Приложение П. Расчет параметров ветровых волн для определения отметки бровки насыпи и мощности крепления откоса

Приложение П

Расчет
параметров ветровых волн для определения отметки бровки насыпи и мощности крепления откоса

Параметры ветровых волн определяют для двух расчетных случаев:

для назначения отметки бровки насыпи или верха крепления откоса, когда принимают условия подтопления насыпи при наибольшем расходе; при расчете конструкции крепления откоса, когда принимают условия подтопления насыпи при расчетном расходе.

Различные глубины воды на пойме реки при наибольшем и расчетном расходах, а также нормативные обеспеченности ветра и высоты волны в системе шторма для двух названных расчетных случаев определяют два значения высоты волны и ее периода.

Нормативные обеспеченности расходов воды, скорости ветра и расчетной волны в системе шторма даны соответственно в пп. 9.3 и 9.4 настоящего Свода правил.

В систему расчетов входят определение скоростей ветра, параметров волны для расчета высоты наката волны на откос, параметров волны для расчета мощности крепления. Все расчеты производятся в соответствии со СНиП 2.06.04-82*, ВСН 206-87 и РД 31.33.05 [20].

Пример расчета. Рассмотрим участок подходной насыпи к мостовому переходу железной дороги первой категории общей сети у г. Астрахани, работающего в условиях подтопления паводковыми водами р. Волги.

А. Определение расчетных скоростей ветра

Ветровой режим в рассматриваемом районе прогнозируется на основании материалов непрерывных в течение 25 лет срочных наблюдений на Астраханской гидрометобсерватории (ГМО), как репрезентативной для данного района. Астраханская ГМО расположена на местности типа В (п. 2.8 ВСН 206-87); измерения скорости ветра производились флюгером на высоте 11,6 м.

Пики половодья в районе, по данным многолетних гидрографов р. Волги, приходятся на два месяца: май и июнь, для периода которых и определяется расчетная скорость и направление ветра.

Статистические данные повторяемости в процентах градаций ветра по скоростям и направлениям средние за май и июнь месяцы приведены в таблице П.1.

Для каждого румба рассчитаны повторяемость ветра по градациям Р, % числа случаев наблюдений (из таблицы П.1), а также обеспеченности F, % (как последовательные суммы повторяемостей по градациям от больших скоростей ветра к меньшим). Результат приведен в таблице П.2. По обеспеченностям F, %, на клетчатке вероятностей строятся графики режимных функций ветра в рассматриваемом районе (рисунок П.1), для всех 8 румбов.

Таблица П.1

Градации скорости ветра, м/с	Направления (румбы)								Всего
	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
0-1	1,7	0,9	1,25	1,75	1,55	1,55	1,5	1,8	12,0
2-5	6,75	7,2	8,55	8,7	5,8	6,8	8,0	7,7	59,5
6-9	2,15	2,9	4,05	3,45	2,25	1,8	2,4	2,5	21,5
10-13	0,3	0,8	1,1	1,45	0,35	0,35	0,65	0,75	5,75
14-17	0,08	0,15	0,2	0,3	0,085	0,035	0,15	0,135	1,135
18-20				0,03	0,015	0,015	0,015	0,035	0,11
21-26					0,015				0,015
Всего Р, %	10,98	11,95	15,15	15,68	10,065	10,55	12,715	12,92	100,01

Таблица П.2

В процентах

Скорость ветра, м/с	Направления (румбы)
	С		СВ		В		ЮВ		Ю		ЮЗ		З		СЗ
	Р	F	Р	F	Р	F	Р	F	Р	F	Р	F	Р	F	Р	F
21-26									0,15	0,15
18-20							0,19	0,19	0,15	0,30	0,14	0,14	0,12	0,12	0,27	0,27
14-17	0,73	0,73	1,25	1,25	1,32	1,32	1,91	2,10	0,85	1,15	0,33	0,47	1,18	1,30	1,04	1,37
10-13	2,73	3,46	6,70	7,95	7,26	8,58	9,25	11,35	3,48	4,63	3,32	3,79	5,11	6,41	5,80	7,11
6-9	19,58	23,04	24,27	32,22	26,74	35,32	22,00	33,35	22,35	26,98	17,06	20,84	18,87	25,28	19,36	26,47
2-5	61,48	84,52	60,25	92,47	56,43	91,75	55,49	88,84	57,62	84,60	64,46	85,30	62,92	88,20	59,60	86,07
0-1	15,48	100,0	7,53	100,0	8,25	100,0	11,16	100,0	15,40	100,0	14,7	100,0	11,8	100,0	13,93	100,0

Расчетные скорости ветра в соответствии с пп.9.3 и 9.4 приняты повторяемостей: при определении отметки бровки насыпи 1 раз в 2 года (обеспеченность 50%) и при расчетах мощности крепления 1 раз в 25 лет (обеспеченность 4%).

Для каждого румба применительно к использованным данным статистического ряда наблюденных скоростей ветра определяется обеспеченность ветра повторяющегося один раз в нормативные n - t лет по формуле (1) ВСН 206-87

, (П.1)

где t - непрерывная продолжительность действия ветра (при отсутствии данных принимается равной 6 ч);

N - число дней срочных наблюдений в году за паводковый период, в данном примере май - июнь N = 61 день;

- нормативное число лет повторяемости ветра, в данном примере года и лет;

- повторяемость направления ветра в долях единицы от суммы повторяемостей всех направлений (берется из последней строчки таблицы П.1).

Вычисленные значения обеспеченностей в процентах и и соответственно им снятые с графиков режимных функций (рисунок П.1) расчетные скорости ветра и приведены в таблице П.3.

Таблица П.3

Показатели	Направление ветра (румбы)
	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
F_2(50%), %	1,87	1,72	1,35	1,31	2,04	1,44	1,61	1,59
F_25 (4%), %	0,15	0,14	0,11	0,10	0,16	0,16	0,13	0,13
V_4%, м/с	17,0	18,0	18,5	14,0	19,0	17,0	19,5	19,0
V_50%, м/с	12,5	13,5	14,5	15,0	13,0	11,5	13,5	14,0

Скорость ветра , прогнозируемую по данным материковой гидрометеостанции , следует привести к условиям водной поверхности на высоте Z = 10 м по формуле (149) СНиП 2.06.04-82*:

, (П.2)

где , - скорость на высоте z = 10 м на материковой ГМО;

- коэффициент приведения скорости ветра к значению на высоте 10 м, принимаемый при z = 5 м - 1,1;

z = 10 м - 1,0; при z = 20 м - более 0,9, в данном примере z = 11,6 м - 0,98;

- коэффициент пересчета скорости, измеренной флюгером (но не более 1).

, (П.3)

здесь - коэффициент приведения скорости ветра, измеренной на материковой ГМО, к условиям водной поверхности протяженностью L, км, в зависимости от типа местности А, В и С по СНиП 2.01.07-85; при длине водоема менее 20 км следует пользоваться графиком рисунка 2 СНиП 2.01.07-85, ВСН 206-87.

Расчеты скоростей ветра над водной поверхностью по 8 румбам для повторяемости 1 раз в 2 года (обеспеченность 50% для назначения отметки бровки насыпи) и 1 раз в 25 лет (обеспеченность 4% для расчета мощности крепления) приведены в таблицах П.4 и П.5.

Таблица П.4

Наименова- ние расчетных величин	Значения расчетных величин
	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
V_lz, м/с	12,5	13,5	14,5	15,0	13,0	11,5	13,5	14,0
k_fl	1,0	1,0	0,99	0,98	1,0	1,0	1,0	1,0
k_fl V_l, м/с	12,0	13,2	14,1	14,4	12,7	11,3	13,2	13,7
L, км	-	1,2	1,2	1,2	-	3,2	3,2	3,2
k_l	-	1,06	1,06	1,06	-	1,14	1,13	1,129
V_w50%, м/с	-	14,0	15,0	15,3	-	12,9	15,0	15,5

Таблица П.5

Наименова- ние расчетных величин	Значения расчетных величин
	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
V_lz, м/с	17,0	18,0	18,5	19,0	19,0	17,0	19,5	19,0
k_fl	0,945	0,931	0,924	0,917	0,917	0,944	0,911	0,917
k_fl V_l, м/с	15,8	16,4	16,7	17,1	17,1	15,8	17,4	17,1
L, км	-	1,2	1,2	1,2	-	3,2	3,2	3,2
k_l	-	1,055	1,055	1,055	-	1,12	1,12	1,12
V_w4%, м/с	-	17,3	17,6	18,0	-	17,7	19,5	19,2

Б. Определение параметров волн и высоты наката для назначения отметки бровки насыпи

Исходя из топографии района подтопления и азимута оси насыпи установлено, что наибольшие длины разгонов волн, подходящих практически фронтально к оси насыпи со стороны р.Волги (западное направление) и со стороны ее поймы (восточное направление), составляют соответственно 3200 м и 1200 м.

По этим направлениям прогнозируемые скорости ветра практически будут наибольшими (см. таблицу П.3), т.е. направления являются волноопасными и для них определяются расчетные параметры волн.

В случаях сложной конфигурации береговой линии волноопасное направление определяется по результатам расчета высоты волны с использованием спектрального метода, а при отклонении главного луча волны от нормали к оси насыпи более 20°, должна учитываться рефракция волны в соответствии с пп.14-17 приложения 1 СНиП 2.06.04-82*.

Бровка насыпи назначается исходя из уровня на пике паводка повторяемостью 1 раз в 300 лет (обеспеченность 0,33%) и высота наката на этот откос при шторме повторяемостью 1 раз в 2 года (обеспеченность 50%).

Для одной из характерных точек трассы железной дороги (а их на проектируемом участке может быть несколько) по волноопасному направлению "запад" на луче протяженностью L = 3200 м средняя глубина воды на акватории определена с плана с горизонталями в масштабе 1:25000, значением м, а по волноопасному направлению "восток" на луче протяженностью м.

При сложном рельефе дна на акватории должно учитываться изменение глубины воды по лучу волны (п. 3.5 ВСН 206-87), или в итоге расчетная высота волны, как правило, будет меньше.

При расчетном ветре западного направления м/с и восточного м/с определяются относительные характеристики разгона волны и средней глубины воды . По ним с графика рисунка 1, приложение 1, СНиП 2.06.04-82* снимаются относительные характеристики параметров волны: средней высоты и периода , по которым определяются средняя высота волны h, ее период Т и длина .

Высота наката волны на откос рассчитывается по волне обеспеченностью 1% (в системе шторма).

; (П.4)

. (П.5)

Результаты расчетов приведены в таблице П.6.

У основания откоса насыпи глубина воды d = 1,45 м и волна, выходя на мелководную зону, трансформируется. Ее высота определяется по п.17, формуле (153) и графику рисунка 5 приложения 1 СНиП 2.06.04-82*:

, (П.6)

где , , - коэффициенты соответственно трансформации, рефракции и потерь;

, - высота волны до трансформации.

Коэффициент трансформации определяется в функции от . При угле подхода луча волны к откосу рефракция волны не возникает и , а при уклонах дна более 0,03 потери отсутствуют .

Волна начинает разрушаться с глубины меньшей критической , определяемой в функции и при глубине у откоса разрушается и переходит в накат непосредственно на откосе. Расчет параметров волны для определения высоты наката дан в таблице П.7.

Высоту наката волны (обеспеченность по накату 1%) на откос заложением m фронтально подходящей волны определяют по формуле (25), графику рисунка 10 и таблицам 6 - 9 п.1.14 СНиП 2.06.04-82*.

, (П.7)

где и - коэффициенты шероховатости и проницаемости защитного покрытия;

- коэффициент, зависящий от скорости ветра и заложения откоса;

- коэффициент, зависящий от пологости волны и заложения откоса m. При угле луча волны к нормали оси насыпи высота наката уменьшается на коэффициент .

В нашем примере для откоса заложением m = 2 в предположении укрепления его железобетонными плитами и угле результаты расчета высоты наката волны на откосы насыпи с западного и восточного направлений сведены в таблицу П.8.

Таблица П.6

Волноопасное направление	gL ---- 2 V	gd ----- 2 V	gh ----- 2 V	gT ----- 2 V	- h, м	Т, с	h , м 1%	ламбда, м
Запад Восток	140 52	0,15 0,10	0,016 0,011	1,47 1,19	0,36 0,26	2,25 1,82	0,75 0,54	7,9 5,2

Таблица П.7

Волноопасное направление	h_1%, м	Т, с	ламбда, м	d, м	d/ламб- да	k_t	h_т1%, м	h/gT2	d_cr/ламбда	d_cr, м
Запад Восток	0,75 0,54	2,25 1,82	7,9 5,2	1,45 1,45	0,18 0,28	0,91 0,95	0,68 0,51	0,014 0,016	0,10 0,11	0,79 0,57

Таблица П.8

Волноопасное направление	h_Т1%, м	ламбда, м	k_r	k_p	k_sp	k_run	h_run1%, м	k_альфа	h_run1%, м
Запад Восток	0,68 0,51	7,9 5,2	1 1	0,9 0,9	1,25 1,25	2,0 1,85	1,53 1,06	0,985 0,985	1,51 1,05

Таким образом бровка земляного полотна должна возвышаться над уровнем воды, соответствующем паводковому расходу повторяемостью один раз в 300 лет на величину наката м с запасом а = 0,5 м.

Бровка насыпи также должна быть поднята на высоту нагона и подпора (у мостовых переходов), если эти явления прогнозируются в районе проектируемого объекта.

В. Определение параметров волны для расчета мощности крепления

Обычно расчеты проводятся для тех же характерных точек трассы насыпи и принимаются за расчетные те же волноопасные направления, что и в случае расчетов, проводимых для назначения бровки насыпи.

При расчете мощности креплений откоса за исходные принимаются расчетный расход повторяемостью один раз в 100 лет (обеспеченность - 1%) и шторм повторяемостью один раз в 25 лет (обеспеченность - 4%).

В системе шторма расчетной принимается волна обеспеченностью 5%. Уровень воды при расчетном расходе в нашем примере на 0,4 м ниже уровня наибольшего расхода. Уменьшатся соответственно средние глубины и длины разгонов по западному волноопасному направлению до значений d = 3,05 м и L = 2900 м и восточному - d = 1,90 м и L = 900 м.

Расчетные скорости ветра обеспеченностью 4% для западного направления м/с и восточного м/с взяты из таблицы П.5.

Относительные характеристики разгона волны, глубины воды, соответствующие им, приведены на графике рисунка 1 приложения 1 СНиП 2.06.04-82*, относительные характеристики параметров волны и соответственно параметры волны приведены в таблице П.9, при этом .

Полученные параметры волн могут быть откорректированы в связи с трансформацией волны аналогично методу, изложенному при расчете наката волны на откос.

Таблица П.9

Волноопасное направление	gL/V2	gd/V2	gh среднее/V2	gT/V2	h среднее, м	Т, с	h_5%, м	ламбда, м
Запад Восток	74,8 28,5	0,08 0,06	0,011 0,0078	1,15 0,92	0,43 0,25	2,29 1,65	0,75 0,44	8,2 4,25

Г. Назначение конструкций укрепления откоса

Полученные в пунктах Б и В параметры волн служат основой для расчета и назначения типа и мощности защитной конструкции.

Высота насыпи в случае определения ее только гидравлическими условиями не должна быть менее

, (П.8)

где h - глубина воды у основания откоса насыпи при уровне наибольшего паводка обеспеченностью 0,33%;

- высота наката волны на откос;

а - запас 0,25 - 0,5 м.

При соответствующих условиях высоту насыпи следует поднимать, учитывая нагон и подпор воды. В данном примере высота насыпи Н = 1,45 + 1,51 + 0,5 = 3,46 м.

Укрепление откоса заложением m = 2 выполняют от его основания до бровки насыпи на всей его длине м конструкциями, рассчитанными на высоту волны с западной стороны h = 0,75 м и восточной h = 0,44 м. Покрытие, выполненное по этим параметрам волн, называется основным.

В случае больших глубин у откоса и волновых воздействий, когда высота наката возрастает, в соответствии с указаниями ВСН 206-87 целесообразно мощность и тип конструкций дифференцировать по длине откоса, назначая в зоне разрушения волны основное крепление, а выше по откосу в зоне наката крепление облегченное. Верхняя граница основного крепления при этом принимается на отметке

, (П.9)

где - отметка уровня воды на пике наибольшего паводка обеспеченностью 0,33% (с учетом нагона и подпора).

Облегченное крепление рассчитывается на скорость потока в зоне наката, образовавшегося после разрушения волны. Скорость может быть определена формулой

, (П.10)

где - высота расчетной волны в зоне разрушения.

Тип и мощность креплений определяют по материалам типовых проектов, приведенных в Альбомах [16, 22].

В данном примере защита откоса насыпи основным креплением с западного волноопасного направления при м может быть выполнена каменной наброской с м и толщиной м (листы 10-13, Альбом [16]), бетонными плитами 1х1х0,16 м (лист 14, Альбом [16]), железобетонными плитами с открытыми швами 2,5х3,0х0,15 м (лист 16-19, Альбом [16]), железобетонными плитами 2,5х3,0х0,10 м, омоноличенными по контуру (листы 20-38, Альбом [16]) и монолитными железобетонными плитами толщиной 0,15 м.

С восточного волноопасного направления при м крепление может быть выполнено каменной наброской с м толщиной t = 0,42 м и бетонными плитами 1х1х0,16 м.

В том случае, когда значения расчетной высоты волны на проектируемом объекте ниже нормативной типового проекта обратный песчано-гравийный фильтр и щебеночную подготовку под покрытием возможно заменять геотекстилем в соответствии с указаниями ВСН 205-87, ТУ ЦП-4591 [19] и Рекомендациями [23].