Нагрузка от льда на гидротехнические сооружения на протяжении ледового сезона в замерзающих морях

В статье автор рассматривает проблемы расчета нагрузок от льда на морские ГТС от ровного льда.

Ключевые слова : ледовая нагрузка; ледовые сценарии; дрейфующий лед; исходные ледовые параметры; численная модель льда.

В данном исследовании изучалась изменчивость основных параметров дрейфующего ровного льда во время ледового сезона и как эта изменчивость влияет на ледовую нагрузку. Исследование проводилось на примере гидротехнического сооружения плавучей атомной теплоэлектростанции в г. Певек. Числовое моделирование проводилось для определения коэффициента снижения ледовой нагрузки для случая, когда вертикальная стенка образована консолидированными обломками льда на наклонной конструкции. Статистическая информация по основному параметрам льда представлена в данной статье. Расчеты ледовой нагрузки проводились с использованием нескольких методов расчета. По результатам исследования сделаны общие выводы об особенностях чередования ледовых нагрузок в ледовый сезон и выводы по расчетным ледовым нагрузкам на гидротехнические сооружения в порту Певек.

Введение

В арктических условиях ледовые нагрузки часто превышают суммарное воздействие всех других факторов окружающей среды. Таким образом, от правильности оценки ледового воздействия напрямую зависит безопасность, материалоемкость и экономическая привлекательность любого арктического проекта.

В 2006 году Тимко и Кроасдейл провели исследование того, насколько могут отличаться расчеты ледовой нагрузки, сделанные специалистами по льду из разных стран и организаций [1]. Несмотря на вывод о том, что с годами расчеты ледовой нагрузки стали лучше сходиться, расчетные значения все же могут отличаться в несколько раз. Расхождения в расчетах, в первую очередь, связаны с отсутствием единой методики расчета ледовых нагрузок и различиями в проектных положениях национальных стандартов разных стран.

В настоящее время объектом исследования является вопрос точной оценки ледовой нагрузки от дрейфующего ровного льда на гидротехнические сооружения. Работа была сосредоточена на изучении изменчивости параметров дрейфующего уровня льда и ледовых нагрузок на гидротехнические сооружения в течение ледового сезона с целью определения максимальной расчетной ледовой нагрузки. Расчеты ледовой нагрузки проводились по разным методикам, чтобы сравнить сходимость результатов. Исследование проводилось на примере защитных гидротехнических сооружений плавучей атомной теплоэлектростанции в городе Певек Чукотского автономного округа России.

Что касается сравнения методов расчета льда по разным стандартам, было проведено много исследований, в том числе [3–5]. Главный вывод заключался в том, что различаются подходы к расчету и расчетные значения ледовой нагрузки. Кроме того, каждый метод расчета ледовой нагрузки имеет свои достоинства и недостатки. Рекомендовано рассчитывать ледовые нагрузки несколькими методами, чтобы уменьшить вероятность ошибок в расчетах. В одних работах отмечены недостатки российского стандарта на проектирование [6], в других — на ограничения проектных положений ISO 19906 [7]. Но ни одна из работ не дала четких рекомендаций по методике расчета оптимальной ледовой нагрузки.

Основная цель исследования заключалась в том, чтобы указать, как параметры льда и теоретические ледовые нагрузки меняются в течение ледового сезона; показать, насколько важно иметь долгосрочные данные о первом вскрытии припая и начале ледохода. Одним из основных моментов было также предоставить формулу, которая могла бы быть полезной для расчетов ледовой нагрузки и которая могла бы объединить преимущества различных подходов к проектированию.

Автономный округ, который должен быть введен в эксплуатацию в 2019 году, станет самой северной атомной электростанцией в мире. Плавучий энергоблок защищен от экстремальных внешних воздействий (морских волн и ударов льда) гидротехническими сооружениями в виде гравитационного крота L-типа, снабженного специальным причалом для размещения и отсоединения плав-блока (рисунок 1). Длина причала 210 метров. Конструкция наружной стенки родинки имеет наклонный профиль с углом наклона 45 °.

Рис. 1. Плавучая атомная тепловая электростанция в городе Певек Чукотского автономного округа России

Методы исследования

Аналитические решения и численное моделирование в ANSYS использовались для исследования того, как параметры льда и нагрузки дрейфующего льда меняются в течение ледового сезона. Параметры льда рассчитывались по многолетним рядам данных, доступных в открытых метеорологических веб-источниках.

Защитные гидротехнические сооружения плавучей электростанции «Певек» имеют наклонную переднюю кромку. Поэтому, как показано на рисунке 2, были рассмотрены два сценария воздействия ровного льда на конструкцию:

1. Когда дрейфующий ровный лед взаимодействует с наклонной стенкой и раскалывается изгибом;
2. Когда куски битого льда замерзают на наклонной стене, что заставляет дрейфующий ровный лед действовать на конструкцию, как на вертикальную стену.

Расчет ледовой нагрузки на наклонную стену.

Согласно ГОСТу СП 38.13330.2018 [8] горизонтальная сила от дрейфующего ровного льда на наклонной стенке рассчитывается по формуле, МН:

(1)

Рис. 2. Сценарии ударов ровного льда о наклонную стенку мола: а) при взрыве льда изгибание; б) при взаимодействии ровного льда с вертикальной стенкой из мерзлого льда на наклонной стене

Расчет ледовой нагрузки на вертикальную стену.

Согласно СП 38.13330.2018 сила дрейфа ровного льда на вертикальную стенку широкой конструкции рассчитывается по формуле, МН:

(2)

При этом ледовая нагрузка, рассчитанная по (2), не должна превышать значения по формуле:

(3)

Для сравнения ледовую нагрузку можно рассчитать по формуле международного стандарта ISO 19906 [9]:

(5)

где

Как известно, формула (3) СП 38.13330.2018 в некоторых случаях может давать заниженные значения ледовой нагрузки из-за не совсем корректного учета масштабного эффекта ледовой нагрузки [4]. При выводе формулы (3) обширных натурных данных о ледовых силах на протяженных сооружениях не было. В то же время формула (4) из ISO 19906 в случае отсутствия многолетнего льда даст несколько завышенные значения. В [10] представлена модифицированная формула, которая, с одной стороны, учитывает зависимость давления льда от толщины льда h и отношения b / h, с другой стороны, позволяет учесть изменчивость прочности льда в течение ледового сезона, тем самым компенсируя недостатки формул (3), (4). К. Шхинек в одной из своих работ [4] также отмечал необходимость учета этих двух положений. Формула выглядит следующим образом:

(6)

где 𝑚, 𝑛 — эмпирические коэффициенты; 𝐴̃ — коэффициент корреляции прочности (определяется экспериментально или на основании имеющихся натурных данных крупномасштабных измерений силы льда).

В зоне контакта конструкции со льдом (𝑏ℎ) до 30 м² — = -0,76, 𝑚 = -0,38; когда площадь контакта больше, чем 30 м² — 𝑛 = -0,34, 𝑚 = -0,17. Коэффициент 𝐴̃ в исследовании был взят равным 𝐴̃ = 1,25. При заданном значении нагрузка по формуле (6) дает расчетные ледовые силы, сопоставимые с натурными данными замеренных ледовых нагрузок на протяженные конструкции, представленные в [11–13].

Когда вертикальная стена сделана из мерзлых ледяных блоков на наклонной стене, к формулам (3), (4), (6) следует применять понижающий коэффициент:

В СП 38.13330.2018 коэффициент 𝑘𝛽 приведен только для замороженных блоков льда на конической конструкции. Таким образом, чтобы получить значение этого коэффициента для случая наклонных протяженных конструкций, было проведено численное моделирование в ANSYS Explicit Dynamics. Использовалась численная 3D-модель, для которой были сделаны следующие допущения:

1) лед считался твердым телом;

2) рассмотрено хрупкое разрушение льда при относительно высоких скоростях его деформации. Также предполагалось, что до начала хрупкого разрушения лед под нагрузкой вел себя упруго. Для описания поведения льда под нагрузкой использовалась модель Мора-Кулона. В таблице 1 представлены характеристики численной модели льда;

3) хрупкое разрушение в динамике учитывалось путем удаления отдельных конечных элементов (в ANSYS метод называется Element Erosion Technique). В качестве критерия разрушения были приняты предельные основные нормальные деформации льда.

4) не учитывались гидростатические и гидродинамические эффекты воды.

Результаты

Согласно исследованиям AANII [14], температурные аномалии имеют естественный 60-летний период колебаний (рис. 3). Очевидно, что температурные аномалии напрямую влияют на изменение параметров льда. Следовательно, можно предположить, что максимальные значения параметров льда также будут иметь восходящие и нисходящие циклы, сравнимые с колебаниями температурных аномалий.

Очевидно, что статистические ряды должны быть как можно более длинными. Но желательно минимальный срок — 50–60 лет. При отсутствии длинных статистических рядов параметров льда (толщины, направления и скорости дрейфа) их можно восстановить численным реанализом на основе гидрометеорологических данных (например, как это было сделано в [15]).

Таким образом, с учетом рекомендованной продолжительности статистических данных в 50–60 лет для порта Певек были определены параметры расчетного уровня льда с целью получения точных значений ледовой нагрузки от дрейфующего ровного льда. Также были учтены результаты экспедиции Певек-2011 с 30 апреля по 18 мая 2011 г. [16].

Соленость льда

Длинный ряд статистических данных о солености льда недоступен. Во время экспедиции «Певек-2011» измеренная соленость льда находилась в диапазоне от 0,24 ‰ до 4,45 ‰ при среднем значении 3,00 ‰. Повышенная соленость наблюдалась, как правило, в средних слоях ледяного покрова (70–90 см), что характерно для волокнистого морского льда в период весеннего прогрева.

Расчетная толщина льда (с вероятностью превышения 1 % в год) для порта Певек определялась нормальной функцией распределения вероятностей случайных величин (гауссово распределение):

(8)

Толщина снежного покрова

Количество осадков в районе Певека небольшое. Максимальная высота снежного покрова колеблется от 10 до 100 см и значительно меняется от года к году. Средняя максимальная высота снежного покрова для многолетних наблюдений составляет 52 см.

Во время полевой экспедиции «Певек-2011» в апреле-мае 2011 г. лед оказался лишь слегка заснеженным: толщина снежного покрова варьировалась от нуля до 14 см. После метели 18 мая толщина снежного покрова увеличилась до 18 см.

Размеры дрейфующих льдин

При определении расчетной температуры верхней кромки льда решалась задача теплообмена через двухслойную стенку (лед-снег). Теплопроводность льда была принята равной 2,25 Вт / м · град; теплопроводность снега плотностью 150–200 кг / м³ (январь-февраль) — 0,15 Вт / 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; коэффициент теплоотдачи на границе снег-воздух — 10 Вт / м² * град.

Расчетные значения прочности, как правило, находятся в диапазоне значений, которые обычно получают в лабораторных и промысловых испытаниях, а именно = 1–5 МПа, = 0,1–1,0 МПа [20–23].

На рис. 4 показан совместный график изменения расчетной толщины льда и средней прочности льда в течение ледового сезона с января по май, характерный для района порта Певек. Видно, что при обрушении припайного льда и начале ледохода, который статистически наблюдается в конце мая — середине июня, прочность льда составляет 20–40 % от максимальной прочности льда в ледовый сезон. В апреле, видимо, кривые толщины и прочности льда пересекаются, и дрейфующий лед (если дрейф возможен в то время) может оказать наибольшее влияние на конструкцию.

Рис. 4. Совместный график изменения толщины льда и прочности на сжатие в ледовый сезон для порта Певек

Эти наблюдения в целом совпадают с результатами исследования, проведенного специалистами Канадского арктического центра в одной из канадских арктических вод [2]. Среди основных выводов был тот факт, что прочность льда в холодные месяцы (январь-март) была относительно стабильной. Весной с повышением солнечной радиации и температуры воздуха прочность льда стала заметно снижаться. В середине мая на него приходилось около 70 % прочности зимнего льда, в начале июня — 50 %, до активного вскрытия припая прочность была не более 10 % [24, 25].

Выводы

1. Ледовая нагрузка на наклонную стенку от дрейфующего ровного льда относительно стабильна в течение всего ледового сезона. Рост толщины льда пропорционален падению его прочности на изгиб. Заметное снижение ледовой нагрузки ожидается только тогда, когда температура воздуха и воды поднимется выше 0 ° C, когда и толщина, и прочность начнут уменьшаться одновременно.
2. Ледовая нагрузка на вертикальную стену меняется в течение зимы. Для климатических условий порта Певек теоретически максимальную ледовую нагрузку можно было ожидать в марте-апреле (что следует из данных таблицы 8). Но по статистике лед не двигается до мая, когда нагрузка составляет примерно половину от максимального значения зимой. Это подтверждает справедливость положения о том, что максимальную ледовую нагрузку от дрейфующего льда следует определять для месяца первого ледохода, взятого на основе многолетних наблюдений или статистического реанализа ледовой обстановки на основе метеорологических данных (рекомендуется для не менее 50–60 лет). В противном случае завышение ледовой нагрузки может быть более чем в 2 раза.
3. Формулу (4) из ISO 19906 можно использовать для определения максимальной ледовой нагрузки только для зимних месяцев. Для теплого льда ISO 19906 даст значительно завышенные результаты.
4. При расчете ледовых нагрузок по формуле (3) (из СП 38.13330.2012) возможно некоторое занижение ледовой нагрузки на протяженные конструкции. Полевые натурные измерения и выведенная на их основе формула (6) дали значения на 10 % выше (для причала длиной 210 ​​м). Формула (6) может быть полезна для расчета ледовых нагрузок от дрейфующего ровного льда, так как она сочетает в себе преимущества двух методологий: ISO 19906 и SP 38.13330.2012.
5. В исследовании также были сделаны выводы, касающиеся ледовых нагрузок от ровного дрейфующего льда на гидротехнические сооружения плавучей атомной теплоэлектростанции Певек. В связи с тем, что территория порта Певек закрыта от обширных дрейфующих ледяных полей островами Большой и Малый Рутан, припай остается достаточно стабильным до конца мая. Следовательно, наиболее вероятная максимальная ледовая нагрузка от дрейфующего ровного льда ожидается в мае 109,9 МН или 0,52 МН / м (при отсутствии дробления льда). Для обеспечения высокого уровня надежности гидротехнических сооружений расчетную нагрузку от дрейфующего льда можно принять на случай дробления льда (разрушение при сжатии), которая составляет 153,3 МН или 0,72 МН / м.

Литература:

1. Timco G., Croasdale K. How well can we predict ice loads? // Proc. 18th IAHR international Symposium on Ice. Sapporo. 2006. Pp. 456–471.
2. Timco G., Johnson M. Sea ice strength during the melt season // Proc. 16th IAHR international Symposium on Ice. Dunedin, 2002. Pp. 658–666.
3. Ким С. Д., Финагенов О. М., Уварова Т. Э. Определение ледовых нагрузок на сооружения континентального шельфа по нормам различных стран // Вести газовой науки. 2013. № 14. С. 97–103.
4. Shkhinek K., Loset S., Karna T. Global ice load dependency on structure width and ice thickness // Proc. 17th Int. Conf. on Port and Ocean Eng. under Arctic cond. Trondheim. 2003. Pp. 171–188.
5. Masterson D., de Waal J. Russian SNIP 2.06.04–82 and western global ice pressures — a comparison // Proc. 17th Int. Conf. on Port and Ocean Eng. under Arctic cond. Trondheim. 2003. Pp. 464–478.
6. Moslet P. O., Masurov M., Eide L. I. Barents 2020 RN02 –Design of Stationary Offshore Units against Ice Loads in the Barents Sea // Proceedings of the 20th IAHR Symposium on Ice. Lahti. 2010. Pp. 156–171.
7. Maattanen M., Karna T. ISO 19906 ice crushing load design extension for narrow structures // Proc. 11th Int. Conf. on Port and Ocean Eng. under Arctic cond. Montreal, 2011. Pp. 267–278.
8. СП 38.13330.2018 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения» (актуализированная редакция СНиП 2.06.04–82*). Минрегион России. М.: 2012. 102 с.
9. ISO 19906 «Petroleum and natural gas industries — Arctic offshore structures». International Organization of Standardization, 1st edition. 2010. 440 p.
10. Политько В. А., Кантаржи И. Г. Анализ основных факторов, определяющих нагрузку от ровного ледового поля на вертикальные сооружения при разрушении льда // Гидротехническое строительство. 2017. № 12. С. 24–33.
11. Palmer A., Croasdale K. Arctic offshore engineering. Singapore, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2013. 320 p.
12. Jefferies M., Karna T., Loset S. Field data on the magnification of ice loads on vertical structures // Proc. 19th IAHR international Symposium on Ice. Vancouver, 2008. Pp. 236–245.
13. Karna T., Masterson D. Data for crushing formula // Proc. 21st Int. Conf. on Port and Ocean Eng. under Arctic cond. Montreal, 2011. Pp. 478–491.
14. Обзор гидрометеорологических процессов в Северном Ледовитом океане, 2013 / под. ред. И. Е. Фролова. ААНИИ. Санкт–Петербург, 2014. 119 с.
15. Левачев С. Н., Кантаржи И. Г. Исследования и проектирование портовых сооружений порта Певек //Наука и Безопасность. 2015. № 2(15). С. 17–33.
16. Технический отчет по инженерным изысканиям «Инженерно-гидрометеорологические изыскания (зимний период)». ЗАО «СевКавТИСИЗ». Краснодар, 2012. 135 с.
17. Технический отчет «Обоснование инвестиций в строительство береговых и гидротехнических сооружений для эксплуатации ПАТЭС на базе плавучего энергоблока пр. 20870». ЗАО «СевКавТИСИЗ». Краснодар, 2010. 99 c.
18. Электронное режимно-справочное пособие (ЭРСП) по гидрометеорологическому режиму Восточно-Сибирского моря. Подготовлен ФГБУ «ВНИИГМИ–МЦД». [Электронный ресурс]. URL: http://nodc.meteo.ru (дата обращения: 09.11.2017).