Волновые воздействия на плотину. Расчет элементов волн

На поверхности водохранилищ, когда появляется ветер, возникают волны. Они могут быть вынужденными, если все время находятся под воздействием ветра, и свободными (называемыми также волнами зыби), если распространяются после прекращения ветра или при выходе из зоны его действия.

Ветровые волны производят механическое воздействие на откос земляной плотины. Для количественной оценки этого воздействия необходимо знать параметры волн и условия, их определяющие.

Геометрическая характеристика ветровых волн приведена на рисунке 13, а обозначения отдельных элементов волны, которые будут употребляться в дальнейшем, следующие:

- высота волны h - вертикальное расстояние между вершиной и подошвой волны;
- длина волны - горизонтальное   расстояние   между двумя смежными вершинами волн;
- крутизна волны   - отношение высоты волны к ее длине;

- гребень волны - часть волны, расположенная выше статического уровня;

- средняя волновая линия  -  горизонталь, делящая высоту волны пополам.

Под действием ветра на водной поверхности водохранилищ возникает сложный процесс волнообразования. Интенсивность волнения на открытой водной поверхности зависит от скорости ветра, продолжительности его


Рис.  13. Элементы ветровых волн:
1 - гребень  волны;  2 - вершин волны;  3 - средняя  волновая  линия; 4 - впадина волны; 5 - подошва волны;  h - высота волны;

- длина волны


действия и разгона волны, а на развитие и распространение волны влияют глубина водоема, шероховатость дна в направлении разгона. Исходя из глубины водоема Н, различают глубоководные участки, когда ,  и мелководные, когда .
Волны, возникающие на водной поверхности при имеют колебательный характер. По мере уменьшения глубины воды происходит деформация волн, высота и длина их уменьшаются. При подходе к откосу плотины на некоторой глубине волны разрушаются. После этого начинается поступательное движение - накат волны на откос, а затем обратное движение вниз.

При волновых воздействиях на откосы земляных плотин параметры волн обычно определяют для двух уровней. Наиболее высокие уровни воды в водохранилище используют для определения высоты вкатывания волн и последующего расчета толщины покрытия откоса плотин.

Минимальные уровни определяют нижнюю границу крепления откоса.

Длину разгона волны при любых расчетных уровнях воды измеряют по прямой от оси плотины до противоположного берега. Направление разгона принимают по восьми основным румбам и наибольшей протяженности открытой водной поверхности (рис. 14). При наличии по линии разгона местного резкого сужения длина разгона принимается равной

(31)

где В - минимальная ширина водоема.


Рис. 14. Контуры водохранилищ при определении длины ветрового разгона:    а - симметричное; б - несимметричное; в - вытянутое.

Зависимость (31) действительна при условии, если В не больше пятикратной длины волны однопроцентной обеспеченности, а вычисленное значение не меньше длины разгона до сужения. Скорость ветра по длине разгона принимают постоянной при колебаниях в пределах ±10%, а также при значениях скоростей меньше 25-30 м/сек и длине разгона менее 100 км.

Скорость ветра, определяющая параметры волн, является величиной переменной во времени, подчиняющейся закону вероятности. Отсюда по наблюдениям можно установить обеспеченность того или иного ее значения.

При определении волновых воздействий на гидротехнические сооружения обеспеченность скорости ветра принимается:

В целях единого подхода скорость ветра при расчете волновых воздействий принимается над уровнем водоема на одной и той же высоте, равной 10 м . Скорость ветра, измеренная на другой   высоте   приводят к скорости ветра на высоте 10 м по формуле:

(32)

где   - коэффициент приведения, принимаемый в зависимости от высоты Н.

Элементы ветровых волн могут быть определены путем непосредственных наблюдений за их образованием на поверхности водоема или получены путем вычислений по формулам. Второй способ более универсальный, так как позволяет делать прогнозы волнообразований на проектируемых водохранилищах.

Для определения элементов волн на открытой водной поверхности широкое распространение в проектной практике получили формулы    Н. А. Лабзовского и А. П. Браславского. Вычисленные значения параметров волн по формулам этих авторов близко совпадают с наблюденными величинами.

По Н. А. Лабзовскому, высота и длина ветровых волн в водоемах определяется по формулам для глубоководных участков. При расчете же элементов волн на мелководье вводят коэффициенты, зависящие от отношения , где  Н - глубина воды   в   месте   определения параметров волн.

Расчетные формулы для глубоководных участков следующие:

(33)
(34)


где и - соответственно высота и длина волны на глубоководном участке;

W - скорость ветра  принятой   обеспеченности, м/сек;

D - длина разгона волны, км;
- крутизна   волны,   определяемая   по    формуле:

(35)

k - коэффициент,   учитывающий   повышенную интенсивность развития волн в начале разгона, вычисляемый по формуле:

(36)


На рисунке 15   приведена   функциональная   зависимость k от   D/W, которая позволяет непосредственно по чертежу определять величину k.

 

Рис. 15. Зависимость коэффициента  k от функции

 

Элементы ветровых волн для мелководных участков, по Н. А. Лабзовскому, определяют по формулам:

(37)
(38)

где и - соответственно высота,  и   длина   волны   на мелководных участках;
и - коэффициенты, учитывающие   влияние, мелководья, значение которых берут с графика (рис. 16).

Вычислительных операций можно избежать, если воспользоваться табличными данными, полученными на основе формул (33) и (34). В таблице 14 приведены значения высоты и длины волн для скоростей ветра от 6 до 20 м/сек и длины разгона до 100 км.

 

Рис.   16.   График   зависимости коэффициентов       и от  функции  


Элементы волн по этой таблице находят на пересечении строк скорости ветра W (горизонтальная графа) и длины разгона D (вертикальная графа). Первая цифра в клетке пересечения - высота волны, а вторая - длина. В таблице также для каждой скорости ветра приведены значения крутизны волны , определенные по формуле (35).

После этого элементы волн для мелководных участков легко вычисляют по формулам (37) и (38).

Элементы ветровых волн на мелководных участках могут быть определены и по формулам А. П. Браславского. Исходным положением этого метода является уравнение баланса энергии для установившегося волнового состояния. На основе этого уравнения даются зависимости для определения элементов волн. Полученные А. П. Браславским формулы имеют довольно сложное математическое начертание и требуют трудоемких вычислительных операций. Для упрощения пользования формулами А. П. Браславский предлагает графики, которые значительно ускоряют расчеты. Для определения высоты волны при заданной скорости ветра служат графики, дающие связь между длиной разгона волны и глубиной воды.

На рисунках 17, 18, 19 и 20 приведены графики для четырех значений скорости ветра - 5, 10, 20 и 30 м/сек. При промежуточных значениях скорости ветра высоту волн вычисляют методом интерполяции. Пользование графиками сводится к нахождению точки пересечения, отвечающей заданной длине разгона волны (ось абсцисс), и кривой, соответствующей принятой глубине воды. Ордината полученной точки дает значение высоты волны.
Длина волны , при известной высоте волны h определится по графику (рис. 21). В левой части этого графика по принятой ранее скорости ветра W (ось абсцисс) и кривой, соответствующей высоте волны, находят точку пересечения.


Рис. 21  График для   определения    пологости   волн   мелководных
участков

Ордината этой точки дает значение пологости волны (величина, обратная крутизне), что позволяет определить длину волны. В правой части графика длина волны корректируется по одному из лучей в зависимости от


Рис. 17. График для определения высоты волны мелководных участков         при .

Рис.18. График для определения высоты волны мелководных участков при

Рис. 19. График для определения высоты волны мелководных участков при 

Рис. 20. График для определения высоты волны мелководных участков при


отношения . Приведенный   на   графике   ключ   дает представление о последовательности операции при определении длины волны.

В работе А. П. Браславского введено понятие об обеспеченности высоты волны. Наблюдения показывают, что при постоянной скорости ветра высоты волн, последовательно идущих одна за другой, отличаются друг от друга. Из системы волн можно выделить максимальную волну, которая проходит один раз из некоторого числа наблюденных волн. Н. П. Браславский за максимальную волну принимает одну ив 1000 волн.

Таким образом, можно считать эту волну 0,1% обеспеченности. Графики, приведенные на рисунках 17-20, построены с учетом нахождения волны 0,1% обеспеченности. В необходимых случаях переход к волнам другой обеспеченности осуществляется при помощи переходных коэффициентов , приведенных в таблице  15.

Последнее обновление 07.07.12 11:55