ВСН 163-83. Учет деформаций речных русел и берегов водоемов в зоне подводных переходов магистральных трубопроводов (Нефтегазопроводов)

(83)

или

. (84)

Для волн на течении, имеющих среднюю длину , равную заданной средней длине волн при отсутствии течения вычисляют среднюю высоту по формуле

= (1±v/ ), (85)

среднюю скорость по формуле

= ± , (86)

средний период по формуле

= / (87)

и скорость волнообразующего ветра W_v по формуле

W_v=W₁₀(1± / ), (88)

где v - средняя скорость попутного (знак плюс) или встречного (знак минус) волнам течения в слое воды от поверхности до горизонта z= /2p.

Расчет по формулам (85)-(88) следует выполнять при относительной скорости попутного течения / £1,0 и относительной скорости встречного течения v/ £0,5, поскольку при других значениях относительной скорости течения ветровые волны не образуются.

Результаты расчетов, выполняемых для нескольких заданных значений должны быть представлены в виде графиков зависимости элементов волн на течении от скорости волнообразующего ветра. Эти графики используются для определения основных элементов ветровых волн на течении при заданных значениях скорости волнообразующего ветра, в частности, при расчетной скорости ветра малой повторяемости (1 раз в п лет).

8. Переход от средних значений элементов воли к значениям элементов заданной обеспеченности в системе волн и выбор этой обеспеченности должны осуществляться по СНиП 2.06.04-82.

Определение режимных характеристик волнения

9. Режимные характеристики волнения достаточно определять для трех расчетных точек на трассе перехода: двух крайних (прибрежных) и одной промежуточной. Из промежуточных точек выбирается та, в которой при всех направлениях или большинстве направлений волнообразующего ветра высота волн больше, чем в других промежуточных точках.

10. Обеспеченность в режиме высоты волн i-той обеспеченности (в системе волн) следует принимать равной обеспеченности той скорости ветра, которая соответствует заданной высоте волн на графике зависимости высоты воли от скорости волнообразующего ветра заданного направления или группы направлений. Исходя из этого частные (для отдельных направлений штормов) многолетние кривые обеспеченности высот волн следует получать путем перехода от ординат (скоростей ветра) частных многолетних кривых обеспеченности скоростей волнообразующего ветра за безледоставный период к ординатам (высотам волн) искомых кривых по графикам зависимости высот волн от скоростей ветра для каждого из рассматриваемых направлений. Суммарную многолетнюю кривую обеспеченности высот волн следует строить путем обобщения частных многолетних кривых обеспеченности высот волн.

11. Повторяемость высот волн в пределах выбранной градации волнения заданного направления следует определять по многолетней кривой обеспеченности высоты воли этого направления как разность обеспеченностей, соответствующих нижней и верхней границам градации высоты волн. Полученные таким путем сведения о повторяемости высот волн по всем градациям высоты и по всем направлениям волнения должны быть представлены в виде таблицы, которая используется для расчетов деформаций берегов и береговых отмелей, вдольберегового транспорта наносов и заносимости прорези на участке расположения перехода трубопровода через водоем.

12. Высоты волн малой повторяемости (1 раз в п лет) рекомендуется определять по СНиП 2.06.04-82 в соответствии с расчетными значениями скоростей ветра или снимать по расчетным значениям скоростей ветра малой повторяемости с графиков зависимости высот волн от скорости ветра, построенным для каждого направления, для групп направлений или для всех направлений.

Пример расчета элементов ветровых волн на течении

Рассчитать элементы , , , ветровых волн, образовавшихся на попутном ( =0,8 м/с) или встречном ( =-0,8 м/с) течении в глубоководном водоеме при длине разгона волн 7,3 км, если для заданного пункта водоема имеются графики зависимостей =f₁(W₁₀) и =f₂(W₁₀), построенные для условий отсутствия течения.

Весь диапазон длин воли на стоячей воде, заданный графиком =f₂(W₁₀), разбиваем на ряд значений; для каждого значения определяем по графикам соответствующие ему значения и W₁₀ и результаты записываем в табл. 30. Дальнейший расчет элементов волн на течении производим отдельно для каждого значения длины волны. Например, если на стоячей воде при скорости ветра W₁₀=10 м/с образуются волны высотой =0,335 м и длиной =5,85 м (табл. 30, графа 5), расчет выполняем следующим образом.

Таблица 30

Расчетные элементы ветровых волн на попутном и встречном течении

Характеристики

Средняя длина волны м

1,00

2,65

4,25

5,85

7,50

9,10

10,7

Течение отсутствует, =0

м

0,07

0,155

0,250

0,335

0,425

0,510

0,600

W₁₀ м/с

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

м/с

1,25

2,04

2,57

3,02

3,42

3,77

4,08

с

0,80

1,30

1,65

1,93

2,19

2,41

2,62

Встречное течение, =-0,8 м/с

/

0,640

0,393

0,311

0,264

0,234

0,212

0,196

1- /

0,360

0,607

0,689

0,736

0,766

0,788

0,804

W_v м/с

-

3,64

5,51

7,36

9,19

11,03

12,86

м

-

0,094

0,172

0,246

0,325

0,401

0,482

м/с

-

1,24

1,77

2,22

2,62

2,97

3,28

с

-

2,14

2,40

2,63

2,86

3,06

3,26

Попутное течение =0,8 м/с

/

0,640

0,393

0,311

0,264

0,234

0,212

0,196

1- /

1,64

1,39

1,31

1,26

1,23

1,21

1,20

W_v м/с

6,56

8,36

10,5

12,6

14,8

16,9

19,1

м

0,126

0,216

0,327

0,423

0,524

0,618

0,717

м/с

2,05

2,84

3,37

3,82

4,22

4,57

4,88

с

0,48

0,93

1,26

1,53

1,77

1,99

2,19

Скорость волн длиной =5,85 м на стоячей воде рассчитываем по формуле (84)

=3,02 м/с,

а средний период - по формуле (83)

=5,85/3,02=1,93 с.

Скорость ветра, при которой образуются волны длиной =5,85 м на встречном течении ( =-0,8 м/с), вычисленная по формуле (88), равна

W_v=10(1-0,8/3,02)=7,36 м/с,

а на попутном течении ( =0,8 м/с) равна

W_v=10(1+0,8/3,02)=12,64 м/с.

Скорость волн длиной =5,85 м на встречном течении, вычисленная по формуле (86), равна

м/с,

а на попутном течении

м/с.

Период этих волн на встречном течении, вычисленный по формуле (87), равен

=5,85/2,22=2,63 с,

а на попутном течении

=5,85/3,82=1,53 с.

Высота рассматриваемых волн на встречном течении, вычисленная по формуле (85), равна

=0,335 (1-0,8/3,02)=0,246 м,

а на попутном течении

=0,335 (1+0,8/3,02)=0,423 м.

Результаты расчетов для каждого значения длины волны сводятся в таблицу (см. табл. 30), по которой строим графики зависимости основных элементов волн на течении от скорости ветра. На основании расчетов можно убедиться, что ветер одинаковой скорости вызывает на встречных течениях волны большей длины, высоты и большего периода, а на попутных течениях волны меньшей длины, высоты и меньшего периода, чем на стоячей воде при той же длине разгона волн.

ПРИЛОЖЕНИЕ 15 Рекомендуемое

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СТОКОВОГО ТЕЧЕНИЯ 1. Характеристики стокового течения в проточном водоеме на участке расположения перехода трубопровода следует определять, как правило, по данным наблюдений озерной гидрометеорологической станции или обсерватории УГКС или по данным специальных гидрологических изысканий на указанном участке. Данные наблюдений за стоковым течением должны быть получены при штиле или слабом ветре и должны освещать основные фазы гидрологического режима водоема; безледоставный период и период ледостава, половодье и межень, плавный ход притока вод в водоем и стока из водоема, попуски ГЭС (на речном водохранилище).

2. Распределение скорости и направлений течения по сечению водоема в створе перехода трубопровода должно быть представлено эпюрами скорости и распределением ее векторов на рассредоточенных по створу вертикалях, а также эпюрами поверхностной, средней и донной скоростей в створе. По эпюре средних скоростей следует определять среднюю скорость в сечении водоема по створу перехода.

3. Течение в условиях плавного притока вод в водоем и стока из водоема следует характеризовать также эмпирическим графиком зависимости средней скорости в створе перехода от осредненного расхода притока-стока в пределах возможного его изменения. При этом допускается экстраполяция указанной зависимости не более чем на 20 % диапазона изменения расхода, освещенного измерениями течения.

4. Распределение скорости течения по створу перехода при расходе притока-стока , превышающем наибольший из освещенных измерениями расход Q не более чем на 20 %, допускается принимать аналогичным распределению скорости при указанном расходе Q, освещенном измерениями течения. Значения поверхностной, средней и донной скоростей течения на i-той вертикали створа при расходе для построения эпюр этих скоростей на створе допускается вычислять по формуле

= ( / ), (89)

где и - средняя скорость в створе при расходах соответственно Q и ; - скорость (поверхностная, средняя, донная) на i-той вертикали створа при расходе Q.

Величину можно определять по экстраполированному графику зависимости средней скорости течения в створе от расхода притока-стока, согласно п. 3 настоящего рекомендуемого приложения, или путем деления расхода на площадь сечения водоема в створе перехода при известной отметке уровня воды.

5. Характеристики неустановившегося стокового течения в речном водохранилище при попусках ГЭС необходимо получать по данным длительной регистрации течения автономным самописцем или по данным учащенных измерений в течение нескольких суток на репрезентативной вертикали в створе перехода. Данные измерений должны быть представлены в виде хронологических графиков скорости и направления течения. По графикам следует выделить циклы изменения течения и для каждого из циклов определить его продолжительность, время начала и окончания, среднюю и максимальную скорости течения и время наступления максимума скорости. В случае чередования по времени прямого (к сбросному створу водохранилища) и обратного (к входному створу) течений указанные характеристики следует определять для периодов непрерывного действия течения отдельно прямого и обратного направлений.

По рядам полученных характеристик неустановившегося течения должны быть определены их средние и экстремальные значения.

6. Распределение скорости течения по створу перехода трубопровода через водохранилище на различных фазах изменения течения при попусках ГЭС необходимо оценивать по данным измерений, выполненных в соответствующие фазы режима движения волны попуска и представлять в виде эпюр скоростей в соответствии с требованиями п. 2 настоящего рекомендуемого приложения.

7. График суточного изменения течения в створе перехода через речное водохранилище руслового типа при отсутствии данных измерений, указанных в п. 5 настоящего рекомендуемого приложения, рекомендуется получать следующим приближенным способом.

Выбирается характерный гидрограф попуска ГЭС при заданной отметке уровня воды в водохранилище.

Вычисляется время добегания Т_д длинной волны (волны перемещения), вызванной попуском, от створа ГЭС до створа перехода трубопровода через водоем по формуле

Т_д=L_д/ , (90)

где L_д - длина пути волны между указанными створами; g - ускорение свободного падения; H_ср - средняя глубина водохранилища на участке между створами.

Вычисляется время прихода волны t_в в створ перехода трубопровода по формуле

t_в=t_н.п+Т_д, (91)

где t_н.п - время начала попуска.

Продолжительность прохождения волны перемещения через створ перехода трубопровода принимается равной продолжительности попуска ГЭС, а волновой гидрограф в створе перехода трубопровода задается таким же, как гигрограф попуска ГЭС, но смещенным во времени на величину добегания волны Т_д.

Рассчитывается график хода во времени скорости течения, осредненной по сечению водохранилища в створе перехода трубопровода, путем деления расходов воды, определяемых по волновому гидрографу для разных моментов времени, на площадь указанного сечения.

8. Если водохранилище замкнуто гидроузлами в сбросном и во входном створах, т.е. входит в каскад водохранилищ, и через оба гидроузла осуществляются ежесуточные попуски, расчет суточного цикла изменений течений в створе перехода при отсутствии данных измерений следует выполнять путем деления расходов волы, определяемых по результирующему волновому гидрографу в расчетном створе, на площадь сечения водохранилища по створу.

9. Результирующий волновой гидрограф следует строить путем суммирования частных (для отдельных волн) гидрографов при взаимном наложении длинных волн в расчетном створе, вызванных попусками обеих ГЭС. Частные гидрографы определяются, в соответствии с рекомендациями п. 7 настоящего рекомендуемого приложения для следующих волн: волны попуска, распространяющейся от входного створа к сбросному, волны сработки, распространяющейся от сбросного створа к входному, и тех же волн, распространяющихся в противоположных направлениях в результате отражения от плотин по прохождении всего расстояния между ними. Продолжительность распространения волн по водохранилищу с попеременными отражениями от плотин во входном и в сбросном створах следует ограничить одними сутками от момента прихода в расчетный створ первой волны.

Построение частных гидрографов и суммирование определяемых по ним расходов воды при взаимном наложении волн необходимо выполнять с учетом направления (знака) перемещения воды каждой из налагающихся волн: положительного - для прямой (распространяющейся к сбросному створу) волны попуска и обратной (распространяющейся к входному створу) волны сработки; отрицательного - для отраженной обратной волны попуска и отраженной прямой волны сработки.