Физика вод суши by Винников С.Д., Викторова Н.В. (z-lib.org)

м а ть ее р а сп р е д е л е н и е п о ш и р и н е р е к и п о п р я м о й и л и д аж е о д и н а ­ к о в о й . А э то , в св о ю о ч е р ед ь , о б у сл о в л и в а е т п р и н я ти е р а сп р е д е л е ­ н и й н а гр у з к и q н а п е р в о м п о п е р е ч н и к е п о п р я м о й и л и п о сто я н н о й

п о н е й .

Н а зн а ч е н и е р а сп р е д е л е н н о й н а гр у з к и q - э то п е р в ы й э та п гр а ф и ч е ск о го р е ш е н и я зад ач и п о стр о е н и я о р то го н а л ь н о й се тк и .

О н п о зв о л я е т р а зб и ть п е р в ы й п о п е р е ч н и к н а о тр е зк и 6 ,, к к о т о ­

то го н а л ь н у ю с е т к у в п е р ­ в о м п р и б л и ж е н и и д о л ж н ы

у т о ч н и т ь п о стр о е н и е м с и ­

л о в о го м н о го у го л ь н и к а д ля к а ж д о го э л е м е н та э то й с е т ­

291

к и (р и с . 8 .1 4 ). П р а в и л ь н о сть п о стр о е н и я о р то го н а л ь н о й се тк и д о с ­

ти га е тс я в то м сл у ч а е , е сл и м о м е н т ы в с е х си л , д е й ст в у ю щ и х н а

гр а н и э л е м е н то в се тк и в с у м м е д ля р а ссм а тр и в а е м о го р яд а б у д у т

р а в н ы н у л ю . Ц е л е со о б р а зн о э ти р а сч е ты в ы п о л н я т ь , п р е ж д е в се го ,

д л я д в у х эл е м е н то в тр е у го л ь н о й ф о р м ы , р а с п о л о ж е н н ы х в к р а й ­

н е м р я д у . С л е д у ю щ и м э та п о м я в л я е тся р а сч е т н а п р я ж е н и й , п р и х о ­

д я щ и х ся н а гр а н и п о л у ч е н н ы х к л е то к о р то го н а л ь н о й се тк и , п о за ­

н и ж е р а сп о л о ж е н н о го у ч а с т к а р е к и . Д л я э то го н о в о го у ч а с т к а н а ­ ч а л ь н ы м б у д е т ст в о р с н а гр у з к о й Р2 3, а са м а н а гр у з к а гр а н и ч н ы м у сл о в и е м д л я н е го .

В ы ш е м ы р а сс м о т р е л и р а с ч е т н а п р я ж е н и й в то л щ е за то р н о ­

го л ьд а н а р е ке п р и д е й ств и и н а п е р в о м п о п е р е ч н и к е кр а е в о й н а ­

8.8. Динамические нагрузки льда

на гидротехнические сооружения

В о се н н и й и , о со б е н н о , в в е се н н и й п е р и о д ы ги д р о те х н и ч е ­ ск и е со о р у ж е н и я (п л о т и н ы и и х э л е м е н ты , в р е м е н н ы е в о д о сб р о с ­ н ы е со о р у ж е н и я , п р и ч а л ь н ы е с т е н к и , м а я к и , о п о р ы м о сто в и д р у ­ ги е ) и с п ы т ы в а ю т н а гр у з к и к а к о т д в и ж у щ и х ся л е д я н ы х п о л е й во

292

в р е м я л е д о хо д а , т а к и о т п р о р в а в ш и х с я з а ж о р н ы х и з а т о р н ы х м а сс

л ьд а. О н и д о ста т о ч н о в е л и к и и ч а с т о п р и в о д я т к р а зр у ш е н и я м

в а ть динамическими нагрузками. Д и н а м и ч е ск и е н а гр у з к и л ьд а н а

ги д р о те х н и ч е ск и е со о р у ж е н и я з а в и с я т н е то л ь к о о т е го п р о ч н о с т ­ н ы х х а р а к т е р и с т и к , р а зм е р о в , ф о р м ы , ск о р о с т и д в и ж е н и я , н о и о т х а р а к т е р а в за и м о д е й ств и я л е д я н о го п о л я с со о р у ж е н и е м : п р о и с х о ­ д и т л и е го о ст а н о в к а , в н е д р е н и е , р а ск а л ы в а н и е , п р о р е за н и е , а т а к ­

ч е т с л е д у ю щ и х д и н а м и ч е с к и х н а г р у з о к н а ги д р о те х н и ч е ск и е с о ­ о р у ж е н и я :

л ь д и н ; д ля се к ц и и со о р у ж е н и я п р и р а з р у ш е н и и л ьд а;

2 ) о т л е д я н о го п о л я н а со о р у ж е н и е о т к о сн о го п р о ф и л я и л и

н а о тд ел ь н о с т о я щ у ю о п о р у , и м е ю щ у ю в зо н е д е й ств и я л ь д а н а ­

к л о н н у ю п о в е р х н о сть ;

3 ) о т д в и ж у щ и х с я л е д я н ы х п о л е й н а со о р у ж е н и е и з р яд а

в е р т и к а л ь н ы х о п о р ;

4 ) о т о ст а н о в и в ш е го ся л е д я н о го п о л я , н а в а л и в а ю щ е го ся н а

со о р у ж е н и е п о д в о зд е й ств и е м те ч е н и я в о д ы и в е тр а ;

д и к у л я р н о е го ф р о н т у ;

7 ) о т н а в а л а з а ж о р н ы х м а с с л ь д а н а е д и н и ц у д л и н ы с о о р у ­ ж е н и я , р а сп о л о ж е н н о го п а р а л л е л ь н о н а п р а в л е н и ю те ч е н и я , а т а к ­

п о л е и с п ы т ы в а е т см я ти е в т о ч к е с о п р и к о сн о в е н и я с о п о р о й и д аж е

293

Б о л ь ш о й в кл а д в р а зр а б о т к у м ето д о в р а сч е та в за и м о д е й ст­

в и я л е д я н ы х п о л е й с о п о р а м и и д р у ги м и ги д р о те х н и ч е ск и м и с о ­

о р у ж е н и я м и в н е с п р о ф е ссо р С и б и р с к о го го с у д а р ств е н н о го у н и ­

в е р си те та п у т е й со о б щ е н и я К .Н . К о р ж а в и н [2 4 ]. О н о тм е ч а е т,

в ч а с т н о с т и , ч то д ав л е н и е л ьд а н а о п о р у з а в и си т н е то л ь к о о т к и ­ н е ти ч е ск о й э н е р ги и л е д я н о го п о л я и л и за ж о р н о й (з а то р н о й ) м а с ­

с ы , н о и о т р яд а д р у ги х ф а к то р о в , н а п р и м е р : г у с т о т ы лед о хо д а,

п р о ч н о с т и л ь д и н ы , ф о р м ы о п о р ы в п л а н е , м а те р и а л а и х а р а к те р а

о п р ед е л е н и я н а гр у зк и н а о тд ел ьн о ст о я щ у ю о п о р у п р и п р о р е за н и и ею л е д я н о го п о л я .

С о гл а сн о з а к о н у и м п у л ь с а с и л п р и уд ар е п л ы в у щ е й л ь д и н ы

гд е dx - п е р е м е щ е н и е л ь д и н ы п о сл е н а ч а л а с т о л к н о в е н и я с о п о р о й

(п р и р а щ е н и е в н ед р е н и я о п о р ы в л е д я н о м п о л е ).

С и л а у д а р а л ь д и н ы о б о п о р у (с о о р у ж е н и е ) о п р ед е л я е тся п о

л ь д и н ы ; I - д л и н а ф р о н т а со п р и к о сн о в е н и я л ь д и н ы с о п о р о й в м о ­ м е н т н а и б о л ь ш е й си л ы уд ар а . О б ы ч н о о н а п р и н и м а е тся р а в н о й ш и р и н е о п о р ы Ь.

294

Р е ш а я со в м е ст н о у р а в н е н и я (8 .1 0 4 ) и (8 .1 0 5 ) и в ы п о л н я я и н ­ те гр и р о в а н и е п р и у с л о в и и , ч т о л ь д и н а п о сл е у д а р а о ст а н о в и л а сь ,

п о л у ч а е м :

ч а с т ь у р а в н е н и я , за в и ся щ а я о т п р о ч н о с т и л ьд а и ф о р м ы о п о р ы ,

м е н ь ш е п р а в о й - к и н е т и ч е с к о й э н е р ги й л ь д и н ы , п р о и сх о д и т ее п р о р е за н и е и л ь д и н а н е о ста н а в л и в а е тся . Э т о т м о м е н т о п р е д е л я е т­ ся р а в е н с тв о м x = d , гд е d - д л и н а н о с к а л ед ореза .

Т а к и м о б р а зо м , с у ч е т о м ф о р м ы о п о р ы в п л а н е м а к си м а л ь ­

н а я н а гр у з к а н а о п о р у п р и п р о р е за н и и ею л ь д и н ы , со гл а сн о у р а в ­ н е н и ю (8 .1 0 6 ), м о ж е т б ы ть о п р е д е л е н а п о ф о р м ул е

295

где ms - коэффициент формы опоры, определяется по табл. 8.2;

Q - п л о щ ад ь л е д я н о го п о л я .

Р а зр а б о та н о та к ж е р у к о в о д ст в о п о о п р е д е л е н и ю л е д о в ы х н а гр у з о к н а ги д р о те х н и ч е ск и е со о р у ж е н и я , в к о т о р о м п р и в о д я тся

пр и м е р ы и х р а сч е та [4 9 ].

8.9.Навалы льда на берега и откосы гидротехнических сооружений

Н а т у р н ы е у с л о в и я р е к , в о д о е м о в и м о р е й , гд е п р о и сх о д я т

н а в а л ы л ь д а н а б е р е га и ги д р о те х н и ч е ск и е со о р у ж е н и я ч р е з в ы ч а й ­

н о р а зн о о б р а зн ы . В св я зи с э т и м и м е е т м е сто о гр о м н а я п е ст р о та

р а зм е р о в и ф о р м н а в а л о в . И м е ю щ и е ся св е д е н и я в л и те р а ту р е о н а в а л а х и н а д в и ге л ь д а н а б е р е га и ги д р о те х н и ч е ск и е со о р у ж е н и я о ч е н ь р а зр о зн е н н ы е . С и сте м а ти за ц и я и х ещ е н е в ы п о л н е н а . К а к п р а в и л о , н а в а л ы л ь д а п р о и сх о д я т в т е х с л у ч а я х , к о гд а н а б л ю д а е т­ ся у ста н о в л е н и е л е д я н о го п о к р о в а н а в о д о ем е и л и п р и е го в с к р ы ­ т и и , т.е . в п ер и о д , к о гд а п р о ч н о с т ь л е д я н о го п о к р о в а н е ве л и к а .

О н и и м е ю т м е ст о в о сн о в н о м н а к р у п н ы х в о д н ы х о б ъ е к та х : р е к а х ,

в о д о х р а н и л и щ а х , о зе р а х и м о р я х . Р а зм е р ы н ав ал о в л ь д а н а б е р е га и ги д р о те х н и ч е ск и е со о р у ж е н и я н е р е д ко б ы в а ю т сто л ь з н а ч и т е л ь ­ н ы м и , ч т о о н и п р и н о с я т б о л ь ш и е у б ы т к и н а ц и о н а л ь н о м у х о з я й с т ­ в у ст р а н ы . Т а к , н а п р и м е р , И га р с к и й п о р т н а р . Е н и с е е п о д в е р га л ся н а в а л у л ь д а в ы с о то й б о л ее 10 м , н а се в е р н о м б е р е гу А зо в с к о го м о р я , у го л о в ы м о л а М а р и у п о л ь с к о го п о р т а и н а за п а д н о м м о л у Е й с к о г о п о р та б о л ее 6 м . С у щ е с т в е н н у ю п о м е х у п р е д ста в л я л и н а ­ в а л ы л ьд а та к ж е п р и э к сп л у а та ц и и п р и ч е р н о м о р с к о й и п р и б а й ­ к а л ь с к о й ж е л е зн ы х д о р о г, п р и со зд а н и и л и н и й э л е к тр о п е р е д а ч ,

п р о кл а д к е га зо - и н е ф те п р о в о д о в , стр о и т е л ь ст в е и э к сп л у а та ц и и со о р у ж е н и й п о за щ и те г. С а н к т -П е т е р б у р г а о т н а в о д н е н и й и д р .

В л и те р а ту р е о тм е ч а л и сь с л у ч а и д аж е п о л н о го р а зр у ш е н и я м о р ­ с к и х м а я ко в , м о сто в и п р и ч а л о в п р и н а в а л а х льд а.

Т а к , н а п р и м е р , в п е р и о д з и м н и х н а в о д н е н и й в р е зу л ь та те д е й ств и я в е тр а сп л о ш н о й л е д я н о й п о к р о в Ф и н с к о го за л и в а м о ж е т б ы ть в зл о м а н п р и с л е д у ю щ и х т о л щ и н а х л ьд а: 0 ,2 6 м п р и те м п е р а ­ ту р е в о зд у х а - 15 ° С ; 0 ,4 2 м п р и - 3 ° С ; 0 ,6 0 м п р и - 0 ,5 ° С . Э т и р е зу л ь та ты п о л у ч е н ы с у ч е т о м п р е д е л а п р о ч н о с т и л ьд а то л щ и н о й

296

0 ,6 м - э то м а к си м а л ь н а я то л щ и н а л ьд а, п р и к о то р о й в о зм о ж н ы

Д е й ств и те л ь н о , п р и та к о й н а гр у зк е в о зм о ж н ы н а в а л ы л ьд а н а о тк о ­ с ы д ам б э то го со о р уж е н и я . Э т о п о д тв е р ж д ае тся р и с. 8 .1 5 .

Рис. 8.15. Навалы льда в районе пос. Комарова (Финский залив) в апреле 1988 г.

н ы й ): 1 ) си л о й , о б у сл о в л е н н о й тр е н и е м п о то к а о н и ж н ю ю п о в е р х ­ н о с ть ле д ян о го п о к р о в а (ги д р а в л и ч е ск а я н а гр у з к а ), 2 ) си л о й , о б у ­ сл о в л е н н о й д е й ств и е м в е тр а н а в е р х н ю ю п о в е р х н о сть ле д ян о го п о ­ к р о в а (ве тр о ва я н а гр у з к а ), 3 ) си л о й , о б у сл о в л е н н о й те м п е р а ту р н ы м р а сш и р е н и е м л ьд а ле д ян о го п о кр о в а .

297

И т а к , н а в а л о о б р а зо в а н и е - ш и р о к о р а сп р о ст р а н е н н о е я в л е ­

н и е н а в о д н ы х о б ъ е к та х , и м е ю щ и х в а ж н о е зн а ч е н и е в ги д р о те х н и ­ к е и д р у ги х о т р а сл я х э к о н о м и к и , к н а с то я щ е м у в р е м е н и ещ е н е ­ д о с та т о ч н о и зу ч е н н о е . Е м у сл е д у е т у д е л и ть б о л ее се р ь е зн о е в н и ­

м а н и е и в св я зи с те м , ч т о п р е д ск а зы в а е тся п о те п л е н и е к л и м а та н а З е м л е , ч т о п р и в е д е т, к а к и зв е с тн о , к п о в с е м е ст н о й н е у с т о й ч и в о с т и

(н е п р о ч н о с т и ) л е д я н о го п о к р о в а в те ч е н и е в се го зи м н е го п ер и о д а .

А э то , к а к о тм е ч е н о в ы ш е , о сн о в н о е у сл о в и е о б р а зо в а н и я н ав ал о в л ьд а. Т а к и м о б р а зо м , н а в а л ы л ьд а н а б е р е га и ги д р о те х н и ч е ск и е

со о р у ж е н и я м о г у т и м е ть м е сто в те ч е н и е в се й зи м ы . П р и э то м

сл е д у е т о т м е ти ть , ч то ст р о и т е л ь н ы е н о р м ы и п р а в и л а н е со д е р ж а т р е ко м е н д а ц и й п о р а с ч е т у н ав ал о в л ь д а и , со о тв е т ств е н н о , н а гр у з о к о т н и х н а о т к о с ы ги д р о т е х н и ч е с к и х со о р у ж е н и й .

8.9.1. Гидравлическая нагрузка на ледяной покров

(8 .4 6 ), в к о т о р о й к о э ф ф и ц и е н т а , п р и н и м а е т ся п о с т о я н н ы м , п о

у п о м я н у т о го в ы ш е , б о л ее в се го п о д хо д я т р а зр а б о тк и , п о л у ч е н н ы е

В .А . С о к о л о в о й , т а к к а к ею в ы п о л н е н ы и ссл е д о в а н и я п о то к о в ,

в к о т о р ы х р а зм е р ы а б со л ю тн о й ш е р о х о в а т о с т и со и зм е р и м ы с г л у ­

н и я л е д я н о го п о к р о в а , п р и за м е р за н и и о ст а н о в и в ш е й ся п о д л е д я ­

н ы м п о к р о в о м ш у г и и в д р у ги х сл у ч а я х .

К а к и зв е с тн о , в л е к у щ е е у си л и е , со зд авае м о е п о то к о м , м о ж е т

б ы ть в ы ч и сл е н о п о за в и си м о сти

298

В в о д я в (8 .1 0 9 ) к о э ф ф и ц и е н т Ш е з и п о ф о р м у л е , п о л у ч е н н о й

В .А . С о к о л о в о й ,

и н и ж н е й п о в е р х н о с т и в ы с т у п о в л е д я н о го п о к р о в а - Д 2 , п о л у ч и м :

299

то с т ь А , сч и т а я и х н а п е р в о м э та п е р а сс у ж д е н и й р а в н о зн а ч н ы м и .

р а б о ч а я гл у б и н а в о д о то к а Нр = 10 м , р а сч е тн а я в ы с о т а в ы с т у п о в

ч е н и я к а са те л ь н о го н а п р я ж е н и я т „ , р а с с ч и т а н н ы е п о ф о р м ул е

(8 .4 6 ), в ы ш е р а с с ч и т а н н ы х п о ф о р м ул е (8 .1 1 1 ); о со б е н н о з н а ч и ­ те л ь н о е о тк л о н е н и е и м е е т м е ст о п р и м а л о й ш е р о х о в а то сти (см .

п о сл е д н ю ю с т р о к у та б л . 8 .3 ).

м и ч е с к о й н а гр у з к и а 2 та к ж е п р и н я т п о П .А . К у зн е ц о в у . И з ф о р ­ м у л ы сл е д у е т , ч т о к о э ф ф и ц и е н т а 2 , к а к и а , в ф о р м ул е (8 .4 6 ),

и м е е т п о сто я н н о е зн а ч е н и е и , сл е д о в а те л ь н о , н е за в и си т о т ш е р о ­ х о в а то ст и п о в е р х н о сти э то го п о к р о в а . В то ж е в р е м я и зв е с тн о , ч то в п р е д в е се н н и й п е р и о д , п о ср а в н е н и ю с зи м н и м , н а в е р х н е й п о ­ в е р х н о сти л е д я н о го п о к р о в а н а б л ю д а е тся п о в ы ш е н н а я е го ш е р о ­ х о в а т о с т ь : з а с т р у ги , т о р о с ы , п р о та л и н ы в сн е ж н о м п о к р о в е . Р а з-

300