CC BY
87
6. ISO/CD 21560. Actions from waves and currents. Technical Committee ISO/TC 98, Basis for design of structures; Subcommittee SC 3, Loads, forces and other actions. — 2004.
7. Составление смет в строительстве на основе сметно-нормативной базы 2001 года: практ. пособие. — М.; СПб., 2003. — 560 с.
УДК 629.12.053 Г. Л. Гладков,
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК;
М. В. Журавлев,
канд. техн. наук, профессор, СПГУВК;
Ю. П. Соколов,
доцент,
СПГУВК
ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЫШЕННОЙ МУТНОСТИ ПРИ УСТРОЙСТВЕ ПОДВОДНЫХ ОТВАЛОВ ГРУНТА RESEARCHES OF THE RAISED TURBIDITY AT THE DEVICE OF UNDERWATER SAILINGS OF THE GROUND
В статье рассматриваются результаты натурных и лабораторных исследований образования дополнительной мутности воды при устройстве подводных отвалов грунта. Материалы проведенных экспериментов позволяют рекомендовать использование затопленных трубопроводных выпусков гидросмеси для существенного снижения мутности воды.
In article results of natural and laboratory researches offormation of an additional turbidity of water are considered at the device of underwater sailings of a ground. Materials of the spent experiments allow to recommend use of the flooded pipeline releases of a hydromix for essential decrease in a turbidity of water.
Ключевые слова: Материалы проведенных экспериментов позволяют рекомендовать использование затопленных трубопроводных выпусков гидросмеси для существенного снижения мутности воды.
Key words: flooded pipeline releases, hydromix, turbidity of water.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ распространения взвешенного в воде грунта, удаляемого земснарядами, представля-* ют интерес с точки зрения правильного выбора
е мест отвалов, где обеспечивается их сохран-
ш ность и оценки загрязнения воды взвешенны-
ми веществами. Несмотря на очевидную важность, задача о распространении грунта в воде при устройстве подводных отвалов до сих пор недостаточно исследована, а имеющиеся экспериментальные и натурные данные очень скудны.
Выполненные на сегодня теоретические и опытные исследования [1-3] позволили выяснить качественную картину распространения грунта в воде при устройстве подводных отвалов. При удалении грунта в открытую воду при всех способах его выгрузки (трубопроводный сброс гидросмеси, сброс через днищевые отверстия трюма, устройство ша-ландовых отвалов), он поступает в воду в виде компактной массы (рис. 1). Попав в воду, грунт сначала опускается, а затем откладывается на дне в виде насыпи или в разжиженном состо-
янии растекается по его поверхности. После этого наступает длительная фаза медленных перемещений взвешенных в воде мелких частиц грунта в районе отвала под действием диффузии и местных течений.
Движение облака твердых частиц в глубоком водоеме подразделяется на две стадии: конвективного снижения и рассеивания частиц с осаждением (рис. 2). На первой стадии, называемой фазой расширения, облако твердых частиц взаимодействует с окружающей
средой, вызывая вихревое движение и вовлекая в себя окружающую воду. Вследствие вовлечения в снижающееся облако окружающей воды его поперечные размеры увеличиваются, а скорость снижения уменьшается. В фазе осаждения горизонтальные размеры облака остаются относительно постоянными, а движение его вниз происходит со скоростью осаждения одиночных частиц.
Следует заметить, что движение облака в фазе осаждения возможно только при глу-
Выпуск 3
бинах свыше 45 м. На мелководных отвалах, вследствие быстрого снижения основного облака твердых частиц, скорость течения и плотность окружающей воды оказывают второстепенное влияние на отложение основной массы грунта на дне. Основная масса грунта имеет такую большую скорость снижения в воде, что сравнительно небольшие скорости течения не оказывают влияния на его распространение. Однако это не относится к мельчайшим частицам, образующим вторичное облако мутности.
Фаза распада снижающегося основного облака частиц грунта начинается от момента подхода его к поверхности дна до завершения отложения материала на дне. При взаимодействии основного облака грунта с дном часть грунта откладывается в насыпь, а часть в разжиженном состоянии распластывается по дну во все стороны. В зависимости от свойств грун-
та и его концентрации в воде распластывание в стороны может происходить либо в виде обычного мутного облака, либо в виде слоя взвесе-несущего потока, текущего по дну.
Имеющиеся аналитические расчетные методики позволяют определить основные параметры облака твердых частиц (скорость снижения и расширения облака, его радиус, размеры образующейся насыпи). Но этими методиками не учитывается образование попутных облаков мутности при сбросе грунта в воду, при снижении основного облака твердых частиц, а также при его взаимодействии с поверхностью дна. Внедрение в воду выгружаемого материала, а также завихрения воды вокруг движущейся вниз массы грунта сопровождаются распространением мельчайших фракций грунта в воде, то есть образованием облака мутности сразу же после начала сброса грунта (см. рис. 2).
Рис. 3. Распространение основного облака грунта при разгрузке трюмного землесоса
<ч
Ш
|24>
При взаимодействии падающего грунта с дном возможно образование местного облака мутности в придонном слое. Такое местное облако возбужденной мутности может претерпевать диффузию в вертикальном и горизонтальном направлениях. Это облако возбужденной мутности вследствие диффузии может распространиться по всей толще воды.
Та часть наиболее мелких фракций грунта, которая выделяется во вторичное облако мутности, очевидно, выносится за пределы отвала. При наличии даже малых течений это приводит к распространению мелких взвешенных частиц на большие расстояния.
Описанная выше качественная картина поведения основного облака грунта подтверждается и натурными данными [4]. На рис. 3 представлена визуализация основного облака грунта, полученная по данным непосредственных измерений при разгрузке трюмного землесоса в гавани Zeebrugge (Бельгия). Натурные данные подтверждают наличие вертикального потока сбрасываемого материала и растекание по дну части этого грунта в виде потока взвеси. При этом сенсоры мутности, установленные на глубине 1 и 3 м на специальной пирамиде, регистрировали увеличение мутности только в течение 3 мин после начала выгрузки. У дна это время составляло в среднем от 25 до 30 мин, по истечении которого мутность возвращалась к фоновым значениям.
Аналогичная картина распространения грунта в воде наблюдается и при устройстве рефулерных отвалов (рис. 4). Струя гидросмеси, вытекающая из выходного отверстия грунтопровода, с большой скоростью входит в толщу потока и быстро устремляется к дну в виде облака твердых частиц (динамического облака).
Натурные наблюдения показывают, что 97^99 % выгружаемого грунта достигают дна в переделах нескольких десятков метров от точки сброса. Достигнув дна, динамическое облако распадается. Часть грунта сразу же откладывается на дне, образуя насыпь. Другая часть под действием силы тяжести растекается по дну в виде потока взвеси на достаточно большие расстояния. Натурные и лабораторные исследования показали, что имеются три основных механизма, которые обусловливают
переход во взвесь мелкодисперсных частиц при рефулировании извлеченного грунта в воду (см. рис. 4).
Струя гидросмеси, вытекающая в атмосферу из грунтопровода, разделяется на две части — компактную и раздробленную. Взаимодействуя с окружающей воздушной средой, струя насыщается воздухом, расширяется и раздробляется на внешней границе на отдельные брызги. Взаимодействие с водной поверхностью брызг, отделившихся от падающей вниз струи гидросмеси, является первым механизмом образования мутности. Это взаимодействие создает у поверхности воды видимую часть облака мутности. Кроме того, в зависимости от содержания органических и других примесей в транспортируемом грунте такое взаимодействие может привести к образованию пены и изменению цвета поверхностного слоя воды.
Вторым механизмом рассеивания мелких частиц является взаимодействие между опускающейся струей и окружающей водой.
В процессе снижения струя вызывает турбулентное движение окружающей воды и вовлекает ее в себя. По периметру опускающейся струи образуется область смешивания, что приводит к некоторому рассеиванию тонкодисперсных частиц грунта в толщу воды.
Третий механизм рассеивания тонкодисперсных частиц состоит в следующем. В окрестностях точки взаимодействия динамического облака с дном и выше растекающегося по дну потока взвеси имеется турбулентная область, в пределах которой происходит интенсивный массообмен. Это приводит к рассеиванию наиболее мелких частиц в окружающую воду, создавая придонное облако мутности, поднимающееся вверх в толщу потока. При определенных условиях это облако мутности может достигнуть свободной поверхности.
Натурные наблюдения [5] за облаком мутности, которое образуется в верхней части толщи воды в результате взаимодействия сбрасываемой струи гидросмеси с поверхностью воды и турбулентного перемешивания опускающейся вниз основной струи с окружающей водой, показали, что большая часть мелкозернистого материала быстро спускается к дну, где формируется поток взвеси, рас-
Выпуск 3
Выпуск 3
текающейся в разные стороны от точки сброса. В зависимости от расхода сбрасываемой гидросмеси, ее консистенции и гранулометрического состава грунта, а также от гидродинамических условий в районе устройства подводного отвала, только 1-3 % объема удаляемого грунта рассеивается в окружающей воде, образуя у поверхности воды и в ее толще облако мутности. Следует заметить, что авторы этой и других работ подчеркивают, что приводимые количественные оценки являются максимальными, то есть получены для наихудших условий. Эти оценки могут быть пересмотрены в будущем по мере накопления эмпирических данных и лучшего понимания протекающих процессов.
Исследования [1; 6; 7] показали, что при извлечении несвязного грунта и его транспортировании в отвал по рефулеру, струя гидросмеси, вытекающая из выходного отверстия горизонтального грунтопровода, быстро опускается на дно через толщу воды. В фазе снижения струя гидросмеси обычно вовлекает в себя окружающую воду и, достигнув дна, растекается по нему в радиальных направлениях от точки сброса, как поток взвеси, име-
Рис. 5. Распределение скорости и концентрации частиц в пределах напорной волны
ющий малую плотность. Фронт потока взвеси распространяется в форме придонной напорной волны (рис. 5).
Больше чем 98-99 % частиц грунта, перемещающихся в придонном потоке взвеси, остаются в нем и аккумулируются на дне. Концентрации взвешенных твердых частиц в пределах придонного потока взвеси увеличиваются с глубиной от 10 г/л на поверхности раздела слоя взвеси и вышележащей воды до 300-500 г/л у дна. Вследствие турбулентного перемешивания на верхней поверхности слоя взвеси 1-2 % мелких частиц рассеиваются в окружающей воде, создавая облако мутности позади напорной волны. Пространственные и временные колебания в придонном потоке взвеси зависят от расхода, состава и консистенции сбрасываемой гидросмеси, а также от гидродинамического режима и рельефа дна в месте устройства подводного отвала грунта.
Выполненные исследования показывают, что при устройстве рефулерных подводных отвалов со сбросом гидросмеси в атмосферу общий суммарный объем тонкодисперсных частиц, переходящих во взвесь и образующих пассивные облака мутности у свободной поверхности и дна, составляет менее 5 % от объема извлеченного грунта.
Для снижения за-мутнения воды при устройстве подводных рефулерных отвалов применяют затопленные способы выпуска гидросмеси из грунтопровода (рис. 6). Затопленные выгрузки применяют для того, чтобы полностью или частично изолировать транспортируемую гидросмесь от окружающей водной среды, снизить скорость падения струи гидросмеси, а при использовании диффузора на конце трубопровода снизить скорость истечения гидросмеси из грунтопровода.
Такой способ устройства подводного отвала позволяет уменьшить рассеивание тонкодисперсных частиц в окружающей воде и растекание гидросмеси у дна, а также избежать крупномасш-
табной турбулентности с сильным разжижением и увеличенной мутностью.
Количество тонкодисперсного материала, переходящего во взвесь при затопленной выгрузке, зависит от начальной скорости истечения гидросмеси из выходного отверстия трубопровода, консистенции гидросмеси, расхода гидросмеси и высоты расположения выходного отверстия грунтопровода над дном.
Наиболее эффективным способом затопленного сброса гидросмеси является затопленная выгрузка с погружным диффузором, который крепится на конце вертикального грунтопровода (рис. 7). Назначение диффузора — понизить скорость истечения гидросмеси и изолировать поток гидросмеси от окружающей воды.
Уменьшением скорости истечения гидросмеси достигается понижение градиента
Рис. 6. Затопленные выгрузки гидросмеси
скорости на поверхности раздела между слоем растекающейся гидросмеси и вышераспо-ложенным слоем воды, что, в свою очередь, приводит к уменьшению турбулентных касательных напряжений на поверхности раздела и, следовательно, к понижению интенсивности турбулентного перемешивания. Понижением степени турбулентности обеспечивается минимальное распространение облака дополнительной мутности в толщу потока.
Лабораторные и натурные исследования [8; 9] показали, что применение погружного диффузора позволяет на порядок снизить рассеивание тонкодисперсных частиц в придонном слое потока по сравнению со сбросом гидросмеси через горизонтальный
а
Выпуск 3
Выпуск 3
грунтопровод в атмосферу. Однако эти же исследования показали, что диффузор наиболее эффективен, если он расположен на дне. В том случае, если диффузор поднят над поверхностью дна, размеры придонного облака мутности увеличиваются и фактор снижения мутности уменьшается примерно в три раза. Это хорошо видно на рис. 8, где показаны изолинии мутности, построенные по данным натурных наблюдений [9], выполненных ин-женерами-экологами дноуглубительной компании “Royal Boskalis Westminster” в озере Zevenhuizerplas (Нидерланды).
При размещении диффузора у дна водоема обеспечивается плавное растекание гидросмеси в тонком придонном слое без заметного увеличения ее объема. Это обеспечивает достаточно быстрое осаждение взвесей и при неровностях дна — преимущественное заполнение смесью углубленных участков водоема.
Из всех природных и технологических факторов, обусловливающих рассеивание тонкодисперсных частиц грунта при ус-
тройстве рефулерных подводных отвалов, конфигурация грунтопровода представляется единственным параметром, который с практической точки зрения может быть изменен для эффективного регулирования уровнями мутности.
В США в рамках научной программы “Turbidity Prediction and Control” были выполнены лабораторные исследования затопленных выпусков гидросмеси из грунтопровода [8]. Эксперименты проводились в специальном гидравлическом бассейне. Было выполнено две серии опытов. В первой серии исследовалось истечение гидросмеси из грунтопровода со свободным выходным отверстием. Были рассмотрены три конфигурации выпускной трубы: горизонтальная, наклонная (с углом наклона к горизонту 20°) и вертикальная. Во второй серии опытов исследовалось истечение гидросмеси из вертикального трубопровода с закрепленным на конце диффузором радиального типа. Во время проведения опытов измерялись три параметра: скорость распространения напорной волны, высота
Рис. 8. Изолинии мутности при сбросе гидросмеси с использованием погружного диффузора: а — диффузор поднят над дном; б — диффузор на дне
слоя взвеси, распространяющейся по дну, и высота облака мутности, которое образуется над потоком взвеси (см. рис. 5). Переменными параметрами при проведении опытов были тип воды (пресная или соленая); тип грунта; консистенция гидросмеси (насыщение смеси грунтом); скорость истечения гидросмеси (расход гидросмеси); диаметр трубопровода, а также высота расположения выходного отверстия трубопровода над дном. Большинство опытов было проведено с гидросмесью, приготовленной на основе грунта, который классифицировался как глинистый ил (15 % песка, 55 % ила и 30 % глины).
Высота облака мутности, формирующегося над потоком взвеси, была выбрана в
качестве меры порожденной мутности у дна. Авторы работы для оценки степени мутности ввели понятие коэффициента понижения мутности (turbidity reduction factor). Этот коэффициент представляет собой отношение высоты облака мутности к высоте облака, которое формировалось при истечении гидросмеси через установленный на дне диффузор. При таком размещении диффузора высота облака была наименьшей. Таким образом, коэффициент показывает, во сколько раз можно снизить мутность у дна, если использовать выпуск гидросмеси из диффузора, размещенного на дне, по сравнению с другими способами истечения гидросмеси. Другими словами, коэффициент понижения мутности показывает, во
I
о
CD
О
о
Q-
ч:
го
о
о
о_
ю
о
го
I-
о
0 -О ш о: го
1 -О
с;
ф
о
О
X
1,3
1,2
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
О
■ - ¥ -
▲ - i >0 I I 1
• -
о - I I / —/—
—/-Н 1
1
/
/ /
( / /
к / / с
У / / \ i 1
/ у / к 1 L
4 /
( - 4 0 J ОС 1но
34 56789 10 11
Коэффициент понижения мутности
Рис. 9. График связи коэффициента понижения мутности с относительной высотой сброса гидросмеси
Выпуск 3
сколько раз выпуск гидросмеси через погружной диффузор эффективнее других способов сброса гидросмеси.
Используя этот коэффициент, также можно произвести сравнение различных конфигураций выгрузок. В этом случае отношение коэффициентов при разных выгрузках показывает степень уменьшения порожденной мутности. Например, при истечении гидросмеси из затопленной вертикальной трубы коэффициент равен 4, а при истечении гидросмеси из расположенной на той же глубине горизонтальной трубы он составляет 8. Следовательно, при использовании для сброса гидросмеси вертикально погруженной трубы придонная мутность будет в 2 раза меньше, чем при сбросе пульпы из горизонтальной трубы. Результаты экспериментов в графическом виде представлены на рис. 9.
Выполненные эксперименты показали поразительное уменьшение мутности, которое может быть достигнуто при использовании диффузора, размещенного на дне. В этом случае придонная мутность может быть снижена почти на порядок по сравнению с обычным традиционным способом сброса гидросмеси из горизонтального грунтопровода, расположенного над поверхностью воды. В то же время эффективность диффузора заметно снижается в случае его размещения на некоторой высоте над поверхностью дна.
В результате проведенных исследований было установлено, что затопленная выгрузка из вертикального открытого грунтопровода тоже является очень действенной для снижения мутности. Коэффициенты понижения мутности показывают, что сброс пульпы из вертикальной погруженной трубы в 2,25 раза эффективнее, чем выгрузка гидросмеси из горизонтального грунтопровода, расположен-
ного над поверхностью воды, и в 1,75 раза эффективнее по сравнению с затопленной наклонной трубой. При этом наиболее сильное влияние на процесс рассеивания тонкодисперсных частиц оказывают высота выгрузки над дном и скорость истечения гидросмеси из грунтопровода. Консистенции гидросмеси и ее состав оказывают значительно меньшее влияние на формирование придонного облака мутности.
Таким образом, применение затопленных трубопроводных выпусков гидросмеси позволяет уменьшить рассеивание тонкодисперсных частиц в толще воды и у дна. Это достигается ограничением контакта падающей струи гидросмеси с окружающей водой, понижением скорости ее падения, а также уменьшением интенсивности турбулентности у дна и меньшим разбавлением гидросмеси окружающей водой. Наиболее эффективным способом затопленного сброса гидросмеси является затопленная выгрузка с погружным диффузором на конце вертикального грунтопровода.
Применение диффузора при его расположении на дне водоема позволяет уменьшить придонное облако мутности почти в 10 раз по сравнению с размерами облака мутности, которое формируется у дна при обычном сбросе пульпы через горизонтальный грунтопровод в атмосферу. Учитывая, что при обычном свободном сбросе гидросмеси у дна рассеивается в окружающей воде 1-2 % общего объема сбрасываемого грунта, то при использовании диффузоров радиального типа эта величина составит приблизительно 0,1-0,2 %. Однако эти количественные оценки получены по данным только лабораторных исследований и их следует уточнить по материалам натурных наблюдений.
Список литературы
1. Barnard W. D. Prediction and control of dredged material dispersion around dredging and open-water pipeline: Technical Report DS-78-13, August 1978 / U. S. Army Engineer Waterways Experiment Station Environmental Laboratory. — Vicksburg, Mississippi, 1978. — 114 p.
2. Dredging and dredged material disposal. Engineer Manual EM 1110-2-5025, March 1983 / Department of the Army U. S. Army Corps of Engineers. — Washington, DC, 1983. — 78 p.
3. Teeter A. M. Underflow spreading from an open-pipeline disposal, DOER Technical Notes Collection (ERDC TN-DOER-N7), August 2000 / U. S. Army Engineer Research and Development Center. — Vicksburg, MS, 2000. — 14 p.
4. Environmental monitoring of the dredging and relocation operations in the coastal harbours in Belgium / M. Van Parys [et al.]. — MOBAG, 2000/ — 14 p.
5. Schubel J. R. et al. Field Investigations of the Nature, Degree and Extent of Turbidity Generated by Open-Water Pipeline Disposal Operations: Technical Report D-78-30, July 1978 / U. S. Army Engineer Waterways Experiment Station, CE. — Vicksburg, Mississippi, 1978. — 112 p.
6. Nichols M. M., Thompson G. S. Field study of fluid mud dredged material: its physical and dispersal: Technical Report D-78-40, July 1978 / U. S. Army Engineer Waterways Experiment Station. — Vicksburg, Mississippi, 1978. —74 p.
7. Henry G., Neal, R., Greene S. Laboratory Investigation of the Dynamics of Mud Flows Generated by Open-Water Pipeline Disposal Operations, Technical Report D-78-46, August 1978 / U. S. Army Engineer Waterways Experiment Station, CE. — Vicksburg, Mississippi, 1978. — 100 p.
8. Neal R. W., Henry G. An Evaluation of the Submerged Discharge of Dredged Material Slurry During Pipeline Dredge Operations: Technical Report d-78-44, August 1978 / U. S. Army Engineer Waterways Experiment Station, CE. — Vicksburg, Mississippi, 1978. — 232 p.
9. Controlled submerged deposition of fine grained dredged sediment with various diffuser types, XVII WODCON, C1-4 / D. R. Mastbergen [et al.]. — Hamburg, Germany, 2004. — P 1-10.
УДК 626.4 (62-82) В. П. Бутин,
д-р техн. наук, профессор, СПГУВК
АВТОМАТИЗАЦИЯ ШВАРТОВКИ СУДОВ ПРИ ИХ ШЛЮЗОВАНИИ AUTOMATION OF THE MOORING OF SHIPS DURING THEIR LOCKING THROUGH
В статье поставлен вопрос об актуальности применения на судоходных шлюзах автоматических швартовных устройств. Выполнен анализ работоспособности некоторых конструкций автошвартовных устройств, из которых лучшей признана конструкция с гидровакуумным захватом. Приведены основные технические характеристики и результаты натурных испытаний автошвартовных устройств с гидровакуумными захватами.
The article raises the question of an urgency of an application of automatic mooring devices at navigable sluices. It is analyzed the efficiency of some constructions of mooring devices from which the construction with the hudrovacuum capturing mechanism is recognized as the best. The basic technical characteristics and the results of natural tests of automooring devices with a hudrovacuum capturing mechanism are cited.
Ключевые слова: судоходный шлюз, автоматическое швартовное устройство. Key words: navigable sluice, automatic mooring device.
ОВРЕМЕННЫЙ судоходный шлюз представляет собой высокомеханизированное гидротехническое сооружение с автоматическим управлением процесса шлюзования судов. Однако в этой автомати-
Сі
зированной цепочке судопропуска по сей день существует одно немеханизированное звено — швартовка судна в камере, которая не позволяет полностью автоматизировать процесс шлюзования. Швартовка судов вручную трудоемка и
Выпуск 3
