Дія вітру на водну поверхню призводить до вітрового нагону або згону води, до утворення хвиль і течій.
Вітровий нагон або зганяння води являє собою відхилення водного дзеркала від горизонтального положення з ухилом в бік, протилежний дії вітру. Вітровий нагон може бути обчислений за формулою:
За розрахункову швидкість вітру v приймають швидкість на висоті Юм над поверхнею землі забезпеченістю 2% для споруд I і II класів і 4% для споруд III і IV класів.
Розрахункові параметри вітрових хвиль. При дії вітру на поверхні води розвивається хвилювання, при якому частинки води здійснюють складне вращательнопоступательное рух. Дія вітру на водну поверхню, утворення хвиль і пов'язане з ним рух води викликають різні хвильові навантаження і впливи на гідротехнічні споруди: хвильовий тиск (понад гідростатичного) і хвильове засунений (зменшує гідростатичний); зважувальне хвильовий тиск; накат хвиль на укоси споруд; розмив дна при невеликих глибинах водойм.
Облік хвильових навантажень і впливів необхідний при розрахунках гідроспоруд, при виборі типів конструкцій і їх розмірів.
Величина вітрових навантажень залежить від виду і параметрів хвиль: висоти, періоду т, довжини X (рис. 2.7), які в свою чергу визначаються волнообразующімі факторами: швидкістю вітру v, її оприлюдненням по відношенню до спорудження; тривалістю безперервної дії вітру t; розмірами, конфігурацією і глибиною водойми; довжиною розгону хвилі L.
У прибережній смузі на параметри хвиль впливає глибина водойми Я, ступінь впливу якої дозволяє виділити чотири зони:
I глибоководну з глибиною, де дно не впливає на основні характеристики хвиль;
П мілководну з глибиною, де вплив дна призводить до зменшення довжини і швидкості хвиль і до збільшення крутизни хвилі
Ш прибійну з глибиною, де починається і завершується обвалення хвиль;
IV пріурезовую з глибинами максимальна глибина пріурезо виття зони), в межах якої потік від зруйнованих хвиль періодично накочується на укіс (берег). Критична глибина води відповідає глибині водоймища Я, при якій спостерігаються перші обвалення хвиль, і в залежності від крутизни хвилі, ухилу дна водойми та інших факторів змінюється від 1,5 А до 2,0, де h середня висота хвилі. При глибині водойми спостерігається останнім обвалення хвиль. При ухилах дна водойми більше 0,05 глибина Н при менших ухилах змінюється до 0,35 НЩ, (рис. 2.8). Хвилі, що утворюються в глибоководній зоні при розрахунковій швидкості вітру (штормі), характеризуються середніми значеннями висоти h, довжини X і періоду т (т проміжок часу, необхідний для переміщення гребеня хвилі на відстань, яка дорівнює довжині хвилі). Для їх визначення використовують графік [190], показаний на рис. 2.9.
За прийнятим величинам розрахункової швидкості вітру v, глибини водосховища Н, довжини розгону хвилі L і тривалості безперервної дії вітру t (для водосховищ і озер t орієнтовно приймають рівною 6 обчислюють безрозмірні параметри gt / v. Далі по верхній огинаючої кривої графіка знаходять числові значення комплексів gt / v і gh / v2, що відповідають кожному з параметрів gt / v і gL / v2. Беручи найменші величини комплексів gt / v і g / v2, визначають середню висоту хвилі h і період т. середню довжину хвилі X при відомому значенні т знаходять по формулою:
У мілководній зоні з ухилами дна 0,001 і менше середню висоту хвилі й і її період т визначають за графіками (див. Рис. 2.9). За безрозмірним величинам gL / v2 і gH / v2 знаходять параметри gt / v, і по ним обчислюють до і т. При ухилах дна 0,002 і більше необхідно враховувати трансформацію (зміна параметрів хвиль внаслідок впливу дна), рефракцію хвиль (зміна напрямку поширення хвиль) та інші фактори.
Висоту хвилі необхідного відсотка забезпеченості р "для глибоководної зони визначають множенням середньої висоти хвилі й на коефіцієнт ки залежить від волнообразующіх факторів [190]. Наближено (з завищенням) коефіцієнт kj залежить від забезпеченості р, в такий спосіб:
Висота хвилі відраховується від розрахункового рівня, який при відомій позначці рівня води у водоймі може змінюватися на величину вітрового нагону.
Взаємодія хвиль і споруд. При розрахунку стійкості і міцності гідротехнічних споруд і їх елементів розрахункова забезпеченість висоти хвиль для споруд з вертикальною напірної гранню і для укосів з кріпленням бетонними плитами становить 1%; з кріпленням кам'яною накидкою 2%; для берегоукріплювальних споруд I і П класів 1%, III і IV 5%.
Хвилі, які підходять фронтально до вертикальної стінки або близькою до неї, при глибині безпосередньо перед спорудою Н> 1,5 перетворюються в стоячі хвилі (хвилі, що не переміщаються в просторі). Якщо перед стінкою на ділянці протяжністю не менше 0,5 X, глибина Н, то на стінку діють прибійні хвилі.
Розрахунок впливу стоячих хвиль на спорудження полягає у визначенні піднесення і зниження хвильової поверхні у споруди щодо рівня спокійної води, а також сил хвильового тиску і перекидаючого моменту від цих сил. У загальному випадку моменти максимального підйому рівня води перед спорудою і максимального значення сили хвильового тиску не збігаються. Силу хвильового тиску на споруду і момент сили визначають за площею епюри тиску.
На рис. 2.10 показані Еторе хвильового тиску на вертикальну стіну. При максимальному підйомі рівня води на нижній частині стінки може розвиватися негативне хвильовий тиск. Епюра, відповідна максимальній силі хвильового тиску, має по всій висоті позитивний знак; при підході до стінки підошви хвилі хвильове тиск негативно.
Для розрахунку тиску стоячих фронтальних хвиль на вертикальну стінку або близьку до неї широко застосовується метод М.М. Загрядская [62], який може застосовуватися як для мілководній, так і глибоководної зон. М.М. За грядская дала графіки для визначення коефіцієнтів, що дозволяють розрахувати підвищення і зниження хвильової поверхні над спокійним рівнем води, хвильовий тиск, силу тиску, моменти сил тиску.
Висоту накату на похилу стінку (укіс) при підході хвилі забезпеченістю 1,0% при глибині перед спорудою обчислюють за формулою
Розрахунки хвильових навантажень на кріплення укосів, обтічні перепони, наскрізні та берегозахисні споруди, а також навантажень від суднових хвиль виконують за нормами [189].
Особливу категорію хвиль становлять хвилі, викликані землетрусами, зсувами і обвалами грунту і скельних масивів, сходами лавин в водосховища. Параметри таких хвиль визначають за рекомендаціями, викладеними в спеціальній літературі, і експериментально на моделях [113].
Гідротехнічні споруди. Частина 1. Підручник для вузів. - Москва: Видавництво Асоціації будівельних вузів, 2008. - 576 с.