на рис. 6. Отличие от предыдущей конструкции состояло в том, что ширина полки в верхней части защитной отсыпки камня увеличена до 19,2 см (10,0 м). Во время проведения опыта наблюдались незначительные переливы через волногасящий откос, а также небольшое уположение откоса (рис. 7). Разрушения откоса критическими не являются, сооружение подлежит восстановлению и дальнейшей эксплуатации. Профили откоса, переформированные волнением, представлены на рис. 8. Рис. 6. Конструкция № 2. Схема Fig. 6. Construction No. 2. Scheme Рис. 7. Конструкция № 2. Деформации волногасящего откоса во время опыта Fig. 7. Construction No. 2. Deformation of the wave-damping slope during the experiment Рис. 8. Конструкция № 2. Переформирование откоса на разных участках по окончании опыта Fig. 8. Construction No. 2. Reshaped slopes at different sites at the end of the experiment Конструкция № 3. Затем для защиты опоры моста от волнового воздействия исследовалась конструкция волногасящего откоса, представленная на рис. 9. В верхней части откоса от отметки минус 11,5 см (минус 6,0 м) на скальную массу крупностью 0,14÷1,9 см (70÷1000 мм) уложены цилиндрические габионы в три слоя. Уклон откоса с морской стороны составлял 1 : 2,5. Отметка верха защитного слоя +8,5 см (+4,40 м), а технологической площадки - +5,8 см (+3,0 м). Во время проведения опыта защитное покрытие из габионов было разрушено, что повлекло за собой размыв волногасящего откоса (рис. 10). Профили откоса, переформированные волнением, представлены на рис. 11. Рис. 9. Конструкция № 3. Схема Fig. 9. Construction No. 3. Scheme Рис. 10. Конструкция № 3. Деформации волногасящего откоса во время опыта Fig. 10. Construction No. 3. Deformation of the wave-damping slope during the experiment Рис. 11. Конструкция № 3. Переформирование откоса на разных участках по окончании опыта Fig. 11. Construction No. 3. Reshaped slopes at different sites at the end of the experiment Заключение По результатам проведенных исследований волногасящих откосов для защиты мостовых опор от волнового воздействия можно сделать следующие выводы: 1. Ввиду сложных гидрологических рефракционно-дифракционных эффектов и интерференции волн при взаимодействии с волногасящими откосами, защищающими опоры мостов, характер деформаций носит различный характер по периметру сооружения. При этом наблюдается картина, схожая с деформациями защитных набросок в корневых частях оградительных молов портов [9], что подтверждается также исследованиями [10], когда имеет место косой подход волн к сооружению. 2. При одних и тех же условиях (параметры расчетного волнения, подводный рельеф дна, конфигурация опоры) наиболее надежным является вариант крепления волногасящего откоса камнем. Камень может быть заменен фасонными массивами (например, гексабитами). 3. Использование цилиндрических габионов для защиты волногасящих откосов опор мостов является наименее надежным вариантом и не может рассматриваться как универсальный (типовой) вариант защиты. Использование подобных конструкций требует детальных исследований на пространственных моделях в каждом конкретном случае с учетом условий конкретного объекта (волнение, уровенный режим, подводный рельеф и т.п.).

Об авторах

Г. В. Тлявлина

Центральный научно-исследовательский институт транспортного строительства (ЦНИИТС); НИЦ «Морские берега»

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 79

PDF (Russian) - 56

Ссылки

• Ссылки не определены.