Проектирование оградительных сооружений морского порта

Игорь Владимирович Костин

Проектирование оградительных сооружений мор
ского порта

Учебное пособие

Компьютерная верстка Т.В. Дементьевой

Подписано в печать ……… 2007 г.
Формат 6090/16. Объем 2,5 п.л.

Заказ № …..… Тираж 100 экз.

Московская государственная академия водного транспорта
117105, г. Москва, Новоданиловская набережная, д. 2, корп. 1

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

И.В. Костин

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОГРАДИТЕЛЬНЫХ 

СООРУЖЕНИЙ МОРСКОГО ПОРТА

Учебное пособие

Второе издание

Альтаир-МГАВТ

Москва

2007

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА  РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

И.В. Костин

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОГРАДИТЕЛЬНЫХ СО
ОРУЖЕНИЙ МОРСКОГО ПОРТА

Альтаир-МГАВТ

Москва

2007

УДК 627.27.21:656.615

И.В. Костин

Проектирование оградительных сооружений морского порта. Учеб
ное пособие. Второе издание. – М.: Альтаир-МГАВТ, 2007. — 40 с.

Является дополнением теоретического курса учебной дисциплины «Гид
ротехнические сооружения водных путей, портов и континентального шельфа», 
раздел «Генеральный план порта».

Основная задача пособия – закрепить теоретические знания и приобрести 

навыки расчета оградительных сооружений гравитационного типа.

Для студентов очной и заочной форм обучения гидротехнической специ
альности и инженерно-технических работников водного транспорта.

Рецензент – доктор технических наук, профессор В.Д. Костюков

Рекомендовано к изданию Учебно-методическим советом МГАВТ

Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры ВПП 

(протокол № 32 от 27 апреля 2007 г.).

Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать 

материалов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебнометодические материалы.

 МГАВТ, 2007

 Костин И.В., 2007

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………… 5

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………… 6

1.1. Указания по проектированию оградительных сооружений вертикального 

типа …………………………………………………………………………………. 6

1.2. Определение внешних размеров сооружений ………………………………. 7

2. НАГРУЗКИ НА ОГРАДИТЕЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ ………………….. 8

2.1. Классификация и терминология волн ……………………………………….. 8

2.1.1. Классификация волн ………………………………………………………… 8

2.1.2. Волновая терминология …………………………………………………… 10

2.1.3. Деление волн по зонам ……………………………………………………... 11

2.2. Волновой режим у сооружения ……………………………………………... 12

2.2.1. Определение волнового режима …………………………………………... 14

2.2.2. Критическая глубина ……………………………………………………… 14

2.3. Воздействие стоячих волн на вертикальную стенку ………………………. 15

2.3.1. Основные характеристики волн ………………………………………….. 15

2.3.2. Свободная поверхность волны ……………………………………………. 16

2.3.3. Волновое давление в глубоководной зоне …………………………………. 17

2.3.4. Волновое давление в мелководной зоне при подходе гребня волны ……... 17

2.3.5. Волновое давление при подходе подошвы волны ………………………… 19

2.3.6. Взвешивающее волновое давление ………………………………………… 20

2.4. Волновое давление со стороны огражденной акватории …………………. 20

2.4.1. Волновое давление при подходе подошвы волны ………………………… 21

2.4.2. Волновое давление при подходе вершины волны ………………………… 21

2.5. Воздействие разбитых и прибойных волн на вертикальную стенку ……... 22

2.5.1. Волновое давление разбитых волн ………………………………………... 22

2.5.2. Волновое давление прибойных волн ……………………………………….. 23

2.5.3. Взвешивающее давление на берменные массивы ………………………... 24

2.6. Донные скорости при воздействии волн на вертикальные сооружения …. 25

3. КОНСТРУКЦИИ ОГРАДИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ 

ГРАВИТАЦИОННОГО ТИПА ………………………………………………... 27

4.
РАСЧЕТ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ОГРАДИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ 

ГРАВИТАЦИОННОГО ТИПА ………………………………………………... 30

4.1. Общие положения. Расчетные данные ……………………………………... 30

4.1.1. Расчетные данные ………………………………………………………… 31

4.1.2. Сущность расчета ………………………………………………………… 31

4.2. Расчет вертикального оградительного сооружения ……………………….. 32

4.2.1. Определение режима установившегося волнения ………………………. 32

4.2.2. Построение эпюры волнового давления стоячих волн ………………….. 32

4.2.3. Взвешивающее давление …………………………………………………... 32

4.2.4.
Определение 
величин 
горизонтальных 
сил 
и 
опрокидывающих 

моментов ………………………………………………………………………….. 33

4.2.5. Определение величин вертикальных сил и удерживающих моментов … 34

4.2.6. Устойчивость сооружения на сдвиг ……………………………………... 35

4.2.7. Устойчивость сооружения на опрокидывание ………………………….. 36

4.2.8. Определение нормальных напряжений …………………………………… 36

4.2.9. Второй расчетный случай ………………………………………………… 36

4.2.10. Расчет на воздействие разбитых и стоячих волн ……………………... 37

4.2.11. Устойчивость основания ………………………………………………... 37

ПРИЛОЖЕНИЕ …………………………………………………………………... 38

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………………………... 39

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по  специ
альности 270104 «Гидротехническое строительство» и выполняющих курсовой 

проект «Генеральный план порта» В пособии изложены методы расчета порто
вых оградительных сооружений вертикального типа. 

Выполнение курсового проекта позволяет студентам закрепить теорети
ческие знания, полученные на лекциях, и приобрести навыки расчета огради
тельных сооружений.

Оформление курсового проекта требуется полностью выполнить на ком
пьютере. Пояснительная записка должна быть выполнена с применением тек
стового редактора Microsoft Word версии 6.0 и выше на стандартных листах 

формата А4 (210297 мм); при этом поля должны составлять: верхнее – 20 мм, 

нижнее - 20 мм, левое – 30 мм, правое – 10 мм. Разделы, подразделы и пункты 

записки должны быть пронумерованы; введение, содержание, заключение и 

список литературы не нумеруются. Рисунки и таблицы нумеруются в соответ
ствии с разделом, в котором они расположены. Также необходимо выполнить 

нумерацию страниц, при этом нужно учесть, что первой страницей является ти
тульный лист, номер на котором не ставится.

Пояснительная записка должна содержать один лист чертежа, выполнен
ный на стандартном листе формата А3 (420297 мм). Вычерчивание чертежа 

необходимо производить при помощи программы AutoCAD версии 14 и выше с 

соблюдением всех правил оформление чертежей. 

В приложении даны исходные данные для выполнения курсового проекта.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ 

ОГРАДИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ ВЕРТИКАЛЬНОГО ТИПА

Расчет оградительных сооружений ведется на высоту волны 1 %-ой обес
печенности в системе волн. Высота i %-ой обеспеченности определяется по формуле




h
k
h
i
i
(1.1)

где


h – средняя высота волны; ki – коэффициент, принимаемый по графикам на рис. 1.1.

По безразмерным величинам 

2
W
b V
gd
и 

2
W
V
gL
определяются значения ко
эффициента ki, из которых принимается наименьший.

Рис. 1.1. Графики для определения значений коэффициента ki: L – средняя 
длина разгона волн, м; db – глубина воды до дна, м; VW – скорость ветра, м/с.

Среднее значение разгона, м, для заданной расчетной скорости ветра оп
ределяется по формуле

W

vis V
k
L


(1.2)

где kvis – коэффициент, принимаемый равным 51011;  – коэффициент кинема
тической вязкости воздуха, принимаемый равным 10-5, м/с.

На оградительные сооружения действуют различные виды нагрузок:

 постоянные – собственный вес сооружения и вес неподвижных элемен
тов оборудования;

 временные длительно действующие – нагрузки от складируемы грузов 

и перегрузочных устройств;

 кратковременные – волновые нагрузки и от судов;

 особые – сейсмические волновые нагрузки, нагрузки исключительной 

силы и иногда ледовые.

При расчете оградительных сооружений учитываются два сочетания на
грузок: основные и особые.

Основные сочетания состоят из постоянно и регулярно действующих на
грузок, например, таких, как вес сооружения, волновые нагрузки.

Особые сочетания включают нагрузки основного сочетания и нагрузки 

случайные или стихийные, носящие катастрофический характер. При проекти
ровании оградительных сооружений следует устанавливать наиневыгоднейшие 

комбинации нагрузок.

Все виды нагрузок на сооружение, удерживающие и опрокидывающие 

силы и моменты определяются для условно вырезанного участка, равного 1 м сооружения.

Расчет оградительных сооружений производится от действия волновых нагрузок.

Метод расчета зависит от типа конструкции. Общими, как правило, для 

всех конструкций являются расчеты по определению устойчивости сооружения 

и несущей способности основания, а также определение вероятности размыва 

дна сооружения.

1.2.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВНЕШНИХ РАЗМЕРОВ СООРУЖЕНИЙ

При проектировании вначале назначаются предварительные размеры ог
радительного сооружения. Эти размеры корректируются в процессе расчета.

Для оградительных сооружений вертикального типа одними из основных 

размеров являются: возвышение верха сооружения над расчетным уровнем, 

ширина вертикальной стенки, толщина и ширина каменной постели.

Возвышение верха сооружения над расчетным уровнем определяется с 

учетом возвышения гребня волны над расчетным уровнем и величины ветрово
го нагона волны.

Ширина вертикальной стенки предварительно назначается равной  

0,8 – 1,2 глубины у сооружения.

Толщина каменной постели предварительно принимается равной: для 

глин 1,5 м и более, для песчаных грунтов – 1 м и более с учетом контрфильтра, 

который предусматривается во всех случаях.

Ширина каменной постели слагается из ширины стенки и бермы со 

стороны моря и акватории. Ширина бермы с морской стороны предварительно 

назначается равной 0,6 ширины стенки, а со стороны акватории – 0,4, а затем 

уточняется расчетом.

2. НАГРУЗКИ НА ОГРАДИТЕЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ ВОЛН

Нагрузки от воздействия волн являются основными для оградительных 

сооружений. Величина волновой нагрузки зависит от характера волнения и па
раметров волны. Параметры волн принимаются по многолетним наблюдениям 

или определяются расчетом.

2.1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЛН

В зависимости от причин, вызвавших волнение воды в водном бассейне, 

различают следующие типы волн:

 волны цунами – порожденные землетрясением подводных участков земной коры;

 ветровыеволны–возникающие от действия ветра на свободную поверхность воды;

 судовыеволны–возникающие при движении судов на свободной поверхности воды;

 приливно-отливные волны – вызванные воздействием на водные массы 

Земли сил притяжения Луны и Солнца;

 сейши – волны с периодом, равным периоду собственных колебаний рас
сматриваемого объема воды, возникающие в замкнутых водоемах в ре
зультате резкого изменения атмосферного давления;

 тягун – длиннопериодные колебания воды на акватории порта, возни
кающие в результате резонансных явлений при подходе к порту прилив
ных или других систем волн.

В природе существуют вынужденные и свободные ветровые волны. 

Вынужденные ветровые волны все время продолжают оставаться под действи
ем породившего их ветра; свободные волны – это волны, свободные от дейст
вия ветра. Свободные ветровые волны называются волнами зыби.

При рассмотрении всей системы волнения ее можно представить как со
вокупность регулярных волн, если в любой точке акватории период и высота 

волн остаются одними и теми же, и нерегулярных волн, характеристики кото
рых изменяются случайным образом.

Ветровые волны подразделяются на двумерные и трехмерные, в зависи
мости от того, представляется ли движение воды в них плоскопараллельным или нет.

В зависимости от того, возрастают, остаются неизменными или убывают 

значения параметров волн, бегущих непосредственно одна за другой через за
данную точку акватории, ветровые волны подразделяются на развивающиеся, 

развитые и убывающие.

При сравнительно небольших изменениях параметров волн во времени их 

относят к волнам установившегося вида, которые подразделяются на бегущие и 

стоячие. Бегущие волны – это чередующиеся гребни и впадины на поверхно
сти воды, перемещающиеся в направлении породившего их ветра. Стоячие 

волны образуются в результате сложения противоположно направленных пря
мой и отраженной бегущих волн с одинаковыми параметрами. Стоячие волны

– это периодически возникающие и исчезающие на одних и тех же местах греб
ни и впадины волны.

2.1.2. ВОЛНОВАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ

Рис. 2.1. Профиль и основные элементы бегущей волны на ограниченной глубине: 1 – расчетный уровень; 2 – дно; 3 – средняя волновая линия; 4 – вершина 

волны; 5 – подошва волны; 6 – гребень волны; 7 – впадина волны.

Рис. 2.2. Профиль и основные параметры нерегулярных волн (x):

1 – расчетный уровень; 2 – дно; 3 – средняя волновая линия; 4 – вершина 

волны; 5 – подошва волны; 6 – гребень волны; 7 – впадина волны.

В качестве основных схем, в соответствии с которыми определена терми
нология регулярных и нерегулярных волн, приняты: изображенная на рис. 2.1 

плоская бегущая волна на ограниченной глубине с ровным гладким дном, и 

изображенный на рис. 2.2 профиль нерегулярной волны.

Принята следующая терминология.

Профиль волны – линия пересечения свободной поверхности волны с 

вертикальной плоскостью, ориентированной по направлению распространения волн.

Средняя волновая линия – горизонтальная линия, проведенная на про
филе регулярной волны на отметке, равной полусумме отметок ее вершины и