CC BY
54
ВЕСТНИК e(-n, л
5/2014
УДК 627.335.4:624.042.8
С.В. Лещенко, К.Н. Макаров
ФГБОУВПО «СГУ»
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ ОТ МОРСКИХ ВОЛН НА ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРИЧАЛОВ С ВОЛНОГАСЯЩИМИ КАМЕРАМИ
Предложена математическая модель для расчета вертикальных волновых нагрузок на плиты перекрытий сквозных причалов. Модель основана на теории удара струи о сплошную поверхность. При этом вертикальные скорости в гребне волны, ударяющем в перекрытие, определены по линейной теории волн. Нагрузка корректировалась в зависимости от соотношения длины волны и ширины перекрытия. Проверка модели выполнена по данным гидравлического моделирования взаимодействия волн со сквозными причалами в порту Туапсе.
Ключевые слова: плиты перекрытий причалов, волногасящая камера, удар струи о сплошную поверхность, вертикальная нагрузка, гидравлическое моделирование, порт Туапсе.
При проектировании гидротехнических сооружений, в частности, причалов с волногасящими камерами, служащими для уменьшения волнового воздействия на сооружения, возникает задача расчета вертикальных волновых гидродинамических нагрузок на плиты перекрытий [1—3].
В действующих нормативных документах отсутствуют указания по расчету вертикальных волновых нагрузок на горизонтальные плиты перекрытий сквозных сооружений (оградительных, причальных, подходных эстакад и т.п.), а также ступени откосно-ступенчатых сквозных конструкций. Хотя следует отметить, что имеется документ1, в котором даются рекомендации по расчету вертикальных волновых нагрузок на плиты перекрытия сквозного причала в виде свайного ростверка с тыловыми сопряжениями из сквозного волногася-щего короба или перфорированной стены с засыпкой камня за ней. Однако эти указания справедливы для конкретных параметров сооружений и не содержат в явном виде такие их характеристики, как сквозность перфорированных стен, размеры плит, отметки уровня моря, верха плит и др. Поэтому они не могут считаться универсальными и применимыми для других типов сооружений или сооружений того же типа, но с другими размерами, отметками и сквозностью (пористостью).
При взаимодействии волн с причалами, имеющими волногасящие камеры, имеет место гидродинамическое воздействие на горизонтальный элемент сооружения снизу от прогрессивно-стоячих волн, образующихся в результате отражения прогрессивных волн от тыловой стены причала (рис. 1).
1 РД 31.31.43—86. Указания по проектированию подпричального откоса и тылового сопряжения набережных-эстакад, подверженных интенсивному волновому воздействию. М. : ММФ СССР, 1988.
в
V
Рис. 1. Взаимодействие прогрессивно-стоячей волны со сквозным причалом: 1 —
передний ряд свай со сквозностью п; 2 — задний ряд свай в виде сплошной стены; 3 — эпюра гидродинамической волновой нагрузки при воздействии гребня волны; 4 — свободная поверхность воды; 5 — плита перекрытия шириной В; УВ — положение спокойного уровня воды; с1 — глубина перед сооружением; 1 — высота низа плиты перекрытия над расчетным уровнем моря; Х — расстояние от середины плиты перекрытия до береговой границы
В соответствии с постановкой задачи (см. рис. 1) на нижнюю часть плиты перекрытия воздействует гребень волны, в котором частицы имеют вертикальные скорости [1, 4—6]. Тогда гидродинамическое воздействие на плиту представляется аналогичным удару водяной струи в сплошную поверхность (рис. 2).
Рис. 2. Схема удара струи в сплошную поверхность
Согласно [7—9], струя оказывает динамическое воздействие на преграду, находящуюся на ее пути.
В [10, 11] показано, что при взаимодействии волны с сооружением, имеющим волногасящую камеру, ударная струя представляет собой половину гребня полной стоячей волны. Тогда для определения величины части гребня
ВЕСТНИК е(-п, л
5/2014
прогрессивно-стоячей волны, ударяющей в плиту перекрытия 1г может быть использовано соотношение:
I = X (0,5к - г)/(2к ), (1)
г ст 4 7 ст ' 4 сту 7 4 '
где кст, Хст — высота и длина стоячей волны; г — расстояние от низа горизонтального элемента сооружения до расчетного уровня моря.
Длина стоячей волны составляет половину исходной прогрессивной волны X, подходящей к причалу. Высота стоячей волны определяется соотношением
к = кК (1+ К Л (2)
ст прч отр.б/7 4 '
где Кпр — коэффициент прохождения волны через передний ряд свай, перфорированную стену или наброску в волновой камере; Котрб — коэффициент отражения волн от береговой границы сооружения, который должен быть задан (обычно его принимают равным Котрб = 1,0). Для определения коэффициента прохождения волн через переднюю стену используется методика, предложенная в [12—15].
Линейная нагрузка (на единицу длины) от удара гребня волны в плиту перекрытия Рг определяется по формуле
Рг = Р^Д (3)
где р — плотность воды; — вертикальная скорость в гребне стоячей волны, определяемая по формуле линейной теории волн [7]:
= (ккJT)(shk(d+z)/shkd), (4)
где Т — период волны; к = 2п/ Хст — волновое число; d — глубина.
Если ширина плиты перекрытия причала В < /, то расчетная величина нагрузки должна быть скорректирована путем умножения на редуцирующий (понижающий) коэффициент Кред = 1 - (/г - В)//..
Для проверки предложенной математической модели были использованы результаты специальных гидравлических исследований, выполненных при проектировании причалов в порту Туапсе (рис. 3).
2,50
Рис. 3. Сквозной причал с подпричальным волногасителем из наброски гексаби-тов (порт Туапсе)
Эксперименты проводились при различных вариантах подпричальных волногасителей. При этом, помимо колебаний уровня свободной поверхности, измерялись также волновые нагрузки на плиту перекрытия причала.
Конструкция причала представляла собой две шпунтовые стены с засыпкой камня и волногасителем из гексабитов массой 3 т. Верхняя часть шпунта морской стены срезалась до глубины 1,0 м, оставлялся шпунт только для удержания плиты перекрытия (ростверка). Варианты конструкции причалов, точки установки волнографов и датчиков давления на гидравлической модели показаны на рис. 4.
B4 \ / j +0,15 EC рвсч. yp. В-2 , ' D-] Dr2 В-Э
1 _ —
» I.» / ^H z vfJB] • tJwPB * 9 0 0 0 m 0 0 0 0
d -0,6 3 PTIPISF* B§V*/J m 0 * 9 * » * r -m * * • *
Рис. 4. Схема гидравлической модели (размеры даны в метрах в пересчете на натуру): В-1, В-2, В-3 — волнографы; D-1, D-2 — датчики давления; 1 — плита перекрытия; 2 — гексабиты; 3 — шпунтовые стенки; 4 — камень
Исследования проводились при следующих параметрах штормовых волн (в пересчете на натуру): глубина относительно расчетного уровня й = 6,15 м; высота волны к = 3,0 м; период волны Т = 8,6 с; длина волны X = 68 м. Ширина плиты перекрытия В = 7,5 м, величина г в экспериментах варьировалась путем изменения уровня воды в лотке.
Схемы исследованных конструкций сооружения, результаты измерений волновых колебаний и волнового давления на плиту перекрытия представлены в табл. 1.
Табл. 1. Результаты измерений волновых колебаний в зоне волногасителя и нагрузок на плиту перекрытия (в пересчете на натуру)
№ п.п. Схема конструкции Колебание уровня, см Волновое давление, кПа
В-1 В-2 В-3 В-4 Д-1 Д-2
ht int Пв h't int П'в РМ РБ
1 Без сооружения 300 165 300 165 — -
2 2,0 * 1 шв*< „ 1 ' 1 *" tm > > * Г 330 165 330 270 5,6 9,1
ВЕСТНИК
МГСУ-
5/2014
Окончание табл. 1
№ п.п.
Схема конструкции
Колебание уровня, см
В-1
В-2
В-3
к'.
В-4
Волновое давление, кПа
Д-1
Д-2
Р„
345
165
345
255
6,4
345
200
330
300
5,6
11,1
330
188
330
280
2,0
11,5
330
195
315
298
2,5
11,9
345
195
345
270
3,4
5,5
345
195
330
300
3,1
3,1
Расчетная эпюра вертикальной волновой нагрузки на плиту перекрытия причала по экспериментальным данным приведена на рис. 5.
В табл. 2 и на рис. 6 дано сопоставление результатов расчетов погонной вертикальной волновой на- Рис 5. Схема расчетной эпюры погонной волновой нагрузки на плиту перекрытия
грузки на плиту перекрытия прича-
по данным экспериментов, приведенным в ла по экспериментальным данным табл ^
и по предложенной модели.
к
П
3
4
5
6
7
8
Табл. 2. Сопоставление результатов расчетов погонной вертикальной волновой нагрузки на плиту перекрытия причала по экспериментальным данным Рвэксп и по предложенной модели Рв асч.
Ри, кПа М' РБ, кПа Р , кН/м Р , кН/м AP AP, %
5,60 9,10 38,62 35,00 -3,62 9
6,80 6,40 34,68 35,00 0,32 1
5,60 11,10 38,63 39,83 1,20 3
2,00 11,50 35,47 35,00 -0,47 1
2,50 11,90 37,84 35,00 -2,84 7
3,40 5,50 27,69 30,49 2,80 10
3,10 3,10 23,25 24,96 1,71 7
45.Ш
р 40,00
I
5 35,00»
га
I 30,00
я
I 25,00
ж
e
о
с 20,00
2 3 4 5 fi 7 Я
Номер варианта сооружения
Рис. 6. Сопоставление экспериментальных и расчетных вертикальных волновых нагрузок на плиту перекрытия причала
Как видно из приведенных результатов, предложенная математическая модель для определения вертикальных гидродинамических волновых нагрузок на горизонтальные плиты перекрытий сквозных причалов с волновыми камерами, удовлетворительно соответствует данным экспериментов (расхождения не превышают 10 %) и может быть рекомендована для практических расчетов.
Библиографический список
1. Лаппо Д.Д., Стрекалов С.С., Завьялов В.К. Нагрузки и воздействия ветровых волн на гидротехнические сооружения. Л. : ВНИИГ, 1990. 432 с.
2. Huang Ming, Aggidis G.A. Developments, expectations of wave energy converters and mooring anchors in the UK // Journal of Ocean University of China. 2008. Vol. 7. No. 1. Pp. 10—16.
3. Jain K. Dynamics of offshore structures under sea waves and earthquake forces // American Society of Mechanical Engineers, Offshore Technology. 1996. Vol. 1. Pp. 191—198.
4. Violent breaking wave impacts. Part 1: Results from large-scale regular wave tests on vertical and sloping walls / G.N. Bullock, C. Obhrai, D.H. Peregrine, H. Bredmose // Coastal Engineering. 2007. Vol. 54. № 8. Pp. 602—617.
5. Wolters G., Mülle G. The propagation of wave impact induced pressures into cracks and fissures. Geological Society, London, 2004, Engineering Geology Special Publications. Vol. 20. Pp. 121—130.
6. HoflandB., Kaminski M.L., Wolters G. Large scale wave impacts on a vertical wall // Coastal Engineering. 2010. Pp. 1—15.
7. Ле Меоте Б. Введение в гидродинамику и теорию волн на воде. Л. : Гидрометеоиздат, 1974. 367 с.
ВЕСТНИК e(-n, л
5/2014
8. Котоусов Л.С. Исследование водяных струй на выходе из сопел с различной геометрией // Журнал технической физики. 2005. Т. 75. Вып. 9. С. 8—14.
9. Пономарева М.А., Шрагер Г.Р., Якутенок В.А. Устойчивость плоской струи высоковязкой жидкости, натекающей на горизонтальную твердую плоскость // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2011. № 1. С. 53—61.
10. Leschenko S.V, Makarov K.N. Vertical Hydrodynamic Loads on the Elements of Hydrotechnical Constructions // European Researcher. International Multidisciplinary Journal. 2013. Vol. 48. No 5-1. Pp. 1189—1193.
11. Лещенко С.В., Макаров К.Н. Методика расчета вертикальных гидродинамических волновых нагрузок на горизонтальные элементы гидротехнических сооружений // Гидротехника. 2013. № 2 (31). С. 20—25.
12. Мищенко С.М. Гидравлика сооружений с улучшенными волногасящими свойствами // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. СПб., 1997. Т. 20.
13. McIver P. Water-wave propagation through an infinite array of cylindrical structures // Journal of Fluid Mechanics. 2000. Pp. 101—125.
14. Li Y., Mei C.C. Multiple resonant scattering of water waves by a two-dimensional array of vertical cylinders: Linear aspects. Physical Review, 2007. E 76. Pp. 1—23.
15. Krynkin A., McIver P. Approximations to wave propagation through a lattice of Dirichlet scatterers // Waves in Random and Complex Media. 2009. № 5. Pp. 347—365.
Поступила в редакцию в марте 2014 г.
Об авторах: Лещенко Сергей Владимирович — аспирант кафедры городского строительства, Сочинский государственный университет (ФГБОУ ВПО «СГУ»), 354000, г. Сочи, ул. Советская, д. 26 а, [email protected];
Макаров Константин Николаевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой городского строительства, Сочинский государственный университет (ФГБОУ ВПО «СГУ»), 354000, г. Сочи, ул. Советская, д. 26 а, [email protected].
Для цитирования: Лещенко С.В., Макаров К.Н. Гидродинамические нагрузки от морских волн на горизонтальные элементы причалов с волногасящими камерами // Вестник МГСУ 2014. № 5. С. 144—151.
S.V. Leshchenko, K.N. Makarov
HYDRODYNAMIC LOADS OF SEA WAVES ON HORIZONTAL ELEMENTS OF BERTHS WITH WAVE QUENCHING CHAMBERS
In the process of hydraulic structures design, in particular berths with wave cancelling structures, which serve to decrease the wave impact on structures, there appears a problem of vertical wave hydrodynamic loads calculation on floor slabs. In the existing normative documents there are no requirements on calculating vertical wave loads on the horizontal floor slabs of open-type structures (enveloping, mooring, approach trestles, etc.) and stairs of sloping-staired open-type structures.
A mathematical model is proposed for calculation of the vertical wave loads on the floor slab through moorings. The model is based on the theory of jet impact on a solid surface. The width of the wave crest, striking in the overlap of the pier, and its vertical velocity is determined by the linear wave theory. The coefficient of transmission of waves through wave quenching chambers is calculated according to the previously developed methods. Vertical wave loading is adjusted based on the ratio of the wave length and width of the overlay. Model validation is performed according to the hydraulic modelling interaction of waves with through berths in the port of Tuapse. 7 variants of their design were considered. Data mapping mathematical and hydraulic modeling showed them a close match.
Key words: floor slabs in ports, wave quenching camera, impact of a jet on a solid surface, vertical load, hydraulic modeling, Tuapse port.
References
1. Lappo D.D., Strekalov S.S., Zav'yalov V.K. Nagruzkii vozdeystviya vetrovykh voln na gidrotekhnicheskie sooruzheniya [Loadings and Impacts of Wind Waves on Hydraulic Engineering Structures]. Leningrad, VNIIG Publ., 1990, 432 p.
2. Huang Ming, Aggidis G.A. Developments, Expectations of Wave Energy Converters and Mooring Anchors in the UK. Journal of Ocean University of China. 2008, vol. 7, no. 1, pp. 10—16. DOI: 10.1007/s11802-008-0010-8.
3. Jain K. Dynamics of Offshore Structures under Sea Waves and Earthquake Forces. American Society of Mechanical Engineers, Offshore Technology. 1996, vol. 1, pp. 191—198.
4. Bullock G.N., Obhrai C., Peregrine D.H., Bredmose H. Violent Breaking Wave Impacts. Part 1: Results from Large-scale Regular Wave Tests on Vertical and Sloping Walls. Coastal Engineering. 2007, vol. 54, no. 8, pp. 602—617. DOI: 10.1016/j.coastaleng.2006.12.002.
5. Wolters G., Mülle G. The Propagation of Wave Impact Induced Pressures into Cracks and Fissures. Geological Society, London. 2004, Engineering Geology Special Publications, vol. 20, pp. 121—130. DOI: 10.1144/GSL.ENG.2004.020.01.09.
6. Hofland B., Kaminski M.L., Wolters G. Large Scale Wave Impacts on a Vertical Wall. Coastal Engineering. 2010, pp. 1—15.
7. Le Meote B. Vvedenie v gidrodinamiku i teoriyu voln na vode [Introduction to Fluid Mechanics and the Theory of Water Waves]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1974, 367 p.
8. Kotousov L.S. Issledovanie vodyanykh struy na vykhode iz sopel s razlichnoy geome-triey [Research of Water Streams at the Exit from Water Jets with Various Geometry]. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki [Journal of Technical Physics]. 2005, vol. 75, no. 9, pp. 8—14.
9. Ponomareva M.A., Shrager G.R., Yakutenok V.A. Ustoychivost' ploskoy strui vyso-kovyazkoy zhidkosti, natekayushchey na gorizontal'nuyu tverduyu ploskost' [Stability of a Flat Stream of the High-viscosity Liquid Accumulating on the Horizontal Firm Plane]. Izvestiya RAN. Mekhanika zhidkosti i gaza [News of the Russian Academy of Sciences. Mechanics of Liquid and Gas]. 2011, no. 1, pp. 53—61.
10. Leschenko S.V., Makarov K.N. Vertical Hydrodynamic Loads on the Elements of Hydrotechnical Constructions. European Researcher. International Multidisciplinary Journal. 2013, vol. 48, no. 5-1, pp. 1189—1193.
11. Leshchenko S.V., Makarov K.N. Metodika rascheta vertikal'nykh gidrodinamicheskikh volnovykh nagruzok na gorizontal'nye elementy gidrotekhnicheskikh sooruzheniy [Method of Calculation of Vertical Hydrodynamic Wave Loads on the Horizontal Elements of Marine Engineering]. Gidrotekhnika [Hydraulic Engineering]. 2013, no. 2 (31), pp. 20—25.
12. Mishchenko S.M. Gidravlika sooruzheniy s uluchshennymi volnogasyashchimi svoystvami [Hydraulic Structures with Improved Wave Cancelling Properties]. Izvestiya VNIIG im. B.E. Vedeneeva [News of Russian Scientific and Research Institute of Hydraulic Engineering Named after V.E. Vedeneev]. Saint Petersburg, 1997, vol. 20.
13. McIver P. Water-wave Propagation through an Infinite Array of Cylindrical Structures. Journal of Fluid Mechanics. 2000, pp. 101—125.
14. Li Y., Mei C.C. Multiple Resonant Scattering of Water Waves by a Two-dimensional Array of Vertical Cylinders: Linear Aspects. Physical Review. 2007, E 76, pp. 1—23. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.76.016302.
15. Krynkin A., McIver P. Approximations to Wave Propagation through a Lattice of Dirichlet Scatterers. Waves in Random and Complex Media. 2009, no. 5, pp. 347—365. DOI:10.1080/17455030802616855.
About the authors: Leshchenko Sergey Vladimirovich — postgraduate student, Department of Urban Development, Sochi State University (SSU), 26 a Sovetskaya str., Sochi, 354000, Russian Federation; [email protected];
Makarov Konstantin Nikolaevich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Urban Development, Sochi State University (SSU), 26 a Sovetskaya str., Sochi, 354000, Russian Federation; [email protected].
For citation: Leshchenko S.V., Makarov K.N. Gidrodinamicheskie nagruzki ot morskikh voln na gorizontal'nye elementy prichalov s volnogosyashchimi kamerami [Hydrodynamic Loads of Sea Waves on Horizontal Elements of Berths with Wave Quenching Chambers]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 5, pp. 144—151.
