Точное механико-математическое представление процесса обтекания морскими волнами преград сложно. Достоверная теоретическая оценка роли каждого компонента волновой нагрузки (лобового сопротивления, инерционной и удара) на моноопору в отдельности и определение их равнодействующей вызывают большие трудности. Результаты теоретических методов расчета давления волн на цилиндрические преграды часто расходятся с экспериментальными данными на десятки процентов.

Более надежный метод определения характеристик волнового давления на моноопорные основания - экспериментальный в природных условиях. Однако проведение натурных исследований для всех возможных сочетаний гидрологических условий моря и характеристик моноопор экономически не оправдано, так как требует значительных финансовых затрат и времени. Поэтому на современном этапе развития науки в инженерных расчетах волновых нагрузок на преграды применяют преимущественно приближенные полуэмпирические теории, основанные на ряде допущений.

Ввиду малых внешних размеров поперечного сечения моноопоры (обычно, не более 0,5 м) ее можно отнести к классу сквозных сооружений [25, 33]. Считается, что такие преграды при достаточных глубинах акваторий существенного влияния на кинематические и динамические характеристики волнового потока не оказывают. Инженерные расчеты гидродинамической нагрузки, воздействующей на сооружения подобного типа, в настоящее время принято выполнять по теории, предложенной независимо друг от друга американским исследователем Дж. Морисоном и советским ученым Д.Д. Лаппо.

В этой теории волнение рассматривают как регулярный процесс, т.е. предполагают неизменность элементов волн: периода Т_в, длины X и высоты h. Считают, что колебания уровня воды при волнении моря подчиняются гармоническому закону, а преграда относительно набегающих волн остается неподвижной.

Волновую нагрузку q(z, t) на элемент единичной длины вертикальной цилиндрической преграды, расположенный на расстоянии z от дна акватории (рис. 3.2), в каждый момент времени t вычисляют как сумму двух составляющих - инерционной q_H и скоростной q_v:

где С_и и C_v - гидродинамические коэффициенты инерционного и скоростного сопротивления; v(z, t) и dv(z, t)/dt - горизонтальные проекции скорости и ускорения движения жидкости при волнении; р_в - плотность воды; D - внешний диаметр цилиндрической преграды.

Во втором слагаемом в правой части формулы (3.3) одно из значений v(z, t) берется по модулю, так как волновое движение имеет знакопеременный периодический характер. При оп-

Рис. 3.2. Схема к определению волновой нагрузки на моноопору:

q и Q - распределенная волновая нагрузка и ее равнодействующая; а - координата точки приложения равнодействующей; h и к - высота и длина волны; А и В - вершина и подошва волны; Н - глубина акватории; 5 - расстояние от вершины волны до оси моноопоры; V - расчетный уровень

 

ределении волновой нагрузки необходимо учитывать, что с изменением направления скорости движения частиц жидкости меняется и направление действия инерционной составляющей q_v(z, t). За расчетный уровень принимают уровень воды с учетом сезонных и годовых колебаний, ветрового нагона, приливов и отливов.

Согласно инженерной теории обтекания преград для глубоководных и мелководных акваторий, где выполняется условие H/к > 0,2, величины v и dv/dt можно выразить через элементы волн:

 

где k = 2л/Х - волновое число; ю - круговая частота волнового движения.

Подставляя формулы (3.4) в выражение (3.3), c учетом ю = = 2л/Т, имеем

На практике в инженерных расчетах при описании волновой нагрузки часто распределенные по высоте преграды силы q, q_H, q_v заменяют их равнодействующими соответственно Q, Q_H, Q_v. Из теории волн следует, что для акваторий, где Н/\ > > 0,2, при волнении с высотами волн до 3 м с достаточной точностью можно полагать, что расстояние от дна до поверхности жидкости у преграды в каждый момент времени определяется выражением Н₁ = Н + 0,5Асозю^ а период волны

связан с ее длиной зависимостью Т, = 2nX/gth(kH), где g - ускорение свободного падения. Поэтому в каждый момент времени равнодействующую полной волновой нагрузки Q(t) и ее составляющие инерционную Q_H(t) и скоростную Q_v(t) на вертикальную преграду можно определять по выражениям

Координату точки приложения полной равнодействующей волновой нагрузки Q отсчитывают от расчетного уровня и находят по формуле