Взаимодействие волн и сооружений

При расчете устойчивости и прочности гидротехнических сооружений расчетная обеспечен­ность высоты чередующихся волн переменной высоты для соору­жений с вертикальной напорной гранью и для откосов с креплением бетонными плитами -1%, креплением наброской - 2%; для берегоукрепительных сооружений II класса-1%, III и IV клас­са- 2%. Длину волны принимают в пределах  соответ­ственно максимуму волнового давления.

В Iи II зонах волны, подходящие фронтально к стенке верти­кальной или близкой к вертикальной, при глубине непосредствен­но перед сооружением  преобразуются в стоячие волны (волны, не перемещающиеся в пространстве). Если перед стенкой на участке протяженностью не менее , глубина , то на стенку действуют прибойные волны (III зона).

Расчет воздействия стоячих волн на сооружение заключается в определении возвышения и понижения волновой поверхности у сооружения относительно уровня спокойной воды, определении сил волнового давления и опрокидывающего момента от этих сил. В общем случае моменты времени максимального подъема уровня воды перед сооружением и максимального значения силы волнового давления не совпадают.

но расчет волнового давления в различных точках грани подпор­ото сооружения производится по формулам, полученным методами гидромеханики. Сила волнового давления на сооружение опре­деляется по площади эпюры давления.

На рис.2.10 показаны эпюры волнового давления на вертикаль­ную

Рис. 2.10 Эпюры   волнового  давления   стоячей   волны   на   вертикальную
стенку: а - эпюра волнового давления в момент максимального подъема уровня воды у стен­ки; б - эпюра в момент максимальной нагрузки; в - схематическая эпюра давления; 0-0 - уровень спокойной воды

стенку.  При максимальном подъеме уровня    воды у стенки на нижней части стенки может развиваться отрицательное волновое давление. Эпюра, отвечающая максимальной силе волнового дав­ления, имеет по всей высоте положительный знак; при подходе к стенке подошвы волны волновое давление отрицательно.
Для расчета давления стоячих фронтальных волн на вертикаль­ную стенку или близкую к вертикальной одним, из наиболее совер­шенных является метод Н. Н. Загрядской, который может применяться как для мелководной, так и для глубоководной зон. Уточнив решение задачи о стоячих волнах, Н. Н. Загрядская дала графики для определения коэффициентов, позволяющих рассчитать превышение волновой поверхности над спокойным уровнем в опре­деленные моменты, давление, силу давления, моменты сил дав­ления.

Наибольшее возвышение или понижение волновой поверхности у подпорного сооружения над спокойным (расчетным) уровнем равно:

 
                    (2.12)

 
Возвышение волновой поверхности в момент максимума силы волнового давления

                      (2.13)

 
Максимальная сила    волнового давления  (на    1 м стены   при
  )     
         (2.14)

Момент силы волнового давления относительно плоскости дна

            (2.15)

В этих формулах h - высота бегущей волны; - удельный вес воды;  Н - глубина;      - коэффициенты, зависящие от отношения    и   определяются по графикам на рис. 2.11. Коэффициенты к_р и к_м в формулах (2.14) и (2.15) являются попра­вочными коэффициентами к значениям максимальной силы и мо­мента, определенным по схематической эпюре давления (рис. 2.10, в).

Рис.        2.11        Графики (а-д)   для   определения коэффициентов  в форму­лах для расчета уровня волновой поверхности и  волнового воздействия на подпорное сооружение

Силу волнового давления, действующую на какой-либо участок (по глубине) подпорного сооружения, например на участок распо­ложения затвора, вычисляют по эпюре волнового давления, кото­рое определяют в точках і= 0,25 Н, 0,5 Н, 0,75 Н, Н по формуле

           (2.16)

Для глубоководной зоны коэффициенты  по графикам Н. Н. Загрядской могут быть определены весьма приближенно, поэтому для определения более точной зпюры давле­ния в глубоководной зоне следует использовать формулы § 2.3 СНиП П-57-75, а силу волнового давления определять по площади эпюры давления.

Примерно такие же значения силы для глубоководной зоны () получают по формуле А. Л. Можевитинова

 
            (2.17)

где , а h_в - высота волны. Плечо силы W_в относитель­но уровня покоя верхнего бьефа выражается формулой

Высота наката на наклонную стенку при подходе волны обеспе­ченностью 1% из глубоководной зоны при   или мелко­водной зоны при  вычисляется по формуле

               (2.18)

где коэффициент  (график на рис. 2.12; при , опре­деляется по значениям к/к, стоящим в скобках) определяет высоту наката в долях от высоты наката регулярной волны на гладкую поверхность, а коэффициенты   учитывают соответствен­но влияние относительной шероховатости, водопроницаемости покрытия откоса и нерегулярности волнения. Произведение коэффиентов  для откосов, покрытых бетонными плитами, равно 0,9. Для покрытий    галькой, камнем    или бетонными    массивами со средним диаметром отдельностей  при   в пределах 0,02-0,2 произведение  изменяется  от  0,7 до 0,3 почти линейно.

Коэффициент кс при скорости ветра 10 м/с и менее при  m = 0,4-5 - равен 1,1; при скорости ветра 20 м/с и более к_с изменяется в зави­симости от т:

Расчеты волновых нагрузок на плиты крепления, обтекаемые преграды, сквозные сооружения, берегозащитные сооружения, на­грузок от судовых волн на откосы канала производятся по СНиП П-57-75.

 
Рис. 2.12 Коэффициент  в формуле (2.18) для определения высоты на­ката волны  на   наклонную   стенку.   При   глубине   перед   сооружением  коэффициент  необходимо принимать для значений пологости волны    указанных в скобках