§ 12. Подходные каналы к шлюзам

Для подхода судов к шлюзу со стороны верхнего и нижнего бье­фов делаются подходные каналы. Обычно канал верхнего бьефа корот­кий, так как создан дамбами, расположенными на акватории аванпор­та шлюза. Каналы нижнего бьефа имеют значительное протяжение:

от 1,5 до 6,0—8,0 км при ширине по урезу 70—200 м.

Раздельные (межшлюзовые) бьефы имеют длину от 1,5 до 4 км, причем ширина их, определяясь топографическими условиями, до­стигает местами значительной величины.

Сведения о подходных каналах некоторых гидроузлов приведены в табл. 12.

Для швартовки судов и плотов, ожидающих шлюзования, в под­ходных каналах возводятся причальные сооружения.

При опорожнении камеры шлюза в низовом подходном канале воз­никает волна попуска. Подойдя к устью канала и отразившись от русла реки, она трансформируется в обратную волну, которая, достиг­нув шлюза, отражается от его ворот и превращается снова в волну,

Таблица 12

Гидроузел, канал	Длина, м	Ширина канала		Глубина, м
		по дну	по урезу
Волгоградский Воткинский	4600 4300	130 150	190 250	4,95 3,5
Саратовскии	4300	152 \.\J£i	177	5,7
Нижне-Камский	2100	190	220	4,8

Идущую к устью. Таким образом, Происходит несколько отражений, с каждым из которых высота волны и скорость ее перемещений убывают.

В длинных каналах первая отраженная волна приходит к шлюзу после его опорожнения. Например, у нижних голов судоходных шлюзов Волжской гидроэлектростанции имени В. И. Ленина при опорож­нении камеры уровень повышается на 25—40 см и понижается при возвращении отраженной волны на 15—20 см; общая амплитуда коле­бания составляет 40—60 см. В нижнем канале Горьковского гидроузла при одновременном опорожнении обеих камер нижних шлюзов амплитуда колебания достигает 90 см.

Большие колебания уровней воды наблюдаются в межшлюзовых бьефах между шлюзами. Например, в канале длиной 1700 м между шлюзами Цимлянского гидроузла амплитуда колебаний достигает 50 см.

В межшлюзовых бьефах, имеющих большую ширину, например, на Горьковском гидроузле, волновые колебания не превышают 15 см. При малом запасе глубины на пороге (например, у Цимлянского шлю­за) в результате волновых колебаний судно может удариться о голову шлюза.

На ряде шлюзов предусматриваются специальные устройства для уменьшения расходов воды, поступающих в нижний шлюзовой канал. Так, на Угличском и Рыбинском шлюзах весь расход воды из камеры сбрасывается специальными водосбросами в русло реки, в результате в нижних каналах волновых колебаний почти нет. На Волгоградском шлюзе около половины воды отводится в р. Ахтубу, поэтому высота волн в канале значительно снижается. На Боткинском (Чайковском) шлюзе создано перепускное устройство, которое вдвое снижает рас­ходы воды, поступающей из опорожняющейся камеры.

Однако применение перепуска воды возможно лишь в 30—50% от числа шлюзовании, так как часто обе камеры бывают наполненными, а ожидание опорожнения соседней камеры приводит к задержке шлю­зования и снижению пропускной способности шлюза.

Таким образом, гидрологический режим нижних шлюзовых каналов и раздельных бьефов определяется во многом величиной максималь­ного расхода и объема воды при опорожнении шлюза, а также разме­рами каналов.

Высота волны, м, образующейся в нижнем канале гидроузла, мо­жет быть определена по формуле

где Q — максимальный расход воды при опорожнении или наполнении камеры, мУс;

В — ширина канала по урезу воды, м;

Св — скорость распространения волн, м/с, определяемая по формуле Ла-гранжа,

здесь Нср — средняя глубина воды в канале, м).

Период волновых колебаний в канале длиной L рассчитывают по

формуле

Уменьшение высоты волны в канале, м, определяется по урав­нению

где h — высота волны в начальном сечении, м;

φ — числовой коэффициент, равный 3,5 (по исследованиям И. H. Дымента и Л. С. Кускова);

с — коэффициент Шези;

R — гидравлический радиус. Отражаясь от русла реки, волна уменьшается до величины

h₀=εh , (21)

отсюда

ε= h₀/h (22)

Величина коэффициента отражения s равна 0,30—0,42.

Данные об отражении от русла реки волн, образующихся в ниж­них шлюзовых каналах, приведены в табл. 13.

В нижних шлюзовых каналах общая амплитуда колебаний уровня воды равна сумме высот положительной и отрицательной волн. Величина амплитуды у нижних ворот шлюза наибольшая, а по мере удале­ния от ворот она уменьшается. Волновые колебания в канале после нескольких отражений от русла постепенно исчезают.

Величина амплитуды колебаний, м, в нижних подходных каналах у ворот шлюзов некоторых гидроузлов, обычно наблюдаемая и наи­большая:

Горьковский гидроузел ...... 0,50 и 0,88

Куйбышевский » ...... 0,36 и 0,50

Цимлянский » ...... 0,50 и 1,00

Боткинский » ...... 0,75 и 1,40

Волгоградский » ...... 0,45 и 0,85

В межшлюзовых бьефах могут наблюдаться еще более значитель­ные амплитуды колебаний.

Таблица 13

	Максималь­	Высота поло­	Высота отрица­	S=h0/h
Гидроузел	ный расход	жительной волны	тельной волны
	воды Q, m3/c	у шлюза h, м	у реки h0 м
Цимлянский Горьковский Куйбышевский Волгоградский Боткинский	200 420 520 320	0,45 0,27 0,40 0,50 0,65	0,165 0,11 0,14 0,18	0,37 0,42 0,35 0,37 0,33

Положительные и отрицательные колебания располагаются пример­но симметрично от условного среднего уровня воды. Однако на неко­торых нижних шлюзовых каналах встречаются более значительные про­валы уровней воды, составляющей 55—60% амплитуды.

Амплитуда колебаний уровней воды в канале зависит от многих Причин: максимального расхода воды при шлюзовании, ширины и глубины канала, формы гидрографа опорожнения камеры, очеред­ности шлюзовании и др.

При ориентировочных расчетах величину амплитуды в относитель­но длинных каналах можно определить по формуле

где В — ширина канала по урезу.

Уровни воды в нижнем подходном канале шлюза, помимо колебаний от шлюзования, в значительной степени зависят от уровней воды в ре­ке у устья канала, определяемых попусками через ГЭС. В меженный период при суточном регулировании мощности ГЭС перепад между от­метками в нижнем бьефе ГЭС и шлюзе не постоянен. Так, на Боткинском гидроузле уровни воды в нижнем бьефе ГЭС обычно превышают уров­ни воды в устье канала на 0,1—0,2 м, но на спаде нагрузки ГЭС бывают близки к ним. При подходе отрицательной волны к шлюзу на нижнем Боткинском и других каналах наблюдаются обратные уклоны с пони­жением отметок относительно уровня в устье канала до 40 см и более.

Для снижения амплитуды колебаний уровней воды в нижних шлюзовых каналах и уменьшения просадки уровней воды на пороге шлюзов принимают различные меры. Так, на Боткинском гидроузле разработан порядок опорожнения камер шлюза на спаде отрицатель­ной волны, позволяющей уменьшить амплитуду колебаний уровней воды в нижнем бьефе и тем самым несколько увеличить глубину на нижнем пороге шлюза. Для улучшения судоходных условий на Цим­лянском, Куйбышевском и других гидроузлах применяют различные автоматические устройства, облегчающие выбор оптимального момента для пропуска, судов через нижние пороги шлюзов и раздельные бьефы.

Течения*"водь1 в нижних шлюзовых каналах создаются из-за опо­рожнения камеры шлюза. Эти течения бывают прямые по всему кана­лу и обратные, возникающие преимущественно у выхода канала в реку, которые затухают при распространении их вверх по каналу. Так, на нижнем Боткинском канале величина прямых поверхностных скоростей на расстоянии 3,5 км от шлюза достигает Т- 0,9 м/с и об­ратных —0,6 м/с. Более значительные скорости создаются в нижних каналах: Горьковского шлюза — до 1 м/с. Цимлянского — до 1,25 м/с и Волгоградского — до 1,5 м/с (при опорожнении двух камер и рас­ходе 520 м³/с). В нижнем подходном канале Куйбышевского шлюза скорости течения из-за расширенного профиля сравнительно неболь­шие и при опорожнении шлюза с наибольшим расходом воды 540 м³/с составляют 0,4 м/с.

Отстаивающиеся в нижних подходных каналах суда испытывают большие нагрузки в швартовных тросах. В первой половине периода

опорожнения камеры суда испытывают прямые давления по направле­нию течения. Во второй половине периода, когда уменьшаются расхо­ды воды и образуются обратные уклоны водной поверхности, суда ис­пытывают обратные давления, которые могут быть значительно боль­ше прямых (иногда в два раза). После окончания опорожнения шлюза судно продолжает смещаться в прямом и обратном направлениях.

Обычно ось судового хода на выходе канала в реку сопрягается с направлением течения реки под углом, не превышающим 25°. При этом плечо берега и голова стрелки закругляются, что удобно для входа и выхода судов. При повышении уровней, вызываемых попусками че­рез плотину гидростанции, вода реки огибает стрелку, круто повора­чивает и заходит в канал. В связи с этим в районе стрелки иногда возникает суводь и свальное течение.

В нижних каналах в первые годы эксплуатации шлюза интенсив­но оседают наносы, затем объем их на входном участке уменьшается. Некоторое количество наносов с отраженной волной распространяет­ся по каналу до самого шлюза.

В половодье через турбины ГЭС и водосливную часть плотины сбра­сывается большое количество воды, и при выходе канала в русло на­блюдается большая скорость течения., Продольная скорость течения достигает 2 м/с и более, а поперечная составляющая этой скорости — 0,3 м/с и больше.

Поперечные течения, направленные к берегу, усложняют вход су­дов в канал и выход из него. У выхода канала в реку и в непосредст­венной близости от плотины создается сильное неупорядоченное вол­нение, которое вызывает рыскливость и качку судов. Например, у Волжской ГЭС имени В. И. Ленина при сбросе воды через плотину, равном 30 тыс. m /c, на расстоянии 1—1,5 км от плотины высота волны бывает до 1 м.

Потоки воды, создающиеся при выходе судна из камеры шлюза, воздействуют на суда, входящие во вторую камеру или стоящие у при­чала в ожидании шлюзования. При этом, если расстояние между шлю­зами небольшое, у судов возникает сила «присасывания» (например, на нижних шлюзах Горьковской ГЭС, расстояние между которыми равно 26 м).

Выходя из камеры шлюза, судно обычно развивает относительно большой ход. Перед судном образуются волны и повышается уровень, а у берегов — понижается. Одновременно создается течение, направ­ленное в сторону, противоположную движению судна. Скорость пото­ка в воротах шлюза при прохождении судна определяется по формуле

где Vc — скорость судна;

Q — площадь живого сечения в створе ворот;

% — площадь погруженного миделя судна.

Из формулы (24) видно, что чем выше скорость и больше попереч­ные размеры судна, тем больше скорость потока, направленного в камеру. При небольшом расстоянии между камерами течение, создаваемое движением судна, распространяется по всей ширине подходного канала. Пренебрежение этим течением приводит к навалам и ударам судов об откос и причалы.

Движущееся судно оказывает влияние и на суда, стоящие у при­чала на подходе к шлюзу. Смещение судна вызывает большие нагрузки на швартовы. Заходить в шлюз и выходить из него необходимо пони­зив скорость настолько, чтобы судно сохранило управляемость.