Наконец руки дошли до Bridge Scour Calculator, который встроен в модуль River and flood analysis. Так как поддержку этого модуля Autodesk прекратил в 2021, я ограничусь только матчастью, а детальное описание кнопкотыка оставим за кадром.
Итак, сначала вам надо сделать гидравлический расчет моста на установившееся течение (встроенный солвер HEC-RAS в модуль RFA). Видеоурок смотреть тут: https://dzen.ru/video/watch/62cac132ffb37b3504fff1cc?share_to=link. После этого вы будете иметь уровни воды и скоростные напоры с учетом влияния моста на всех сечениях. Делая активным нижнее сечения моста (выделяем нужное сечение ->ПКМ->River->Make section active) вам становится доступна опция калькулятора размыва мостов.
В калькуляторе доступны три типа расчета:
- Contraction scour (размыв при сужении русла);
- Localized scour at piers (локальный размыв опор моста);
- Localized scour at abutments (локальный размыв устоев моста).
В этой статье мы остановимся только на описания матчасти второго пункта Localized scour at piers (локальный размыв опор моста).
Общее описание процесса:
Размыв происходит из-за ускорения потока вокруг опоры и образования вихрей потока (известных как подковообразный вихрь). Этот вихрь удаляет материал с основания опоры, создавая углубления. По мере увеличения глубины размыва, величина подковообразного вихря уменьшается, тем самым снижая скорость выноса частиц. В конце концов достигается равновесие между притоком и оттоком грунта, и размыв перестает расти. Программа не позволяет считать развитие процесса во времени, а дает конечный результат после установления баланса. Поэтому вводить время в расчет не требуется.
Факторами, влияющими на глубину размыва опор, являются:
• Скорость потока непосредственно перед опорой
• Глубина потока
• Ширина опоры
• Длина опоры, если он наклонен к потоку
• Гранулометрия гунта дна реки (D50 и D95)
• Угол атаки набегающего потока
• Форма опоры (острая, квадрантная, скругленная или круглая свая)
• Конфигурация дна реки
• Образование ледяных заторов и мусора.
Настройки калькулятора:
Итак, нажимая на кнопку калькулятора мы сделали активным только один тип расчета (опоры моста), и перед нами возникает вкладка ввода данных Pier. Большая часть окон уже заполнена из гидравлического расчета моста: ширина/длина опор, глубина потока, скорость потока. Остается выбрать некоторые уточняющие коэффициенты, но давайте дадим описание каждому окошку:
Sсour equation
Пользователь может выбрать либо CSU метод (the Colorado State University), либо уравнение Froelich. Оба метода считаются надежными, но американским циркуляром (Hydraulic Engineering Circular No: 18, Evaluating Scour at Bridges, Fourth Edition, FHWA, 2001) рекомендован только CSU.
На мой взгляд "Фрейлих" несколько проще, но в целом оба метода ничего сложного из себя не представляют.
CSU Equation:
Уравнение CSU предсказывает максимальную глубину размыва опоры для сценариев "подвижное дно" и "чистая вода". (далее live-bed and clear-water):
где:
Ys- глубина размыва
K1- поправочный коэффициент для формы носика опоры. Если угол атаки больше 5º, доминирует К2 и К1 автоматически устанавливается равным 1,0. В противном случае K1 выбирается из следующей таблицы:
Квадратный нос 1.1
Круглый нос 1.0
Круглый цилиндр 1.0
Группа цилиндров 1.0
Острый нос (треугольный) 0,9
K2- Поправочный коэффициент на угол атаки потока рассчитывается по уравнению
где: 0- Угол атаки потока относительно опоры
L- длина опоры вдоль линии потока
a - ширина опоры.
если L/a больше 12, программа использует L/a = 12 как максимум в приведенном выше уравнении.
K3-Поправочный коэффициент для состояния дна реки выбирается из следующей таблицы:
K4-поправочный коэффициент по гранулометрии грунта дна. Это уравнение используется, когда минимальный размер материала слоя соответствует следующему условию:
Для D50 ≥ 2,00 мм и D95 ≥ 20,00 мм (в противном случае К4 принимается равным 1,0)
Ku = 11.17 (English Units), 6.19 (S.I. Metric Units)
Обратите внимание, что для свай с круглым носом, выровненных по течению, максимальная глубина размыва сваи ограничена следующим образом.
Fr <0.8, тогда Ys < 2,4 ширины опоры
Fr>0.8, тогда Ys < 3 ширины опоры
A- ширина опоры
Y1- глубина потока непосредственно перед опорой, полученная из расчета HEC-RAS для поперечного сечения непосредственно перед мостом,
Fr1- число Фруда непосредственно перед опорой, полученная из расчета HEC-RAS для поперечного сечения непосредственно перед мостом
Froelich equation:
В качестве альтернативы уравнению CSU в программу было добавлено следующее уравнение локального размыва пирса, разработанное доктором Дэвидом Фрелихом (Froehlich, 1991). Было показано, что это уравнение хорошо сравнивается с наблюдаемыми данными (FHWA, 1996).
Ys- глубина размыва
0- поправочный коэффициент для формы носика опоры:
квадратная опора = 1,3
Скругленная опора =1,0
Острый носик = 0,7
a`- ширина пирса по отношению к направлению потока
Y1-лубина потока непосредственно перед опорой, полученная из расчета HEC-RAS для поперечного сечения непосредственно перед мостом;
Обратите внимание, что эта форма уравнения Фрелиха используется для прогнозирования максимального размыва сваи в целях проектирования. Добавление одного члена ширины сваи (+ a) помещается в уравнение как коэффициент безопасности. Если уравнение должно использоваться в режиме анализа (т. е. Для прогнозирования размыва конкретного события), Фрёлих предлагает отказаться от добавления члена ширины пирса (+ a). Программа всегда включает добавление члена ширины сваи (+ a) при вычислении размыва сваи.
Глубина размыва пирса по уравнению Фрелиха ограничивается максимальной глубиной так же, как и по уравнению CSU:
Fr <0.8, тогда Ys < 2,4 ширины опоры
Fr>0.8, тогда Ys < 3 ширины опоры
Другие настройки солвера:
В целом, меняя вышеописанные параметры (гранулометрия, размеры опор, угол атаки потока и тд) вы заметите как автоматически пересчитываются все поправочные коэффициенты К1-К4.
Единственное неосвещенное окно осталось: Velocity & Depth.
Этот список предоставляет возможность использовать максимальную скорость и глубину в основном канале или локальную скорость и глубину на каждой опоре для расчета размыва.
Как правило, максимальная скорость и глубина используются для учета способности тальвега основного русла мигрировать вперед и назад в проеме моста. Миграция тальвега основного русла может привести к максимально возможному размыву на любом из мостов.
Maximum V1 Y1
Если выбрать эту опцию, программа найдет максимальную скорость и глубину в поперечном сечении сразу вверх по течению за мостом. Программное обеспечение использует выходные данные распределения потока для получения этих значений. Затем для всех опор будут использоваться максимальная скорость (V1) и глубина (Y1). Это опция по умолчанию.
Local V1 Y1
Если выбрать эту опцию, программное обеспечение найдет скорость (V1) и глубину (Y1) в поперечном сечении сразу вверх по течению за мостом, которое соответствует расположению осевой линии каждой из опор.
Результаты анализа и вывод данных.
После расчета программа сгенерирует word файл с отчетом на англ языке, где все эти уравнения будут описаны. Также программа нарисует в сечении профиль дна после размыва.
Ну и на последок небольшая глава из мануала по RFA:
Следующие моменты следует учитывать при анализе размыва:
• Ширина опоры напрямую влияет на глубину размыва; более широкие пирсы производят более глубокое размывание, чем узкие пирсы при тех же условиях.
• Максимальная ожидаемая глубина размыва сваи опоры варьируется от 2,4 до 3 раз больше ширины сваи для круглых или закругленных свай, выровненных по направлению потока.
• Длина опоры не оказывает заметного влияния на глубину размыва, если пирс выровнен по течению; однако большое влияние на локальный размыв оказывает угол атаки потока.
• Скорость потока увеличивает глубину размыва (чем быстрее поток, тем глубже размыв).
• Мелкие русловые отложения (ил и глина) будут иметь такую же глубину размыва, как и ручьи с песчаным дном, даже если они связаны сцеплением.
• Эффект когезии (связности грунта) заключается в увеличении времени достижения предельной глубины размыва.
• В каналах с песчаным дном максимальная глубина размыва измеряется в часах.
• При использовании связных материалов русла (ил, глина, песчаник, камень и т. д.) для достижения максимальной глубины размыва могут потребоваться дни, месяцы или даже годы.
• Форма пирса влияет на размыв:
• Обтекаемый передний конец уменьшает силу подковообразного вихря, уменьшая глубину размыва.
• Обтекаемый нижний конец снижает силу вихревых следов.
• Пирс с квадратным носом будет иметь максимальную глубину размыва примерно на 20 процентов больше, чем у сваи с острым носом, и на 10 процентов больше, чем у цилиндрического или закругленного сваи.
• Форма носа пирса не влияет на величину размыва, когда угол атаки больше 5 градусов.
• Лед и мусор могут увеличить ширину пирсов, изменить форму пирсов и привести к тому, что поток устремится вниз к руслу реки и усилит размыв пирсов.
Также программа может считать Abutment Scour (размыв устоев моста), визуальная картинка процесса:
Детально описывать матчасть не буду, ограничусь лишь общими рекомендациями из мануала:
• Каменная наброска и направляющие валы могут защитить абатмент от разрушения.
• Размыв устоя будет наиболее сильным там, где насыпь проезжей части, ведущая к устою, препятствует значительному потоку через пойму реки.
• Размыв может происходить вдоль входной части устоя из-за горизонтального вихря (horizontal vortex на рисунке) и на нижнем по потоку конце устоя, когда поток расширяется через отверстие перемычки (wake vortex на рисунке).
• Размыв устоя увеличится, если абатмент (насыпь) наклонен вверх по течению (в поток).
• Размыв абатмента уменьшится, если абатмент (насыпь) наклонен вниз по течению (от потока).
• Вертикальный примыкание к стене без боковых стенок может иметь в два раза большую глубину размыва, чем наклонный абатмент (spill-through) .
На этом сегодня все!
PS: Ладно, ставь магарычи, и бери хоть все мечи! (с)
