CC BY
88
ВЕСТНИК AtM-iMt.
10/2013
УДК 627
К.П. Мордвинцев, Нгуен Тхи Зьем Чи
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ВЫСОТЫ НАКАТА ВОЛН НА БЕРЕГОЗАЩИТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ОТКОСНОГО ТИПА
Гидротехнические сооружения откосного типа широко распространены в практике строительства. Они используются как оградительные, так и берегозащитные и, как правило, расположены на побережьях открытых акваторий.
Изучение взаимодействия этих сооружений с внешними нагрузками ведется достаточно давно. Разработаны методики расчета данных сооружений. Основным вопросом при расчете данных сооружений можно назвать определение высоты наката волны на откос сооружения.
Приведен краткий обзор методов расчета высоты наката волн на откосы сооружений различного назначения. Эти методики разрабатывались на основе экспериментальных исследований. Рассмотрены решения данной задачи, полученные ранее различными исследователями.
Ключевые слова: длина волн, высота волн, сооружение откосного типа, высота наката волн, берегозащитные сооружения.
Берегозащитные сооружения возводятся с древних времен. В I в. до н.э. римляне построили дамбу в Кейсарии, Израиль (Caesarea, Israel) для создания искусственной гавани, и этот объект является первым документированным берегозащитным сооружением. В строительстве использовался бетон, который затвердевает при контакте с морской водой, из которого были построены специальные баржи. Баржи, в свою очередь, заполнялись бетоном и затапливались в местах установки. Все сооружения существуют по сегодняшний день, т.е. более 2000 лет. За этот период в мире построено большое количество берегозащитных сооружений, среди которых наибольшее распространение имеют конструкции откосного типа.
В последние годы как в Российской Федерации, так и в Республике Вьетнам достаточно интенсивно проектируются, и строятся новые морские порты, а также реконструируются существующие. Морские перевозки, туризм и рекреация во Вьетнаме являются существенным элементом экономического развития страны.
Проблема эрозии берегов для Республики Вьетнам является чрезвычайно актуальной. По всей береговой линии наблюдается интенсивный размыв. В некоторых областях это проявляется особенно сильно, например в районе г. Хатинь (Ha Tinh) (около 60 км), Нгеан (Nghe An) (45 км), Хайфон (Hai Phong) (18 км). Береговая зона Вьетнама подвержена воздействию штормов и тайфунов, которые вызывают значительные подтопления и разрушения сельскохозяйственных угодий и инфраструктуры.
Существующие в настоящее время берегозащитные сооружения не могут противостоять штормам силой девять баллов, поэтому принято решение о строительстве комплексных берегозащитных сооружений, включающих в себя пляж от 150 м шириной, крепление берегов мангровыми деревьями до 500 м,
строительство берегозащитных сооружений откосного типа с заложением откоса 3,0.. .3,5 с облицовкой камнем и бетонными блоками (рис. 1, 2).
Рис. 1. План берегоукрепительных сооружений в г. Хайфон
Рис. 2. Поперечное сечение берегозащитного сооружения в г. Хайфон
При проектировании берегозащитных сооружений откосного типа необходимо определить высоту наката волн шторма расчетной обеспеченности. Величина высоты наката волн позволяет установить отметку верха сооружения, ширину бермы и границы крепления откоса при различных вариантах его заложения. Ошибки в определении высоты наката волн приводят либо к неоправданному удорожанию сооружения, либо к его разрушению при воздействии экстремальных гидрофизических процессов.
Под накатом понимается процесс набегания волн на откосы берегозащитных сооружений. Физическая сущность явления наката определяется взаимодействием водных масс, скатывающихся с откоса, со струями воды при подходе и разрушении последующей волны. Это явление представляет собой сложный энергетический процесс, теоретическое описание которого до настоящего времени затруднено. В связи с этим существующие методы расчета высоты наката основаны на эмпирических формулах, полученных по результатам экспериментальных данных.
Существующие методы расчета высоты наката основаны на эмпирических формулах. В соответствии с требованием нормативных документов, высота наката волн на защитное плитное крепление откоса должна определяться на основании результатов физического или математического моделирования.
ВЕСТНИК AtM-iMt.
10/2013
Впервые формулы по определению высоты наката были получены опытным путем Н.Н. Джунковским в 1936 г. [1, 2], который по результатам физического моделирования разрушения регулярных волн X/h = 7 на откосах заложениями ctg9 = 1.. .4. Джунковским была предложена формула
hrun = 3,2 kr tgqh, (1)
где hrun — высота наката волн на откос; X — длина исходных волн; h — высота исходных волн; ф — угол заложения откоса; kr — коэффициент шероховатости откоса.
Для откосов (^ф = 1.6) и X/h = 10.20, использовалась формула, полученная в результате опытов Б.А. Пышкина, А.М. Жуковца, А.Г. Сидоровой [1, 3]:
, 0,23 [X , ,„ч
hrun =ir fo-tgqh. (2)
Затем, Г.Г. Метелицына и М.Э. Плакида провели серии опытов для крутых откосов (90° > ф > 45°), была предложена формула [1, 4]
h nh2 2nh ( m ^
hrnn = , 2 + ~Ctg—I 3 I. (3)
y/1 + ctg2m Т X ^ 45)
В общесоюзные строительные нормы [1, 7] была предложена формула определения высоты наката волн hrun для заложений откосов ^ф = 1,5.5,0
hrun = 2kr (4)
В.Л. Максимчуком [1, 5] была предложена формула определения высоты наката волн h для заложений откосов ^ф = 2.30:
hrun = Чг-^ТТ- cos ßh, (5)
У1 + ctg 2ф
где ß — угол подхода волн к сооружению.
При разрушении волн на откосе Хаитом [1, 8] была предложена следующая формула:
hrun = consttgф Jhk~d, (6)
где Xd — длина волны на глубокой воде.
Из формулы (6) Батьес [1, 9] предложил следующую формулу в зависимости от параметра Ирибаррена:
hun = ^ф (7)
h
В [7] высоту наката фронтально подходящих волн различных обеспечен-ностей на откос при глубине перед сооружением > 2 надлежит определять по формуле, предложенной Г.Ф. Красножоном [5]:
^гапД % = к^ркцрк ГШ1 ^<А% (8)
где к и к — коэффициент шероховатости и проницаемости откоса; к — коэф-
г р 5р
фициент, зависящий от заложения откоса и скорости ветра; кгцп — коэффициент относительного наката; ка — коэффициент, учитывающий угол подхода волн к сооружению.
При наличии на лицевом откосе горизонтальных площадок (берм), как показано на рис. 3, Г.Ф. Красножоном [6] была предложена для расчета наката нерегулярных волн на откосы, укрепленные плитами или каменной наброской, формула
К* = 4un,i% кы % kakrkphmtm,
(9)
где L ,„. — относительная длина наката с обеспеченностью 1 % в системе фронтальных волн, принимаемая в зависимости от Л .
Рис. 3. Схема к определению волнового воздействия на откос
Последующие исследования взаимодействия волн с откосными сооружениями, содержащими бермы на внешнем откосе, проведенные B.C. Шайтаном [5], позволили предложить использование следующей формулы:
\г,пт1% = kbr,run1 % hrun1%, (10)
где k
br,run,1%
— дополнительный коэффициент, который определяется с помощью
диаграммы, показанной на рис. 4.
1520 30
ОСОЧОЧ; [S О О --"оо" Q OCQ
dbr
Рис. 4. График для определения значения коэффициента kbrrun1%
Исследования, связанные с определением высоты наката волны на откос с горизонтальными бермами, проводились не только у нас в стране, но и за рубежом. Дж. Вт. ван дер Меер (J.W. van der Meer) [10, 11] предложил определять высоту наката волны на откосы по формуле
ВЕСТНИК
МГСУ-
10/2013
hun = 1,75hkkbk±0, если 0,5 < kJL < 1,8;
Кп = hkk
V'vb'v рЪ 0 (
4,3 -
1,6
если 1,8 < k,L < 8.10,
(11) (12)
где kbrrun — дополнительный коэффициент; kb — коэффициент влияние бермы; kb — коэффициент угла прихода волны; £,0 — параметр разрыва волн (параметр Ирибаррена) tan ф
^0 =
где 50 — крутизна волны.
На рис. 5 приведены графики результатов расчета высоты наката волн на откосное сооружение с горизонтальной бермой на лицевом откосе ЬЬг различной ширины. Расчеты проводились по трем, наиболее часто используемым методикам (8), (10), (11). 0,12
0,10
3 0,08
0,06
0,04
0,02
к«.___
A ■■__^
0
-расчет по (10) расчет по (11)
0,2 0,4 0,6 0,8
й расчет по (8)
bbr, м
Рис. 5. Графики сравнений результатов опытов с расчетами по известным методикам
Данные расчеты показывают, что их результаты существенно отличаются, а по методике расчета наката волн на откосное сооружение, рекомендуемой в нормативных документах (8), вообще нельзя рассчитывать сооружения, содержащие горизонтальные площадки (бермы).
Для расчета высоты наката волн на берегозащитные сооружения разработано большое количество методик, в которых параметры расчетных волн на подходе к сооружению определяются по линейной или нелинейной теории волн, но они, в основном, — для условий гладкого откоса с постоянным уклоном. В случае сложной конфигурации откоса в настоящее время применяется физическое моделирование.
Откосные сооружения более сложной формы позволяют решать многие задачи, например: снижение отметки гребня, повышение устойчивости откоса, создание более эстетически привлекательного внешнего вида сооружения, однако их расчет и проектирование до настоящего времени затруднено, так как практически отсутствует надежная методика расчета и, следовательно, это требует значительных финансовых затрат.
Решение данной задачи на современном этапе является актуальным и необходимым.
Библиографический список
1. Литвиненко Г.И. Расчет высоты наката на откосы оградительных сооружений при регулярном и нерегулярном волнении // Эксплуатационные, экономические и правовые проблемы морского транспорта и портов России : тр. Союзморниипроекта. М. : Мортехинформреклама, 2002. Вып. 3. № 3. С. 58—61.
2. Джунковский H.H. Действие ветровых волн на гидротехнические сооружения и берега. М. : Стройиздат, 1940. С. 161—163.
3. Пышкин Б.А. О влиянии длины волны на высоту наката на откос // Гидротехническое строительство. 1957. № 4. C. 72—81.
4. Максимчук В.Л. Визначення висоти накачування хвиль на укоси гидротехнич-них споруд // Комплексне використання водних ресурсов Украини : Сб. Вид. АН УРСР. 1959. С. 28—33.
5. Метелицына Г.Г., Плакида М.Э. Волновое давление и высота наката волн на крутонаклонные стенки // Вопросы гидротехники : Сб. М. : Речной транспорт, 1958. Вып. 15. С. 45—47.
6. Лаппо Д.Д., Стрекалов С.С., Завьялов В.К. Нагрузки и воздействия ветровых волн на гидротехнические сооружения. Л. : ВНИИГ, 1990. С. 38—48.
7. СНиП 2.06.04—82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооруженя (волновые, ледовые и от судов) / ГОССТРОЙ СССР. М., 1989. С. 10—11.
8. Battjes J.A. A Review of Methods to Establish the Wave Climate for Breakwater Design. Coastal Engeneering. 1984, vol. 8, no. 2, pp. 141—160.
9. Hunt I.A. Design of Seawalls and Breakwaters. Journal of Waterways and Harbors Division. ASCE, 1959, vol. 85, no. 3, pp. 123—152.
10. Van der Meer J.W. Wave Run-up and Wave Overtopping at Dikes. Delft Hydraulics, WL. 1977, pp. 7—10.
11. TAW. Guidelines for Hydraulic Structures (in Dutch; original title: Leidraad Kunstwerken). Technical Advisory Committee for Water Defense. 2001, pp. 157—162.
Поступила в редакцию в сентябре 2013 г.
Об авторах: Мордвинцев Константин Петрович — кандидат технических наук, доцент кафедры гидротехнических сооружений, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Нгуен Тхи Зьем Чи — аспирант кафедры гидротехнических сооружений, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, с[email protected].
Для цитирования: Мордвинцев К.П., Нгуен Тхи Зьем Чи. Анализ методов расчета высоты наката волн на берегозащитные сооружения откосного типа // Вестник МГСУ. 2013. № 10. С. 234—241.
K.P. Mordvintsev, Nguyen Thi Diem Chi
ANALYSIS OF METHODS OF CALCULATING WAVE RUN-UP HEIGHT ON SLOPE TYPE SHORE PROTECTION STRUCTURES
Slope type hydraulic structures are widely used in the construction. They are used both as fencing and as shore protection and are usually located on the coasts of off-
BECTHMK ,n;on<n
10/2013
shore water zones. The interaction of such structures with external loads has been studied for quite a long time. The methods of calculating these structures have been developed. Defining the wave run-up height on a slope of a structure can be considered the main question in the calculation of these structures. The given article provides a brief survey of the methods of calculating the wave run-up height on slope of structures of various applications. These methods were developed on the basis of experimental studies. The author examines various solutions to this problem, previously obtained by different researchers.
In order to calculate the wave run-up height on a slope type shore protection construction a large number of calculation methods were developed. The parameters of a wave approaching a structure were defined by linear or non-linear wave theory, but they are mostly true in the conditions of a smooth slope with constant gradient. In the case of complex slope configuration physical modeling is currently used.
Slope structure having more complicated form can solve many problems, such as: reducing the crest level, increasing the slope stability, creating more aesthetically appealing appearance of the structures, but their calculation and design is currently difficult, since there is practically no reliable method of calculation and, therefore, it requires significant investment.
At present the solution to this problem is relevant and necessary.
Key words: wave length, wave height, the slope type structure, wave run-up height, bank protection structures.
References
1. Litvinenko G.I. Raschet vysoty nakata na otkosy ograditel'nykh sooruzheniy pri regu-lyarnom i neregulyarnom volnenii [Calculations of Wave Run-up Height on Slope Protection Structures in Case of Regular and Irregular Waves]. Ekspluatatsionnye, ekonomicheskie i pravovye problemy morskogo transporta i portov Rossii: trudy Soyuzmorniiproekta [Operating, Economic and Legal Issues of Marine Transport and Harbors in the Russian Federation: Works of Soyuzmorniiproekt]. Moscow, Mortekhinformreklama Publ., 2002, vol. 3, no. 3, pp. 58—61.
2. Dzhunkovskiy H.H. Deystvie vetrovykh voln na gidrotekhnicheskie sooruzheniya i berega [Influence of Wind Waves on Hydraulic Structures and Shores]. Moscow Stroyizdat Publ., 1940, pp. 161—163.
3. Pyshkin B.A. O vliyanii dliny volny na vysotu nakata na otkos [On the Problem of the Influence of Wave Length on Wave Run-up Hight on a Slope]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 1957, no. 4, pp. 72—81.
4. Maksimchuk V.L. Viznachennya visoti nakachuvannya khvil' na ukosi gidrotekhnichnikh sporud [Determining the Wave Run-up Height on the Slope of Hydraulic Structures]. Kom-pleksne vikoristannya vodnikh resursov Ukraini: Sbornik [Complex Use of Water Resources in Ukraine: Collection of Works]. National Academy of Sciences of Ukraine Publ., 1959, pp. 28—33.
5. Metelitsyna G.G., Plakida M.E. Volnovoe davlenie i vysota nakata voln na krutonak-lonnye stenki [Wave Pressure and Wave Run-up Hight on a Bund Wall]. Voprosy gidrotekh-niki: Sbornik [Problems of Hydraulic Engineering: Collection of Works]. 1958, Moscow, no. 15 Rechnoy transport [River Transport], pp. 45—47.
6. Lappo D.D., Strekalov S.S., Zav'yalov V.K. Nagruzki i vozdeystviya vetrovykh voln na gidrotekhnicheskie sooruzheniya [Loads and Effects of Wind Waves on Hydraulic Engineering Structures]. Leningrad, VNIIG Publ., 1990, pp. 38—48.
7. Building Code 2.06.04—82. Nagruzki i vozdeystviya na gidrotekhnicheskie sooru-zhenya (volnovye, ledovye i ot sudov) [Loads and Effects on Hydraulic Structures (Caused by Waves, Ice and Boats)]. GOSSTROY SSSR Publ., Moscow, 1989, pp. 10—11.
8. Battjes J.A. A Review of Methods to Establish the Wave Climate for Breakwater Design. Coastal Engineering. 1984, vol. 8, no. 2, pp. 141—160.
9. Hunt I.A. Design of Seawalls and Breakwaters. Journal of Waterways and Harbors Division. ASCE, 1959, vol. 85, no. 3, pp. 123—152.
10. Van der Meer J.W. Wave Run-up and Wave Overtopping at Dikes. Delft Hydraulics, WL. 1977, pp. 7—10.
11. TAW. Guidelines for Hydraulic Structures (in Dutch; original title: Leidraad Kunstwerken). Technical Advisory Committee for Water Defence. 2001, pp. 157—162.
About the authors: Mordvintsev Konstantin Petrovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Nguyen Thi Diem Chi — Postgraduate student, Department of Hydraulic Engineering, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Mos-cow,129337, Russian Federation; [email protected].
For citation : Mordvintsev K.P., Nguyen Thi Diem Chi. Analiz metodov rascheta vysota nakata voln na beregozashchitnye sooruzheniya otkosnogo tipa [Analysis of Methods of Calculating Wave Run-up Height on Slope Type Shore Protection Structures]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 10, pp. 234—241.
