Сквозные, плавучие, пневматические, гидравлические оградительные сооружения

Сквозные волноломы.

Теоретические и экспериментальные исследования убедительно показывают, что волновая энергия сосредоточена в приповерхностном слое жидкости – в слое толщиной, равной трем высотам волн, сосредоточено 98 % волновой энергии. Такое положение привело к созданию оградительных сооружений со стенкой, заглубленной под уровень примерно на (2…2,5)/h и закрепленной на опорах различной конструкции. Эта стенка, или преграда, может быть выполнена в видя ящика, тонкого экрана, двух экранов, образующих открытую с низу камеру (резонатор), наклонной плоскости, решетчатой конструкции и др. (см. рис.) Такие сооружения получили название сквозных волноломов. Строительство подобных сооружений было осуществлено в ряде портов.

Примеры осуществленных сквозных волноломов:

а) мол, со сквозной надстройкой в порту Гавр (Франция);

б) мол, ящичного типа в порт Веденсвилл на Женевском озере (Швейцария).

1 – кессон, 2 – надстройка, 3 – ростверк, 4 – стальные сваи.

В последнее время предложено несколько конструкций оградительных сооружений, снабженных системой полостей, сквозных отверстий и каналов, а также из вертикальных элементов с промежутками, например в виде свайного частокола. Эти сооружения, правда, несколько условно, также можно отнести к сквозным волноломам.

При расчете сквозных волноломов, прежде всего, определяют степень гашения волн. Для волнолома в виде тонкого вертикального экрана предложено несколько методов расчета, как точных, так и приближенных.

Плавучие волноломы.

Способность плавающих на поверхности жидкости тел, гасить волны общеизвестна и достаточно давно использовалась для защиты различных объектов от воздействия волн. Первые сведения о применении плавучих волноломов относятся к середине прошлого века, когда они были осуществлены во Франции в виде плавучих деревянных решеток, развитых по вертикали. Во время шторма эти сооружения были сорваны с якорей и разрушены. Также неудачно кончилась попытка использовать плавучий волнолом в России на Финском заливе примерно в то же время. В дальнейшем проектов плавучих волноломов было предложено очень много, но они либо вообще не были осуществлены, либо построенные волноломы терпели аварию в результате развития больших усилий в цепях и их обрыва, соударения отдельных частей волнолома и по другим причинам.

В настоящее время идея плавучих волноломов является едва ли не самой популярной из–за необходимости временной защиты ряда объектов, расположенных на большой глубине, где возведение стационарных волноломов технически невозможно, а также необходимости временной защиты отдельных сооружений, устройств или механизмов. Поиск наиболее эффективных конструкций плавучих волноломов активно ведется как в нашей стране, так и за рубежом.

Гашение энергии волн плавучими волноломами различной конструкции происходит в результате частичного или полного отражения волн, принудительного разрушения волн, нарушения регулярности волнового движения, внутренней структуры волн, увеличения турбулентной вязкости воды.

Плавающее тело, в частности волнолом, на волне совершает вынужденные колебания. Если частота собственных колебаний волнолома будет близка к частоте вынужденных колебаний волнолома, т.е. к частоте волны, то наступит явление резонанса, амплитуда колебаний резко увеличится, что вызовет возрастание усилий в якорных цепях вплоть до разрушающих. По-видимому, при малых размерах понтонов это и наблюдалось в прошлом.

Колеблющееся на волне плавающее тело, в свою очередь, является генератором волн. При колебании в противофазе, что наблюдается в зарезонансной области, когда период собственных колебаний больше периода волн, генерируемая волна будет способствовать гашению волнения. Период собственных колебаний волнолома возрастает с ростом его массы, что наиболее просто достигается увеличением его ширины.

В настоящее время проектируются плавучие волноломы с вертикальной передней гранью без яркого крепления (рис.), либо с устройствами, поглощающими и рассеивающими часть энергии. К последним относятся волнолом с перфорированной передней стенкой и камерой гашения (рис.), и волнолом, который гасит энергию благодаря инерции плавающего тела (рис.): при подходе гребня волны поток воды действует на гребень и поворачивает плавучий элемент Р на 90⁰: гребень при этом занимает вертикальное положение, предотвращая переплеск волны: при подходе впадины волны на гребень снова занимает горизонтальное положение.

В некоторых предложениях (Япония) с этой целью рекомендуется снизу подвешивать грузы. Для лучшего гашения энергии перекатывающихся через понтоны волн на их верхней палубе устраивают специальные ребра.

Отдельные плавающие тела, закрепленные за дно или за притопленные понтоны, выполняют в виде стальных или деформируемых шаров, плавающих пучков синтетических нитей, вертикальных элементов или специальных цилиндров (рис.). Число отдельных элементов в составе устройств для гашения энергии волн, которая тратится на преодоление сопротивления при их колебании, изменяется от нескольких сотен до нескольких тысяч.

Большинство предложений основывается на применении для гашения волн гибких экранов или оболочек различной конфигурации (рис.).

Пневматические волноломы.

Гашение волн на поверхности тяжелой жидкости с помощью сжатого воздуха было предложено в начале ХХ в. Установка в реализации этого предложения представляет собой трубы с перфорацией – отверстиями. Воздух, нагнетаемый в трубы, выходит через отверстия в воду и поднимается кверху в виде отдельных пузырьков, образуя так называемый факел. Пузырьки воздуха увлекают за собой частицы воды, обусловливая подъем уровня и создание двух зон циркуляции воды (рис.), в результате чего образуются поверхностные течения в стороны от факела навстречу и попутно волне. Потоки воды сильно турбулизированы и насыщены воздухом. По мнению большинства исследователей, основное значение для гашения волны имеют мощность встречного потока, а также потери энергии волны на турбулентное трение.

Было установлено, что наиболее целесообразно применять пневматические волноломы для частичной защиты акваторий от воздействия коротких и круговых волн (Т менее 5 сек., отношение высоты волны к длине 1/10-1/15) при расположении перфорированных труб на глубине от ½ до 1/3 длины волны. Воздух подается по трубам с перфорацией диаметром 4-8 мм. при шаге 100-400 мм. Давление на выходе небольшое и может превышать гидростатическое давление воды на 30кПа. Для уменьшения засорения отверстия делают с нижней части трубы в плоскости, угол которой с вертикальной составляет 15-20⁰.

Для требуемого количества воздуха необходимо рассчитать диаметр трубопроводов (магистральных и рабочих) при заданном давлении воздуха в начале (у компрессора) и в конце трубопровода, а также размеры отверстий – площадь перфорации на единицу длины трубопровода – из условия равномерной подачи расчетного путевого расхода воздуха. В результате технологического расчета трубопровода определяют температуру воздуха в конце любого рассматриваемого участка. На основании технологического расчета проводят гидроаэродинамический расчет трубопровода с учетом трения и теплообмена для определения падения давления воздуха по длине воздухопровода от его начала (у выхода из компрессора) до конца перфорации. Задавшись избыточным давлением в конце воздухопровода, можно рассчитать давление, которое должна развивать компрессорная установка при необходимом расходе. Таким образом, по заданной величине остаточной волны при каждом конкретном шторме при неизменных характеристиках волнолома можно определить наиболее экономичный режим работы энергетической установки.

В конструктивном отношении пневматические волноломы достаточно просты и представляют собой магистральные и рабочие трубопроводы, уложенные на специальные опоры, установленные на дне (рис.).

Конструкция опор может быть самая различная. Рекомендуется в качестве несущей конструкции использовать магистральные стальные трубопроводы, рабочие перфорированные трубы выполнять съемными из более легкого некорродирующего материала, например из пластмассы. Рабочие трубопроводы необходимо устанавливать строго горизонтально, между рабочим и магистральным трубопроводами следует предусмотреть обратный клапан, чтобы предупредить засорение магистральных трубопроводов. На трубопроводах необходимо установить клапаны для их промывки.

К достоинствам пневматических волноломов следует отнести простоту конструкции, возможность прохода над ними судов, что позволяет применять их для перекрытия ворот порта, и, наконец, невысокую стоимость.

К недостаткам пневматических волноломов следует отнести их удовлетворительную работу только в узких пределах изменения длины волны (длинные волны крутизной менее 1/20 практически не гасятся), резкое увеличение расхода воздуха с уменьшением глубины установки перфорированного рабочего трубопровода, относительно высокие эксплуатационные затраты, большую энергоемкость и невыгодную загрузку энергосистемы.

Пневматические волноломы могут найти применение в первую очередь на водохранилищах и на море для защиты отдельных сооружений – ворот доков, плавдоков, ворот портов, подходов к шлюзам и т.п.

Гидравлические волноломы.

При использовании пневматических волноломов, как уже указывалось, основным фактором, определяющим гашение волн, является поверхностный поток воды, направленный против движения волн. В связи с этим появилась идея гашения волн встречным потоком, созданным не в результате движения пузырьков воздуха, а каким–либо другим путем, например работой водометного движения, винтовым двигателем или действием водяных струй. Последний способ получил наибольшее распространение.

Разрушение волн на встречном течении известно давно, и есть теоретические решения, которые связывают степень деформации волн с отношением максимальной скорости потока u_max., к скорости распространения волны c и крутизной волны h/λ. Механизм гашения волн на встречном течении заключается в том, что при этом уменьшается длина, увеличивается высота волны, крутизна достигает критического значения и волна разрушается. Имеется различие потоков при работе пневматического и гидравлического волноломов. В первом случае поток сильно турбулизирован и аэрирован, что обеспечивает при прочих равных условиях большую степень гашения по сравнению с потоком, созданным истекающими струями воды. В последнем случае завихренность незначительная, степень аэрации мала. При расчетах мощности волнолома обычно задаются необходимым коэффициентом гашения при известных параметрах волн и глубине воды. Опытами установлено, что степень гашения волн уменьшается с возрастанием длины и высоты волны, уменьшением ее крутизны и глубины воды.

В опытах было установлено, что волногасящаяся способность гидравлического волнолома не зависит от диаметра насадов и определяется удельной площадью отверстий и расходом истекающих струй воды. Наибольший эффект гашения наблюдается при горизонтальном истечении струй на отметке спокойного уровня.

Область применения гидравлического волнолома ограничивается условиями водохранилищ или временной защиты отдельных объектов на море, например строительных плавучих механизмов при коротких и крутых волнах, при длине волны λ=30 м на уровне современных разработок гидравлический волнолом менее эффективен, чем пневматический.