Блог Шаблон

---

Электронный журнал

Предотвращение аварий зданий и сооружений

Защита оснований ледостойких платформ от размыва

Общие сведения

Выбор типа опорных конструкций и проверку общей устойчивости ледостойких платформ следует производить с учетом возможности общего размыва в месте строительства сооружений и местного размыва у их опор.

Общий размыв определяется по результатам натурных обследований (промеров) акватории в месте предполагаемого строительства сооружений. Если изменения глубин в точках между двумя последовательными промерами, выполненными с интервалом, как правило, не менее 3-х лет, не превосходит 0,5 м, общий размыв в расчете допускается не учитывать [4]. В дальнейшем в данной статье будут рассматриваться только вопросы, связанные с местным размывом.

Если величины местного сдвигающего давления и, соответственно, местные скорости становятся больше пороговых для начала движения наносов, размыв будет продолжаться до тех пор, пока сдвигающее давления внутри воронки размыва не станут опять меньше предельных значений. Воронки размыва будут быстро увеличиваться в размерах при воздействии потока с размывающими скоростями.

Необходимость изучения проблемы местных размывов дна от течений и волн у морских нефтегазопромысловых сооружений возникла в связи с проектированием и строительством ледостойких гравитационных сооружений, которые характеризуются следующими особенностями (рис. 1):

1. мелководностью районов строительства;
2. суровыми штормовыми условиями;
3. большими поперечными размерами сооружений, вызывающими дифракцию волн;
4. многообразием форм сооружений;
5. характером сопряжения основания сооружения с дном.

Рис. 1. Стационарная платформа в процессе строительства

В безледный период при действии штормовых волн у сооружений может возникнуть местный размыв дна, особо угрожающий общей устойчивости и прочности ледостойких сооружений гравитационного и свайно-гравитационного типа.

Проблема местных размывов дна у сплошных отдельно стоящих морских сооружений больших поперечных размеров продолжает изучаться, обобщающие работы по проблеме практически отсутствуют, в нормативных документах не представлены рекомендации для большинства используемых в настоящее время форм оснований. Имеются отдельные публикации по результатам лабораторных исследований местного размыва у некоторых типов сооружений от действия течений и волн.

Для разработки методов прогноза местных размывов дна у опор в морских условиях первоначально использовался опыт экспериментальных исследований местных размывов дна у мостовых опор в руслах рек при установившемся течении, а также исследованиям общего движения потока наносов при течении [7].

В книге [15] представлены результаты исследований МГСУ для создания инженерных методов прогноза характеристик местного размыва у морских сооружений больших поперечных размеров, в частности у отдельно стоящих цилиндрических опор, являющихся простейшим прототипом морского ледостойкого сооружения.

В 1988-1994 гг. в СПбГПУ проводились теоретические и экспериментальные исследования местных размывов грунта морского дна у шельфовых сооружений различных конструкций [7].

В статьях [2, 5, 16] представлены результаты исследований ВНИИГ 1990-1998 гг. по определению параметров местного размыва у оснований ледостойких сооружений, которые разрабатывалась для Астохского (круглоцилиндрические колонны на фундаментном блоке) и Пильтун-Астохского месторождений в Охотском море на шельфе Сахалина и для Приразломного месторождения в Печорском море (усеченные призмы с основанием в виде квадрата).

На больших глубинах размыв вызывают в основном морские течения, на средних и малых глубинах существенное влияние оказывает волнение. Периодический характер волнового движения воды способствует ослаблению структурных связей в донном грунте и тем самым ускоряет размыв.

В отечественных нормативных документах имеются рекомендации по расчету размывов у некоторых типов сооружений, в том числе:
1. вертикальные и наклонные стенки (СНиП 2.06.04-82* [10], РД 31.31.27-81 [8], РД 31.31.55-93 [9]);
2. вертикальные цилиндрические сооружения больших размеров (СНиП 2.06.04-82* [10], ВСН 41.88 [3], Р 31.3.07-01 [6], СТО 2-3.7-28-2005 [13]);
3. опоры сквозных сооружений и специальные стенды (ВСН 80-80 [6]);
4. опоры мостов (СП 32-102-95 [12]).

Согласно Указаниям Р 31.3.07-01 [6] глубину нижней границы размыва грунта перед сооружением следует определять из условия равенства допустимых неразмывающих и максимальных донных скоростей. При максимальных донных скоростях перед сооружением, превышающих допустимые значения неразмывающих донных скоростей, требуется защита от размыва.

Глубина местного размывам у опор, как и время его формирования, зависит от рода грунта. В настоящее время более изученным следует считать процесс размыва в несвязных грунтах (песок, галька). размыв в связных грунтах является более сложным явлением ввиду специфических особенностей связных грунтов (наличия молекулярных сил сцепления между частицами и повышенной плотности грунта), но глубина его оказывается меньше, чем в несвязных грунтах. Некоторая информация о способности связных материалов выдерживать воздействия потоков с различными скоростями представлена на рис. 2.

Рис. 2. Руководство по определению допускаемых
скоростей для связных материалов [1]

В табл. 1 приведены допускаемые неразмывающие скорости для различных связных грунтов.

Однако, так как глинистые грунты сильно различаются по своим физическим свойствам (плотность, связность и т.д.) точные рекомендации могут быть получены только на основании модельных экспериментов по определению напряжения трения. Пороговые скорости лежат в пределах от 0,5 м/с для легких глин с минимальной плотностью до 2,0 м/с для плотных тяжелых глин (см. табл. 1).

Таблица 1

Неразмывающие скорости для связных грунтов [1]

Размывы при установившемся течении

При набегании потока на опору, его струи, ударяясь о поверхность опоры, изменяют свое направление. По бокам опоры вследствие местного сжатия образуются скорости, увеличенные в 1,5-2,0 раза по сравнению со скоростью невозмущенного потока. Со стороны лобовой поверхности опоры струи потока разделяются. Часть из них устремляется вверх, образуя по ширине опоры местное повышение уровня воды. В средней и нижней части толщи воды перед опорами, имеющими тупую лобовую часть, возникают нисходящие струи, которые, опускаясь и отражаясь от дна, изменяют свое направление на встречное по отношению к направлению основного потока, а затем закручиваются в вихрь вблизи дна. Этот донный вихрь (валец) с горизонтальной осью вращения подковообразно охватывает опору, а струи его взвешивают и захватывают частицы грунта, большая часть которых выносится за пределы опоры в низовую сторону, а меньшая часть падает на верховой откос воронки и сползает на ее дно.

Для круглоцилиндрических опор размыв дна у боковых граней несколько опережает размыв перед лобовой гранью, но через некоторое время боковые размывы соединяются с размывами у лобовой грани опоры и здесь образуется наибольшая глубина воронки размыва (рис. 3).

Рис. 3. размыв по действием установившегося потока:
а – начальная стадия; б – стадия равновесия

У опор с заостренной лобовой частью турбулентность потока значительно меньше. Здесь уже нет явно выраженных нисходящих струй, скользящих вниз по лобовой грани, а подковообразный вихрь как бы разрезается носом опоры и превращается в два раздельных донных вихря по бокам опоры. Глубина размыва возле заостренных опор существенно меньше, чем у опор с тупой фронтальной оконечностью. Если у опор с тупой фронтальной оконечностью максимальная глубина размыва образуется перед лобовой гранью, то у заостренных опор она сдвигается к миделевому сечению, причем на расстояние тем большее, чем больше заострена опора. Чаще всего максимальная глубина размыва у таких опор располагается вблизи сопряжения фронтальной части с боковыми плоскостями опоры.

Рядом исследователей было установлено, что глубина местного размыва у опор зависит от режима наносов. При непрерывном поступлении наносов в воронку размыва происходит быстрое возрастание глубины воронки, которая устанавливается в конце концов на значении, называемом равновесной глубиной. Пульсирующий характер изменения глубины воронки объясняется неравномерным поступлением наносов, перемещающихся по дну грядами. При отсутствии поступления наносов в воронку глубина размыва асимптотически приближается к некоторому пределу.

Чем крупнее преграда, тем больший объем виды меняет направление движения в результате взаимодействия и тем вероятнее размыв. Опасность размыва в основании гравитационных сооружений оказывается значительно большей, чем для сооружений на сквозных опорных блоках. Процесс размыва продолжается до тех пор, пока дно около сооружения не примет такую конфигурацию, при которой не образуются опасные вихри.

Глубина размыва h_р у сооружений небольших плановых размеров, в частности у свай, сопоставима с их диаметром. Экстраполяция этих результатов на конструкции с большим отношением диаметра к глубине воды может привести к значительным ошибкам. Очевидно, что соотношение h_р = 1,5D не может быть применено, например, к сооружению диаметром D = 100 м. Натурные наблюдения за размывом вокруг больших сооружений свидетельствуют, что относительные размеры областей размыва вокруг них гораздо меньше, чем вокруг сооружений малых поперечных размеров.

Размывы, возникающие под действием волнения

Развитие процесса размыва грунта под действием волнения определяется в основном формой и размерами сооружения в плане и по высоте и соотношениями между размерами сооружения, параметрами волн и глубиной воды.

Если длина волны меньше, чем ширина сооружения вдоль фронта волны, т.е. , а наклон передней грани сооружения , то перед сооружением образуются стоячие волны. Максимальные размывы возникают перед сооружением на расстоянии, равном четверти длины волны, и происходит вследствие увеличения донных скоростей в стоячей волне. При фронтальном подходе волн область размыва параллельна лицевой грани сооружения.

Если ширина сооружения находится в пределах , то происходит частичная интерференция волн.

Наконец, при или параметры волн перед сооружением практически не меняются и будут такими же, как у исходных волн.

Нужно учитывать, что на открытых акваториях континентального шельфа подход волн к сооружению равновероятен для различных направлений и воронки размыва могут формироваться с разных сторон сооружения.

При волновом воздействии на вертикальные преграды обтекаемой формы, близкой к цилиндрической, имеет место следующая картина. размыв начинается вследствие возникновения на уровне дна сдвигающих напряжений, которые в свою очередь возникают в результате ускорения потока жидкости у преграды (рис. 4). Испытания показали, что проходящие волны циклически поднимают частицы грунта со дна. Расстояние, которое проходит частица жидкости при колебательном движении, вызванном волнением, является относительно небольшим. В результате в приграничном слое жидкости образуются вихри с интенсивностью меньшей, чем в случае равномерного потока. На начальной стадии размыв происходит по сторонам от вертикальной цилиндрической преграды, а грунт выносится к ее лобовой и тыловой стороне.

Рис. 4. Начальная стадия размыва при волнении

Местный размыв у опор сооружений определяется явлением дифракции волн и неустойчивого вихреобразования при обтекании опоры волнами и характеризуется большим разнообразием форм воронок размыва.

У цилиндрических опор больших поперечных размеров, когда преобладает дифракция волн, максимальный размыв возникает около боковых поверхностей цилиндра.

При наличии у сооружения «юбки» по контуру фундаментного блока или при его заглублении, форма и характеристики воронки местного размыва у опоры определяются степенью заглубления в размываемое дно. При недостаточном заглублении, когда при развитии воронки размыва нижний край обнажается, за счет возникновения пульсаций волновых давлений в полости у края возникает увеличение скоростей и усиленный выброс грунта из воронки. В результате интенсивность местного размыва резко возрастает. Глубина воронки размыва в этом случае увеличивается почти в 2 раза, а плановые размеры воронки – в 1,5 раза, причем воронка приобретает почти круговую форму с незначительным намывом позади опоры. Таким образом, при проектировании сооружений рассматриваемого типа необходимо предусматривать заглубление юбки или основания сооружения таким, чтобы оно превышало возможную глубину размыва.

Процесс местного размыва у конической опоры обусловлен в основном рефракцией волн на опоре, вследствие чего фронт волны становится вогнутым и гребень волны, обтекая конус, смыкается позади него, вызывая всплеск воды над тыловой частью конуса. В результате возникает нисходящая турбулентная струя, которая, опускаясь вдоль тыловой образующей конуса, интенсивно отбрасывает грунт от опоры, формируя позади конуса вытянутую по лучу волны воронку размыва эллиптической формы. При этом максимальная глубина воронки размыва возникает не у контура основания конуса, а на некотором расстоянии от него. У передней и боковых образующих конуса размыв практически отсутствует (рис. 5).

Рис. 5. Схема местного размыва дна от волн у конической опоры:
а – вид сверху; б – продольный разрез

Результаты исследований указывают на необходимость разработки специальных мероприятий для зашиты оснований проектируемых гравитационных ледостойких сооружений конической формы от местного размыва штормовыми волнами.

В случае опор многоугольной формы (квадраты со срезанными углами, восьмиугольные и т.п.) местные размывы возникают, как правило, вблизи углов, т.е. там, где имеет место наибольшее вихреобразование (рис. 6).

Рис. 6. Пример образования местного размыва дна у многоугольной опоры при различном положении сооружения относительно набегающего потока [2]

Размыв при совместном действии волнения и течения

Свойства волн взаимодействующих с течениями отличаются от свойств волн распространяющихся на спокойной воде. Принято считать, что допущение о независимости движения волн и течений незначительно влияет на точность расчетов. Наиболее простым является случай распространения волн в направлении течения.

Согласно [15], скорость размыва при взаимодействии волнения и течения, имеющих одинаковое направление, превышает ту же характеристику при действии каждого из параметров в отдельности. Это приводит к увеличению области размыва, создаваемой комбинированным потоком.

Если волны направлены навстречу течению, то придонная скорость комбинированного движения уменьшается, в результате чего уменьшается вторичное течение (вертикальная составляющая потока), придонный вихрь теряет свою мощность, что в свою очередь приводит к уменьшению размыва [7].

Вклад каждой из составляющих зависит от глубины воды и длины волны. При небольшой глубине воды влияние волнения, как правило, больше, чем влияние течения.

Как показывают результаты многочисленных лабораторных и натурных наблюдений [17], при совместном действии течения и волнения, благодаря тому, что характер развития процессов размыва при действии этих факторов различен, глубина размыва не увеличивается по сравнению с глубиной размыва при действии каждого из этих факторов в отдельности. Большое значение имеет и то обстоятельство, что течение и особенно волнение со временем меняют свое направление, что приводит к заполнению старых воронок размыва и образованию новых.

Методы защиты дна от местного размыва

Накопленный опыт строительства гравитационных сооружений в мелководных районах шельфа и имеющаяся нормативная база являются недостаточными для осуществления надежных мер по защите оснований сооружений от местного размыва.

Строительство гравитационных глубоководных платформ в условиях Северного моря показало, что, вследствие затухания скоростей волнового движения и течений у дна на глубоководье, применение юбочных конструкций по контуру основания платформ наряду с небольшой отсыпкой камня и гравия обеспечивает надежную защиту от местного размыва [7, 15].

Опыт эксплуатации морских сооружений показывает, что хотя защита от местного размыва дорога, однако ремонтные работы, вызванные недостаточной защитой от местного размыва, еще более дороги. Имеются примеры разрушения морских сооружений, при строительстве которых меры по защите от местного размыва оказались недостаточными. Например, в 2006 г. на платформе ПА-Б Пильтун-Астохского месторождения возникли проблемы, связанные с размывом грунта под основанием платформы и образованием пустот, в качестве мер по ликвидации последствий размыва намечалось заполнение пустот цементным раствором, что предполагает дополнительное время и затраты [15].

В инженерной практике наиболее широко применяются пассивные способы защиты от местного размыва в виде наброски (отсыпки) из камня или гальки по подстилающему обратному фильтру из гравия или специальной фильтрующей ткани; шарнирных плит, закрепленные по периметру основания; жестких горизонтальных экранов, выступающих консольно по периметру сооружений в плоскости его днища.

К активному типу защиты от местного размыва относятся такие способы защиты, которые вызывают отложение (намыв) естественных наносов у сооружения (в частности, экраны-отражатели).

В настоящей работе предлагается использование сочетания двух видов противоразмывных мероприятий в виде:
1. жестких экранов, при заглублении сооружения в грунт;
2. каменной наброски.

О выборе параметров защитной наброски из камня и гальки для стационарных сооружений

Крупность материала и толщина слоя наброски зависят от выбора одной из двух возможных концепций защиты от размыва:

1. крупность наброски подбирается из условия неподвижности верхнего слоя (отсутствие размыва) при воздействии волн и течений с расчетными параметрами редкой повторяемости; крупность материала при этом максимальная;
2. крупность наброски подбирается из условия допущения размыва верхнего слоя на заранее заданную глубину при шторме или течении заданной повторяемости; при этом должно быть предусмотрено периодическое пополнение защитного слоя наброски в период эксплуатации сооружения.

Крупность элементов наброски из камня с горизонтальной поверхностью, соответствующая состоянию предельного состояния может быть определена по формуле [4]:

где pм – плотность материала;
p – плотность воды;
d – размер камня, приведенный к размеру шара;
V_b,max – максимальная скорость частиц воды на постели.

Масса элементов постели в воздухе, обеспечивающая их устойчивое положение в сооружении, определяется по формуле

где – коэффициент надежности по ответственности сооружения, и в соответствии со СНиП 33-01-2003 [11] для сооружений I класса = 1,25.

Назначать размеры защитной наброски в плане следует таким образом, чтобы ширина защитного покрытия вокруг сооружения была наибольшей из двух величин [15]:

1. максимальной длины воронки размыва у контура опоры l_р,max;
2. расстояния от контура опоры длиной 0,4 [10], где – длина расчетной волны.

Каменная наброска на грунтовые основания должна выполняться по принципу отсыпки обратного фильтра с устройством нижнего слоя из мелкого камня, а верхнего слоя – из крупного [9].

Постель набросного сооружения устраивается для выравнивания поверхности дна; защиты естественных оснований от размыва волнением и предохранения слабых грунтов от размыва фильтрационными токами в процессе обжатия основной нагрузкой от сооружения и пр.

Постели и обратные фильтры, сопрягающие слои из материалов разной крупности, выполняются в соответствии с указаниями норм из сортированного камня.

Толщины слоев сортированного камня должны быть такими, чтобы могли включать не менее двух рядов камней с расчетными массами. Слои расположенные ближе или примыкающие к внешнему контуру наброски должны защищать находящиеся непосредственно под ними подстилающие (внутренние) слои от вымывания. Размеры камней в подстилающем слое должны быть не менее 1/3. Это же положение в отношении масс камней формулируется так: массы камней в подстилающем слое должны быть не менее 1/20 масс камней в накрывающем слое.

Выводы

Как показывают сопоставительные расчеты [15], на открытых акваториях с глубинами до 20 м параметры защитной наброски из камня у сооружений определяются воздействием штормовых волн, а не морских течений. Для оценки параметров размывающих воздействий, выбора защитных мероприятий и сопоставительного анализа рассматриваемых вариантов для мелководных участков предлагается следующий алгоритм расчета:

1. определение максимальных донных скоростей у оснований сооружений при действии волнения в соответствии с рекомендациями нормативных документов;
2. суммирование донных скоростей, вызванных однонаправленным действием волнения и течения (в сторону запаса);
3. определение крупности верхнего слоя наброски и обратного фильтра;
4. определение площади наброски вокруг сооружений.

Приведенные в данной статье способы оценки параметров защитной наброски у стационарных сооружений при воздействии волн и течений пригодны на стадии предварительного проектирования и выбора оптимального варианта конструкции сооружения и защитной наброски. На стадии рабочего проектирования должны быть выполнены специальные лабораторные исследования.

Окончательный выбор схемы защитных мероприятий, подбор крупности материала и толщины слоя защитной наброски должен определяться технико-экономическими расчетами на основе системного подхода с учетом необходимости обеспечения общей устойчивости и прочности конструкций на весь период эксплуатации сооружения.

Библиографический список

1. Беляев Н.Д. Инженерные методы предотвращения размыва дна от работы судовых движителей. Автореф. дис. … канд. техн. наук. – СПб, 1999.
2. Беллендир Е.Н., Беляев Б.В., Миронов М.Е. Местные размывы у платформ для обустройства нефтегазовых месторождений при совместном действии волн и течений. // Известия ВНИИГ. 2003. Т. 242. с. 208-216.
3. ВСН 41.88. Проектирование морских ледостойких стационарных платформ. Миннефтепром. М.: ВНИПИморнефтегаз, 1988.
4. ВСН 80-80. Инструкция по проектированию откосных и сквозных оградительных сооружений и специальных подводных стендов / Минобороны. М.: ГИУ ВМФ, 1981.
5. Дэвис М.Х., Мищенко С.М. Экспериментальные исследования местных размывов дна у основания морских гидротехнических сооружений. // Известия ВНИИГ. 2000. Т. 23. с. 140-151.
6. Р 31.3.07-01. Указания по расчету нагрузок и воздействия волн, судов и льда на морские гидротехнические сооружения / Минтранспорта РФ, М.: Союзморниипроект, 2001.
7. Разработка детерминистических методов расчета внешних нагрузок от действия льда, течения и волнения на сооружения с учетом их взаимодействия с грунтом дна и системами удержания. Отчет по теме № 2.7.17/4491412. СПб, СПБГТУ, 1994.
8. РД 31.31.27-81. Руководство по проектированию морских причальных сооружений / Минморфлота СССР. М.: В/О «МОРТЕХИНФОРМРЕКЛАМА», 1984.
9. РД 31.31.55-93. Инструкция по проектированию морских причальных и берегоукрепительных сооружений. – М.: Минтранспорта РФ, 1996.
10. СНиП 2.06.04-82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). – М.: Госстрой России, 1996.
11. СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Основные положения. – М.: Госстрой России, 2006.
12. СП 32-102-95. Сооружения мостовых переходов и подтопляемых насыпей. Методы расчета местных размывов / Минтрансстрой РФ. М.: АО «ЦНИИС», 1996.
13. СТО Газпром 2-3.7-28-2005. Методика расчета волновой нагрузки на ледостойкую стационарную платформу. М.: ВНИИГАЗ, 2005
14. Субботин М. «САХАЛИН-2»: Издержки инвестора // Ведомости 26.10.2006.
15. Халфин И.Ш. Воздействие волн на морские нефтегазопромысловые сооружения. – М.: Недра, 1990.
16. Mischenko S.M. Local seabed erosion at the foundation of the ice resistant platform. – Transactions. Second International Conference RAO’95, St. Petersburg, p.381-386.
17. Rytkonen J. Local scour and scouring protection of drilling platforms in the Arctic sea environment. – Technical Research Centre of Finland (VTT), ESPOO, 1983, Research Notes 267.

<<Назад