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

10. Характеристики стокового течения в створе перехода трубопровода через водоем следует использовать при планировании сроков выполнения технологических операций строительства перехода, при оценке транспорта наносов и заносимости прорези, а также при расчетах элементов ветровых волн на течении.

Пример расчета суточного графика хода скорости стокового течения в створе перехода через речное водохранилище руслового типа при попусках ГЭС

Определить суточный ход скорости стокового течения в створе перехода трубопровода через речное водохранилище руслового типа, замкнутое гидроузлами в сбросном и во входном створах, при синхронных одинаковых попусках обеих ГЭС. Гидрограф попусков показан на рис. 40 а. Створ перехода трубопровода расположен на расстоянии L_д1=150 км от верхней ГЭС и на расстоянии L_д2=100 км от нижней ГЭС; площадь сечения водохранилища в створе F_в=20000 м² (ширина 3,5 км, средняя глубина 5,7 м). Средняя глубина водохранилища между верхней ГЭС и створом H_ср1=5 м, а между нижней ГЭС и створом H_ср2=8 м.

По формуле (90) вычисляем время добегания длинной волны от верхней ГЭС до рассматриваемого створа:

Т_д1=L_д1/ =(150×10³)/ =21,4´10³ с»6 ч

и от нижней ГЭС до этого же створа:

Т_д2=L_д2/ =(100×10³)/ =11,3´10³ с»3 ч

По формуле (91) определяем время прихода к рассматриваемому створу следующих волн:

прямой волны попуска (ВП)

t_BП=t_HП+Т_д1=6+6=12 ч,

где t_HП - время начала попуска (6 ч);

обратной (отраженной от плотины нижней ГЭС) волны попуска (ВП')

t'_BП=t_BП+2Т_д2=12+6=18 ч;

прямой (отраженной от плотины верхней ГЭС) волны попуска (ВП")

t''_BП=t'_BП+2Т_д1=18+12=30 ч (т.е. 6 ч следующих суток);

обратной волны сработки (ВС)

t_BС=t_ПП+Т_д2=6+3=9 ч;

прямой (отраженной от плотины верхней ГЭС) волны сработки (ВС')

t'_BC=t_ВС+2Т_д1=9+12=21 ч;

обратной (отраженной от плотины нижней ГЭС) волны сработки (ВС'')

t_BС=t_ВС+2Т_д2=21+6=27 ч (т.е. 3 ч следующих суток).

Строим схему прохождения названных волн через створ перехода трубопровода в виде отрезков прямых (рис. 40 б), изображающих промежутки времени прохождения каждой волны. Начало каждого отрезка совпадает с вычисленными выше значениями t_BП и t_BС, а их длины и масштабе времени принимаются равными продолжительности попуска (18 ч).

В соответствии со схемой прохождения волн строим частные (для каждой волны) волновые гидрографы в створе, повторяющие полностью гигрограф попусков; расходы воды Q при обратном течении, вызываемом прямой волной сработки и обратной волной попуска, считаем отрицательными (рис. 40 в).

Строим результирующий волновой гидрограф (рис. 40 г) путем суммирования частных гидрографов при взаимном наложении волн, т.е. при взаимном наложении частных волновых гидрографов.

Рассчитываем график хода во времени скорости течения v_cp, осредненной по сечению в створе, путем деления расходов воды, определяемых по результирующему волновому гидрографу для различных моментов времени, на площадь сечения F_в. В итоге получаем следующие результаты: прямое течение действовало в рассматриваемом створе с 9 до 22 ч, его скорость достигала 0,2 м/с; обратное течение действовало с 2 до 4 ч и с 5 до 7 ч следующих суток, а его скорость достигала 0,1 м/с (рис. 40 г),

Рис. 40. Схема расчета скорости стокового течения в створе перехода трубопровода через водохранилище.

а - гидрограф попуска ГЭС; б - схема прохождения волн попуска и сработки через створ перехода трубопровода; в - частные гидрографы расходов воды в створе перехода трубопровода; г - итоговый гидрограф расходов и скоростей течения.

ПРИЛОЖЕНИЕ 16 Рекомендуемое

РАСЧЕТ СКОРОСТИ ВЕТРОВОГО ТЕЧЕНИЯ НА ОТКРЫТОЙ АКВАТОРИИ ВОДОЕМА И ЗАЛИВА Общие сведения о ветровых течениях

1. Ветровые течения, формирующиеся на открытых акваториях водоемов и в крупных заливах (размерами от нескольких сотен метров до нескольких километров) под действием ветров, характеризуются скоростью и направлением переноса, которые зависят от скорости ветра, его направления и продолжительности действия, от глубины, размеров и конфигурации водоема.

2. Расчеты характеристик течений необходимо выполнять с учетом деления ветровых течений на следующие виды:

- однонаправленное по глубине, при котором вся толща воды от поверхности до дна охватывается дрейфовым течением, направленным преимущественно в сторону действующего ветра;

- разнонаправленное по глубине, при котором поверхностные слои охватываются дрейфовым течением, направленным преимущественно в сторону действующего ветра, а глубинные и придонные слои охватываются компенсационным течением преимущественно встречного направления.

3. Возможный вид действующего ветрового течения на участке перехода магистрального трубопровода через водоем при типовых ветровых ситуациях устанавливается по данным изысканий или литературных сведений, а в случае отсутствия съемок течений - на основании рассмотрения схем циркуляции вод в водоемах и заливах, представленных в Рекомендациях по размещению и проектированию рассеивающих выпусков сточных вод (М.: Стройиздат, 1981).

Приближенная оценка скорости ветрового течения

4. Для приближенной оценки скорости ветрового течения в поверхностном слое (0,2-0,3 м от поверхности воды) следует пользоваться ветровым коэффициентом k_W, представляющим собой отношение скорости течения v_пов к скорости ветра W₁₀ на высоте 10 м над открытой водной поверхностью.

5. Для установившегося дрейфового течения, не искаженного влиянием стокового или компенсационного ветрового течения, в водоемах с глубинами порядка 2-15 м, осредненное значение ветрового коэффициента принимается равным 1,70.

6. Скорость течения оценивается для двух значений скорости ветра: повторяемостью 1 раз в 25 лет и повторяемостью 1 раз в течение безледоставного периода.

7. Ветровые коэффициенты для случаев одновременного действия дрейфового и компенсационного течений встречного направления, т.е. разнонаправленного по глубине течения, следует определять по табл. 31 в зависимости от абсолютного значения глубины на вертикали и относительной глубины Н/ . В этих случаях предполагается, что дрейфовое течение охватывает верхнюю (1/3-1/5) часть вертикали, компенсационное течение встречного направления охватывает нижние (2/3-4/5) части вертикали и по условиям формирования является ветровым течением, а средняя длина волны при расчетных скоростях ветра, фактических глубинах и рельефе дна водоема определена в соответствии со СНиП "Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения" или получена по материалам изысканий.

Таблица 31

Н³15 м

Н<15 м

Н/

7,0

5,0

4,0

3,0

2,0

1,5

1,0

0,8

0,6

0,4

k_W

1,70

1,46

l,38

1,26

1,10

1,00

0,86

0,77

0,64

0,48

Расчет уточненных значений скорости течения и продолжительности его развития

8. Уточненное значение поверхностной скорости дрейфового течения (м/с), охватывающего всю толщу воды в зонах водоемов с относительными глубинами Н/ >0,3, следует вычислять по формуле

=2,7×10^-2[0,11×lgН/ +(0,008C+0,35)³]W₁₀, (92)

где H - глубина на вертикали, м; - средняя длина волн в системе при расчетной скорости ветра заданного направления, м; W₁₀ - расчетная скорость ветра на высоте 10 м над поверхностью воды, м/с; С - коэффициент Шези, зависящий от глубины и шероховатости дна n_ш, и определяемый по формуле

C=(1/n_ш)H^1/6. (93)

Значения коэффициента n_ш определяются по таблице, имеющейся в справочниках по гидравлике.

9. Уточненное значение поверхностной скорости при совместном действии дрейфового и компенсационного течений противоположного направления (м/с) в зонах водоемов с относительными глубинами Н/ >0,3 следует вычислять по формуле

=1,4×10^-2[0,33×lgН/ +(0,008C+0,35)³]W₁₀. (94)

10. Среднюю на вертикали скорость дрейфового течения, охватывающего всю глубину (м/с), следует вычислять по формуле

»0,35 (2-lgН/ ), (95)

а в случае совместного действия дрейфового и компенсационного течений противоположных направлений абсолютную среднюю на вертикали скорость необходимо принимать равной

»0,31 . (96)

11. Формулы (92), (94)-(96) следует применять для расчетов скорости ветровых течений не только на открытых акваториях водоемов, но и на акваториях крупных заливов при Н=2¸15 м и Н/ >0,3.

12. Повторяемость по направлениям ветровых течений в поверхностном слое открытой акватории для безледоставного периода или для отдельных теплых сезонов года следует принимать равной повторяемости по направлениям ветров над водной поверхностью за соответствующие периоды или сезоны года.

Этот прием нельзя распространять на участки, где ширина водоема в 3 - 5 раз меньше, чем ширина соседних участков, и на участки, где в результате изменения конфигурации береговой линии преобладают ветровые течения, направленные преимущественно вдоль продольной оси водоема или вдоль генерального направления берега.

13. Для определения приближенных режимных характеристик скорости ветрового течения в случае отсутствия данных длительных наблюдений за течениями и данных о повторяемости ветров различной скорости следует использовать функции распределения скоростей течения, приведенные в табл. 32. Среднюю (в режиме) скорость ветрового течения при этом необходимо вычислять по формулам (95), (96) или (92) и (94) с использованием средней скорости ветра, полученной для водоема по короткому ряду наблюдений (1-2 сезона), а скорости заданного процента обеспеченности определять путем умножения средней спорости течения на коэффициент, взятый по табл. 32.

Таблица 32

Обеспеченность, %

0,1

1

5

10

20

50

70

80

90

Коэффициент перехода от средней скорости течения (в режиме) к средней скорости заданной обеспеченности

3,77

2,91

2,23

1,91

1,54

0,96

0,60

0,45

0,28

14. Общую продолжительность периода развития ветрового течения (в часах) необходимо определять по формуле

T_y=k_т[(v_y)_срH_ср]/ , (97)

где (v_y)_ср - средняя на вертикали скорость установившегося ветрового течения, вычисленная по формулам (95) или (96), м/с; H_ср - средняя глубина водоема или его частично обособленного района (если в его пределах возможно формирование самостоятельной системы течений), м; W₁₀ - расчетная скорость ветра, м/с; k_т - безразмерный коэффициент, равный 277.

15. Относительное значение средней на вертикали скорости ветрового течения для заданного интервала времени его развития следует вычислять по формуле

(v_i)_ср/(v_y)_ср=1-(1-T_i/T_y)^2,5, (98)

где (v_i)_ср - средняя на вертикали скорость ветрового течения в конце заданного интервала времени T_i равного, например, продолжительности непрерывного действия штормового ветра.

Для определения продолжительности непрерывного действия ветра следует пользоваться данными ближайшего к переходу трубопровода пункта метеорологических наблюдений, данными Справочника по климату СССР (часть III, ветер) или литературными сведениями.

Определение распределения скорости по вертикали

16. Для определения распределения по вертикали скорости установившегося дрейфового течения, охватывающего всю толщу воды, необходимо пользоваться безразмерными кривыми / (рис. 41) в зависимости от относительной глубины Н/ . Распределение скоростей для значений Н/ , не указанных на рис. 41, следует определять путем интерполяции между соседними кривыми с известными значениями Н/ .

Рис. 41. Обобщенные безразмерные кривые распределения скоростей однонаправленного ветрового течения по вертикали при различных значениях относительной глубины Н/ .

17. Для определения распределения по вертикали скорости установившегося разнонаправленного по глубине ветрового течения для относительных глубин Н/ =0,5¸5,0 и условий равенства элементарных расходов дрейфового и компенсационного течений следует пользоваться обобщенной безразмерной кривой / =f(z/H) (рис. 42).

Рис. 42. Обобщенная безразмерная кривая распределения скорости разнонаправленного ветрового течения по вертикали.

ПРИЛОЖЕНИЕ 17 Рекомендуемое

РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕТРОВОГО ТЕЧЕНИЯ В ЗОНЕ ПРИБРЕЖНОГО МЕЛКОВОДЬЯ 1. Ветровые течения в зоне прибрежного мелководья (рис. 43), ограниченной со стороны берега линией разбивания штормовых волн, а со стороны водоема - линией с глубинами, примерно равными половине длины штормовых волн (Н»0,5 ), характеризуются преобладанием вдольберегового переноса воды с некоторым снижением скорости по мере приближения к линии берега, наличием движения вод к берегу в поверхностных слоях и оттока вод - в придонных слоях.

2. Приближенное значение поверхностной скорости ветрового течения в зоне прибрежного мелководья, как и на открытых пространствах водоема, следует определять по ветровому коэффициенту k_W, принимая его значение в соответствии с требованиями п. 5 рекомендуемого приложения 16, равным 1,70.

3. Для определения уточненного значения поверхностной скорости ветрового течения на внешней границе зоны прибрежного мелководья при наличии сведений о длинах ветровых волн и коэффициентах шероховатости дна следует пользоваться формулой (92) для однонаправленного ветрового течения.

4. Распределение скоростей ветрового течения в поверхностном слое между береговой и внешней границами зоны прибрежного мелководья при ветрах различных направлений относительно нормали к линии берега следует устанавливать путем умножения поверхностной скорости v_пов, вычисленной для открытой акватории водоема по формуле (92), на соответствующие коэффициенты v_i/v_L. взятые из табл. 33 для различных относительных расстоянии l/L_м вертикалей от берега.

Рис. 43. Основные элементы береговой зоны водоема.

А - надводный берег; Б - береговая зона; В - глубоководная (открытая) часть водоема; Г - абразионный склон (уступ) берега; Д - пляж; В_р - зона разрушения волн; Е - зона (забурунивания волн) прибрежного мелководья; Ж - приурезовая часть береговой отмели; З - центральная часть береговой отмели; И - внешняя часть береговой отмели; К - внешний склон береговой отмели; В - береговая отмель (без учета ее внешнего склона): а - бровка склона (уступа) берега; б - основание склона (уступа) берега; в - урез при нормальном подпорном (НПУ) или среднем многолетнем (СУВ) уровне; г, д, е - гребни подводных валов; ж - бровка береговой отмели; з - основание внешнего склона береговой отмели; и - внешняя граница зоны прибрежного мелководья; z_у - высота абразионного склона (уступа) берега; Н_р=1,5h - глубина, с которой начинается разрушение гребней волны, высотой h; Н_бр - глубина на бровке береговой отмели; Н_м=0,5l - глубина на внешней границе зоны прибрежного мелководья (l - длина волны); НУВ - низший уровень воды.

5. Среднюю на вертикали скорость (м/с) ветрового течения в зоне прибрежного мелководья шириной порядка 0,3-1,0 км и более необходимо определять по формулам

v_ср=k_м1 (99)

или

v_ср=k_м2(0,70-0,33lgH) . (100)

Скорость ветра W₁₀ следует рассчитывать, в соответствии с требованиями обязательного приложения 13, на основании сведений о повторяемости ветров в репрезентативном пункте наблюдений, среднюю длину ветровых волн - соответственно требованиям обязательного приложения 14, а значения размерных коэффициентов k_м1 и k_м2 принимать равными 2,5×10^-2 и 1,0×10^-2 соответственно.

Таблица 33

Значение относительной скорости течения в поверхностном слое v_i/v_L

Угол между направлением ветра и нормалью к линии берега, °

l/L_м

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

20-70

0,52

0,68

0,76

0,81

0,85

0,89

0,93

0,97

0,98

1,00

70-110

0,69

0,87

0,96

0,99

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

140-180

0,46

0,57

0,63

0,68

0,74

0,79

0,84

0,89

0,94

1,00

6. В случае отсутствия длительных наблюдений за ветром среднюю скорость течения на вертикалях зоны прибрежного мелководья следует вычислять по формулам (99) или (100) с использованием значений средней скорости ветра, вычисленных по короткому ряду наблюдений или взятых из Справочника по климату СССР, а для определения значении скоростей течения заданной обеспеченности в режиме - пользоваться функциями распределения, приведенными в табл. 32.