Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование оградительных сооружений морского порта. Учебное пособие
.pdf
12
тягун – длиннопериодные колебания воды на акватории порта, возни-
кающие в результате резонансных явлений при подходе к порту прилив-
ных или других систем волн.
В природе существуют вынужденные и свободные ветровые волны.
Вынужденные ветровые волны все время продолжают оставаться под действи-
ем породившего их ветра; свободные волны – это волны, свободные от действия ветра. Свободные ветровые волны называются волнами зыби.
При рассмотрении всей системы волнения ее можно представить как со-
вокупность регулярных волн, если в любой точке акватории период и высота
волн остаются одними и теми же, и нерегулярных волн, характеристики которых изменяются случайным образом.
Ветровые волны подразделяются на двумерные и трехмерные, в зависимости от того, представляется ли движение воды в них плоскопараллельным или нет.
В зависимости от того, возрастают, остаются неизменными или убывают
значения параметров волн, бегущих непосредственно одна за другой через за-
данную точку акватории, ветровые волны подразделяются на развивающиеся,
развитые и убывающие.
При сравнительно небольших изменениях параметров волн во времени их
относят к волнам установившегося вида, которые подразделяются на бегущие и
стоячие. Бегущие волны – это чередующиеся гребни и впадины на поверхно-
сти воды, перемещающиеся в направлении породившего их ветра. Стоячие
волны образуются в результате сложения противоположно направленных пря-
мой и отраженной бегущих волн с одинаковыми параметрами. Стоячие волны
– это периодически возникающие и исчезающие на одних и тех же местах гребни и впадины волны.
13
2.1.2. ВОЛНОВАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ
Рис. 2.1. Профиль и основные элементы бегущей волны на ограниченной глу-
бине: 1 – расчетный уровень; 2 – дно; 3 – средняя волновая линия; 4 – вершина
волны; 5 – подошва волны; 6 – гребень волны; 7 – впадина волны.
Рис. 2.2. Профиль и основные параметры нерегулярных волн (x):
1 – расчетный уровень; 2 – дно; 3 – средняя волновая линия; 4 – вершина
волны; 5 – подошва волны; 6 – гребень волны; 7 – впадина волны.
В качестве основных схем, в соответствии с которыми определена терми-
нология регулярных и нерегулярных волн, приняты: изображенная на рис. 2.1
плоская бегущая волна на ограниченной глубине с ровным гладким дном, и
изображенный на рис. 2.2 профиль нерегулярной волны.
Принята следующая терминология.
Профиль волны – линия пересечения свободной поверхности волны с
вертикальной плоскостью, ориентированной по направлению распространения волн.
Средняя волновая линия – горизонтальная линия, проведенная на про-
филе регулярной волны на отметке, равной полусумме отметок ее вершины и
14
подошвы h/2; у нерегулярной волны – горизонтальная линия, проведенная на
волновом профиле
(x), исходя из условия равенства суммарных площадей,
лежащих выше и ниже этой линии.
Гребень – часть волны, расположенная выше средней волновой линии.
Впадина – часть площади (пространства), не занятая жидкостью, ограни-
ченная сверху средней волновой линией и снизу – профилем волны.
Вершина – наивысшая точка гребня волны.
Подошва – наинизшая точка впадины волны.
Высота бегущей волны h – превышение вершины бегущей волны над ее
подошвой или разность отметок наивысшего и следующего за ним наинизшего
положения свободной поверхности воды.
Длина – длина горизонтальной проекции профиля волны между двумя
вертикалями, проведенными через соседние подошвы или вершины волн.
Период волны Т – промежуток времени между моментами прохождения
через одну и ту же вертикаль двух вершина волн, бегущих непосредственно одна за другой.
2.1.3. ДЕЛЕНИЕ ВОЛН ПО ЗОНАМ
В зависимости от высоты и длины подходящих волн в общем случае в
водоемах различают четыре зоны по глубине (рис. 2.3).
Первая зона – глубоководная с глубиной d>0.5
тически не влияет на волновое движение воды.
Вторая зона – мелководная с глубиной 0.5>d>d
чинает оказывать влияние на волновое движение воды.
Третья зона – прибойная с уменьшающейся глубиной d<d
которой начинается и завершается разрушение волн.
, где дно водоема прак-
, где дно водоема на-
cr
, в пределах
cr
Четвертая зона – приурезовая с глубиной d<d
, в конце которой вода
cr,u
полностью разрушенных волн периодически накатывается на берег.
15
Рис. 2.3. Деление акватории на четыре зоны по глубине: 1 – створ начала
мелководья; 2 – створ начала разрушения волн; 3 – створ завершения
разрушения волн
Критическая глубина dcr – глубина воды, при которой волны с данными
значениями h, и Т, перемещающиеся по мелководью, начинают разрушаться.
d
– глубина воды, при которой происходит последнее обрушение волн.
cr,u
В соответствии с делением акватории водоемов на зоны (по глубине)
волны могут быть:
глубоководные – волны, бегущие на акватории с глубиной d0.5;
мелководные – волны, бегущие на акватории с глубиной 0.5>d>dcr;
прибойные – волны, бегущие по мелководью в направлении постепенно-
го уменьшения глубины воды, несущие на своем переднем склоне бурун
вследствие их постепенного разрушения из-за недостаточности глубины воды.
2.2. ВОЛНОВОЙ РЕЖИМ У СООРУЖЕНИЯ
В качестве исходных данных при определении волновых нагрузок принимаем параметры ветрового волнения h, , Т и глубину воды db в створе сооружения.
Расчетными являются следующие геометрические характеристики со-
оружения (рис. 2.4):
dbr – глубина воды над берменными массивами;
df – глубина воды перед сооружением над каменной постелью;
bbr – ширина бермы каменной постели.
16
Влияние выступающей над дном каменной постели или бермы учитыва-
)(
fbbrf
ddkdd
ется введением в формулы для определения волнового давления условной расчетной глубины d вместо действительной глубины db:
(2.1)
где df – глубина над подошвой сооружения; kbr – коэффициент, учитывающий
влияние бермы, определяемый по графикам (рис. 2.5).
Величина нагрузки от воздействия волн равна площади соответствующей
эпюры и зависит она не только от параметров расчетной волны, но и от ее ха-
рактера: стоячая, разбивающаяся или прибойная. Чтобы установить режим волнения, необходимо определить критическую глубину dcr.
Рис. 2.4. Схема расчета воздействия волн на вертикальную стенку: а – стоячие
волны со стороны открытой акватории; б – дифрагированные волны со стороны
огражденной акватории
17
h
h
7 8 9
10
12
14
16
18
20
25
30
50
cr
d
0.50
0.30
0.16
0.13
0.11
0.095
0.08
0.07
0.06
0.05
0.045
0.027
Рис. 2.5. График значений коэффициента k
br
2.2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЛНОВОГО РЕЖИМА
Перед сооружением вертикального профиля на открытой акватории воз-
можно существование одного из трех волновых режимов.
1. При глубине перед сооружением d
1.5hi и глубине над бермой d
b
br
расчет производится на стоячую волну.
2. При глубине перед сооружением d
1.5hi и глубине над бермой dbr<1.25hi
b
расчет производится на разбитую волну.
3. При глубине перед сооружением db<dcr расчет производится на прибой-
ную волну.
2.2.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ ГЛУБИНЫ
Критическую глубину dcr в зоне первого обрушения волн для случая пря-
1.25hi
молинейных изобат, параллельных фронту волн, определяем по данным табли-
цы 2.1 в зависимости от значения средней пологости волн на глубоководье
.
Таблица 2.1
Определение критической глубины dcr
18
2.3. ВОЗДЕЙСТВИЕ СТОЯЧИХ ВОЛН НА
ВЕРТИКАЛЬНУЮ СТЕНКУ
При определении воздействия волн на сооружение вертикального профи-
ля необходимо выполнить следующие построения:
эпюры волнового давления при подходе к стене гребня и подошвы стоя-
чих волн, действующих со стороны открытой акватории;
эпюры волнового давления при подходе к стене гребня и подошвы ди-
фрагированнных (бегущих) волн со стороны открытой и огражденной акваторий;
эпюры взвешивающего волнового давления на основание сооружения и
на берменные массивы.
Аналогичные эпюры строят и при расчете на разрушенные (разбитые) и
прибойные волны. Действие дифрагированных волн со стороны открытой и ог-
ражденной акваторий надлежит учитывать при наиболее неблагоприятных со-
четаниях.
2.3.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛН
При определении основных характеристик стоячих волн у вертикальной
стены в общем случае расчетными являются три момента времени, характеризуемые cos(t):
момент подхода к стене вершины волны, при котором определяем наи-
высшее положение отметки гребня волны у стены
значении cos(t)=1;
момент времени, соответствующий наибольшему значению горизонталь-
ной силы волнового давления Pxс, при cos(t). cos(t) определяем по рис.
2.6 или по формуле (2.2);
момент подхода к стене подошвы стоячей волны при cos(t)=-1, при ко-
(см. рис. 2.4, а) при
с
тором определяем наинизшее положение волновой поверхности, т. е. от-
метку подошвы волны у стены
(см. рис. 2.4, а).
t
19
38
)(
d
h
tсos
i
(2.2)
T
2
T
t
cos
,cos
2
)cos(
2
2
tkdcth
kh
th
i
i
i
h
2
k
kdcth
где
– круговая частота волны;
– средний период волны, с; t – время, с.
Рис. 2.6. Значения
2.3.2. СВОБОДНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ВОЛНЫ
Возвышение или положение свободной поверхности волны у грани стены
, отсчитываемое от спокойного уровня воды, определяется по формуле
(2.3)
где
определяемая по формуле (2.1), м;
на спокойном уровне в точке О, а вертикальная ось Z направлена вниз (см. рис. 2.4).
– высота волны, м;
– волновое число, м-1; d– расчетная глубина,
– котангенс гиперболической функции kd.
Знак минус в формуле (2.3) возник потому, что начало координат принято
При определении отметки гребня
в формулу (2.3) следует подставить
c
cos(t)=1; при определении отметки подошвы волны
следует подставить
t
20
cos(t)=-1; при определении отметки
),cos()2cos(
2
)2cos()1()(cos
2
)cos(
3
22
2222
2
tte
hk
g
teghte
h
gteghp
kz
i
kz
в
kz
i
kz
i
;
22 i
ghkp
;
33 i
ghkp
;
44 i
ghkp
i
ghkp
55
, соответствующей наибольшему значе-
c
нию горизонтальной силы Pxc, в формулу (2.3) подставляем значение cos(t),
вычисленное по формуле (2.2).
2.3.3. ВОЛНОВОЕ ДАВЛЕНИЕ В ГЛУБОКОВОДНОЙ ЗОНЕ
Эпюру волнового давления в глубоководной зоне при d>0.5 строим по
семи характерным точкам. Ордината эпюры p, кПа, на глубине z, м, определяется по формуле
(2.4)
где - плотность воды, т/м3; g – ускорение свободного падения; z – ординаты
точек (z1=
; z2=0; … zn=d), отсчитываемые от расчетного уровня, м.
c
2.3.4. ВОЛНОВОЕ ДАВЛЕНИЕ В МЕЛКОВОДНОЙ ЗОНЕ ПРИ
ПОДХОДЕ ГРЕБНЯ ВОЛНЫ
Эпюру волнового давления при подходе гребня волны в мелководной зо-
не при d<0.5 строим по пяти точкам (рис. 2.7, а) определяя ординаты pi по
формулам
1. В точке касания гребня волны со стеной на высоте
2. На спокойном уровне воды
(2.5)
3. На глубине, равной высоте волны hi от спокойного уровня воды
(2.6)
4. На глубине, равной двум высотам волны 2hi
р1=0.
c
(2.7)
5. На расчетной глубине d, определяемой по формуле (2.1)
(2.8)
Коэффициенты k2, k3, k4, k5 определяются по рис. 2.8.
21
Рис. 2.7. Эпюры волнового давления: а – от действия стоячей волны на
вертикальную стену со стороны открытой акватории при подходе гребня;
б – при подходе подошвы волны; в, г – эпюры давления дифрагированных волн
со стороны огражденной акватории; в – при подходе подошвы; г – при подходе
гребня волны
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]