В ногу со временем

Волновой стенд – уникальная для России экспериментальная площадка, позволяющая решать специфические вопросы при проектировании гидротехнических сооружений, регулярно испытываю­щих на себе воздействие волн и течений. 

«Прежде всего, речь идет о береговых, портовых и морских гидротехнических сооружениях, – рассказывает Виталий Климович, доктор физико-математи­че­ских наук, главный научный сотрудник лаборато­рии «Гидравлика сооружений, русел и акваторий» ВНИИГ. – Это платформы на шельфе, инфраструктура морских и речных портов, причальные сооружения, мостовые опоры и т. д. Также это целый ряд энергетических объектов, волно­энергетические установки. Для крупных ГЭС с большими водохранилищами в нашей лаборатории мы можем обосновывать мероприятия по защите берегов верхнего и нижнего бьефа от размывов. При проектировании этих сооружений необходимо решать комплекс задач по определению воздействий от волн и течений, разрабатывать мероприятия по защите дна от размывов и по обеспечению устойчивости сооружений при расчетных воздействиях».  Платформа «Приразломная», для которой ВНИИГ проводил эксперимен­тальные исследования. Фото из архива пресс-службы ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева.

Быть впереди 

Волновыми исследованиями ВНИИГ занимается уже давно. Еще в 1980-е годы под руководством института были разработаны строительные нормы и правила (СНиП) «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)», которыми специалисты пользуются до сих пор. Также в лаборатории гидравлических исследований ВНИИГ проводились исследования плавучего затвора С-1 комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений. Более 20 лет институт участвует в проектировании нефтедобывающих платформ на шельфе морей России. При работе над одним из таких объектов – платформой «Беркут» проекта Сахалин-1 – и возникла идея создания собственной современной экспериментальной базы для исследования волновых воздействий. 

Строительство волнового стенда заняло два года. Проект разработали специалисты института с учетом международного опыта и требований. Стенд по праву может считаться уникальным на российском рынке и конкурентоспособным за рубежом.  Волновой стенд выполнен по схеме двух бассейнов: аккумулирующий – для хранения воды, и исследовательский, куда вода подается из основного бассейна с помощью системы насосов. Фото Виталия Климовича.

Моделировать реальность

Полный цикл исследований на волновом стенде может длиться от нескольких месяцев до нескольких лет. 

«Самый сложный и ответственный этап – подготовка к исследованиям и создание модели, – считает Виталий Климович. – Когда мы говорим о моделировании, мы должны учесть все основные физические процессы исследуемого явления на основе теории моделирования. От этого напрямую зависит точность и корректность результата эксперимента».

Линейный масштаб модели обычно в 30–80 раз меньше натурного объекта. Помимо этого необходимо учитывать, что исследования в лабораторных условиях проводятся с пресной водой, которая имеет меньшую плотность, чем морская. 

Непростая задача – подбор материала для моделирования незащищенного дна. Обычно используется очень мелкий песок – не больше 0,15–0,20 мм, а также различные приемы, помогающие обеспечить соответствие экспериментальных исследований натурным условиям. Кстати, возможность работы с размываемыми материалами является особенностью волнового стенда ВНИИГ, поскольку позволяет проводить исследования защиты от размывов основания гидротехнических сооружений.

Волны создает современный волнопродуктор, который способен генерировать нерегулярное волнение с заданным спектром, ведь в природе волны накатываются хаотично: одна выше, одна ниже, то длиннее, то короче. 

Стенд позволяет проводить как волновые исследования без течений, так и при совместном воздействии волн и течений. Течения создаются с помощью постоянной подачи воды в исследовательский бассейн с помощью насосов.

С противоположной стороны от волнопродуктора расположен волногаситель, обеспечивающий ­эффективное гашение волн. Без него волны отражались бы от стенки бассейна и возвращались обратно к модели, что существенно влияло бы на чистоту ­эксперимента.

Важные решения

Волновой стенд спроектирован так, чтобы им мог управлять один человек. В лаборатории установлен пульт управления для запуска насосов, открытия задвижек поступления воды, маневрирования затвором по заданию глубины при наличии течений и пр. Сигналы с измерительной аппаратуры поступают на компьютер, программное обеспечение позволяет быстро обобщать и анализировать полученные данные. 

«Одним из последних объектов, для которого мы проводили исследования на волновом стенде, является морская ледостойкая платформа «Приразломная», расположенная в Печорском море, – рассказывает Виталий Климович. – Перед нами стояла задача провести экспериментальные исследования защиты от размывов, возведенной в строительный период, и обосновать достаточность ее конструкции или необходимость усиления. Исследования показали, что усиление не требуется. Отмечу, что стоимость работ по возведению защиты от размывов значительная, и наши исследования позволили заказчику сэкономить немалые средства».