НАГОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ, ВЕТРОВЫЕ ВОЛНЫ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА СООРУЖЕНИЯ
Действие ветра на водную поверхность приводит к ветровому нагону или сгону воды, к образованию волн и течений.
Ветровой нагон или сгон воды представляет собой отклонение водного зеркала от горизонтального положения с уклоном в сторону, противоположную действию ветра. Ветровой нагон может быть вычислен по формуле:
За расчетную скорость ветра v принимают скорость на высоте Юм над поверхностью земли обеспеченностью 2% для сооружений I и II классов и 4% для сооружений III и IV классов.
Расчетные параметры ветровых волн. При действии ветра на поверхности воды развивается волнение, при котором частицы воды совершают сложное вращательнопоступательное движение. Действие ветра на водную поверхность, образование волн и связанное с ним движение воды вызывают различные волновые нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения: волновое давление (сверх гидростатического) и волновое противодавление (уменьшающее гидростатическое); взвешивающее волновое давление; накат волн на откосы сооружений; размыв дна при небольших глубинах водоемов.
Учет волновых нагрузок и воздействий необходим при расчетах гидросооружений, при выборе типов конструкций и их размеров.
Величина ветровых нагрузок зависит от вида и параметров волн: высоты, периода т, длины X (рис. 2.7), которые в свою очередь определяются волнообразующими факторами: скоростью ветра v, его направлением по отношению к сооружению; продолжительностью непрерывного действия ветра t; размерами, конфигурацией и глубиной водоема; длиной разгона волны L.
В прибрежной полосе на параметры волн влияет глубина водоема Я, степень влияния которой позволяет выделить четыре зоны:
I глубоководную с глубиной, где дно не влияет на основные характеристики волн;
П мелководную с глубиной, где влияние дна приводит к уменьшению длины и скорости волн и к увеличению крутизны волны
Ш прибойную с глубиной, где начинается и завершается обрушение волн;
IV приурезовую с глубинами максимальная глубина приурезо вой зоны), в пределах которой поток от разрушенных волн периодически накатывается на откос (берег). Критическая глубина воды соответствует глубине водоема Я, при которой наблюдается первое обрушение волн, и в зависимости от крутизны волны, уклона дна водоема и других факторов изменяется от 1,5 А до 2,0, где h средняя высота волны. При глубине водоема наблюдается последнее обрушение волн. При уклонах дна водоема более 0,05 глубина Н при меньших уклонах изменяется до 0,35 Нщ, (рис. 2.8). Волны, образующиеся в глубоководной зоне при расчетной скорости ветра (шторме), характеризуются средними значениями высоты h, длины X и периода т (т промежуток времени, необходимый для перемещения гребня волны на расстояние, равное длине волны). Для их определения используют график [190], показанный на рис. 2.9.
По принятым величинам расчетной скорости ветра v, глубины водохранилища Н, длины разгона волны L и продолжительности непрерывного действия ветра t (для водохранилищ и озер t ориентировочно принимают равной 6 вычисляют безразмерные параметры gt/v. Далее по верхней огибающей кривой графика находят числовые значения комплексов gt/v и gh/v2, соответствующие каждому из параметров gt/v и gL/v2. Принимая наименьшие величины комплексов gt/v и g/v2, определяют среднюю высоту волны h и период т. Среднюю длину волны X при известном значении т находят по формуле:
В мелководной зоне с уклонами дна 0,001 и менее среднюю высоту волны й и ее период т определяют по графикам (см. рис. 2.9). По безразмерным величинам gL/v2 и gH/v2 находят параметры gt/v, и по ним вычисляют к и т. При уклонах дна 0,002 и более необходимо учитывать трансформацию (изменение параметров волн вследствие влияния дна), рефракцию волн (изменение направления распространения волн) и другие факторы.
Высоту волны необходимого процента обеспеченности р„ для глубоководной зоны определяют умножением средней высоты волны й на коэффициент ки зависящий от волнообразующих факторов [190]. Приближенно (с завышением) коэффициент kj зависит от обеспеченности р, следующим образом:
Высота волны отсчитывается от расчетного уровня, который при известной отметке уровня воды в водоеме может изменяться на величину ветрового нагона.
Взаимодействие волн и сооружений. При расчете устойчивости и прочности гидротехнических сооружений и их элементов расчетная обеспеченность высоты волн для сооружений с вертикальной напорной гранью и для откосов с креплением бетонными плитами составляет 1%; с креплением каменной наброской 2%; для берегоукрепительных сооружений I и П классов 1 %, III и IV 5%.
Волны, подходящие фронтально к вертикальной стенке или близкой к ней, при глубине непосредственно перед сооружением Н > 1,5 преобразуются в стоячие волны (волны, не перемещающиеся в пространстве). Если перед стенкой на участке протяженностью не менее 0,5 X, глубина Н, то на стенку действуют прибойные волны.
Расчет воздействия стоячих волн на сооружение заключается в определении возвышения и понижения волновой поверхности у сооружения относительно уровня спокойной воды, а также сил волнового давления и опрокидывающего момента от этих сил. В общем случае моменты максимального подъема уровня воды перед сооружением и максимального значения силы волнового давления не совпадают. Силу волнового давления на сооружение и момент силы определяют по площади эпюры давления.
На рис. 2.10 показаны эторы волнового давления на вертикальную стену. При максимальном подъеме уровня воды на нижней части стенки может развиваться отрицательное волновое давление. Эпюра, соответствующая 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 ней широко применяется метод Н.Н. Загрядской [62], который может применяться как для мелководной, так и глубоководной зон. Н.Н. За грядская дала графики для определения коэффициентов, позволяющих рассчитать повышение и понижение волновой поверхности над спокойным уровнем воды, волновое давление, силу давления, моменты сил давления.
Высоту наката на наклонную стенку (откос) при подходе волны обеспеченностью 1,0 % при глубине перед сооружением вычисляют по формуле
Расчеты волновых нагрузок на крепление откосов, обтекаемые преграды, сквозные и берегозащитные сооружения, а также нагрузок от судовых волн выполняют по нормам [189].
Особую категорию волн составляют волны, вызванные землетрясениями, оползнями и обвалами грунта и скальных массивов, сходами лавин в водохранилища. Параметры таких волн определяют по рекомендациям, изложенным в специальной литературе, и экспериментально на моделях [113].
