РД 31.33.07-86. Руководство по расчету воздействий волн цунами на портовые сооружения, акватории и территории. Рекомендации для проектирования

(утв. Минморфлотом СССР 23.06.1986)

Утверждаю Главный инженер института Союзморниипроект Ю. А. Ильницкий 23 июня 1986 года

Руководитель темы доктор физ.-мат. наук Ю. М. Крылов 23 мая 1986 года

РУКОВОДСТВО ПО РАСЧЕТУ ВОЗДЕЙСТВИЙ ВОЛН ЦУНАМИ НА ПОРТОВЫЕ СООРУЖЕНИЯ, АКВАТОРИИ И ТЕРРИТОРИИ.

РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

РД 31.33.07-86

Вводится впервые

Срок введения в действие установлен с 1 октября 1986 года

РАЗРАБОТАНО	Московским инженерно-строительным институтом им. В.В. Куйбышева Проректор по научной работе МИСИ к.т.н. Костин И.Х. Руководитель темы д.ф.-м.н., профессор Крылов Ю.М. (СМНИИП) Руководитель разработки д.т.н., профессор Мишуев А.В. (МИСИ) Исполнители: к.т.н., с.н.с. Сладкевич М.С., м.н.с. Приказчиков Н.А., к.т.н., доцент Шашлов Ю.А. (МИСИ)
УТВЕРЖДЕНО	Главным инженером института Союзморниипроект Ильницким Ю.А.

Руководство рекомендуется для применения при технико-экономических сопоставлениях вариантов компоновки акваторий портов, их местоположений в цунамиопасных районах с последующим уточнением, в обоснованных случаях, методом лабораторного и численного моделирования.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 При определении воздействия волны типа цунами на гидротехнические сооружения учитывают следующие факторы:

гидростатическая нагрузка от подъема воды у сооружения,

гидродинамическое взвешивание сооружения,

гидродинамическое давление при обтекании сооружения потоком воды.

Расчетная нагрузка определяется согласно СНиП 2.06.01-86, СНиП 2.06.04-82 и другим нормативным документам (см. справочное приложение 1).

1.2 Скорость распространения профиля необрушенной волны определяется по формуле:

V_{\text{ф}} = \sqrt{g(d + h)} , м/с (1.1)

где d — глубина акватории в рассматриваемой точке, м;

h — высота волны, м;

g — ускорение свободного падения, м/с2.

Осредненную по глубине горизонтальную скорость потока под гребнем необрушенной волны следует определять по формуле

V_{\text{г}} = V_{\text{ф}} \frac{h}{d + \eta} \text{м}/\text{с} ,

где \eta — возвышение поверхности воды на спокойном уровне, м

Перечень символов и буквенных обозначений приведен в справочном приложении 2.

1.4. В случае обрушенной волны, волна цунами представляется в виде бора с вертикальным фронтом (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Обрушенная волна цунами

2. ЛОКАЛЬНЫЙ ДОЛГОСРОЧНЫЙ ПРОГНОЗ И ЦУНАМИРАЙОНИРОВАНИЕ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО ПОБЕРЕЖЬЯ СССР

2.1 Основными характеристиками наката волн цунами на берег являются:

hrun 100 — средняя величина максимальной высоты наката волн цунами за 100 лет, м

T — преобладающий период волны, мин,

A — частота цунами с высотой наката на берег более 0,5 м, г-1.

2.2. Величины hrun 100, T и A следует принимать по таблице 2.1.

Таблица 2.1.		Пункт	A, г-1
h_{run_{100}} , м	T, мин	1	2
3
4	о. Сахалин	п. Холмск	0,27
0,7	-	п. Невельск	0,23
0,8	-	п. Корсаков	0,38
2,1	-	м. Крильон	0,38
1,0	-	п. Поронайск	0,33
1,4	-	п. Катангли	0,23
1,2
-	о. Итуруп	п. Буревестник	0,34
7,6	12	п. Сентябрьский	0,30
10,5	12	п. Курильск	0,34
1,2	-	м. Севорси	-
-
10	о. Шумшу	п. Байково	0,14
17,1	15	п. Козыревск	0,15
11,1	-	п. Бабушкино	0,16
8,8
10	п-ов Камчатка	м. Лопатка	0,17
17,5	-	п. Озерновское	0,17
8,6	-	м. Изменный	0,14
9,2	-	п. Халактырка	0,14
8,6	-	б. Маячная	0,14
10,8	-	г. Петропавловск-Камчатский	0,14
2,3	15	м. Маячный	0,14
11,5	-	п. Вилюй	0,14
10,9	12	м. Шипунский	0,15
20,7	-	б. Моржовая	0,16
18,1	-	п. Жупаново	0,16
8,1	-	г. Усть-Камчатск	0,17
9,5	-	п-ов Кроноцкий	0,17
16,4	-	п. Хайлюля	0,17
8,6	-	п. Ивашка	0,17
8,6
-	Командорские острова	п. Никольское (о. Беренга)	0,17
7,9	-	о. Медный	0,17
2,6
-	о. Кунашир	г. Южно-Курильск	0,30
4,3	-	п. Головнино	0,30
2,5	-	устье р. Винай	0,30
6,2
-	Среднекурильские острова	о. Симушир (восточное побережье)	0,19
8,6	8	о. Расшуа	-
-	8	о. Матуа	0,18
9,9	9	о. Шиашкотан	0,18
13,6	10	о. Онекотан	0,18
11,9	10	о. Харимкотан	-
-
10	о. Парамушир	м. Васильева	0,17
11	12	г. Северо-Курильск	0,20
17,8
15	Малая Курильская гряда	о. Юрий	0,33
3,2	14	о. Танфильева	0,30
3,5	-	о. Зеленый	0,28
7,2	-	о. Полонского	0,37
4,9	-	о. Анучина	-
-
14	о. Шикатан	п. Малокурильское	0,30
6,8	-	п. Крабозаводск	0,30
7,1	-	б. Отрадная	0,30
5,6	-	б. Димитрова	0,30
8,0	-	б. Церковная	0,30
13	14	м. Край Света	-
-
14	Приморье	п. Адими	0,10
0,5 <*>	-	п. Терный	0,10
1,5 <*>	-	п. Рудная пристань	0,08
1,9	-	г. Находка	0,14
0,7	35	г. Владивосток	0,10
1,0 <*>	40	п. Посьет	0,16
0,3 25 Примечание: <*> — величины оценочные.

Условные обозначения: о. — остров, п. — поселок, г. — город, м. — мыс, б. — бухта.

2.3. Для районов Тихоокеанского побережья, не указанных в табл. 2.1, величины hrun 100 и A следует принимать по карте-схеме на рис. 2.1, а преобладающий период — по схеме районирования, помещенной на рис. 2.2.

Рис. 2.1 Схема районирования Тихоокеанского побережья Камчатки и Курильских островов по параметру A (г-1) и h₁₀₀ (м).

Условные обозначения: 1 — условные изогипсы; 2 — H100 — уровень максимального подъема воды с 1%-ой обеспеченностью (1 раз в 100 лет)

Рис. 2.1 (окончание)

Условные обозначения: 1 — условные изогипсы; 2 — h100 — уровень максимального подъема воды с 1%-ной обеспеченностью (1 раз в 100 лет)

Рис. 2.2. Схема районирования Тихоокеанского побережья Камчатки и Курильских островов по периоду цунами T, мин.

2.4. Величина h_{run_{100}} , определяемая по п. 2.3, дает осредненное значение на длине 10 км береговой линии.

2.5. В случае, когда линия берега рассматриваемого участка длиной менее 10 км сильно изрезана, то реальное рассмотрение h_{run_{100}} может быть определено из детальных расчетов.

3. ПАРАМЕТРЫ ВОЛН ТИПА ЦУНАМИ

3.1. Исходными данными для расчетом являются параметры h_{run_{100}} , T, A принимаемые согласно разделу 2.

3.2. Средний максимальный подъем уровня воды hrun n, м, за n лет надлежит определять по формуле

h_{runn} = h_{run_{100}} \frac{lg(A \cdot n)}{2 + lgA} , м (3.1)

3.3 Максимальный заплеск с обеспеченностью j за n лет надлежит определять по формуле

h_{runj,n} = - \frac{h_{run_{100}}}{2 + lgA} lg[- \frac{lg(1 - j)}{0,434(A \cdot n)}] , м (3.2)

3.4. В случае, когда формулы (3.1) и (3.2) дают величины заплесков меньше 0,5 м (или отрицательные), следует считать, что опасность цунами несущественная.

3.5. Высоту волны цунами h, м на изобате d м, надлежит определять по графику на рис. 3.1.

Рис. 3.1 График для определения вертикального заплеска.

Параметр определяется соотношением

\frac{L}{\lambda} = \frac{L}{30 \sqrt{gd} \cdot T} , (3.3)

где \lambda — длина волны, м;

L — длина откоса, равная расстоянию от уреза воды до изобаты d, м.

3.6. Понижение уровня воды от расчетного при откате волны ht, м надлежит определять по графику на рис. 3.2.

Рис. 3.2. График для определения понижения уровня воды при откате.

3.7. Максимальную высоту на урезе h*, м надлежит определять по графику на рис. 3.3.

Рис. 3.3. График для определения высоты волны на урезе.

Параметр St — число Струхаля следует определять по формуле

(3.4)

3.8 Распределение высот по береговому откосу с уклоном надлежит определять по формуле

h_{\text{б}} = (1 - \frac{i}{h_{run}} \text{х}) \cdot h_{*} , м (3,5)

где x — координата рассматриваемой точки, отсчитанная по горизонтали от уреза, м.

3.9. В предварительных расчетах максимально возможную высоту потока на берегу сложного профиля (относительно уровня места) следует определять по формуле

h_{\text{б}} = h_{*}(1 - \frac{Z}{h_{run}}) , м (3.6)

где Z — отметка рассматриваемой точки на берегу над расчетным уровнем, м.

3.10. В случае если \frac{L}{\lambda} <0,4 , то накат волны происходит без обрушения.

3.11. Максимальную скорость потока на урезе при накате волны V_{*}^{+} , м/с следует принимать по графику на рис. 3.4.

Рис. 3.4. График для определения максимальной скорости на урезе при накате волны.

3.12. Максимальную скорость потока на урезе при откате волны V_{*}^{-} , м/с следует принимать по графику на рис. 3.5.

Рис. 3.5 График для определения максимальной скорости на урезе при откате волны.

3.13. Время подхода волны от изобаты d, до линии уреза надлежит определять по формуле , где Kп следует определять по графику на рис. 3.6.

Рис. 3.6. График для определения времени подхода волны к берегу.

3.14. Время затопления для берегового склона, слабо изрезанного горизонтальными террасами, tз, с надлежит определять по формуле , где Kз следует определять по графику на рис. 3.7.

Рис. 3.7. График для определения времени затопления.

3.15. Исходными данными для расчетов наката волн типа цунами возникающих в результате взрыва являются высота волны h и длина волны \lambda , принимаемые в зависимости от мощности взрыва и места его проведения.

Условный период волны следует определять по формуле

T_{\text{у}} = \frac{\lambda}{30 \sqrt{g(d + h)}} , мин (3.7)

Максимальный заплеск hrun, понижение уровня воды от расчетного при откате волны ht, максимальную глубину на урезе h*, распределение глубин по береговому откосу, максимальные скорости потока на урезе надлежит определять согласно графикам на рис. 3.1 \text{ч} 3.5 и пунктов 3.8, 3.9.

4. НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОЛН ЦУНАМИ НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

4.1. Нагрузки от обрушенной волны цунами на сооружения вертикального и откосного профиля.

4.1.1. В зависимости от интенсивности подходящей волны Kh и относительной высоты сооружения KH при прохождении обрушенной волны цунами через вертикальное оградительное сооружение возможны 4 различные схемы течения (рис. 4.2; 4.3; 4.4; 4.5).

Выбор расчетной схемы течения должен производиться в соответствии с рис. 4.1 в зависимости от соотношения Kh и KH, где:

K_{h} = \frac{h}{d} — интенсивность подходящей волны;

KH = H'/d — относительная высота сооружения;

h — высота подходящей волны, м;

df — глубина перед сооружением, отсчитываемая от подошвы сооружения, м;

H' = H + (d — df) — полная высота сооружения (с учетом толщины постели), м;

d — глубина перед сооружением, отсчитываемая от дна, м;

H — высота сооружения от подошвы, м.

Рис. 4.1. График для выбора расчетной схемы течения. (А, В, Б, Г — области реализации схем течения).

4.1.2. Расчет воздействия обрушенной волны цунами на сооружение должен производиться по эпюрам волнового давления для выбранной расчетной схемы (рис. 4.2; 4.3; 4.4; 4.5).

Рис. 4.2. Эпюры давления волны цунами с обрушенным фронтом на вертикальное сооружение (схема Б).

Рис. 4.3. Эпюры давления волны цунами с обрушенным фронтом на вертикальное сооружение (схема В).

Рис. 4.4. Эпюры давления волны цунами с обрушенным фронтом на вертикальное сооружение (схема Г).

Рис. 4.5. Эпюры давления волны цунами с обрушенным фронтом на вертикальное сооружение (схема А).

4.1.3. Возвышение поверхности воды перед сооружением \eta , м, принимается согласно рис. 4.6 в зависимости от Kh и KH.

Рис. 4.6. График для определения возвышения воды перед сооружением \eta . (Пунктиром показаны расчетные границы)

4.1.4. Глубина воды за сооружением dc, м, для схем Б, В, Г (рис. 4.1) определяется с помощью рис. 4.7.

Рис. 4.7. Графики для определения глубины воды за сооружением dc.

Для схемы Г глубина воды у тыльной грани сооружения может быть равной dc или выше. Рассматривается случай максимальной нагрузки (глубина за сооружением равна dc).

Для схемы А (полное отражение) глубина воды dc = df.

4.1.5. Горизонтальную линейную нагрузку Px, кН/м, от обрушенной волны цунами необходимо принимать по площади эпюры бокового давления. При этом величины P, кПа, для значений ординат Z, м, следует определять по формулам:

а) схема А: (рис. 4.5)

Z_{1} = - \eta ;	P1 = 0	(4.1, 4.2)
Z2 = 0;	P_{2} = \rho g\eta	(4.3, 4.4)

б) схема Б, Г: (рис. 4.2, 4.4)

Z1 = — (H — df);	P_{1} = \rho g(\eta + d_{f} - H)	(4.5, 4.6)
Z2 = df;	P_{2} = \rho g(\eta + d_{f} - d_{c})	(4.7, 4.8)

c) схема В: (рис. 4.3)

Z1 = — (H — df);	P_{1} = \rho g(\eta + d_{f} - d_{c})	(4.9, 4.10)
Z2 = df;	P2 = P1	(4.11, 4.12)

4.1.6. Вертикальную линейную нагрузку P_{Z}^{-} , кН/м, от обрушенной волны цунами следует принимать равной площади эпюры взвешивающего волнового давления и определять по формуле

P_{Z}^{-} = \mu \frac{P_{2} \cdot b}{2} , (4.13)

где \mu — коэффициент, принимаемый по табл. 4.1

Таблица 4.1

	3	5	7	9
Коэффициент \mu	0,7	0,8	0,9	1,0

4.1.7. Вертикальную линейную нагрузку P_{Z}^{+} , кН/м, от обрушенной волны цунами следует принимать равной площади эпюры давления на оголовок оградительного сооружения. При этом ординаты эпюры над верхней гранью P, кПа, следует принимать равными

а) схема Б, Г (рис. 4.2, 4.4)

P3 = 0; P4 = P1 (4.14, 4.15)

б) схема В (рис. 4.3)

P_{3} = \rho g(\eta + d_{1} - d_{c}) , (4.16)

P_{4} = \rho g(\eta + d_{f} - H) (4.17)

4.1.8. При воздействии обрушенной волны цунами на вертикальное оградительное сооружение, коэффициент прохождения волны KT следует определять с помощью графиков рис. 4.8 в зависимости от интенсивности подходящей волны Kh,

где KT = hп/h;

h — высота подходящей волны, м;

hп — высота прошедшей волны, м.

Рис. 4.8. Графики для определения коэффициента ослабления волны цунами, при ее взаимодействии с вертикальным сооружением.

4.1.9. Нагрузки от обрушенной волны цунами на сооружение откосного профиля при заложении напорной грани ctg\phi<3,0 следует рассчитывать, как для сооружения вертикального типа.

4.2 Нагрузки от необрушенной волны цунами на вертикальные сооружения.

4.2.1. Расчет вертикальных сооружений на воздействие необрушенной волны цунами должен производиться по эпюрам волнового давления на сооружения для полного отражения (рис. 4.9) и с учетом перелива (рис. 4.10).

Рис. 4.9. Эпюры давления уединенной (одиночной) волны цунами на вертикальное сооружение (полное отражение).

Рис. 4.10. Эпюры давления уединенной (одиночной) волны цунами на вертикальное сооружение (с учетом перелива).

4.2.2. Горизонтальную линейную нагрузку Px, кН/м, необходимо принимать по площади эпюры бокового волнового давления, при этом величины P, кПа, для значений ординат Z, м, следует определять по формулам:

а) полное отражение (рис. 4.9)

Z_{1} = - \eta ,	P1 = 0	(4.18, 4.19)
Z2 = 0,	P_{2} = K_{P} \cdot \rho g\eta	(4.20, 4.21)

где KP — принимается согласно рис. 4.11

(4.22)

б) с учетом перелива (рис. 4.10)

Z1 = — (H — df),	P_{1} = \rho gK_{P}[K_{\text{пер}} \cdot \eta - (H - d_{f})]	(4.23, 4.24)
Z2 = 0,	P_{2} = K_{P} \cdot K_{\text{пер}} \cdot \rho g\eta	(4.25, 4.26)

где KP — принимается согласно рис. 4.11

Kпер — принимается согласно рис. 4.12

Рис. 4.11. График для определения коэффициента KP.

Рис. 4.12. График для определения коэффициента Кпер.

4.2.3. Вертикальную линейную нагрузку P_{Z}^{-} , кН/м, следует принимать равной площади эпюры взвешивающего волнового давления и определять по формуле

P_{Z}^{-} = \mu \frac{P_{2} \cdot b}{2} (4.27)

где \mu — коэффициент, принимаемый по табл. 4.1.

Вертикальную линейную нагрузку P_{Z}^{+} , кН/м (рис. 4.10) следует принимать равной площади эпюры волнового давления на оголовок сооружения по формуле

P_{Z}^{+} = \frac{P_{1} \cdot b}{2} (4.28)

4.2.4. Нагрузки от необрушенной волны цунами на откосное сооружение с заложением напорной грани ctg\phi<3,0 следует определять как для сооружения вертикального типа.

4.3 Нагрузки от обрушенной волны цунами на подводный волнолом.

4.3.1. Расчет нагрузки от обрушенной волны цунами на подводный волнолом при подходе волны со стороны моря следует производить по эпюрам волнового давления для расчетных схем, приведенных на рис. 4.13 и 4.14.

Выбор расчетной схемы следует производить согласно рис. 4.1 в зависимости от соотношения Kh и KH.

Рис. 4.13. Эпюры давления обрушенной волны цунами на подводный волнолом (схема В)

Рис. 4.14. Эпюры давления обрушенной волны цунами на подводный волнолом (схема Г)

4.3.2. Возвышение поверхности воды перед сооружением \eta , м, принимается согласно рис. 4.6 в зависимости от Kh и KH. Глубина воды за сооружением dc, м, принимается согласно рис. 4.7 в зависимости от Kh и KH.

4.3.3. Горизонтальную линейную нагрузку Px, кН/м, необходимо принимать по площади эпюры бокового волнового давления, при этом величины P, кПа, для значений ординат Z, м, следует определять по формулам:

а) схема В; рис. 4.13

Z1 = df — H, (4.29)

P_{1} = \rho g(\eta + d_{f} - H) ; (4.30)

Z2 = df, P2 = P1; (4.31, 4.32)

б) схема Г; рис. 4.14

Z1 = df — H,	P_{1} = \rho g(\eta + d_{f} - H) ;	(4.33, 4.34)
Z2 = df,	P_{2} = \rho g(\eta + d_{f} - d_{c})	(4.35, 4.36)

4.3.4. Вертикальную линейную нагрузку P_{Z}^{-} , кН/м, от обрушенной волны цунами следует принимать равной эпюре взвешивающего волнового давления и определять по формуле

P_{Z}^{-} = \frac{P_{2} \cdot b}{2} (4.37)

Вертикальную линейную нагрузку P_{Z}^{+} , кН/м от обрушенной волны цунами следует принимать по площади эпюры давления на верхнюю грань подводного волнолома, при этом величины P, кПа, определять по формулам

а) схема В; рис. 4.13

P_{3} = \rho g(d_{c} - H) ; P_{4} = \rho g(\eta + d_{f} - H) ; (4.38, 4,39)

P_{Z}^{+} = \frac{P_{3} + P_{4}}{2} B_{2} ; (4.40)

б) схема Г; рис. 4.14

P_{3} = \rho g(d_{f} - H) ; P_{4} = \rho g(\eta + d_{f} - H) ; (4.41, 4.42)

P_{Z}^{+} = \frac{P_{3} + P_{4}}{2} B_{2} (4.43)

4.4. Нагрузки от волнового потока на вертикальную волнозащитную стенку.

4.4.1. Горизонтальную и вертикальную проекции нагрузки Px и PZ, кН/м, на вертикальную волнозащитную стенку от волнового потока, при расположении сооружения на линии уреза и выше в пределах наката волн, следует принимать по эпюрам бокового и взвешивающего волнового давления (рис. 4.16) для значений Pl, кПа, и \eta , м:

P_{l} = 1,5\rho g\eta , (4.44)

где

\eta = (1 - \frac{i}{h_{run}} \cdot x) \cdot h_{*} ; (см. раздел 3.8)

P_{Z} = \frac{P_{l} \cdot b}{2} (4.45)

4.5. Нагрузки от необрушенной волны цунами на вертикальную волнозащитную стенку, расположенную до линии уреза воды.

4.5.1. Горизонтальную и вертикальную проекции линейной нагрузки Px и PZ, кН, на вертикальную волнозащитную стенку от волны цунами в случае, если волна распространяется до уреза без обрушения, следует принимать по эпюрам бокового и взвешивающего волнового давления (рис. 4.15), при этом ординаты Pr, кПа, определяются по формулам:

P_{r} = \rho g(K_{P} \cdot \eta + d_{o}) ; (4.46)

где h_{o} = h + \frac{(h_{*} - h)}{l} \cdot x , м;

\eta = 4d_{o}(1 + \frac{h_{o}}{d_{o}} - \sqrt{1 + \frac{h_{o}}{d_{o}}}) , м;

h* — определяется согласно п. 3.7;

do — глубина воды на расстоянии l от изобаты d, м,

h — высота волны, определенная для изобаты d (см. раздел 2), м;

l — горизонтальное расстояние от изобаты d до линии уреза, м;

x — горизонтальное расстояние от изобаты d до места определения расчетной высоты волны, м.

Рис. 4.15. Эпюры давления волны цунами на вертикальное берегозащитное сооружение.

Рис. 4.16. Эпюры давления волнового потока на вертикальное берегозащитные сооружение.

4.5.2. В случае перелива возникающего потока при воздействии необрушенной волны с вертикальной волнозащитной стенкой, расчет следует производить по эпюре бокового волнового давления в пределах высоты сооружения. При этом ордината Pr, кПа, определяется по формуле:

P_{r} = \rho g(K_{P} \cdot K_{\text{пер}} \cdot \eta + d_{o}) , (4.47)

где Kпер — принимается согласно рис. 4.12.

Руководитель темы д.ф.-м.н., профессор Ю. М. Крылов

Руководитель разработки д.т.н. зав. кафедрой Гидравлики профессор А. В. Мишуев

Канд. техн. наук ответственный исполнитель, доцент Ю. А. Шашлов

Ст. научный сотрудник канд. техн. наук М. С. Сладкевич

Мл. научный сотрудник Н. А. Приказчиков

Нормоконтроль В. И. Ярошенко

Приложение 1 (справочное)

ПЕРЕЧЕНЬ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ДОКУМЕНТОВ

1. СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов).

2. Руководство по определению нагрузок и воздействий на гидротехнические сооружения (волновых, ледовых и от судов). П 58-76/ВНИИГ

3. СНиП II-51-74 Гидротехнические сооружения морские. Основные положения проектирования.

Приложение 2 (справочное)

ОСНОВНЫЕ БУКВЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

\eta — возвышение поверхности воды над спокойным уровнем, м;

h — высота волны, м;

d — глубина акватории, м;

x — горизонтальная координата, м;

Vф — скорость распространения профиля необрушенной волны, м/с;

g — ускорение свободного падения, м/с2;

V — средняя по глубине скорость потока под профилем необрушенной волны, м/с;

h_{run_{100}} — средняя величина максимальных подъемов уровня воды на берегу при накате цунами за 100 лет, м;

T — преобладающий период волны, мин;

A — частота появления на берегу волн цунами, г-1;

h_{run_{n}} — средняя величина максимальных подъемов уровня воды при накате цунами за n лет, м;

j — обеспеченность максимального заплеска;

L — расстояние от уреза воды, м;

ht — понижение уровня от расчетного при откате волны, м;

h* — максимальная глубина на урезе, м;

i — уклон берегового откоса;

Z — вертикальная координата, м;

V_{*}^{+} — максимальная скорость потока на урезе при накате волны, м/с;

V_{*}^{-} — максимальная скорость потока на урезе при откате волны, м/с;

\lambda — длина волны, м;

Kh — относительная высота подходящей волны;

KH — относительная высота сооружения;

H' — высота сооружения (от дна), м;

H — высота сооружения (от подошвы), м;

df — глубина воды перед сооружением, отсчитываемая от подошвы сооружения, м;

dc — глубина воды за сооружением, м;

b — ширина сооружения (в основании), м;

KT — коэффициент ослабления волны (отношение высоты прошедшей через сооружение волны к высоте подходящей волны);

\phi — угол заложения напорной грани откосного сооружения, град;

\rho — плотность воды, т/м3;

c — скорость распространения фронта обрушенной волны, м/с;

Vб — средняя по сечению скорость потока в обрушенной волне, м/с;

St — число Струхаля;

P — волновая линейная нагрузка, кП;

hб — высота потока на берегу, м.

Приложение 3 (рекомендуемое)

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВОЛНЫ ЦУНАМИ ПРИ НАКАТЕ

Требуется определить параметры наката на побережье г. Северо-Курильска (о. Парамушир), средний максимальный заплеск за 10 лет и глубину на берегу на расстоянии 100 м от уреза воды. Уклон берегового откоса составляет 0,020.

Решение. По табл. 2.1 определяем, что частота сильных цунами для г. Северо-Курильска составляет A = 0,20 г-1, средняя величина максимального подъема уровня воды при накате цунами h_{run_{100}} = 17,8\text{м} , преобладающий период волны T = 15 мин.

1.1. Определяем высоту волны на изобате d = 20 м, на расстоянии L = 1000 м от уреза воды. Вычисляется параметр :

\frac{L}{\lambda} = \frac{L}{30 \sqrt{gd} \cdot T} = \frac{1000}{30 \sqrt{9,81 \cdot 20} \cdot 15} = 0,16

Определяем относительный вертикальный заплеск \frac{h_{run_{100}}}{h} для по графику на рис. 3.1

\frac{h_{run_{100}}}{h} = 2,6

Определяем высоту волны h на изобате 20 м

h/d = 6,85/20 = 0,34

1.2. Понижение уровня от расчетного при откате волны ht определяем по рис. 3.2 для рассчитанного значения

h_{t} = (\frac{h_{t}}{h})h = 0,4 \cdot 6,85 = 2,74\text{м}

1.3. Максимальная глубина на урезе h*, м, по рис. 3.3. Параметр St определяем по формуле (3.₄)

S_{t} = 0,25 \cdot \frac{h}{d} (1 + \frac{h}{d})(\frac{L}{\lambda})^{2} = 2,92 \cdot 10^{- 3}

h_{*} = (\frac{h_{*}}{h}) \cdot h = 1,9 \cdot 6,85 = 13,0\text{м}

1.4 Максимальная глубина на берегу на удалении 100 м от уреза

h_{\text{б}} = (1 - \frac{i}{h_{run_{100}}} x)h_{*} = (1 - \frac{0,02}{17,8} \cdot 100) \cdot 13,0 = 11,5\text{м}

1.5. Максимальная скорость потока на урезе при накате волны по рис. 3.4 для St = 2,92·10-3, определяем

\frac{V^{+}}{V} = 1,3

Скорость жидкости в волне по формуле (1.2) (форма волны соответствует необрушенной волне, т.к. )

V_{\text{г}} = \sqrt{g(d + h)} \cdot \frac{h}{d + h} = \sqrt{9,81(20 + 6,85)} \cdot \frac{6,85}{20 + 6,85} = 4,14\text{м}/\text{с}

Максимальная скорость потока на урезе при накате волны

V_{*}^{-} = (\frac{V_{*}^{-}}{V})V = 1,3 \cdot 4,14 = 5,38\text{м}/\text{с}

1.6. Максимальная скорость потока на урезе при откате волны. По рис. 3.5 для St = 2,92·10-3 определяем

\frac{V_{*}^{-}}{V} = 2,85

Максимальная скорость потока на урезе при откате волны

V_{*}^{-} = (\frac{V_{*}^{-}}{V}) \cdot V = 2,85 \cdot 4,14 = 11,8\text{м}/\text{с}

1.7. Время подхода волны от изобаты d = 20 м, расположенной на расстоянии L = 1000 м от берега до уреза, определяем по рис. 3.6 для St = 2,92 10-3 Kп = 1,75

Время подхода рассчитывается по формуле (пункт 3.13):

t_{*} = K_{\text{п}} \sqrt{\frac{d}{g} \frac{1}{1 + \frac{h}{d}}} \cdot \_\_\_\_ \frac{1}{i} = 1,75 \sqrt{\frac{20}{9,81} \cdot \frac{1}{1 + 0,34}} \cdot \frac{1}{0,02} = 107,93\text{сек} = 1,8\text{мин}

1.8. Определяем по рис. 3.7 для St = 2,92·10-3 Kз = 9,4 Время затопления рассчитываем по формуле (пункт 3.14):

.

1.9 Средний максимальный заплеск за 10 лет определяем по формуле (3.1):

h_{run_{10}} = h_{run_{100}} \frac{lg(A \cdot n)}{2 + lgA} = 17,8 \frac{lg(0,2 \cdot 10)}{2 + lg0,2} = 4,1\text{м}

1.10 Максимальный заплеск с вероятностью j = 0,8 за 10 лет определяем по формуле (3.2):

h_{run_{0,810}} = - \frac{h_{run_{100}}}{2 + lgA} \cdot lg[- \frac{lg(1 - j)}{0,434 \cdot A \cdot n}] = - \frac{17,8}{2 + lg0,2} \cdot lg[- \frac{lg(1 - 0,8)}{0,434 \cdot 17 \cdot 10}] = 1,30\text{м} .

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ НА ВЕРТИКАЛЬНОЕ ОГРАДИТЕЛЬНОЕ СООРУЖЕНИЕ ОТ ОБРУШЕННОЙ ВОЛНЫ ЦУНАМИ

Требуется определить нагрузку на вертикальное оградительное сооружение от обрушенной волны цунами для следующих исходных данных:

• высота подходящей волны h = 4,0 м,
• глубина воды перед сооружением, отсчитываемая от подошвы сооружения df = 8,0 м,
• глубина воды перед сооружением, отсчитываемая от дна d = 10 м,
• высота сооружения от подошвы H = 14 м,
• ширина сооружения b = 8,0 м.

Решение: Высота сооружения с учетом постели в основании

H₁ = H + (d — df) = 14,0 + (10 — 8) = 16,0 м

Определяем безразмерные коэффициенты Kh и KH

K_{h} = \frac{h}{d} = \frac{4,0}{10} = 0,4

K_{H} = \frac{H\prime}{d} = \frac{16,0}{10} = 1,6 .

По графикам (рис. 4.1) определяем расчетную схему, соответствующую исходным параметрам. Принимаем расчетную схему Б (рис. 4.2)

Определяем превышение уровня воды перед сооружением над первоначальным уровнем (рис. 4.6)

\eta = (\frac{\eta}{d})d = 0,9 \cdot 10 = 9,0\text{м}

Определяем глубину воды за сооружением (рис. 4.7)

d_{c} = (\frac{d_{c}}{d})d = 1,15 \cdot 10 = 11,5\text{м}

Определяем горизонтальную линейную нагрузку (по п. 4.1.5)

P_{1} = \rho g(\eta + d_{f} - H) = 10^{3} \cdot 9,81(9,0 + 8,0 - 14) = 29,4\text{кПа}

P_{2} = \rho g(\eta + d_{f} - d_{c}) = 10^{3} \cdot 9,81(9,0 + 8,0 - 11,5) = 53,0\text{кПа}

P_{x} = \frac{29,4 + 53,0}{2} \cdot 1,0 + 53,0 \cdot 13,0 = 730,2\text{кН}/\text{м} .

По таблице 4.1 определяем коэффициент \mu

\frac{d}{d - d_{f}} = \frac{10}{10 - 8} = 5\mu = 0,8

Определяем вертикальную нагрузку (по п. 4.1.6, 4.1.7)

P_{Z}^{-} = \mu \frac{P_{2} \cdot b}{2} = 0,8 \frac{53,0 \cdot 8}{2} = 169,6\text{кН}/\text{м}

P_{Z}^{+} = \frac{P_{1} \cdot b}{2} = \frac{29,4 \cdot 8}{2} = 117,6\text{кН}/\text{м}

Определяем высоту прошедшей через вертикальное сооружение волны (рис. 4.8)

hпрош = KT·h = 0,76·4 = 3,04 м

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ НА ВЕРТИКАЛЬНОЕ ОГРАДИТЕЛЬНОЕ СООРУЖЕНИЕ ОТ НЕОБРУШЕННОЙ ВОЛНЫ ЦУНАМИ

Требуется определить нагрузку на вертикальное сооружение от необрушенной волны цунами для следующих исходных данных:

• высота волны на изобате 20 м h = 4,0 м, на расстоянии L = 1000 м от уреза воды;

i — уклон берегового откоса составляет 0,020;

• сооружение располагается в акватории на расстоянии X = 600 м от уреза воды;

H и b — высота и ширина сооружения, соответственно, 15 и 12 м;

• толщина берменного массива в основании сооружения 3 м;

T — преобладающий период цунами 10 мин.

Решение: Определяем параметр

Определяем максимальную глубину на урезе h* по рис. 3.3 для

h_{*} = (\frac{h_{*}}{h})h = 1,8 \cdot 4,0 = 7,2\text{м}

Высота волны на расстоянии x = 600 м от уреза воды

h_{o} = h + (\frac{h_{*} - h}{L}) \cdot x = 4,0 + (\frac{7,2 - 4,0}{1000}) \cdot 600 = 5,9\text{м}

Глубина воды в этом створе для уклона берегового откоса i = 0,02

do = i·x = 0,02·600 = 12,0 м

df = do — 3 = 9 м

Определяем превышение уровня воды перед сооружением \eta над первоначальным при полном отражении

\eta = 4d_{o}(1 + \frac{h_{o}}{d_{o}} - \sqrt{1 + \frac{h_{o}}{d_{o}}}) = 4 \cdot 12(1 + \frac{5,9}{12} - \sqrt{1 + \frac{5,9}{12}}) = 12,97\text{м}

Так как \eta + d_{f}>H , (12,97 + 9 > 15), то расчет следует производить с учетом перелива. Принимаем расчетную схему рис. 4.10 Коэффициент Kp определяем по графику рис. 4.11 для

K_{h} = \frac{h_{o}}{d_{o}} = \frac{5,9}{12} = 0,49

Kp = 0,62

Коэффициент Kпер определяем по графикам рис. 4.12 для Kh = 0,49 и \frac{H\prime}{d} = \frac{18}{12} = 1,5

Kпер = 0,86

Определяем горизонтальную линейную нагрузку

P_{1} = \rho g(K_{P} \cdot K_{\text{пер}} \cdot \eta + d_{f} - H) = 10^{3} \cdot 9,81(0,62 \cdot 0,86 \cdot 12,97 + 9 - 15) = 9,02\text{кПа}

P_{2} = K_{P} \cdot K_{\text{пер}} \cdot \rho \cdot g \cdot \eta = 0,62 \cdot 0,86 \cdot 10^{3} \cdot 9,81 \cdot 12,97 = 67,84\text{кПа}

P_{x} = \frac{9,02 + 67,84}{2} \cdot 6 + 67,84 \cdot 9 = 841,1\text{кН}/\text{м}

По таблице 4.1 определяем \mu = 0,8 для \frac{d}{d - d_{f}} = \frac{12}{12 - 9} = 4

Определяем вертикальную нагрузку

P_{Z}^{-} = \mu \frac{P_{2} \cdot b}{2} = 0,8 \frac{67,84 \cdot 12}{2} = 325,6\text{кН}/\text{м} .

P_{Z}^{+} = \frac{P_{1} \cdot b}{2} = \frac{9,02 \cdot 12}{2} = 54,2\text{кН}/\text{м} .

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ ОТ ОБРУШЕННОЙ ВОЛНЫ ЦУНАМИ НА ПОДВОДНЫЙ ВОЛНОЛОМ

Требуется определить нагрузку от обрушенной волны цунами на подводный волнолом для следующих исходных данных:

• высота подходящей волны h = 4 м
• глубина воды перед сооружением d = df = 8,0 м,
• высота волнолома H = 7 м,
• ширина сооружения в основании B = 7 м, на гребне сооружения b2 = 2,0 м.

Решение: Определяем безразмерные параметры

K_{h} = \frac{h}{d} = \frac{4}{8} = 0,5

K_{b} = \frac{H}{d} = \frac{7}{8} = 0,88

В соответствии с рис. 4.1 для полученных значений Kh и KH принимаем расчетную схему «В» (рис. 4.3)

Определяем превышение уровня воды перед сооружением \eta над первоначальным (рис. 4.6)

\eta = (\frac{\eta}{d}) \cdot d = 0,75 \cdot 8 = 6,0\text{м}

Определяем глубину потока за сооружением

d_{c} = (\frac{d_{c}}{d})d = 1,37 \cdot 8 = 10,96\text{м}

Определяем горизонтальную линейную нагрузку

P_{1} = \rho g(\eta + d_{f} - d_{c}) = 10^{3} \cdot 9,81(6,0 + 8,0 - 10,96) = 29,82\text{кПа}

P₂ = P1 = 29,82 кПа

Определяем вертикальную нагрузку

P_{Z}^{-} = \frac{P_{2} \cdot b}{2} = \frac{29,82 \cdot 7}{2} = 104,37\text{кН}/\text{м}

P_{3} = \rho g(d_{c} - H) = 10^{3} \cdot 9,81(10,96 - 7) = 38,85\text{кПа}

P_{4} = \rho g(\eta + d_{f} - H) = 10^{3} \cdot 9,81 \cdot (6 + 8 - 7) = 68,67\text{кПа}

P_{Z}^{+} = \frac{(P_{3} + P_{4})b_{2}}{2} = \frac{(38,85 + 68,67) \cdot 2}{2} = 107,52\text{кН}/\text{м}

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ НА ВЕРТИКАЛЬНУЮ ВОЛНОЗАЩИТНУЮ СТЕНКУ, ПРИ ЕЕ РАСПОЛОЖЕНИИ ВЫШЕ УРЕЗА ВОДЫ В ПРЕДЕЛАХ НАКАТА

Требуется определить нагрузку на вертикальную волнозащитную стенку, расположенную выше уреза воды в пределах наката от волнового потока для следующих исходных данных:

• сооружение расположено на расстоянии 100 м от уреза воды,
• уклон берегового откоса 0,02,
• максимальная высота волны на урезе h* = 6,0 м,
• средняя величина максимального подъема уровня воды при накате цунами h_{run_{100}} = 10,0\text{м} ,
• высота сооружения 5 м, ширина в основании b = 4 м.

Решение: Определяем максимальную глубину на берегу на удалении 100 м выше уреза воды по формуле (3.5)

h_{\text{б}} = (1 - \frac{i}{h_{run_{100}}} \cdot x) \cdot h_{*} = (1 - \frac{0,02}{10} \cdot 100) \cdot 6,0 = 4,8\text{м} .

Определяем горизонтальную нагрузку

P_{l} = 1,5\rho g\eta = 1,5 \cdot 10^{3} \cdot 9,81 \cdot 4,8 = 70,6\text{кПа}

P_{x} = \frac{P_{l} \cdot H}{2} = \frac{70,6 \cdot 5}{2} = 176,5\text{кН}/\text{м}

Определяем вертикальную нагрузку

P_{Z} = \frac{P_{l} \cdot b}{2} = \frac{70,6 \cdot 4}{2} = 72,6\text{кН}/\text{м}

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ НА ВЕРТИКАЛЬНУЮ ВОЛНОЗАЩИТНУЮ СТЕНКУ ОТ НЕОБРУШЕННОЙ ВОЛНЫ ЦУНАМИ, В СЛУЧАЕ, ЕСЛИ ВОЛНА РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ ДО УРЕЗА БЕЗ ОБРУШЕНИЯ

Требуется определить нагрузку на вертикальную волнозащитную стенку, расположенную в акватории на расстоянии x = 500 м от изобаты 20 м, для следующих исходных данных:

• высота подходящей волны на изобате d = 20 м, h = 1,5 м,
• расстояние от изобаты 20 м до уреза воды L = 1000 м,
• высота сооружения H = 15 м, ширина b = 10 м,
• максимальная глубина на урезе h* = 3,2 м,

Решение: Определяем высоту волны в створе сооружения

h_{o} = h + (\frac{h_{*} - h}{L})x = 1,5 + (\frac{3,2 - 1,5}{1000}) \cdot 500 = 2,35\text{м} .

Определяем глубину воды в створе сооружения

d_{o} = \frac{d \cdot x}{L} = \frac{20 \cdot 500}{1000} = 10\text{м} .

Определяем максимальное превышение уровня воды перед сооружением \eta над первоначальным

\eta = 4d_{o}(1 + \frac{h_{o}}{d_{o}} - \sqrt{1 + \frac{h_{o}}{d_{o}}}) = 4 \cdot 10(1 + \frac{2,35}{10} - \sqrt{1 + \frac{2,35}{10}}) = 4,95\text{м}

Определяем коэффициент Kp (рис. 4.11) для

K_{h} = \frac{h_{o}}{d_{o}} = \frac{2,35}{10} = 0,235

Kp = 0,77

Определяем горизонтальную нагрузку на сооружение

P_{r} = \rho gK_{p} \cdot \eta = 10^{3} \cdot 9,81 \cdot 0,77 \cdot 4,95 = 37,4\text{кПа}

P_{x} = \frac{P_{r} \cdot H}{2} = \frac{37,4 \cdot 15}{2} = 280,5\text{кН}/\text{м}

Определяем вертикальную нагрузку на сооружение

P_{Z} = \frac{P_{r} \cdot b}{2} = \frac{37,4 \cdot 10}{2} = 187\text{кН}/\text{м}

---