Головная система питания шлюзов
Головная система питания шлюзов
Подытоживая сказанное в этом параграфе, можно заключить следующее: при определении зависимостей для коэффициентов местных сопротивлений элементов трубопровода с боковыми отверстиями следует принимать во внимание схемы течения; схемы течения могут быть различными в районах разных боковых отверстий; поток в областях вышележащих боковых отверстий может существенно влиять на схемы течения в районах отверстий нижележащих. Эти обстоятельства нуждаются в дальнейшем уточнении.
Методика гидравлического расчета сложных систем питания судоходных шлюзов Степанов Александр Игоревич
Данный автореферат диссертации должен поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении 480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ‘, MOUSEOFF, FGCOLOR, ‘#FFFFCC’,BGCOLOR, ‘#393939’);» onMouseOut=»return nd();»> Диссертация — 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников240 руб. | 75 грн. | 3,75 долл. ‘, MOUSEOFF, FGCOLOR, ‘#FFFFCC’,BGCOLOR, ‘#393939’);» onMouseOut=»return nd();»> Автореферат — 240 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресеньяСтепанов Александр Игоревич. Методика гидравлического расчета сложных систем питания судоходных шлюзов : ил РГБ ОД 61:85-5/3768Содержание к диссертации1. Обзор существупцюс методов гидравлического расчета сложных систем питания судоходных шлюзов 102. Методика гидравлического расчета распределительных систем питания судоходных шлюзов 392.1. Описание разработанной методики 392.2. Методика определения расходов воды и пьезометрических отметок в системах питания на протяжении процесса наполнения камер судоходных шлюзов 402.2.1. Разбивка и способ представления системы питания 402.2.2. Уравнения, описывающие гидравлические процессы в системах питания шлюзов 442.2.3. Анализ полученных систем уравнения 522.3. Преобразование и решение исходных систем уравнений 542.3.1. Линеаризация и вывод уравнений для пучков ветвей 542.3.2. Решение расчетных систем уравнений 572.3.3. Определение начальных условий и шага интегрирования численного счета 642.4. Расчеты некоторых систем питания. Сравнение с экспериментом 692.5. Гидравлический расчет симметричных эквиинер-ционных систем питания шлюзов 1103. Некоторые аспекты определения коэффициентов местных сопротивлений элементов водопроводной галереи с расположенным по ее длине рядом боковых отверстий 1133.1. Введение 1133.2. Расчет отрыва потока от стенки водопровода с боковыми отверстиями 1153.3. Экспериментальное исследование истечения жидкости из боковых отверстий трубопровода 1203.4. Определение потерь напора в элементах трубопровода с боковыми отверстиями (выводы из эксперимента) 143
Обзор существупцюс методов гидравлического расчета сложных систем питания судоходных шлюзов
При проектировании систем питания судоходных шлюзов исходят из анализа соотношений двух основных конкурирующих факторов, определяющих эксплуатационные качества шлюзов: времени наполнения (опорожнения) камеры и величин гидродинамических сил, действующих на суда в процессе шлюзования. Для обеспечения высокой пропускной способности шлюза время наполнения (опорожнения) камеры должно быть по возможности меньшим. Но с другой стороны, величины действующих на шлюзующиеся суда гидродинамических сил не должны превышать допустимых значений.При выбранной системе питания время наполнения (опорожнения) камеры шлюза можно снижать путем повышения скорости открытия затворов водопроводных галерей. Однако подобное повышение вызывает возрастание действующих на суда гидродинамических сил. Величины же этих сил тем больше, чем значительнее неравномерность распределения расхода воды по камере.! Поэтому при больших значениях напоров воды на шлюз (обычно начиная с 12-17 м) для соблюдения достаточно благоприятных условий отстоя судов и сохранения при этом невысоких значений времени шлюзования применяют распределительные системы питания, которые обеспечивают более равномерную, чем головные системы, раздачу воды по камере.Многообразие конструкций распределительных систем питания обычно разделяют на две группы: простые и сложные системы [30, стр.94, 49, стр.238] . Простые распределительные системы питания представляют собой продольные боковые и донные водопроводы с расположенными по их длине выпусками воды в камеру (рис.1Л). Сложными распределительными состемами питания называют системы водо проводов с большим количеством разветвлений, иногда с несколькими подводами воды в камеру (рис. 1.2). Довольно полный перечень встречающихся на практике типов распределительных систем питания приведен в работе В.А.Кякка [34, стр.5-19] .После того, как выбрана система питания шлюза, необходимо проверить характеристики ее работы: время наполнения (опорожнения) камеры, величины гидродинамических сил, действующих на расчетное судно в процессе шлюзования, условия работы гидравлических затворов (например, на обеспечение отсутствия кавитации), гидравлические процессы и связанные с ними условия отстоя судов в подходных каналах и т.д. Так как на стадии проектирования шлюзов натурный эксперимент невозможен, а лабораторный во всем его объеме требует существенных материальных и временных затрат, то особую актуальность приобретают расчетно-теоретические методы исследований гидравлики шлюзов.Гидравлический расчет распределительных систем питания, включающий определение условий отстоя судов в камерах шлюзов, явным или неявным образом содержит три основные части: I) расчет поступления воды в камеру (в том числе распределения расходов жидкости через выпуски), 2) расчет связанного движения воды-судна в самой камере и 3) определение действующих на шлюзующееся судно гидродинамических сил. В связи с крайней сложностью задач ни одна из указанных частей не получила исчерпывающего теоретического решения, хотя достижения в этой области, особенно в СССР, весьма существенны.Значение указанных частей гидравлического расчета судоходных шлюзов состоит в следующем. Расчет характера поступления воды в камеру прежде всего необходим для определения времени шлюзования. Результаты этого расчета (распределение расхода жидкости по выпускам), кроме того, являются исходными данными для определения па раметров связанного движения воды-судна в камере. По последним же параметрам можно вычислить гидродинамические силы, действующие на судно в процессе шлюзования. Таким образом, расчет характера поступления воды в камеру необходим для определения обоих конкурирующих факторов шлюзования: непосредственно для определения времени наполнения камеры и косвенно для определения действующих на судно гидродинамических сил. Поэтому создание методик гидравлического расчета распределительных систем питания шлюзов имеет первоочередное значение.Методы расчета поступления воды в камеры судоходных шлюзов в случае распределительных систем питания разрабатывались такими учеными, как Ф.Форхгеймер, В.М.Маккавеев, И.М.Коновалов, Б.Д.Кача-новский, А.В.Михайлов, А.Ф.Бурков и др. Наиболее значительными исследованиями по определению параметров связанного движения воды -судна в камерах и действующих на суда гидродинамических сил следует признать работы В.М.Маккавеева [37] , А.В.Михайлова [47-50] , О.Ф.Васильева, А.А.Атавина [5-8, 10-18] и др.Диссертационная работа включает только вопросы гидравлического расчета самих распределительных систем питания шлюзов без детального учета гидромеханических процессов в камерах шлюзов и подходных каналах. При этом в первую очередь рассматривается процесс наполнения камер. Это объясняется тем, что опорожнение обычно в меньшей степени, чем наполнение, лимитирует как по времени шлюзования, так и по действующим на суда гидродинамическим силам. Поэтому в настоящей главе основное внимание уделяется гидравлическому расчету распределительных систем питания шлюзов в процессе наполнения.Методика определения расходов воды и пьезометрических отметок в системах питания на протяжении процесса наполнения камер судоходных шлюзов
Прежде, чем приступить к расчету распределительной системы питания судоходного шлюза, необходимо представить эту систему в виде совокупности типизированных звеньев — ветвей и узлов. Ветвью называется участок водовода, расход воды по длине которого постоянен (он может меняться во времени, но не по длине ветви). По длине ветви могут меняться формы и размеры ее поперечного сечения, направление потока, могут встречаться любые местные сопротивления, включая затвор водопроводной галереи. Пример ветви и ее схематическое изображение приведены на рис.2.1а. Узлами считаются места соединения ветвей друг с другом, с верхним и нижним бьефами сооружения, камерами шлюзов и затворными шахтами.Все узлы подразделяются на два типа. Узлом типа 0 называется сочленение ветвей друг с другом, представленное схематически на рис.2.16. Узлом типа I моделируются верхний и нижний бьефы гидросооружения, камеры шлюзов и затворные шахты без учета уклона свободной поверхности воды в них. Схематическое изображение узла типа I представлено на рис.2.1в.До того, как начать расчет, необходимо указать направление потока воды в каждой ветви. На схеме направление потока изображается стрелкой (рис.2.1а).После разбивки систем на ряд типизированных звеньев ее узлы и ветви нумеруются независимо друг от друга. На рис.2.2 представлен способ разбиения на ветви и узлы водопроводной галереи с боковой раздачей воды через выпускные отверстия (обратить внимание, что концы ветвей 2, 4, б,8, 10, II являются одним и тем же узлом 7, так как камера шлюза моделируется одним узлом типа I).Каждая ветвь системы питания шлюза ограничена двумя узлами, соответствующими началу и концу ветви. При этом началом ветви считается первый по направлению потока в ветви узел, концом -второй. Так на рис.2.1а ветвь с номером і имеет, своим началом узел / , а концом — узел к .Узлы, помимо собственных параметров, характеризуются перечнем соединяющихся в нем ветвей и направлением потока, в этих ветвях. Принимается правило знаков для расходов воды. Расход воды в ветви і имеет знак «+» по отношению к данному узлу j , если поток в этой ветви і направлен к узлу j ; и расход воды в ветви і имеет знак «-» по отношению к данному узлу j , если поток в ветви і направлен от узла Искомой величиной для ветви является расход воды, для узла — пьезометрическая отметка в нем. Чтобы найти их значения для всех элементов системы питания, необходимо составить и решить систему уравнений движения жидкости и неразрывности движения, характеризующих течение воды в ветвях и узлах, моделирующих систему питания шлюза.Гидравлические процессы в каждом типизированном звене описываются соответствующими уравнениями. Так как водопроводы систем питания имеют относительно небольшую длину, а быстрота маневрирования затворами сравнительно невелика, сжимаемостью воды можно пренебречь.Пренебрегая неоднородностью распределения скоростей по поперечным сечениям трубопроводов, а также считая поперечные сечения плоскими, можно записать следующее одномерное уравнение движения с учетом сил инерции для ветви І с началом в узле J и концом в узле к : где D — средняя по поперечному сечению скорость потока в начале «і — средняя по поперечному сечению скорость потока в конце ветви і считается медленно изменящимся, так что потери энергии в элементах этой системы можно считать независящими от значений ускорений потока и определять их так же, как и при стационарном движении. Потери напора в ветви і где u)L — площадь расчетного поперечного сечения потока в ветви I , Tj . — суммарный коэффициент сопротивления ветви L , приведенный к ее расчетному сечению.Гидравлический расчет симметричных эквиинер-ционных систем питания шлюзов
Разработанная новая методика гидравлического расчета распределительных систем питания судоходных шлюзов с учетом сил инерции позволяет определять не только традиционные гидравлические характеристики процесса наполнения камеры, но и распределение гидродинамических давлений и расходов воды по всем элементам системы питания. При этом должны быть заданы все геометрические и гидравлические параметры водопроводных галерей и графики открытия затворов.На основе разработанной методики создана программа счета для дШ на языке Фортран-1У. Реализация расчета распределительных систем питания требует от проектировщика подготовки исходных данных по определенной схеме, приведенной в диссертации.В настоящее время в связи с проектированием и строительством шлюзов с распределительными системами питания их детальный гидравлический расчет приобретает особую актуальность. Такой расчет позволит также сократить число вариантов систем питания, подлежащих дорогостоящему лабораторному исследованию, путем замены физического моделирования математическим. Следует отметить, что такого рода возможность получения . подробной информации о гидравлических параметрах процесса наполнения камер судоходных шлюзов для широкого класса распределительных систем питания получена впервые.Новизна методики по сравнению с существующими заключается в следующем: во-первых, при определении суммарного расхода воды через систему питания не используется заведомо невыполнимое на протяжении всего процесса наполнения камеры предположение о равномерности распределения расходов по выпускам; во-вторых, методика позволяет производить детальный гидравлический расчет (в том числе определять распределение расходов по выпускам) систем питания такой сложности, подобный расчет которых без дополнительных предположений был невозможен (в частности, систем питания с большим числом разветвлений, с несинхронно открывающимися затворами галерей).К основным достоинствам предложенной методики следует отнести: 1) широкие возможности применения для расчета различных схем систем питания, 2) возможность оперативного получения численных значений расходов воды и гидродинамических давлений в ряде сечений водопроводных галерей в течение процесса наполнения камеры, 3) точность расчета, обеспечивающаяся вследствие учета зависимости потерь напора на разветвление потока от распределения расходов воды по ветвям в разветвлениях (тройниках, боковых выпусках в галереях), 4) возможность более детального обоснования вариантов систем питания шлюзов в процессе проектирования, а также сокращения числа вариантов, подлежащих исследованию на физических моделях.К факторам, осложняющим применение предлагаемой методики, относится прежде всего следующее: 1) величины гидравлических сопротивлений некоторых конструктивных деталей распределительных систем питания шлюзов неизвестны, и их значения приходится назначать по аналогии с исследованными; 2) местные сопротивления в системах питания часто расположены близко друг от друга, в то же время вопрос о взаимном влиянии различных сопротивлений в настоящее время исследован не достаточно.Эти обстоятельства, однако, относятся в равной мере ко всем существующим методам гидравлического расчета шлюзов и могут быть устранены лишь путем проведения специальных экспериментальных и теоретических исследований.Кроме того, впервые были получены выражения для коэффициентов расхода и приведенных длин симметричных эквиинерционных систем питания шлюзов. Указано, что гидравлический расчет подобных систем более целесообразно осуществлять с помощью одного известного уравнения, описывающего процесс наполнения (опорожнения) камер судоходных шлюзов. Часто встречающимся компонентом распределительных систем питания судоходных шлюзов является водопроводная галерея с расположенным.: по ее длине рядом баковых отверстий (выпусков) (рис.2.2.а). При проектировании систем питания шлюзов возникает необходимость гидравлического расчета процесса наполнения через такие галереи.Движение жидкости в распределительных галереях является весьма сложным: турбулентным, неравномерным, неустановившемся, с наличием отрыва пограничного слоя, образованием и сносом вихрей. Поэтому при расчете этого движения прибегают к приближенным методам.Приближенный гидравлический расчет систем питания с распределительными галереями при учете сил инерции в одномерной постановке может быть осуществлен с помощью методики, изложенной во второй главе диссертации. При этом точность расчета существенно зависит от правильности задания коэффициентов потерь напора элементов распределительных галерей.В распределительных галереях различают два основных типа элементов: участки галереи между выпусками и сами выпуски. Жидкость, поступающая в камеру шлюза через боковые выпуски, отделяется от основного потока в галерее. При расчете по вышеизложенной методике участок водопроводной галереи с боковыми отверстиями представляется схемой водопроводов, приведенной на рис.2.2.б. Узел 7 здесь мо делирует камеру шлюза, ветви 2, 4, б, 8, 10 — боковые выпуски, ветви I, 3, 5, 7, 9, II — участки водопроводной галереи между выпусками.Таким образом, для осуществления достаточно точного гидравлического расчета систем питания с распределительными галереями, необходимо обладать надежными сведениями о величинах коэффициентов потерь напора боковых отверстий и участков трубопровода между соседними боковыми отверстиями. Поэтому исследования-как теоретические, так и экспериментальные,-касающиеся определения величин этих коэффициентов, имеют весьма важное значение для гидравлического расчета распределительных систем питания шлюзов.Экспериментальное исследование истечения жидкости из боковых отверстий трубопровода
Столь неодинаковая способность потока к образованию водоворот-ных зон в районах разных боковых отверстий наводит на мысль о том, что величины местных потерь напора в транзитном потоке в районах боковых отверстий должны определяться по разным зависимостям. При определении таких зависимостей следует принимать во внимание картину течения, в которой существуют или отсутствуют водоворотные зоны.С помощью графиков, приведенных на рис.3.5, можно определить факт наличия водоворотных областей и местоположение точки отрыва потока от стенки. При возрастании п точка сдвигается вниз по течению. Каждая из кривых зсотр /б0 (п) имеет вертикальную ассимптоту, соответствующую величине п. отр , при которой отрыв исчезает (эта величина может быть определена с помощью кривой t-min (л.) и значения Очевидно, что при значениях П , больших Потр » отрыва уже быть не должно, поэтому областью определения функции ОСотр /б0 (п.) являются значения п , меньшие а отр . Зона вертикальных ас-симптот достаточно невелика: так для скоростей V0 — MO м/сек она составляет п0 — 1,87 2,05. Это согласуется с тем, что минимальное значение формпараметра L тсп зависит от скорости Уа в значительно меньшей степени, чем от отношеняия расходов воды п.Чем выше значение скорости потока, подходящего к боковому отверстию, тем выше по течению расположена точка отрыва (если отрыв вообще есть). При малых значениях п. (характерных главным образом для низовых отверстий) водоворотная зона «надвигается» на боковое отверстие. Поэтому она может уже существенно влиять на величины местных потерь не только в транзитном потоке,;»-! но и в боковом отверстии.Графики, приведенные на рис.3.6, являются вспомогательными. Оня служат, во-первых, для дополнительного контроля вычислений и, во-вторых, позволяют сделать выводы о зависимости местоположения точки отрыва пограничного слоя от минимального значения формпара-метра L на расчетном участке стенки трубопровода. При росте величин Lmin водоворотная зона сдвигается вниз по течению. Кривые Lm;n (oc0fn/)/S0) имеют вертикальную ассимптоту Lmin -= -0,13. Это означает, что теоретически водоворотная зона может смещаться неограниченно вниз по течению при стремлении L min к значению L от/) . Таким образом, водоворотная зона может попадать в области потока нижележащих боковых отверстий и влиять на коэффициенты местных сопротивлений как транзитного потока, так и боковых отверстий, расположенных ниже по течению. Значит поток в районах верхних по течению боковых отверстий может существенно влиять на схему течения в районе нижних по течению отверстий. Поэтому величины коэффициентов местных сопротивлений как транзитного потока, так и боковых отверстий, существенно зависят от факта совместной «работы» боковых отверстий и должны определяться по различным формулам в зависимости от расположения боковых отверстий.Подытоживая сказанное в этом параграфе, можно заключить следующее: при определении зависимостей для коэффициентов местных сопротивлений элементов трубопровода с боковыми отверстиями следует принимать во внимание схемы течения; схемы течения могут быть различными в районах разных боковых отверстий; поток в областях вышележащих боковых отверстий может существенно влиять на схемы течения в районах отверстий нижележащих. Эти обстоятельства нуждаются в дальнейшем уточнении.Теоретическое определение коэффициентов гидравлических сопротивлений элементов трубопровода с боковыми отверстиями встречается со значительными затруднениями, поэтому исследователям приходится прибегать к помощи эксперимента. В настоящее время существует несколько зависимостей для определения коэффициентов потерь напора боковых отверстий, однако эти зависимости в основном получены с помощью эксперимента для случая либо одиночных боковых отверстий, либо .одинаковых отверстий с постоянным шагом. Но распределительные галереи судоходных шлюзов снабжены рядом боковых отверстий не обязательно равных поперечных сечений и не обязательно расположенных на равных расстояниях друг от друга. Поэтому возникает вопрос, влияет ли на величину потерь напора в данном боковом отверстии наличие следующего за ним или предшествующего ему бокового отверстия, а если влияет, то в какой мере. Попутно возникла задача проверки, а если удается, то и уточнения существующих зависимостей. При этом полученные зависимости должны быть приспособлены для применения в рамках общей методики гидравлического расчета распределительных систем питания судоходных шлюзов, которая была изложена во второй главе диссертации.50. Гуревич М.И. Теория струй идеальной жидкости / Наука. М.: 1979,-536с.
Введение 1998 год, диссертация по транспорту, Гапеев, Анатолий Михайлович
Транспорт является областью материального производства и играет огромную роль в экономической жизни общества. Особое значение транспорт имеет для стран с высокими темпами развития экономики, промышленности и сельского хозяйства. Для России, имеющей многочисленное население и обладающей обширной территорией, на которой сосредоточены, огромные природные богатства, производственные базы и продукция АПК, роль транспорта чрезвычайно велика.Важное место в транспортной системе занимает водный транспорт и, в особенности, внутренний. Во многих странах он является приоритетным ввиду высоких эксплуатационных и экономических показателей, а также его экологических особенностей. В Германии, например, на долю внутреннего водного транспорта приходится свыше 20% всех грузовых перевозок.По протяженности водных путей и запасам водных ресурсов Россия и страны СНГ (бывшего СССР) занимают ведущее место в мире. На их территории насчитывается более ПО тыс.рек и озер общей протяженностью около 4 млн.км, значительная часть которых может быть использована для судоходства. Протяженность эксплуатируемых водных путей составляет в настоящее время примерно 150 тыс.км и превышает длину внутренних водных путей США и всех стран Западной Европы более чем в 2 раза.В развитии водных путей нашей страны особое внимание уделялось их комплексному использованию для удовлетворения различных нужд народного хозяйства: гидроэнергетики, судоходства, промышленного и гражданского водоснабжения, лесосплава, орошения земель и нужд других водопользователей.Возведение крупных комплексных гидроузлов на реках Европейской части страны и строительство судоходных каналов (Беломорско-Балтийского, канала им.Москвы, Волго-Донского и Волго-Балтийского) позволило создатьЕдиную глубоководную систему водных путей России (ЕГС), соединяющую пять морей: Балтийское, Белое, Каспийское, Азовское и Черное. Для пропуска судов в составе речных гидроузлов и на искусственных водных путях возведены судопропускные сооружения в виде судоходных шлюзов. Создание ЕГС существенно повлияло на структуру флота и условия плавания судов. Перевозки грузов стали осуществляться крупнотоннажными судами грузоподъемностью до 5300 т и составами обшей грузоподъемностью до 22000 т. Существенно увеличилась дальность перевозок и условия плавания судов. Значительная часть перевозок выполняется судами смешанного (река-море) плавания.Крупное гидротехническое строительство осуществлялось и на реках Сибири, однако в составе некоторых гидроузлов до сих пор отсутствуют судопропускные сооружения. На отдельных участках рек нарушено сквозное судоходство, что пока не позволяет использовать эти водные магистрали для организации перевозок на дальние расстояния. Тем не менее водные пути Сибири и Дальнего Востока остаются наиболее экономичными и пока единственными для организации грузовых и пассажирских перевозок в этих регионах. Водные пути являются единственными транспортными магистралями и в труднодоступных районах Крайнего Севера. В настоящее время примерно 60% районов Сибири и до 80% районов Крайнего Севера осваиваются с использованием водного транспорта.Строительство шлюзованных водных систем привело к значительному повышению пропускной способности внутренних водных путей, экономических и эксплуатационных показателей работы флота, а также роли речного транспорта в общей транспортной структуре России. Так, например, пропускная способность Волги составила более 100 млн.т, что значительно больше пропускной способности двухпутной железной дороги, а себестоимость перевозок грузов водных транспортом обходится дешевле более чем в два раза/Несмотря на это пропускная способность шлюзованного водного пути в значительной степени зависит от пропускной способности судоходных шлюзов, которые иногда не обеспечивают пропуск требуемого количества судов. Это приводит с скоплению в бьефах значительного количества ожидающих шлюзования судов и составов, а следовательно, и к большим материальным затратам. В связи с этим, одним из наиболее ответственных и сложных звеньев транспортной системы в эксплуатации на водных путях являются судоходные шлюзы.Пропускная способность судоходных шлюзов может быть ограниченной по следующим основным причинам:• если она достигла или превысила проектные значения для данного типа шлюзов;• когда качество системы питания не обеспечивает удовлетворительные условия стоянки судов в камере при их шлюзовании, в особенности, при пропуске крупнотоннажных судов и составов.В первом случае требуется строительство дополнительных ниток шлюзов или сроки строительства их могут быть несколько отодвинуты путем внедрения на существующих шлюзах, в первую очередь, ускоренных режимов наполнения (опорожнения) камер, обеспечивающих безопасные условия шлюзования судов, и технических мероприятий, позволяющих существенно сократить время по другим операциям шлюзования (вход, выход, учалка судов и т.п.).Во втором случае удовлетворительные условия стоянки судов при шлюзовании можно обеспечить за счет использования замедленных режимов наполнения (опорожнения) камер, тогда эффективность других мероприятий по улучшению эксплуатационных показателей работы шлюзов может оказаться недостаточной. Улучшение показателей работы существующих шлюзов здесь можно достичь путем совершенствования качества систем питания и использованием других технических мероприятий, требующих меньших капитальных затрат, по сравнению со строительством дополнительных ниток, которое считается нелогичным при неиспользованной пропускной способности шлюза.В настоящее время в России и странах СНГ эксплуатируется около 160 судоходных шлюзов с различными системами питания. Для примера можно привести число эксплуатируемых шлюзов по другим странам: Португалия — 5; Австрия — 10; Канада — 12; Италия — 16; Великобритания — 23; Франция — 35; Нидерланды — 36; Бельгия — 39; Германия — более 400; США — 103 (данные на 1990 г.).Примерно 140 отечественных шлюзов имеют головную систему питания как наиболее простую и экономичную. Значительная часть шлюзов среднего и большого напоров имеют систему наполнения из-под затворов различной конструкции с частичным разделением напора и со стенкой падения. Они расположены на магистральных водных путях с интенсивным судопотоком и по своим гидравлическим показателям не уступали аналогичным шлюзам с распределительными системами питания. Однако, в современных условиях их пропускная способность считается ограниченной: они не обеспечивают безопасные условия шлюзования крупнотоннажных судов и составов, доля которых значительно возросла. С целью улучшения эксплуатационных показателей существующих шлюзов с головной системой питания проводились многочисленные лабораторные и натурные исследования по выбору оптимальных режимов наполнения (опорожнения) камер для различных групп судов и составов, которые не всегда приводили к желаемым результатам. В ряде случаев улучшение условий стоянки шлюзуемых судов достигнуто за счет увеличения времени наполнения или опорожнения камер, а использование ускоренных режимов вызвало разрушение бетона и отдельных элементов систем питания.В отечественной практике щлюзостроения накоплен большой опыт, имеющий мировое признание, однако, качеству систем питания не всегда уделялось должное внимание. Под качеством системы питания в дальнейшем будем считать совершенство ее гасительных устройств, обеспечивающих поступление в камеру шлюза или из нее такой энергии потока, при которой соблюдались бы удовлетворительные условия стоянки всех групп шлюзуемых судов и оптимальное время наполнения (опорожнения) камеры, соответствующее заданной пропускной способности шлюза. Качество систем питания оценивалось по условиям стоянки в камере расчетных судов при проведении лабораторных гидравлических исследований, которые выполнялись на стадии проектирования, иногда в ограниченные по времени сроки, и, естественно, не позволяли достаточно полно исследовать гидромеханические процессы, сопровождающие шлюзование судов.Анализ эксплуатации головных систем наполнения камер судоходных шлюзов показал, что на качество систем питания существенное влияние оказывают конструкции и взаимное расположение ее элементов, обеспечивающих гашение скорости потока, поступающего в камеру, от кинематических параметров которого зависят условия стоянки судов и время их шлюзования. Большинство же эксплуатируемых судоходных шлюзов с головными системами наполнения камер не соответствуют этим требованиям. До сих пор слабо изучена эффективность работы отдельных элементов камеры гашения (экрана, порога, стенки падения, козырька затвора, колодца, балок распределительной решетки и т.п.) и нет рекомендаций по конструкциям этих элементов и их взаимному расположению. Недостаточно полно исследовались и волновые процессы в камере шлюза, поэтому при выборе режимов наполнения (опорожнения) камер ограничивались обеспечением нормативных условий стоянки расчетных судов по максимальной прямой (направленной к нижней голове шлюза) или обратной (направленной к верхней голове) гидродинамической силе. Теоретические методы выбора режимов с учетом волновых процессов в камере шлюза не всегда использовались ввиду их приближенности.В связи с этим, обоснование эксплуатационных качеств систем питания должно производиться в лабораторных условиях с полным изучением гидромеханических процессов в камере гашения и камере шлюза как на частных фрагментарных), так й общих моделях, а также с использованием более со-•вершенных теоретических методов расчета геометрических и гидравлических параметров систем питания. Целесообразно и проведение в дальнейшем натурных исследований для более полной оценки качества систем питания при существующих гидрологических условиях, которые могут отличаться от проектных, в особенности, в начальные периоды эксплуатации судоходных шлюзов. Эти исследования необходимы также для корректировки режимов наполнения (опорожнения) камер и изучения отдельных физических явлений, которые невозможно исследовать на моделях шлюзов (вибрация затворов, влияние аэрации потока и др.).До настоящего времени лабораторные и натурные исследования проводились различными по профилю организациями: проектными, эксплуатационными, учебными и научно-исследовательскими, методика которых существенно отличается как по составу и полноте рассматриваемых явлений, так и по использованию аппаратуры, датчиков и приборов для измерения’ фиксируемых параметров. Отсутствие единой методики исследований и обработки опытов нередко приводило к искажению полученных результатов, а иногда, и физических явлений.В связи с изложенным, проблема совершенствования эксплуатационных качеств судоходных шлюзов является одной из наиболее актуальных для водного транспорта.В представленной работе дается подробный анализ эксплуатационных качеств судоходных шлюзов с головной системой питания, впервые оценено влияние на качество системы наполнения ее отдельных элементов как по кинематике потока внутри камеры гашения, так и по условиям стоянки в камере шлюзуемых судов, разработана новая методика гидравлического расчета наполнения камер, методика определения основных размеров элементов и их взаимного расположения. Часть работы посвящена изучению ранее не исследо ванных гидромеханических явлений, сопровождающих шлюзование судов с жидкими грузами и судов, имеющих начальный дифферент на нос или корму. Приведены также новые результаты экспериментальных исследований ряда эксплуатируемых и проектируемых шлюзов, внедрение которых на практике позволило улучшить их эксплуатационные показатели.В основу диссертации положены научно-исследовательские работы, выполняемые в течение многих лет на кафедре гидротехнических сооружений и конструкций Ленинградского института водного транспорта (ныне университета водных коммуникаций) под руководством автора или при его непосредственном участии. Результаты исследований ежегодно докладывались на конференциях и опубликованы в трудах института и других изданиях.Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложения, в котором содержится 26 таблиц, 107 рисунков и акты о внедрении результатов исследований.Время наполнения и опорожнения камерГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СОВЕТА МИНИСТРОВ СССР ПО ДЕЛАМ СТРОИТЕЛЬСТВА (ГОССТРОЙ СССР)
УКАЗАНИЯ
ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СУДОХОДНЫХ шлюзов СН 303—65Утверждены Государственным комитетом по делам строительства СССР 15 марта 1965 г.ИЗДАТЕЛЬСТВО ЛИТЕРАТУРЫ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ«Указания по проектированию судоходных шлюзо*» разработаны в развитие главы СНиП Н-И.1-62. «Гидротехнические сооружения речные. Основные положения проектирования».Указания разработаны институтом Гидропроект имени С. Я. Жука Государственного производственного комитета по энергетике и электрификации СССР и его Ленинградским о i делением при?1астии Ленинградского института водного транспорта и института ипроречтранс Министерства речного флота РСФСР и Ленинградской проектно^конструкторской конторы Гидростальпроект Государственного производственного комитета по энергетике и электрификации СССР.Редакторы — кандидаты техн. наук Е. И. Дышко (Госстрой СССР) и В. И. Вуцель (Гидропроект), инж. Л. С. Кустанович (Лен-гидропроект).План II кв. 1Э65 г., № 4Строительные нормы СН 303—65Государственный комитет Совета Министров СССР по делам строительства (Госстрой СССР)Указания по проектированию судоходных шлюзов1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ1.1. Настоящие Указания распространяются на проектирование вновь возводимых и реконструируемых судоходных шлюзов и подходов к ним, располагаемых на внутренних водных путях.Примечания: 1. Настоящие Указания распространяются также на проектирование судоходных шлюзов на приморских окончаниях внутренних водных путей, которое следует производить с учетом требований, вызываемых специфическими условиями моря и принимаемых с необходимыми обоснованиями.2. При проектировании временных судоходных шлюзов следует руководствоваться настоящими Указаниями с учетом временного характера сооружений и условий эксплуатации. При этом отступления от требований настоящих Указаний должны быть обоснованы и в необходимых случаях согласованы с Министерством речного флота РСФСР или с управлениями речного пароходства при советах министров других союзных республик.3. При проектировании мостовых переходов через шлюзы, зданий управления и механического оборудования шлюзов, а также вспомогательных и подсобных объектов строительства судоходных шлюзов следует руководствоваться требованиями соответствующих глав СНиП и других нормативных документов.1.2. При проектировании судоходных шлюзов надлежит учитывать кроме настоящих Указаний требования глав СНиП и других нормативных документов, перечисленных в приложении б, а также требования Государственных стандартов, санитарных норм и правил техники безопасности и охраны труда.1.3. Судоходные шлюзы, сооружаемые в зонах распространения вечномерзлых грунтов, в сейсмических районах, на просадочных грунтах и в районах с карстовымиУтверждены Государственным комитетом по делам строительства СССР 15 марта 1965 г.Внесены Г осударственным производственным комитетом по энергетике н электрификации СССРСрок введения I октября 1965 г.образованиями, следует проектировать с учетом дополнительных требований, предъявляемых к строительству гидротехнических сооружений в перечисленных условиях.КЛАССИФИКАЦИЯ СУДОХОДНЫХ шлюзов1.4. Судоходные шлюзы подразделяются на: однокамерные, однокамерные с промежуточной головой, двухкамерные и т. д. — по числу камер, расположенных последовательно; однониточные, двухниточные и т. д., камеры которых расположены параллельно.1.5. Категории внутренних водных путей и классы капитальности судоходных шлюзов устанавливаются по указаниям главы СНиП П-И.1-62 [1] 1 .1.6. К основным сооружениям и конструкциям шлюзов относятся: головы и камеры, основные и аварийные ворота, дренажные устройства, сооружения системы питания, подходные каналы, подпорные стены, участвующие в создании напорного фронта;к второстепенным — подпорные стены, не участвующие в создании напорного фронта, направляющие устройства, причальные и отбойные приспособления, служебные мостики, несущие нагрузки от подъемных механизмов, ремонтные заграждения и т. п.1.7. При проектировании судоходных шлюзов следует предусматривать возможность их использования для пропуска части паводковых расходов воды в периоды, когда судоходство в створе гидроузла практически прекращается и шлюзы не используются по своему прямому назначению. Вероятность превышения паводковых расходов воды, сбрасываемых в створе гидроузла, при котором также и шлюз выполняет функции водосброса, следует принимать не более:на водных путях 1 категории. 1 %Величина сбрасываемой через судоходные шлюзы части паводковых расходов воды обосновывается соответствующими технико-экономическими расчетами с учетом дополнительных требований и мероприятий, связанных со спецификой работы шлюзов как водосбросов.1.8. Использование судоходных шлюзов длл сброса воды при меньших значениях вероятности превышения паводковых расходов воды (в процентах) допускается при надлежащем технико-экономическом обосновании по согласованию с Министерством речного флота РСФСР или с управлениями речного пароходства при советах министров других союзных республик.1.9. Режим сброса воды через шлюз должен быть обоснован расчетами и лабораторными исследованиями. При этих расчетах следует выбирать величину сбросного расхода воды через шлюз с учетом возможного растекания потока ниже шлюза и осуществления необходимых мер для соответствующего приспособления конструкций сооружений для сброса воды. При проектировании должны быть предусмотрены меры по сохранности всех элементов шлюза и, в особенности, его гидромеханического оборудования.1.10. Судоходные шлюзы допускается использовать для сброса части ливневых расходов воды с соблюдением всех требований пп. 1.7, 1.9 и при условии согласования с Министерством речного флота РСФСР или с управлениями речного пароходства при советах министров других союзных республик.СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Бетон гидротехнический1.11. Для возведения сооружений судоходных шлюзов из бетона и железобетона применяется гидротехнический бетон, качество которого должно удовлетворять требованиям ГОСТ 4795-59* «Бетон гидротехнический. Общие требования» по водостойкости, водонепроницаемости, морозостойкости, прочности и пониженному тепловыделению при твердении. По водостойкости бетон должен, кроме того, удовлетворять требованиям «Инструкции по проектированию. Признаки и нормы агрессивности воды-среды для железобетонных и бетонных конструкций» (СН 249—63*).Бетон должен также соответствовать техническим требованиям «Норм и технических условий проектирования бетонных и железобетонных конструкций гидротехнических сооружений» (СН 55—59).1.12. Проектные марки бетона должны устанавливаться в стадии разработки проектного задания.1.13. При возведении шлюзов в комплексе с другими сооружениями гидроузла следует по возможности увязывать назначаемые проектные марки бетона шлюза с марками бетонов, принятыми для других сооружений гидроузла, с целью уменьшения числа проектных марок бетона.1.14. Требования к сборным железобетонным элементам в конотрукциях судоходных шлюзов должны соответствовать главам СНиП I-B.5-62 «Железобетонные изделия. Общие указания» и СНиП 1-В.5.2-62 «Железобетонные изделия для сооружений».1.15. Для армирования железобетонных конструкций и элементов судоходных шлюзов следует применять арматуру в соответствии с требованиями глав СНиП I-B.4-62 «Арматура для железобетонных конструкций», СНиП П-А. 10-62 «Строительные конструкции и основания. Основные положения проектирования», а также СН 55—59 [15] и соответствующих ГОСТов.1.16. Строительные материалы для асфальтовых гидроизоляций выбираются по указаниям нормативных документов на проектирование гидроизоляции и ГОСТов.1.17. Лесоматериалы для отдельных элементов конструкций шлюзов должны соответствовать требованиям главы СНиП I-В. 13-62 «Лесные материалы. Изделия и конструкции из древесины», а также ГОСТов на лесные материалы.Состав и объем проектных и изыскательских материалов1.18. Состав и объем материалов проекта судоходного шлюза определяются для каждой стадии проектирования инструкциями по составлению проектов и смет.Состав и объем топографических, инженерно-геологических, гидрогеологических, гидрологических, производственно-строительных и других изысканий и исследований определяются инструкциями по инженерным изысканиям для строительства гидротехнических сооружений.Материалы проекта судоходного шлюза должны содержать данные по грузообороту и судообороту в створегидроузла, по перспективной схеме развития водного транспорта бассейна реки, а также данные о существующих и проектируемых судах и плотах на данном водном пути.Для разработки и обоснования отдельных проектных вопросов и решений должны проводиться в необходимых случаях специальные изыскания, лабораторные и опытные исследования.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ШЛЮЗОВ2.1. Данные по грузопотоку и судообороту в створе гидроузла, необходимые для установления пропускной способности шлюза, вычисляются для расчетных сроков Расчетные сроки для проектирования конкретного судоходного шлюза устанавливаются заданием на проектирование.2.2. Грузопотоки в створе гидроузла должны быть установлены по материалам перспективной схемы развития водного транспорта бассейна, для которого проектируется строительство шлюзов, с учетом изменений в развитии народного хозяйства за период со времени выпуска перспективной схемы до конкретных расчетных сроков.В случае отсутствия перспективной схемы развития водного транспорта должны быть выполнены экономические идыскания и расчетным путем определены грузопотоки в данном створе на установленные заданием расчетные сроки.2.3. При определении пропускной способности шлюзов должны быть установлены навигационный судооборот и судооборот в наиболее напряженные сутки.2.4. Навигационный судооборот должен быть подсчитан по направлениям вверх и вниз отдельно по груженым и порожним судам различных видов и типов: самоходные и несамоходные грузовые суда, пассажирские и грузопассажирские суда, плотоводы, технический флот, суда сторонних организаций и шлюзуемые секции плотов.2.5. Судооборот в наиболее напряженные сутки по каждому виду перевозок определяется как отношение навигационного судооборота к длительности навигации в сутках с учетом неравномерности перевозок. Коэффициенты неравномерности перевозок допускается принимать по приложению 2.РАСЧЕТНЫЕ СУДА И СОСТАВЫ2.6. При определении габаритов шлюзов и подходов различаются:а) расчетное судно — но осадке;б) расчетное судно, расчетный состав или плот с буксиром — по длине;в) расчетное судно, расчетный состав или плот — по ширине;г) расчетное судно — по надводному возвышению привального бруса;д) расчетное судно— по водоизмещению.2.7. Типы расчетных судов принимаются по данным схемы развития бассейна с учетом изменений грузопотоков и путевых условий, которые могут возникнуть в течение первых десяти лет постоянной эксплуатации шлюзов на водных путях I и II категорий и пяти лет— на водных путях III и IV категорий.ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ шлюзов2.8. Общее количество шлюзований в сутки следует определять как сумму обоснованных расчетами шлюзований транспортного флота и двух пар шлюзований для водных путей I и II категорий и одной пары — для III и IV категорий для пропуска технического флота.2.9. Временем шлюзования считается время, в продолжение которого шлюз занят на пропуск через негр одного шлюзуемого состава. В однокамерном шлюзе при одностороннем и двухстороннем движении и в многокамерном шлюзе при двухстороннем движении это время равно полному времени, затрачиваемому составом на прохождение через весь шлюз. При одностороннем (серийном) движении через многокамерный шлюз время шлюзования равно времени, затрачиваемому составом на проход из бьефа через две камеры, с добавлением времени наполнения (опорожнения) камеры и открытия ворот.2.10. При расчете времени шлюзования подлежат учету только следующие операции:а) наполнение и опорожнение камер шлюза;б) открытие и закрытие ворот;в) ввод состава в шлюз и вывод из шлюза;г) перевод состава из одной камеры шлюза в другую.Время открытия и закрытия затворов систем питанияшлюза, а также время учалки состава в камере допуска-ется учитывать в случаях, когда обосновано, что продолжительность этих операций увеличивает время шлюзования.2.11. Время наполнения и опорожнения камер шлюза должно быть определено гидравлическими расчетами.При предварительных расчетах время (в мин.) наполнения и опорожнения камеры шлюза допускается определять по формулегде Нк — расчетный напор на камеру в м;Ьпк — полезная длина камеры в м;Вп к—полезная ширина камеры в м;k — коэффициент, принимаемый для шлюзов с головной системой питания равным 0,27, с распределительной системой питания — 0,19.2.12. Время открытия и закрытия ворот следует принимать по п. 12.34.2.13. Время ввода составов, отдельных судов или плотов в шлюз, вывода из шлюза и перевода из камеры в камеру определяется в зависимости от скорости и длины пути их движения.Скорость движения должна быть определена расчетом в зависимости от применяемых способов тяги в шлюзах.При предварительных расчетах средние скорости движения могут быть приняты по табл. 1.По степени трудности для судовождения перекат можно разделить на две группы в зависимости от типа перекат, вида его подвалья и других факторов.
Течения
Течение воды в реке (правило 7) — движение частиц воды в реке вдоль русла под действием силы тяжести. С увеличением уклона поверхности воды скорость течения возрастает. Энергия речного потока расходуется на внутреннее трение воды и на преодоление трения о дно и берега. Поэтому в целом ускорения движения воды в речном потоке не наблюдается, однако может возникнуть местное ускорение, например, на перекатах и порогах.Течение воды в реке имеет особенности, иногда их называют неправильными течениями. Тиховод — медленное течение, образующееся за выпуклыми берегами, крупными песчаными отложениями в русле и т.п. При движении судна вверх для увеличения скорости, где это возможно, следует идти по тиховоду. Суводь — водное пространство с вращательным движением воды, обычно находящееся за выступами берегов, мысами, выпуклыми берегами, сильно вдающимися в русло (рис.16). В этих местах течение, с большой скоростью обтекая берег, встречает на своем пути выступ и создает перед ним подпор воды и повышение уровня. Проходя выступ, водный поток отклоняется от него и по инерции проходит некоторое расстояние. За выступом уровень воды понижен, из-за чего в низовой части суводи вода затягивается из основного потока, а в верхней части, наоборот, — из области суводи в основную струю потока. Этот процесс происходит непрерывно и вызывает вращательное движение воды.При вращении воды в суводи дно оказывает тормозящее действие. Вследствие этого ближе к поверхности суводи скорость вращения воды и центробежные силы увеличиваются. Под воздействием центробежных сил происходит большее отбрасывание воды от оси суводи у поверхности и меньшее — у дна. Снизу вверх вдоль оси суводи образуется восходящий поток, восполняющий отбрасываемую воду. Он размывает дно, захватывает продукты размыва, создавая воронкообразное углубление дна (рис.16). При уменьшении скорости вода плавно обтекает выступ, образуя за ним тиховод.У вогнутых берегов в крутых изгибах русла реки также образуются суводи (рис.17). В отличие от суводей, расположенных за выступами берегов, здесь нисходящие токи воды спускаются в восходящий поток воды в суводи центре суводи ко дну и растекаются в стороны. Этот тип суводи с отчетливо выраженной воронкой на поверхности воды иногда называют омутом. Суводи у вогнутых берегов образуются в тех случаях, когда нарушается плавное обтекание берегов излучины.
Суводи могут существовать постоянно или возникать только в половодье. На больших реках создаются крупные суводи, имеющие сферу действия десятки метров и скорость вращения воды в центральной части — несколько метров в секунду. В некоторых бассейнах суводь имеет свое местное название, например на Енисее — улово, на Иртыше -заводь. Суводи представляют серьезное затруднение для судоходства. Суда в них теряют управление, резко смещаются в сторону берега, при этом нередко рвутся канаты счалов судов и буксирные тросы, ломаются рули и т.п.
Майдан — беспорядочное вращательное движение воды в виде подвижных вихрей размером от нескольких сантиметров до нескольких метров в поперечнике. Майданы образуются над крупными подводными предметами при небольшой глубине над ними (рис.18), во время половодья и паводка в тех местах, где идущий через пойму поток встречается под углом с другим потоком, идущим по меженному руслу, при интенсивных местных переформированиях русла и на перекатах, при резких изменениях формы дна и т.д. Майданы неблагоприятны для судоходства, так как вызывают рыскливость судов.Спорные воды — майданы, образующиеся у устьев притоков и при их слиянии. Чем ближе угол встречи к прямому, тем сильнее развиваются вихри, которые в поперечнике достигают нескольких метров.Прижимное течение создается у берега на участке реки, где слив воды направлен к берегу. Например, на закруглениях русла прижимное течение возникает у вогнутого берега, так как вода вследствие инерции стремится сохранить прежнее прямолинейное направление, но, встречая на своем пути препятствие в виде вогнутого берега, прижимается к нему (рис.19). На участках с прижимным течением происходит раскат судов в сторону берега.Свальное течение — слив воды, направленный под углом к судовому ходу (рис.20). Свальное течение возникает из-за разности в уровнях воды по ширине реки. На перекатах такие течения создаются в результате подпора потока седловиной переката, поэтому они направлены из верхней плесовой лощины в затонную часть нижней плесовой лощины. Смещая суда с оси судового хода, свальные течения могут вызвать навал судов и плотов на отмели, опоры мостов и т.п.
Затяжное течение возникает у входа в протоки (рис.21). Особенно сильны затяжные течения во время половодий, когда расход воды в протоках значительно возрастает. Затяжное течение может вызвать навал судов на остров. На характер течения влияют также мосты, дамбы, плотины, сооружения в русле и др.
Водоворот — постоянное вращательное движение воды в русле. В. нередко создают глубокие ямы (омуты) и являются типичными для горных и полугорных рек.