Расчет откосного берегоукрепления


  МИНИС 11 Г< I ВО ГР АНС ПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ


    MO< КОВС К Л Я ГОС УДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ


    ВОДНОГО ТРАНСПОРТА


    Кафедр.। Водные пути, порты и электрооборудование »


                                         Г.И.Литвиненко



            РАСЧЕТ ОТКОСНОГО БЕРЕГОУКРЕПЛЕНИЯ



УчиПнон пособие по дисциплине "||О|Н1.| и портоиыв сооружении. Чпсп. ПТ' дли < 1удсн!ои очного <>|дпл№нии (||оцилл1.1км ги 7004 "I ИДРО|ИХНИЧП< КОЙ < 1рОИ1ЛЛМ 1111»"

Москва 2001

УДК 627.21:656.615




Литвиненко Г.И. "Расчет откосного берегоукрепления". Учебное пособие. М. МГАВТ, 2001 г., с.38, ил.12




Учебное пособие включает рассмотрение теоретических основ и методов расчета берегоукрепительных сооружений на акватории порта.





        Рассмотрено на заседании кафедры 27.05.99 г., протокол № 10

Московская

Государственная Академия

Водного Транспорта

2001

          Рекомендовать для использования в учебном процессе при подготовке специалистов воднотранспортных специализаций специальности 290400. Протокол УМК по специальности 290400 «Гидротехническое строительство» от 21.11.2001 г. С.-Петербург

4

ВВЕДЕНИЕ

      Учебное пособие "I’acnei 01 косного берегоукрепления" составлено в соответствии с рабочей программой Московской госудорственной академии водного транспорта по дисциплине "I lopi 1.1 и портовые сооружения (часть III)", на основе действующих нормативных документов [2,3,4] и учебных пособий [1,5,6].
      Цель учебного пособия - закрепить теоретические знания, полученные студентами на лекциях, а также привить практические навыки при выполнении курсовой работы.
      В результате изучения учебного пособия и выполнения курсовой работы студент должен овладеть методикой расчета берегоукрепительных сооружений откосного типа с покрытием в виде:
  -  сортированной каменной наброски;
  -  несортированной каменной наброски без планировки откосов;
  -  железобетонных плит.
      Курсовая работа должна быть оформлена в виде пояснительной записки и графического приложения.
     Пояснительная записка включает:
      I)       исходные данные, соответствующие полученному варианту курсовой работы;
      2)       основные теоретические сведения, положения расчета н расчетные формулы по каждому из разделов;
      <) paeneiM берегоукрени 1СИЫ1ЫХ соору яа-пнй.
      Iloiti ..... I.IHIH । । /1П1Ж11.1 Ьыи. oinc'iaraiia либо написана разборчиш.ri iiii'i. pi....... Ikui с. Iio (форма! Л4) и снабжена титульным
Hill HIM
      I ||.|(|иг1'. । . и । ....I p i(к>гы должна быть выполнена в каранда.....и iii.li iiii'i mi i|n i|'мн 1 и А 1 или графическом редакторе «AutoCad» и hi и.in 'г г" in ......... конструкций берегоукрепительных сооружений Il Mill lllllllii' I I (Hi
      ..........null и .....ни 1 хлебного пособия соответствуют действующим порм.11 .................. и могут быть использованы при разработке соответ  । и . |"нн । о I-1 и ы ши luMiioro проекта, а также при проем upon.шин порто-in.। <н ....I' inn и.in.1 сооружений в качестве справочшчо по'обия.

I.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

     Берегоукрепительные сооружения акваторий морских и речных портов, судостроительных и судоремонтных предприятий предназначены для защиты существующих или вновь образуемых территорий не занятых причалами от воздействий ветровых и судовых волн, течений, льда и колебаний уровня. Проект берегоукрепительного сооружения разрабатывают на основе исходных данных о естественных условиях района строительства, с учетом перспективы развития порта и условий производства работ. При проектировании берегоукрепительных сооружений следует учитывать волновой режим на акватории, характер течений, величину заносимости, а также возможность создания подпора грунтовых вод в прилегающих оползневых склонах.
     Тип конструкции берегоукрепительного сооружения выбирают в результате сопоставления вариантов, исходя из технико-экономической целесообразности применения данных типов в конкретных условиях строительства.

ТЕРМИНОЛОГИЯ


     Элементы волны (основные) - высота, длина и период волны.
     Поступательные (бегущие) волны - волны, видимая форма которых перемещается в пространстве.
     Стоячие волны - волны, видимый профиль которых в пространстве не перемещается.
     Система волн - ряд последовательных, волн имеющих одно происхождение.
     Профиль волны (главный) - линия пересечения взволнованной поверхности с вертикальной плоскостью в направлении луча волны.
     Средняя волновая линия - линия, пересекающая запись волновых колебаний так, что суммарные площади выше и ниже этой линии одинаковы.

6

     Гребень волны - часть волны, расположенная выше средней волновой линии.
     Вершина волны - наивысшая точка гребня волны.
     Ложбина волны - часть волны, расположенная ниже средней волновой линии.
     Подошва волны - наинизшая точка ложбины волны.
     Высота волны - превышение вершины волны над соседней подошвой на волновом профиле.
     Длина волны - горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле.
     Период волны - интервал времени между прохождением двух вертикальных вершин через фиксированную вертикаль.
     Фронт волны - линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня данной волны.
     Луч волны - линия, перпендикулярная фронту волны в данной точке.
     Скорость волны - скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения.
     Расчетный шторм - шторм, наблюдающийся один раз в течении заданного ряда лет.
     Расчетная скорость ветра (при определении элементов волн) - скорость ветра на высоте 10 м над уровнем воды.
     Расчетный уровень воды - уровень, назначаемый с учетом сезонных и годовых колебаний, ветрового нагона, приливов и отливов.
     Разгон волн - протяженность охваченной ветром акватории, измеренная н<> напрпнлению ветра до расчетной точки,
     Потовое daeienue - составляющая гидростатического давления, обу-СЛОН1ВЧ111.1Я волнением Определяется как разность значений гидродинамиче-( кого лив и иич и i.iiiiioii гочке пространства, занятого жидкостью, при наличии поли и при их отсуICTНИИ.
     Обеспеченность в режиме (обеспеченность шторма) - вероятность появления расчетной высоты (длины, периода) волны в ряду лет (I раз в год, 5, 10, и । ,д. лет).
     Обеспеченность в системе волн- вероятность превышения расчетной высоты (длины, периода) волны некоторого фиксированного значения в ряду последовательно бегущих волн.

                ОСНОВНЫЕ БУКВЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ


      - расчетная скорость ветра;
    hₛ - превышение вершины волны над расчетным уровнем;
    h, - понижение подошвы волны от расчетного уровня;
h ,А ,Т - соответственно высота, длина и период волны;
    к - волновое число;
    с - скорость распространения волны;
    со - круговая частота волны;
    % - крутизна волны;
h,,A,.T, - соответственно высота, длина и период волн 1%-ной обеспеченности в системе волн;
h . Г соответственно средние высота, длина и период волн;
    </ . • lyoiuia воды при расчетном уровне;
   </,, критическая глубина воды, при которой происходит первое обрушение волн:
   d,ᵣ ᵤ - глубина воды, при которой происходит последнее обрушение: Q - сила от воздействия волн на сооружение, преграду;
    В - линейная нагрузка (линейная распределенная нагрузка на единицу длины сооружения, преграды);
    р - волновое давление;
    р - плотность воды;
    g - ускорение свободного падения;
    <Р -угол наклона откоса (или дна) к горизонту;
    i - уклон дна.
  а„. - угол подход волн к сооружению;
    L - длина разгона волн.

/
II. ТИПЫ БЕРЕГОУКРЕПИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ И УСЛОВИЯ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

     Берегоукрепительные сооружения возводимые на акваториях портов, судостроительных и судоремонтных заводов классифицируют по назначению и принципу работы. По назначению берегоукрепительные сооружения подразделяют на постоянные и временные, по принципу работы - на волногасящие (откосные, рис.1,а-г) и волноотражающие (полуоткосные и вертикальные стены, рис.1,д-е). Тип конструкции берегоукрепительного сооружения рекомендуется выбирать на основании таблицы 1 с учетом следующих рекомендаций:
     а) крепление откосов из камня целесообразно выполнять в условиях агрессивной среды, неравномерной осадки грунта основания, при повышенных требованиях по долговечности крепления, необходимости защиты откоса водопроницаемым креплением с целью его дренирования;
     б) конструкции с использованием крупноблочных элементов с наклонными передними гранями рекомендуется применять при неблагопри-я гных ледовых условиях;
     в) в условиях сильных придонных течений следует предусматривать мероприятия по защите дна от размывов;
     г) целесообразно отдавать предпочтение конструкциям, содержащим наименьший объем подводно-технических работ.


8

Таблица 1

Условия применения берегоукрепительных сооружений

           1 ип сооружения,            Основные условия     при-                                    
             вид крепления             менения                                Примечания            
                                       ------                                                       
 1. Откосный                           Наличие территории. Огра-  - - -----------------------„----- а) крепление о ткоса сор-             ничения по высотам волн.   Не рекомендует ся в условиях      
 тированным камнем,                    Отсутствие архитектурных   стесненных акваторий.             
 массивами (рис1-а);                   требований.                                                  
 б) из несортированного                                                                             
 камня без планировки                                                                               
 откосов (рис 1-6);                                                                                 
 в) крепление оч коса бетон-           Наличие архитектурных тре- Допускается устройство ка-        
 иымии (же ic (обетонны-               бований                    менной отмостки в надвод-         
 ми) сн ЮИИ1ЫМИ и теле-                                           ной части при /г... £ 0,7.и и     
 ВЫХ.............        (рис 1 н,| );                            <-'lg<P S 5.                      
 1 lo ivoi|(О( III.Hi и । o(ii.nuh)    Дефицит территории, час-                          ---- ----- венных или пускпсиых                  гичные ограничения по вы-                                    
 массивов, шпунта или                  сотам отраженных волн                                        
 СПЛ0ИИ101 о ряда свай с                                                                            
 креплением откосов кам-                                                                            
 нем, плитами;                                                                                      
 Вертикальный:                                                                                      
 а) гравитацинного типа                Плотные грунты отнования.                                    
 (рис1-д);                             -лабые грунты основания                                      
 б) из железобетонного или                                                                          
 стального шпунта (рис 1-е)                                                                         

9

.   . ................. .............. .. (д-с) берегоукрепительных сооружении:
       ....     .                      -.......фильтр;

        ...........................................‘тв^вкн™»х«»у

........................... ’.........  или  ж/б плита, 8-упор (массив). ~
             ....... ...... Kill м 1<> УЧ«>Р (обыкновенный или пустотелый массив).
н ........... ................ ....именная призма; (3-шпунт: 14-оголовок.
|   .ОН’. IHl'i I....Г. I'HIIH ПЛПЫ

III. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

     Тип крепления откосов берегоукрепительных сооружений устанавливают исходя из технико-экономического сравнения вариантов, агрессивности воды, долговечности крепления в условиях эксплуатации, архитектурных требований.
     Для уменьшения высоты наката волн рекомендуется откосным сооружениям придавать ступенчатую форму, либо устраивать специальные противона-катные полосы из крупных камней.
     При устройстве по верху крепления парапета с волноотбойным козырьком верхняя граница крепления может быть понижена.
     Крепление откоса подразделяют на основное, расположенное в зоне ..и . имапьных воиноных и ледовых воздействий и облегченное, расположенное пи । .■ о. HOIHBH о крепления.
     Н< p-.inoKi ipBiiiiiiy основного крепления обычно совмещают с отметкой к. ।. ш-ll । рпнины спору I .1111'1
     II lone о. НПНПО1 о ..пня рекомендуеня применять бетонные и желеюбсгопные 1ППГГЫ, массивы, камень; в зоне облегченного крупнообломочные грунты, наброску из камня. 11ри кратковременных значительных понижениях уровня облегченные крепления допускается выполнять из железобетонных плит.
     11ри сопряжении основного и облегченного крепления, на промежуточных и нижних границах креплений различных видов, а также на разделительных бермах по высоте откоса необходимо предусматривать упоры. Упоры предусматривают в виде каменных банкетов, бетонных и железобетонных массивных конструкций, заглубленных в грунт, конструкций из свай и др.
     Упоры в виде банкетов из крупноблочных материалов и камня (рис. 1,а) (опускается применять в основании защищаемых откосов. Упоры в виде мае-

11

сивных бетонных и железобетонных конструкций применяют как на промежуточных бермах откоса, так и у дна.
      Упоры со свайно-шпунтовы.м основанием применяют у подошвы откоса, на нижней границе облегченных креплений при значительных размывах дна (рис.1,д-е). Анкерные устройства свайно-шпунтовых оснований следует размещать вне призмы обрушения откоса. С тыловой стороны ограждений в виде сплошного ряда свай должна быть отсыпана призма из каменных материалов (рис.1,е).
      Защиту дна перед сооружением от размыва следует предусматривать, если максимальные донные скорости ^.тач, м/с, превышают допускаемые значения неразмывающих донных скоростей Vbₐdₘ, м/с. Ширину защитной полосы рекомендуется назначать в пределах 0,15-0,25/1 , где Л - средняя длина волны.
      Для крепления откосов из сортированного камня масса элементов наброски должна увеличиваться послойно; каждый последующий слой должен надежно защищать нижележащий слой от вымывания. Верхний слой наброски должен включать не менее двух рядов камней. Пологость откосов крепления из сортированного камня в зоне наката волн рекомендуется принимать в пределах 1,5 < etgep < 3,5 .
      Конструкцию откосного типа в виде наброски из несортированного камня без планировки откосов (рис. 1,6) рекомендуется применять: а) для защиты территории портов, образуемых посредством намыва или отсыпки грунта; б) для сопряжений портовых сооружений с берегом.
      При проектировании наброски из несортированного камня без планировки откосов пологость подводного и надводного откосов следует принимать не менее 1.25, а средний диаметр камня в пределах 0,65 < Dₘₐ < 3,5 м.
      Крепление откосов из сборных бетонных и железобетонных плит (сплошных и щелевых) рекомендуется применять при пологости откосов в

пределах 2,0 < ctgip < 3,5, отсутствии агрессивного действия воды, возможности возникновения неравномерных осадок грунта основания.
     Максимальный размер плит следует устанавливать с учетом возможностей транспортирования и удобства укладки на откос. Для курсового проектирования рекомендуется размер плиты 2,0x2,0 м.
     Обратные фильтры под креплением откосов, выполненные в виде каменной наброски, плит с открытыми швами или сквозными отверстиями, могут состоя и. и । одно1 о слоя разнозернистого материала или двух и более слоев ма-i гриппов с различными по крупности частицами.

IV. ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА

     Расчеты берегоукрепительных сооружений выполняют в соответствии i ri UIHII4MH < I lol I 06,01 86|2| по предельным состояниям.

4 I.Рас четные точения уровней и высот волн

     11|Н1 определении нагрузок и воздействий па берегоукрепительные сооружения значения расчетных уровней определяю! по наивысшим годовым уровням в безледный период с обеспеченностью 5% (1 раз в 20 лет).
     Обеспеченности высот волн для берегоукрепительных сооружений в соответствии их классом (1II-IV) составляют:
     -  в режиме - 1 раз в 25 лет;
     -  в системе волн - 5%.
     Высоту волны /%-ной обеспеченности в системе волн следует определять умножением средней высоты волн на коэффициент к,, принимаемый по графитам на рис.2 для безразмерной величины •

13

   О 2000        4000    6000    8000    10000 12OOO&*"'7
   О 0,1 02 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 ⁸<¹/Vw

Рис.2. Графики для определения значений коэффициента к|

4.2.  Возвышение верха сооружения откосного профиля над расчетным уровнем

      Возвышение верха сооружения, м, над расчетным уровнем определяют по формуле:
hₛ = hᵣᵤₙₘ> + №ₛₑₗ,                         (1)
     где: h,„, - высота наката волн на откос, м; ДА,.., - высота ветрового нагона, м.

      Значение высоты наката волн на откос при их фронтальном подходе к сооружению и глубине перед сооружением t/>2Aₗ% рассчитывают по формуле:
                       hᵣᵢᵢₙ^=kr-kₚ-kₛₚ-krₗᵢₙ-K%,                    (2)
где кг и к:, - соответственно коэффициенты шероховатости и проницаемости откоса, принимаемые по табл.З: к - коэффициент, принимаемый по табл.4; к„„- коэффициент, Д /
принимаемый по графикам на рис.З в зависимости от пологости волны 'J/ на глубо-/ "</г.
кой воде.

Таблица 3

              Конструкция                 Относительная             
           крепления откоса              шероховатость /            
                                              / ”1%       кг        
Ьстонныс  или железобетонные плиты              •        1.00 0.90  
Гравий, г си.ка. камеи!., бетонные блоки     -<0.02      1.00 0.90 ~
                                           0.005-0.01    0.95 0.85  
                                              0.02       0.90 0.80  
                                              0.05       0.80 0.70  
                                               0.1       0.75 0.60  
                                      --      >0.2       0.70 0.50  

      11ри глубине перед сооружением d -< 2hₘ коэффициент к,„„ необходимо принимать для значений пологости волны, указанной на рис.З в скобках и определяемой при глубине d = 2A,%.
      Характерный размер шероховатости г, м, следует принимать равным ергтнему диаметру icpeii материала крепления откоса или среднему размеру (leioinii.r блоков. Дня курсового проектирования значение относительной iiii’l.... in pci'OMcii'OT’H я iipiiiiiiMini. равным 0,2.

Таблица 4

                                  1 2 3-5 >5   
hiii'ieiiiiM ко >ф||ии|111 и in к             
при скорое।и вс।ри. м/с: > 20     1.4 1.5  1.6
5-20                              1.1 1.1  1.2
■к 5                              1.0 0.8  0.6

      1Три подходе фронта волны к сооружению под углом , град., величину наката волн на откос следует умножить на коэффициент ка, принимаемый по табл.5.

Таблица 5

«„.град  0   10   20   30   40   50    60
ка ____ 1.0 0.98 0.96 0.92 0.87 0.82 0.76

15

     Значение высоты ветрового нагона принимают по данным натурных наблюдений, либо рассчитывают по формуле:



(3)


   где: а, - угол между продольной осью водоема и направлением ветра, град.;
        VK - расчетная скорость ветра, м/с:
        L - длина разгона, м;
        к* - коэффициент, принимаемый по табл.6.
Таблица 6

i        Г, • ^,с 20  30  40  50 
L____             2.1 3.0 3.9 4.8

Рис.3. Графики для определения значений коэффициента

4.3. Допускаемые значения неразмывающих донных скоростей

      Назначение границ крепления откосов, а также разработка мероприятий но обеспечению неразмываемости как крепления, так и грунтов основания перси. сооружением, предусматривает определение донных скоростей. Устойчивого!. iii.i норе i сооружением обеспечивается в том случае, если максимальные донные скорости 1'А„,., нс превышают соответствующие допустимые значении 1, ,, В проз инном случае следует предусмотреть защиту дна перед сооружением на полосе шириной (0,15...0.25л ). Крепление дна от размыва осуниз ИП1ЯГ1СЯ путем отсыпки гравелистого или щебеночного материала, а также < носи । змеиной наброски с устройством обратного фильтра. Средняя крупного,, фракций материала должна подбираться из условия >К,₁МХ.
      Мам iiMauiaii.ie шачсиия донных скоростей у основания сооружения от-। осп.. профи ,ч при । i.oHii.i </ </, определяют но формуле:

I ...... 1 л А . 4 л d V 57/ < я                       J
। и- </ глубина перед сооружением, м;
    А коэффициент, принимаемый в зависимости от угла наклона откоса и пологости волны по табл.7:

Таблица 7

 Угол наклона  Значения ка, при пологости волны     
откоса. . град  10    15      20      30      40   
     14.5      0.80  0.83   0,88    1.04     1,08  
     25.5      0.82  0,91   1,08    1,34     1.46  
45.0           0,93  1,07   1,20    1.50     1.50  
     67.5      1.00  1,12   1,20    1,50     1.50  

17

В прибойной зоне при d < d.ᵣ:

[I                       YlS у⁷ stir 1% ⁺

(5)

    Допускаемые значения неразмывающих донных скоростей , м/с, для грунта крупностью фракций /> 100 мм принимают в соответствии с графиком на рис.5, а для груша с крупност ью фракций D>100 мм по формуле:

   где - коэффициент, принимаемый по таблице 8:

.52 gD

Рт~Р

(7)

Таблица 8

1% / 0.0  0.1  0,2  0,3  0,4  0.5  0,6  0,8 
 /d                                         
к*., 0.00 0,10 0.16 0,22 0,26 0,28 0.30 0.33

Высоту волн в прибойной зоне, hₛᵤᵣ ₘᵢ, определяют в зависимости от

' !■ /• и книнг II 11НЧ1ЦО njioiHoeni воды и материала соответственно, т/м’.

уклона дна i по графикам 2, 3 и 4 на рис. 4. При этом, по безразмерной вели



чине



h

  W,l% •

принимают значение параметра

а затем определяют

      Рис.5. График для определения допускаемых значений неразмывающих донных скоростей.

      Необходимость защиты основания от размывов определяют на основании сравнения значения с допускаемыми значениями неразмывающих донных скоростей ГАлЛ₍, для грунта с определенной крупностью фракций.
При J         । необходимо предусмотреть защиту основания от раз
мывов.