12.5. Силы, действующие на суда при их шлюзовании

В процессе наполнения (опорожнения) камер шлюзов суда испытывают гидродинамическое воздействие потока, которое изменяется как по величине, так и по направлению. Наибольшие затруднения для стоянки судов создает продольная гидродинамическая сила. Поперечная составляющая силы намного меньше продольной и ее влияние на судно оценивается лишь в исключительных случаях, например, при действии несимметричного потока в некоторых системах питания. В зависимости от направления действия продольную гидродинамическую силу называют прямой, направленной от верхней головы к нижней, или обратной, направленной от нижней головы к верхней.

Гидродинамическое воздействие потока на шлюзуемое судно наиболее сильно проявляется при наполнении камер шлюзов с головной системой питания, а также в простых распределительных системах питания. Это связано с неэффективной работой гасительных устройств, неравномерным распределением расхода по выпускам, большими скоростями течения воды в камере и их распределением по глубине потока.

Величина полной продольной гидродинамической силы может быть представлена в виде суммы составляющих

,

где: P_В – волновая составляющая силы, связанная с пробегом длинных волн в камере шлюза;

P_Т – составляющая силы, обусловленная скоростями течения воды в камере;

P_М – местная составляющая силы, обусловленная неравномерностью распределения скоростей течения потока по глубине.

В системах питания судоходных шлюзов с совершенными гасительными устройствами волновая составляющая силы считается преобладающей по величине.

Продольная гидродинамическая сила, действующая на судно при шлюзовании, передается на канаты, при помощи которых оно учаливается (швартуется) за плавучие рымы или тумбы.

При учалке судов за плавучие рымы продольная сила P и усилие S в канате связаны зависимостью

,

а при учалке за неподвижные тумбы, расположенные на площадке шлюза

,

где:  – угол, составленный канатом с продольной осью шлюза в горизонтальной плоскости;

 – угол наклона каната к вертикали.

Связь гидродинамической силы с усилиями в канатах справедлива только при жесткой швартовке судна, при которой исключаются его продольные перемещения. При наличии таких перемещений произойдет рывок, который может вызвать большие усилия и обрыв канатов. Поэтому, для уменьшения величины усилия в канатах при ручной учалке, их следует натягивать как можно сильнее на кнехтах, ограничивая свободу перемещения судна. При механизированной учалке судов с помощью лебедок рекомендуется принимать величину натяжения канатов равной 10величины допускаемой силыP_H.

Допускаемая (нормативная) величина гидродинамической силы определяется равной

, (12.9)

где: W – водоизмещение одного наибольшего судна в расчетном составе, кН.

Величина гидродинамической силы зависит от многих факторов, связанных с особенностями систем питания и условиями стоянки различных типов судов.

В некоторых сосредоточенных системах питания с забором и выпуском воды не у концов камеры, а в ее середине, например, условия стоянки судов более благоприятные, чем у головных. Распространение длинных волн в таких системах происходит от середины камеры к головам, поэтому уклоны поверхности воды в них, а следовательно, и силы будут несколько меньше. Меньшая величина силы, в особенности волновой ее составляющей, как отмечалось ранее, наблюдается и при шлюзовании судов в камерах шлюзов с распределительными системами питания.

При неравномерном распределении расходов воды по ширине камеры в ней возникают поперечные уклоны водной поверхности, которые обуславливают возникновение поперечных гидродинамических сил.

На величины гидродинамических сил существенное влияние оказывает и род перевозимого в судах груза: твердый, жидкий или перекатывающийся. Установлено, что наличие жидкого груза в отсеках наливного судна, способного свободно перетекать при произвольных наклонениях, приводит к появлению добавочных сил давления на их переборки, увеличивая или уменьшая силу, обусловленную неустановившимися процессами воды в камере шлюза.

Условия стоянки судов в подходных каналах судоходных шлюзов несколько отличаются от условий стоянки судов, определяемых в процессе их шлюзования в камере. Суда, стоящие у причальных стенок подходных каналов, испытывают воздействие неустановившегося потока при сбросе воды в нижний подходной канал в процессе опорожнения камеры или при заборе воды из верхнего подходного канала при наполнении камеры. Величину гидродинамической силы определяют по уклону поверхности воды в канале, который изменяется по времени.

Причиной появления больших усилий в швартовных канатах часто являются колебания уровней воды в каналах. Поскольку учалка судов осуществляется за неподвижные тумбы на причальных стенках, то при понижении уровня воды вследствие, например, появления отрицательной отраженной волны в нижнем подходном канале, может произойти сильное натяжение канатов и даже их обрыв.

Движущиеся по каналу суда также оказывают влияние на условия стоянки судов, ожидающих шлюзования у причальных стенок.

Перечисленные явления, связанные с работой систем питания, и особенности шлюзования различных типов судов необходимо учитывать в процессе эксплуатации судоходных шлюзов с целью обеспечения безопасного пропуска судов и безаварийной работы сооружений. В связи с этим на шлюзах проводятся экспериментальные исследования по совершенствованию систем питания и обоснованию оптимальных режимов наполнения (опорожнения) камер, которые постоянно корректируются с изменением структуры флота.

Обоснование режимов наполнения и опорожнения камер шлюзов с распределительными системами питания должно осуществляться с учетом обеспечения не только безопасных условий стоянки различных групп судов, но и нормативной величины понижения давления за затворами, водопроводных галерей.