10478

20

4.4 Нагрузки от ветровых волн на берегоукрепительные сооружения

Максимальные значения горизонтальной , кН/м, и вертикальных и , кН/м, проекций равнодействующей нагрузки от волн на подводный волнолом необходимо принимать по эпюрам бокового и взвешивающего волнового давления (рис. 13). При этом p, кПа, должно определяться в зависимости от z с учетом уклона дна i по формулам, приведенным в табл. 4 СП [2].

Рисунок 13 – Эпюры волнового давления на подводный волнолом

берегоукрепительным сооружением при разбивающихся и прибойных волнах надлежит определять соответственно по формулам:

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 (рис. 14). При этом значения p, кПа, и , м, должны определяться в зависимости от места расположения сооружения:

- при расположении сооружения в створе последнего обрушения прибойных волн (рис. 14, а) по формулам:

- при расположении сооружения на берегу за линией уреза в пределах наката волн (рисунок 8, в) по формулам:

расстояние от створа последнего обрушения волн до сооружения, м; расстояние от линии уреза воды до сооружения, м; расстояние от линии уреза воды до условной границы наката на берег

разбивающихся волн (при отсутствии сооружения), м, определяемое по формуле:

,

высота наката волн на берег, м, определяемая по п.5.22. CП [2].

22

Рисунок 14 – Эпюры волнового давления на вертикальную волнозащитную стену при расположении сооружения

5Экспериментальные исследования волновых воздействий

5.1Законы подобия и правила моделирования

Представим себе две геометрически подобные фигуры. Условимся сходственными точками двух этих фигур называть точки, одинаково расположенные по отношению к границам этих фигур.

Рассматривая физическое моделирование, должны считать, что в сходственных точках «натуры» и «модели» на частицы жидкости (сплошной среды) действуют силы одной и той же физической природы (так называемые одноименные силы).

23

Вообще говоря, физически подобными явлениями называются явления одной и той же физической природы, для которых все характерные величины подобны: в сходственных точках натуры и модели и в соответственные моменты времени для подобных явлений все векторные величины должны быть геометрически подобными, все же скалярные величины — соответственно пропорциональны. Поясним это положение подробнее.

При физическом моделировании гидравлических явлений с использованием материальных моделей, удобно различать геометрическое, а также кинематическое и динамическое подобия.

1. Геометрическое подобие. Две гидравлические системы (два гидравлических явления) будут геометрически подобными в том случае, если между сходственными размерами этих систем всюду существует постоянное соотношение:

где lн — некоторый размер действительного сооружения (натуры); lМ — сходственный размер модели; at — масштаб длин.

Для геометрически подобных систем:

где ωн, Vн — некоторая площадь и некоторый объем, относящиеся к действительному сооружению; ωм, Vм — сходственные площадь и объем модели.

2. Кинематическое подобие. Две гидравлические системы будут кинематически подобными, если:

а) траектории движения сходственных частиц жидкости обеих систем, геометрически подобны и одинаково ориентированы по отношению к границам этих систем;

б) скорости и и ускорения w в сходственных точках в соответственные моменты времени всюду связаны постоянными соотношениями:

т. е. величина аи (масштаб скорости), а также величина aw (масштаб ускорения) одинаковы для любой пары сходственных точек в определенный момент времени.

Подчеркнем, что кинематически подобные системы всегда будут геометрически подобными системами.

В связи с кинематическим подобием возникает понятие масштаба времени

24

где: tн и tм — промежутки времени, в течение которых протекают соответственные явления в натуре и на модели. Если какая-либо частица жидкости в действительных условиях прошла за время tн некоторый путь tн (описала кривую tн), то сходственная частица модели за время tм должна пройти путь tм (описать кривую tм), причем кривая tм должна быть геометрически подобна кривой tн и ориентирована по отношению к границам системы так же, как и кривая tн.

Для кинематически подобных систем:

3. Динамическое подобие. Две гидравлические системы будут динамически подобными, если:

а) в любой паре сходственных точек действуют одноименные силы; б) соотношение величин соответствующих сил для любой пары сходст-

венных точек одинаково по всему объему обеих рассматриваемых гидравлических систем, т. е. масштаб сил:

где через F обозначена любая сила, действующая на жидкость;

в) силы, действующие на первую гидравлическую систему, ориентированы относительно друг друга и относительно границ системы так, как и силы, действующие на вторую гидравлическую систему.

Очевидно, при соблюдении указанных условий мы получаем следующее: для двух динамически подобных систем (например, для натуры и модели) замкнутые многоугольники сил, построенные для любой пары сходственных точек натуры и модели, получаются геометрически подобными, причем отношение размеров этих многоугольников сил всюду (по всему объему) оказывается одинаковым.

Можно сказать, что динамически подобными системами будут такие, для которых векторные поля сил, действующих на жидкость, образованы одноименными силами, причем эти поля являются геометрически подобными и одинаково ориентированными относительно границ систем.

Динамическое подобие может иметь место только при наличии кинематического, а, следовательно, и геометрического подобия. Как видно, динамическое подобие предопределяет существование кинематического подобия. Поэтому динамически подобные системы являются механически подобными системами. Иногда такого рода системы, относящиеся к жидкости, называют гидродинамически подобными.

26

Считая:

т. e. предполагая, что в лаборатории используется та же жидкость, что и в натуре (вода), получаем

Такому условию должны удовлетворять скорости Vм и Vн, если соблюдено равенство чисел Рейнольдса.

Расходы Qм и Qн должны удовлетворять в этом случае следующему условию:

5.3 Методы проведения экспериментальных исследований

При создании в лаборатории модели сооружения стремятся сделать ее так, чтобы поток, получающийся в лаборатории, был динамически подобен действительному потоку. Величины ξ, λ, С найденные для такой модели, часто можно без всякого изменения переносить на натуру.

Естественно, возникает вопрос, каким образом следует проектировать модель потока, чтобы она получилась подобна потоку. Этот вопрос осложняется тем, что величины сил, скоростей, давлений и других параметров, обычно бывают неизвестны для различных точек интересующей нас области, так как отыскание этих величин и является целью создания модели и проведения на ней соответствующих измерений.

Чтобы добиться при таких условиях динамического подобия, поступают следующим образом:

а) создают модель русла, геометрически подобную действительному руслу; б) на одной из границ модельного потока в начальный момент времени задают соответствующие геометрические и кинематические параметры, подобные известным параметрам, имеющимся на сходственной границе действи-

тельного потока; в) жидкость, применяемую в опытах, выбирают с такими физическими

характеристиками (υ, р, у), чтобы на фиксируемой границе потока имело место динамическое подобие.

Как видно, здесь предполагают, что поскольку физическое явление в натуре и на модели описывается одними и теми же математическими уравнениями, то при наличии подобных граничных и начальных условий мы воспроизводим в геометрически подобном русле модели явление, динамически подобное искомому. Заметим, что подобие граничных условий для модели слагается из

27

подобия следующих величин на границе модельного потока: глубин, скоростей и давлений (для напорных систем).

Надо, однако, подчеркнуть, что, как видно будет из дальнейшего, следуя указанному теоретически обоснованному пути моделирования, нам практически далеко не всегда удается создать модель, динамически подобную натуре. Поэтому часто приходится отклоняться от такого теоретического пути и прибегать к различным «условным» методам моделирования, описанным ниже (применять модели, построенные в искаженном масштабе и т. п.).

Судить о динамическом подобии двух систем (см. выше) путем измерения и сравнения между собой сил, действующих на эти системы, практически неудобно и даже невозможно. Вместе с тем легко видеть, что соотношение сил, действующих в натуре и на модели, может быть установлено косвенно: по имеющимся масштабам длины, скорости и плотности жидкости, т. е. по соотношению величин, легко поддающихся измерению.

Принимая такой косвенный метод оценки динамического подобия, пользуются так называемыми критериями динамического подобия.

5.4 Численное моделирование волновых характеристик на открытых акваториях

Для решения задачи расчета волновых характеристик используется модель РАВМ (Российская Атмосферно волновая модель), разработанная в Государственном Океанографическом Институте (ГОИН).

Использование для расчетов численной модели волнения позволяет производить моделирование волновых характеристик с требуемым пространственным и временным разрешением.

При численных расчетах моделирование может производиться как методом вложенных сеток, так и на неравномерных сеточных областях с высоким разрешением в исследуемой акватории. Качество результатов расчетов подтверждается верификацией результатов моделирования с данными измерений.

По результатам моделирования волновых характеристик по модели РАВМ рассчитываются следующие характеристики:

1.Высоты, длины и периоды ветровых волн требуемой обеспеченности и повторяемости.

2.Превышения гребней волн требуемой обеспеченности и повторяемости.

3.Значения орбитальных волновых скоростей. Средние высоты волн повторяемостью 1 раз в 100 лет на акватории строительства гидротехнических

сооружений (например, АЭС «Куданкулам» (Индийский океан)).

6 Программные комплексы расчетов ветровых нагрузок

Программные комплексы расчетов (прогнозов) волнения, волнового воздействия на берега даются с учетом рекомендаций СП [5].

28

6.1 Описание применения программы расчета волновых нагрузок на берегозащитные стены

Программа предназначена для расчета волновых нагрузок на берегозащитные стены с вертикальной или наклонной морской гранью, с засыпкой или без засыпки грунта со стороны берега в соответствии с СП [2].

Если стена расположена на берегу, то сначала вычисляется длина начала волн на берег. Если волны не достигают стены, сообщение об этом выводится на экран, и расчет прекращается.

Входные данные

Ввод исходных данных - через диалоговое окно, которое появляется на экране при вызове из основного меню. При отдельных вариантах расположения стены относительно уреза в расчете используются не все исходные данные, вводимые из диалогового окна, в этом случае избыточные данные не влияют на результат и игнорируются при расчете. Вводятся следующие исходные данные:

IK - индекс конструкции:

1 - с засыпкой грунта со стороны берега;

2 - без засыпки грунта;

-расстояние от стены до уреза, м (если стена на берегу - со знаком минус);

-расчетная высота волн по линии обрушения, м;

-расчетная длина волн, м;

-глубина обрушения волн, м;

-угол подхода волн к берегу в градусах (от 0 до 90);

-уклон дна в приурезовой зоне;

-средний размер материала берегового откоса, м;

-отметка расчетного уровня моря, м;

-отметка верха стены, м;

-отметка подошвы стены, м;

-ширина подошвы стены, м;

ImF - имя файла для записи результата.

Выходные данные

Результат расчета записывается в файл, имя которого вводится в числе исходных данных для расчета. Результат расчета может быть просмотрен на экране, для чего следует нажать командную кнопку "РЕЗУЛЬТАТ". В результате выводятся следующие данные:

-высота максимального заплеска волны на стену, м;

-максимальная погонная горизонтальная нагрузка, кН/м;

-максимальная взвешивающая нагрузка на подошву стены, кН/м.

29

6.2 Описание применения программы расчета волновых нагрузок на подводные волноломы

Подводные волноломы – гидротехническое сооружение, защищающее прибрежную акваторию от волнения, прибрежных течений и перемещения наносов, рис. 15 [6].

Рисунок 15 – Схемы устройства волноломов

Программа предназначена для расчета волновых нагрузок на подводные волноломы в соответствии в соответствии с СП [2].

Входные данные

Ввод исходных данных осуществляется через диалоговое окно. Для расчета вводятся следующие исходные данные:

-расчетная высота волны;

-расчетная длина волны;