ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЛН НА АКВАТОРИЯХ

Федеральное агентство по образованию РФ
Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ имени В.В. Куйбышева)





ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЛН НА АКВАТОРИЯХ

Методические указания к практическим занятиям,
курсовому и дипломному проектированию для специальностей
270104 «Гидротехническое строительство» и 270105
«Городское строительство и хозяйство»









Владивосток 2008

Одобрено методическим советом института
УДК 627.042(083.75)
Сабодаш, О.А., Селивёрстов, В.И. Определение элементов волн на акваториях /О.А. Сабодаш; В.И. Селиверстов. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2008. - 44 с.



Методические указания составлены в соответствии с программой дисциплин «Океанология», «Гидротехнические сооружения водных путей, портов и сооружений континентального шельфа», «Порты и портовые сооружения», утверждённых учебно-методическим управлением по высшему образованию 7 марта 2000 года 12-тех/ДС и учебными планами специальностей 270104 «Гидротехническое строительство» и 270105 «Городское строительство и хозяйство», утверждённых Ученым советом ДВГТУ ______________________.
Методические указания включают основные понятия о ветровых волнах и их особенностях, краткие сведения о волнообразующих факторах и их определении, расчёты элементов ветровых волн на открытых и ограждённых акваториях.

Рецензент: заведующий кафедрой океанологии ДВГУ, д-р геогр. наук, профессор Л.П. Якунин.

Печатается с оригинал-макета, подготовленного авторами.





( О.А. Сабодаш, 2008
( ДВГТУ, изд-во ДВГТУ, 2008
ВВЕДЕНИЕ
Ветровые волны на морях и водохранилищах образуется вследствие наличия сил трения и сложного взаимодействия на границе между воздушным потоком (ветром) и водой. Высоты и длины волн могут быть значительными, а силовое воздействие волн для некоторых типов гидротехнических сооружений (оградительных, берегоукрепляющих) – преобладающим над другими видами нагрузок. Поэтому знания о ветровых волнах и их воздействиях необходимы при проектировании гидротехнических сооружений.
Для определения волновых воздействий на сооружения, а также оценке защищенности акваторий портов необходимо знать расчётные значения основных элементов волн – высот, длин, периодов.
Процесс образования и развития ветровых волн является достаточно сложным. На параметре и вид волн влияют многочисленные факторы, в том числе скорость, направление и равномерность ветра, размеры и конфигурация водной поверхности в плане, глубина воды, рельеф дна и т.д.

ОСНОВЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Здесь приводятся лишь основные понятия, касающиеся ветровых волн и используемые в настоящих методических указаниях.

Профиль и элементы волн
Под профилем волны понимается линия пересечения волновой поверхности с вертикальной плоскостью, совпадающей с направлением распространения волны (рис. 1.1). К профилю волны относятся следующие понятия:
СРЕДНЯЯ ВОЛНОВАЯ ЛИНИЯ – линия, пересекающая запись волновых колебаний так, что суммарные площади выше и ниже этой линии разны: для регулярной волны – горизонтальная линия, проведённая на уровне полусуммы отметок её вершины и подошвы: возвышение средней волновой линии над уровнем покоя определяется выражениями:
Для бегущих волн 13 EMBED Equation.3 1415 , (1.1)
13 EMBED Equation.3 1415
Для стоячих волн: 13 EMBED Equation.3 1415 , (1.2)
где h и
· – соответственно высота и длина бегущей волны;
H – глубина воды;
ГРЕБЕНЬ ВОЛНЫ – часть волны, расположенная выше средней волновой линии;
ЛОЖБИНА ВОЛНЫ - часть волны, расположенная ниже средней волновой линии;
ВЕРШИНА ВОЛНЫ – самая высокая точка гребня волны;
ПОДОШВА ВОЛНЫ – самая низкая точка гребня волны;
ФРОНТ ВОЛНЫ – линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня данной волны;
ЛУЧ ВОЛНЫ – линия, перпендикулярная фронту волны в данной точке (направление распространения волны).
Основными элементами волны являются (рис 1.1):
ВЫСОТА ВОЛНЫ h – превышение вершины волны над соседней подошвой на волновом профиле;
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рис. 1.1 Профиль волны.

ДЛИНА ВОЛНЫ
· – расстояние по горизонтали между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле;
ПЕРИОД ВОЛНЫ
· – время прохождения двух смежных вершин через фиксированный створ
(1.3)
Используются также понятия:
КРУТИЗНА ВОЛНЫ – отношение высоты волны к длине h:
·;
ПОЛОГОСТЬ ВОЛНЫ – величина, обратная крутизне
·:h; относительная крутизна волны
· и относительная глубина воды
·:
13 EMBED Equation.3 1415 (1.4)
ЧАСТОТА ВОЛНЫ 13 EMBED Equation.3 1415и ВОЛНОВОЕ ЧИСЛО k :
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415 (1.5)
СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛНЫ с – скорость перемещения гребня волны в направлении её распространения:
13 EMBED Equation.3 1415 (1.6)

Расчётные элементы волн
Интенсивность волнения на акватории зависит от многих факторов. Максимальные элементы волн и, соответственно, максимальные волновые нагрузки на сооружение, имеют место в штормовые периоды, характеризующиеся наиболее сильными ветрами. Очевидно, что при проектировании портов и гидротехнических сооружений нагрузки необходимо определять от воздействия волн, образующихся при шторме определённой силы. В связи с этим вводится понятие расчётного шторма.
Расчётный шторм – шторм, при котором наблюдается интенсивное ветровое волнение один раз в течении заданного числа лет nt. Интенсивность волнения оценивается средней высотой волн 13 EMBED Equation.3 1415. Чем ответственнее сооружение, т.е. чем выше его класс капитальности, тем более сильным принимается расчётный шторм (тем реже он повторяется).
Повторяемость расчётного шторма – величина, обратная заданному числу лет nt , в течение которых происходит один расчётный шторм. Чем выше класс капитальности сооружения, тем меньше повторяемость расчётного шторма (табл. 1.1).
Таблица 1.1
Расчётные значения повторяемостей и обеспеченностей расчётного шторма
Классы сооружений
nt, лет
Повторяемость расчётного шторма, 13 EMBED Equation.3 1415
Обеспеченность расчётного шторма, %

I и II
50
0,02
2

III и IV
25
0,04
4


Обеспеченность расчётного шторма означает выраженное в процентах от ста число штормов заданной силы (расчётных штормов), возможных в течении 100 лет. Например, если расчётный шторм возможен один раз в 25 лет (nt=25лет), то обеспеченность расчётного шторма составляет 4%, для наиболее ответственных морских гидротехнических сооружений допускается принимать обеспеченность расчётного шторма, равной 1%.
Ветровые волны, образующиеся и распространяющиеся на акватории, в действительности являются нерегулярными. Если рассмотреть некоторое число последовательно движущихся волн (например, при расчётном шторме), то можно заметить, что каждая из этих волн имеет свои элементы (высоту, длину, период), отличные от соответствующих элементов других волн.
Расчётная высота волны. В качестве расчётной высоты волны принимается ток называемая высота волны определённой обеспеченности в системе. Под обеспеченностью данной высоты волны в системе волн понимается число волн из ста последовательно бегущих волн (при расчётном шторме), высота которых больше и равна заданной. Например, в числе 100 подряд бегущих волн имеют место пять волн с высотами, большими или равными 5,5 метров. Это значит, что обеспеченность волны высотой 5,5 м в данной системе волн составляет 5%. Если среди тех же 100 волн две волны имеют высоты, большие или равные 6 м, то обеспеченностью волн высотой 6 м в данной системе составляет 2%.
Величины расчётных обеспеченностей высот волн в системе для целей морского гидротехнического строительства принимается в соответствии с табл. 1.1. Пересчёт высот с одного на другой процент обеспеченности или со средней высоты h волн на высоту hi волны i-ой обеспеченности производится в соответствии с п.2.1.
Расчётные длина и период волны. В качестве расчётной принимается средняя длина волны13 EMBED Equation.3 1415. Для сквозных сооружений определяется максимальное воздействие волн для изменения длины волны в пределах от 0,813 EMBED Equation.3 1415 до 1,413 EMBED Equation.3 1415, дающей наибольшее значение волновой нагрузки на сооружение. Здесь 13 EMBED Equation.3 1415 - средняя длина волн в системе из ста волн при расчётном шторме.
Расчётный период
· волн определяется через расчётную длину волн
· по формуле (1.3).
1.3 Расчётные уровни воды
Силовое воздействие волн на сооружение зависит не только от величин элементов волн, но также и от уровня воды. На акваториях в той или иной мере происходят колебания уровней вследствие нагонов или сгонов воды, приливно-отливных колебаний и др. При проектировании назначается расчётный уровень – уровень воды, при котором определяется силовое воздействие волн, отметки и габариты сооружения.


Таблица 1.2
Значения расчётных обеспеченностей i высот волн в системе [1]
№№
п/п
Цель применения
Обеспечен-ность
i, %
Примечания

1
Прочность и устойчивость ГТС



1.1
Вертикального профиля
1


1.2
Откосного профиля с креплением: бетонными плитами


каменной наброской, обыкновенными или фасонными массивами
1




2


1.3
Сквозные сооружения и отдельно стоящие опоры:
I класса
II класса
III, IV классов





1




5




13


1.4
Берегоукрепительные
I,II классов
III,IV классов





1




5


1.5
Заякоренные плавучие сооружения
5


2
Определение защищенности портовых акваторий
5


3
Определение наката волн
1


4
Высотные отметки сквозных сооружений
0,1
при соответст-вующем обосновании


Максимальный расчётный уровень воды необходимо принимать согласно требованиям СНиП на проектируемые сооружения [1]. При определении нагрузок и воздействий на гидротехнические сооружения обеспеченности расчетных уровней должны быть не более: для сооружений I класса – 1% (1раз в 100 лет), II и III класса – 25% (1 раз в 20 лет), а для IV класса -10 % (1 раз в 10 лет) по наивысшим годовым уровням в безледный период.
Для берегоукрепительных сооружений в безливных морях обеспеченности расчётных уровней необходимо принимать:
по наивысшим годовым уровням – подпорных гравитационных стен (волнозащитных) II класса – 1%; III класса – 25%; для искусственных пляжей с защитными сооружениями (буны, подводные волноломы IV класса) - 50%.
Для определения расчётного уровня используются данные статистической обработки многолетних (не менее 25 лет) наблюдений за максимальными уровнями воды в расчётной точке. Допускается пользоваться данными замеров в расчётной точке за менее короткий срок, но в этом случае необходимо учитывать данные долгосрочных наблюдений в близлежащих районах.
Для предварительных оценочных расчётов в качестве расчётного может быть принят уровень, возвышения Z которого над средним многолетним определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415, (1.7)
где А – величина сизигийного прилива ( для безливного моря А = 0);

·hset – высота ветрового нагона.
Величина А принимается по данным натурных наблюдений с использованием результатов измерений в близлежащих пунктах побережья. Высота ветрового нагона
·hset определяется по данным натурных наблюдений, а при их отсутствии (без учёта конфигурации береговой линии и при постоянной глубине дна H) - по формуле
13 EMBED Equation.3 1415, (1.8)
где (w - угол между продольной осью водоема и направлением ветра, град;
W - расчетная скорость ветра, м/с;
D - разгон, м;
Kw - коэффициент, принимаемый по таблице 1.3.
Таблица 1.3
Зависимость коэффициента Kw от скорости ветра
W м/с
20
30
40
50

Kw *106
2,1
3,0
3,9
4,8


Высотные отметки сооружений определяются с учётом обеспеченностей, как максимальных уровней воды, так и максимальных скоростей ветра.

1.4 Трансформация волн при подходе к берегу
Схема трансформации волн при подходе к берегу показана на рис 1.2.

Рис. 1.2 Схема трансформации волн на мелководье:
1-1 – створ первого обрушения волн; 2-2 – створ последнего обрушения волн.
Можно выделить четыре характерные зоны:
ЗОНА 1 (глубоководная) с глубинами 13 QUOTE 1415 ЗОНА 2 (мелководная) с глубинами 13 EMBED Equation.3 141513 QUOTE 1415; ЗОНА 3 (прибойная) с глубинами 13 QUOTE 1415; ЗОНА 4 (приурезовая) с глубинами 13 QUOTE 1415 . Здесь H - глубина воды в рассматриваемом створе; 13 EMBED Equation.3 1415 - средняя длина волны на глубоководье; Hkp – критическая глубина, где происходит первое обрушение волн; индексом «r» обозначаются элементы волн в глубоководной зоне, чертой сверху – средние величины элементов волн. В зонах 1 и 2 имеют место бегущие волны. Трансформация волн начинается с глубины 13 EMBED Equation.3 1415. Волны в мелководной зоне 2 характеризуются меньшими по сравнению с волнами зоны 1 длины, иными высотами волн; траектории движения частиц воды близки к эллипсам (в глубоководной зоне 1- к окружности).
При уменьшении глубины воды до Hкp образуются уже прибойные волны, характеризующиеся несимметричностью, обрушением гребней, наличием поступательного движения воды. Далее в приурезовой зоне 4 волны разрушаются, образуя поступательные, накатывающие на береговой откос потоки воды.

ВОЛНОБРАЗУЮЩИЕ ФАКТОРЫ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЛН НА ОТКРЫТЫХ АКВАТОРИЯХ

Различают простые и сложные условия волнообразования. Простые условия имеют место при простой конфигурации берега и однородном поле скоростей ветра. Сложные условия волнообразования предполагают сложную конфигурацию береговой черты или неоднородность поля скоростей ветра.
2.1 Определение элементов волн при простых условиях волнообразования

Акватория с простой конфигурацией – такая, для которой отношение лучей самого длинного к самому короткому, проведённых в секторе 13 QUOTE 1415 от расчётного направления ветра (до противоположного берега, острова и пр.), не превышает двух. При этом не учитывается препятствия. Угловой размер которых не менее 25,50. Поле ветра считается однородным, если по длине акватории в направлении расчётного ветра его скорости в фиксированный момент времени практически одинаковы (отличается не более чем на 5 м/с).
Расчётные элементы ветровых волн определяется в зависимости от скоростей 13 QUOTE 1415 ветра расчётного шторма, продолжительность t действия ветра расчётного шторма, разгона D по волноопасному направлению глубины H воды на акватории.
Скорость W ветра расчётного шторма. Величина W определяется путём статистической обработки данных многолетних наблюдений. Сводные данные о ветрах опубликованы в различных справочниках. Если располагают полными данными о ветрах за период времени nt, течении которого имеет место расчётный шторм, то в качестве расчётной скорости ветра принимают максимальную наблюдаемую скорость за этот период по волноопасному направлению.
Если имеются данные многолетних периодических наблюдений за ветром в течение сроков, меньших nt, то расчётную скорость ветра определяют с использованием так называемой «клетчатки вероятностей» (рис 2.1).
Под клетчаткой вероятностей понимается графическая зависимость F=f(W) , где F – интегральная повторяемость скоростей ветра по данному румбу, %; W – величина скорости ветра, м/с.



Рис.2.1 Клетчатка вероятностей

Интегральная повторяемость F есть отношение числа замеров, при которых наблюдалась скорость, меньшая или равная заданному значению скорости, к общему числу производственных замеров.
Клетчатка вероятностей строится для каждого волноопасного румба. Смысл построений следующий. Так как данных измерений по времени не достаточно, расчётная скорость должна определяться с использованием экстраполяции, (экстраполяция – нахождение по некоторым известным значениям функции её значений за пределами известного интервала). Задача сводится к построению на клетчатке вероятностей прямой, отображающей зависимость интегральной повторяемости F (%) от скоростей ветра по данному румбу, и нахождению скорости W ветра расчётного шторма как абсциссы некоторой точки на этой прямой (см. ниже).
Точки, по которым строится прямая на клетчатке вероятностей, находятся следующим образом. На оси абсцисс откладывается ряд определенных значений скоростей ветра с заданной скоростью. Далее по найденным точкам строится прямая на клетчатке вероятностей, и скорость ветра расчётного шторма W находится как абсцисса точки на прямой со значением интегральной повторяемости ветра, равной [1]:
13 EMBED Equation.3 1415 (%), (2.1)
где t – время действия расчётного шторма, час. (см.ниже); N - число дней наблюдений в году за безледный период; nt – заданное число лет (табл.1.1);
р – повторяемость данного волноопасного направления ветра среди других направлений, выраженная в долях единицы.
Данные измерений ветра для большинства районов территории нашей страны, включая побережья, опубликованы в «Справочнике по климату СССР» [3].
Данные о скоростях ветра в [3] получены путём измерения скоростей ветра флюгером. При расчётах элементов волн используются величины скоростей W ветра, замеренные анемометром.
Кроме того, если скорость ветра замерены по высоте над уровнем моря Z
·10, то они пересчитываются. Расчётная скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью водоёма W, м/с, определяется по формуле:

W=kfkzwz , (2.2)

где wz - скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью земли (водоема), соответствующая 10-минутному интервалу осреднения и обеспеченности, принимаемой по табл.1.1; kz – коэффициент проведения скорости ветра к условиям водной поверхности для водоемов с характерной протяженностью до 20 км, принимаемый: равный единице при измерении скорости ветра wz над водной поверхностью, над ровной песчаной (пляжи, дюны, и пр.) или покрытой снегом местностью; по таблице 2.1 – при измерении скорости ветра над местностью типа А, В или С, устанавливаемого в соответствии с требованиями СНиП на ветровые нагрузки и дополнениями к нему [5]; kf – коэффициент пересчёта данных по скоростям ветра, измеренным по флюгеру, принимаемый по формуле kf = 0,675 + 45/Wz , но не более 1.
Продолжительность t действия ветра. Величина t определяется на основе статистической обработке данных многолетних наблюдений в периоды, когда нет ледового покрова. При отсутствии таких данных величину t в приближенных расчётах допускаются принимать равной [1]: для водохранилищ и озёр – 6 час., для морей – 12 час,. для океанов – 18 час.

Таблица 2.1
Значение коэффициента kz при типе местности
Скорость ветра Wz, м/с
А
В
С

10
1,1
1,3
1,47

15
1,1
1,28
1,44

20
1,09
1,28
1,42

25
1,09
1,25
1,39

30
1,09
1,24
1,38

35
1,09
1,22
1,36

40
1,08
1,21
1,34


Разгон D волн. Величина D определяется по карте для каждого из волновых румбов как расстояние до данной точки от противоположного берега, области с ледовым покровом или от границы штормовой зоны. Разгон измеряется в направлении против ветра. Для каждого из волноопасных направлений принимается своё значение разгона.
При предварительном определении элементов волн среднее значение разгона (м) для заданной расчётной скорости ветра W, м/с допускается определять по формуле:
13 QUOTE 1415 , (2.3)
где k – коэффициент принимаемый равным 5*1011 ; 13 QUOTE 1415 - коэффициент кинематической вязкости воздуха, принимаемый равным 10-5 м2/с.
Значения предельного разгона Dn , м, допускается принимать по табл. 2.2 для заданной расчётной скорости ветра W, м/с.

Таблица 2.2
Значения предельного разгона Dn при заданной
расчётной скорости ветра W, м/с
Скорость ветра W, м/с
20
25
30
40
50

Значения предельного разгона Dn 10-3, м
1600
1200
600
200
100


Определение элементов волн в глубоководном и мелководном бассейнах (акваториях). Средние высота 13 EMBED Equation.3 1415и период 13 EMBED Equation.3 1415 волн определяются по графикам рис.2.2. Для глубоководного бассейна (или зоны 13 QUOTE 1415) используется верхняя огибающая кривая, для мелководного бассейна (и мелководной зоны при уклоне дна 0,001 и менее) – кривые с соответствующим значением gH/W2.
Определение величин 13 QUOTE 1415 и 13 QUOTE 1415 при известных t, W, D. Производится следующим образом (рис 2.2). Вычисляются безразмерные отношения gt/W и gD/W2 и откладываются на осях абсцисс (их две, ось gt/W смещена вниз для наглядности). Если найденная точка на оси gt/W расположена левее соответствующей точки на оси gD/W2, то волнение считается развивающимся, в противном случае – установившимся. Для случаев развивающегося волнения используется ось абсцисс gt/W, для установившегося - ось gD/W2.
После установления типа волнения (установившегося или развивающегося) на соответствующей кривой с полученным значением gH/W находится точка gt/W или gD/W2 . Далее находятся ординаты этой точки на левых осях (условно смещённых). По найденным значениям 13 QUOTE 1415 и 13 QUOTE 1415 13 QUOTE 1415 определяются величины 13 QUOTE 1415 и 13 QUOTE 1415. Ход определения величин 13 QUOTE 1415 и 13 QUOTE 1415 на рис.2.2. показан пунктиром.
Средняя длина волн 13 QUOTE 1415 на глубокой воде 13 QUOTE 1415) определяется по формуле [1]:
13 QUOTE 14152 (2.4)
Для мелководного бассейна зависимость между 13 QUOTE 1415 и 13 QUOTE 1415 имеет вид зависимости, приведенной в графическом виде на рис 2.3.
После определения средней высоты ветровых волн 13 QUOTE 1415 может быть найдена высота волны hi i-ого процента обеспеченности. Расчетные значения обеспеченностей принимаются в зависимости от класса сооружения и вида расчёта по табл. 1.2. Величина hi находится по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415, (2.5)
где ki - коэффициент перехода.
Значение коэффициентов ki определяются по графикам на рис.2.4. для глубоководных акваторий следует пользоваться осью абсцисс gD/W2. Для мелководных бассейнов (акваторий) используется та из осей gD/W2 и gН/W2, для которой вычисленное значение лежит левее соответствующих значений на других осях.

Рис.2.2 График определения элементов ветровых волн в глубоководной и мелководной зонах.
2.2 Определение элементов волн при сложных условиях волнообразования
Элементы волн зависят от многих факторов, основными из которых являются конфигурация береговой полосы и неоднородность поля скоростей ветра. Обычно учитывается один или оба эти фактора.
Средняя высота волны 13 QUOTE 1415 при сложной конфигурации береговой черты (без учёта неоднородностей поля ветра) рассчитывается по формуле [2]:
13 EMBED Equation.3 141513 QUOTE 1415, (2.6)
где 13 QUOTE 1415, м при (n=0;±1; ±2; ±3;) –средние высоты волн, которые должны приниматься согласно рис.2.2 по расчётной скорости ветра и проекциям лучей Dn, м на направление главного луча, совпадающее с направлением ветра. Лучи проводятся из расчётной точки, до пересечения с линией берега с интервалом 22,5( от главного луча.
Средний период волн определяется по безразмерной величине 13 QUOTE 1415, которая принимается согласно рис 2.2. при известной безразмерной величине 13 QUOTE 1415, средняя длина волн – по формуле (2.4).
Для учёта неоднородности поля скоростей ветра служат синоптические карты. Скорость ветра находится по градиенту атмосферного давления, широте расчётной точки, а также по разности температур воздуха, кривизне изобар и др.














Рис.2.3 Зависимость между периодом и длиной волны для мелководного бассейна.

Рис.2.4 График значений коэффициента ki для расчёта волн i-ой обеспеченности.
2.3 Определение элементов трансформированных волн

При распространении ветровых волн из глубоководной зоны в мелководную, т.е. к берегу, в условиях уменьшающихся глубин происходят явления трансформации и рефракции, сопровождающиеся потерями энергии. Высоты и длины волн изменяются, а периоды практически остаются постоянными.
Трансформация волны – это явление переформирования профиля и изменения элементов волн на мелководье вследствие действия дна.
Рефракция волн – это явление разворота фронта волн параллельно изобатам вследствие зависимости скорости распространения волн от глубины.
Влияние трансформации и рефракции на изменение элементов волн учитывается раздельно введением соответствующих коэффициентов.
Высота трансформированной волны i-го процента обеспеченности в мелководной зоне с уклонами дна 0,002 и более определяются по формуле

13 QUOTE 1415 , (2.7)

где kr – коэффициент трансформации волны; 13 QUOTE 1415 - коэффициент рефракции волны; 13 QUOTE 1415 - обобщенный коэффициент потерь; 13 EMBED Equation.3 1415- высота исходящей волны i %-ной обеспеченности.
Высота исходной i%-ной обеспеченности 13 EMBED Equation.3 141513 QUOTE 1415: для глубоководных бассейнов принимается равной высоте волны на глубоководье при 13 QUOTE 1415, для мелководных – высоте волны в створе, с которого начинается уменьшение глубины.
Коэффициент трансформации 13 QUOTE 1415в формуле (2.4) определяется по кривой на рис.2.5 как ордината (на левой оси) точки этой кривой с абсциссой 13 QUOTE 1415 (здесь Н – глубина воды в рассматриваемом створе).
Коэффициент рефракции 13 QUOTE 1415 находится с использованием плана рефракции. Под планом рефракции понимается план участка акватории с нанесением на нем лучами волн. Для построения используются графики рис. 2.6, там же дан ключ к этим графикам.
Пример построения плана рефракции показан на рис. 2.6. Предварительно на план акватории наносятся параллельные друг другу лучи исходных волн (расстояния между лучами принимаются равными (1ч2) 13 QUOTE 1415). Каждый луч плана рефракции строится отдельно. Искривление луча начинается с изобаты 13 EMBED Equation.3 1415. В зависимости от угла
·i подхода луча к i-той изобате, а также отношения для следующей изобаты i-1 по рис. 2.6 находится значение угла 13 EMBED Equation.3 1415 отклонения луча от первоначального направления (в сторону меньших глубин). Точка пересечения этого направления луча с последующей изобатой дает точку луча волны с учетом рефракции. Далее, опять в зависимости от угла между новым направлением луча и изобатой i-1 и отношения , для изобат i-1 и i-2 находится новое значение угла отклонения луча волны и т.д.
Построение производится до границы проектируемого сооружения, но не далее границы прибойной зоны.
В случае, если луч волны и изобаты почти параллельны (
·>80(), то вышеизложенный метод неприемлем, так как резко снижается точность построения. Порядок определения углов поворота (
·i луча волны в этом случае следующий. Интервал между изобатами делится поперечными линиями на ряд отсеков (рис. 2.7). Расстояния между границами отсеков R берутся кратными расстоянию между изобатами J в этом отсеке. Далее определяются скорости гребней волны на рассматриваемых изобатах по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 , (2.8)
где H – глубина на изобате, м; k – волновое число.
Для соотношения скоростей на изобатах 13 EMBED Equation.3 1415 и безразмерного соотношения 13 EMBED Equation.3 1415в каждом отсеке по графикам на рис. 2.8 определяется угол поворота луча волны. Луч проводят до середины отсека с поворотом на 13 EMBED Equation.3 1415. Построение повторяется до тех пор, пока
· не станет меньше 80(.
Величина коэффициента рефракции kр в формуле (2.7) равна

13 EMBED Equation.3 1415, (2.9)
где S0 – расстояние между двумя смежными, построенными на плане рефракции лучами на глубоководье; S – кратчайшее расстояние между теми же лучами плана рефракции в расчетной точке.
Обобщенный коэффициент потерь kп принимается по табл. 2.3 в зависимости от уклона дна i и величины отношения .
Длина трансформированной волны. Длину трансформированной волны необходимо определять по рис. 2.9 при заданных безразмерных величинах 13 QUOTE 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415. Период волн принимается равным периоду в глубоководной зоне.
Вычисление вершины волны 13 EMBED Equation.3 1415 под расчётным уровнем определяется по рис. 2.10 в зависимости от величин 13 QUOTE 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415.


Рис.2.5 График для определения коэффициента трансформации и критической глубины.



Рис.2.6 Схема и график для построения плана рефракции.


Рис.2.7 Построение дифрагированного луча волны при
·>80(.



Рис. 2.8 Зависимость угла поворота от 13 EMBED Equation.3 1415

Критическая глубина Нкр. Критическая глубина при первом обрушении определяется для заданных уклонов дна по графикам 2,3 и 4 рис. 2.5 для каждого значения рис.2.5 методом последовательного приближения.
Для различных глубин Н по формуле (2.7) определяется 13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415, затем по графикам 2,3 и 4 рис.2.5 для каждого значения 13 EMBED Equation.3 1415 снимается 13 EMBED Equation.3 1415и определяется Нкр, из которых принимается та Нкр, которая численно совпала с одной из задаваемых глубин Н.
Таблица 2.3
Обобщенный коэффициент потерь и зависимости от уклона дна
Относительная глубина 13 EMBED Equation.3 1415
Значение коэффициента 13 QUOTE 1415 при уклонах дна i


0,025
0,02(0,002

0,01
0,82
0,66

0,02
0,85
0,72

0,03
0,86
0,76

0,04
0,89
0,78

0,06
0,9
0,81

0,08
0,92
0,84

0,1
0,93
0,86

0,2
0,96
0,92

0,3
0,98
0,95

0,4
0,99
0,98

0,5 и более
1,0
1,0

При уклоне дна 0,03 и более следует принимать 13 QUOTE 1415 = 1.

На критической глубине при первом обрушении заканчивается мелководная зона и начинается прибойная.



Рис.2.9 График для определения значений в мелководной и 13 EMBED Equation.3 1415 в мелководной и 13 EMBED Equation.3 1415 в прибойных зонах



Рис. 2.10 График для определения 13 EMBED Equation.3 1415
Определение элементов волн в прибойной зоне

Высота волны. Высота волны в прибойной зоне 13 EMBED Equation.3 1415,м, определяется для заданных уклонов дна i по графикам 2, 3, и 4(рис.2.5). По безразмерной величине 13 EMBED Equation.3 1415 с графика снимается значение 13 EMBED Equation.3 1415, с помощью которого определяется 13 EMBED Equation.3 1415.
Длина волны. Длина волны в прибойной зоне 13 EMBED Equation.3 1415,м, определяется по графику на рис.2.9. По безразмерной величине13 EMBED Equation.3 1415 с графика по верхней огибающей кривой снимается значение 13 EMBED Equation.3 1415, с помощью которого определяется 13 EMBED Equation.3 1415.
Превышение волны над расчётным уровнем 13 EMBED Equation.3 1415, м, определяется по графику на рис.2.10. По безразмерной величине 13 EMBED Equation.3 1415 с графика по верхней огибающей кривой снимается значение 13 EMBED Equation.3 1415, с помощью которого определяется 13 EMBED Equation.3 1415.
Критическая глубина Нкр.п Критическая глубина, на которой произойдёт последнее обрушение волн при постоянном уклоне дна, определяется по формуле [1]:
13 EMBED Equation.3 1415, (2.10)
где 13 EMBED Equation.3 1415 - коэффициент, принимаемый по табл.2.4; n - число обрушений (включая первое), принимается из ряда n= 2,3,4 при выполнении неравенств 13 EMBED Equation.3 1415.
При определении глубины последнего обрушения Нкр.п коэффициент kn или произведение коэффициентов не должны приниматься менее 0,35. При i>0,005 Нкр.п=Нкр. На критической глубине последнего обрушения заканчивается прибойная зона.

Таблица 2.4
Зависимость коэффициента 13 EMBED Equation.3 1415 от уклона дна i
Уклон дна i
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0,04
0,045
0,05

Коэффициент13 EMBED Equation.3 1415
0,75
0,63
0,56
0,5
0,45
0,42
0,4
0,37
0,35


3 ветровые волны на огражденных акваториях

3.1 Общие положения

Необходимый волновой режим на незащищенной или частично защищенной акватории обеспечивается возведением отдельных оградительных сооружений или их комплексом (например, рис.3,1; рис.3.2; рис.3.3, рис.3.4).
Исходными для расчёта волнового режима на ограждённой акватории принимаются волны, подходящие ко входу в порт с моря, в зоне, где на характер волнения оградительные сооружения еще не оказывают влияния. Параметры исходных волн у входа в порт определяются в соответствии с разделом 2 с учётом того, в какой зоне расположены головы оградительных сооружений (вход в порт).
Распространяясь на ограждённую акваторию, волна дифрагирует. Дифракцией называется явление огибания волнами препятствий. Проходя через щель (вход в порт), волны рассеивают часть энергии по всему пространству за линией входа. Здесь используются понятия волновой тени и её границы. Под волновой тенью понимается часть акватории, защищенная от непосредственного воздействия волн в направлении луча исходн6ой волны. Граница волновой тени - прямая, проведенная на плане акватории через крайнюю точку головы оградительного сооружения в направлении луча исходной волны.
В расчётном отношении всё варианты ограждения портовых акваторий от ветровых волн могут быть сведены к трём:
Одиночным молом;
Сходящимся молам;
Волноломом.
На огражденной акватории возможн6о образование нескольких систем волн. К ним можно отнести дифрагированные и отраженные, от гидротехнических сооружений и крутых берегов, а также волны от внутреннего разгона и соответствующие им отражения волн. Все они могут изменить свои параметры из-за влияния дна. Поэтому высота волны i%-ной обеспеченности в любой точке акватории с учётом трансформации и рефракции определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415, (3.1)
где hdi - высота волны i%-ной обеспеченности в i-ой точке акватории, м; kТ - коэффициент трансформации в i-ой точке kр - коэффициент рефракции в i-той точке; kdi- коэффициент дифракции в i-ой точке; hi0 - высота волны i-ой обеспеченности на входе в акваторию, м.
Волна, распространяясь от входа в акваторию, доходит до преград и отражается от них. В связи с этим высоту дифрагированой волны в i-ой точке с учётом её отражения от преград необходимо определять по формуле [1]:
13 EMBED Equation.3 1415 , (3.2)
где hdi,r - высота волны в i-ой точке акватории с учётом отражения от преград, м; kr - коэффициент, учитывающий отражение от преград.
Коэффициент, учитывающий отражение от преград, определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415, (3.3)
где kd0 - коэффициент в створе отражающей поверхности; kr0 и kp0 -коэффициенты, определяемые по табл.3.1 [1];
·r - угол между фронтом волн и отражающей поверхностью, град.; 13 EMBED Equation.3 1415 - относительное расстояние от ограждающей поверхности до расчётной точки по лучу отраженной волны; при этом направление луча отраженной волны должно приниматься из условия равенства углов подхода и отражения волн; kr,i - коэффициент отражения, принимаемый по табл.3.2.

Таблица 3.1
Коэффициенты kr0 и kp0
Конструкция крепления откоса
относительная шероховатость r/h1%
kr0
kp0

Бетонные (железобетонные) плиты
-
1
0,9

Гравийно-галечниковое,
каменистое или крепление
бетонными (железобетонными)
блоками


Менее 0,002
1
0,9


0,005+0,01
0,95
0,85


0,02
0,9
0,8


0,05
0,8
0,7


0,1
0,75
0,6


Более 0,2
0,7
0,5


Примечание. Характерный размер шероховатости r, м, принимается равным среднему диаметру зерен материала или среднему размеру бетонных (железобетонных) блоков.


Таблица 3.2
Коэффициент 13 EMBED Equation.3 1415 в зависимости от пологости волны и уклонов отражающей поверхности
Пологость волны 13 EMBED Equation.3 1415
Значения 13 EMBED Equation.3 1415 при уклонах отражающей поверхности


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
018

На акваториях с постоянной или большой глубиной (13 EMBED Equation.3 1415) можно считать, что длина волны равна длине на входе в акваторию, а трансформации и рефракции нет, следовательно
13 EMBED Equation.3 1415 (3.4)
На угле наклона отражающей поверхности к горизонту более 450 следует принимать коэффициент отражения kr,i=1.
Результаты расчёта высот на огражденной акватории представляется в виде планшетов с нанесенными на план акватории линиями равных высот волн.

3.2 Волновой режим на акватории, огражденной одиночным молом

Определение волнового режима для какого-то волноопасного направления производится в следующей последовательности:
- на плане акватории наносятся направления лучей дефрагированых волн без учёта рефракции и трансформации и определяются коэффициенты kg в расчётных точках акватории;
- показываются положения лучей дифрагированных волн с учётом рефракции и находятся коэффициенты рефракции kp, коэффициенты трансформации волн kr, обобщенные коэффициенты потерь определяются только при специальном обосновании, обычно принимается kp = kr=13 EMBED Equation.3 1415=1,0;
- по формуле (3.1) рассчитываются высоты hd,i дифрагированных волн и строятся линии равных высот волн;
- по формуле (3.2) рассчитывается высота hdi,r отраженных волн;
- определяются высоты волн от внутреннего разгона и соответствующих отраженных волн;
- находятся расчётные высоты hр волн как суммы высот прямых и отраженных волн.
Некоторые причалы порта могут не находиться под защитой оградительного сооружения и для них необходимо определять высоту волны без учёта дифракции. Считается, что причалы находятся под защитой оградительного сооружения, если они находятся в зоне защиты. Зона защиты оградительного сооружения ограничена самим оградительным сооружением, границей дифракции волн (ГДВ) и той частью причального фронта, которая н6аходится между оградительным сооружением и границей дифракции (рис.3.1). Положение каждой точки границы дифракции определяется 2-мя координатами l и r (рис.3.1). Построение границы дифракции производится следующим образом. Для расчётного фронта волны, характеризующегося величиной r , определяется 13 EMBED Equation.3 1415, по которой определяется величина l .
Высота волны акватории, огражденной одиночным молом, определяется либо по формуле (3.1), либо по формуле (3.2). Коэффициент дифракции в зоне защиты акватории молом определяется в следующем порядке (рис. 3.2).
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 3.1 Акватория, огражденная одиночным молом


Рис. 3.2 Схема и график для определения коэффициента дифракции на акватории, огражденной одиночным молом.

Для намеченной точки, в которой определяется коэффициент дифракции, определяются координаты 13 EMBED Equation.3 1415 и r .
При полученном угле 13 EMBED Equation.3 1415, град, и относительном расстоянии от головы мола до точки r/13 EMBED Equation.3 1415 и значении угла 13 EMBED Equation.3 1415, град, определяют коэффициент дифракции в соответствии со схемой и графиком рис.3.3 согласно штриховой линии со стрелкой.

3.3 Волновой режим на акватории, огражденной двумя сходящимися молами

В этом случае также необходимо определить зоны защиты каждого их сходящихся молов (рис.3.3). Зона защиты первого мола ограничена самим молом, причальным фронтом от точки В1 до точки Вгл , главным лучом от точки Вгл до точки В и границей дифракции волн (ГДВ) от точки В до головы первого мола. Зона защиты второго мола ограничена самим молом, причальным фронтом от точки В2 до точки Вгл , главным лучом от точки Вгл до точки В и границей дифракции волн (ГДВ2) от точки В до головы второго мола. Точка В находится на пересечении границ дифракции. Границы дифракции строятся как для одиночных молов. Главный луч строится по точкам с использованием координат х, которые откладываются от границы волновой тени (ГВТ) мола с меньшим углом 13 EMBED Equation.3 1415, град, координаты х определяются по формуле [1]:
13 EMBED Equation.3 1415, (3.5)
где х - расстояние от главного луча до границы волновой тени, принадлежащей молу с меньшим углом 13 EMBED Equation.3 1415, м; l1 - расстояние, измеряемое по перпендикуляру к ГТВ от ГВТ первого мола до точки пересечения фронта волны, проходящего через точку х, с границей дифракции первого мола, м; la1 и la2 - коэффициенты, принимаемые в соответствии со схемой и графиком рис.3.4; в - ширина входа в порт, принимаемая равной проекции расстояния между головами молов на фронт исходной волны, м; l2 - расстояние, измеряемое по перпендикуляру к ГВТ, от ГВТ второго мола до точки пересечения фронта волны, проходящего через точку х, с границей дифракции второго мола, м.




Рис.3.3 Схема для построения главного луча.

Рис.3.4 Схема и график для определения величин l и l0.

Рис.3.5 График для определения коэффициента сходимости 13 EMBED Equation.3 1415
Высота волны на акватории, огражденной сходящимися молами, определяется по формуле (3.1) или (3.2). Коэффициент дифракции для i-той точки определяется в следующем порядке.
Через точку i (рис.3.2) циркулем из головы мола (в данном случае из головы первого мола, так как точка i находится в зоне защиты первого мола) проводится линия, которая является фронтом волны. Фронт волны проводится до пересечения с гвт принадлежащей тому молу, из головы которого проводится фронт волны. Из точки пересечения гвт и фронта волны опускается перпендикуляр до пересечения с главным лучом. На пересечении главного луча и перпендикуляра находится точка xi .
Для точки xi определяется величина dc по формуле [1]:
13 EMBED Equation.3 1415 , (3.6)
где l1 - расстояние, измеряемое по перпендикуляру и ГВТ, и опущенному из точки пересечения ГДВ, с фронтом волны, проходящим через точку i ,м; l2 - расстояние, измеренное по перпендикуляру к ГДВ2 с фронтом волны, проходящим через точку i ,м; b - ширина входа в порт, м.
Для точки xi определяется коэффициент дифракции kd,.ср как для одиночного мола согласно схеме и графикам, приведённым на рис.3.2.
По величинам di и kd,ср, определённым для точки xi в соответствии с графиком на рис.3.5, определяется коэффициент 13 EMBED Equation.3 1415.
Коэффициент дифракции для i-той точки определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415 , (3.7)
где 13 EMBED Equation.3 1415 коэффициент дифракции в i-той точке акватории, огражденной сходящимися молами; 13 EMBED Equation.3 1415 - коэффициент дифракции в i-той точке акватории, определённый как для одиночного мола, в зоне защиты которого находится i-тая точка; 13 EMBED Equation.3 1415 - коэффициент сходимости.
Возможно ситуация, когда голова одного из молов размещена в зоне защиты другого мола (рис.3.6). В этом случае часть акватории защищена первым молом, а другая часть - вторым. Задача заключается в том, что необходимо очертить зоны защиты и определить, от какой волны будет защищать второй мол свою часть акватории. Высоту волны, подходящей к голове второго мола. Следует определять как на акватории, защищенной первым молом, считая его одиночным, в точке с координатами головы второго мола. Направление фронта волны, подходящей к голове второго мола, определяется линией соединяющей головы молов. После построения границ дифракции для обоих молов определяется зона защиты. Зона защиты второго мола ограничена линиями ВЕ, ED, DB (рис. 3.6). Зона защиты первого мола ограничена линиями AC, CB, DB, DF, FA (рис. 3.6).




Рис.3.6 Схема для определения коэффициента дифракции при размещении головы одного из молов в зоне защиты другого мола.

Коэффициент дифракции для i-той точки определяется как для одиночного мола, в зоне защиты которого они находятся.

3.4 Волновой режим на акватории, огражденной волноломом

Схема акватории, огражденной волноломом, приведена на рис.3.7. Высота волны на акватории, огражденной волноломом, определяется либо по формуле(3.1), либо по формуле (3.2).
Если длина волнолома более 13 EMBED Equation.3 1415, то расчёт коэффициентов дифракции для половины мола ведётся независимо от другой половины как для одиночного мола. При длине волнолома менее 13 EMBED Equation.3 1415 происходит наложение полей дифракции. В этом случае коэффициенты дифракции определяются по формуле [2]:
13 EMBED Equation.3 1415 , (3.8)
где kdi,1 - коэффициент дифракции, определяемый для первой головы как для одиночного мола; kdi,2 - коэффициент дифракции, определяемый для второй головы как для одиночного мола.

Рис.3.7 Схема к определению коэффициента дифракции для акватории, ограждённой волноломом.
ЛИТЕратура

СНиП 2.06,04-82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). - М.: Стройиздат, 1989. - 40 с.
Руководство по определению нагрузок и воздействий на гидротехнические сооружения (волновых, ледовых и от судов). П58-76/ВНИИГ. - Л.: изд-во ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, 1977.- с.
Справочник по климату СССР. Ч.3. Ветер. - Л.: Гидрометеоиздат, 1966-1968. - с.
Смирнов Г.Н, Океанология. - М.: Высшая школа, 1974. - с.
СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. - М.: Стройиздат,1986. - с.














с о д е р ж а н и е
введение3
1.ОСНОВНые понятия и определения.3
1.1. Профиль и элементы волн.3
1.2. Расчётные элементы волн..6
1.3. Расчётные уровни воды..8
1.4. Трансформация волн при подходе к берегу...11
2. волнообразующие факторы. определение элементов волн на открытых акваториях..12
2.1.Определение элементов волн при простых условиях волнообразования.13
2.2.Определение элементов волн при сложных условиях волнообразования.20
2.3. Определение элементов трансформированных волн.22
2.4. Определение элементов волн в прибойной зоне....29
3. Ветровые волны на ограждённых акваториях...30
3.1. Общие положения.30
3.2. Волновой режим на акватории, огражденной одиночным молом...33
3.3. Волновой режим на акватории, огражденной двумя сходящимися молами...36
3.4. Волновой режим на акватории, огражденной волноломом..41
ЛИТЕРАТУРА..42











Сабодаш Ольга Алексеевна, Селивёрстов Владимир Иванович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ВОЛН НА АКВАТОРИЯХ
Методические указания к практическим занятиям, курсовому и дипломному проектированию для специальностей 270104 и 270105




Печатается с оригинал-макета, подготовленного авторами



Редактор В.В. Сизова
Техн. редактор Н.М. Белохонова
Подписано в печать г. Формат .
Усл. печ. л. 2,5. Уч.-изд. л.
Тираж 100 экз. Заказ .
Издательство ДВГТУ 690950 Владивосток, ул. Пушкинская, 10
Типография издательства ДВГТУ 690950 Владивосток, ул. Пушкинская, 10








13PAGE 15


13PAGE 144315



13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415




 "68^
·
·
·
·
·
·
·
·Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native 15Equation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы

  • doc 1943860
    Размер файла: 7 MB Загрузок: 21

Добавить комментарий