Конспект лекций Портовые сооружения
.pdf
41
Графики значений коэффициента с
Высоту дифрагированных волн hdif ,c , м, на акватории, огражденной сходящимися молами следует определять по рекомендациям СНиП /7/ по формуле:
hdif ,c kdif ,c hi% , |
Коэффициент |
дифракции волн kdif ,c на акватории, огражденной, сходящимися молами находится из зависимости:
kdif ,c kdif ,s c ,
где kdif ,s - коэффициент дифракции для акватории, огражденной одиночным молом, определяется согласно параграфу 2.1; c - безразмерный коэффициент, принимаемый в зависимости от конкретных значений dc и kdif ,cp .
42
Схема и графики для определения величин l и la
Величина dc определяется по формуле:
dc l1 l2 b , 2b
где l1 и l2 – расстояния от границ волновой тени (ГВТ) до границ дифракции волн (ГДВ), принимаемые в соответствии со схемой и графиками согласно штриховой линии со стрелками; b – ширина входа в порт, м, принимаемая равной проекции расстояния между головами молов на фронт исходной волны.
Значение коэффициента kdif ,cp определяется так же, как и kdif ,s для точки пересечения главного
луча с фронтом волн в расчетном створе.
Положение главного луча на схеме необходимо принимать по точкам, расположенным от границы волновой тени (ГВТ) мола с меньшим углом b , град, на расстояниях х, м, определяемых по
формуле:
x l1 la 2 la1 (l2 b) , la1 la 2
где la1 и la2 – коэффициенты, принимаемые в соответствии со схемой.
Расчет дифракции волн на акватории порта при защищенности волноломом
В этом случае волнение на акваторию проникает через два входа. Расчет параметров волн на акватории ведется по двум энергетическим составляющим, поступающим с разных сторон. Для каждой из них высота волны определяется расчетом дифракции вокруг одиночного мола.
Высоту дифрагированных волн hdif ,b , м, на акватории, огражденной волноломом следует
определять по формуле:
|
43 |
hdif ,b kdif ,b hi% , |
Коэффициент |
дифракции волн kdif ,b для акватории, огражденной волноломом, должен определяться по формуле: |
|
kdif ,b 
kdif2 ,s1 kdif2 ,s 2 ,
где kdif ,s1 и kdif ,s 2 - коэффициенты дифракции волн вокруг одиночного мола, определяемые соответственно для головных участков волнолома.
Расчет дифракции волн на акватории порта при перекрывающихся молах и при сложных схемах расположения оградительных сооружений
В практике портостроения при недостаточной защищенности портовой акватории от волнения предусматривают перекрытие входа в порт. Перекрытие бывает целесообразным и тогда, когда под действием сильных ветров может быть затруднен заход судов в порт /17, 23/.
Для определения параметров волн на акватории при полном перекрытии ворот порта одним из молов можно использовать рекомендации, изложенные в технических условиях СН 92-60.
Коэффициент дифракции в этом случае при заданном направлении распространения исходной волны определяется в следующем порядке.
Сходящиеся молы с перекрытием входа.
Определяется дифракция волн вокруг головы мола 1, прикрывающего вход, и определяется коэффициент дифракции в оголовье второго мола (мола 2). Затем рассчитывается дальнейшее затухание вдоль луча по направлении линии, соединяющей головы молов, которое принимается за направление главного луча, а также боковое затухание в обе стороны от этого луча.
Таким образом, расчет ведется в два этапа:
1этап: hr 2 kdif ,s hr1,
2этап: hdif ,ci kdif ,c hr 2 ,
где hr1 - высота исходной волны в оголовке мола 1 (точка 1); hr 2 - высота дифрагированной волны в оголовке мола 2 (точка 2); kdif ,s - коэффициент
дифракции вокруг одиночного мола 1 (см. параграф 2.1); kdif ,c - коэффициент дифракции при
сходящихся молах, определяется в соответствии с параграфом 2.2.
При более сложных схемах расположения оградительных сооружений, когда волна на акваторию проникает через два или более входов, расчет волнения на акватории ведется по сумме энергетических составляющих, число которых равно числу ворот. Каждая из волновых составляющих характеризуется высотой дифрагированной волны, вычисленной для случая сходящихся молов.
Отражение волн является процессом, который представляется интерес при проектировании портов, береговых сооружений и т.д.
Явление толчеи на входе в порт, затрудняющее заход судов, а также значительные качки судов на самой акватории и у причальных сооружений вызывают необходимость учета этого явления.
В соответствии с рекомендациями СНиП /7/, высоту дифрагированной волны с учетом отражения ее от сооружений и преград hdif ,r , м, в данной точке огражденной акватории необходимо определять по формуле:
hdif ,r (kdif kref ) hi ,
44
где:
|
0,08 |
r |
|
|
|
kref kdif ,s kr kp kref ,i e |
|
|
cos r , |
||
|
|
||||
|
|
||||
kdif ,s - коэффициент дифракции в створе отражающей поверхности, определяемый согласно пп.
2.1-2.4; kr и k p - коэффициенты определяемые согласно п. 1.4; r - угол между фронтом волны и
r
отражающей поверхностью, град; - относительное расстояние от отражающей поверхности до
расчетной точки по лучу отраженной волны, при этом направление луча отраженной волны должно приниматься из условия равенства углов подхода и отражения волн; kref ,i - коэффициент отражения, принимаемый по таблице 2.1 при угле наклона отражающей поверхности к горизонту более 450 следует принимать коэффициент отражения kref ,i 1.
Таблица 2.1.
Пологость волны |
Значения kref ,i |
при уклонах отражающей |
||||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
поверхности i |
|
|
/ hdif |
|
|||||
1 |
|
0,5 |
0,25 |
|||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
10 |
0,5 |
|
0,02 |
0,0 |
||
15 |
0,8 |
|
0,15 |
0,0 |
||
20 |
1,0 |
|
0,5 |
0,0 |
||
30 |
1,0 |
|
0,7 |
0,05 |
||
40 |
1,0 |
|
0,9 |
0,18 |
||
В заключение следует отметить, что изложенные выше теоретические методы расчета дифракции можно использовать лишь в относительно простых случаях одиночного мола (волнолома) или сходящихся молов, ограждающих акваторию с постоянными глубинами. Эти методы не учитывают влияния рефракции на акватории порта, потерь энергии в результате трения о дно, а также многократного отражения волн от внутрипортовых стенок и причалов. Поэтому во многих случаях, когда условия распространения волн внутри порта сложны, основным методом получения сведений о его защищенности является метод лабораторного моделирования.
45
Нагрузки и воздействия на оградительные сооружения.
В зависимости от продолжительности действия нагрузки (и воздействия) подразделяются на 
постоянные и временные (длительные, кратковременные и особые).
Для оградительных сооружений постоянными нагрузками являются: собственный вес оградительного сооружения, вес постоянных сооружений с оборудованием, возведенных на надстройке (маяки и прочее), гидростатическое давление воды.
К временным нагрузкам относятся:
-длительные – нагрузки от грунтов и технологического оборудования (если волнолом используется в качестве причала);
-кратковременные – боковое давление волновое, волновое взвешивающее давление, размывающее воздействие донных скоростей, швартовые нагрузки, навал судов, ледовые нагрузки;
-особые – сейсмические нагрузки, волновое воздействие исключительной силы (цунами), ледовые нагрузки катастрофической силы.
Все сооружения рассчитывают на основное сочетание нагрузок и в случае возможности возникновения особых временных нагрузок (например в сейсмических районах) портовые гидротехнические сооружения необходимо проверять на особое сочетание нагрузок.
Основное сочетание нагрузок включает все постоянные, все временные длительные и одну из возможных кратковременных нагрузок, наиболее существенно влияющих на напряженнодеформированное состояние конструкции, ее элементов или основания.
Особое сочетание нагрузок включает основное сочетание нагрузок и одну из особых.
В настоящее время большинство промышленных и гражданских сооружений рассчитывают по методу предельных состояний. Наличие нескольких коэффициентов, полученных на основе обработки статических данных о характеристиках грунтов, строительных материалов и нагрузок позволяет без коренных изменений расчетных положений обоснованно совершать расчеты портовых гидротехнических сооружений. По данным института «Гипроречтранс» при переходе на расчет по предельным состояниям стоимость портовых сооружений может быть снижена на 10 – 12%.
При расчете оградительных сооружений рассматривают две группы предельных состояний.
К первой группе предельных состояний, определяющих потерю несущей способности сооружения и его основания, относятся:
-потеря общей устойчивости сооружения, сдвиг по подошве сооружения или сдвиг вместе с каменной постелью;
-потеря устойчивости на опрокидывание гравитационных сооружений при скальных основаниях;
-разрушение отдельных частей и элементов конструкции.
Ко второй группе предельных состояний, определяющих непригодность сооружения к нормальной эксплуатации, относятся:
-недопустимые перемещения, осадки или крен;
-образование или недопустимое раскрытие трещин в железобетонных элементах конструкции.
Все расчеты по первой группе предельных состояний выполняют на основные и особые сочетания нагрузок при расчетных сопротивлениях материала конструкции и грунта основания; Расчеты по второй группе предельных состояний производят только для основных сочетаний нормативных нагрузок при нормативных сопротивлениях материалов.
Нормативные нагрузки определяются строительными нормами и правилами; расчетные получаются умножением нормативных на соответствующие коэффициенты: расчетное сопротивление материала или грунта R – умножением нормативного сопротивления Rн на коэффициент однородности k, расчетная нагрузка q – умножением нормативной нагрузки qн на коэффициент перегрузки n, особенности работы материала конструкций и оснований (концентрация напряжений, возможность хрупкого разрушения, влияние агрессивности среды и другие факторы) – введением коэффициента условий работы m и так далее.
В любом случае при всех расчетах сооружений должно выполняться следующее обобщенное условие недопущения предельного состояния:
γec·γp·E ≤ ((γc·γci)/γn)·R (1)
где E – обобщенное силовое воздействие, деформация;
R – обобщенная несущая способность, предельная деформация; γec – коэффициент сочетания нагрузок;
Примечание [Ф. В.4]: Нагр на огр соор
46
γc – коэффициент условия работы;
γci – дополнительный коэффициент условия работы; γn – коэффициент надежности;
γp – коэффициент нагрузки – вводится при расчетах только по первой группе предельных состояний. Расчетная нагрузка Eрасч = E·γp, где E→Eнорм. Поэтому условие (1) лучше выписывать без коэффициента
γp.
Указанные коэффициенты могут быть как больше, так и меньше единицы, в зависимости от расчетного случая. Например, при расчете устойчивости сооружения принимается пониженное значение коэффициента перегрузки для сил, увеличивающих устойчивость, и повышенное для сил, стремящихся вывести сооружение из устойчивого состояния и так далее.
При расчетах на особое сочетание нагрузок кратковременные нагрузки снижают на 10 – 20%, путем умножения их на коэффициент сочетания нагрузки nc=0,9÷0,8 ( в связи с малой вероятностью совпадения максимальных значений временных и особых нагрузок).
Временные нагрузки.
Волновые нагрузки и воздействия.
Волновые нагрузки являются, как уже отмечалось, главными из кратковременных нагрузок на оградительные сооружения. Во влияние принимаются только ветровые волны. На дальнем Востоке предусматривают защиту от цунами с высотой волны до 8м. Защищаться от волны высотой 40м бессмысленно. В СССР защита от цунами при проектировании не предусматривалась.
Чтобы представить, как образуются и проявляются волновые нагрузки, обратимся к схеме, изображающей волнолом вертикального типа.
При подходе гребня волны.
При подходе впадины волны.
Впериод штиля, при отсутствии волнения массы воды находятся в покое. На оградительные сооружения справа и слева действуют нагрузки от гидростатического давления, равные по величине и противоположные по направлению (эпюры А-А и А'-А').
Во время шторма массы воды приходят в движение и вместо постоянного во времени гидростатического давления (давления покоя) на сооружение начинает воздействовать непрерывно изменяющееся гидродинамическое давление.
Вмомент подхода гребня волны интенсивность гидродинамического давления значительно выше гидростатического (эпюра В-В) и, наоборот, при ложбине волны (впадине) гидродинамическое давление значительно ниже гидростатического (эпюра В-В).
47
Волновое давление представляет сбой в этом случае разность между гидродинамическим давлением, действующим на стенку с одной ее стороны и гидростатическим давлением, подпирающим стенку с противоположной стороны, а волновые нагрузки (имеется в виду равнодействующая) представляют собой разность между равнодействующими соответствующих эпюр волнового давления.
Вмомент подхода гребня волновые нагрузки направлены в сторону стенки (эпюра волнового давления
ВСD, равнодействующая Rxr); при подходе впадины волновые нагрузки направлены от стенки (эпюра волнового давления AMN, равнодействующая Rxbn).
Вреальных условиях при воздействии на оградительные сооружения со стороны моря штормовых волн, со стороны акватории вдоль сооружения могут распространяться дифрагированные волны.
Наиболее неблагоприятное сочетание волновых нагрузок в этом случае сооружение будет испытывать при подходе гребня со стороны моря и впадины со стоны акватории.
Ледовые нагрузки и воздействия.
Ледовые нагрузки являются так же главными из кратковременных нагрузок на оградительные сооружения в замерзающих морях. При расчете сооружений на давление льда не учитывают давление волн и наоборот, так как при наличии льда волнение отсутствует.
Ледовые нагрузки проявляются в виде: горизонтальных нагрузок (ударов от движущихся волн, навалов от остановившихся ледяных полей, давления о температурного расширения ледяного покрова), вертикальных и крутящих нагрузок от примерзшего к сооружению ледяного покрова, истирающего воздействия и так далее.
Ледовые нагрузки, как правило, по величине меньше, чем волновые, но могут вызывать большие опрокидывающие моменты из-за высокого расположения точки приложения равнодействующей. Точка приложения равнодействующей ледовой нагрузки принимается на 0,3hл ниже расчетного уровня воды.
Нагрузки и воздействия от волн на оградительные сооружения порта |
|
||
|
вертикального профиля |
|
Примечание [Ф. В.5]: Нагр на огр |
|
|
|
соор верт проф |
При рассмотрении взаимодействия волн с вертикальной стенкой различают четыре основных типа волнения: стоячие волны, разбитые волны, волны переходного типа от стоячих к разбитым и прибойные волны.
Каждый из указанных типов волнения наблюдается при строго определённых соотношениях параметров волнения и глубины воды на подходе к сооружению и непосредственно у стенки.
Если волны подходят к сооружения фронтально, то при достаточно большой глубине у стенки вследствие интерференции прямой и отраженной волны образуется стоячая волна. При этом высота стоячей волны оказывается равной двукратной высоте походящей волны. Частицы волнующей жидкости совершают колебательные движения по криволинейным траекториям.
Однако перемещения, которые совершают отдельные частицы при колебании вдоль этих траекторий, достаточно малы в силу того, что эти отрезки траектории могут быть представлены прямыми линиями. Таким образом, в пучностях частицы совершают колебания по вертикальным отрезкам, а в узлах – по горизонтальным.
Скорости частиц при подъёме и спаде равны по абсолютной величине. Изменения давления в любой точке по высоте лицевой стенки за время прохождения гребня и впадины характеризуются кривыми, симметричными относительно вертикальных линий . Границей режима стоячих волн считают те условия, когда кривые давления теряют свою симметричность.
При переходном режиме положение узлов и пучностей уже не остаётся постоянным. Происходит их ощутимое горизонтальное перемещение, в то время как при стоячих волнах никакого перемещения вдоль оси опускание по оси х не происходит (только поднятие z).
Радиус кривизны траектории колебательного движения частиц по мере уменьшения глубины над бермой dbr увеличивается, вследствие чего горизонтальные составляющие скорости взрастают. Ввиду этого, высота вскатывания волн на стенку значительно больше, чем при стоячих волнах (высота гребня значительно выше впадины), а скорость при том больше чем при спаде.
48
- характер изменения уровня воды перед стенкой z=f(t)
характер изменения удельного волнового давления p=f(t):
-d dcr; dbr2h – стоячая волна I, II – максимумы давления
III – относительный минимум давления
-d dcr; dbr2h – стоячая волна
-d dcr; dbr2h – переходный тип волны. Максимумы давления в этом случае становятся не равными: max I с уменьшением глубины над бермой увеличивается, а max II –
уменьшается; max I max II .
-d dcr; dbr=0,7h – разбитая волна
-d dcr – прибойная волна
Характер изменения давления во времени
Такое явление наблюдается до глубины над бермой dbr=1,25h. При дальнейшем уменьшении глубины dbr гребни волн в пучностях поднимаются выше и их вершины, воздействие волн на стену сопровождается всплесками нарастающей интенсивности, местным разрушением гребня и
отрывом масс воды при наивысшем подъёме.
Наконец, при глубине dbr=0,7h происходит полное разбивание волны на стенке, т.е. происходит удар разбитых волн о стенку. При полном разбивании волны у стенки давление имеет резко выраженный динамических характер: время нарастания давления сильно уменьшается до 0,005 сек. При этом давление возрастает до 9-10 кг/см2.
Расчёт оградительного сооружения вертикального типа при воздействии разбитых волн следует производить на динамические нагрузки.
При воздействии на вертикальную стенку прибойной волны dbr <0,7h давление носит, как и в случае разбитых волн, динамический характер, однако интенсивность его оказывается меньше, а время действия больше, что определяется значительным содержанием воздуха в виде отдельных пузырьков в разрушающемся гребне прибойной волны.
В случае отражения от вертикальной стенки волн любого типа даже при относительно больших глубинах (стоячие волны) наблюдаются значительные донные скорости, которые могут вызвать опасный размыв основания вблизи сооружения. В результате сооружение может внезапно потерять устойчивость и опрокинуться.
Максимум донных скоростей наблюдается на расстоянии ¼ λ. Если донная скорость будет больше, чем допускаемая для грунтов основания в месте расположения оградительного сооружения
49
необходимо предусмотреть защиту грунтом основания, путём отсыпки защитного слоя (ковра из камня толщиной 1-1,5 м и шириной 0,4λ перед сооружением)
При воздействии волн на оградительное сооружение у нижнего ребра стенки возникает переменное во времени гидродинамическое давление, которое можно рассматривать как переменный напор, вызывающей в каменной постели фильтрационное течение воды (т.е. возникает взвешивающее давление, действующее на подошву сооружения).
Каменная наброска устраивается из крупного материала, поэтому фильтрация будет нелинейной. Однако исследования показывают, что для стоячих волн распределение взвешивающего давления по ширине подошвы стенки мало отличается от линейного и в практике проектирования принимается эпюра волнового взвешивающего давления в виде треугольника с максимальной ординатой, равной ординате эпюры горизонтального давления.
При воздействии на стену разбитых и прибойных волн взвешивающее давление имеет также динамический характер и обусловлено распространением в каменной наброске, поры которой заполнены водой, ударной волны. Однако теоретического исследования того вопроса не производилось, и нормы рекомендуют определять взвешивающее давление исходя из треугольной эпюры и введением коэффициента нелинейности μ=0,7 – 0,9.
Все вертикальные и горизонтальные волновые нагрузки на сооружения вертикального типа от стоячих, разбитых и прибойных волн, а также донные скорости у сооружений необходимо определять в соответствии с рекомендациями СНиП 2.06.04.82* /7/.
В соответствии с рекомендациями /7/ через сооружения вертикального типа на открытой акватории возможно существование 3-х расчётных волновых режима .
1.При глубине пред сооружением db≥1,25h и глубине над бермой dbr≥1,25h расчёт производится на стоячую волну при максимальном горизонте.
2.При глубине до дна db≥1,5h и глубине над бермой dbr<1,25h расчёт производится на разбивающуюся волну при максимальном горизонте (т.к. во время шторма происходит нагон и уровень повышается).
3.При глубине перед сооружением db<dcr расчёт производится на прибойную волну при максимальном горизонте. При этом h-высота бегущей волны.
Зоны воздействия волн на сооружения
Следует отметить, что поскольку достаточно обоснованного метода динамического расчёта воздействия разбитых и прибойных волн на оградительное сооружение нет, то в нормах /7/ расчёт ведётся на условно–эквивалентное статическое давление, т.е. при воздействии реальных динамических
50
(разбитых, прибойных) волн и условно–эквивалентных статических (разбитых, прибойных) волн напряжения в основании будут одинаковы.
Воздействие стоячих волн на сооружения вертикального профиля
Впервые задачу о воздействии стоячих волн на оградительное сооружение решил французский инженер Сенфлу. Затем его соотечественник Миш получил более точное решение. Приблизительно в то же время эта задача была решена в России А.И.Кузнецовым. Для определения давления стоячих волн на оградительное сооружение он исходил (также как и Сенфлу) из общих уравнений гидродинамики идеальной жидкости, но использовал экспериментальные данные, получённые на модели в волновом лотке. В отличие от других методов ход решения А.И.Кузнецова позволяет наглядно показать физическую природу волнового давления и проанализировать причины сложного характера изменения гидродинамического давления стоячих волн во времени.
В результате А.И.Кузнецов получил следующее выражение для определения гидродинамического давления в любой точке жидкости при воздействии стоячих волн на вертикальную стенку:
Р( z,t ) gdz |
dz |
2 dz (t) |
||
z |
z |
z |
z |
z |
|
|
|||
где φ(t) – произвольная функция интегрирования.
В выражении для гидродинамического давления первый член отражает влияние силы тяжести (1); второй член – влияние касательной составляющей силы инерции (2); третий – влияние нормальной составляющей сил инерции (3) (пропорционально квадрату скорости).
Характер изменения составляющих от силы тяжести (1) и сил инерции (2) и (3), а также полного избыточного давления Pz за период волны показан на рис., где:
(1) |
– меняется с частотой волны |
|
синхронно с колебаниями уровня воды у стены; |
||
(2) |
– |
меняется с частотой волны, но в |
противоположной фазе относительно (1); |
||
(3) |
– |
меняется с двойной частотой |
относительно, оставаясь всё время положительным.
Кривая изменения полного избыточного давления
Сумма этих членов даёт кривую изменения избыточного давления Pz с двумя максимумами. Максимумы смещены по времени относительно момента подхода вершины волны к сооружению, что объясняется влияние сил инерции.
Если Сенфлу решил задачу в I – ом приближении, то А.И.Кузнецов учёл члены второго порядка приближения и получил решение во II – ом приближении.
Но наилучшее совпадение с опытными эксперементальными данными даёт решение Н.Н.Загрядской и ГТ.Черможской в третьем приближении /29, 30/. Однако полученные расчётные формулы очень громоздки и не пригодны для практической инженерной деятельности. В связи с этим