Конструкция судоходного шлюза

На внутренних водных путях РФ наиболее широкое рас­пространение получил однокамерный шлюз со стенкой падения (рис.99).

В головах шлюза размещены оборудование, механизмы, во­допроводные системы, пульты управления.

О

Рис. 99 Конструктивная схема од­нокамерного шлюза со стенкой па­дения.

а - продольный разрез; б - план

т верхнего бьефа камера шлюза отделена воротами (1), наи­более часто имеющими вид плоского металлического щита. Дли­на щита несколько превышает ширину камеры шлюза, а высо­та - глубину на пороге верхней головы. Перед этими рабочими воротами на верхней голове имеются аварийные ворота (2), кото­рые обычно также являются плоским подъемно-опускным ме­таллическим щитом.

У шлюза подобного типа рабочие ворота одновременно вы­полняют функцию гидравлического затвора. Для наполнения шлюза рабочие ворота медленно поднимают на высоту 1,5 - 2,5 м. Через образовавшуюся под воротами щель вода устремляется из верхнего бьефа в камеру шлюза. Эта падающая с большой вы­соты мощная струя в камере шлюза может вызвать сильные ко­лебания воды. Чтобы ослабить неблагоприятное воздействие по­тока на суда в камере шлюза, вода из-под ворот направляется в специальное пространство, отделенное железобе­тонным экраном (4) и называемое камерой гашения энергии пото­ка (3). Из камеры гашения в камеру шлюза вода поступает через щели между железобетонными балками. Этот балочный гаситель (5) способствует упорядочению течения воды - выравниванию ско­ростей течения по ширине и глубине камеры шлюза.

На примыкающем к балочному гасителю участке камеры шлюза движение потока остается еще весьма бурным. В грани­цах этого участка, называемого успокоительным (6), размещение шлюзуемых судов не допускается.

От нижнего бьефа камера шлюза обычно отделяется дву­створчатыми воротами (7). В закрытом состоянии створки ворот образуют трехшарнирную конструкцию, передающую давление воды на боковые устои нижней головы. Угол между створкой и нормалью к оси шлюза (6) обычно равен 18-22°. При опорожнен­ной камере шлюза, для пропуска судна, ворота открываются. В открытом положении створки ворот размещаются в шкафных ни­шах (8). Глубина шкафной ниши обычно на 5-10% больше тол­щины створки и с полезной шириной камеры шлюза.

Пространство в зоне движения створок (для открывания и закрывания ворот) называется шкафной частью шлюза (9). Размещаемые в камере шлюза суда носовыми или кормовыми частями корпуса не должны попадать в границы шкафной части.

Сброс воды из шлюза при его опорожнении осуществляется через две короткие водопроводные галереи нижней головы (10). Высота и ширина галерей определяются с помощью гид­равлических расчетов. Водопроводные галереи перекрыты гид­равлическими затворами (11), в качестве их широко применяются плоские подъемно-опускные металлические щиты. Высотой и скоростью их подъема регулируется расход воды через га­лереи.

Для ремонта шлюза и оборудования от нижнего бьефа каме­ра может быть отделена ремонтными воротами (12). Ремонтные ворота рассчитываются на напор воды, равный глубине на поро­ге нижней головы, и благодаря этому имеют небольшую высоту.

Камеры большинства судоходных шлюзов имеют сплошное днище и стены с вертикальной лицевой поверхностью, выполнен­ные из железобетона. К нижней части стены за счет наклона тыловой поверхности несколько утолщаются.

Размеры камеры шлюза, а значит и самого шлюза, влияют как на капиталовложения в его строительство, так и на затраты по перевозке грузов. Шлюз с небольшими габаритами камеры требует меньших затрат на строительство. В этом случае пере­возка грузов может осуществляться в судах малой грузоподъем­ности. Использование же небольших судов требует более частых шлюзований, эксплуатационные расходы по флоту и шлюзу ока­зываются значительными. Пропускная способность таких шлю­зов невелика.

Шлюз с увеличенными габаритами камеры имеет высокую строительную стоимость, но при этом снижаются эксплуатацион­ные расходы.

В связи с изложенным размеры камеры шлюза определяются с помощью вариантных технико-экономических расчетов. В ка­честве исходных в створе проектируемого гидроузла принима­ются перспективные типы судов и грузооборот. В конечном итоге установленные расчетным путем габариты камеры шлюза округляются до типовых. В границах определен­ного участка водного пути габариты камер стараются выдержать одинаковыми.

Расчетный грузооборот устанавливается на основе изучения грузопотоков, тяготеющих к водному транспорту.

От этого условия иногда отступают по экономическим сообра­жениям. Например, при нарастании грузооборота вниз по реке размеры камер в плане (в основном - длину) также, постепенно увеличивают. Ширина и глубина камер сохраняются постоянны­ми. Подобный подход к установлению габаритов шлюзов прием­лем для обособленных речных бассейнов.

При соединении речных систем шлюзованными каналами раз­личие габаритов шлюзов в составе отдельных гидроузлов создает некоторые трудности в организации транзитного межбассейнового судоходства.

Габариты судоходного шлюза характеризуются полезными длиной и шириной камеры шлюза и ее глубиной.

Полезная длина камеры шлюза ограничивается успокоитель­ным участком и шкафной частью нижней головы шлюза.

П

Рис.100 Однокамерный шлюз

ри спокойной подаче воды в камеру ее полезная длина может начинаться непосредственно у выступающих конструкций стенки падения. По конструктивным соображениям глубины на порогах верх­ней и нижней голов иногда бывают меньше, чем глубина в пре­делах камеры шлюза.

При расчете глубины должно учитываться приращение осадки судна при движении. Глубина на пороге верхней головы шлюза отсчитывается от уровня навигационной сработки водохранили­ща, на пороге нижней головы шлюза - от наинизшего уровня нижнего бьефа (проектного).

Приведенные соотношения между габаритами камеры шлюза и судна (состава) используются при проектировании шлюзов.

На магистральных внутренних водных путях РФ полезная длина камер шлюзов унифицирована и колеблется от 100 до 300 м, полезная ширина - от 15 до 30 м. Наиболее распространенным типом шлюза является однокамерный. Разъ­ездные бьефы между шлюзами несколько ограничивают ско­рость движения судов и применяются редко. На верхних головах шлюзов преобладают подъемно-опускные ворота, на нижних - двустворчатые.

Рис. 101 Схематический план однокамерного шлюза с ограничительными створами.

а — при двустороннем движении судов; б — при одностороннем движения

Под процессом шлюзования понимается порядок пропуска судов через шлюз. Процесс шлюзования слагается из операций, выполняемых шлюзом и судном. Для достижения наибольшей про­пускной способности, шлюза и обеспечения безопасности шлюзо­вания судна все операции выполняются в строгой последова­тельности. Работой шлюза руководит начальник вахты. Управле­ние судном, в строгом соответствии с указаниями начальника вахты шлюза, Правилами плавания и другими инструктивными документами, осуществляет капитан или его помощник.

Различают два режима пропуска судов через шлюз - при двустороннем и одностороннем движении. Двустороннее движе­ние заключается в поочередной смене направления пропуска су­дов: из верхнего бьефа в нижний, затем из нижнего - в верх­ний, снова из верхнего - в нижний и т.д. Одностороннее движе­ние сводится к последовательному пропуску группы судов в одном, направлении, например из верхнего бьефа в ниж­ний.

Пропуск через шлюз судна, состава или группы судов счита­ется одним шлюзованием.

Наряду с другими операциями в общую продолжительность шлюзования судна включается время на его вход в камеру и выход из нее. Поэтому время шлюзования зависит от длины пути входа и выхода судна. Длина этих участков устанавливает­ся в зависимости от требований безопасной стоянки судна вблизи шлюза и расхождения судов на подходах к шлюзу.

С целью упорядочения процесса шлюзования и четкого раз­деления операций на подходах и в самом шлюзе выделен ряд контрольных створов, каждый из них является определенным пунктом, по достижении (или прохождении) которого судном шлюз начинает выполнять очередную операцию.

При одностороннем шлюзовании отсутствует необходимость расхождения судов на подходах к шлюзу. Благодаря этому ожи­дающее шлюзования судно может быть несколько приближено к шлюзу. Приближение ограничено условием без­опасного отстоя судна, так как при заборе воды для наполнения камеры или сбросе воды при ее опорожнении вблизи шлюза возникают сильные течения и резкие колебания уровня воды.

При пропуске судна из верхнего в нижний бьеф началом вхо­да (и началом шлюзования) считается момент пересечения суд­ном створа. Концом входа считается момент пересечения кормой судна створа, с этого момента возможно закрытие верхних ворот.

Концом выхода судна из камеры является пересечение им створа. С закрытием нижних ворот завершается время од­ного шлюзования и шлюз готовится к пропуску следующего суд­на из верхнего в нижний бьеф.

С помощью маневрирования гидравлическими затворами иног­да на практике достигают некоторого сокращения времени на­полнения (опорожнения) шлюза с сохранением гидравлического режима, безопасного для шлюзуемого судна.

Расстояние от ожидающего шлюзования судна до шлюза ус­танавливается расчетным путем, а скорость движения судна рег­ламентируется местными правилами плавания или другими нор­мативами. Продолжительность входа или выхода судна (состава) иногда достигает 15-20 мин.

В действительности бывают случаи «разрыва» цепочки операций, задержки с выполнением очередной операции и удли­нения общего времени шлюзования. Вахтенные начальники шлю­за и судна обязаны принимать все меры для исключения про­стоев шлюза и судов. Наряду с этим за счет совершенствования управления судном необходимо искать пути снижения пока еще значительных затрат времени на ввод и вывод судна из шлюза.

Для повышения пропускной способности шлюза (если позво­ляет площадь камеры) прибегают к размещению в камере не­скольких судов. При этом общее время на вход всех судов в ка­меру и выход из нее увеличивается. Однако выигрыш во времени для всей группы судов и экономия сливных призм свидетельст­вуют о рациональности одновременного шлюзования нескольких судов.

При проектировании гидроузла число ниток и камер будущего шлюза обосновывается расчетом его пропускной способности. В процессе эксплуатации шлюза при прогнозировании развития грузоперевозок так же периодически необходима количественная оценка пропускной способности шлюза.

Различают судопропускную и грузопропускную способности шлюза.

Судопропускная способность шлюза характеризуется числом судов и составов, которые может пропустить шлюз за конкрет­ный промежуток времени — сутки, месяц, навигацию. Грузопропускная способность шлюза определяется количеством груза в тоннах, которое способен пропустить шлюз за тот же промежу­ток времени.

Пропускная способность шлюза зависит от ритмичности под­хода судов со стороны верхнего и нижнего бьефов, полноты за­грузки камеры шлюзующимися судами, соблюдения оптимальной последовательности в выполнении операций, экономии времени при выполнении этих операций, загрузки судов и др. Поэтому пропускную способность шлюза подразделяют на техническую и эксплуатационную. В свою очередь техническая и эксплуатаци­онная пропускные способности включают в себя понятия судопропускной и грузопропускной способностей.

Техническая пропускная способность является практически предельной пропускной способностью шлюза при оптимальном режиме работы как самого шлюза, так и флота. Она определяет­ся исходя из круглосуточной работы шлюза, равномерного под­хода судов по времени и направлениям, максимально возмож­ного использования полезной площади камеры, полного исполь­зования грузоподъемности судов.

П

Рис. 102 Двухкамерный шлюз

ри приближенных вычислениях среднее время одного шлю­зования принимается осредненным для шлюзуемых судов различ­ных типов с допущением одинаковой продолжительности двусто­роннего и одностороннего шлюзования.

Эксплуатационная пропускная способность шлюза зависит от количества пропущенных судов или груза с учетом неравномер­ного подхода судов к шлюзу, их неполной загрузки (или под­хода порожнем), неполного использования полезной площади ка­меры, некруглосуточной работы шлюза.

Одним из показателей загрузки шлюза является коэффициент запаса пропускной способности, равный отношению времени пол­ных суток (24 ч) ко времени загрузки шлюза в наибо­лее напряженный период навигации. При значительном коэффи­циенте запаса, обычно наблюдаемом в первые годы после ввода шлюза в эксплуатацию, его резерв пропускной способности позво­ляет пропускать суда без задержки. По мере увеличения грузооборота коэффициент запаса уменьшается, простои флота на подходах к шлюзу начинают расти. Для их снижения необходи­мо регулирование подхода судов, лучшее заполнение камеры су­дами и пр.

При определенной интенсивности судоходства простои судов в ожидании шлюзования могут столь возрасти, что окажется це­лесообразным строительство еще одной параллельной камеры шлюза. Например, однониточный трехкамерный шлюз Днепрогэса не обеспечивал пропуск современного грузооборота, ограничивал прохождение крупных судов. Для повышения пропускной способ­ности этого гидроузла осуществлено строительство параллельной камеры шлюза.

Системы питания судоходных шлюзов

Совокупность водопроводных устройств, обеспечивающих на­полнение и опорожнение шлюза, называется системой питания шлюза. Помимо подачи воды, система питания может осущест­влять регулирование расхода подаваемой или сбрасываемой воды.К системе питания шлюза предъявляются два основных, но противоречивых требования.

Система питания должна обеспечивать возможность быстрого наполнения или опорожнения камеры. Время наполнения - опорожнения не должно быть больше времени, принятого при расчете пропускной способности шлюза.

В то же время система питания должна обеспечивать без­опасные условия для отстоя шлюзуемого судна в камере. Гидравлический режим на подходах к шлюзу не должен затруднять маневрирование судов, ожидающих шлюзования.

Необходимость введения этого второго «ограничивающего» условия, связанного с обеспечением безопасности шлюзования судов, объясняется следующим.

Д ля наполнения камеры шлюза с помощью водопроводной системы в нее подается вода в объеме сливной призмы. Сливная призма некоторых шлюзов на Волге достигает 150 - 160 тыс. м³. При равномерной, в течение 7 - 8 мин, подаче воды ее средний рас­ход превышал бы 300 м³/с. В реальных условиях неравномерного во времени наполнения камеры максимальный расход воды до­стигает 600 м³/с. Этот большой переменный расход в камере шлюза вызывает колебания масс воды и продольные течения, которые воздействуют на ошвартованное в шлюзе судно. В ре­зультате воздействия гидродинамических сил швартовные уст­ройства судна и шлюза испытывают значительные нагрузки.

­ Рис. 103 Схемы питания шлюза водой

а—сосредоточенная; б, в — распределительная;

1 — короткие водопроводные галереи; 2— затворы галерей; 3 — длинные продольные галереи в стенах шлюза; 4 — боковые выпуски галерей; 5 — длинные продольные галереи в днище шлюза; 6 — донные выпуски

Допускаемые для данного типа судна гидродинамические силы и являются одним из критериев, влияющих на выбор системы пи­тания, ее конструкции, режима наполнения камеры.

При наполнении и особенно при опорожнении камеры в ка­нале на подходах к шлюзу появляется течение воды. Скорость этого течения не должна превышать величину, которая может препятствовать управлению составом. Из практики судовожде­ния известно, что для сохранения управляемости судна необхо­димо, чтобы его скорость движения не менее чем на 0,4 - 0,5 м/с превышала скорость встречного течения воды. На подходах к шлюзу суда обычно имеют скорость хода около 4 - 5 км/ч (1,1 - 1,4 м/с). Отсюда следует, что скорость течения воды в канале не должна быть более 0,9 - 1,0 м/с.

Таким образом, на выбор системы питания и режима напол­нения (опорожнения) камеры влияют не только пропускная спо­собность и гидравлические условия в камере, но и режим тече­ний на подходах к шлюзу.

Различают две основные системы питания шлюзов - сосре­доточенную (головную) и распределительную.

При сосредоточенной системе питания подача воды в камеру и сброс воды из камеры осуществляются соответственно в верх­ней и нижней головах шлюза (рис.103 а).

При распределительной системе питания вода в камеру и сброс воды из камеры происходят с помощью нескольких длин­ных продольных галерей, расположенных в днище или нижних частях стен шлюза. Эти галереи с камерой шлюза соединены множеством выпусков - отверстий (рис.103 б,в). Вода через выпуски подается в камеру относительно равномерно по всей ее длине.

Сосредоточенная и распределительная системы на многих эксплуатируемых шлюзах часто различаются по своим конструк­циям. Выбор определенной конструкции сосредоточенной или распределительной системы питания зависит от местных усло­вий, уровня развития строительной индустрии в период строи­тельства шлюза, принятого порядка временного пропуска судов при уже перекрытом русле реки и частично наполненном водо­хранилище. С развитием науки и техники на строящихся новых шлюзах применяются гидравлические затворы оригинальных конструкций, модернизируются средства гашения энергии пото­ка. Всем этим и объясняется многообразие конструкций шлю­зов. Сосредоточенная система питания в основном имеет три кон­структивных решения.