CC BY
14
ГИДРАВЛИКА. ГЕОТЕХНИКА. ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER
УДК [627.5+624.154]:519.6
DOI: 10.22227/1997-0935.2022.5.603-613
Аналитические и численные исследования размывов свайного основания морского причала
Измаил Григорьевич Кантаржи, Александр Григорьевич Гогин, Александр Васильевич Куприн
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
(НИУ МГСУ); г. Москва, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. Цель исследования — оценка возможных размывов донного грунта проектируемого причала на свайном основании для обеспечения проектных решений по защите дна от размыва в результате действия ветровых волн и течений.
Материалы и методы. Проанализированы существующие нормативные документы, которые потенциально могли бы быть использованы для расчета размыва у опор свайного основания причальных сооружений. Определены величины размыва грунта вблизи гидротехнических сооружений (ГТС) морского терминала. Выполнено численное моделирование литодинамических процессов на припричальной акватории в условиях действия экстремальных штормов. Результаты. В ходе анализа метода оценки местного размыва ВСП 33-03-07 пришли к выводу, что данный метод обладает принципиальными недостатками для условий многорядной свайной конструкции и не может
гарантировать необходимую точность прогноза. Представлены результаты численного моделирования ветро- v в
вых волн, течений и литодинамических процессов для исследования величин волнового размыва грунта дна e ф
припричальных акваторий морского терминала. Для этого была реализована трехуровневая система взаимос- ^ 2
вязанных моделей, включающая модель ветровых волн, модель течений и перепадов уровней моря и литоди- k и
намическую модель. С к
Выводы. Рассмотрев метод оценки местного размыва, представленный в ВСП 33-03-07, и учитывая инженерно-гео- р g
логические условия вблизи морского терминала НЗМУ, а также принятые в проекте конструктивные решения, уста- S С
новили, что указанный метод не может быть применен для достоверной оценки характеристик местного размыва С у
у свайных опор морского терминала. По итогам моделирования литодинамических процессов у свайных опор про- ^
ектируемых причальных сооружений ожидаемый размыв в результате действия экстремальных штормов не превы- о S
шал 25 см, не образовывая полную воронку размыва вокруг сваи. С наветренной стороны свай формировались зоны h n
аккумуляции наносов, большие по объему, чем зоны размыва. Это, в свою очередь, дает возможность предполагать >< 9
незначительность влияния литодинамических процессов на устойчивость свайных опор во время эксплуатации ГТС 0 7
морского терминала. 0 0
l 3
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: местный размыв, перенос наносов, численное моделирование, морской причал, свайное о 5
основание, SWAN, COASTOX р
О i
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Кантаржи И.Г., Гогин А.Г., Куприн А.В. Аналитические и численные исследования размы- о t
вов свайного основания морского причала // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. Вып. 5. С. 603-613. DOI: 10.22227/1997- Г I
0935.2022.5.603-613 U S
t N
Автор, ответственный за переписку: Измаил Григорьевич Кантаржи, kantardgi@yandex.ru. 0 z
о
of a pile foundation of a marine terminal
Analytical and numerical studies on the scouring > 0
о _ о
>n
cd cd
Izmail G. Kantarzhi, Alexander G. Gogin, Alexander V. Kuprin .
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); o °
Moscow, Russian Federation g 1
<D
■4
ABSTRACT 7 B
T
Introduction. The purpose of the work is to assess potential scouring of the bottom soil of a designed marine terminal s g
resting on a pile foundation to prevent the bottom erosion caused by wind waves and currents. W C
Materials and methods. The authors have analyzed those effective regulatory documents that could be potentially used to o T
study erosion near pile foundations of marine terminal structures. Numerical modelling of lithodynamic processes was con- Oi Oi
ducted in the mooring basin area in extreme weather conditions, like severe storms, to study soil erosion near the hydraulic 2 2 structures of the marine terminal.
Results. Having analyzed the method used to assess local erosion pursuant to VSP 33-03-07 (Industry-wide set of 22 rules 33-03-07), the authors concluded that it had major fundamental drawbacks and, therefore, it could not be applied
© И.Г. Кантаржи, А.Г. Гогин, А.В. Куприн, 2022
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
to a multi-row pile structure. Therefore, it could not guarantee the required accuracy of projections. The authors presented the numerical modelling of wind waves, currents and lithodynamic processes to study the wave erosion on the bottom of the mooring basin of the marine terminal. Towards this end, a three-level system of interconnected models was designed. It had a model of wind waves, a model of currents and changes in sea levels and a lithodynamic model. Conclusions. Having considered a method for assessing local erosion, described in VSP 33-03-07 (Industry-wide set of rules 33-03-07), engineering and geological conditions near the NZMU marine terminal, as well as the structural solutions contributed to the project, the authors believe that this method cannot be applied to reliably analyze local erosion near the pile supports of a sea terminal. Simulated lithodynamic processes, that are underway near the pile supports of designed mooring structures, suggest that anticipated erosion, caused by severe storms, did not exceed 25 cm and no complete erosion funnel was formed around the pile. Sediment accumulation zones appeared on the windward side of the piles. They were larger than the zones of erosion. Therefore, the authors assume that the influence of lithodynamic processes on the stability of pile supports is insignificant during the operation of hydraulic structures of the marine terminal.
KEYWORDS: local scour, sediment transport, numerical modeling, marine terminal, pile foundation, SWAN, COASTOX
FOR CITATION: Kantarzhi I.G., Gogin A.G., Kuprin A.V. Analytical and numerical studies on the scouring of a pile foundation of a marine terminal. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2022; 17(5):603-613. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.5.603-613. (rus.).
Corresponding author: Izmail G. Kantarzhi, kantardgi@yandex.ru
N N
N N
О О
tv N
in in
* (V
U 3
> (Л
с и
to I»
i
- s
<D <u
о ё
о
о о
СО <
CD ^
8 «
™ §
ОТ "
от Е
Е О
CL ° ^ с
ю о
S «
о Е
СП ^ т- ^
от от
О tn
ВВЕДЕНИЕ
Цель исследования — оценка возможных размывов донного грунта проектируемого причала на свайном основании для обеспечения проектных решений по защите дна от размыва в результате действия ветровых волн и течений.
Территория Находкинского завода минеральных удобрений (НЗМУ) расположена в промышленной зоне п. Врангель Находкинского городского округа на берегу бухты Врангеля залива Находка. Морской терминал планируется построить в районе мыса Петровского на северо-востоке от существующего порта Восточный.
Генеральный план морского терминала НЗМУ представлен на рис. 1. В состав гидротехнических сооружений (ГТС) терминала входит один причал — грузовой причал № 1. Причал соединен с берегом подходной эстакадой. Палы также проектируются на свайном основании.
В ходе исследования были выполнены следующие работы:
• анализ применимости существующих инженерных методов расчета для оценки местного размыва дна у оснований сквозных свайных сооружений морского терминала;
• численное моделирование размыва грунта дна у опор сквозных свайных сооружений морского
терминала НЗМУ для установленного ранее в этих исследованиях волнового режима.
С целью анализа применимости существующих инженерных методов проанализированы нормативные документы РФ, которые потенциально могли бы быть использованы для расчета размыва у опор свайного основания причальных сооружений: РД 31.31.55-931, СП 287.13 2 5 800.20 1 62, ВСП 33-03-073.
Из всех имеющихся моделей для реализации численного моделирования волновых режимов наибольшее распространение получили модели SWAN4 [1], WaveWatch III5 и MIKE 216 7. Для данной работы использовалась модель SWAN. Она широко применяется в России и за рубежом как инструмент расчета волновых полей прибрежной зоны [2-9]. Кроме этого, известны теоретические и экспериментальные научные труды, посвященные исследованиям некоторых частных случаев образования размывов при воздействии волн у цилиндрических опор, которые проводились как в России [10-12], так и за рубежом [13-18]. Тем не менее не найдено публикаций, в которых было бы проведено сравнение результатов, получаемых с помощью современных научно обоснованных инструментов, с нормативными методами, приведенными в действующих российских нормативах, что представляется актуальной задачей.
1 РД 31.31.55-93. Инструкции по проектированию морских причальных и берегоукрепительных сооружений. М. : Федеральная служба морского флота России, 1996.
2 СП 287.1325800.2016. Сооружения морские причальные. Правила проектирования и строительства. М. : Минстрой России, 2016.
3 ВСП 33-03-07. Инструкция по проектированию откосных и сквозных оградительных сооружений и специальных подводных стендов. М. : МО РФ, 2008.
4 Holthuijsen L., Booij N., Ris R., Haagsma I.G., Kieftenburg A., Kriezi E.E. SWAN Cycle III version 40.51 User Manual. Delft University of Technology, Department of Civil Engineering, The Netherlands. 2009.
5 Tolman H.L. User manual and system documentation of WAVEWATCH III™ version 3.14. NOAA / NWS / NCEP / MMAB Technical Note 276. 2009. 194 p.
6 MIKE Powered by DHL URL: https://www.mikepoweredbydhi.com/
7 DHI Water and Environment. MIKE 21, Spectral Wave Module. 2007. URL: http://manuals.mikepoweredbydhi.help/2017/ Coast_and_Sea7M21SW_Scientific_Doc.pdf
Граница изысканий на акватории
Offshore research area Ж boundary
^Onshore; reSeärcMärea' ■ . ^^'boUndary "л
Рис. 1. Генеральный план морского терминала НЗМУ Fig. 1. Master plan of NZMU marine terminal
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Общие сведения об объекте исследования
Продольные сечения ГТС терминала по конструктивным разрезам 1-1-2-2 показаны на рис. 2.
Акватория терминала не защищена молами, она естественным образом закрыта с юга сушей, с востока мысом Петровского и с юго-запада частично небольшим безымянным мысом. В силу этого терминал открыт для волн северо-восточного (СВ), северного (С), северо-западного (СЗ), западного (З) и частично юго-западного (ЮЗ) направлений.
Анализ существующих нормативных
документов
Проанализированы нормативные документы РФ, которые потенциально могли бы быть использованы для расчета размыва у опор свайного основания причальных сооружений: РД 31.31.55-93, СП 287.1325800.2016, ВСП 33-03-07.
Нормативные документы предъявляют следующие основные требования к причальным сооружениям сквозного типа.
1. Для предотвращения размыва дна перед сооружением от действия волнения, течений и движителей судов следует предусматривать на полосе вдоль сооружения защиту основания.
2. С целью сокращения количества и длины свай в основаниях глубоководных конструкций эстакадного типа, а также повышения несущей способности и устойчивости свай рекомендуются устраивать защиту дна у сооружений от возможного размыва в случае значительных скоростей течения, особенно при наличии легкоразмываемых грунтов на поверхности основания.
3. В условиях придонных течений, размывающих дно, следует проектировать свайные сооружения. При этом необходимо либо выполнять расчет прогнозируемого значения размыва дна в це-
лях учета этого явления при проектировании, либо укреплять дно для предотвращения его размыва у причального сооружения.
В ВСП 33-03-07 содержится метод оценки местного размыва у опор сквозных сооружений, который будет рассмотрен и проанализирован в следующем разделе.
Общие сведения об используемых
численных моделях
Для определения величины размыва грунта вблизи ГТС морского терминала выполнено численное моделирование литодинамических процессов на припричальной акватории в условиях действия экстремальных штормов.
Использовалась модель SWAN. Выбор данной модели основан на факторе, являющемся главным преимуществом SWAN, — нерегулярная сетка, которая обеспечивает более точное представление об исследуемой области. А применение 2D-модели считается достаточно точным для получения области построения. Модель SWAN все шире используется в России и за рубежом как инструмент расчета волновых полей прибрежной зоны [6-9].
Моделирование литодинамических береговых процессов осуществлялось с помощью программы открытого кода доступа COASTOX. COASTOX включает модуль постпроцессинга, также реализованный на нерегулярных сетках, для передачи результатов SWAN в другие модули системы, который может быть снабжен кодом SWAN, третированным для использования в COASTOX.
11 800
Г
—
\
iL- J r
< п
IH G Г
S 2
о о
l S
y i
J CD
^ I о
S 3 о
zs (
oi о
CO CO
0)
Рис. 2. Конструктивные разрезы морского терминала НЗМУ Fig. 2. Structural sections of NZMU marine terminal
i\j со о
SS 6 > §6 С Я
h о
С о
SS )
Ii I
. DO
■ г
s □
s У с о <D *
О О 10 10 10 10
сч сч
сч сч
о о
сч сч
ю ю
К Ф
О 3
>| (0
С Ю
2 — СО
I
ф ф
О ё
о
о о со со
8 « ™ §
от " от Е
- Ч—I
_ СО
с
Е о
—- с
ю о
£ « о Е
¿5 о ст> ^
т-
от от
> -
О (0
Численное моделирование было разделено на два этапа:
• моделирование размыва грунта дна при-причальной акватории;
• моделирование местного размыва наносов у свайных опор сооружений.
На первом этапе определены наиболее опасные (с точки зрения местного размыва) волновые режимы, которые затем использовались и на втором этапе.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Расчетный метод оценки размыва
ВСП 33-03-07
Метод оценки содержится в ВСП 33-03-07 в разделе 6.2.5. Глубина Ас/. м, и диаметр . м, воронки размыва в песчаном или гравелистом грунте вокруг опор свайного типа диаметром (шириной) £>0 = 1-5 м рассчитываются по формулам:
Ас! = К Ц,,
р о
£> =2 Дд^ф + а
(1) (2)
пр =
к; а<1т
71 т" , 4кс! -
1
историю распространения волн от створа подхода к сооружению до, собственно, участка размыва.
2. Уменьшение высоты волн дифракцией на сваях учитывается только для второго ряда свай и не учитывается для последующих. При этом известно, что для свай с диаметром менее 0,2Х, где X — длина волн, обтекание свай волной происходит без дифракции. Таким образом, метод не применим для условий второго и последующих рядов свай.
3. Начало движения донных наносов под действием поверхностных волн определяется не осредненной за половину периода скоростью у дна, как в формуле (4), а так называемой эффективной придонной волновой скоростью [19], V :
в 2 2 "
(5)
где К — коэффициент размыва, принимаемый по графику на рис. 6.6 ВСП 33-03-07 в зависимости от параметра
(3)
где К _ — коэффициент увеличения скорости у опоры. Принимается равным: К _ = 1,5 — для круглого сечения опоры, К = 2,5 — для квадратного сечения опоры; V — средняя скорость течения, м/с; гр — волновая скорость у дна, осредненная за половину периода волны, определяемая по формуле:
2/?~ (4)
где И — высота волны, м, принимаемая равной высоте исходной волны /?1 „. для переднего ряда опор и высоте дифрагированной волны И устанавливаемой по формуле 5.27 ВСП 33-03-07 для остальных опор; ув с,лп — допускаемая неразмывающая донная скорость, принимаемая по рис. В.1 СП 38.13330.20188; ф — угол внутреннего трения грунта, град.
Анализ метода расчета местного размыва ВСП 33-03-07 с точки зрения современных исследований позволяет высказать следующие критические соображения.
1. В качестве высоты волн, определяющей размыв, предлагается принимать для первого ряда свай «исходную» высоту волн 1 % обеспеченности. Исходная высота волн берется на подходе к сооружению, тогда как размыв устанавливается волной непосредственно в зоне размыва. То есть метод не учитывает
где /ц — коэффициент волнового трения; 1'ь — придонная волновая скорость. То есть условия начала трогания донных наносов устанавливаются не только волнами, но и состоянием придонной области дна.
Таким образом, метод оценки местного размыва ВСП 33-03-07 обладает принципиальными недостатками для условий многорядной свайной конструкции и не может гарантировать необходимую точность прогноза.
Численное моделирование
размыва/аккумуляции наносов
Далее представлены результаты численного моделирования для штормов западного направления, как наиболее волноопасного.
Моделирование размыва на припричалъной
акватории
Для численного моделирования литодинами-ческих процессов на акватории вблизи ГТС морского терминала была построена локальная модель прилегающей акватории. Батиметрия акватории для расчетной сетки конечных элементов (КЭ) принята по генеральному плану морского терминала, выполненному по батиметрической съемке и представленному на рис. 1.
Расчеты полей ветровых волн, течений и лито-динамических процессов проводились на единой треугольной сетке КЭ, что позволяет избежать ошибок при передаче данных между моделями, связанных с аппроксимацией на различных сетках КЭ.
Для расчета волнового режима на локальной модели осуществлено моделирование влияния ветровых волн при действии экстремальных штормов различных румбов повторяемостью 1 раз в 25 лет. С этой целью модель запускалась в режиме нерегулярных волн с заданным частотно-направленным спектральным распределением [20], определяемым высотой значительных волн И , и пиковым периодом Т .
*СП 38.13330.2018. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов).
Параметры расчетного волнового режима на акватории приняты по полученным на предыдущем этапе результатам9. Волновое воздействие при расчетных штормах задается на открытых границах локальной модели, а его характеристики даны в табл. 1.
Волнение, задаваемое на открытых границах модели, распространяется на открытой акватории при действии ветра расчетных скоростей и обруша-ется на небольших глубинах. Расчетные скорости ветра приведены в табл. 2.
Расчетная продолжительность шторма принята равной 6 часов. Результаты моделирования снимаются на момент окончания действия экстремального ветра.
Расчетный уровень 50 % обеспеченности по наивысшим годовым уровням принят равным -0,44 м БС.
Расчетные характеристики слагающих дно наносов приняты следующими11: средний диаметр частиц d50 = 0,50 мм; пористость п = 0,40; коэффициент градации k = 1,10.
Полученное поле значительных волн на акватории морского терминала во время действия шторма
Табл. 1. Параметры волнового режима, используемые для инициализации локальной волновой модели и задаваемые на открытых границах
Table 1. Wave mode parameters used to initialize a local wave model and preset in areas of open boundaries
1 раз в N лет Once every N years ЮЗ / SW З / W СЗ / NW С / N СВ / NE
T, с р' s h, м s m T, с р' s h, м s m T, с р' s h, м s m T, с р' s h, м s m T, с р' s h, м s m
25 11,88 2,40 13,85 3,02 5,92 1,56 7,61 0,95 7,38 1,03
Табл. 2. Расчетные значения скоростей ветра с осреднением 10 мин, задаваемые над расчетной акваторией, м/с10 Table 2. Calculated values of wind velocities set as 10-minute average above the analyzed water area, m/s10
1 раз в N лет Once every N years ЮЗ / SW З / W СЗ / NW С / N СВ / NE
25 26 28 28 30 29
< П
iH
kK
G Г
S 2
0 CO n CO
1 S
У 1
J to
u-
^ I
n °
S> 3 o
zs ( o?
о n
5
18 200 18 150 18 100 18 050 18 000 17 950 17 900 17 850 17 800 17 750 17 700 17 650
44 000
44 100
44 200
44 300
44 400
44 500 м / m
Значительная высота волн, м Sign. wave height, m
Щ Более / Above 3,75
3,50-3,75
3,25-3,50
3,00-3,25
2,75-3,00
2,50-2,75
2,25-2,50
2,00-2,25
1,75-2,00
1,50-1,75
1,25-1,50
1,00-1,25
0,75-1,00
0,55-0,75
0,25-0,55
Менее / Below 0,25 Неустановленное значение Undefined value
Рис. 3. Значительные высоты волн при действии шторма З румба повторяемостью 1 раз в 25 лет Fig. 3. Significant wave heights in case of a W storm with a recurrence rate of once every 25 years
9 Отчет о НИР по теме «Математическое и физическое моделирование волновых процессов, для обеспечения разработки проектной документации по объекту «Находкинский завод минеральных удобрений. Морской терминал». Этап № 1. НИУ МГСУ, 2021.
10 1300-4810-11-ИГД.СУБ-3.1. Технический отчет по инженерно-гидрометеорологическим изысканиям по объекту «Находкинский завод минеральных удобрений. Морской терминал». Книга 3.1. Том 1.3.3.1. АО «Ленморниипроект», 2020.
11 Находкинский завод минеральных удобрений. Морской терминал. Технический отчет по результатам инженерно-геологических изысканий. Книга 2.2. Приложения. Том 2.2.2, 2021.
со со
ш
i\J со о
r §6
С Я
h о
С n
SS )
¡¡i ¡
. DO ■ т
(Я У
с о <D Ж
2 2 О О 2 2 2 2
западного направления повторяемостью 1 раз в 25 лет представлено на рис. 3. Соответствующее поле течений — на рис. 4. Вертикальные приращения отметок дна после шторма показаны на рис. 5.
Моделирование местного размыва от волн у свайных опор сооружений
Принцип построения численной модели для моделирования местного размыва/аккумуляции наносов у свайных опор сооружений, а также исходные данные по входящим волнам и действующему ветру аналогичны описанным в предыдущем разделе. Отличные от них настройки модели следующие.
N N
N N
О О
N N
10 10
К (V
U 3
> (Л
с и
to I»
1 - $
<u ф
О ё
о
ОТ ОТ
О (О №
м / m 18 200
18 150
18 100
18 050
18 000
17 950
17 900
17 850
17 800
17 750
17 700
17 650
5
Скорость течения, м/с Current speed, m/s
Более / Above 0,90 I 0,84-0,90 I 0,78-0,84 I 0,72-0,78 I 0,66-0,72 I 0,60-0,66 0,54-0,60 0,48-0,54 0,42-0,48 ■■ 0,36-0,42 ■■ 0,30-0,36 ■■ 0,24-0,30 ■■ 0,18-0,24 ■■ 0,12-0,18 ■■ 0,06-0,12
Менее / Below 0,06 Неустановленное значение Undefined value
44 000
44 100
44 200
44 300
44 400
44 500
м / m
Рис. 4. Скорости течений при действии шторма З румба повторяемостью 1 раз в 25 лет Fig. 4. Speed values of currents in case of a W storm with a recurrence rate of once every 25 years
м / m
о о
СО <
CD ^
8 «
™ §
ОТ "
от E
E о
CL О
^ с
ю о
S «
о E
en ^
t- ^
18 200 18 150 18 100 18 050 18 000 17 950 17 900 17 850 17 800 17 750 17 700 17 650
Изменение отметки дна, м Bed level change, m
Более / Above 0,200 0,100-0,200 0,050-0,100 0,001-0,050 -0,001-0,001 -0,050 - -0,001 -0,100 - -0,050 -0,200 - -0,100 Менее / Below -0,200
44 000
44 100
44 200
44 300
44 400
44 500
I I Неустановленное значение Undefined value
м / m
Рис. 5. Вертикальные приращения отметок дна после шторма З румба повторяемостью 1 раз в 25 лет Fig. 5. Vertical increments of bed level change after a W storm with a recurrence rate of once every 25 years
2
В расчетную сетку введены свайные опоры в явном виде. Площадь КЭ уменьшена локально у свайных опор до 1,5 м2. Общее количество элементов в расчетной сетке КЭ составило 39 981 узлов — 21 115. Исследуемая область также ограничена тремя открытыми границами (условно
западной, северной и восточной), а также закрытой границей (условно южной) по линии уреза воды.
Полученное поле значительных волн в расчетной области во время действия шторма западного направления повторяемостью 1 раз в 25 лет
м / 18 200 18 150 18 100 18 050 18 000 17 950 17 900 17 850 17 800 17 750 17 700 17 650
5
Значительная высота волн, м Sign. wave height, m
Щ Более / Above 3,75 3,50-3,75 I 3,25-3,50 I 3,00-3,25 I 2,75-3,00 I 2,50-2,75 2,25-2,50 2,00-2,25 1,75-2,00 1,50-1,75 ■■ 1,25-1,50 ■■ 1,00-1,25 ■■ 0,75-1,00 ■■ 0,55-0,75 ■■ 0,25-0,55
Менее / Below 0,25
-1 Неустановленное значение
Undefined value
44 000
44 100
44 200
44 300
44 400
44 500
м / m
Рис. 6. Значительные высоты волн при действии шторма З румба повторяемостью 1 раз в 25 лет Fig. 6. Significant wave heights in case of a W storm with a recurrence rate of once every 25 years
м / m
18 200 18 150 18 100 18 050 18 000 17 950 17 900 17 850 17 800 17 750 17 700 17 650
Скорость течения, м/с Current speed, m/s
■ Более / Above 3,75
3,50-3,75 3,25-3,50
3,00-3,25 2,75-3,00 2,50-2,75 2,25-2,50 2,00-2,25 | 1,75-2,00 | 1,50-1,75 1,25-1,50 1,00-1,25 0,75-1,00 0,55-0,75 0,25-0,55 | Менее / Below 0,25
Неустановленное значение Undefined value
44 000
44 100
44 200
44 300
44 400
44 500
м / m
Рис. 7. Скорости течений при действии шторма З румба повторяемостью 1 раз в 25 лет Fig. 7. Speed values of currents in case of a W storm with a recurrence rate of once every 25 years
< П
i H
kK
G Г
S 2
o
n CO
l S
y 1
J to
u-I
n °
s 3 o
=s ( n
u
П 2
n Я
s §
r § t ( СП
SS )
ii
i 7 i
. DO
■ T
(Я у с о <D X UIW 22 О О 10 10 10 10
ш
5
м / m
N N
N N
О О
tV N
in in
К (V
U 3 > 1Л
С И
ta i»
i
- s
<D ф
О S
о
СО
от
О tn 0 p
17 990 17 985 17 980 17 975 17 970 17 965 17 960 17 955 17 950 17 945 17 940 17 935 17 930 17 925 17 920 17 915
Более / Above 0,25
0,20-0,25
0,15-0,20
0,10-0,15
0,05-0,10
0,01-0,05
-0,01-0,01
-0,05 - -0,01
-0,10 - -0,05
-0,15 - -0,10
-0,20 - -0,15
-0,25 - -0,20
-0,30 - -0,25
-0,35 - -0,30
Менее / Below -0,35
Неустановленное значение Undefined value
44 220 44 230 44 240 44 250 44 260 44 270 44 280
м / m
Рис. 8. Вертикальные приращения отметок дна после шторма З румба повторяемостью 1 раз в 25 лет у свайного основания рабочей площадки
Fig. 8. Vertical increments of bed level change after a W storm with a recurrence rate of once every 25 years near the pile foundation of the working platform
о о
CO <
CD ^
8 «
™ §
от " от E
E о
CL О
^ с
ю о
S «
о E
en ^
t- ^
представлено на рис. 6. Соответствующее поле течений — на рис. 7. Вертикальные приращения отметок дна после шторма показаны на рис. 8.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе анализа требований нормативных документов к сквозным свайным сооружениям сделан вывод о том, что для свайных сооружений сквозного типа необходимо либо выполнять расчет прогнозируемого значения размыва дна в целях учета явления местного размыва при проектировании, либо укреплять дно для предотвращения его размыва у причального сооружения.
Рассмотрев метод оценки местного размыва, представленный в ВСП 33-03-07, и учитывая инженерно-геологические условия вблизи морского терминала НЗМУ а также принятые в проекте конструктивные решения, данный метод не может быть применен для достоверной оценки характеристик местного размыва у свайных опор морского терминала.
Численное моделирование ветровых волн, течений и литодинамических процессов для ис-
следования величин волнового размыва грунта дна припричальных акваторий и местного размыва грунта дна у опор свайных сооружений реализовано с помощью трехуровневой системы взаимосвязанных моделей, включающей модель ветровых волн, модель течений и перепадов уровней моря и лито-динамическую модель.
По результатам моделирования литодинамичес-ких процессов у свайных опор проектируемых причальных сооружений ожидаемый размыв в результате действия экстремальных штормов не превышал 25 см, не образовывая полную воронку размыва вокруг сваи. У свай подходной эстакады на небольших глубинах максимальные размывы у свай достигали 35 см, также не образовывая полную воронку размыва. С наветренной стороны свай формировались зоны аккумуляции наносов, большие по объему, чем зоны размыва. Это, в свою очередь, дает возможность предполагать незначительность влияния литодинамических процессов на устойчивость свайных опор во время эксплуатации гидротехнических сооружений морского терминала.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Holthuijsen L.H. Waves in oceanic and coastal £ ^ waters. Cambridge University Press, 2007. DOI: 10.1017/CBO9780511618536
2. Akpinar A., van Vledder G.Ph., Komurcu M.i., Ozger M. Evaluation of the numerical wave model (SWAN) for wave simulation in the Black Sea // Con-
tinental Shelf Research. 2012. Vol. 50-51. Pp. 80-99. DOI: 10.1016/j.csr.2012.09.012
3. Kutupoglu V., Qakmak R.E., Akpinar A., van Vledder G.Ph. Setup and evaluation of a SWAN wind wave model for the Sea of Marmara // Ocean Engineering. 2018. Vol. 165. Pp. 450-464. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2018.07.053
4. Beyramzade M., Siadatmousavi S.M. Implementation of viscoelastic mud-induced energy attenuation in the third-generation wave model, SWAN // Ocean Dynamics. 2018. Vol. 68. Issue 1. Pp. 47-63. DOI: 10.1007/s10236-017-1118-4
5. Wu Z., Jiang C., Deng B., Chen J., Cao Y., Li L. Evaluation of numerical wave model for typhoon wave simulation in South China Sea // Water Science and Engineering. 2018. Vol. 11. Issue 3. Pp. 229-235. DOI: 10.1016/j.wse.2018.09.001
6. Rogers W.E., Kaihatu J.M., Hsu L., Jensen R.E., Dykes J.D., HollandK.T. Forecasting and hindcasting waves with the SWAN model in the Southern California Bight // Coastal Engineering. 2007. Vol. 54. Issue 1. Pp. 1-15. DOI: 10.1016/j.coastaleng.2006.06.011
7. Lemkea N., Fontourab J.A.S., Callaria D.F., Fonseca D. Comparative study between modeled (SWAN) and measured (waverider buoy) wave data in Patos Lago- RS, Brazil // Pan-American Journal of Aquatic Sciences. 2017. Vol. 12. Issue 1. Pp. 1-13.
8. Dietrich J.C., Zijlema M., Westerink J.J., Holthuijsen L.H., Dawson C., Luettich R.A. et al. Modeling hurricane waves and storm surge using integrally-coupled, scalable computations // Coastal Engineering. 2011. Vol. 58. Issue 1. Pp. 45-65. DOI: 10.1016/j.coastaleng.2010.08.001
9. Dietrich J.C., Tanaka S., Westerink J.J., Dawson C.N., Luettich R.A., Zijlema M. et al. Performance of the unstructured-mesh, SWAN+ADCIRC model in computing hurricane waves and surge // Journal of Scientific Computing. 2012. Vol. 52. Issue 2. Pp. 468-497. DOI: 10.1007/s10915-011-9555-6
10. Алибеков А.К. Оценка размыва у свайных опор сооружений, пресекающих водотоки, с учетом показателей надежности и неоднородности грунтов основания // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2018. Т. 45. № 1. С. 181-192. DOI: 10.21822/20736185-2018-45-1-181-192
Поступила в редакцию 22 декабря 2021 г. Принята в доработанном виде 03 мая 2022 г. Одобрена для публикации 03 мая 2022 г.
Об авторах: Измаил Григорьевич Кантаржи — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры гидравлики и гидротехнического строительства; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; РИНЦ ID: 60202, 1086368, Scopus: 6602848417, 57200265787, ResearcherID: A-1922-2014, ORCID: 0000-00020587-4722; kantardgi@yandex.ru;
Александр Григорьевич Гогин — аспирант кафедры гидравлики и гидротехнического строительства; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
11. Этин П.Ю., Левтринский В.В. Проектирование среднего железобетонного железнодорожного моста на свайном основании: учебно-методическое пособие. Гомель : БелГУТ, 2009. 67 с.
12. Алибеков А.К., Идрисова С.Г. Местный размыв русла у мостовых опор различных конструкций // Актуальные проблемы и перспективы развития дорожно-транспортного комплекса : сб. науч. тр. 3-й Междунар. науч.-практ. конф. 2017. С. 91.
13. Sumer B.M., Whitehouse R.J.S., T0rum A. Scour around coastal structures: a summary of recent research // Coastal Engineering. 2001. Vol. 44. № 2. Pp. 153-190. DOI: 10.1016/S0378-3839(01)00024-2
14. Tonkin S., Yeh H., Kato F., Sato S. Tsunami scour around a cylinder // Journal of Fluid Mechanics. 2003. Vol. 496. Pp. 165-192. DOI: 10.1017/ S0022112003006402
15. Voropayev S.I., Testik F.Y., Fernando H.J.S., Boyer D.L. Burial and scour around short cylinder under progressive shoaling waves // Ocean Engineering. 2003. Vol. 30. Issue 13. Pp. 1647-1667. DOI: 10.1016/S0029-8018(02)00146-4
16. Martinelli L., Zanuttigh B., Lamberti A. Hydro-dynamic and morphodynamic response of isolated and multiple low crested structures: Experiments and simulations // Coastal Engineering. 2006. Vol. 53. Issue 4. Pp. 363-379. DOI: 10.1016/j.coastaleng.2005.10.018
17. Young D.M., Testik F.Y. Onshore scour characteristics around submerged vertical and semicircular breakwaters // Coastal Engineering. 2009. Vol. 56. Issue 8. Pp. 868-875. DOI: 10.1016/j.coastal-eng.2009.04.003
18. Hur D.S., Kim C.H., Yoon J.S. Numerical study on the interaction among a nonlinear wave, composite breakwater and sandy seabed // Coastal Engineering. 2010. Vol. 57. Issue 10. Pp. 917-930. DOI: 10.1016/j. coastaleng.2010.05.010
19. Кантаржи И.Г., Анцыферов С.М. Моделирование взвешенных наносов под волнами на течении // Океанология. 2005. Т. 45. № 2. С. 173-181.
20. Давидан И.Н., Давидан Г.И., Дымов В.И., Пасечник Т.А. Модифицированная версия спектрально-параметрической модели ветрового волнения и результаты ее верификации // Известия Русского географического общества. 2010. Т. 142. № 2. С. 31.
< п i H
kK
G Г S
0 со n
1 s
y1
J со
u-
^ I n
s 3 o
=! (
0i n
u
n 2
n 0
s § r§
t (
SS )
¡i
i7 i
. DO
■ T
(у
с о <D X
2 2 О О 2 2 2 2
(НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; РИНЦ ID: 994101, Scopus: 57192663878, ORCID: 0000-0003-3894-3680; ag.gogin@yandex.ru;
Александр Васильевич Куприн — аспирант кафедра гидравлики и гидротехнического строительства; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; РИНЦ ID: 1101401; rtyter55@gmail.com. Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
N N
N N
О О
N N
10 10
К (V
U 3
> (Л
с и
со N
1 - £
<D <u
О ё
о
о о со <
8 « §
(Л "
от Е
Е О
CL ° ^ с
ю о
S ц
о Е
СП ^ т- ^
<л
(Л
£ w
iE 3s
О (0 №
1. Holthuijsen L.H. Waves in oceanic and coastal waters. Cambridge University Press, 2007. DOI: 10.1017/CBO9780511618536
2. Akpinar A., van Vledder G.Ph., Komurcu M.i., Ozger M. Evaluation of the numerical wave model (SWAN) for wave simulation in the Black Sea. Continental Shelf Research. 2012; 50-51:80-99. DOI: 10.1016/j.csr.2012.09.012
3. Kutupoglu V., Cakmak R.E., Akpinar A., van Vledder G.Ph. Setup and evaluation of a SWAN wind wave model for the Sea of Marmara. Ocean Engineering. 2018; 165:450-464. DOI: 10.1016/j.ocean-eng.2018.07.053
4. Beyramzade M., Siadatmousavi S.M. Implementation of viscoelastic mud-induced energy attenuation in the third-generation wave model, SWAN. Ocean Dynamics. 2018; 68(1):47-63. DOI: 10.1007/s10236-017-1118-4
5. Wu Z., Jiang C., Deng B., Chen J., Cao Y., Li L. Evaluation of numerical wave model for typhoon wave simulation in South China Sea. Water Science and Engineering. 2018; 11(3):229-235. DOI: 10.1016/j. wse.2018.09.001
6. Rogers W.E., Kaihatu J.M., Hsu L., Jensen R.E., Dykes J.D., Holland K.T. Forecasting and hindcasting waves with the SWAN model in the Southern California Bight. Coastal Engineering. 2007; 54(1):1-15. DOI: 10.1016/j.coastaleng.2006.06.011
7. Lemkea N., Fontourab J.A.S., Callaria D.F., Fonseca D. Comparative study between modeled (SWAN) and measured (waverider buoy) wave data in Patos Lago- RS, Brazil. Pan-American Journal of Aquatic Sciences. 2017; 12(1):1-13.
8. Dietrich J.C., Zijlema M., Westerink J.J., Holthuijsen L.H., Dawson C., Luettich R.A. et al. Modeling hurricane waves and storm surge using integrally-coupled, scalable computations. Coastal Engineering. 2011; 58(1):45-65. DOI: 10.1016/j.coasta-leng.2010.08.001
9. Dietrich J.C., Tanaka S., Westerink J.J., Dawson C.N., Luettich R.A., Zijlema M. et al. Performance of the unstructured-mesh, SWAN+ADCIRC model in computing hurricane waves and surge. Journal of Scientific Computing. 2012; 52(2):468-497. DOI: 10.1007/ s10915-011-9555-6
10. Alibekov A.K. Evaluation of scouring at pile-supported structures crossing watercourses according to
reliability and inhomogeneity indicators of grounding foundations. Herald of Daghestan State Technical University. Technical Sciences. 2018; 45(1):181-192. DOI: 10.21822/2073-6185-2018-45-1-181-192 (rus.).
11. Etin P.Y., Levtrinskij V.V. Design of a medium reinforced concrete railway bridge on a pile foundation: a teaching aid. Gomel, BelSUT, 2009; 67. (rus.).
12. Alibekov A.K., Idrisova S.G. Local washout of the course at bridge supportvarious designs. Actual problems and prospects for the development of the road transport complex : collection of scientific papers of the 3rd international scientific and practical conference. 2017; 91. (rus.).
13. Sumer B.M., Whitehouse R.J.S., T0rum A. Scour around coastal structures: a summary of recent research. Coastal Engineering. 2001; 44(2):153-190. DOI: 10.1016/S0378-3839(01)00024-2
14. Tonkin S., Yeh H., Kato F., Sato S. Tsunami scour around a cylinder. Journal of Fluid Mechanics. 2003; 496:165-192. DOI: 10.1017/S0022112003006402
15. Voropayev S.I., Testik F.Y., Fernando H.J.S., Boyer D.L. Burial and scour around short cylinder under progressive shoaling waves. Ocean Engineering. 2003; 30(13):1647-1667. DOI: 10.1016/S0029-8018(02)00146-4
16. Martinelli L., Zanuttigh B., Lamberti A. Hy-drodynamic and morphodynamic response of isolated and multiple low crested structures: Experiments and simulations. Coastal Engineering. 2006; 53(4):363-379. DOI: 10.1016/j.coastaleng.2005.10.018
17. Young D.M., Testik F.Y. Onshore scour characteristics around submerged vertical and semicircular breakwaters. Coastal Engineering. 2009; 56(8):868-875. DOI: 10.1016/j.coastaleng.2009.04.003
18. Hur D.S., Kim C.H., Yoon J.S. Numerical study on the interaction among a nonlinear wave, composite breakwater and sandy seabed. Coastal Engineering. 2010; 57(10):917-930. DOI: 10.1016/j.coasta-leng.2010.05.010
19. Kantardgi I.G., Antsyferov S.M. Modeling suspended sediments under waves on currents. Ocea-nology. 2005; 45(2):173-181. (rus.).
20. Davidan I.N., Davidan G.I., Dymov V.I., Pa-sechnik T.A. Modified version of spectral-parametric model of wind-induced waves and results of its verification. Proceedings of the Russian Geographical Society. 2010; 142(2):31. (rus.).
Received December 22, 2021. Adopted in revised form on May 03, 2022. Approved for publication on May 03, 2022.
Bionoibs: Izmail G. Kantarzhi — Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Hydraulics and Hydraulic Engineering; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ID RISC: 60202, 1086368, Scopus: 6602848417, 57200265787, ResearcherlD: A-1922-2014, ORCID: 0000-0002-0587-4722; kantardgi@yandex.ru;
Alexander G. Gogin — postgraduate student of the Department of Hydraulics and Hydraulic Engineering; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ID RISC: 994101, Scopus: 57192663878, ORCID: 0000-0003-3894-3680; ag.gogin@yandex.ru;
Alexander V. Kuprin — postgraduate student of the Department of Hydraulics and Hydraulic Engineering; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ID RISC: 1101401; rtyter55@gmail.com.
Contribution of the authors: all authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The authors declare that they have no conflicts of interest.
< П
iH
kK
G Г
S 2
0 CO § CO
1 S
У 1
J to
^ I
n °
S> 3 o
zs (
о §
E w
§ 2
n 0
S 6
A CD
Г 6
t (
PT §
SS )
ii
® 7
. DO
■ T
s □
s У с о Ф Ж
inin
2 2 О О 10 10 10 10
