НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
(ВОЛНОВЫЕ, ЛЕДОВЫЕ И ОТ СУДОВ)

СНиП 2.06.04 82*

Предисловие

Сведения о своде правил

1 ИСПОЛНИТЕЛЬ - ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 «Строительство»

3 ПОДГОТОВЛЕН к утверждению Департаментом градостроительной деятельности и архитектуры Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации (Минстрой России)

4 УТВЕРЖДЕН Приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 16 августа 2018 г. № 531/пр и введен в действие с 17 февраля 2019 г.

5 ЗАРЕГИСТРИРОВАН Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт). Пересмотр СП 38.13330.2012 «СНиП 2.06.04-82* Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)»

В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего свода правил соответствующее уведомление будет опубликовано в установленном порядке. Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте разработчика (Минстрой России) в сети Интернет

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Настоящий свод правил разработан с учетом требований федеральных законов от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании».

Настоящий свод правил разработан авторским коллективом ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» (руководитель темы - канд. техн. наук А.П. Пак, д-р техн. наук В.Б. Глаговский, А.Б. Векслер, д-р физ.-мат. наук В.И. Климович, канд. техн. наук Н.С. Бакановичус, канд. техн. наук И.Н. Шаталина, А.А. Лялина) при участии канд. техн. наук П.М. Кожевникова (ЗАО «ГТ Морстрой»).

СП 38.13330.2018

СВОД ПРАВИЛ

Дата введения - 2019-02-17

1 Область применения

Настоящий свод правил распространяется на проектирование вновь строящихся, реконструкцию и ремонт существующих речных и морских гидротехнических сооружений и устанавливает требования к расчетному обоснованию их надежности и безопасности.

2 Нормативные ссылки

В настоящем своде правил использованы нормативные ссылки на следующие документы:

ГОСТ 19185-73 Гидротехника. Основные понятия. Термины и определения

ГОСТ Р 57148-2016 (ИСО 19901-1:2015) Нефтяная и газовая промышленность. Сооружения нефтегазопромысловые морские. Проектирование и эксплуатация с учетом гидрометеорологических условий

СП 20.13330.2016 «СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия» (с изменением № 1)

СП 47.13330.2016 «СНиП 11-02-96 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения»

СП 58.13330.2012 «СНиП 33-01-2003 Гидротехнические сооружения. Основные положения» (с изменением № 1)

Примечание - При пользовании настоящим сводом правил целесообразно проверить действие ссылочных документов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте федерального органа исполнительной власти в сфере стандартизации в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный документ, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого документа с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого документа с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего свода правил в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку. Сведения о действии сводов правил целесообразно проверить в Федеральном информационном фонде стандартов.

3 Термины и определения

В настоящем своде правил применены термины по ГОСТ 19185, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 айсберг: Крупное ледяное образование, отломившееся от материкового или шельфового ледника и плавающее или сидящее на мели в полярной или прилегающей к полярной части океана, с высотой надводной части более 5 м; при высоте надводной части 2 - 5 м - кусок айсберга, менее 2 м - обломок айсберга.

3.2 бегущие волны: Волны, видимая форма которых перемещается в пространстве.

3.3 ветровые волны: Колебательное движение воды, вызванное ветром при его воздействии на свободную поверхность.

3.4 волновое давление: Доля (составляющая) гидродинамического давления, обусловленная ветровым волнением свободной поверхности жидкости.

3.5 высота волны: Превышение вершины волны над соседней подошвой на волновом профиле (см. рисунок 1).

3.6 вершина волны: Наивысшая точка гребня волны (см. рисунок 1).

3.7 гребень волны: Часть волны, расположенная выше средней волновой линии (см. рисунок 1).

3.8

3.9 длина волны: Горизонтальное расстояние по лучу волны между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле (см. рисунок 1).

3.10 длина разгона волн: Протяженность охваченной ветром акватории, измеренная по направлению ветра до расчетной точки.

3.11 киль тороса: Подводная часть тороса, расположенная ниже его консолидированного слоя.

3.12 консолидированный слой тороса: Часть тороса, в которой образовавшие его блоки льда смерзлись в монолит.

3.13 критическая глубина: Глубина, при которой происходит обрушение волн.

3.14 ледяное поле: Любой относительно плоский участок ледяного покрова более 20 м в поперечнике, окруженный со всех сторон водой.

3.15 ледяной покров: Любая форма образований поверхностного льда, покрывающего в холодное время года поверхность водоема или принесенного течениями и ветрами из соседних районов; среди форм ледяного покрова различают ровный лед, наслоенный лед, торосистое ледяное поле с грядами торосов, отдельные торосы и пр.

3.16 ложбина волны: Часть волны, расположенная ниже средней волновой линии (см. рисунок 1).

3.17 луч волны: Линия, перпендикулярная фронту волны.

3.18 льдина: Цельная часть ледяного покрова сравнительно небольшого размера, образующаяся на водной поверхности при постепенном росте льда или от разрушения ледяных полей.

3.19 наслоенный лед: Тип деформированного льда, образовавшегося в результате наслоения одной льдины на другую и характерный для льда толщиной не более 30 см.

3.20 нерегулярные волны: Волны, элементы которых изменяются случайным образом.

3.21 парус тороса: Надводная часть тороса.

3.22 период волны: Интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль.

3.23 подвижка льда: Перемещение ледяного покрова на отдельных участках, происходящее под влиянием течения, ветра, подъема уровня воды.

3.24 подошва волны: Наинизшая точка ложбины волны.

3.25 прибойные волны: Ветровые волны на пологом прибрежном откосе (естественном или искусственном), в пределах которого вследствие трения частиц воды о дно происходит трансформация профиля волн с образованием переднего крутого склона.

3.26 профиль волны (главный): Линия пересечения взволнованной поверхности с вертикальной плоскостью в направлении луча волны (см. рисунок 1).

3.27 разбивающиеся волны: Ветровые волны, у которых при взаимодействии с обрывистым берегом, гидротехническими сооружениями, подводными преградами или круто наклоненным дном происходит трансформация профиля волн с обрушением гребня в сторону берега (преграды).

3.28 расчетные элементы волны: Элементы волны заданной обеспеченности в системе расчетного шторма, принятые в соответствии с классом и видом сооружения.

3.29 расчетный уровень: Уровень воды в водоеме, назначаемый с учетом сезонных и годовых колебаний, ветрового нагона и сгона, приливов и отливов (см. рисунок 1).

3.30 расчетный шторм: Шторм повторяемостью один раз за заданный период времени (например, 25, 50 или 100 лет) и характеризующийся максимальными за этот период элементами волн; разным направлениям волн могут соответствовать различные расчетные штормы.

3.31 регулярные волны: Волны, высота и период которых остаются неизменными во времени.

3.32 рефракция волн: Искривление фронтов и изменение высот бегущих волн под воздействием течений или обусловленное изменением глубины на мелководье.

3.33 ровный лед: Лед, имеющий относительно ровные верхнюю и нижнюю поверхности.

3.34 скорость волны: Скорость перемещения гребня волны в данной точке.

3.35 соленость морского льда: Отношение суммарной массы ионов в образовавшемся при таянии льда растворе к массе этого раствора.

3.36 средняя волновая линия: Линия, пересекающая запись волновых колебаний так, что суммарные площади выше и ниже этой линии одинаковы (см. рисунок 1).

3.37 стоячие волны: Волны, видимая форма которых в пространстве не перемещается.

3.38 толщина ровного льда: Сумма толщин надводной и подводной частей ледяного покрова.

3.39 торос: Отдельное нагромождение кусков и обломков льда, образовавшегося при сжатии ледяных полей в зоне их контакта.

3.40 торосистое ледяное поле: Поле с грядами торосов, образовавшихся при сжатии ледяного покрова.

3.41 трансформация волн: Изменение высоты и длины бегущих волн, искривление их фронтов под воздействием рельефа дна, препятствий, течений.

3.42 фронт волны: Линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня волны.

3.43 штормовой нагон и сгон: Повышение и понижение уровня воды в акватории относительно среднего уровня, вызванные воздействием ветра и уменьшением атмосферного давления в шторме.

3.44 элементы волны (основные): Высота, длина и/или период волны (см. рисунок 1).

Рисунок 1 - Профиль и элементы волны

4 Общие положения

4.1 В настоящем своде правил установлены нормативные значения нагрузок и воздействий от ветровых волн, льда и судов на гидротехнические сооружения.

Расчетная нагрузка должна определяться как произведение нормативной нагрузки на коэффициент надежности по нагрузкам γ_f, учитывающий возможное отклонение нагрузки в неблагоприятную сторону от ее нормативного значения.

Значение коэффициента γ_f для волновых, ледовых нагрузок и нагрузок от судов должно приниматься согласно СП 58.13330, для ветровых нагрузок - согласно СП 20.13330.

4.2 Расчетные элементы волн и ледовых условий на открытых и огражденных акваториях следует принимать на основе результатов инженерно-гидрометеорологических изысканий, многолетних натурных наблюдений и лабораторных исследований. Правила выполнения инженерно-гидрометеорологических изысканий, их состав и объем для строительства гидротехнических сооружений, в том числе для строительства нефтегазопромысловых сооружений на континентальном шельфе, должны соответствовать СП 47.13330, [1], [2].

4.3 Нагрузки и воздействия волн и льда на сооружения I класса, а также на сооружения других классов при расчетной высоте волн более 5 м, полученные расчетными методами, необходимо уточнять на основе лабораторных исследований.

5 Нагрузки и воздействия волн на гидротехнические сооружения

Основные расчетные положения

5.1 Волновые нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения должны определяться для условий расчетного шторма при расчетных уровнях воды в акватории.

5.2 В качестве расчетного шторма следует принимать шторм повторяемостью для сооружений класса:

- I - один раз в 100 лет;

- II - один раз в 50 лет;

- III и IV - один раз в 25 лет.

5.3 Параметры волнения при расчетном шторме: значения высоты, длины и периода волн различной обеспеченности в системе, а также спектральная плотность волнения должны приниматься по результатам статистической обработки результатов инженерно-гидрометеорологических наблюдений.

При недостаточности данных инженерно-гидрометеорологических изысканий определение параметров волнения расчетного шторма следует производить на основании расчетных методов с последующей их верификацией (проверкой) по данным наблюдений в конкретном месте изысканий. При отсутствии таких данных допускается верификация для акваторий со схожими условиями волнообразования.

5.4 При определении расчетных значений элементов волн на открытых и огражденных акваториях необходимо учитывать следующие волнообразующие факторы: скорость ветра (ее значение и направление), продолжительность непрерывного действия ветра над водной поверхностью, размеры и конфигурацию охваченной ветром акватории, рельеф дна и глубину воды.

5.5 Расчетные уровни воды и характеристики ветра необходимо определять по результатам статистической обработки данных многолетних рядов наблюдений.

5.6 Расчеты элементов волн должны производиться с учетом деления акватории по глубине на следующие зоны (обозначения приведены в приложениях А и С):

- глубоководная - с глубиной d > 0,5λ - дно не влияет на основные характеристики волн;

- мелководная - с глубиной 0,5λ ≥ d > d_cr - дно оказывает влияние на развитие волн и на основные их характеристики;

- прибойная - с глубиной от d_cr до d_cu,r в пределах которой начинается и завершается разрушение волн;

- приурезовая - с глубиной менее d_cu,r в пределах которой разрушенные волны периодически накатываются на берег.

Характеристики волнения, соответствующие расчетным обеспеченностям скорости ветра и уровня воды в акватории, должны определяться с учетом трансформации волн   изменения их параметров под воздействием течений и с выходом на мелководье, рефракции при сложном рельефе и негоризонтальном дне, дифракции на оградительных сооружениях, обрушения.

Определение параметров волнения должно производиться расчетно-теоретическими методами на основе современных программно-вычислительных комплексов или с применением номограмм (см. приложение А) и апробированных методов.

5.7 Расчетную обеспеченность высот волн в системе необходимо принимать:

- 5 % - при определении защищенности портовых акваторий;

- 1 % - при определении наката волн;

- по таблице 1 - при определении устойчивости и прочности гидротехнических сооружений и их элементов.

Для сооружений I класса и для всех сооружений с периодом собственных колебаний более 2 с необходимо учитывать спектральные характеристики волнения (частотный спектр).

Таблица 1

5.8 Максимальный расчетный уровень воды необходимо принимать согласно требованиям нормативных документов (НД) на проектирование сооружений (объектов).

5.9 При определении нагрузок и воздействий на гидротехнические сооружения обеспеченности расчетных уровней должны быть не более: для сооружений I класса - 1 %, II и III классов - 5 %, IV класса - 10 % по наивысшим годовым уровням, определенным с учетом приливно-отливных явлений, сезонных колебаний, ветрового и волнового нагонов.

Примечания

1 В безливных морях для подпорных гравитационных волнозащитных стен II класса и для искусственных пляжей без волнозащитных сооружений обеспеченность расчетных уровней следует принимать равной 1 %.

2 При рассмотрении размывов основания вблизи сооружения и мероприятий по защите от размыва следует выбирать расчетный уровень воды, исходя из условия максимального воздействия волн на элементы гидротехнических сооружений.

5.10 Высоты ветрового и волнового нагонов следует принимать поданным натурных наблюдений. Для сооружений III и IV классов высоты ветрового и волнового нагонов при отсутствии данных натурных наблюдений определяются расчетом (см. приложение Б).

5.11 При динамических расчетах и оценке усталостной прочности элементов конструкций гидротехнических сооружений следует учитывать спектральную плотность ветрового волнения, характеризующую его нерегулярность.

5.12 Воздействие шторма, в том числе в сочетании с течением, на дно акватории у основания гидротехнического сооружения должно оцениваться сравнением значений максимальной придонной скорости и неразмывающей (допускаемой) придонной скорости или соответствующих касательных напряжений, действующих на грунт, слагающий дно, или на материал, используемый для защиты дна от размыва и подмыва основания сооружения (см. приложение В).

Особенности расчета воздействия волн на сооружения различных типов

Нагрузки на вертикальные стены

5.13 Расчет сооружений на воздействие стоячих волн со стороны открытой акватории (см. рисунок 2) должен производиться при глубине до дна d_b > 1,5h и глубине над бермой d_br ≥ 1,5h (h - высота исходной бегущей волны, м); при этом в формулах для свободной волновой поверхности и волнового давления вместо глубины до дна d_b, м, необходимо применять условную расчетную глубину d, м, определяемую по формуле

где d_f - глубина над подошвой сооружения, м;

k_br - коэффициент, принимаемый по графикам рисунка 3.

а - при гребне волны; б - при ложбине волны (с эпюрами взвешивающего волнового давления)

Рисунок 2 - Эпюры давления стоячих волн на вертикальную стену
со стороны открытой акватории

Рисунок 3 - Графики значений коэффициента k_br

5.14 Горизонтальную волновую нагрузку Р_х на вертикальную стену под воздействием стоячей волны следует принимать по эпюрам волнового давления р по глубине при различных удалениях вершины волны от стены.

Построение эпюр волнового давления р должно производиться по результатам экспериментальных исследований и/или гидродинамических расчетов, а при их отсутствии - на основе способа, приведенного в приложении Г.

5.15 В расчетах устойчивости сооружения и прочности грунтов основания следует учитывать уменьшение волновой нагрузки на секцию вертикальной стены при подходе фронта волны под углом α. Коэффициент снижения нагрузки k_cs при этом принимается по таблице 2.

Таблица 2

5.16 В расчетах следует учитывать горизонтальную нагрузку от дифрагированных волн со стороны огражденной акватории (см. рисунок 4).

а - при гребне волны; б - при ложбине волны

Рисунок 4 - Эпюры давления дифрагированных волн на вертикальную
стену и ее подошву со стороны огражденной акватории

5.17 Взвешивающее волновое давление в горизонтальных швах массивной кладки и по подошве сооружения следует принимать равным соответствующим значениям горизонтального волнового давления в крайних точках (см. рисунки 2 и 4) при линейном изменении его в пределах ширины сооружения.

5.18 Максимальную придонную скорость V_b,max, м/с, от действия стоячих волн на расстоянии 0,25λ от передней грани стены следует определять по формуле

где коэффициент k_sl = 0,25, при  ≥ 30 k_sl = 1,0;

k = 2π/λ - волновое число.

Максимальное значение касательного напряжения на поверхности дна τ_w,max, кПа, от воздействия волн следует определять по формуле

где f_w = 0,237(a₀/k_s)^-0,52 - коэффициент трения; при a₀ ≤ 0,63k_s f_w = 0,3;

a₀ = V_b,maxT/2π;

T - период волны, с;

ρ - плотность воды, т/м³.

k_s = k_s,gr + k_sΔ - суммарная гидравлическая шероховатость дна;

k_s,gr = αD₅₀ (α = 2 - 4, как правило, принимается α = 2,5) - шероховатость плоского (без русловых форм) дна, сложенного грунтом средней крупностью D₅₀, м;

k_sΔ = 1,1D_b[1 - exp(-25D_b/L_b)] - шероховатость, обусловленная донными формами средней высотой D_b, м, и средней длиной L_b, м.

Среднее за период T значение касательного напряжения на поверхности дна , кПа, от воздействия волн должно определяться по формуле

Возможность размыва дна акватории у основания сооружений следует оценивать сравнением V_b,max и/или  с допускаемыми значениями этих величин, при которых грунт остается устойчивым. При превышении этих значений должны разрабатываться мероприятия, обеспечивающие защиту от размыва и подмыва оснований сооружений (см. приложение В).

5.19 Расчет сооружений на воздействие разбивающихся волн со стороны открытой акватории должен производиться при глубине над бермой d_br < 1,25h и глубине до дна d_b ≥ 1,5h (см. рисунок 5). Горизонтальную нагрузку Р_хс, кН/м, от разбивающихся волн следует определять по эпюре бокового волнового давления, при построении которой значения р, кПа, для ординат z, м, следует принимать по формулам:

 

 

Рисунок 5 - Эпюры давления разбивающихся волн на вертикальную стену

Вертикальную нагрузку P_zc, кН/м, от разбивающихся волн следует принимать равной площади эпюры взвешивающего волнового давления и определять по формуле

где μ - коэффициент, принимаемый равным μ = 0,55+ 0,05; при  ≤ 3 следует принимать μ = 0,7; при  ≥ 9 μ = 1,0.

Максимальную придонную скорость воды V_f,max, м/с, над поверхностью бермы перед вертикальной стеной при разбивающихся волнах следует определять по формуле

5.20 Расчет сооружений на воздействие прибойных волн должен проводиться при глубине d_b ≤ d_cr на примыкающем к стене участке дна протяженностью не менее 0,5λ (см. рисунок 6). Возвышение вершины максимальной прибойной волны η_c,sur, м, над расчетным уровнем следует определять по формуле

где h_sur - высота прибойной волны, м (см. приложение А);

d_cr - критическая глубина, м.

Горизонтальную нагрузку Р_хс, кН/м, от прибойных волн необходимо принимать по эпюре бокового волнового давления, при этом значение р, кПа, для ординат z, м, допускается определять по формулам:

 

 

где λ_sur - средняя длина прибойной волны, м.

а - с верхом постели на уровне дна; б - с возвышающейся над дном постелью

Рисунок 6 - Эпюры давления прибойных волн на вертикальную стену

Вертикальную нагрузку P_zc, кН/м, от прибойных волн следует принимать равной площади эпюры взвешивающего волнового давления и определять по формуле

Максимальная придонная скорость у основания вертикальной стены со стороны открытой акватории при действии прибойной волны V_b,max, м/с, должна определяться по формуле

Нагрузки и воздействия волн на сооружения откосного профиля

5.21 При определении высоты наката волн на откос h_run (см. рисунок 7) должны учитываться следующие факторы:

- высота и длина расчетных волн;

- шероховатость поверхности откоса;

- фильтрационные свойства материала, образующего откос;

- направление и скорость ветра;

- глубина воды в акватории перед сооружением;

- угол подхода фронта волны к линии уреза воды на откосе.

Определение высоты наката волн на откос следует производить по результатам экспериментальных исследований и/или гидродинамических расчетов, а при их отсутствии - методами, приведенными в приложении Д.

Деформируемость за время расчетного шторма пляжных откосов следует оценивать по данным натурных наблюдений (в том числе на аналогах) и гидравлического моделирования в сочетании с апробированными расчетными методами.

Рисунок 7 - Схемы к определению высоты h_run наката волн на откос

5.22 Волновое давление на защитное плитное крепление откоса должно определяться на основании результатов физического и/или математического моделирования, а при их отсутствии - по формулам приложения Д.

5.23 При креплении откоса каменной наброской, обыкновенными и фасонными бетонными или железобетонными блоками расчетная масса отдельного элемента определяется по формулам приложения В.

Нагрузки от волн на обтекаемые преграды и сквозные сооружения

5.24 Нагрузки от волн на обтекаемые преграды и сквозные сооружения должны определяться на основе экспериментальных исследований и/или решения гидродинамической задачи обтекания преграды волновым потоком, а при их отсутствии - по методу, приведенному в приложении Е, основанному на аналитическом решении в третьем приближении задачи о бегущих потенциальных волнах.

Нагрузки от волн на обтекаемые преграды и сквозные сооружения должны определяться как сумма скоростного и инерционного компонентов, обусловленных соответственно локальными значениями скорости и ускорения волнового движения жидкости.

Динамический эффект от воздействия нерегулярных волн следует учитывать только в тех случаях, когда период собственных колебаний сооружения соизмерим со средним периодом набегающих волн (см. Е.19 приложения Е).

5.25 Максимальную силу воздействия волн на вертикальную обтекаемую преграду (см. рисунок 8,а) следует определять из ряда значений, получаемых при различных удалениях æ = х/λ вершины волны от преграды.

5.26 Максимальные значения нагрузки от волн на горизонтальную обтекаемую преграду, расположенную на некотором удалении от дна акватории или лежащую на дне (см. рисунок 8,б), должны определяться также при различных удалениях æ = х/λ вершины волны от преграды для двух случаев:

- максимальной горизонтальной составляющей нагрузки Р_х,mах при соответствующем значении вертикальной составляющей нагрузки P_z;

- максимальной вертикальной составляющей нагрузки P_z,max при соответствующем значении горизонтальной составляющей нагрузки Р_х.

а - вертикальные; б - горизонтальные

Рисунок 8 - Схемы к определению волновых нагрузок на обтекаемые преграды

5.27 Расчет нагрузки от волн на сквозные сооружения или отдельно расположенные обтекаемые преграды должен производиться с учетом шероховатости их поверхности.

5.28 Максимальную придонную скорость V_b,max, м/с, в точках, расположенных на контуре преграды (θ = 90° и 270°) и впереди преграды на расстоянии 0,25λ от контура преграды (θ = 0°), следует определять по формуле

где коэффициент φ_r принимается по таблице 3.

Таблица 3

Нагрузки от ветровых волн на берегоукрепительные сооружения

5.29 Максимальные значения горизонтальной Р_х, кН/м, и вертикальных P_z и Р_с, кН/м, проекций равнодействующей нагрузки от волн на подводный волнолом необходимо принимать по эпюрам бокового и взвешивающего волнового давления (см. рисунок 9). При этом р, кПа, должно определяться в зависимости от z с учетом уклона дна i по формулам, приведенным в таблице 4.

Таблица 4

Рисунок 9 - Эпюры волнового давления на подводный волнолом

5.30 Максимальную придонную скорость V_b,max, м/с, перед берегоукрепительным сооружением в виде вертикальной или крутонаклонной стены следует определять по формуле (2).

Для сооружения в виде подводного волнолома при определении V_b,max по формуле (2) коэффициент k_sl должен быть принят при  < 20 равным k_sl = 0,182; при  ≥ 20 следует принимать k_sl =1,1.

Максимальную придонную скорость воды V_b,max, м/с, перед берегоукрепительным сооружением при разбивающихся и прибойных волнах надлежит определять соответственно по формулам (9) и (15).

5.31 Максимальные значения горизонтальной Р_х, кН/м, и вертикальных P_z и Р_с, кН/м, проекций равнодействующей нагрузки от разбивающихся волн на вертикальную волнозащитную стену (при отсутствии засыпки грунта со стороны берега) необходимо принимать по эпюрам бокового и взвешивающего волнового давлений (см. рисунок 10). При этом значения р, кПа, и η_с, м, должны определяться в зависимости от места расположения сооружения:

- при расположении сооружения в створе последнего обрушения прибойных волн (см. рисунок 10,а) по формулам:

 

- при расположении сооружения в приурезовой зоне (см. рисунок 10,б) по формулам:

 

- при расположении сооружения на берегу за линией уреза в пределах наката волн (см. рисунок 10,в) по формулам:

 

где η_с - превышение гребня волны над расчетным уровнем в створе волнозащитной стены, м;

h_br - высота разбивающихся волн в створе последнего обрушения перед сооружением, м;

d - глубина воды в створе последнего обрушения волн, м;

а_n - расстояние от створа последнего обрушения волн до линии уреза (приурезовая зона), м;

а_i - - расстояние от створа последнего обрушения волн до сооружения, м;

а_l - расстояние от линии уреза воды до сооружения, м;

а_r - расстояние от линии уреза воды до условной границы наката на берег разбивающихся волн (при отсутствии сооружения), м, определяемое по формуле

h_{run1 %} - высота наката волн на берег, м, определяемая по 5.21.

Примечания

1 Если ордината верха сооружения z₁ ≥ -0,3h, м, то значения волнового давления, определяемые по формулам (17), (18) и (21), необходимо умножать на коэффициент k_zd, принимаемый по таблице 5.

2 В формулах (19) и (21) давление р_u вычисляется по формуле (17).

Таблица 5

а - в створе последнего обрушения волн; б - в приурезовой зоне; в - за линией уреза

Рисунок 10 - Эпюры волнового давления на вертикальную волнозащитную стену
при различном расположении сооружения

5.32 Максимальные значения горизонтальной Р_х, кН/м, и вертикальной P_z, кН/м, проекций равнодействующей линейной нагрузки от разрушившихся волн на вертикальную волнозащитную стену (с засыпкой грунта со стороны берега) при откате волны необходимо принимать по эпюрам бокового и взвешивающего волнового давлений (см. рисунок 11). При этом значение p_r, кПа, должно определяться по формуле

где Δz_r - понижение поверхности воды от расчетного уровня перед вертикальной стеной при откате волны, м, принимаемое в зависимости от расстояния а_l от линии уреза воды до сооружения равным: при а_l ≥ 3h_brΔz_r = 0 и при а_l < 3h_brΔz_r = 0,25h_br.

Рисунок 11 - Эпюры волнового давления на вертикальную волнозащитную стену при откате волны

5.33 Волновое давление р, кПа, на криволинейный участок стены необходимо принимать по эпюре волнового давления на вертикальную стену согласно 5.31 с ориентированием этой эпюры по нормали к криволинейной поверхности (см. рисунок 12).

Рисунок 12 - Эпюра давления волн на криволинейный участок волнозащитной стены

5.34 Максимальные значения горизонтальных P_x,ext, Р_х,int, кН, и вертикальной Р_z, кН, проекций равнодействующей нагрузки от волн на элемент буны длиной / необходимо принимать по эпюрам бокового и взвешивающего волнового давления (см. рисунок 13). При этом значения волнового давления на внешнюю p_ext, кПа, и теневую p_int, кПа, грани буны и соответствующие возвышения гребня волны η_ext, м, и η_int, м, должны определяться по формулам:

 

где k_α - коэффициент, принимаемый по таблице 6, в зависимости от угла α подхода фронта волны к буне.

Рисунок 13 - Эпюры волнового давления на буну

Таблица 6

5.35 Определение соотношения волновых нагрузок на волногасящие сооружения с волновой камерой приведено в [3].

Воздействие судовых волн на крепления берегов каналов

5.36 Значения высоты h_sh, м, и длины λ_sh, м, волн, возникающих при движении водоизмещающих судов, следует определять по формулам:

 

гдe d_s и l_u - осадка и длина судна, м;

V - скорость судна, м/с;

δ - коэффициент общей полноты судна.

Примечание - При определении параметров волны, возникающей при движении водоизмещающих судов в водотоках (реках, каналах), следует учитывать, что скорость судна V, м/с, не должна превышать допускаемое значение V_adm, м/с, определенное нормативными актами для рассматриваемого водного пути. При отсутствии нормативных данных V_adm определяется по формуле

где k_а - отношение подводной площади поперечного сечения судна к площади живого сечения канала А, м²;

b - ширина канала, м, по урезу воды.

При двухстороннем движении однотипных судов численное значение k_а в формуле (29) следует увеличивать в два раза.

5.37 Высоту наката h_rsh, м, судовой волны на откос (см. рисунок 14) следует определять по формуле (V ≤ V_adm)

где β_sl - коэффициент, принимаемый для откосов, облицованных сплошными плитами, равным 1,4, каменным мощением - 1,0 и каменной наброской - 0,8.

Рисунок 14 - Эпюра давления судовых волн на крепления берегов каналов при накате волны на откос

5.38 Максимальное значение нагрузки от судовой волны на крепления берегов каналов Р, кН/м, должно приниматься по эпюрам волнового давления, при построении которых применяются формулы, приведенные в таблице Ж.1 (приложение Ж).

6 Нагрузки от судов (плавучих объектов) на гидротехнические сооружения

6.1 При расчете воздействий на гидротехнические сооружения от судов (плавучих объектов) необходимо определять нагрузки:

- от ветра, течения и волн на плавучие объекты;

- от навала пришвартованного судна на причальное сооружение при действии ветра, течения и волн;

- от навала судна при его подходе к портовому причальному сооружению;

- от натяжения швартовов при действии на судно ветра, течения и волн.

Расчетные повторяемости внешних воздействий на акватории порта должны приниматься в зависимости от продолжительности стоянки судов и обусловленного ими типа швартовной системы (см. таблицу 7).

Таблица 7

6.2 При расчете гидротехнических сооружений на действие нагрузок, передающихся от плавучих объектов на палы, корневые части причалов и анкерные опоры (для принятого числа, калибра и длины связей, значений натяжения связей в первоначальном состоянии, массы подвесных грузов и мест их закрепления), необходимо определять:

- горизонтальные и вертикальные нагрузки на сооружения и анкерные опоры;

- наибольшие усилия в связях;

- перемещения плавучих объектов.

Примечание - На морях с приливами и отливами определение усилий в элементах раскрепления следует производить при самом высоком и самом низком уровнях воды.

6.3 Нагрузки на анкерные опоры, усилия в связях и перемещения плавучих объектов необходимо определять с учетом динамики действия волн, при этом соотношения периодов свободных и вынужденных колебаний плавучих объектов должны приниматься из условия недопущения резонансных явлений.

Нагрузки от ветра, течения и волн на плавучие объекты

6.4 Расчетные значения поперечной Q_w, кН, и продольной N_w, кН, горизонтальных составляющих силы воздействия ветра на плавучие объекты следует определять по формулам:

- для судов и плавучих причалов с пришвартованными судами

 

- для плавучих доков

 

где А_n и A_l - соответственно боковая и лобовая надводные площади парусности (силуэтов) плавучих объектов, м²;

V_n и V_l - соответственно поперечная и продольная составляющие скорости ветра м/с, в порывах с осреднением 1 мин, повторяемость которых принимается в соответствии с таблицей 7;

ξ - коэффициент, зависящий от наибольшего горизонтального размера, поперечного или продольного силуэтов надводной части плавучего объекта; принимается по таблице 8; при длительной стоянке судов у причала (группы 3 - 5 таблицы 7) коэффициент ξ = 1.

Примечания

1 При определении ветрового воздействия на пришвартованное судно (плавучий объект) с учетом пульсации ветра необходимо рассматривать такое сочетание скорости и направлений ветра, отклоняющихся до ±30° от оси судна или нормали к ней, которое обусловливает наибольшее значение нагрузки Q_w или N_w.

2 Площади парусности следует определять с учетом площадей экранирующих преград, расположенных с наветренной стороны (см. приложение И).

3 Значение скорости ветра с осреднением 1 мин определяется по ГОСТ Р 57148 2016 (А.7.3).

Таблица 8

6.5 Расчетные значения поперечной Q_c, кН, и продольной N_c, кН, горизонтальных составляющих силы от воздействия течения на плавучие объекты следует определять по формулам:

 

где A_l и А_n - соответственно боковая и лобовая подводные площади парусности плавучих объектов, м²;

С_l, С_n - обобщающие коэффициенты продольной и поперечной силы воздействия течения, определяемые с учетом соотношения осадки плавучего объекта и глубины воды (см. приложение К);

V_n и V_l - поперечная и продольная составляющие скорости течения, м/с, принимаемые в соответствии с таблицей 7.

6.6 Расчетные значения поперечной Q_e, кН, и продольной N_е, кН, горизонтальных сил от воздействия волн на плавучие объекты следует определять по формулам:

 

где æ - коэффициент, зависящий от осадки d_s, м, плавучего объекта; принимается по графику на рисунке 15;

ζ - коэффициент, принимаемый по таблице 9, в которой а_l - наибольший горизонтальный размер продольного силуэта подводной части плавучего объекта, м;

h - высота волны обеспеченностью 5 % в системе;

А_n и A_l - обозначения см. в 6.4.

Таблица 9

Рисунок 15 - График значений коэффициента æ

Нагрузки от навала пришвартованного судна на сооружение

6.7 Нагрузку от навала пришвартованного судна на сооружение q, кН/м, под действием ветра, течения и волн следует определять по формуле

где l_d - общая длина участков контакта судна с сооружением, м;

Q_tot - поперечная сила от суммарного воздействия ветра, течения и волн, кН, определяемая согласно 6.4 - 6.6:

Q_tot = Q_w + Q_c - в случае, если высота волн обеспеченностью 5 % не превышает допускаемые при стоянке значения по таблице 10;

Q_tot = Q_w + Q_c + Q_e - в случае, если высота волн обеспеченностью 5 % превышает допускаемые при стоянке значения по таблице 10.

Примечание - Для причального фронта, образованного несколькими опорами или палами, распределение нагрузки от пришвартованного судна следует принимать только на те из них, которые располагаются в пределах прямолинейной части борта судна.

Для уточнения волновой составляющей нагрузки на причальные сооружения от пришвартованного судна следует использовать методику, учитывающую динамический характер волнового воздействия (см. приложение Л).

Таблица 10

Нагрузки от навала судна при подходе к сооружению

6.8 Кинетическую энергию навала судна Е_n, кДж, при подходе его к портовому причальному сооружению следует определять по формуле

где ψ - коэффициент, учитывающий условия швартовки и конструкцию причальных сооружений;

W - расчетное водоизмещение (масса) судна, т;

V_n - нормальная (к поверхности сооружения) составляющая скорости подхода судна, м/с. Допускаемые значения нормальной составляющей скорости подхода V_n и коэффициента ψ следует назначать с применением данных приложения М.

6.9 Поперечную горизонтальную силу F_n, кН, от навала судна при подходе к сооружению следует определять для заданного значения энергии навала судна Е_n, кДж, по графикам рисунка 16, следуя по направлению штриховой линии со стрелками.

Суммарная энергия деформации Е_tot, кДж, должна включать энергию деформации отбойных устройств Е_с, кДж, и энергию деформации причального сооружения Е_i, кДж; при Е_с ≥ 10Е_i величина Е_i не учитывается.

Энергию деформации причального сооружения Е_i, кДж, следует определять по формуле

где k_i - коэффициент жесткости причального сооружения в горизонтальном поперечном направлении, кН/м.

Продольная сила F_l, кН, от навала судна при подходе к сооружению должна определяться по формуле

где μ - коэффициент трения, принимаемый в зависимости от материала лицевой поверхности отбойного устройства: при поверхности из бетона или резины μ = 0,5; при деревянной поверхности μ = 0,4; при полиэтиленовых брусьях μ = 0,1 - 0,15.

6.10 При ограничении допускаемой силы F_n на причальное сооружение максимальное допускаемое значение нормальной к поверхности сооружения составляющей скорости подхода судна V_adm, м/с, следует определять по формуле

где E_tot - энергия навала, кДж, принимаемая по графикам рисунка 16 при заданном значении допускаемой силы F_n на причальное сооружение (или на борт судна);

W и ψ - обозначения те же, что и в 6.8.

Следует учитывать, что ограничение скорости подхода к сооружению может быть обусловлено размывающим воздействием на донные отложения и/или крепление дна акватории вблизи сооружения, оказываемым потоком, возникающим за счет работы движителей судна.

а - от энергии E_tot; б - от нагрузки F_q

Рисунок 16 - Схема использования зависимостей деформаций отбойного устройства (и причального сооружения) f_t от энергии E_tot и от нагрузки F_n

Нагрузки на сооружения от натяжения швартовов

6.11 Нагрузки от натяжения швартовов должны определяться с учетом распределения на швартовные тумбы (или рымы) поперечной составляющей суммарной силы Q_tot, кН, от действия на одно расчетное судно ветра и течения. Значение Q_tot, кН, принимается согласно 6.4, 6.5.

Воспринимаемую одной тумбой (или рымом) силу S, кН, на уровне козырька (см. рисунок 17) от всех судов, швартовы которых заведены за тумбу, а также ее поперечную S_n, кН, продольную S_l, кН, и вертикальную S_z, кН, проекции следует определять по формулам:

 

 

 

где n - число работающих тумб, принимаемое по таблице 11;

α, β - углы наклона швартова, град, принимаемые по таблице 12.

Рисунок 17 - Схема распределения усилия на тумбу от натяжения швартовов

Таблица 11

Таблица 12

Нормативные значения силы натяжения швартова S, кН, для судов речного флота должны приниматься по таблице 13.

Таблица 13

Силу, передаваемую на каждую концевую тумбу носовыми или кормовыми продольными швартовами, для морских судов с расчетным водоизмещением более 50 тыс. т следует принимать равной продольной составляющей суммарной силы N_tot, кН, от действия ветра и течения на пришвартованное судно, определенной согласно 6.4 - 6.5.

Примечание - Более точное определение усилий в швартовых с учетом конкретной схемы швартовки судна выполняется по формулам приложения Н.

6.12 Для причалов, состоящих из технологической площадки и отдельно стоящих палов, нагрузки на палы от воздействий ветра, течения, определенные согласно 6.4 - 6.5, должны распределяться между группами швартовых следующим образом:

- 0,8Q_tot, кН - для носовых и кормовых продольных и прижимных канатов;

- 0,6Q_tot, кН - для шпрингов.

Если каждая группа швартовов заводится на несколько палов, то распределение усилий между ними принимается равномерным. Значения углов α и β (см. рисунок 17) и число работающих тумб следует устанавливать по расположению швартовных палов.

Примечания

1 Волновую составляющую нагрузки на причал от натяжения швартовов следует учитывать на основе апробированных на практике динамических методов расчетов качки пришвартованного судна на волнении или на основе модельных испытаний. Для предварительных оценок применяется методика, приведенная в приложении Л.

2 Для сплошных причалов при рассмотрении случаев, когда ветер направлен от причала в сторону акватории, волновая составляющая нагрузки на причал от натяжения швартовов не учитывается.

7 Ледовые нагрузки на гидротехнические сооружения

Основные положения

7.1 Нагрузки ото льда на гидротехнические сооружения должны определяться на основе исходных данных по ледовой обстановке в районе сооружений, в том числе с учетом функционирования системы управления ледовой обстановкой портовых сооружений, для периода времени с наибольшими ледовыми воздействиями.

7.2 По видам воздействия льда на гидротехнические сооружения следует различать:

- нагрузки на сооружения от полей ровного льда, включая сценарии подхода дрейфующего поля льда к сооружению (или ледохода) и подвижки поля ровного льда при вмерзании в него сооружения;

- локальное давление ледовых образований;

- нагрузки на сооружения от сплошного ледяного покрова при его температурном расширении;

- нагрузки от примерзшего к сооружению ледяного покрова при изменении уровня воды;

- нагрузки на сооружения от заторных и зажорных масс льда;

- нагрузки от движущегося тороса;

- нагрузки от движущегося айсберга.

7.3 В число исходных данных по ледовой обстановке для расчета ледовых нагрузок входят:

- толщина льда;

- прочностные характеристики льда;

- характеристики геометрических размеров и форм рельефа ледяного покрова;

- перепады температур, необходимые при расчете нагрузки от температурного расширения;

- максимальная и минимальная скорости подхода льда к сооружению;

- температура воздуха, необходимая для расчета прочности льда;

- скорость ветра и пр.

7.4 Прочностные характеристики ледяного покрова: пределы прочности льда при сжатии R_c и изгибе R_f МПа, следует вычислять по формулам:

 

где N - число слоев одинаковой толщины, на которое разбивается (по толщине) рассматриваемое ледяное поле, при этом N ≥ 3;

С_i - прочность льда на одноосное сжатие, МПа, в i-м слое при температуре t_i;

Δ_i - доверительная граница случайной погрешности определений С_i, МПа, определяемая методами математической статистики;

C_b и Δ_b - прочность льда на одноосное сжатие, МПа, в нижнем слое рассматриваемого ледяного поля при температуре t_b и доверительная граница случайной погрешности определений C_b, МПа, определяемые так же, как С_i и Δ_i;

t_b - температура льда на границе лед - вода (температура замерзания), равная для пресной воды 0 °С, а для соленой воды определяемая по формуле t_b = -0,057s_w, где s_w - соленость воды, ‰.

7.5 Нормативное значение С_i определяется с учетом температуры в i-м слое как среднеарифметическое значение прочности льда в соответствии с методикой испытания льда на одноосное сжатие согласно приложению П.

Распределение температуры по толщине льда и определение ее значения в i-м слое принимается по натурным данным или при их отсутствии на основе решения задачи теплопроводности при стационарном режиме с учетом расчетной толщины слоя снега на поверхности льда.

Для решения задачи теплопроводности температуру наружного воздуха на границе лед - атмосфера (параметр, определяющий прочностные характеристики льда) следует принимать по данным метеорологических наблюдений на ближайшей метеостанции.

В зависимости от класса сооружений в качестве температуры наружного воздуха принимается:

- для толщины льда менее 1,5 м - обеспеченное значение средней температуры воздуха за декаду, предшествующую ледовому воздействию (для гидротехнических сооружений I и II классов обеспеченность среднедекадной температуры составляет 0,1 %, для гидротехнических сооружений III и IV классов - 1,0 %);

- для толщины льда более 1,5 м - обеспеченное значение средней температуры воздуха за месяц, предшествующий ледовому воздействию (для гидротехнических сооружений I и II классов обеспеченность среднемесячной температуры составляет 0,1 %, для гидротехнических сооружений III и IV классов - 1,0 %).

При отсутствии опытных данных значение С_i принимается по таблицам 14 и 15 для пресного и соленого льда соответственно. При этом при солености льда от 1,7 ‰ и менее лед считается условно пресным.

Таблица 14

Таблица 15

Значение доверительной вероятности α величин R_c и R_f при расчетах ледовых нагрузок принимается равным 0,99 для сооружений I класса и 0,95 - для сооружений II и III классов.

7.6 При рассмотрении прочности льда в условиях первой подвижки речного ледяного покрова значения R_c и R_f, определенные по формулам (48) и (49), следует уменьшать путем умножения их на коэффициент, принимаемый:

- 0,45 - для рек бассейна Среднего и Верхнего Амура и юга Забайкалья;

- 0,5 - для рек бассейна Нижнего Амура, Средней Лены, Енисея до Енисейска, Оби до Октябрьского и севера европейской части Российской Федерации;

- 0,64 для рек бассейна Верхнего Днепра, Верхней Волги, Камы и Тобола, низовья Дона, Волги, Урала и Оби, междуречья Оби и Енисея, Верхней Лены, Алдана и крайнего северо-востока Российской Федерации;

- 0,83 - для нижних течений Енисея и Лены и рек их междуречья, рек бассейна Алтая, а также для рек центра, северо-запада и юго-востока европейской части Российской Федерации.

7.7 Строение ледяного поля (речного и морского) определяется по данным кристаллографического исследования, при их отсутствии следует принимать, что:

- ледяной покров открытых озер, водохранилищ и крупных рек состоит из зернистого и призматического льдов;

- ледяной покров морей и устьевых участков рек, впадающих в моря, состоит из зернистого и волокнистого льдов.

Толщина слоя зернистого льда, располагающегося в верхней части ледяного покрова, относится к толщине слоя призматического или волокнистого льда как 1:3.

Нагрузки на сооружения от полей ровного льда

7.8 Нагрузку от воздействия движущихся ледяных полей на сооружения с вертикальной передней гранью необходимо определять:

- на отдельно стоящую опору (см. рисунок 18) с передней гранью в виде треугольника, многогранника или цилиндрического очертания F_c,p, МН, по формуле

- на протяженное сооружение (см. рисунок 19) F_c,w, МН, по формуле

где V - скорость движения ледяного поля, м/с;

h_d - обеспеченная толщина ровного льда, м. Назначается путем статистической обработки материалов натурных наблюдений для периода времени с наибольшими ледовыми воздействиями в зависимости от класса гидротехнического сооружения по таблице 16;

m - коэффициент формы воспринимающей нагрузку передней грани опоры в плане, принимаемый по таблице 17;

А - максимальная площадь ледяного поля (или суммарная площадь нескольких ледяных полей, оказывающих давление друг на друга), м², которая может воздействовать на рассчитываемый элемент сооружения, определяемая по натурным наблюдениям или принимаемая в зависимости от поперечных размеров сооружения как А = 3l² (где l - пролет водопропускного сооружения) или А = 3b² (где b - поперечный размер сооружения);

k_b - коэффициент, принимаемый по таблице 18;

k_V - коэффициент, принимаемый по таблице 19;

γ - половина угла заострения передней грани опоры в плане на уровне действия льда, град; для опоры в виде многогранника или полуциркульного очертания необходимо принимать γ = 70°;

R_c - обозначение см. в 7.4;

ρ - плотность воды, кг/м³.

Таблица 16

Таблица 17

Таблица 18

Таблица 19

При отсутствии материалов натурных наблюдений за толщиной ровного льда в качестве исходных данных принимаются значения толщины ровного льда соответствующей вероятности превышения в соответствии с таблицей 16, полученные расчетом по гидрометеорологическим условиям местности.

Для определения скорости дрейфа льда, при которой происходит разрушение льда у сооружения, должны быть построены графики зависимости ледовой нагрузки F_c при остановке ледового поля и F_b при прорезании ледового поля от скорости дрейфа льда V. Точка пересечения графиков - искомое значение скорости дрейфа.

Примечания

1 Под отдельно стоящим сооружением следует понимать сооружение, обтекаемое льдом, способное воспринимать действующую ледовую нагрузку и прорезать движущееся на него ледяное поле.

2 Под протяженным сооружением следует понимать сооружение, препятствующее проходу ледяных полей через створ сооружения. Под это понятие попадают отдельные участки русловых плотин, затворы водосбросных сооружений, протяженные стены, если они упираются в берега или соединены с другими сооружениями, и пр.

Рисунок 18 - Схема приложения нагрузки от движущегося ледяного
поля на отдельно стоящую вертикальную опору

Рисунок 19 - Схема приложения нагрузки от движущегося ледяного
поля на секцию сооружения

Нагрузка F_c,p, определенная по формуле (50), должна быть не более нагрузки F_b,p, МН, определяемой по формуле

а нагрузка F_c,w, определенная по формуле (51), должна быть не более нагрузки F_b,w, МН, определяемой по формуле

где k - коэффициент, принимаемый по таблице 20;

b_s - протяженность контакта ледяного покрова с сооружением, м.

Нагрузку от воздействия ледяного поля на опору с передней гранью в виде прямоугольника следует определять по формуле (52).

Таблица 20

7.9 Нагрузку от воздействия движущегося ледяного поля на отдельно стоящую коническую опору или конический ледорез полуциркульного очертания (см. рисунок 20) при отсутствии смерзания со льдом необходимо определять по формулам:

а) горизонтальную составляющую нагрузки F_h,р, МН,

б) вертикальную составляющую нагрузки F_V,p, МН,

где k_h,1, k_h,2 - коэффициенты, принимаемые по таблице 21;

k_h,3, k_h,4, k_V,1, k_V,2 - коэффициенты, принимаемые по таблице 22;

k_V,f - коэффициент, принимаемый по таблице 23;

ρ - плотность воды, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²;

d - диаметр конуса по ватерлинии, м;

d_t - верхний диаметр конуса, м;

R_f и h_d - обозначения см. в 7.4 и 7.8.

Таблица 21

Рисунок 20 - Схема приложения нагрузок от движущегося ледяного поля
на отдельно стоящую коническую опору

Таблица 22

Таблица 23

На секцию откосного профиля или отдельно стоящую опору прямоугольного сечения с наклонной передней гранью (см. рисунок 21) нагрузку от воздействия движущегося ледяного поля следует определять по формулам:

а) горизонтальную составляющую нагрузки F_h, МН,

б) вертикальную составляющую нагрузки F_v, MH,

где k_β - коэффициент, принимаемый по таблице 24;

k_Δ - коэффициент, принимаемый по таблице 25;

m_h - коэффициент, принимаемый по таблице 26;

A₁, А₂, А₃ - коэффициенты, принимаемые по таблице 27;

m_v - коэффициент, принимаемый по таблице 28;

f - коэффициент трения;

b - обозначения см. в 7.8.

Рисунок 21 - Схема приложения нагрузок от движущегося ледяного
поля на сооружение откосного профиля

Таблица 24

Таблица 25

Таблица 26

Таблица 27

Таблица 28

Коэффициенты k_β, m_h и m_v принимаются в зависимости от h_d, м.

В случае подвижки смерзшегося с коническим сооружением ледяного поля горизонтальная составляющая нагрузки F_h,f, МН, определяется как на цилиндрическую опору с расчетной шириной b, равной диаметру конуса на уровне действия льда, по формуле

где k_βi - коэффициент, принимаемый по таблице 29;

F_b,p - обозначение см. в 7.8.

Вертикальная составляющая нагрузки F_V,p в этом случае отсутствует.

Таблица 29

7.10 Нагрузку от воздействия движущегося ледяного поля на сооружение, состоящее из системы вертикальных колонн (свай, свай-оболочек и т.п.), необходимо определять в зависимости от просвета между сваями S (см. рисунок 22).

Нагрузка от воздействия движущегося ледяного поля на каждый из элементов поперек направления движения ледяных полей с просветами S ≤ 2h_d определяется по формуле

где F₁ - сила от воздействия ледяных полей на один элемент шириной b₁ рассматриваемого сооружения, определяемая для соответствующих ледовых условий, воздействия ледяных полей и конструкции опор по формулам (50) - (58);

k_bn - коэффициент, определяемый по таблице 18 для суммарной ширины n элементов, входящих в сооружение. На каждый элемент действует сила в n раз меньше, чем на все сооружение.

Если в ряду из n элементов есть j просветов S > 2h_d, то ряд следует разбить на (j + 1) сооружений, между которыми просветы S ≤ 2h_d. Расчет каждого из (j + 1) сооружения производят по формуле (59).

За расчетное воздействие следует принимать наименьшую силу, определенную по формуле (59) и формулам (50) - (58), для соответствующих ледовых воздействий.

а, б - профиль и план ряда из столбов диаметром b₁
1 - скол (смятие) льда; 2 - срез льда между столбами

Рисунок 22 - Характер разрушения ледяного покрова в зависимости
от расположения элементов опор относительно друг друга

7.11 Определяющая характеристика ледовых воздействий при первой подвижке льда на элементы системы вертикальных колонн (свай, свай-оболочек и т.п.) - расстояние l между элементами ряда (по их осям).

Максимальное расстояние между элементами ряда (по их осям) l_mах, при котором происходит срез льда между этими элементами, определяется по формуле

При l > l_mах каждый элемент в ряду, расположенный вдоль направления движения ледяных полей, работает независимо друг от друга (у каждого элемента происходит смятие льда).

При первой подвижке льда на второй и последующие элементы системы вертикальных колонн (свай, свай-оболочек и т.п.), расположенные вдоль направления движения ледяных полей на расстоянии друг от друга (по осям) l ≤ l_mах, действует сила F_cut, которую следует определять как доли от силы F₁, действующей на первый элемент ряда

где ξ - коэффициент снижения воздействия льда на последующие элементы ряда

где n_cut - число плоскостей среза между элементами ряда;

l_cut - длина плоскости среза;

ξ₀ - коэффициент, определяемый по формуле

7.12 Число плоскостей среза n_cut между элементами ряда, расположенного параллельно направлению нагрузки, принимается равным:

n_cut = 2 при одиночном ряде;

n_cut = 1 при двух взаимодействующих рядах;

при трех и более взаимодействующих рядах для крайних рядов n_cut = 1, для внутренних рядов n_cut = 0 (т.е. ледовая нагрузка отсутствует).

За одиночный принимают ряд, который по фронту (поперек направления нагрузки) удален (имеется просвет) от других сооружений (или их элементов) на S > 2h_d.

За число взаимодействующих рядов более двух принимают ряды, в которых по фронту есть просветы S ≤ 2h_d.

7.13 Длина плоскости среза l_cut между элементами ряда, параллельного направлению нагрузки, определяется геометрией двух взаимодействующих элементов в ряду

где α - угол сектора элемента опоры, градус, в плане, в пределах которого происходит срез льда.

В диапазоне 30° ≤ α ≤ 90° α определяют по формуле

7.14 Если элементы ряда (свай, свай-оболочек и т.п.), расположенные вдоль направления движения ледяных полей, соединены между собой стеной толщиной Δ, то при первой подвижке льда на второй и последующие элементы ряда действует сила F_cut, определяемая по формулам:

 

где a - половина угла сектора, на ширине которого происходит срез льда между столбами.

7.15 При косом направлении нагрузки на второй и последующие элементы ряда, расположенные вдоль движения ледяных полей, их совместная работа происходит при соблюдении условий l ≤ l_max и l < b₁/sinγ. На элементы ряда в этом случае действует сила, характеризующая как смятие, так и сдвиг льда и определяемая по формуле

где F_b,p - усилие при разрушении ледяного покрова за счет смятия льда, определяемое по формуле (52);

F_cut - усилие, при котором происходит срез льда между элементами ряда, определяемое по формуле (61) при n_cut = 1. Составляющая силы F_y, характеризующая сдвиг, отлична от нуля в том случае, если внешняя плоскость сдвига «упирается» в нижестоящий элемент (см. рисунок 23). Это условие соблюдается при неравенстве l < b₁/sinγ.

При соблюдении указанных выше двух условий для расстояния l между элементами на второй и последующие элементы взаимодействующего ряда, расположенного ниже по направлению движения ледяных полей (см. на рисунке 23 ряд № 2), действует сила, определяемая по формуле (61) при n_cut = 1.

Если взаимодействующих рядов больше двух, то для последующих элементов внутренних рядов n_cut = 0 (т. е. нагрузка отсутствует).

При несоблюдении неравенства l < b₁/sinγ с некоторым запасом принимается, что последующие элементы взаимодействующих (а также невзаимодействующих) рядов рассчитываются как первые элементы в рядах, параллельных направлению нагрузки (см. 7.10), т. е. как при l > l_max (см. рисунок 23).

Под взаимодействующими рядами понимаются ряды, между элементами которых в направлении, параллельном поперечной оси опоры, просветы S ≤ 2h_d.

1 - скол (смятие льда); 2 - плоскость среза льда

Рисунок 23 - Схема разрушения льда при косом направлении воздействия
ледяных полей на элементы опор

7.16 Воздействие льда в период ледохода на второй и последующие элементы опоры в ряду, расположенном параллельно направлению нагрузки (движения ледяных полей), не учитывается, поскольку первые элементы ряда работают как аванпостные сооружения, у которых происходит разрушение ледяных полей.

При косом подходе ледяных полей к опоре (γ ≥ 10°), элементы которой составляют два и более продольных ряда, нагрузку воспринимают, кроме первых элементов продольных рядов (как при отсутствии косины), все элементы ряда № 1 (см. рисунок 23). Расчет нагрузки на каждый элемент определяют согласно 7.10. Причем для последующих элементов ряда № 1 в расчетах следует принимать S = (l - b₁)sinγ.

7.17 Общая нагрузка на опору, состоящую из n элементов (составляющих продольные и поперечные ряды), определяется как сумма нагрузок на каждый элемент.

7.18 Точку приложения равнодействующей ледовой нагрузки, определенной согласно 7.8 - 7.17, необходимо принимать ниже расчетного уровня воды на 0,2h_d в зимний период и на 0,4h_d в период весеннего ледохода.

7.19 Локальное давление на элементы сооружений от воздействия ледовых образований не должно превышать предела прочности льда на сжатие R_c.

7.20 Нагрузку от воздействия остановившегося поля ровного льда, наваливающегося на сооружение при действии течения воды и ветра F_s, МН, необходимо определять по формуле

в которой величины p_μ, p_V, p_i и p_μ,а, МПа, определяются по формулам:

 

 

 

 

где V_max - максимальная скорость течения воды подо льдом в период ледохода, м/с;

V_w,max - максимальная скорость ветра в период ледохода, м/с;

L_m - средняя длина ледяного поля по направлению потока, принимаемая по данным натурных наблюдений, при их отсутствии для рек L_m принимается равной утроенной ширине реки, м;

i - уклон поверхности потока;

h_d и А - обозначения те же, см. 7.8;

Н - глубина воды перед сооружением, м.

При этом нагрузка F_s, определенная по формуле (69), не может быть больше нагрузки F_b,w, определенной по формуле (53) при k_V = 0,1.

Примечания

1 Расчетная ширина ледяного поля принимается по данным натурных наблюдений, а для затворов или аналогичных сооружений - не более ширины пролета сооружения.

2 Точку приложения равнодействующей ледовой нагрузки необходимо принимать на 0,2h_d ниже расчетного уровня воды в зимний период, на 0,4h_d - в период весеннего ледохода.

Нагрузки на сооружения от сплошного ледяного покрова при его температурном расширении

7.21 Расчетную нагрузку на сооружение от сплошного ледяного покрова при его температурном расширении следует определять по формуле

где нагрузка на единицу длины сооружения от воздействия сплошного ледяного поля при его температурном расширении q, кН/м, принимается как наибольшее из значений q, определенных для случаев, когда из ряда наблюдений за температурой воздуха приняты расчетные периоды с минимальной температурой и соответствующим ей градиентом или с максимальным градиентом и соответствующей ему температурой;

b - обозначение см. в 7.8.

7.22 Нагрузку q, кН/м, на единицу длины сооружения от воздействия сплошного ледяного покрова при его температурном расширении следует определять по формуле

где h_d - обеспеченная толщина ровного льда, м (см. 7.8);

k_L - коэффициент потери устойчивости ледяного покрова, выбираемый по таблице 30.

Таблица 30

р - давление за счет упругой и пластической деформации, кПа, при температурном расширении льда соленостью S > 2 ‰ принимается равным 100 кПа, и нагрузка на единицу длины сооружения определяется по формуле

При солености S < 2 ‰ давление р определяется по формуле

где σ₀ - предел упругости льда при сжатии, кПа;

α - коэффициент линейного расширения льда, град^-1;

V_t - скорость повышения температуры воздуха, град/с;

μ - коэффициент вязкости льда, кПа∙c, определяемый по формулам:

 

t_i - температура льда, °С, определяемая по формуле

t_0min - начальная минимальная температура, с которой начинается ее повышение, °С;

η₀ - относительная толщина ледяного покрова с учетом влияния снега, определяемая по формуле

h_red - приведенная толщина ледяного покрова, м, определяемая по формуле

h_s - наименьшая толщина снежного покрова, м;

λ - теплопроводность льда, Вт/(мК);

α - коэффициент теплоотдачи с верхней поверхности ледяного покрова, Вт/(м²·К), определяемый по формуле

w - средняя скорость ветра, м/с;

коэффициент В определяется по таблице 31;

ψ, φ - безразмерные коэффициенты, принимаемые по графикам рисунков 24 и 25 при заданных относительных значениях толщины ледяного покрова и безразмерного значения F_o = ,

а - коэффициент температуропроводности льда, м²/с.

Таблица 31

Рисунок 24 - Графики значений коэффициента ψ

Рисунок 25 - Графики значений коэффициента φ

При этом нагрузка от температурного расширения, определенная по формуле (75), должна быть не более нагрузки, определенной по формуле

где Δl - смещение сооружения по направлению и на уровне действия нагрузки, м;

K_b - коэффициент упругой податливости сооружения, м/МН.

Температурное расширение ледяного поля может быть определено по формуле

где α - коэффициент линейного расширения льда, 1/град;

φ - коэффициент, определяемый по графикам рисунка 25;

ΔT - расчетный перепад температуры наружного воздуха, °С;

L - расстояние от сооружения до берега, м.

Для свайного ростверка с высотой стоек Н, м, коэффициент податливости конструкции определяется по формуле

Нагрузка от температурного расширения F_t,h, рассчитанная по формуле (85), должна быть не более определенной по формуле

где R_c, b, h_d - обозначения см. в 7.8.

Для условий нагрузки от температурного расширения k_V = 0,1.

Примечание - В приливных морях нагрузки от температурного расширения льда на гидротехнические сооружения не учитываются.

Нагрузки от примерзшего к сооружению ледяного покрова при изменении уровня воды

7.23 Вертикальную нагрузку (на 1 м длины по фронту сооружения) от примерзшего к сооружению ледяного покрова при изменении уровня воды (УВ) f_d, МН/м (см. рисунок 26), следует определять по формуле

где h₀ - изменение УВ, м; при этом h₀ ≤ h_d;

h_d - обеспеченная толщина ровного льда, м (см. 7.8);

v - кинематическая вязкость воды при температуре 0 °С, равная v = 1,793·10^-6 м²/с.

а - при понижении УВ; б - при повышении УВ; УВЛ - уровень воды при ледоставе

Рисунок 26 - Схемы приложения нагрузок от примерзшего к сооружению
ледяного покрова при изменении уровня воды

Нагрузка f_b, определенная по формуле (89), должна быть не более нагрузки f_d,lim, МН/м, определяемой по формуле

где σ_c,lim - предельное напряжение в сжатом слое изгибаемого ледяного покрова, МПа, определяемое как (С_i + Δ_i) для нижнего слоя ледяного покрова при температуре t_b в случае понижения уровня воды или для верхнего слоя ледяного покрова при температуре t_u в случае повышения уровня воды;

σ_t,lim - предельное напряжение в растянутом слое изгибаемого ледяного покрова, МПа, определяемое как 0,3(С_i + Δ_i) для верхнего слоя ледяного покрова при температуре t_u в случае понижения уровня воды или для нижнего слоя ледяного покрова при температуре t_b в случае повышения уровня воды;

t_u - температура льда на границе лед - воздух, град;

С_i, Δ_i, t_b - обозначения см. в 7.4.

Примечание - В приливных морях нагрузки от примерзания льда к сооружениям не учитываются.

7.24 Момент силы, воспринимаемый 1 м протяженного сооружения от примерзшего ледяного покрова, М_l, (МН·м)/м, при изменении уровня воды (см. рисунок 26), необходимо определять по формуле

где h₀, h_d - обозначения см. в 7.23.

При этом момент силы М_l, определенный по формуле (91), должен быть не более момента М_l,lim, (МН·м)/м, определяемого по формуле

где σ_c,lim, σ_t,lim - обозначения см. в 7.23.

7.25 Вертикальную нагрузку на отдельно стоящую опору или свайный куст от примерзшего к сооружению ледяного покрова при изменении уровня воды F_d,p, МН (см. рисунок 27), необходимо определять по формуле

где k_f - коэффициент, определяемый по формуле

где D - поперечный размер (диаметр) опоры или свайного куста, м;

R_f и h_d - обозначения см. в 7.4 и 7.23.

Примечания

1 При прямоугольной форме опоры в плане со сторонами b и с или для сооружения, состоящего из системы колонн или куста свай с внешними размерами опорной части на уровне действия льда b и с, м, принимается D = , м.

2 Нагрузки от примерзания льда к сооружениям, расположенным в приливных морях, не учитываются.

а - при понижении УВ; б - при повышении УВ

Рисунок 27 - Схемы приложения нагрузки к отдельно стоящей опоре от
примерзшего к ней ледяного покрова при изменении уровня воды

7.26 Вертикальную нагрузку на сооружение, состоящее из системы вертикальных колонн, от примерзшего к опорам ледяного покрова при изменении уровня воды F_d,f, МН (см. рисунок 28), необходимо определять по формулам:

 

где K - коэффициент, определяемый как произведение коэффициентов K_k, принимаемых для каждой из n колонн по графикам рисунка 29 при заданных значениях а_k, b и параметра А =,

v - кинематическая вязкость воды, м²/с; при g = 9,81 м/с² и v = 1,7·10^-6 м²/с параметр А =;

а_k - расстояние от оси произвольно выбранной основной колонны до оси k-й колонны (см. рисунок 28), м;

n - число колонн в сооружении;

b, h_d и F_d,p - обозначения см. в 7.8, 7.23, 7.25.

Рисунок 28 - Схема приложения нагрузки к сооружению, состоящему из системы
вертикальных колонн, от примерзшего к нему ледяного покрова при повышении
уровня воды (при понижении уровня воды сила F_d,f направлена вниз)

Нагрузки на сооружения от заторных и зажорных масс льда

7.27 Нагрузку от движущейся заторной массы льда на сооружение F_b,j, МН, необходимо определять по формуле

где 5mR_b,j - нормативное сопротивление заторной массы льда смятию, МПа, определяемое по данным натурных наблюдений; при их отсутствии принимается равным:

0,45 МПа - для участков рек севернее линии «Воркута - Ханты-Мансийск - Красноярск - Улан-Удэ - Благовещенск - Николаевск-на-Амуре»;

0,35 МПа - между линиями «Воркута - Ханты-Мансийск - Красноярск - Улан-Удэ - Благовещенск - Николаевск-на-Амуре» и «Архангельск - Киров - Уфа - Усть-Каменогорск»;

0,25 МПа - южнее линии «Архангельск - Киров - Уфа - Усть-Каменогорск»;

h_b,i - расчетная толщина заторной массы, м, определяемая по данным натурных наблюдений, а при их отсутствии по формуле

где H_b,i - средняя глубина реки выше затора при максимальном расходе воды заторного периода, м;

a_i - коэффициент, принимаемый по таблице 32;

m, b - обозначения см. в 7.8.

Таблица 32 - Значения коэффициента для определения расчетной толщины заторной массы

Рисунок 29 - Графики значений коэффициентов K_k

7.28 Нагрузку от движущейся зажорной массы на отдельно стоящую опору F_b,j, МН, следует определять по формуле

где R_b,j - нормативное сопротивление зажорной массы смятию, МПа, определяемое по данным натурных наблюдений; при их отсутствии принимается равным 0,12 МПа;

h_j - расчетная толщина зажора, м, определяемая по данным натурных наблюдений; при их отсутствии принимается равной 0,8 от средней глубины потока при расходе воды зажорного периода;

m, b - обозначения см. в 7.8.

Нагрузки от движущегося тороса

7.29 Нагрузка от воздействия движущихся торосов и стамух на сооружения вертикального и откосного (при β ≥ 40°) профиля F_r, МН (см. рисунок 30), определяется как сумма

где F_u - нагрузка от надводной части ледяного образования (паруса), МН;

F_c - нагрузка от консолидированной части ледяного образования, МН;

F_k - нагрузка от подводной части ледяного образования (киля), МН.

7.30 Нагрузка от надводной части тороса вычисляется по формулам:

а) горизонтальная составляющая нагрузки F_u,h, МН,

1 - надводная часть тороса (парус); 2 - консолидированная часть тороса; 3 - киль тороса

Рисунок 30 - Расчетная модель тороса в момент наибольшего
воздействия на сооружение

б) вертикальная составляющая нагрузки F_u,v, МН,

где ρ_i - плотность льда, кг/м³;

Ψ_u - пористость ледяного образования, при отсутствии специальных исследований принимается Ψ_u = 0,5;

b_u - средняя ширина преграды по фронту в зоне действия ледяного образования, м;

c_u - сцепление между обломками льда в ледяном образовании, МПа, определяемое по данным испытаний; при их отсутствии принимается c_u = 0,003 ... 0,005 МПа;

φ_u - угол внутреннего трения ледяного образования, град; при отсутствии специальных исследований следует принимать φ_u = 35° - 40°;

h_u - расчетная высота ледяного образования, определяемая по натурным данным; при их отсутствии h_u определяется по формуле

где h_t - толщина льда на момент образования тороса, м, но не более 0,6 м;

k_u,φ и k_u,c - коэффициенты горизонтальной составляющей пассивного давления ледяного образования, вычисляемые по формулам:

где

 

 

где α_f - угол трения между льдом и сооружением, град,

f - коэффициент трения между льдом и сооружением, при отсутствии исследований принимается f = 0,1 - 0,2;

α_u - угол наклона откоса ледяного образования к горизонту, при отсутствии исследований принимается α_u = 30°;

β - обозначение см. в 7.9.

Точка приложения равнодействующей нагрузки от надводной части ледяного образования принимается выше уровня воды на 1/3 h_u, при F_u,v < 0 нагрузка на сооружение направлена вверх.

7.31 Нагрузка от консолидированной части ледяного образования вычисляется по формулам:

а) горизонтальная составляющая нагрузки F_c,h, МН, по формуле (52) - для отдельно стоящего сооружения и по формуле (53) - для секции протяженного сооружения с заменой величины h_d на h_c - расчетную толщину консолидированной части и умножением значения R_c на коэффициент r_с - отношение прочностей консолидированной части и ровного льда на сжатие, определяемый по опытным данным; при их отсутствии следует принимать r_с = 0,8, где h_d - обеспеченная толщина ровного льда на момент образования тороса, R_c - обозначения см. в 7.4; толщина консолидированной части тороса h_c = (1,8 - 2,0)h_d (см. приложение Р);

б) вертикальная составляющая нагрузки F_c,v, МН,

Точка приложения равнодействующей нагрузки от консолидированной части принимается ниже уровня воды на 0,5h_с.

7.32 Нагрузка от киля вычисляется по формулам:

а) горизонтальная составляющая нагрузки F_k,h, МН,

б) вертикальная составляющая нагрузки F_r,h, МН,

где ψ_k - пористость (пустотелость) ледяного образования, определяемая по данным испытаний; при их отсутствии принимается ψ_k = 0,3 - 0,4;

h_k - расчетная глубина киля ледяного образования, м; при назначении расчетной глубины ледяного образования следует учитывать, что h_k/h_u = 2 - 6;

b_k - средняя ширина преграды по фронту в зоне действия ледяного образования, м;

с_k - сцепление (с учетом зацепа) ледяного образования, МПа, определяемое по данным испытаний; при их отсутствии принимается с_k = 0,02 - 0,03 МПа;

φ_k - угол внутреннего трения ледяного образования, град, определяемый по данным испытаний; при их отсутствии принимается φ_k = 15° - 20°;

k_k - коэффициент горизонтальной составляющей пассивного давления нагромождения обломков льда, вычисляемый по формулам:

 

ρ - обозначение см. в 7.9.

Нагрузка F_k,h, определенная по формуле (111), должна быть не больше нагрузки F_b,j, определенной по формуле (99) при замене в ней величин b и h_j на b_k и h_c соответственно.

Точка приложения равнодействующей нагрузки от подводной части ледяного образования принимается ниже уровня воды на 0,33h_k.

Примечание - Нагрузка на сооружение вертикального профиля определяется при β = 90°.

Нагрузки от движущегося айсберга

7.33 Расчет нагрузки от движущегося айсберга на сооружения выполняется при значении ежегодной вероятности столкновения сооружения с айсбергом более 10^-4 и следующих исходных данных:

- частота появления айсбергов в заданном квадрате моря (2° по широте и 5° по долготе) и возможность соударения айсберга и сооружения (определяются по результатам мониторинга айсбергов в районе строительства сооружений и по архивным данным);

- наиболее вероятные (расчетные) размеры айсберга;

- скорость подхода айсберга к сооружению V, м/с (по данным мониторинга и архивным данным);

- геометрические размеры айсберга: высота надводной части h_u, м; глубина погружения подводной части h_k, м; ширина b, м; длина L, м (по данным мониторинга и архивным данным);

- пористость киля айсберга ψ (по данным мониторинга);

- коэффициент формы айсберга k_f;

- коэффициент формы фронтальной поверхности сооружения m (по таблице 17);

- гидрометеорологический режим в заданном квадрате моря.

7.34 Коэффициент формы айсберга k_f определяется как отношение объема пустот к полному объему пространства, занимаемому айсбергом. Численные значения коэффициента принимаются по таблице 33. Коэффициент k_f, равный 0,5, соответствует пирамидальной форме надводной и подводной частей айсберга.

Таблица 33

7.35 Нагрузка от айсберга складывается из двух составляющих - от надводной и подводной частей айсберга - F_u и F_k, МН,

Нагрузка от надводной части F_u, МН, определяется по формуле

где b, k_b, k_V, m, R_c - обозначения и способ определения величин см. в 7.8 и 7.4;

k_fu - коэффициент формы надводной части по таблице 33;

k - коэффициент, принимаемый по таблице 34.

Таблица 34

Нагрузка от подводной части айсберга F_k, МН, определяется по формуле

где μ - коэффициент трения поверхности льда о воду, при отсутствии специальных наблюдений следует принимать μ = 0,5;

k_cs - коэффициент условий подхода, принимаемый по таблице 35 в зависимости от угла подхода айсберга к сооружению, α, град;

k_fk - коэффициент формы подводной части айсберга (по таблице 33);

k_fr - коэффициент лобового сопротивления подводной части айсберга;

Таблица 35

γ_e - плавучесть подводной части айсберга, определяемая по формуле

R_kf - прочность киля на сжатие при температуре замерзания, МПа.

Предложенные расчетные соотношения применимы для айсбергов объемом не более 500 тыс. м³. Учитывая сложные условия взаимодействия большого объема льда и сооружения, для уточнения нагрузок могут проводиться специальные исследования, включающие определение массы айсберга и скорость его перемещения в исследуемом районе.

Приложение А

Элементы волн на открытых и огражденных акваториях

А.1 Элементы ветра над поверхностью водоемов должны определяться путем численного прогноза на основе результатов статистической обработки барических полей с помощью вероятностного моделирования и с учетом натурных данных.

А.2 Элементы течений по глубине водоемов должны устанавливаться путем гидродинамического и вероятностного моделирования с учетом элементов приливных и стоковых течений, а также натурных данных.

А.3 Определение элементов волн на открытых и огражденных акваториях следует проводить согласно А.6 - А.20.

В качестве исходных данных следует использовать карты глубин и данные об элементах ветра, полученные в соответствии с А.1.

Верификация полученных значений элементов волн проводится на основе данных измерений, выполненных в натурных условиях.

А.4 Трансформацию волн на течении следует учитывать с помощью апробированных методов расчета.

А.5 Определение характеристик волнения на основе гидродинамического и вероятностного моделирования должно выполняться с использованием спектрально-дискретных или спектрально-параметрических моделей.

Верификацию результатов гидродинамического моделирования рекомендуется проводить по результатам измерений характеристик волнения в натурных условиях или на физических моделях.

Элементы волн в глубоководной зоне

А.6 Средняя высота  м, и средний период волн , с, в глубоководной зоне должны определяться по расчетной (анемометрической) скорости ветра V_w по верхней огибающей кривой рисунка А.1. По значениям безразмерных параметров gt/V_w и gL/V_w² и верхней огибающей кривой следует определять значения g/V_w² и g/V_w и по меньшему из них принять среднюю высоту и средний период волн.

Длину разгона волны L, м, следует определять по картографическому материалу с учетом направления ветра.

Значения длины предельного разгона L_u, м, принимаются по таблице А.1 для заданной расчетной скорости ветра V_w, м.

Таблица А.1

Среднюю длину волн , м, при известном значении  следует определять по формуле

Примечание - При переменных скоростях ветра вдоль разгона волн следует принимать h_d по результатам последовательного определения высоты волны для участков с постоянными значениями скорости ветра.

Рисунок А.1 - Графики для определения элементов ветровых волн
в глубоководной и мелководной зонах

А.7 Высоту волны i%-й обеспеченности в системе h_di, м, следует определять умножением средней высоты волн на коэффициент k_i, принимаемый по графикам рисунка А.2 для безразмерной величины gL/V_w². При сложной конфигурации береговой черты значение gL/V_w² должно приниматься по величине g/V_w² и верхней огибающей кривой рисунка А.1.

Элементы волн с обеспеченностью по режиму 1, 2, 4 % необходимо принимать по функциям распределения, определяемым по натурным данным.

Рисунок А.2 - Графики значений коэффициента k_i

А.8 При сложной конфигурации подветренной береговой линии средняя высота волн , м, определяется по формуле

где , м (при n = 1; ±2; ±3; ±4) - средние высоты волн, которые должны приниматься согласно рисунку А.1 по расчетной скорости ветра V_w и проекциям лучей L_n, м, на направление главного луча, совпадающего с направлением ветра. Лучи проводятся из расчетной точки до пересечения с линией берега с интервалом ±22,5° от главного луча.

При наличии перед расчетным створом большого числа препятствий в виде островов с угловыми размерами менее ±22,5° и суммой угловых размеров более 22,5° среднюю высоту волн , м, в секторе n следует определять по формуле

где æ_ni, v_nj - соответственно угловые размеры i-го препятствия и j-го промежутка между соседними препятствиями, отнесенные к углу 22,5° (i = 1, 2, 3, ..., k_n; j = 1, 2, 3,…, l_n) в пределах n-го сектора, назначаемого в интервале ±11,25° от направления луча.

Средние высоты волн , , м, следует определять по рисунку А.1 по расчетной скорости ветра и разгону L, равному проекциям лучей L_ni и L_nj, м, на направление ветра. Лучи L_ni и L_nj равны соответственно расстоянию от расчетной точки до пересечения с i-м препятствием или подветренным берегом в j-м промежутке.

Средний период волн определяется по безразмерному параметру g/V_w, который принимается согласно рисунку А.1 при известном значении g/V_w². Среднюю длину волн следует определять по формуле (А.1).

Примечание - Конфигурация береговой черты принимается сложной, если L_max/L_min ≥ 2, где L_max и L_min - наибольший и наименьший лучи, проведенные из расчетной точки в секторе ±45° от направления ветра до пересечения с подветренным берегом.

А.9 Превышение вершины волны над расчетным уровнем η_с, м, определяется по безразмерному параметру η_с/h_l (см. рисунок А.3) для данного значения h_l/g при d/ = 0,5.

Рисунок А.3 - Графики для определения значений η_с/h_l в мелководной и η_с,sur/h_l в прибойной зонах

А.10 Период пика спектра Т_р для спектральной плотности JONSWAP связан со средним периодом волн соотношением

где γ - параметр пиковатости спектра JONSWAP.

А.11 Максимальная высота волны h_max, м, для шторма длительностью t, с, определяется по формуле

где N = t/ - среднее число волн за период t;

h_s = h_{13 %} - значительная высота волн.

Элементы волн в мелководной зоне

А.12 Высоту волн i%-й обеспеченности h_i, м, в мелководной зоне с уклонами дна 0,002 и более следует определять по формуле

где k_t - коэффициент трансформации;

k_r - коэффициент рефракции;

k_l - обобщенный коэффициент потерь;

k_i - коэффициент обеспеченности волн в системе.

Коэффициенты k_t, k_r и k_l следует определять по А.13.

Длина волн, перемещающихся из глубоководной зоны в мелководную, определяется по рисунку А.4 при заданных значениях безразмерных параметров d/ и h_{1 %}/g. Период волн принимается равным периоду волн в глубоководной зоне.

Превышение вершины волны над расчетным уровнем η_с, м, следует определять по рисунку А.3 для безразмерных параметров d/ и h_{1 %}/g.

Рисунок А.4 - Графики для определения значений  в мелководной
и  в прибойной зонах

А.13 Коэффициент трансформации k_t следует принимать по графику 1 рисунка А.5. Коэффициент рефракции k_r должен определяться по формуле

где a_d - расстояние между смежными волновыми лучами в глубоководной зоне, м;

а - расстояние между теми же лучами по линии, проходящей через заданную точку мелководной зоны, м.

Лучи волн на плане рефракции в глубоководной зоне необходимо принимать по заданному направлению распространения волн, а в мелководной зоне их следует продолжать в соответствии со схемой А.6,а и графиками рисунка А.6,б согласно штриховой линии со стрелками.

Обобщенный коэффициент потерь k_l должен определяться по заданным значениям параметра d_cr/ и уклону дна i (см. таблицу А.2); при уклонах дна 0,03 и более следует принимать значение обобщенного коэффициента потерь равным единице.

Примечание - При сложной конфигурации дна и частичной защищенности акватории значение коэффициента k_r следует принимать по результатам определения коэффициентов рефракции для волновых лучей, проводимых из расчетной точки в направлениях через 22,5° от главного луча.

Рисунок A.5 - Графики для определения значений: коэффициента k_t (1) и параметра d_cr/ (2)

Таблица А.2

Рисунок А.6 - Схема (а) и графики (б) для построения плана рефракции

А.14 Среднюю высоту и средний период волн в мелководной зоне с уклонами дна 0,001 и менее необходимо определять по графикам рисунка А.1. По безразмерным параметрам gL/V_w² и gd/V_w² принимаются значения g/V_w² и g/V_w и по ним определяются  и .

Высоту волны i%-й обеспеченности в системе следует определять умножением средней высоты волн на коэффициент k_i, принимаемый по графикам рисунка А.2. По безразмерным параметрам gL/V_w² и gd/V_w² определяются значения коэффициент k_i, из которых принимается наименьшее.

Среднюю длину волн  при известном значении среднего периода  следует определять в соответствии с А.6.

Превышение вершины волны над расчетным уровнем должно определяться по рисунку А.3.

Примечание - Элементы волн, перемещающихся из мелководной зоны с уклонами дна 0,001 и менее в зону с уклонами дна 0,002 и более, должны определяться согласно А.12 и А.13, при этом высота исходной средней высоты принимается  = .

А.15 Учет переменных глубин вдоль линии разгона в мелководной зоне при уклонах дна 0,001 и менее производят следующим образом.

Профиль дна вдоль линии разгона, начиная от подветренного берега, разбивают на участки длиной L_j с примерно одинаковым уклоном в пределах каждого участка. В конце первого участка для безразмерных величин gd_j/V_w² и gL_j/V_w² определяют среднюю высоту волн  по А.14. На каждом последующем участке по графикам на рисунке А.1 для безразмерных величин  и  ( - средняя высота волн в начале j-го участка; d_j - глубина воды в конце j-го участка) определяют условный разгон L_экв,j-1. Далее в конце j-го участка для безразмерных величин  и  определяется средняя высота волн  по рисунку А.1. Указанный процесс применяется вдоль всей линии разгона волны.

Элементы волн в прибойной зоне

А.16 Высоту волн в прибойной зоне h_{sur1 %}, м, следует определять для заданных уклонов дна i по графикам 2 рисунка А.5: по безразмерной величине d_cr/ находится значение h_{sur1 %}/g и по нему определяется h_{sur1 %}.

Длину волны в прибойной зоне , м, следует определять по верхней огибающей кривой рисунка А.4, превышение вершины волны над расчетным уровнем η_c,sur - по верхней огибающей кривой рисунка А.3.

А.17 Критическая глубина d_cr, м, при первом обрушении волн должна определяться для заданных уклонов дна i по графикам 2 рисунка А.5 методом последовательных приближений. По ряду задаваемых значений глубин d в соответствии с А.12 и А.13 определяются величины h_i/g и по графикам 2 рисунка А.5 - соответствующие им значения d_cr/, из которых принимается d_cr численно совпадающее с одной из задаваемых глубин d.

А.18 Критическую глубину, соответствующую последнему обрушению волн d_cr,u при постоянном уклоне дна, следует определять по формуле

где k_u - коэффициент, принимаемый по таблице А.3;

n - число обрушений (включая первое), принимаемое из ряда n = 2, 3 и 4 при выполнении неравенств k_u^n-2 ≥ 0,43 и k_u^n-1 < 0,43.

При определении глубины последнего обрушения d_cr,u коэффициент k_u или произведение коэффициентов должны приниматься не менее 0,35.

При уклонах дна более 0,05 следует принимать значение критической глубины d_cr = d_cr,u.

Примечание - При переменных уклонах дна глубина d_cr,u принимается по результатам последовательного определения критических глубин для участков дна с постоянными уклонами.

Таблица А.3

Элементы волн на огражденной акватории

А.19 Высоту дифрагированной волны h_dif, м, на огражденной акватории следует определять по формуле

где k_dif - коэффициент дифракции волн, определяемый согласно А.20, А.21 и А.22;

h_i - высота исходной волны i%-й обеспеченности.

В качестве расчетной длины используется исходная длина  на входе в акваторию.

А.20 Коэффициент дифракции волн k_dif,s для акватории, огражденной одиночным молом (при заданном значении угла β, град, относительном расстоянии от головы мола до точки в расчетном створе k_dif и значении угла φ, град), следует принимать в соответствии со схемой и графиками рисунка А.7 (штриховая линия со стрелками).

Рисунок А.7 - Графики для определения значений коэффициента k_dif,s

А.21 Коэффициент дифракции волн k_dif,с на акватории, огражденной сходящимися молами, определяется по формуле

где ψ_c - коэффициент, принимаемый по рисунку А.8 для определенных значений d_c и k_dif,cp.

Значение d_c определяется по формуле

где l₁ и l₂ - расстояния от границ волновой тени (ГВТ) до границ дифракции волн (ГДВ), принимаемые в соответствии со схемой и графиками рисунка А.9 (штриховая линии со стрелками);

b - ширина входа в порт, м, принимаемая равной проекции расстояния между головами молов на фронт исходной волны.

Рисунок А.8 - Графики значений коэффициента \|/с

Рисунок А.9 - Схема (а) и графики (б) для определения значений l и l_а

Значение коэффициента k_dif,cp определяется также, как и k_dif,s согласно А.20 для точки пересечения главного луча с фронтом волн в расчетном створе.

Положение главного луча на схеме рисунка А.9, а необходимо принимать по точкам, расположенным от границы волновой тени (ГВТ) мола с меньшим углом φ_i, град, на расстояниях х, м, определяемых по формуле

где l_а1 и l_а2 - величины, значения которых принимают в соответствии со схемой и графиками рисунка А.9.

А.22 Коэффициент дифракции волн k_dif,b для акватории, огражденной волноломом, должен определяться по формуле

где k_dif,s1 и k_dif,s2 - коэффициенты дифракции волн, определяемые для головных участков волнолома согласно А.20.

А.23 Высоту дифрагированной волны с учетом отражения ее от сооружений и преград k_dif,r м, в данной точке огражденной акватории необходимо определять по формуле

где

k_dif,s - коэффициент дифракции волн в створе отражающей поверхности, определяемый согласно А.20, А.21 и А.22;

k_r и k_р - коэффициенты, определяемые по таблице Д.1 приложения Д;

θ_r - угол между фронтом волны и отражающей поверхностью, град;

r/λ - относительное расстояние от отражающей поверхности до расчетной точки по лучу отраженной волны, при этом направление луча отраженной волны должно приниматься из условия равенства углов подхода и отражения волн;

k_ref,i - коэффициент отражения, принимаемый по таблице А.4; при угле наклона отражающей поверхности к горизонту более 45° следует принимать коэффициент отражения k_ref,i = 1.

Примечание - Высоту волны на огражденной акватории с меняющимися глубинами следует уточнять согласно А.12 и А.13.

Таблица А.4

Приложение Б

Определение высоты ветрового нагона

Б.1 Высота ветрового нагона Δh_set, м, при постоянной глубине d акватории и без учета конфигурации береговой линии определяется по формуле

или

где α_w - угол между продольной осью водоема и направлением ветра, град;

V_w - расчетная скорость ветра, м²/с;

L - длина разгона, м;

k_w - коэффициент, определяемый по формуле

v - коэффициент кинематический вязкости воздуха; при g = 9,81 м/с² и v = 10^-5 м²/с;

Б.2 Высота волнового нагона Δh_wav, м, в прибойной зоне определяется по формуле, рекомендуемой [3],

где h_sur - расчетная высота волны по линии первого обрушения, м;

 - средний период волны.

Так как параметры волн ограничиваются предельно возможной их крутизной h/λ ≈ 0,1, предел высоты ветрового нагона Δh_wav составляет ≈ 1,8 м.

Приложение В

Оценка устойчивости грунта, подверженного гидродинамическому воздействию (волны, течение)

В.1 Устойчивость грунта, слагающего дно акватории вблизи сооружения, подверженного волновому воздействию, оценивается сравнением максимальной придонной скорости V_b,max (5.18, 5.20, 5.30) или V_f,max (5.19) со значением допускаемой придонной скорости V_b,adm.

Значение V_b,adm, м/с, для грунта крупностью фракций D ≤ 100 мм следует принимать по рисунку В.1, а для грунта крупностью фракций D > 100 мм - по формуле

где ρ_m - плотность материала грунта, т/м³;

р - плотность воды, т/м³.

При V_b,max > V_b,adm или V_f,max > V_b,adm следует учитывать возможность размыва дна акватории у основания сооружения й при необходимости предусматривать мероприятия по защите от размыва и подмыва основания сооружения.

Рисунок В.1 - График допускаемых значений скоростей

В.2 При назначении крупности крепления камнем дна акватории или поверхности насыпей (берм) следует производить проверку устойчивости материала крепления по формуле (В.1) и графику рисунка В.1.

В.3 При креплении откосов, подверженных волновому воздействию, каменной наброской (горной массой), обыкновенными и фасонными бетонными и железобетонными блоками расчетную массу отдельного элемента m или m_z, т, следует определять:

- при расположении камня или блока на участке откоса от верха сооружения до глубины z = 0,7h по формуле

- то же при z > 0,7h по формуле

где k_fr - коэффициент, принимаемый по таблице В.1; при /h > 15, а также при сложном профиле численное значение коэффициента k_fr следует уточнять поданным экспериментов на гидравлической модели;

ρ_m - плотность материала крепления, т/м³.

Таблица В.1

В.4 Крепление откосов несортированной каменной наброской (горной массой) выполняется при высоте волны не более 3,0 м, если пологость откоса ctgφ ≤ 5, и не более 3,5 м при ctgφ > 5. Несортированную каменную наброску следует считать пригодной для крепления откоса, если она характеризуется значениями коэффициента k_gr зернового состава, соответствующими затемненной зоне на рисунке В.2.

Значение коэффициента k_gr должно определяться для каждой фракции наброски по формуле

где m - расчетная масса, т, камня крепления;

m_i - средняя масса, т, камня i-й фракции наброски;

D и D_i - приведенные диаметры, м, элементов каменной наброски, т.е. диаметры шара, объем которого равен среднестатистическому объему частиц массой соответственно m и m_i.

При откосах, пологость которых находится в пределах 3 ≤ ctgφ < 5, расчетное значение массы m следует определять по формулам (В.2) и (В.3).

Рисунок В.2 - График для определения допустимого зернового состава
несортированной каменной наброски для крепления откосов

В.5 При пологости откосов 5 ≤ ctgφ ≤ 15, укрепляемых несортированной разнозернистой каменной наброской, расчетную массу камня m, т, соответствующую состоянию его предельного равновесия от действия ветровых волн, необходимо определять по формуле (В.2) при /h ≥ 10 с умножением полученных результатов на коэффициент .

Минимальное содержание фракций размером D_i ≥ D должно приниматься в соответствии с таблицей В.2.

Таблица В.2

В.6 При пологости откосов ctgφ < 3, укрепляемых несортированной разнозернистой каменной наброской, расчетную массу камня m, т, необходимо определять на основе экспериментальных исследований.

В.7 При совместном воздействии волн и течений, совпадающих по направлению, суммарное среднее по времени значение касательного напряжения на поверхность дна необходимо определять (при τ_с > 0,8) по формуле

где τ_с - касательное напряжение на дно от воздействия течения, кПа;

 - среднее по времени касательное напряжение от воздействия волн, кПа [см. 5.18, формула (4)];

U - средняя по глубине скорость течения, м/с;

С - коэффициент Шези, м^1/2/с.

При наличии угла между направлением волн и направлением течения суммарное среднее по времени касательное напряжение на поверхность дна должно вычисляться как векторная сумма касательных напряжений от волн и течений с учетом направлений.

В.8 При проектировании статических и/или динамически устойчивых креплений дна у обтекаемых преград с помощью каменной наброски в случае совместного воздействия волн и течений (τ_с > 0,8) применяется концепция критических касательных напряжений, согласно которой крупность защитного слоя D₅₀, м, определяется по формуле

где ψ_cr - критическое значение числа Шильдса. При проектировании статически устойчивой защиты от размывов, для которой ее возможные деформации затрагивают верхний слой защитного камня на глубину не более чем D₅₀ значение ψ_cr принимается в диапазоне 0,03 - 0,035.

При устройстве вблизи обтекаемых преград (сооружений) динамически устойчивого крепления, которое может деформироваться на большую, чем D₅₀, глубину, не теряя при этом своей основной функции   защиты дна от размывов в течение заданного срока службы сооружения, значение ψ_cr следует принимать равным 0,05 - 0,055. Кроме того, должны дополнительно разрабатываться критерии допустимой деформации крепления, превышение которой приводит к нарушению его защитных свойств.

В.9 При выполнении экспериментальных исследований креплений дна у обтекаемых преград следует обеспечивать: воспроизведение нерегулярного волнения с заданным спектром; правильный учет масштабных эффектов.

Приложение Г

Определение волновой нагрузки на вертикальные стены

Г.1 При действии стоячей волны на вертикальную стену необходимо предусматривать (см. 5.14) три случая определения возвышения или понижения свободной волновой поверхности η, м, у вертикальной стены:

а) η_max = k_η1h - при наибольшем значении отметки волновой поверхности у стены;

б) η_с = k_η2h - при максимальном значении горизонтальной волновой нагрузки Р_хс, кН/м, на стену;

в) η_t = -k_η3h - при минимальном значении отметки волновой поверхности у стены.

Численные значения входящих коэффициентов k_η1, k_η2, k_η3 определяются по графикам рисунка Г.1.

1 - граница разрушения стоячих волн

Рисунок Г.1 - Графики значений коэффициентов k_η1, k_η2 и k_η3

Г.2 Горизонтальную нагрузку на вертикальную стену Р_х, кН/м, при воздействии стоячей волны для случаев «б» и «в», указанных в Г.1, следует принимать по эпюре волнового давления; при этом ординаты эпюры волнового давления р, кПа, на глубине z, м, следует определять по формулам таблицы Г.1, а численные значения входящих в них коэффициентов k₂, k₃, k₄, k₅, k₈ и k₉ - по графикам рисунка Г.2.

Г.3 Волновое давление р, кПа, на вертикальную стену с возвышением над расчетным уровнем верха сооружения z_sup, м, менее чем на η_max, м, следует определять согласно Г.2 с последующим умножением полученных значений давления на коэффициент k_с, определяемый по формуле

где знаки «плюс» и «минус» соответствуют положению верха сооружения выше или ниже расчетного уровня воды.

1 - граница разрушения стоячих волн

Рисунок Г.2, лист 1 - Графики значений коэффициентов k₂, k₃, k₄, k₅, k₈ и k₉

Рисунок Г.2, лист 2

Таблица Г.1

Возвышение или понижение свободной волновой поверхности η, определенное по Г.1, следует умножать на коэффициент k_с.

Горизонтальная линейная волновая нагрузка Р_хс, кН/м, в рассматриваемом случае должна определяться по площади эпюры волнового давления в пределах высоты вертикальной стены.

Г.4 Горизонтальную нагрузку от дифрагированных волн со стороны огражденной акватории следует определять при относительной длине секции сооружения l/ ≤ 0,8; при этом расчетную эпюру волнового давления со значениями р, кПа, допускается выполнять по трем точкам, рассматривая следующие случаи:

а) вершина волны совмещена с серединой секции сооружения (см. 5.16, рисунок 4,а):

 

 

б) подошва волны совмещена с серединой секции сооружения (см. 5.16, рисунок 4,б):

 

 

где h_dif - высота дифрагированной волны, м, определяемая согласно приложению А;

k_l - коэффициент, принимаемый по таблице Г.2.

Таблица Г.2

Г.5 Эпюра взвешивающего волнового давления на берменные массивы должна приниматься трапецеидальной (см. рисунок 2,б) с ординатами p_br,i, кПа, определяемыми (при i = 1, 2 или 3) по формуле

где x_i - расстояние от стены до соответствующей грани массива, м;

k_br - коэффициент, принимаемый по таблице Г.3;

p_f - волновое давление на уровне подошвы сооружения.

Таблица Г.3

Приложение Д

Определение высоты наката волн на откос

Д.1 Высоту наката волн на откос h_run, м, рекомендуется определять по формуле

где k_r, k_p - коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, принимаемые по таблице Д.1;

k_sp - коэффициент, принимаемый по таблице Д.2;

k_run - коэффициент, зависящий от глубины воды d перед сооружением и пологости волны /h_1% и принимаемый по графикам рисунка Д.1. Значения параметра /h_1%, указанные без скобок, относятся к случаю d_h ≥ 2h_1%. При глубине перед сооружением d < 2h_1% коэффициент k_run следует принимать по значению , соответствующему глубине d = 2h_1% при значениях параметра /h_1%, указанному на рисунке Д.1 в скобках;

k_i - коэффициент обеспеченности по накату, принимаемый по таблице Д.3;

k_α - коэффициент, принимаемый по таблице Д.4 в зависимости от угла α между урезом воды и фронтом волны;

h_1% - высота волн обеспеченностью 1 % в системе.

Примечание - При определении высоты наката волн на песчаные и гравийно-галечниковые пляжи необходимо учитывать изменение уклона пляжа во время шторма. Наибольшее понижение пляжа на линии уреза воды следует принимать равным 0,3h, м, с выклиниванием на нулевые значения на берегу до высоты наибольшего наката, а в подводной части до глубины d = d_cr для размываемых грунтов или на глубине d = d_cr,u - для неразмываемых грунтов (где h, d_cr и d_cr,u - соответственно высота волны и глубина воды в створах первого и последнего обрушений, м).

Рисунок Д.1 - Графики значений коэффициента k_run

Таблица Д.1

Таблица Д.2

Таблица Д.3

Таблица Д.4

Д.2 Волновое давление на откос при 1,5 ≤ ctgφ ≤ 5, укрепленный монолитными или сборными плитами, определяется эпюрой (см. рисунок Д.2), в которой максимальное расчетное волновое давление p_d, кПа, равно

где k_s и k_f - коэффициенты, зависящие от пологости волны /h и угла заложения откоса φ, определяются по формулам:

 

p_rel - максимальное относительное волновое давление в точке 2 (см. рисунок Д.2), определяемое при h < 4 м по формуле

при h ≥ 4 м p_rel = 1,7.

Ордината z₂, м, точки 2 (см. рисунок Д.2) приложения максимального расчетного волнового давления p_d определяется по формуле

где A и В - параметры, м, значения которых определяются по зависимостям:

 

Ордината z₃, м, соответствующая высоте наката волн на откос, принимается согласно Д.1.

На участках крепления по откосу выше и ниже точки 2 (см. рисунок Д.2) значения ординат эпюры волнового давления р, кПа, принимаются на расстояниях, м:

при l₁ = 0,0125L_φ и l₃ = 0,0265L_φ р = 0,4p_d;

при l₂ = 0,0325L_φ и l₄ = 0,0675L_φ р = 0,1p_d,

где

Ординаты эпюры волнового противодавления р_с, кПа, на плиты крепления откосов определяются по формуле

где p_c,rel - относительное волновое противодавление, принимаемое по графикам рисунка Д.3.

Рисунок Д.2 - Эпюра максимального расчетного волнового давления
на откос, укрепленный плитами

Рисунок Д.3 - Графики для определения относительного волнового противодавления

Приложение Е

Нагрузки от волн на обтекаемые преграды и сквозные сооружения

Нагрузки от волн на вертикальную обтекаемую преграду

Е.1 Максимальная сила воздействия волн Q_max, кН, на вертикальную обтекаемую преграду с поперечными размерами а ≤ 0,4λ и b ≤ 0,4λ (см. рисунок 8,а) при глубине d > d_cr определяется из ряда значений, получаемых при различных удалениях æ = х/λ вершины волны от преграды, по формуле

где Q_i,max и Q_v,max - соответственно инерционный и скоростной компоненты силы воздействия волн, кН, определяются по формулам:

 

δ_i и δ_v - коэффициенты сочетания инерционного и скоростного компонентов максимальной силы от воздействия волн, принимаемые соответственно по графикам 1 и 2 рисунка Е.1;

h и λ - высота и длина расчетной волны;

а - размер преграды по лучу волны, м;

b - размер преграды по фронту волны, м;

k_v - коэффициент перехода от действительных значений скорости и ускорения волнового потока, воздействующего на преграду, к их средним значениям (см. таблицу Е.1);

α_i и α_v - инерционный и скоростной коэффициенты глубины, принимаемые соответственно по графикам а и б рисунка Е.2;

β_i и β_v - инерционный и скоростной коэффициенты формы преграды с поперечным сечением в виде круга, эллипса и прямоугольника, принимаемые по графикам рисунка Е.3.

Примечания

1 Расчет сквозных сооружений или отдельно стоящих обтекаемых преград на нагрузки от волн должен производиться с учетом шероховатости их поверхности. При наличии данных испытаний по влиянию коррозии и морских обрастаний на сопротивление обтекаемых преград коэффициенты формы определяются по формулам:

 

где C_i и C_v - уточненные опытные значения коэффициентов инерционного и скоростного сопротивлений.

2 При подходе волн под углом к обтекаемой преграде (в виде эллипса или прямоугольника) коэффициенты формы определяются интерполяцией между их значениями по главным осям.

3 Максимальная сила воздействия волн Q_max, кН, на вертикальную обтекаемую преграду при значении  принимается Q_max = Q_i,max, а при значении  - Q_max = Q_v,max. В других случаях Q_max следует определять из ряда значений, полученных по формуле (Е.1) при различных æ.

Таблица Е.1

Рисунок Е.1 - Графики значений коэффициентов сочетания инерционного δ_i
(графики 1) и скоростного δ_v (графики 2) компонентов силы от воздействия волн

Рисунок Е.2 - Графики значений инерционного α_i и скоростного α_v коэффициентов глубины

Эллиптические преграды - сплошные линии; призматические - штриховые линии:
1 - шероховатая эллиптическая преграда; 2 - гладкая эллиптическая преграда;
3 - шероховатая в подводной части и гладкая в надводной части вертикальная
эллиптическая преграда

Рисунок Е.3 - Графики значений инерционного β_i и скоростного β_v коэффициентов формы в зависимости от a/b (для Q, q и Р_х) или b/a (для P_z)

Е.2 Нагрузку от волн q, кН/м, на вертикальную обтекаемую преграду на глубине z, м, при максимальной силе от воздействия волн Q_max (см. рисунок 8,а) следует определять по формуле

где q_i,max и q_v,max - инерционный и скоростной компоненты максимальной нагрузки от волн, кН/м, определяемые по формулам:

 

δ_xi и δ_xv - коэффициенты сочетания инерционного и скоростного компонентов нагрузки от волн, принимаемые соответственно по графикам 1 и 2 рисунка Е.4 при значении æ согласно Е.1;

θ_xi и θ_xv - коэффициенты компонентов волновой нагрузки, принимаемые по графикам а и б рисунка Е.5 при значениях относительной глубины .

Рисунок E.4 - Графики значений коэффициентов сочетания инерционного δ_xi
(графики 1) и скоростного δ_xv (графики 2) компонентов горизонтальной
нагрузки от волн

Рисунок Е.5, лист 1 - Графики коэффициентов нагрузки от волн θ_xi, θ_xv, θ_zi, θ_zv
при d/λ: 1) 0,1; 2) 0,15; 3) 0,2; 4) 0,3; 5) 0,5; 6) 1; 7) 5;
λ/h = 40 - сплошные линии; λ/h = 8 - 15 - штриховые линии

Рисунок Е.5, лист 2

Е.3 Превышение взволнованной поверхности η, м, над расчетным уровнем должно определяться по формуле

где η_rel - относительное превышение взволнованной поверхности, определяемое по рисунку Е.6.

Превышение средней волновой линии над расчетным уровнем Δd, м, следует определять по формуле

где η_c,rel - относительное превышение вершины волны, определяемое по рисунку Е.6, при значении æ = 0.

1 - при d/λ = 0,5 и λ/d = 40; 2 - при d/λ = 0,5 и λ/d = 20, а также при d/λ = 0,2 и λ/d =40;
3 - при d/λ = 0,5 и λ/d = 10, а также при d/λ = 0,2 и λ/d =20; 4 - при d/λ = 0,2 и λ/d = 10

Рисунок Е.6 - Графики значений коэффициента η_rel

Е.4 Нагрузки от волн Q и q на вертикальную обтекаемую преграду при любом ее расположении х, м, относительно вершины волны определяются по формулам (Е.1) и (Е.6). При этом коэффициенты δ_i и δ_v должны приниматься по графикам 1 и 2 рисунка Е.1, а δ_xi и δ_xv - по графикам 1 и 2 рисунка Е.4 для данного значения æ = х/λ.

Е.5 Расстояние z_Qmax, м, от расчетного уровня воды до точки приложения максимальной силы от воздействия волн на вертикальную обтекаемую преграду Q_max определяется по формуле

где δ_i и δ_v - коэффициенты, принимаемые по графикам 1 и 2 рисунка Е.1 при значении æ, соответствующем Q_max;

z_Q,i и z_Q,v - ординаты точек приложения соответственно инерционного и скоростного компонентов сил, м, определяемые по формулам:

 

где ζ_i,rel и ζ_v,rel - относительные ординаты точек приложения инерционного и скоростного компонентов сил, принимаемые по графикам рисунка Е.7;

μ_i и μ_v - инерционный и скоростной коэффициенты фазы, принимаемые по графикам рисунка Е.8.

Расстояние z_Q от расчетного уровня воды до точки приложения силы Q при любом удалении х вершины волны от преграды следует определять по формуле (Е.11), при этом коэффициенты δ_i и δ_v должны приниматься согласно графикам 1 и 2 рисунка Е.1 для заданного значения æ = х/λ.

1 - ζ_i,rel; 2 - ζ_v,rel

Рисунок Е.7 - Графики значений относительных ординат

Рисунок Е.8 - Графики значений инерционного щ и скоростного коэффициентов фазы

Е.6 Максимальная сила воздействия разбивающихся (разрушающихся) волн Q_cr,max, кН, на вертикальную цилиндрическую преграду диаметром D ≤ 0,4d_cr принимается по результатам определения силы волнового воздействия Q_cr, кН, при различном удалении вершины волны от преграды (см. рисунок Е.9,а). Рекомендуется выполнять последовательное рассмотрение случаев с интервалом 0,1, начиная с  = 0 (где х - удаление, м, вершины разбивающейся волны от оси вертикальной цилиндрической преграды).

Сила воздействия волн Q_cr, кН, для любого положения цилиндрической преграды относительно вершины волны должна определяться по формуле

где Q_i,cr и Q_v,cr - инерционный и скоростной компоненты силы от воздействия разбивающихся волн, кН:

 

где d_t - глубина воды под подошвой волны, м (см. рисунок Е.9,а):

h_sur - высота (трансформированной) волны, м, при обрушении в мелководной зоне с соблюдением условия h_sur ≤ 0,8d_t;

η_c,sur - превышение, м, над расчетным уровнем воды вершины волны при первом обрушении;

δ_i,cr и δ_v,cr - инерционный и скоростной коэффициенты, принимаемые по графикам рисунка Е.9,б.

Е.7 Нагрузку от разбивающихся волн q_cr, кН/м, на вертикальную цилиндрическую преграду на глубине z, м, от расчетного уровня (см. рисунок Е.9,а) при относительном удалении оси преграды от вершины волны x/d_t необходимо определять по формуле

где q_i,cr и q_v,cr - инерционный и скоростной компоненты нагрузки от разбивающихся волн на вертикальную преграду, кН/м:

 

где Є_i,cr и Є_v,cr - инерционный и скоростной коэффициенты, принимаемые соответственно по графикам а и б рисунка Е.10 при значениях относительной глубины

Примечание - Коэффициенты δ_i,cr (см. рисунок Е.9,б) и Є_i,cr (см. рисунок Е.10,а) следует принимать положительными при x/d_t > 0 и отрицательными при x/d_t < 0.

Рисунок Е.9 - Схема к определению нагрузок от разбивающихся волн и
графики значений коэффициентов δ_i,cr - кривая 1 и δ_v,cr - кривая 2

Рисунок Е.10 - Графики значений инерционного Є_i,cr и скоростного Є_v,cr коэффициентов

Е.8 Максимальный опрокидывающий момент M_z,por, кН·м, от волнового давления на сплошное днище вертикальной круглоцилиндрической преграды, расположенной на гравийно-галечниковом или каменнонабросном основании, относительно центра днища следует определять по формуле

где β_рor - коэффициент опрокидывающего момента с учетом проницаемости основания, принимаемый по таблице Е.2.

Таблица Е.2

Полный максимальный опрокидывающий момент, действующий на преграду, определяется как сумма момента от максимальной силы Q_max, равного произведению этой силы, определяемой по Е.1, на плечо, определяемое по Е.5, и максимального момента M_z,por по формуле (Е.21), совпадающего по фазе с максимальной силой Q_max.

Е.9 Волновое давление р, кПа, в точке поверхности вертикальной круглоцилиндрической преграды на глубине z ≥ 0 в момент максимума горизонтальной силы Q_max определяется по формуле

где χ - коэффициент распределения давления, принимаемый по таблице Е.3.

Давление р в точках, лежащих выше расчетного уровня воды (z ≥ 0), принимается:

- при χ > 0 по линейному закону между р на уровне z = 0, определяемом по формуле (Е.22), и р = 0 на уровне z = -χh;

- при χ < 0 для точек на глубине 0 ≤ z ≤ -χh по линейному закону между р = 0 при z = 0 и значением р, определяемым по формуле (Е.22) при z = -χh.

Таблица Е.3

Е.10 Максимальную донную скорость V_b,max, м/с, в точках, расположенных на контуре преграды (θ = 90° и 270°) и впереди преграды на расстоянии 0,25λ от контура преграды (θ = 0°), следует определять по формуле

где коэффициент φ_v принимается по таблице Е.4.

Таблица Е.4

Нагрузки от волн на горизонтальную обтекаемую преграду

Е.11 Максимальное значение равнодействующей нагрузки от волн Р_max, кН/м, на горизонтальную обтекаемую преграду (см. рисунок 8,б) с поперечными размерами а ≤ 0,1λ, м, и b ≤ 0,1λ, м, при z_c ≤ b, но (z_c - b/2) > h/2 и при (d - z_c) ≥ b должно определяться по формуле

для двух случаев:

- с максимальной горизонтальной составляющей нагрузки Р_х,max, кН/м, при соответствующем значении вертикальной составляющей нагрузки P_z, кН/м;

- с максимальной вертикальной составляющей нагрузки P_z,max, кН/м, при соответствующем значении горизонтальной составляющей линейной Р_х, кН/м.

Расстояния х, м, от вершины волны до центра преграды при действии максимальных нагрузок Р_х,max и P_z,max должны определяться по значениям относительной величины P_z,max принимаемым согласно рисункам Е.4 и Е.11.

Рисунок Е.11 - Графики значений коэффициентов сочетания инерционного δ_zi
(графики 1) и скоростного δ_zv (графики 2) компонентов вертикальной нагрузки от волн

Е.12 Максимальное значение горизонтальной составляющей нагрузки от волн Р_х,max, кН/м, на горизонтальную обтекаемую преграду определяется из ряда величин, получаемых при различных значениях æ, по формуле

где Р_xi и Р_xv - инерционный и скоростной компоненты горизонтальной составляющей нагрузки от волн, кН/м, определяемые по формулам:

 

δ_xi и δ_xv - коэффициенты сочетания инерционного и скоростного компонентов нагрузки от волн, принимаемые соответственно по графикам 1 и 2 рисунка Е.4 при значении æ согласно Е.1;

θ_xi и θ_xv - см. в Е.2;

β_i и β_v - инерционный и скоростной коэффициенты формы преграды с поперечным сечением в виде круга, эллипса и прямоугольника, принимаемые по графикам рисунка Е.3 при значениях a/b - для горизонтальной и b/а - для вертикальной составляющих нагрузки.

Е.13 Максимальное значение вертикальной составляющей нагрузки от волн на горизонтальную обтекаемую преграду P_z,max, кН/м, следует определять из ряда величин, получаемых при разных значениях æ по формуле

где  и  - инерционный и скоростной компоненты вертикальной составляющей нагрузки от волн, кН/м, определяемые по формулам:

 

δ_zi и δ_zv - инерционный и скоростной коэффициенты сочетания, принимаемые по графикам 1 и 2 рисунка Е.11;

θ_zi и θ_zv - коэффициенты компонентов волновой нагрузки, принимаемые соответственно по графикам в и г рисунка Е.5 при значениях относительной ординаты ;

β_i и β_v - см. в Е.12.

Е.14 Значение горизонтальной Р_х, кН/м, или вертикальной P_z, кН/м, составляющей нагрузки от волн на горизонтальную обтекаемую преграду при любом ее расположении х относительно вершины волны следует определять соответственно по формулам (Е.25) или (Е.28). При этом коэффициенты сочетания δ_xi, δ_xv или δ_zi, δ_zv должны приниматься по графикам рисунков Е.4 и Е.11 для конкретного значения æ = х/λ.

Е.15 Максимальное значение равнодействующей нагрузки от волн Р_max, кН/м, на лежащую на дне цилиндрическую преграду (см. рисунок 8, б), диаметр которой D ≤ 0,1λ, и D ≤ 0,1d должно определяться по формуле (Е.24) для двух случаев, указанных в Е.11.

Е.16 Максимальную горизонтальную Р_х,max, кН/м, и соответствующую вертикальную P_z, кН/м, проекции нагрузки от волн, действующих на лежащую на дне цилиндрическую преграду, необходимо определять по формулам:

 

где Р_xi и P_xv - соответственно инерционный и скоростной компоненты горизонтальной составляющей нагрузки от волн, кН/м, определяемые по формулам:

 

δ_xi, δ_xv и θ_xi, θ_xv - см. в Е.12.

Максимальную вертикальную P_z,max, кН/м, и соответствующую горизонтальную Р_х, кН/м, проекции нагрузки от волн следует принимать равными

Нагрузки от волн на сквозное сооружение из обтекаемых элементов

Е.17 Нагрузку от волн на сквозное сооружение в виде стержневой системы следует получать суммированием нагрузок, определенных согласно Е.1 - Е.14, как для отдельно стоящих преград с учетом положения каждого элемента относительно профиля расчетной волны. Элементы сооружения должны приниматься как отдельно стоящие обтекаемые преграды при расстояниях между их осями l ≥ 3D; при l < 3D (где D - наибольший диаметр элемента) волновую нагрузку, полученную на отдельно стоящий элемент сооружения, необходимо умножать на коэффициенты сближения по фронту ψ_t и лучу ψ_l волн, принимаемые по таблице Е.5.

Таблица Е.5

Е.18 Нагрузки от волн на наклонный элемент сквозного сооружения необходимо получать по эпюрам горизонтальной и вертикальной составляющих нагрузок, ординаты которых должны определяться согласно Е.14 с учетом заглубления под расчетный уровень и удаления от вершины расчетной волны отдельных участков элемента.

Примечание - Нагрузки от волн на элементы сооружения, наклоненные к горизонтали или вертикали под углом менее 25°, определяются соответственно по Е.4 и Е.14 как на вертикальную или горизонтальную обтекаемую преграду.

Е.19 Нагрузку от воздействия нерегулярных ветровых волн на сквозное сооружение из обтекаемых элементов следует определять умножением значения статической нагрузки, полученного согласно Е.17 и Е.18 от волн с высотой заданной обеспеченности в системе и средней длиной, на коэффициент динамичности k_d, принимаемый по таблице Е.6.

При отношениях периодов Т_c/ > 0,3 необходимо выполнять динамический расчет сооружения.

Таблица Е.6

Приложение Ж

Построение эпюр давления от судовых волн

Для построения эпюр давления на крепление берегов от судовых волн применяются значения локального давления в характерных точках, приведенные в таблице Ж.1.

В таблице Ж.1 приняты следующие обозначения:

h_sh - высота судовой волны, м;

h_rsh - высота наката судовой волны на откос, м;

d_inf - глубина низа крепления откоса, м;

d_sh - глубина воды, м;

d_h - глубина забивки шпунта;

Δz_f - понижение уровня воды, м, за креплением откоса вследствие фильтрации; принимается равным:

0,25h_sh - для крепления протяженностью по откосу от расчетного уровня воды менее 4 м с водонепроницаемым упором;

0,2h_sh - то же с протяженностью более 4 м с упором в виде каменной призмы;

0,1h_sh - для вертикальной шпунтовой стенки.