Диссертация (1141536), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Но кгодовому максимуму толщины лед подходит заметно ослабленным, а на момент взлома иобразования дрейфующих полей ослабление прочности становится еще более значимым.На тему эволюции прочности льда в течение зимнего сезона весомое исследование быловыполнено специалистами Канадского Арктического центра в одной из акваторий КанадскойАрктики [116]. Исследовалась прочность льда на сжатие в толще ледового поля при помощиспециального домкрата (метод «borehole jack»). На рисунке 6.4 изображены результатыисследования и то, как изменялась нормализированная прочность льда (σ/σ max) в течение всегозимнего сезона.
Видно, что прочность льда на протяжении холодных месяцев (январь-март)была относительно стабильна. Весной с увеличением солнечной радиации и температурывоздуха, что вызывает таяние льда и образование солевых каналов во льду, прочность льданачала заметно уменьшаться. В середине мая она составила около 70% от зимней прочностильда, в начале июня – 50%, перед началом активного взлома припая прочность составляла неболее 10%.114Рисунок 6.4 - Эволюция прочности льда на сжатие на протяжении ледового сезона [116]Несмотря на отсутствие прямой зависимости между прочностью льда на одноосноесжатие, прочностью на сжатие в толще льда и масштабной прочность ледового поля, данноеисследование показало изменчивость прочностных характеристик льда на протяжении ледовогосезона. Это доказывает необходимость анализа различных сочетаний толщины и прочностильда для определения максимальной возможной нагрузки.Стоит упомянуть, что экспедиционные измерения прочности ледовых образцов насжатие проводятся, как правило, в мае-июне.
Со ссылкой на вышеописанное исследование, этотпоказатель прочности будет иметь значение в диапазоне 20-70% от зимнего значения прочностильда, но будет в несколько раз больше прочности льда во время ледохода и активного дрейфальда.Методика расчетаВнешняя стенка мола гидротехнических сооружений ПАТЭС имеет наклоннуюпереднюю грань. Поэтому, как изображено на рисунке 6.5, рассматривается два вариантавоздействия льда на конструкцию:1. При воздействии льда на наклонную стенку и разрушении льда на изгиб;2. При наличии на откосе смерзшихся навалов льда и воздействии дрейфующего льдакак на вертикальную стенку.115а)б)Рисунок 6.5 - Сценарии воздействия дрейфующего ледового поля на наклонную стенку мола: а)при разрушении льда на изгиб; б) при разрушении льда на сжатие при наличии смерзшихсяледовых обломков на стенке молаОценка ледовой нагрузки от ровного льда на наклонную стенку мола.Горизонтальная сила от воздействия дрейфующего ледового поля на наклонную стенкуопределяется по формуле из СП 38.13330.2012 [1], МН:- горизонтальная составляющая нагрузки ℎ , МНℎ = ∆ ℎ ( + ) + ℎ [1 + 1 ( − 0.1) + 2 ( − 0.1)2 ](6.3)где , ∆ , ℎ , 1 , 2 – коэффициенты, принимаемые по таблицам, представленным в стандарте; – коэффициент трения; – прочность льда на изгиб; – ширина сооружения,ℎ – расчетная толщина льда.Оценка ледовой нагрузки на вертикальную стенкуСила от воздействия дрейфующего ледового поля на вертикальную стенку протяженногосооружения определяетcя по формуле из СП 38.13330.2012, МН:- на секцию протяженного сооружения, = 2.2 ∙ 10−3 ℎ √ (6.4)При этом ледовая нагрузка, определенная по формуле (6.4) не должна быть выше, чем:, = ℎгде – скорость дрейфа льда, м/с; – площадь льдин, м²;, – коэффициенты из СП 38.13330.2012;(6.5)116 – прочность льда на сжатие, МПа; – плотность льда, кг/м³;В качестве альтернативной методики оценки ледовой нагрузки применяется формула измеждународного стандарта ISO 19906 [19]: = ℎℎ (6.6) = (ℎ ) (ℎ )1где(6.7) = 2,8 МПа;=-0.3; =-0.16.Известно, что формула (6.5) из СП 38.13330.2012 в некоторых случаях может даватьзаниженные значения ледовой нагрузки ввиду не совсем корректного учета масштабногоэффекта ледовой нагрузки.
При выводе формулы (6.5) не было обширных данных о натурныхизмерениях воздействия ледовых полей на протяженные сооружения. Формула (6.6) из ISO19906 в случае отсутствия многолетнего льда в акватории будет давать несколько завышенныезначения. В Главе 4 была представлена формула (4.12), которая с одной стороны учитываетзависимость ледового давления от толщины льда ℎ и отношения /ℎ, с другой стороныпозволяет учитывать изменчивость прочности льда, тем самым компенсируя недостаткиформул (6.5), (6.6).Когда вертикальная стенка представляет собой смерзшийся лед, то к формулам (6.5),(6.6), (4.12) должен применяться понижающий коэффициент ℎ = (6.9)В СП 38.13330.2012 представлен коэффициент только для случая подвижкисмерзшегося с коническим сооружением ледового поля. Таким образом, чтобы оценитьзначение данного коэффициента для конструкции рассматриваемого мола в Певеке необходимопровести численное моделирование. Его результаты представлены далее.Исходные ледовые параметры для определения расчетной нагрузкиСтатистические многолетние гидрометеорологические данные со станции Певекдополняются данными, полученными в ходе ледоисследовательских работ экспедиции «Певек2011» с 30 апреля по 18 мая 2011 года [122].117Сроки устойчивого ледообразования и первого взлома припая.В таблице 6.1 приведены даты основных ледовых фаз, связанных с появлением иисчезновением льда в районе станции Певек.
Значения получены за период 1941-2010 гг.Таблица 6.1 - Даты основных ледовых фаз по станции Певек за 1941 – 2010 гг.Устойчивое полное Первый взлом Число дней созамерзаниеприпаяльдом в годуСредняя18.1012.06294Ранняя30.0924.05251Поздняя14.1108.07365СКО*8932* - среднеквадратическое отклонение статистической величиныТемпература воды, воздуха и льдаВ таблице 6.2 представлена статистическая информация о температуре воды,представленная на сайте [123] и собранная в период 1977-2016 на станции Певек.Таблица 6.2 - Статистическая информация о температуре воды со станции Певек, С˚МесяцЯнварьФевральМартАпрельМайИюньИюльАвгустСентябрьОктябрьНоябрьДекабрьКол.
набл.431283306350121532503595359834772166312303Минимум-1.6-1.6-1.6-1.6-1.6-1.20.10.1-1.5-1.9-1.5-1.6Среднее-1.4-1.5-1.4-1.3-0.72.86.57.83.7-0.6-1.3-1.3Максимум0.9-1.2-1.11.06.112.316.016.411.54.40.11.4118В таблице 6.3 представлена среднемесячная температура воздуха, также собранная настанции Певек в период с 1977 по 2016 год [123].Таблица 6.3 - Статистическая информация о температуре воздуха со станции Певек, С˚МесяцЯнварьФевральМартАпрельМайИюньИюльАвгустСентябрьОктябрьНоябрьДекабрьКол.
набл.111010071111108011111076111311131080111610791113Минимум-41.6-49.6-39.8-35.4-27.3-7.5-1.9-3.4-12.4-31.0-40.7-41.3Среднее-25.0-27.1-26.1-17.3-3.94.48.26.91.8-8.3-20.1-23.2Максимум1.70.4-1.63.313.119.925.020.515.15.65.72.2В ходе экспедиции «Певек-2011» проводилось измерение вертикального распределениятемпературы льда на протяжении всего периода исследований. Наибольшие изменениятемпературы наблюдались в верхнем слое льда, что объяснялось суточными колебаниямитемпературы воздуха. Температура в среднем и нижнем слоях была относительно стабильной ибыла близка к -1С˚.
На рисунке 6.6 показано характерное распределение температуры льда,полученное в ходе экспедиции.Рисунок 6.6 - Характерное распределение температуры льда, полученное в ходеэкспедиции «Певек-2011» [122]119Соленость льдаДлинного ряда статистических данных солености льда не имеется.
В ходе экспедиции«Певек-2011» соленость льда на полигоне изменялась от 0.24‰ до 4.45‰ при среднем значении3.00‰. Повышенная соленость наблюдалась, как правило, в средних слоях кернов (70-90 см),что характерно для волокнистого морского льда в период весеннего прогрева.Толщина льдаВ таблице 6.4 приведены средние и экстремальные среднемесячные (с января по май)значения толщины льда и ее среднеквадратическое отклонение (СКО) за последние 70 лет – сзимы 1941/1942 по 2010/2011 год [124].Таблица 6.4 - Средние и экстремальные значения толщины льда (см) по станции Певекза 1941-2011 гг.Месяц январь февральСреднее98119Макс.137159Мин.6883СКО1416март1371759417апрель15118610119май1411937929В ходе экспедиции «Певек-2011» средняя измеренная толщина льда варьировалась вдиапазоне 132-152 см при максимальной зафиксированной толщине 165 см.Расчетная толщина льда (статистически максимальная, обеспеченностью 1%) для портаПевек была определена через нормальную функцию распределения вероятности случайнойвеличины, по формуле:ℎ100 = ℎ + 2.58 ∙ ℎ(6.10)гдеℎ100 – расчетная толщина льда обеспеченностью 1% (вероятность превышения 1 раз в 100 лет);ℎ – среднее значение толщины льда;ℎ - среднеквадратичное отклонение.Для каждого из рассматриваемых месяцев с ледовой обстановкой (январь-май) былаопределена расчетная толщина льда.
Результаты представлены в таблице 6.5.Таблица 6.5 - Помесячные значения расчетной толщины льда ℎ100Месяцℎ100 , смянварь февраль134160март181апрель200май215120Толщина снежного покроваОсадков в районе г. Певек выпадает мало. Устойчивый снежный покров устанавливаетсяв конце сентября. Рост высоты снежного покрова начинается в октябре и достигаетмаксимальной величины в середине апреля. Далее с увеличением солнечной радиации снегначинает таять. Наибольшая высота снежного покрова колеблется от 10 до 100 см изначительно изменяется из года в год. Средняя наибольшая высота снежного покрова помноголетним наблюдениям составляет 52 см.При проведении экспедиции «Певек-2011» на полигоне исследуемого участка лед былмало заснеженным: толщина снежного покрова изменялась от нуля до 14 см.
После метели 18мая толщина снежного покрова увеличилась до 18 см.Размеры дрейфующих льдинСтатистической информации о размерах дрейфующих льдин в проливе Певек неимеется. Но принимая во внимание относительно небольшую ширину пролива (5 км на входе ссевера; 3.5 км в районе порта Певек) теоретические размеры дрейфующего льда не могутпревышать 3 км в диаметре. Более вероятные максимальные размеры льда – 1-2 км и меньше.Рассчитанная прочность льда на одноосное сжатие и на изгибС учетом статистики по гидрометеорологическим данным были определены значенияпрочности льда на сжатие и на изгиб помесячно с января по май согласно положениямотечественно стандарта СП 38.13330.2012.
Результаты представлены в таблице 6.6.Таблица 6.6 - Рассчитанные по гидрометеорологическим условиям значения прочности льда насжатие и на изгибМесяцЯнварьФевральМартАпрельМай , C˚-25.0-27.1-26.1-17.3-3.9 , C˚-1.4-1.5-1.4-1.3-0.7ℎ100 , см134160181200215где – среднемесячная температура воздуха; – температура воды;ℎ100 – расчетная толщина льда;S – соленость льда;ℎ – толщина снежного покрова;S,‰33333ℎ , см2025302510 , C˚-8.3-8.8-9.7-7.7-2.9 , МПа2.282.402.572.050.96 , МПа0.260.270.270.240.17121 -температура верхней кромки льда (расчетная величина в зависимости от температурывоздуха и толщины снега); – прочность на сжатие; – прочность на изгиб.При определении расчетной температуры верхней кромки льда была решена задачатеплопередачи через двухслойную стенку (лед-снег).
Теплопроводность льда принималась 2.25Вт/м*град; теплопроводность снега плотностью 150-200 кг/м³ (январь-февраль) – 0.15Вт/м*град; теплопроводность снега плотностью 200-300 кг/м³ (март-апрель) – 0.20 Вт/м*град;теплопроводность снега плотностью 300-350 кг/м³ (май) – 0.30 Вт/м*град; коэффициенттеплоотдачи снег-воздух – 10 Вт/м²*град.В ходе экспедиции «Певек-2011» также проводились испытания прочности на сжатиеледовых образцов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
