ВНИИ ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
МИНТРАНССТРОЯ

УТВЕРЖДАЮ Зам. директора института Г.Д. Хасхачих

УТВЕРЖДАЮ Зам. директора Союзгипроводхоза В.С. Алтунин

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ВЕТРОВЫХ ВОЛН,
ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ НА ОТКОСЫ КАНАЛОВ

Москва 1985

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящие Методические рекомендации предназначены для использования проектными институтами Минтрансстроя и Минводхоза при проектировании больших водохозяйственных каналов, а также подтопляемых насыпей транспортных сооружений.

В Методических рекомендациях рассмотрены методы расчета ветровых волн, воздействующих на откосы каналов и подтопляемых насыпей на прямолинейных частях и на поворотах.

Методические рекомендации составлены в развитие существующих нормативных документов применительно к специфическим условиям волнообразования в каналах и основаны на известных теоретических разработках и экспериментальных исследованиях ГОИНа, Союзморниипроекта, ВНИИГа и других институтов.

В приложениях приводятся примеры расчета параметров ветровых волн по методам, изложенным в настоящих Методических рекомендациях, а также по методу приближенной оценки максимально возможных параметров ветрового волнения при данных размерах канала, базирующемуся на результатах лабораторных исследований и некоторых (не строгих) теоретических зависимостях. Этот метод благодаря своей простоте может быть полезен на стадии прикидочных расчетов.

Методические рекомендации разработаны инженерами К.М. Орловой, Л.Н. Юдиным, кандидатами техн. наук М.Э. Плакидой, Ю.К. Балуновым (ВНИИ транспортного строительства) и инженерами В.И. Демидовым и В.Г. Хасхачихом (Союзгипроводхоз).

Замечания и предложения просьба направлять по адресу: 129329, Москва, ул. Кольская, 1, ВНИИ транспортного строительства.

Зав. Отделением транспортных гидротехнических

сооружений ВНИИ транспортного строительства                       А.И. Кузнецов

Начальник отдела инженерных конструкций и

индустриализации строительства                                                   В.Г. Ганчиков

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Настоящие Методические рекомендации разработаны для использования при расчетах конструкций, защищающих откосы каналов от действия ветровой волны, а также могут быть применены в расчетах параметров волнения, воздействующего на подтопляемые откосы транспортных гидротехнических сооружений.

1.2. В Методических рекомендациях рассматриваются вопросы определения: параметров ветровых волн, возникающих в каналах (исходные параметры); расчетных параметров волн, воздействующих на откосы каналов (путем расчета рефракции и трансформации исходных волн); параметров ветровых волн, максимально-возможных при данных параметрах канала.

1.3. Схемы расчетов базируются в основном на методах, рекомендуемых в приложении 1 СНиП 2.06.04-82 [1] для расчетов ветровых волн при сложной, конфигурации очертаний водного бассейна.

1.4. Терминология и буквенные обозначения, используемые в Методических рекомендациях, приняты из справочного приложения 2 [1], а недостающие названия и буквенные обозначения взяты из Сборника [2] и стандарта СЭВ [3].

1.5. К необходимым исходным данным для расчета относятся схема трассы канала с длинами прямолинейных участков L_к, м, азимутом прямолинейного участка в начале или конце канала и углами поворота между прямолинейными участками b, град; глубина канала d_к, м; ширина канала В, м; заложение откоса m_j (m_j = ctgj, где j - угол наклона откоса к горизонту); скорость течения воды в канале u_к, м/с, а также расчетная скорость ветра V_wj, м/с (j - расчетная обеспеченность ветра в режиме) и его направление в румбах или азимутах.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОГО ВЕТРА И ВЫБОР РАСЧЕТНЫХ УЧАСТКОВ

2.1. Расчет ветра начинают с определения обеспеченности в режиме расчетного шторма по пп. 7 и 8 приложения 1 [1].

2.2. Расчетную скорость ветра определяют по пп. 9 - 12 того же приложения и приложению 1 Руководства [4].

В качестве расчетного направления принимают наиболее волноопасное.

2.3. При достаточно большой длине канала и существенных изменениях ветровых характеристик вдоль него трассу канала делят на части, для каждой из которых определяют спою расчетную скорость ветра.

2.4. Если направления ветра (в материалах наблюдений, полученных в Гидрометслужбе) разбиты на 16 румбов, то направление ветра и прямолинейного участка канала считают совпадающими при условии

y < 11,25°,                                                                 (1)

где y - угол между направлением оси канала и направлением расчетного ветра.

Если же разбивка возможна только на 8 румбов (наблюдения по флюгеру), то условие (1) выглядит так:

y < 22,5°.                                                                  (2)

2.5. Расчетный участок состоит из прямолинейного участка L_к, м и примыкающего к нему с подветренной стороны поворота угла b, град.

При выборе расчетных участков близкие по величинам прямолинейные части каналов и углы поворотов в зоне действия каждого расчетного ветра группируют. Из каждой группы выбирают участок и угол наибольшей величины.

2.6. Величину разгона волн по генеральному направлению L₁, м определяют из соотношения

L₁ = L_к = cos(y - 11,25°)                                                      (3)

или

L₁ = L_к = cos(y - 22,5°)                                                     (4)

согласно пункту 2.4.

В случае выполнения условий (1) или (2)

L₁ = L_к.                                                                        (5)

2.7. Если полученное в п. 2.6 значение L₁ превышает величину критического разгона L_cr, м, для данного расчетного ветра и глубины канала, то в качестве расчетного принимают предельный разгон

L₁ = L_cr.                                                                        (6)

В приложении 1 настоящих Методических рекомендаций приведена таблица значений критических разгонов и средних высот волн для различных скоростей ветра и глубин водоема [5], по которой и корректируют величину L₁.

2.8. По найденным расчетным величинам: скорости ветра V_w, м/с, разгона L₁, м, глубины канала d_к, м, а также учитывая скорость течения воды в канале u_к, м/с, и заложение откосов канала m_j, определяют сначала исходные (раздел 3), а затем расчетные (разделы 4, 5) параметры волнения.

2.9. Если скорость течения в канале не превышает 0,5 м/с, то ее в расчетах можно не учитывать.

2.10. Если 0,5 < u_к £ 1,5 м/с, то:

при V_w < 15 м/с высоту расчетной волны определяют [6] по формуле

                                                     (7)

* Плюс - при встречном течении; минус - при попутном.

где  - высота волны, определенная при u_к = 0;

с_u - фазовая скорость волны при u_к = 0;

при V_w ³ 15 м/с наличие течения можно учитывать, корректируя скорость расчетного ветра, т.е. прибавляя к ней скорость встречного течения в канале и отнимая скорость попутного.

2.11. Если u_к > 1,5, м/с, то формулой (7) нужно пользоваться при скоростях ветра V_w £ 20 м/с.

При больших скоростях ветра влияние скорости течения в канале можно учитывать корректировкой скорости расчетного ветра, как в п. 2.10 при V_w ³ 15 м/с.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРОВЫХ ВОЛН, ВОЗНИКАЮЩИХ В КАНАЛАХ (ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ)

3.1. Расчет средней высоты волны в канале начинают с определения ее величины без учета ограничений, налагаемых конфигурацией канала, и выполняют по п. 13 или 19 приложения 1 [1].

Если разгон L₁ определен из приложения 1 настоящих Методических рекомендаций, то высоту волны можно, не рассчитывая, взять из этого же приложения.

3.2. Среднюю высоту ветровой волны в канале при значениях отношения  нужно определять [7] по кривой, представленной на рис. 1, а при  высоту волны определяют по формуле из [7]

                                                     (8)

где  - средняя высота волны в предельно широком бассейне, определенная по п. 3.1;

M₀ и m₀ - моменты частотного спектра нулевого порядка в узком и широком бассейне соответственно.

                                   (9)

где q - угол центрального сектора (см. рис. 1);

 - дифференциальная функция углового распределения энергии. Значения ее даны в приложении 2 к настоящим Методическим рекомендациям.

Рис. 1. Коэффициенты K_h снижения высот волн в узком бассейне

3.3. Ввиду сложности вычисления коэффициента уменьшения высоты волны в узких водоемах по приведенной выше формуле и отсутствия программы для вычисления его на ЭВМ, среднюю высоту ветровой волны в канале при  можно определять по упрощенной формуле

                                                             (10)

где

При этом угол q, являясь нейтральным углом сектора, не связан с размерами бассейна, как это обозначено на рис. 1. При расчете по формуле (10) величину угла q назначают произвольно (об определении коэффициентов к_вс и к_вк см. в приложении 3).

3.4. При проведении лучей спектральных составляющих с интервалом q = ± 22,5°, как это рекомендуется в [1], формула (10) принимает вид

                                                           (11)

3.5. Высоту волны, i %-ной обеспеченности в системе определяют по найденному значению средней высоты волны и коэффициенту к_i, принимаемому по величина  и по рис. 2 приложения 1 [1].

3.6. Средний период волн  определяют по рис. 1 приложения 1 [1] и величине .

Среднюю длину , м, при известном значении  находят по формуле (151) приложения 1 [1], имеющей вид

                                                               (12)

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВОЛН, ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ НА ОТКОСЫ КАНАЛОВ НА ПРЯМОЛИНЕЙНЫХ УЧАСТКАХ

4.1. Исходные параметры волн, генерированные ветром в центральной, имеющей плоское дно, части канала, определены в разделе 3 настоящих Методических рекомендаций.

До обрушения на откосе канала волны проходят по классификации [1] следующие зоны: глубоководную с глубинами d > 0,5l_d; мелководную с глубинами 0,5l_d ³ d > d_cr, где d_cr - критическая глубина, на которой происходит первое обрушение волны; прибойную с глубинами d_cr ³ d ³ d_cr,u где d_cr,u - критическая глубина, на которой происходит последнее обрушение волн (далее идет зона наката волнового потока, образовавшегося после обрушения).

Рис. 2. Различные случаи трансформации волн на откосе вогнутой части канала при повороте:
а - часть волнового фронта (от луча А до луча Б) выходит на прямолинейную часть откоса за поворотом; б - весь фронт волн исходных параметров выходит на криволинейную часть откоса (на поворот)

При заложении откоса m_j <20 происходит только одно обрушение волны, т.е.

d_cr = d_cr,u                                                                (13)

и прибойная зона превращается в линию или точнее полосу прибоя.

В каналах заложение откосов всегда меньше 20 и обычно m_j £ 5 ¸ 6.

4.2. Расчетными являются параметры волн на глубине d_cr,u. Следовательно, к первому этапу расчетов относится нахождение величины d_cr,u для исходной высоты волны, определенной в разделе 3.

4.3. Поскольку для откосов каналов всегда выполняют условие (13), то в каналах эти глубины относятся к мелководной зоне и глубину d_cr,u можно определять по п. 21 приложения 1 [1], относящемуся к определению d_cr с учетом рефракции.

4.4. Высоту волны, проходящей над откосом в мелководной зоне, определяют по формуле (153) приложения 1 [1], которая применительно к каналам принимает вид

                                                            (14)

где к_l - обобщенный коэффициент потерь, который в условиях канала равен 1;

к_t - коэффициент трансформации, определяемый по кривой 1 на рис. 5 приложения 1 [1];

к_r - коэффициент рефракции, определяемый по траектории луча волны, рефрагирующей на откосе. Рассчитывают его по формуле (154) приложения 1 [1]

                                                                    (15)

к_i,  - высота волны расчетной обеспеченности в «глубоководной» зоне канала, определенная в разделе 3 настоящих Методических рекомендаций.

4.5. Траекторию луча волны рассчитывают по формуле акад. В.В. Шулейкина [8]

                                              (16)

где d_n-1 и d_n - глубины на изобатах, для которых проводят расчет;

a_n-1 и a_n углы между направлением луча волны и нормалью к соответствующей изобате.

Луч волны направлен от глубокой воды к берегу, т.е. индекс n - 1 относится к изобате более далекой от берега, чем изобата с индексом n.

4.6. Расчеты траектории луча проводят поэтапно. Этапность введена в расчет для более правильного определения траектории луча, поскольку в натуре она представляет собой плавную кривую.

Глубину канала делят на n ступеней (этапов), начиная от полной глубины канала d_к = d¢₁ до глубины обрушения волн d_cr,u = d_n.

На прямолинейных участках каналов, где луч исходной расчетной волны параллелен изобатам на откосе, для глубины канала расстояние между лучами, рефракцию которых рассчитывают, неопределенно. Поэтому за начальную для расчета глубину d₁ принимают не глубину канала d_к, а дополнительную начальную глубину d₁ < d_к, для которой a₁ < 90°.

Практически за d₁ удобно принимать глубину, равную 0,5d_к или 3/4l_d в зависимости от величин d_к и , а за d₂ - границу глубокой воды (по [1]), т.е.  Последняя глубина d_n = d_cr,u, а предпоследняя d_n-1 » h_iк (чуть больше). Если в канале  то принимают

Количество промежуточных этапов между d₂ и d_n-1 зависит от величины  и обычно не превышает двух (см. приложение 4 настоящих Методических рекомендаций).

Если требуется знать параметры волн не только на линии их обрушения, но и на каких-либо других глубинах (например, для уменьшения мощности крепления с увеличением глубины или для определения нижней границы крепления), то разбивку на этапы делают с учетом этих глубин.

4.7. По формуле (16) для каждого из n - 1 этапа последовательно определяют углы a и Da, где Da - поворот луча волны за каждый этап.

4.8. Коэффициент рефракции для каждого этапа вычисляют по следующей приближенной формуле:

                                    (17)

полученной из геометрических построений к планам рефракции двух параллельных лучей, рефрагирующих на прямолинейном откосе.

Примечание. Для расчета рефракции волн по работам [9, 10] разработана программа для ЭВМ и передана в ГосФ АП СССР под регистрационным № П007703 [11]. При расчете по ней определяют сразу коэффициент уменьшения высоты волны на мелководье: к_мп = к_rnк_tn, т.е. отдельно находить к_tn не требуется.

4.9. При расчете величины к_r(n-1) необходимо знать величину поворота луча волны на глубине d_cr,u, которая еще не определена, а поэтому берут приближенное значение Da_n = Da¢_n.

Величину Da¢_n назначают близкой или равной величине Da_n-1, и обычно не превышая 10 - 15° (см. приложение 4 настоящих Методических рекомендаций).

По значению Da¢_n рассчитывают приближенное значение к_r(n-1), т.е. к¢_r(n-1).

4.10. Величину d_cr,u определяют (согласно п. 21 приложения 1 [1]) методом последовательных приближений. Первое приближение d¢_cr,u находят по h¢_i(n-1), рассчитанной по формуле (14) с подстановкой в нее коэффициентов к_t(n-1) и к¢_r(n-1) и по рис. 5 приложения 1 [1].

4.11. По найденной d¢_cr,u определяют второе приближение высоты волны h²_i(n-1). Расчет ведут в следующем порядке: 1) по формуле (16) находят Da²_(n-1); 2) по формуле (17) - к²_r(n-1) и 3) по формуле (14) - h²_i(n-1).

При правильном выборе величины d_n-1 значение h²_i(n-1) должно быть равно h¢_i(n-1) или незначительно отличаться от него (эта разница не сказывается на величине d¢_cr,u). Тогда второе приближение d²_cr,u не рассчитывают: d_cr,u = d¢_cr,u.

Если же величина h²_i(n-1) существенно отличается от h¢_i(n-1), то определяют d²_cr,u и расчет повторяют до тех пор, пока не сравняются предыдущее и последующее приближения высот волн. Тогда d_cr,u = d²_cr,u расчет заканчивают.

4.12. Высоту волны на глубине обрушения находят по формуле (14) с подстановкой в нее к_tn = к_tcr,u и к_rn = к_rcr,u, причем для определения коэффициента к_rcr,u формула (17) принимает вид

                                               (18)

так как после обрушения волновой поток двигается по направлению, которое имела волна на линии обрушения. Длину волны в прибойной зоне рассчитывают по п. 20 приложения 1 [1].

4.13. Найденные расчетные параметры волн h_icr,u, , и m_j используют в формулах для расчета воздействия волн на откосы и укрепительных конструкций на прямолинейных участках каналов по соответствующим нормативным документам.

4.14. Пример расчета параметров волн, воздействующих на откосы каналов на прямолинейных участках, дан в приложении 4.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВОЛН, ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ НА ОТКОСЫ КАНАЛОВ НА ПОВОРОТАХ

5.1. Выпуклую сторону откосов каналов на повороте крепят так же, как примыкающий к ней прямолинейный участок.

5.2. Рефракцию волн на вогнутой стороне откоса канала при повороте рассчитывают по лучу А (рис. 2), идущему по глубине d_к от прямолинейной расчетной части канала с внутренней, выпуклой стороны поворота до пересечения с изобатой на той же глубине на прямолинейной части канала за поворотом (рис. 2, а) или на вогнутой стороне поворота (рис. 2, б).

5.3. Расчет рефракции волн на криволинейной части откоса канала в принципе не отличается от расчета рефракции волн на прямолинейной части канала (см. раздел 4).

Однако в этом случае необходимо вычерчивание планов рефракции, так как из-за криволинейности изобат луч подходит к последующей к-й изобате не под углом a_к = a_к-1 = Da_к, как в случае прямолинейных изобат, а с добавлением к Da_к поправки на поворот к-й изобаты относительно (к - 1)-й. Поэтому угол подхода волнового луча к последующей изобате снимают с плана рефракции, на который наносят последовательно (поэтапно) траекторию луча.

5.4. Угол a₁ между рассматриваемым лучом и нормалью к донной изобате откоса

a₁ = 90° - b                                                                   (19)

и вводить дополнительную исходную глубину d¢₁, не требуется, т.е.

d₁ = d_к.                                                                        (20)

5.5. Если часть фронта исходной волны или весь фронт этих волн выходит на прямолинейную часть канала за часть канала за поворотом, то рассчитывают траекторию по разделу 4 настоящих Методических рекомендаций с учетом равенств (19) и (20).

5.6. Для избежания графических построений планов рефракции расчет рефракции волн на криволинейных изобатах допускается проводить по п. 5.5. Угол a₁ при этом снимают с плана поворота канала.

Рефракция волн на прямолинейных изобатах несколько меньше, чем на криволинейных, что ведет к увеличению высоты расчетной волны. Однако увеличение это незначительное и не превышает 10 %.

5.7. Параметры волн на траектории луча рассчитывают по разделу 4 настоящих Методических рекомендаций.

5.8. Пример расчета параметров волн, воздействующих на откосы каналов на поворотах, дан в приложении 4.

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНЫХ (ПРЕДЕЛЬНЫХ) ПАРАМЕТРОВ ВЕТРОВЫХ ВОЛН В КАНАЛАХ ПРИБЛИЖЕННЫМ МЕТОДОМ

6.1. Метод основан на следующих положениях [12]: глубина воды d_к - ограничена; скорость ветра - максимально возможная; разгон - неограничен. Следовательно, параметры волн определяются параметрами самого канала.

6.2. При максимальном ветре и неограниченном разгоне, но ограниченной глубине, длина ветровой волны, согласно наблюдениям, не может превышать двойной глубины воды, т.е.

l_max = 2d_к.                                                                  (21)

6.3. Согласно экспериментальным данным, полученным в гидравлических лабораториях при различных волновых режимах, установлено, что наибольшая крутизна для устойчивой системы волн составляет:

                                                                     (22)

6.4. Из выражений (21) и (22) получено соотношение для определения высоты волны

h_max = 0,2d_к.                                                                  (23)

6.5. Период волны предлагается определять по формуле

                                                             (24)

6.6. Максимальной высоте волны, получаемой при статистической обработке натурных наблюдений, рекомендуется придавать обеспеченность в системе 0,1 %.

6.7. Высоты волн любой другой обеспеченности в системе рекомендуется определять по рис. 2 приложения 1 [1].

6.8. Поскольку в расчете не участвует скорость ветра, обеспеченность в режиме полученной системы остается неопределенной.

6.9. В каждом конкретном случае обеспеченность в режиме полученных приближенным методом параметров волн можно определить подбором скорости ветра, генерирующего в канале систему волн с аналогичными параметрами и с обеспеченностью в системе 0,1 %.

Обеспеченность в режиме найденной системы волн равна обеспеченности генерирующего ее ветра.

6.10. Пример расчета параметров ветровых волн предельной высоты приближенным методом дан в приложении 5.

Приложение 1

Обязательное

ПРЕДЕЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ СРЕДНИХ ВЫСОТ , СРЕДНИХ ПЕРИОДОВ ВОЛН  И КРИТИЧЕСКИЕ ЗНАЧЕНИЯ РАЗГОНОВ L_cr ДЛЯ МЕЛКОВОДНЫХ АКВАТОРИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СОЧЕТАНИЯХ ГЛУБИН И СКОРОСТЕЙ ВЕТРА

Приложение 2

Обязательное

ЗНАЧЕНИЯ ФУНКЦИИ

Приложение 3

Справочное

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ К_вс И К_вк

Как указано в п. 3.1, канал, благодаря своей конфигурации, выделяет из общей энергии ветра, действующего на неограниченную акваторию, только часть центрального сектора, т.е. сектора, отнесенного к генеральной составляющей (см. п. 14 приложения 1 [1]), направленной вдоль прямолинейной части канала, для которой производится расчет.

При интервале между спектральными составляющими, равном ± q, границами центрального сектора будут -q/2 и q/2.

Согласно [13] имеем:

                                                                         (1)

где Е - полная энергия образования данной системы волн.

Применив интегральную функцию углового распределения энергии Ф(q) [13], найдем отношение средних высот систем волн, образованных полной энергией и частью ее, заключенной в центральном секторе.

Для полной энергии

так как

Ф(-90°) - Ф(90°) = 1,

а для центрального сектора

                                           (2)

откуда отношение высот волн

или

                                      (3)

При проведении спектральных составляющих через 22,5° на долю центрального сектора приходится четверть общей энергии (см. приложение 2 настоящих Методических рекомендаций). Тогда

                            (4)

Площадь водной поверхности центрального сектора, как правило, существенно больше площади водной поверхности прямолинейной части канала при равных разгонах.

Допустим, что энергия действующего ветра равномерно распределяется как по площади центрального сектора, так и по площади канала, являющегося частью этого сектора. Значит, с этим допущением можно рассматривать площадь канала как площадь центрального сектора, имеющего тот же центральный угол q, но другой, меньший, разгон. Назовем его эквивалентным разгоном L_эк.

При одной и той же скорости ветра и различных разгонах высоты волн, вызываемые этим ветром, имеют согласно [11, 13] зависимость между собой

                                                               (5)

В принятых обозначениях это будет:

                                                            (6)

Длину эквивалентного разгона находят из параметров канала. При разгоне L_эк площадь центрального сектора

Поскольку S_цс = S_к (здесь S_к - площадь канала), то, казалось бы, что можно написать S_цс = ВL_к. Но в данном случае мы имеем дело не с длиной канала, а с разгоном L₁, который может быть равен L_к или меньше него, следовательно, площадь центрального сектора S_цс = ВL₁. Тогда

                                              (7)

Таким образом:

                                 (8)

Подставляя в (8) значение  из (3) имеем

                         (9)

Для q = 22,5° формула принимает вид

                                                        (10)

Приложение 4

Справочное

ПРИМЕР РАСЧЕТА ИСХОДНЫХ (ГЛУБОКОВОДНЫХ) И РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРОВЫХ ВОЛН В КАНАЛЕ

1. Определение исходных данных для расчета

Необходимые исходные данные: скорость ветра V_w, м/с, и его направление - румб или азимут; длина разгона волн вдоль расчетной прямолинейной части канала L₁, м; глубина канала d_к, м; ширина канала L₁, м; скорость течения воды в канале V_к, м/с.

1.1. Определение скорости и направления ветра

Для определения расчетного ветра на карте с нанесенной схемой трассы канала отмечают метеостанции, наиболее близкие к трассе. Из них выбирают расчетные.

Для расчетов к данному каналу выбраны две метеостанции: № 1, расположенная в 50 км от начала канала к ЮЗ от него, и № 2, находящаяся в 80 км к ЮВ от конца канала.

Режимная обеспеченность ветра согласно п. 7 приложения 1 [1] 4 %, т.е. 1 раз в 25 лет.

Расчетные скорости ветра данной обеспеченности определены для всех 8 румбов по непрерывным рядам наблюдений за 29 лет (по обеим станциям) из предположения, что канал не замерзает, т.е. используется полный годовой ряд.

Расчет выполнен по п. 9 приложения 1 [1] и по Руководству [4]. Результаты расчетов приведены в табл. 1.

На основании табл. 1 и табличных данных на рис. 1 составлена табл. 2 скоростей ветра расчетной обеспеченности для отдельных участков.

Таблица 1

Рис. 1. Схема трассы (а) и поперечное сечение (б) канала

Начиная с поворота 3 - 4 (между участками 3 и 4) данные приведены по двум станциям, поскольку с участка 4 надлежит учитывать влияние факторов, фиксируемых и станцией № 2.

Выбранные для расчета скорости ветра, а также безразмерные величины  для каждого участка даны в табл. 3 (графы 3 - 5), содержащей исходные данные для определения параметров ветровых волн, возникающих в канале.

Таблица 2

Таблица 3

Для каждого поворота определены две расчетные скорости ветра, действующие на вогнутую часть откоса на повороте со сторон двух примыкающих к повороту прямолинейных участков.

1.2. Определение длин разгона и глубин

На рис. 1 представлены схема трассы канала (а) и его сечение (б). Поскольку сечение от участка к участку не меняется, глубина канала постоянна и равна d_к = 7,5 м.

В таблице, помещенной на рис. 1, приведены величины L_к (длины прямолинейных частей канала), y (углы между румбом и направлением L_к), b (углы поворота). Скорость течения в канале u_к = 0,4 м/с. Ввиду ее малости в расчетах не учитывают.

Углы y таковы, что не вносят поправки при вычислении разгонов. Следовательно, величины разгонов корректируются в данном случае только глубиной канала и скоростью ветра согласно п. 2.7 и приложению 1 настоящих Методических рекомендаций.

Эта корректировка дана в графах 6 - 8 табл. 3.

Величина , определяемая без ограничений, налагаемых специфическими условиями в канале, найдена по п. 13 приложения 1 [1]. Необходимые величины  и найденные по рис. 1 того же приложения величины  приведены в графах 9 - 10 табл. 3, а в графе 11 помещены значения .

Таким образом, в табл. 3 даны все величины, необходимые для расчета параметров волн, возникающих в канале.

В строках 4 - 7 (от поворота 3-2 и участка № 3 до участка № 4 и поворота 4-5)  определена по приложению 1 настоящих Методических рекомендаций, а величины  приведены для нахождения коэффициента к_i, при определении расчетных параметров волн.

2. Расчет исходных («глубоководных») параметров ветровых волн

Среднюю высоту ветровой волны, возникающей в канале, рассчитывают по разделу 3 настоящих Методических рекомендаций по формуле (8), имеющей вид

где для q = 22,5°

к_вс = 0,5 и

В табл. 4 даны последовательные этапы определения исходных параметров ветровых волн в канале.

В расчет введены принятые выше величины В = 115 м и q = 22,5°. Значения коэффициента к_5% колеблются между 1,76 и 1,77. В расчет принят к_5% = 1,77.

3. Определение параметров волн, воздействующих на откосы каналов на прямолинейных участках

Конечный результат расчетов составляют параметры - волн по линии прибоя. В данном случае h_5%cr,u, , .

Период принят постоянным. Он определен вместе с остальными исходными параметрами в предыдущем подразделе.

Расчет начинают с определения исходных величин для расчета рефракции волновых лучей до (n - 1)-го этапа включительно. Они представлены в табл. 5.

В графах 2 - 6 табл. 5 даны исходные параметры волн и рассчитанные по ним величины, а в графах 7 - 16 - расчетные глубины и величины, рассчитанные по ним. d¢₁ = 7,5 м, т.е. глубине канала; d₁, d₂ и d_n-1 назначены в соответствии с указанием раздела 4; d₁ = 0,5d_к = 3,75 м; . Между глубинами d₂ и d_n-1 взята только одна промежуточная величина d₃.

Таблица 4

Таблица 5

Таким образом, (n - 1) = 4 и глубина d_cr,u = d_S. В графах 17 и 18 помещены значения величины  и коэффициента к_t4, определенного по величине  и рис. 5 приложения 1 [1].

Расчет углов рефракции и их косинусов для определения коэффициентов рефракции на прямолинейных участках канала приведен в табл. 6.

Используя данные, рассчитанные по табл. 6, а также по табл. 5, определяют d_cr,u и параметры волн на этой глубине. В табл. 7 дан расчет первого приближения d_cr,u и второго приближения Da₅ (в качестве первого приближения Da₅ - взято значение Da¢₅ = 10°, одинаковое для всех участков), а в табл. 8 - расчеты второго приближения d_cr,u и параметров волн на этой глубине. Расчет коэффициентов рефракции к¢_r4 и к²_r4 выполняют но формуле (17), а к_r3 - по формуле (18) настоящих Методических рекомендаций.

При сравнении величин высот волн h¢_5%4, и h²_5%4 (графы 6 в табл. 7 и 8) видно, что они практически равны, разница в 1 см не изменит величину d_cr,u.

Высоты волн определяли по формуле (14) раздела 4. Длину волны принимают по рис. 4 приложения 1 [1]. Поскольку длину волны определяют в полосе последнего обрушения, значение отношения  берут по огибающей и вычислять  нет необходимости.

В табл. 9 выписаны из предыдущих таблиц значения, параметров волн на прямолинейных участках, как исходных, определенных для полной глубины канала над его частью с горизонтальным дном, так и расчетных в прибое (или по линии обрушения волн).

Из сравнения высот и длин волн видно, что расчетные параметры волн существенно уменьшились относительно исходных. Однако при этом необходимо заметить, что при высоте волн 0,25 - 0,30 м земляные откосы уже желательно укреплять от размыва.

Таблица 6

Таблица 7

Таблица 8

Таблица 9

4. Определение параметров ветровых волн, воздействующих на откосы каналов на вогнутой стороне поворотов. Выбор параметров волн для расчета креплений

На схеме канала (см. рис. 1) имеется 4 поворота.

Если на прямолинейных участках из двух ветров, дующих в противоположных направлениях, выбраны для расчета волн большие, то для поворота нужно рассчитывать волнение, подходящее к повороту с обеих сторон. Поэтому на каждый поворот предусматривают два номера: один для расчета волн, подходящих к повороту со стороны предыдущего участка на последующий, например, 1-2, а другой - наоборот, от последующего к предыдущему, например, 2-1.

В табл. 4 приведены параметры волн, исходных для расчетов. Параметры волн для поворотов 1-2 и 2-1, а также 3-4 и 4-3 очень близки, поэтому для них проводим по одному расчету и из двух близких значений выбираем большие.

По схемам поворотов канала определяем, что на поворотах трассы 1-2, 2-3 и 4-5 часть волнового фронта, а на повороте 3-4 весь волновой фронт выходит на прямолинейный участок за поворотом. Следовательно, расчет без всяких допущений проводим по той же схеме, что и для прямолинейных участков. Угол a₁ определяем по формуле (19) настоящих Методических рекомендаций

a₁ = 90° - b,

где b - угол поворота канала.

Все расчеты сведены в таблицы 10 - 14.

Исходные величины для расчетов даны в табл. 10.

Поскольку к донной изобате волны подходят под углом a₁ < 90°, то вводить дополнительную начальную глубину не требуется.

Для поворотов 1-2, 2-3, 3-2 и 4-5 использована часть данных для прямолинейных участков, взятых из табл. 5. Дня остальных номеров поворотов исходные данные рассчитали заново.

Таблица 10

Таблица 11

Таблица 12

Таблица 13

В табл. 11, где дан расчет рефракции волновых лучей, для тех же четырех поворотов исходные данные в графах 2 - 5 также взяты из предыдущего расчета (графы 2 - 5 из табл. 6).

Расчет первого приближения глубины d_cr,u и второго приближения Da₆ (табл. 12) проведен так же, как и для прямолинейных участков, только значения Da¢₆ (в первом приближении) взяты меньше по величине.

В табл. 13, аналогичной табл. 8, дан расчет второго приближения величины d_cr,u, являющегося ее окончательным значением, и параметров волн на этой глубине.

В табл. 14 сведены исходные и расчетные значения параметров волн на поворотах, а в табл. 15 - параметры волн, рекомендуемые для расчетов креплений по всему каналу: и на прямолинейных участках и на поворотах. Они выбраны из табл. 9 и 14 с учетом расположения участков и поворотов.

Таблица 14

Таблица 15

Таким образом, для дальнейших расчетов число волновых режимов в данном случае удалось сократить до шести, вместо первоначально рассчитанных одиннадцати.

На рис. 2 и 3 представлены схемы, поясняющие выбор параметров волн и размещение зон воздействия этих параметров. Как видно из рис. 2 специальное крепление поворотов необходимо только в двух случаях: на 1-й части поворота 2-3 и 2-й части поворота 4-5, где параметры волн существенно отличны от воздействующих на прямолинейные участки.

Рис. 2. Схема распределения зон крепления откосов канала:
а - при одном расчетном участке; б - при двух расчетных участках, примыкающих с обеих сторон к повороту

Рис. 3. Схема распределения зон креплений по отдельным участкам канала (согласно расчетным параметрам волн, приведенным в табл. 5)

Приложение 5

Справочное

ПРИМЕР РАСЧЕТА ПРЕДЕЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРОВЫХ ВОЛН ПРИБЛИЖЕННЫМ МЕТОДОМ

Требуется определить предельные параметры волнения 2 %-ной обеспеченности в системе при следующих исходных данных: глубина воды в канале d_к = 7,5 м; скорость ветра - максимальная; разгон волн - неограничен.

Вычисляем параметры ветрового волнения при обеспеченности 0,1 % по формулам (22) - (24) настоящих Методических рекомендаций

h_0,1% = 0,20, d_к = 0,2×7,5 = 1,5 м;

Затем вычисляем параметры волнения при обеспеченности 2 %. Согласно рис. 2 приложения 1 [1] коэффициент к_0,1% = 2,41; к_2% = 1,90, откуда

Таким образом, при данных параметрах канала и системе максимально возможных волн параметры последних обеспеченности 2 % будут:

h_2% = 1,19 м;                                l_2% = 11,9 м;                                  Т_2% = 2,63 с.

При необходимости можно определить (приближенно) обеспеченность этой системы в режиме. Для этого надлежит подобрать ветер, генерирующий систему волн, со средней высотой волны

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СНиП 2.06.04-82. Нормы проектирования. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). М., Госстрой СССР, 1983, 37 с.

2. Сборник названий, буквенных обозначений и единиц важнейших физических величин (гидротехнические сооружения, инженерная и русловая гидравлика), рекомендуемых для использования в работах по проблеме 0.85.06 ГКНТ СССР. М., Союзгипроводхоз, 1984, 26 с.

3. Стандарт СЭВ. Нормативно-техническая документация в строительстве. Буквенные обозначения.

СТ СЭВ 1565-79. Утвержден Пост. Комиссией по стандартизации. Берлин, июнь 1979.

4. Руководство по определению нагрузок и воздействий на гидротехнические сооружения (волновых, ледовых и от судов) П58-76, Л., ВНИИГ, 1977, 316 с.

5. Методические указания. Расчет режима морского ветрового волнения. Вып. 42. М., ГОИН, 1979, 96 с.

6. Лабзовский Н.А. Расчет элементов волн на поверхности потока. Гидравлические исследования озер. Л., Наука, 1973.

7. Матушевский Г.В. Расчет среднего периода ветровых волн при сложном контуре береговой черты. Труды ГОИН, вып. 112, 1972, с. 65 - 71.

8. Шулейкин В.В. Физика моря, М., АН СССР, 1953, 989 с.

9. Крылов Ю.М. Спектральные методы исследования и расчета ветровых волн. Л., Гидрометеоиздат, 1966.

10. Крылов Ю.М. К теории рефракции морских волн. Труды Гос. океаногр. ин-та, вып. 16 (28), 1950, 95 с.

11. Лебедев Б.А., Алдаков А.Х.-М., Кузьмина Л.М., Орлова К.М. Расчет рефракции волн на откосах каналов (Фортран-программа). Гос. фонд алгоритмов и программ СССР, рег. № П007703; «Алгоритмы и программы», инф. бюллетень (в печати).

12. Плакида М.Э. Приближенный метод определения ветровой волны в каналах.- Гидротехника и мелиорация, 1881, № 4, с. 38 - 39.

13. Руководство по расчету параметров ветровых волн. Л. Гидрометеоиздат, 1969, 138 с.

СОДЕРЖАНИЕ