Основые понятия и определения

Здесь приводятся лишь основные понятия, касающиеся ветровых волн и используемые в настоящих методических указаниях.

1.1. Профиль и элементы волн

Под профилем волны понимается линия пересечения волновой поверхности с вертикальной плоскостью, совпадающей с направлением распространения волны (рис. 1.1). К профилю волны относятся следующие понятия:

СРЕДНЯЯ ВОЛНОВАЯ ЛИНИЯ – линия, пересекающая запись волновых колебаний так, что суммарные площади выше и ниже этой линии разны: для регулярной волны – горизонтальная линия, проведённая на уровне полусуммы отметок её вершины и подошвы: возвышение средней волновой линии над уровнем покоя определяется выражениями:

Для бегущих волн , (1.1)

Для стоячих волн: , (1.2)

где h и λ – соответственно высота и длина бегущей волны;

H – глубина воды;

ГРЕБЕНЬ ВОЛНЫ – часть волны, расположенная выше средней волновой линии;

ЛОЖБИНА ВОЛНЫ - часть волны, расположенная ниже средней волновой линии;

ВЕРШИНА ВОЛНЫ – самая высокая точка гребня волны;

ПОДОШВА ВОЛНЫ – самая низкая точка гребня волны;

ФРОНТ ВОЛНЫ – линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня данной волны;

ЛУЧ ВОЛНЫ – линия, перпендикулярная фронту волны в данной точке (направление распространения волны).

Основными элементами волны являются (рис 1.1):

ВЫСОТА ВОЛНЫ h – превышение вершины волны над соседней подошвой на волновом профиле;

Рис. 1.1 Профиль волны.

ДЛИНА ВОЛНЫ λ – расстояние по горизонтали между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле;

ПЕРИОД ВОЛНЫ τ – время прохождения двух смежных вершин через фиксированный створ

(1.3)

Используются также понятия:

КРУТИЗНА ВОЛНЫ – отношение высоты волны к длине h: λ;

ПОЛОГОСТЬ ВОЛНЫ – величина, обратная крутизне λ: h; относительная крутизна волны α и относительная глубина воды β:

(1.4)

ЧАСТОТА ВОЛНЫ и ВОЛНОВОЕ ЧИСЛО k:

; (1.5)

СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛНЫ с – скорость перемещения гребня волны в направлении её распространения:

(1.6)

1.2. Расчётные элементы волн

Интенсивность волнения на акватории зависит от многих факторов. Максимальные элементы волн и, соответственно, максимальные волновые нагрузки на сооружение, имеют место в штормовые периоды, характеризующиеся наиболее сильными ветрами. Очевидно, что при проектировании портов и гидротехнических сооружений нагрузки необходимо определять от воздействия волн, образующихся при шторме определённой силы. В связи с этим вводится понятие расчётного шторма.

Расчётный шторм – шторм, при котором наблюдается интенсивное ветровое волнение один раз в течении заданного числа лет n_t. Интенсивность волнения оценивается средней высотой волн . Чем ответственнее сооружение, т.е. чем выше его класс капитальности, тем более сильным принимается расчётный шторм (тем реже он повторяется).

Повторяемость расчётного шторма – величина, обратная заданному числу лет n_{t ,} в течение которых происходит один расчётный шторм. Чем выше класс капитальности сооружения, тем меньше повторяемость расчётного шторма (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Расчётные значения повторяемостей и обеспеченностей расчётного шторма

Классы сооружений	nt , лет	Повторяемость расчётного шторма,	Обеспеченность расчётного шторма, %
I и II		0,02
III и IV		0,04

Обеспеченность расчётного шторма означает выраженное в процентах от ста число штормов заданной силы (расчётных штормов), возможных в течении 100 лет. Например, если расчётный шторм возможен один раз в 25 лет (n_t =25лет), то обеспеченность расчётного шторма составляет 4%, для наиболее ответственных морских гидротехнических сооружений допускается принимать обеспеченность расчётного шторма, равной 1%.

Ветровые волны, образующиеся и распространяющиеся на акватории, в действительности являются нерегулярными. Если рассмотреть некоторое число последовательно движущихся волн (например, при расчётном шторме), то можно заметить, что каждая из этих волн имеет свои элементы (высоту, длину, период), отличные от соответствующих элементов других волн.

Расчётная высота волны. В качестве расчётной высоты волны принимается ток называемая высота волны определённой обеспеченности в системе. Под обеспеченностью данной высоты волны в системе волн понимается число волн из ста последовательно бегущих волн (при расчётном шторме), высота которых больше и равна заданной. Например, в числе 100 подряд бегущих волн имеют место пять волн с высотами, большими или равными 5,5 метров. Это значит, что обеспеченность волны высотой 5,5 м в данной системе волн составляет 5%. Если среди тех же 100 волн две волны имеют высоты, большие или равные 6 м, то обеспеченностью волн высотой 6 м в данной системе составляет 2%.

Величины расчётных обеспеченностей высот волн в системе для целей морского гидротехнического строительства принимается в соответствии с табл. 1.1. Пересчёт высот с одного на другой процент обеспеченности или со средней высоты h волн на высоту h_i волны i- ой обеспеченности производится в соответствии с п.2.1.

Расчётные длина и период волны. В качестве расчётной принимается средняя длина волны .Для сквозных сооружений определяется максимальное воздействие волн для изменения длины волны в пределах от 0,8 до 1,4 , дающей наибольшее значение волновой нагрузки на сооружение. Здесь - средняя длина волн в системе из ста волн при расчётном шторме.

Расчётный период τ волн определяется через расчётную длину волн λ по формуле (1.3).

1.3 Расчётные уровни воды

Силовое воздействие волн на сооружение зависит не только от величин элементов волн, но также и от уровня воды. На акваториях в той или иной мере происходят колебания уровней вследствие нагонов или сгонов воды, приливно-отливных колебаний и др. При проектировании назначается расчётный уровень – уровень воды, при котором определяется силовое воздействие волн, отметки и габариты сооружения.

Таблица 1.2

Значения расчётных обеспеченностей i высот волн в системе [1]

Максимальный расчётный уровень воды необходимо принимать согласно требованиям СНиП на проектируемые сооружения [1]. При определении нагрузок и воздействий на гидротехнические сооружения обеспеченности расчетных уровней должны быть не более: для сооружений I класса – 1% (1раз в 100 лет), II и III класса – 25% (1 раз в 20 лет), а для IV класса -10 % (1 раз в 10 лет) по наивысшим годовым уровням в безледный период.

Для берегоукрепительных сооружений в безливных морях обеспеченности расчётных уровней необходимо принимать:

по наивысшим годовым уровням – подпорных гравитационных стен (волнозащитных) II класса – 1%; III класса – 25%; для искусственных пляжей с защитными сооружениями (буны, подводные волноломы IV класса) - 50%.

Для определения расчётного уровня используются данные статистической обработки многолетних (не менее 25 лет) наблюдений за максимальными уровнями воды в расчётной точке. Допускается пользоваться данными замеров в расчётной точке за менее короткий срок, но в этом случае необходимо учитывать данные долгосрочных наблюдений в близлежащих районах.

Для предварительных оценочных расчётов в качестве расчётного может быть принят уровень, возвышения Z которого над средним многолетним определяется по формуле:

, (1.7)

где А – величина сизигийного прилива (для безливного моря А = 0);

∆h_set – высота ветрового нагона.

Величина А принимается по данным натурных наблюдений с использованием результатов измерений в близлежащих пунктах побережья. Высота ветрового нагона ∆h_set определяется по данным натурных наблюдений, а при их отсутствии (без учёта конфигурации береговой линии и при постоянной глубине дна H) - по формуле

, (1.8)

где a_w - угол между продольной осью водоема и направлением ветра, град;

W - расчетная скорость ветра, м/с;

D - разгон, м;

K_w - коэффициент, принимаемый по таблице 1.3.

Таблица 1.3

Зависимость коэффициента K_w от скорости ветра

Высотные отметки сооружений определяются с учётом обеспеченностей, как максимальных уровней воды, так и максимальных скоростей ветра.

1.4 Трансформация волн при подходе к берегу

Схема трансформации волн при подходе к берегу показана на рис 1.2.

Рис. 1.2 Схема трансформации волн на мелководье:

1-1 – створ первого обрушения волн; 2-2 – створ последнего обрушения волн.

Можно выделить четыре характерные зоны:

ЗОНА 1 (глубоководная) с глубинами ЗОНА 2 (мелководная) с глубинами ; ЗОНА 3 (прибойная) с глубинами ; ЗОНА 4 (приурезовая) с глубинами . Здесь H - глубина воды в рассматриваемом створе; - средняя длина волны на глубоководье; H_kp – критическая глубина, где происходит первое обрушение волн; индексом «r» обозначаются элементы волн в глубоководной зоне, чертой сверху – средние величины элементов волн. В зонах 1 и 2 имеют место бегущие волны. Трансформация волн начинается с глубины . Волны в мелководной зоне 2 характеризуются меньшими по сравнению с волнами зоны 1 длины, иными высотами волн; траектории движения частиц воды близки к эллипсам (в глубоководной зоне 1- к окружности).

При уменьшении глубины воды до H_кp образуются уже прибойные волны, характеризующиеся несимметричностью, обрушением гребней, наличием поступательного движения воды. Далее в приурезовой зоне 4 волны разрушаются, образуя поступательные, накатывающие на береговой откос потоки воды.