МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР ГЛАВНИИПРОЕКТ

всесоюзный ордена трудового красного знамени

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ имени Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР ГЛАВНИИПРОЕКТ

всесоюзный ордена трудового красного знамени

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ имени Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

РУКОВОДСТВО ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ НАГРУЗОК И ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

(волновых, ледовых и от судов)

П 58-76 ВНИИГ

ЛЕНИНГРАД

1977

вуют моменту t, когда наступает максимум горизонтальной силы Р_хг, воспринимаемой вертикальной стеной на всей ее высоте.

Это, однако, не означает, что максимальная горизонтальная нагрузка Р'хт на единицу длины любого участка стены, ограниченного какими-либо горизонтальными сечениями (например (рис. 1(1)), между точками 3 и 4), равна площади соответствующей части эпюры волнового давления, построенной указанным образом. Это справедливо лишь в частном случае, когда значение cos at, вычисляемое по формуле 3(3), равно или принимается равным (см. примечание к п. 2.2) единице. Если же cosctf<l, то наступление максимальных значений Р_хт и Р'хт не совпадает во времени.

Поэтому при необходимости расчета устойчивости и прочности участка стены, верх и низ которого ограничены заданными глубинами,— например, затвора плотины, — целесообразно рассчитать (лучше на ЭВМ) хронограммы волнового давления p=f(t) за период волны по формулам 5(4) для глубоководной зоны или 7 и 8 — для мелководной зоны— и выбрать из результатов этого расчета значения волновых давлений, соответствующие моменту наступления максимума силы волнового давления Р'_хг на рассматриваемый участок.

Для приближенных расчетов можно ограничиться определением значения Р'хт как площади части эпюры волнового давления, заключенной между отметками верха и низа рассматриваемого участка сооружения. Однако эпюру давления следует при этом строить для глубоководной зоны по ординатам, вычисляемым по формуле 5(4), а для мелководной зоны — по формуле 6, принимая в обоих случаях cos at= 1.

Нагрузки и воздействия волн на сооружения вертикального профиля и их элементы (особые случаи)

2.5.    Волновое давление р, тс/м², на вертикальную стену с возвышением над расчетным уровнем верха сооружения z_BC, м, на величину менее т)в, м, или с заглублением — до 0,5А, м, следует определять согласно требованиям пп. 2.3 и 2.4 настоящей главы с последующим умножением полученных значений давления на коэффициент А_с«, определяемый по формуле

А_сн = 0,76 ±0,19 —    9(5)

где знаки «плюс» и «минус» соответствуют положению верха сооружения выше или ниже расчетного уровня воды.

Горизонтальная волновая нагрузка Р_хт в рассматриваемом случае должна определяться по площади эпюры волнового давления в пределах высоты вертикальной стены.

В формуле 9(5) z_BC — абсолютное значение возвышения или заглубления верха сооружения относительно расчетного уровня.

2.6.    При подходе фронта волны к сооружению под углом а, град, со стороны открытой акватории (в расчетах устойчивости и прочности грунтов основания) волновую нагрузку на вертикальную стену, определенную согласно требованиям пп. 2.3 и 2.4 настоящей главы, необходимо уменьшать путем умножения ее на коэффициент k'_c«, принимаемый равным

^гР^аД    *сн

45    1

60    0,9

75    0,7

Примечание. При перемещении волн вдоль стены, т. е. для а, близких или равных 90, град, волновую нагрузку на секцию сооружения следует определять согласно требованиям п. 2.7 настоящей главы. ¹

2.7. Горизонтальную нагрузку от дифрагированных волн со стороны огражденной акватории следует определять при относительной длине

секции сооружения -^-^0,8; при этом расчетную эпюру волнового дав-

А

ления со значениями р, тс/м², допускается выполнять по трем точкам для следующих случаев:

а) вершина волны совмещена с серединой секции сооружения (рис. 7 (6),а), если z, м, имеет значения:

2i = t)b = —у— cth kH, то р_х = 0;    10(6) ²

z2 = 0, то »2 = *сн1 (y ~ НГ" cth kH')’    1

Рис. 7 (6). Эпюры давлений дифрагированных волн на вертикальную стенку со стороны огражденной акватории а—при гребне волны; б—при ложбине волны.

(ft    kft    3    \

2 chkH ~ 4 sh 2kH)’    2^

б) подошва волны совмещена с серединой секции сооружения (рис. 7(6)6), если z, м, имеет значения:

г_г = 0, то pi = 0;    13(9)

и UU 2    -

г₂ = т|_п = у —cth kH, то р₂ = — *_СнТП_П;    14(Ю)

(h    kh    ²    \

2ch\н + 4sh2kH J-    ¹⁵⁽¹¹⁾

где /г_д — высота дифрагированной волны, м, определяемая согласно требованиям приложения 1 к настоящей главе; &_сн—коэффициент, принимаемый по табл. 4(2).

Таблица 4(2)

Относительная длина к секции ..... А 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,83 Коэффициент £с..... 0,98 0,92 0,85 0,76 0,64 0,51 0,38 0,23 Примечание. При глубине со стороны огражденной акватории Н > 0,ЗХ следует строить треугольную эпюру волнового давления, принимая на глубине гг = 0,ЗХ волновое давление равным нулю (рис. 7(6)).

2.8. Взвешивающее волновое давление в горизонтальных швах мас-сивовой кладки и по подошве сооружения следует принимать равным соответствующим величинам горизонтального волнового давления в край-

2.9. Максимальную донную скорость и_мл> м/с, пе_ред вертикальной стеной (от действия стоячих волн) на расстоянии 0,25Я от передней грани стены необходимо определять по формуле

16(12)

где «с — коэффициент, принимаемый по табл. 5(3).

13

Таблица 5(3)

Пологость волны — h 8 10 15 20 30 Коэффициент ис 0,6 0,7 0,75 0,8 1

Допускаемые значения неразмывающих донных скоростей о_доп, м/с, для грунта крупностью фракций dio, мм, следует принимать по рис. 8(7); при о_Мд>Удоп необходимо предусматривать защиту от размыва основания на полосе вдоль сооружения шириной 0,4Я.

В формуле 16(12) И—действительная глубина у сооружения, а не условная расчетная глубина, принимаемая при определении волнового давления (п. 2.1).

На рис. 8(7) изображена кривая скоростей, соответствующих началу перемещения грунта;

d\o — указанная на графике на оси абсцисс крупность фракций грунта, включающих до 10% (по весу) более мелких частиц.

Неразмывающие скорости для грунтов с крупностью фракций d> >100 мм следует определять по приводимой ниже формуле 32.

2.10. Эпюра взвешивающего волнового давления на берменные массива должна приниматься трапецеидальной согласи© рис. 1 (1), б с ординатами ры, тс/м², определяемыми по формуле

dak(H— Н_с)

Ры = “бТ^а-tfTkH-^cos kXi < Ра*    17(13)

где х, — расстояние от стены до соответствующей грани массива, м; р_Пс — волновое давление на уровне подошвы стенки. а_Б — коэффициент, принимаемый по табл. 6(4).

Если по расчету неравенство 17(13) не выполняется, взвешивающее давление у ребра стенки принимается равным боковому, а характер изменения взвешивающего давления под берменными массивами сохраняется; следовательно, в этом случае

Ры = Рпс COS kX_t.

Пример 1. Определить волновые воздействия на -оградительное сооружение вертикальной формы из массивовой кладки, расположенное в мелководной зоне:

а)    боковое давление со стороны открытой воды и защищенной акватории и опрокидывающие моменты относительно внутреннего и внешнего ребер сооружения;

б)    взвешивающее давление по основанию и по отдельным швам;

в)    донные скорости с оценкой гранулометрического состава грунта

дна и взвешив'ающее давление на берменные массивы.    _

Исходные данные: высота волн h=6,0 м; средняя длина волн А = = 100 м; естественная глубина у сооружения #_д==15,0 м; глубина до верха каменной постели Я_с=13,0 м; подводная часть сооружения состоит из 6 курсов массивов высотой 2,3 м; ширина сооружения по подошве а = 12,0 м; ширина бермы Вб=6,0 м; длина секции /_с=20,0 м.

1. Определяем максимальную донную скорость о_Мд перед вертикальной стеной при действии стоячих волн по формуле 16(12),

При -Jr- =    = 0,06, ~ = -- = 0,96 находим по рис. 2(2)

k'_B = 0,95; тогда — по формуле 1(1) — расчетная глубина H = 13,0 + 0,95 (13,5 —13,0) = 13,48 и 13,5 м.

При этом =    =    0,135    <0,5.

На основании вычислений, приведенных в пп. 1 и 2 настоящего расчета, заключаем, что согласно п. 2.1 дальнейший расчет рассматриваемого сооружения следует производить на воздействие стоячих волн в мелководной зоне.

Рис. 10. Эпюры бокового и взвешивающих давлений стоячей волны со стороны открытой акватории при подходе ложбины волны (размеры м, ординаты эпюр в тс/м2, силы давления в тс/м).

3.    Определяем расчетные моменты времени, оцениваемые значениями cos at согласно п. 2.2.

н

Так как в нашем случае -=- =0,135<0,2, то по примечанию к п. 2.2

К

значение cos at, соответствующее наибольшему значению горизонтальной волновой нагрузки Р_хг при гребне волны, равно единице. Следовательно, при определении волновых нагрузок на сооружение со стороны открытой воды достаточно рассмотреть два расчетных момента времени, соответствующих моментам подхода к стене:

вершины волны с возвышением г]_в над расчетным уровнем и одновременным наступлением максимума горизонтальной силы волнового давления Р_хг при значении cos at— 1;

подошвы волны с понижением г)_п от расчетного уровня, при значении cos at——1.

4.    В соответствии с п. 2.2 и формулой 2(2) определяем расчетные возвышения и понижения волновой поверхности у стены при волновом

числе k = -у- =    = 0,0628:

16

ч. = - 6,0 (+ 1) - °’³.²|'³’⁰:. _cth (0,0628.13.5X4- 1)2 = - 7.65 м;

Уг = ^TIU = — 7,65 м;

„    0,0628-6,0²    _л „_л ,

ц_п = - 6,0 (—1) -§-^cth (0,0628-13,5)(— 1)э = 4,35 м.

5. Ординаты эпюр волнового давления, необходимые для определения горизонтальной волновой нагрузки на единицу длины вертикальной стены (для гребня Р_ЛТ и для подошвы Р_хп), вычисляем в соответствии с п. 2.4 и табл. 3(1).

Расчеты ведем в табличной форме. Значения коэффициентов кг—к$ к$—k§ определяем по графикам рис. 3(3), 4(4) и 5(5), предварительно

h    I

вычислив крутизну-г- и относительную длину волны —по значениям эле-А    _    //

ментов расчетной волны h и К и глубине Н

4- = 6 :100 =*0,06;    -£-= 100 i 13,5 = 7,4.

А    //

Таблица 7

№ точек Заглубление точек г, м Значения коэффициентов hi~—hb\ fro для гребня Значения волнового давления р, тс/м* 1 Чг -7,65 __ — Pi 0 2 0 0 k<i 0,84 Р-1 = *27* 5,0 3 0,25// 3,38 *3 0,69 Рз = ktfh. 4,15 4 0,5// 6,75 kI 0,59 Pi = кф 3,5 5 И 13,5 0,52 Ръ = *2ТЛ ЗД для подошвы 6 0 0 — — /?в 0 7 Чп 4,35 — — />7 = — ^пТ —4,35 8 0,5// 6,75 К 0,58 Ре = — ^87 А -3,5 9 // 13,5 0,52 Рэ = — *я7Л —3,1

УДК 627.88

Руководство составлено в развитие главы СНиП Н-57-75 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)». В Руководстве воспроизведен текст указанной главы СНиП, даны пояснения к нему и приведены примеры расчета.

В разделе, названном «Дополнения», представлены решения ряда дополнительных и вспомогательных задач, а также — вспомогательные материалы. Рекомендации, изложенные в этом разделе, должны рассматриваться не как обязательные, хотя они и не противоречат СНиП.

Руководство предназначено для инженерно-технических работников проектных и проектно-изыскательских институтов и строительных организаций, занимающихся проектированием и строительством речных и морских гидротехнических сооружений.

© Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники имени Б. Е. Веденеева (ВНИИГ), 1977

ПРЕДИСЛОВИЕ

Руководство составлено в развитие главы СНиП П-57-75 «Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)».

Приведенный в Руководстве текст главы СНиП Н-57-75 отмечен на полях сбоку вертикальной чертой. К каждому или нескольким пунктам главы СНиП даны соответствующие пояснения по их применению, а также примеры расчета, охватывающие наиболее типичные случаи в практике проектирования и иллюстрирующие порядок применения указаний, приведенных в СНиПе. Нумерация формул, таблиц и рисунков двойная: первый номер — порядковый, второй — в скобках — соответствует номеру, данному в главе СНиП.

Руководство разработано ВНИИГом имени Б. Е. Веденеева с участием: Союзморниипроекта и Черноморниипроекта Минморфлота, Института водных проблем АН СССР, Государственного океанографического института и Государственного гидрологического института Главпид-рометсдужбы, МИСИ имени В. В. Куйбышева и Ленииградского гидрометеорологического института Минвуза СССР, Ленинградского института водного транспорта, Гипроречтранса и Летпипроречтранса Мин-речфлота РСФСР, института Гидропроект имени С. Я. Жука Минэнерго СССР, Гипромюрнефти Миннефтепрома СССР, ЦНИИСа, Черноморского отделения ЦНИИСа и СибЦНИИСа Минтрансстрол, ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР и НИИЖТа МПС СССР.

Научные редакторы: Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, профессор, доктор технических наук Д. Д. Лаппо и профессор Б. А. Урец-кий.

Отзывы и замечания просьба направлять по адресу: 195220, Ленинград, Гжатская, 21, ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева.

3

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1.    Настоящие нормы должны соблюдаться при определении нагрузок и воздействий волновых, ледовых и от судов для проектирования вновь строящихся и реконструируемых речных и морских гидротехнических сооружений.

1.2.    В настоящей главе СНиП устанавливаются нормативные значения нагрузок и воздействий от волн, льда и судов на гидротахнические сооружения. Расчетная нагрузка должна определяться как произведение нормативной нагрузки на коэффициент перегрузки п, учитывающий возможное отклонение нагрузки в неблагоприятную сторону от ее нормативного значения; п должен приниматься согласно требованиям, приведенным в главе СНиП по основным положениям проектирования речных гидротехнических сооружений.

Соответственно требованиям, приведенным в указанной главе СНиП, значения коэффициентов перегрузки п надлежит принимать по табл. 1.

Таблица 1

Наименование нагрузок и воздействий Коэффициент перегрузки л Гидростатическое и волновое давление, а также давление фильтрационных вод по подземному контуру сооружения, в швах и расчетных сечениях бетонных и железобетонных конструкций (противодавление) ледовые нагрузки................ нагрузки от судов ................ ветровые нагрузки . . . . ........... 1 1,1 1,2 По главе СНиП на нагрузки и воздействия

В том же источнике приводится формула, которой надлежит пользоваться при оценке наступления предельных состояний первой группы (устойчивости и прочности) гидротехнических сооружений, их конструкции и оснований. В состав этой формулы входит коэффициент сочетания нагрузок «с. который вводится в виде множителя к нагрузкам (кроме коэффициента перегрузки) и учитывает вероятность неблагоприятных сочетаний нагрузок и воздействий, принимаемых в соответствующих расчетах.

Значения этих коэффициентов надлежит принимать по табл. 2.

Таблица 2

Сочетания нагрузок Коэффициент сочетания нагрузок Основное................ 1 Особое................. 0,9 В период строительства ......... 0,95

1.3. Нагрузки от волн и льда на гидротехнические сооружения I класса и при надлежащем обосновании также II класса, а также расчетные элементы волн на открытых и огражденных акваториях необходимо уточнять на основе данных натурных наблюдений и лабораторных исследований.

Примечание. Указания по определению элементов волн на открытых и огражденных акваториях, терминология и основные буквенные обозначения приведены в приложениях 1 и 2 к настоящей главе.

Изложенные в п. 1.3 требования об определении элементов волн относятся к объектам I класса и — при надлежащем обосновании — также II класса.

2. НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОЛН НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО И ОТКОСНОГО ПРОФИЛЕЙ

Нагрузки от стоячих волн на сооружения вертикального профиля

2.1. Расчет сооружений на давление стоячих волн со стороны открытой акватории (рис. 1) должен производиться при глубине до дна Я_д> l,5/i и глубине над бермой Яв^1,25Л; при этом в формулах для свободной волновой поверхности и волнового давления вместо глубины до

Рис. 2(2). Графики значений коэффициента k_B.

дна Я* м, необходимо вводить условную расчетную глубину Я, м, определяемую по формуле

Я=Я_с + а'_б(Я_д-Я_с),    1(1)

где Н_с — глубина над подошвой сооружения, м; К^Б — коэффициент, принимаемый по графикам рис. 2(2); h — высота бегущей волны, м.

Обычно бермой считают поверхность части постели, которая располагается впереди сооружения, в основном, для предотвращения выпирания основания, в том числе и постели, причем ширина бермы В б отсчиты-

вается, как показано на рис. 1(1), от сооружения до верхней бровки откоса.

Поскольку же формула 1(1) обусловливается характером взаимодействия сооружения с набегающей на него волной, следует при использовании графика, приведенного на рис. 2(2), учитывать полную ширину (поверху) отсыпаемой впереди сооружения каменной призмы независимо от назначения ее составных частей.

Однако, при ширине этой призмы, большей 0,ЗХ, и к пример, в случае, обуславливаемом требованием, приведенным далее в п. 2.9, можно полагать, что характер волнения у грани сооружения будет, практически, ана-. логичен наблюдаемому при подобном очертании естественного дна. В этом случае, следовательно, надлежит при использовании формулы 1(1) и графика 2(2) вводить в расчет для горизонтальной поверхности призмы Я_Д=Я_С, соответственно чему Я = Я_С.

При ступенчатом очертании поверхности призмы значение Я_д отсчитывается над наиболее заглубленным ее участком, а величина Вб принимается равной ширине поверху прилегающего к сооружению участка призмы.

2.2. Возвышение или понижение свободной волновой поверхности г), м, у вертикальной стены, отсчитываемое от расчетного уровня воды, должно определяться по формуле

2я    —    2n

где a = -=- — частота волны; т — средний период волны, с; t — время, с; k = -=- — х    Л

волновое число; X — средняя длина волны, м.

При действии стоячей волны на вертикальную стену необходимо предусматривать три случая определения т) по формуле 2(2) для следующих величин cos at:

а)    cos at= 1 — при подходе к стене вершины волны, возвышающейся над расчетным уровнем на т]_в, м;

б)    l>cos ot>0 — при максимальном значении горизонтальной волновой нагрузки P*_r для гребня волны, возвышающегося над расчетным уровнем на т)_г, в этом случае значение cos at должно определяться по формуле

3(3)

в) cos at=—1 ■—при максимальном значении горизонтальной волновой нагрузки Рха для подошвы волны, расположенной ниже расчетного уровня на т)_п.

Примечание. При Н/Х-^0,2 и во всех других случаях, когда по формуле 3(3) величины cos at> 1, необходимо в дальнейших расчетах принимать значение cos af=l.

Для глубоководной зоны, то есть при //> 0,5Х, cth£//->-l, соответственно чему формула 2(2) принимает вид:

ц = — h cos at — ~2* cos² at.    4

2.3. В глубоководной зоне горизонтальную нагрузку на единицу длины вертикальной стены Р_х, тс/м, при гребне или ложбине стоячей волны

7

1

2

3

По данным табл. 7 строим эпюры волнового давления при подходе со стороны открытой акватории к вертикальной стене гребня волны (рис. 9) и подошвы волны (рис. 10), соединяя расчетные точки прямыми линиями.

Суммируя площадь эпюры волнового давления выше уровня подошвы стены, находим значения сил волнового давления Р_ЛТ и Р_Хп- Величины волновых давлений на уровне подошвы р'$ и р'э определяем соответственно по значениям р$ и ре, путем линейной интерполяции