Вероятностная оценка истирающего воздействия дрейфующего ледяного покрова на морские гидротехнические сооружения (03.09.2012)

Автор: Уварова Татьяна Эриковна

2. Осуществляется привязка системы отсчета к плановой ориентации сооружения по отношению к сторонам света и выбирается расчетное направление скорости дрейфа льда.

3. Определяются границы зоны контакта, которые зависят от следующих факторов, влияющих на размеры опасной зоны истирания:

– ориентации сооружения на месте установки, направления скорости дрейфа льда rumb и эффекта затенения от действия ледовой нагрузки;

– расчетного положения уровня моря Z и толщины ледяного образования h;

– модели разрушения ледяной плиты перед сооружением h1;

– длины зоны контакта dk, которая зависит от размеров ледяных образований D и, как следствие, типа математической модели формирования ледовой нагрузки.

Границы зоны контакта определяются на каждом шаге расчета, разбиваются на равные участки ?Z и накладываются на сетку кластеров сооружения, где хранятся и накапливаются расчетные данные.

4. Рассчитываются параметры ледовой нагрузки и ледовой абразии для всех кластеров зоны контакта и сохраняются в расчетных кластерах.

5. Суммарная глубина ледовой абразии в каждом кластере сооружения является расчетной.

Предложенная методика планово-высотного распределения ледовых воздействий является структурной оболочкой программно-расчетного комплекса «IceStrIn», позволяет определить параметры ледовых истирающих воздействий в любой точке опасной зоны истирания и формирует «поверхность» ледовой абразии.

В третьей главе выполнено численное моделирование истирающего воздействия ледяного покрова.

Численное моделирование глубины ледовой абразии выполнялось для трех моделей механического взаимодействия ледяных образований с сооружением (битый лед, обломки ледяных полей, ледяные поля).

На среднюю глубину истирания влияют следующие параметры: h – толщина льда; D – диаметр ледяного образования; N – сплоченность; T – температура; V – скорость ледяного образования; Z – уровень моря. Общее функциональное уравнение средней глубины ледовой абразии для шести фундаментальных переменных имеет вид:

В соответствии с уравнением (22) были выполнены расчеты глубины ледовой абразии и длины пути истирания для каждой расчетной точки за 1 мес расчетного времени.

, – это отношение глубины ледовой абразии d? к длине пути истирания dL в каждой расчетной точке), при этом оценивается влияние входных параметров ледового режима на ?l.

за 1 с расчетного времени в каждой расчетной точке.

Согласно теореме Букингема, функциональное уравнение средней скорости ледовой абразии модно записать в следующем виде:

где V – скорость дрейфа льда, м/с; D – диаметр ледяных образований, м; h – толщина ледяных образований, м; N – сплоченность льда, балл; T – температура воздуха, °C; TW – температура морской воды, принимается равной –1,8 °C.

На основе проведенного корреляционного анализа в программе Statistica 8.0 были получены полиномиальные зависимости интенсивности ледовой абразии от диаметра ледяных образований и их скорости. Результаты численного эксперимента хорошо согласуются с исследованиями других авторов (H. Saeki, D. Fiorio, J. Janson, F. Hara), что подтверждает работоспособность программно-расчетного комплекса.

Для всех типов ледяных образований характерна тенденция уменьшения глубины ледовой абразии при увеличении размеров ледяных полей.

При низких скоростях движения ледяных полей глубина ледовой абразии незначительна, а скорость ледовой абразии увеличивается с понижением температуры, что обусловлено большими размерами ледяных полей, при этом наблюдаются случаи остановки ледяных полей, которые практически отсутствуют для других типов ледяных образований.

Для битого льда наблюдается увлечение ледовой абразии в области больших скоростей и сплоченности льда, что соответствует описанным ранее результатам натурных и экспериментальных исследований J. Janson.

Для всех типов ледяных образований при увеличении скорости дрейфа льда и размеров ледяных образований скорость абразии увеличивается, при этом с увеличением сплоченности и уменьшением скорости дрейфа льда абразия уменьшается.

Максимальная скорость ледовой абразии наблюдается при малых размерах ледяных образований (D = 1,0 м) и максимальной сплоченности льда, а минимальная скорость характерна для больших ледяных полей при минимальной сплоченности льда.

В четвертой главе предложена методика проведения верификации математических моделей ледовых истирающих воздействий. Методика основана на длительных (более 10 лет) натурных наблюдениях за гидрологическим, ледовым режимом и глубиной ледовой абразии реальных сооружений и включает следующие этапы исследований (рис. 7).

Рис. 7. Схема проведения верификации

1. Обработка данных длительных натурных наблюдений:

– за ледовым режимом района эксплуатации сооружения (толщина льда, размеры ледяных образований, сплоченность, скорость дрейфа льда) и приведение их к виду, необходимому для использования в программно-расчетном комплексе «IceStrIn»;

– за гидрологическим режимом и метеорологическими условиями района эксплуатации сооружения (колебания уровня моря, температура воздуха и толщина снежного покрова).

2. Обработка данных наблюдений за глубиной ледовой абразии сооружения за длительный период (более 10 лет).

3. Отбор образцов материала из тела сооружения в зоне воздействия льда.

4. Проведение лабораторных испытаний отобранных образцов материала на сопротивление ледовой абразии.

5. Статистическая обработка данных лабораторных испытаний и получение эмпирической модели интенсивности ледовой абразии.

6. Подготовка исходных данных о геометрических параметрах опоры сооружения, определение размеров опасной зоны истирания и уточнение граничных условий зоны контакта для ввода в математическую модель.

7. Проведение расчетов при помощи программно-расчетного комплекса «IceStrIn»

8. Сравнение результатов расчета глубины ледовой абразии с результатами натурных наблюдений, анализ результатов расчета и оценка адекватности математических моделей ледовых истирающих воздействий.

Для верификации математических моделей ледовых истирающих воздействий и разработанной методики расчета глубины ледовой абразии используются:

– результаты натурных наблюдений за абразией бетона маяков Raahe, Oulu2, Oulu3 в Ботническом заливе Балтийского моря после 40 лет эксплуатации;

– результаты экспериментальных исследований на ледовую абразию образцов бетона, выпиленных из кернов с этих маяков;

– результаты расчета глубины ледовой абразии с использованием программно-расчетного комплекса «IceStrIn» для условий Балтийского моря.


загрузка...