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
Wv=10(1-0,8/3,02)=7,36 м/с,
а на попутном течении (=0,8 м/с) равна
Wv=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 Тд длинной волны (волны перемещения), вызванной попуском, от створа ГЭС до створа перехода трубопровода через водоем по формуле
Тд=Lд/,(90)
где Lд - длина пути волны между указанными створами; g - ускорение свободного падения; Hср - средняя глубина водохранилища на участке между створами.
Вычисляется время прихода волны tв в створ перехода трубопровода по формуле
tв=tн.п+Тд,(91)
где tн.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 Тд.
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.
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 Lд1=150 км от верхней ГЭС и на расстоянии Lд2=100 км от нижней ГЭС; площадь сечения водохранилища в створе Fв=20000 м2 (ширина 3,5 км, средняя глубина 5,7 м). Средняя глубина водохранилища между верхней ГЭС и створом Hср1=5 м, а между нижней ГЭС и створом Hср2=8 м.
По формуле (90) вычисляем время добегания длинной волны от верхней ГЭС до рассматриваемого створа:
Тд1=Lд1/=(150??103)/=21,4??103 с??6 ч
и от нижней ГЭС до этого же створа:
Тд2=Lд2/=(100??103)/=11,3??103 с??3 ч
По формуле (91) определяем время прихода к рассматриваемому створу следующих волн:
прямой волны попуска (ВП)
tBП=tHП+Тд1=6+6=12 ч,
где tHП - время начала попуска (6 ч);
обратной (отраженной от плотины нижней ГЭС) волны попуска (ВП')
t'BП=tBП+2Тд2=12+6=18 ч;
прямой (отраженной от плотины верхней ГЭС) волны попуска (ВП")
t''BП=t'BП+2Тд1=18+12=30 ч (т.е. 6 ч следующих суток);
обратной волны сработки (ВС)
tBС=tПП+Тд2=6+3=9 ч;
прямой (отраженной от плотины верхней ГЭС) волны сработки (ВС')
t'BC=tВС+2Тд1=9+12=21 ч;
обратной (отраженной от плотины нижней ГЭС) волны сработки (ВС'')
tBС=tВС+2Тд2=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 tBП и tBС, 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 vcp, осредненной по сечению в створе, путем деления расходов воды, определяемых по результирующему волновому гидрографу для различных моментов времени, на площадь сечения Fв. 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 kW, представляющим собой отношение скорости течения vпов 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.
