Transcript
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» Инженерно-строительный институт Кафедра «Водохозяйственное и гидротехническое строительство» Работа допущена к защите зав. кафедрой Арефьев Н.В г. МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ Тема: АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ МЕТОД ЗАЩИТЫ ОТО ЛЬДА СООРУЖЕНИЙ ПОРТА САБЕТТА Направление: Строительство Магистерская программа: Морские гидротехнические сооружения и сооружения водных путей Выполнил студент гр /15 Руководитель: профессор, доктор физико-математических наук А.Ю. Погорелова К.Н. Шхинек Консультанты: по экологической безопасности профессор, доктор медицинских наук по 3-D визуализации проектируемого объекта профессор, доктор технических наук по учебно-методическим вопросам доцент, кандидат технических наук И.В. Лисовский А.С. Большев Н.Д. Беляев Санкт-Петербург 2014 г АННОТАЦИЯ магистерской диссертации «АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ МЕТОД ЗАЩИТЫ ОТО ЛЬДА СООРУЖЕНИЙ ПОРТА САБЕТТА» выполненной на кафедре «Водохозяйственное и гидротехническое строительство» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета Целью работы является определение ледовой нагрузки на сооружение и на систему свай; выбор оптимальной системы защиты для условий морского порта в районе пос. Сабетта. Под оптимальной системой защиты подразумевается такая система защиты, которой соответствует максимальное снижение нагрузки на сооружение при приемлемой стоимости ледозащитной системы. Решение задачи проводилось в несколько этапов. В результате расчетов была выбрана свая, параметры которой удовлетворяют ледовым и геологическим условиям морского порта Сабетта. Расчетное обоснование выполнено в соответствии с требованиями нормативных документов. Полученные результаты были использованы в численном моделировании. Были проведены обширные численные эксперименты, в результате которых определены искомые параметры защиты: количество рядов свай, количество свай и степень снижения нагрузки на сооружение в зависимости от рядов свай и свай в ряду. В завершение была определена экономическая выгода от строительства ледозащитных сооружений. На основании результатов численного эксперимента и расчета экономической выгоды была выбрана двухрядная система свай, удовлетворяющая условиям морского порта в районе пос. Сабетта. 2 В работе использовались расчетные методы, изложенные в строительных нормах и правилах, а также программные комплексы САПР Гидротехника , PFC2D PARTICLE FLOW CODE IN 2 DIMENSIONS. Ключевые слова: ледовые нагрузки, ледозащита, система свай, морской порт в районе пос. Сабетта. 3 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ Естественные условия Общая характеристика района Метеорологические условия Температура воздуха Ветер Гидрологические условия Температура и соленость воды Уровень воды Течения Волнение Ледовый режим Толщина льда Физико-механические свойства Дрейф льда Геологическое строение ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛЕДОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ Описание компоновочного решения V9 морского порта в районе пос. Сабетта Достоинства и недостатки компоновочного решения V Сценарии воздействия льда на сооружение ЛЕДОЗАЩИТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ Ледовые нагрузки Критерий выбора сваи Прочность сваи Численное моделирование Описание программы Программа проведения численных экспериментальных исследований свайной защиты сооружений и методика обработки результатов экспериментов Принятая методика обработки результатов экспериментов Результаты расчета защитного эффекта системы свай и нагрузок на сваи Исходные данные Система из 5 свай (L 1 /D=10) Система из 9 свай (l 1 /D=5) Система из 11 свай (L 1 /D=4) Система из 15 свай (L 1 /D=3) Анализ результатов Сравнение нагрузок на сооружение при однорядной и двухрядной системах и разном количестве свай Сравнение нагрузок на сваи при однорядной и двухрядной системах при разном количестве свай Обобщенное сравнение нагрузок на сваи при однорядной и двухрядной системах при разном количестве свай Влияние сооружения на нагрузки, действующие на однорядную систему свай Выводы по программе ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ. ПРИНЯТАЯ КОНСТРУКЦИЯ ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ПРИЛОЖЕНИЕ А ПРИЛОЖЕНИЕ Б ПРИЛОЖЕНИЕ В ПРИЛОЖЕНИЕ Г ПРИЛОЖЕНИЕ Д ПРИЛОЖЕНИЕ E ПРИЛОЖЕНИЕ Ж ВВЕДЕНИЕ В магистерской диссертации были рассмотрены вопросы использования ледозащитных сооружений в виде системы свай в условиях морского порта возле пос. Сабетта. Целью работы являлось определение ледовой нагрузки на сооружение и на систему свай, выбор оптимальной системы защиты. В результате проведения расчетов, была выбрана свая, параметры которой удовлетворяют ледовым и геологическим условиям морского порта Сабетта. Расчетное обоснование выполнено в соответствии с требованиями нормативной документации. Полученные результаты были использованы в численном моделировании. В настоящей работе были проведены исследования расчетного комплекса, включающего как сооружения, так и сваи. Оптимизация этой системы подразумевает выбор условий, соответствующих одновременному снижению нагрузки на сооружение до определенного уровня при условии минимизации материалоемкости защиты. Это означает, что должна изучаться и минимизироваться не только нагрузка на сооружение, но и на сваи. В частности, значения нагрузки на сваи при различных схемах их расстановки, сопоставление взаимного влияния свай на нагрузку на них и изучение обратного влияния сооружения на нагрузки на сваи. Исходя из изложенного, задачей настоящих исследований являлось: - определение защитных свойств двухрядной системы свай; - изучение эффективности двухрядной системы по сравнению с однорядной системой и выяснение условий, где использование двухрядной системы более целесообразно по уровню защиты сооружения; - определение нагрузок на сваи в двухрядной и однорядной системах; - изучение вопроса о влиянии расстояния между сваями в ряду на нагрузки на сооружение и сваи; - рассмотрение обратного влияния сооружения на нагрузки на сваи. 6 Для ответа на приведенные вопросы проведены и проанализированы обширные численные эксперименты. Помимо этого была рассчитана экономическая выгода от строительства ледозащитных сооружений в виде системы свай. На основании численного моделирования и экономической выгоды от строительства ледозащитных сооружений была выбрана оптимальная система свай, применимая для условий порта в районе поселка Сабетта. 7 1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 1.1 Естественные условия Данные по естественным условиям приняты на основании приведенных в проектной документацией ОАО «Ленморниипроект» [2]. Кроме того, были использованы справочные данные, отчеты об инженерных изысканиях, исходные данные для проектирования по исследованиям зарубежных компаний Общая характеристика района Район проектирования расположен в северной части Обской губы Карского моря, на западном Ямальском берегу Обской губы. На полуострове распространена сплошная многолетняя мерзлота, с мощностью мерзлых пород от 2 до 400 м и более. Берег полуострова Ямал на всем протяжении отмелый и низкий, с высотой около 4 м. Поверхность разделена большим количеством рек, оврагов, ручьев, озер, болот и т. д. Наиболее крупные из рек: Тамбей, Латаяха, Сабеттаяха, Вэйнуймуеяха. Питание водоемов и рек по большей части снеговое, половодье в июне. Ледостав рек с середины октября до начала июня. Дно Обской губы в основном равнинное. Донные осадки представлены песчано-илистыми отложениями. Грунт на дне вязкий, илистый, береговые же отмели песчаные. Обская губа с октября по июль (около 290 сут.) покрыта льдом и снегом. В августе температура воды поднимается в среднем до 3-5 С. На севере Ямала распространен арктический климат с небольшим количеством осадков. Толщина снежного покрова достигает в среднем 40 см. Природная зона тундра. 8 1.1.2 Метеорологические условия Температура воздуха Расчетные значения температуры воздуха по данным ГМС Тамбей: - температура самых холодных суток минус 46 С; - температура самой холодной пятидневки минус 42 С; Средние положительные значения температуры воздуха, плюс 0,7-2,4 С, наблюдаются с июня по сентябрь Ветер Скорость ветра 2% обеспеченности, определенная по данным ГСМ Тамбей, равна:. Дополнительные сведения, принятые по справочным данным Российского морского Регистра Судоходства [3], приведены в п , по данным [4] в приложении А Гидрологические условия Температура и соленость воды Характерные значения температуры и солености воды составляют: - для летнего периода 5,0-5,2 С и 0,0-0,5 у поверхности и до 3 С и 1,0-2,0 у дна; - для зимнего периода минус 0,4 С и 2,0-3,0 у поверхности и до минус 0,8 С и 17,0-23,7 у дна Уровень воды Уровенный режим Обь-Тазовской устьевой области формируется под влиянием целого ряда факторов. Различное влияние этих факторов в отдельных частях устьевой области по-разному определяют величину и характер колебания уровня, что в первую очередь зависит от морфологических особенностей русла и ледовых явлений. 9 Режим уровней в северной части Обской губы формируется под влиянием короткопериодных приливных и сгонно-нагонных явлений, а также долгопериодных явлений сезонных колебаний уровня моря и, в меньшей степени, под влиянием стока крупных рек, впадающих в Обскую и Тазовскую губы. Долгопериодные явления создают уровенный фон, на который накладываются периодические и непериодические колебания уровня. Приливная волна, имея 0,5 м высоту в Карском море, входя в узкую часть губы, вначале возрастает в 2-3 раза (м. Дровяной - амплитуда прилива 1,85 м), а затем постепенно понижается, доходя практически до нуля в середине дельты р. Оби. Приливы в районе п. Сабетта имеют в целом полусуточный характер. Во временном ходе приливных колебаний уровня наиболее выражено фазовое неравенство приливов. Сизигийные приливы достигают максимального развития на третьи сутки после астрономической сизигии (полнолуние и новолуние). Величина квадратурных приливов в 2,2-2,4 раза меньше величины сизигийных приливов. Средняя сизигийная величина прилива в Сабетте в августе равна 128 см, в апреле равна 57 см. Средняя квадратурная величина прилива в Сабетте в августе равна 53 см, в апреле равна 26 см. Нагоны в Обской губе обусловлены северными, западными и северозападными ветрами. При юго-западных ветрах могут наблюдаться небольшие подъемы уровня. Сгоны обусловлены восточными, южными и юго-восточными ветрами. Непериодические колебания уровня достигают наибольших значений на южной границе устьевого взморья (м. Ям-Сале). Расчетные значения уровней получены по данным наблюдений на морской гидрометеорологической станции Тамбей (значения уровней даны в Балтийской системе высот): 10 - средний многолетний уровень минус 29 см; - наинизший теоретический уровень (НТУ) минус 105 см; - наивысший теоретический уровень (ВТУ) 47 см; - максимальный расчетный годовой уровень повторяемостью 1 раз в 100 лет 128 см; - максимальный расчетный годовой уровень повторяемостью 1 раз в 50 лет 118 см; - минимальный расчетный годовой уровень повторяемостью 1 раз в 20 лет минус 147 см Течения Структура течений в рассматриваемом районе складывается из постоянной, приливной и непериодической (главным образом, ветровой) составляющих. Наибольший вклад в изменчивость течений в районе строительства имеют приливные течения. В поверхностном слое скорость суммарных течений может достигать 124 см/с. На придонном горизонте (20 м) максимальная зафиксированная скорость составила 32 см/с. Направления потоков максимальной интенсивности совпадает с направлением наибольшей повторяемости течений. Постоянные течения образуются за счет речного стока главным образом реки Обь, направлены на север, их скорость составляет не более 0,05-0,1 м/с и меняется в зависимости от сезона. В слое 0-12 м в целом на рассматриваемой акватории приливная составляющая течений имеет полусуточный характер с реверсивным видом движения в приливном цикле. Средняя сизигийная скорость приливных 11 течений на поверхностном горизонте в районе предполагаемого строительства составляет 52 см/с в направлениях север-юг. Квадратурные приливные скорости в 2,5 раза меньше (24 см/с) Волнение В районе участка строительства расчетные значения элементов волн различно обеспеченности в летний период повторяемостью 1 раз в 100 лет составляют: h 1% = 5,045 м; λ = 25,03 м; τ = 4,01 с. Расчетные параметры ветра и волнения на входе в Обскую губу по данным [3] приведены в таблицах 1, 2. Таблица 1 Расчетные параметры ветра и волн на входе в Обскую губу Наименование Анемометрическая скорость ветра, м/с Анемометрическая скорость ветра ассоциированная с высотой волн 3% обеспеченности, м/с Средняя высота волн, м Высота волн 3% обеспеченности, м Средний период волн, ассоциированный с высотой волн 3% обеспеченности, с Средняя длина волн, ассоциированная с высотой волн 3% обеспеченности, м Повторяемость 1 раз в год С Повторяемость 1 раз в 50 лет Румб Повторяемость 1 раз в год СВ Повторяемость 1 раз в 50 лет 20,5 27,4 20,5 26,9 19,4 22,4 20,4 23,7 1,8 2,2 1,8 2,3 3,6 4,4 3,7 4,6 6,3 6,9 6,2 6,9 62,0 73,0 61,0 74,0 12 Таблица 2 Продолжительность штормов и «окон погоды» в навигационный период на входе в Обскую губу Наименовани е Скорость ветра более 16 м/с Высота волн 3% обеспеченнос ти менее 1,0 м \Высота волн 3% обеспеченнос ти менее 2,0 м Высота волн 3% обеспеченнос ти менее 3,0 м Высота волн 3% обеспеченнос ти менее 4,0 м Высота волн 3% обеспеченнос ти менее 5,0 м Продолжительность штормового периода, сутки Сентяб Октябр Июль Август рь ь Продолжительность «окон погоды», сутки Сентяб Октябр Июль Август рь ь 1,3 1,5 1,4 2,0 31,0 31,0 30,0 31,0 2,8 3,8 3,8 4,3 9,1 7,2 4,5 5,6 2,9 2,1 2,8 2,4 31,0 23,8 18,9 26,9 3,0 1,5 3,3 1,7 31,0 31,0 30,0 31,0-1,2 2,1 1,4-31,0 30,0 31, , , Ледовый режим Толщина льда Устойчивое ледообразование в Обской губе в среднем начинается в первой декаде октября, окончательное очищение ото льда происходит в третьей декаде июля. Средняя продолжительность ледового периода в районе строительства составляет 290 дней, максимальная 320 дней. 13 Торосистость льда составляет в среднем 1-2 балла, но на кромках припая, у островов и мысов может достигать 4 баллов. На припае образуются стамухи и барьеры торосов. Высоты их могут достигать 8-ми и более метров. Максимальная толщина льда в течение года по данным станций стационарных наблюдений (пост Тамбей) изменяется от ~44 см в октябре до h d = 246 см в мае (в феврале ~193 см). Средние размеры тороса: высота паруса 1,95 м, ширина паруса 16,0 м, осадка киля 8,6 м, ширина киля 36 м, высота снега 0,59 м Физико-механические свойства Характеристики льда приводятся на период февраль - май. Осредненная по толщине температура ровного льда за весь период наблюдений: средняя минус 3,5 С, экстремальная минус 16,2 С. Осредненная по толщине температура торосистого льда за весь период наблюдений: средняя минус 2,9 С, экстремальная минус 8,2 С. Осредненная по толщине соленость ровного льда за весь период наблюдений: средняя 0,44, экстремальная 0,0-1,0. Осредненная по толщине соленость торосистого льда за весь период наблюдений: средняя 0,26, экстремальная 0,05-0,53. Осредненная по толщине плотность ровного льда за весь период наблюдений: средняя 887 кг/м 3, экстремальная кг/м 3. Осредненная по толщине плотность торосистого льда за весь период наблюдений: средняя 872 кг/м 3, экстремальная 844/905 кг/м Дрейф льда Роза дрейфа льда в районе п. Сабетта представлена на рисунок 1, совместные повторяемости скорости и направления, а также статистики скоростей по направлениям приведены в таблице 3. 14 1,077 м/с. Скорость суммарного дрейфа льда: средняя 0,173 м/с, экстремальная Рисунок 1 - Роза дрейфа льда в районе пос. Сабетта в период весеннего ледохода по наблюдениям г.г. Таблица 3 Средние и максимальные скорости дрейфа льда по румбам а районе п. Сабетта а период весеннего ледохода по наблюдениям г.г. (м/с) 15 Согласно данным, приведенным в технической записке ФГБУ «ААНИИ» [6] в таблице 4 и на рисунке 2 приведены данные по направлению и продолжительности весеннего и осеннего дрейфа льда. Таблица 4 Среднее и экстремальное количество дней с осенним и весенним дрейфом льда, рассчитанное по данным наблюдений стационарной сети Пункт Количество дней с осенним дрейфом льда/год Количество дней с весенним дрейфом льда/год максимальное среднее минимальное максимальное среднее минимальное Тамбей 55/ / / /1944 Рисунок 2 Траектории дрейфа ледяных полей с буями в районе п. Сабетта в период с 19 июня по 04 июля 2011 г Геологическое строение Местоположение проектируемых ледозащитных сооружений альтернативной компоновки находится частично на участке, на котором 16 проводились инженерно-геологические изыскания для ГТС по проекту основной компоновки морского порта, а частично вблизи участка. В соответствии с отчетом о инженерно-геологических изысканиях, выполненном ОАО «Ленморниипроект» в 2012 г. [7], определены следующие геологические условия. Непосредственно в пределах участка проектирования гидротехнических сооружений порта и дноуглубления на разведанную выработками глубину (до отметки минус 46,1 м БС) в разрезе принимают участие: а) современные техногенные (насыпные) образования; б) современные аллювиально-морские отложения; в) верхнечетвертичные морские отложения. Кратко о залегании и строении перечисленных категорий. а) распространены только на суше, в районе застраиваемой береговой территории. Представлены песками пылеватыми и мелким строймусором. Мощность не более 1 м. б) развиты повсеместно. Залегают с поверхности или со дна в пределах акватории и побережья Обской губы. Представлены песками, илами от супесчаных до глинистых. Общая мощность от 5,5 до 19,9 м. В разрезе преобладают пески пылеватые и мелкие, расположенные преимущественно в верхней части аллювиально-морских отложений. Их мощность составляет до 16,6 м. Илы супесчаные залегают линзообразно в толще илов суглинистоглинистых, реже непосредственно со дна акватории. Мощность до 4,1 м. Илы суглинистые, глинистые залегают либо со дна акватории, либо в виде линз в толще песка. Мощность до 8,2 м. в) развиты повсеместно и залегают под аллювиально-морскими отложениями. Представлены супесями, суглинками, песками от пылеватых до средних. Общая вскрытая мощность достигает 36,6 м. Супеси распространены локально в виде линз. Мощность до 12,8 м. Суглинки с 17 единичными линзами глин залегают в основании вскрытой толщи. Вскрытая мощность суглинков до 21,1 м. Морские песчаные отложения развиты, в основном, на мелководье. Залегают как сверху супесчано-глинистой толщи, так и внутри нее. Вскрытая мощность песчаных отложений до 24,5 м. Многолетнемерзлые грунты представлены только на суше. На акватории сезонное промерзание наблюдается только на осушаемых территориях. Многолетнемерзлые породы на мелководье залегают только на участках, где лед ложится на дно. По геологическим разрезам, приведенным в отчете видно, что граница распространения вечномерзлых пород практически вертикальная и находится между изобатами 0 м и минус 1 м. В районе расположения проектируемых ледорезов залегают многолетнеохлажденные породы. Геологические выработки распространены не на всем участке рассматриваемой в данном проекте альтернативной компоновки. Физико-механические свойства затронутых в данном проекте грунтов приведены в таблице 5. 18 Таблица 5 Нормативные и расчетные показатели физико-механических свойств грунтов ɣ s, ɣ взв, ɣ взв, г/см 3 г/см 3 кн/м 3 к-т пористости, e к-т проп-ти, К, кн/м 4 Плотность грунта, расч. Угол внутреннего трения Сцепление, кпа ɣ, г/см 3 ɣ, кн/м 3 ϕ н ϕ р С н С р Модуль общей деформации Е, МПа Показатель текучести IL Засыпка песком мелким с Ку=0,95* 18, (2м) 3 (3м) 4 (4п/м) Пески пылеватые с прослоями ила Пески мелкие с прослоями ила (мерзлые) 2,65 (2,66) 2,65 (2,64) 1,0 9,8 1,0 9,8 Илы супесчаные 2,66 0,91 8,9 0,64 (0,787) 0,67 (0,622) 0,83 (0,984) 3700 (2100) 5000 (4800) 500 (350) 1, , Средней плотности, рыхлые Средней плотности, рыхлые 1, ,8 1,0 5 (5м) Илы суглинистые (глинистые) е 1,0 (мерзлые) 2,66 0,70 6,9 1,37 (0,989) 500 (350) 1, ,2 1,0 6 Илы суглинистые е 1,0 2,67 0,87 8,5 0, , ,1 1,0 7 (7п/м) 9 10 (10п/м) Супеси пластичные Суглинки тугопластичные Суглинки полутвердые, тверды
