2. Определение параметров движения судна по речным участкам
2.1. Общие положения
Одним из важнейших параметров движения судна является его скорость. Движение воды в реках и скорость движения судна тесно взаимосвязаны. Движение воды происходит под действием продольной составляющей силы тяжести. Судно, движущееся по реке, преодолевает сопротивление воды, сила которого зависит от направления движения судна: по течению или против него.
Среднюю скорость течения реки можно вычислить по формуле
|
(4) |
где Q – расход воды, м3/с; |
|
– площадь поперечного сечения русла, м2. |
|
,Расход воды является важнейшим показателем водности реки и показывает количество воды, проходящее через поперечное сечение в единицу времени:
|
(5) |
||
где J |
– |
продольный уклон свободной поверхности воды; |
|
n |
– |
коэффициент шероховатости русла; |
|
В |
– |
ширина поперечного сечения реки по поверхности |
|
|
|
зеркала, м; |
|
Tср |
– |
средняя глубина русла, м. |
|
,Уклон на участке реки равен отношению падения уровня воды h (м) на этом участке к его длине L (м):
|
(6) |
.Падение уровня воды можно вычислить, зная отметки уровней воды на верхнем (Н1) и нижнем (Н2) по течению концах участка:
|
(7) |
Коэффициент шероховатости характеризует шероховатость поверхности русла. Он зависит от формы, размеров зерен материала, слагающего русло реки, наличия в русле растительности, препятствий и других факторов и принимается по [10].
Средняя глубина русла определяется по формуле
|
(8) |
.Скорость судна относительно берега при движении вверх (вниз) по участку зависит от эксплуатационной скорости течения:
|
(9) |
|||
|
(10) |
|||
где |
|
– |
скорость судна соответственно вниз и вверх |
|
|
|
|
по течению, м/с; |
|
|
– |
скорость судна в спокойной воде, м/с; |
||
|
– |
эксплуатационная скорость течения, м/с. |
||
,
,
,
Эксплуатационная
скорость течения
(на
оси судового хода) больше средней
скорости потока по живому сечению
и
в приближенных расчетах ее можно принять
[8].
|
(11) |
.2.2. Состав задания
На участке реки Волга при заданных исходных данных (таблица 6) определить*:
1) скорость судна при движении его вниз по течению из первого пункта во второй и время, за которое судно пройдет участок;
2) скорость судна при движении его вверх по течению из второго пункта в первый и время прохождения участка.
Скорость судна в полном грузу при движении в спокойной воде принять по приложению А.
* П р и м е ч а н и е : в данном задании рассматривается вопрос влияния скорости течения на эксплуатационные показатели движения судна без учета влияния других факторов (глубины на участке, интенсивности судопотока и т.д.)
Т а б л и ц а 5. Исходные данные для выполнения задания
№ вар. |
Гидропосты |
Отметка проектного УВ, м |
Расстояние между постами, км |
Коэффициент шероховатости, n |
Площадь поперечного сечения, м2 |
Ширина русла, м |
Проект судна |
1 |
Городец |
67,8 |
15 |
0.025 |
1661,25 |
1050 |
507А |
Правдинск |
66,8 |
||||||
2 |
Городец |
67,8 |
17 |
0.026 |
1157,5 |
675 |
507Б |
Балахна |
66,6 |
||||||
3 |
Правдинск |
66,8 |
30 |
0.027 |
3672,5 |
875 |
19610 |
Сормово |
64,7 |
||||||
4 |
Балахна |
66,6 |
27 |
0.028 |
3672,5 |
875 |
488/А |
Сормово |
64,7 |
||||||
5 |
Балахна |
66,6 |
33 |
0.029 |
3172,5 |
837 |
2-95 |
Н. Новгород |
64,3 |
||||||
6 |
Сормово |
64,7 |
17 |
0.030 |
3855,5 |
880 |
791 |
Подновье |
63,5 |
||||||
7 |
Н. Новгород |
64,3 |
11 |
0.031 |
2377,5 |
950 |
1557 |
Подновье |
63,5 |
||||||
8 |
Правдинск |
66,8 |
36 |
0.028 |
3672,5 |
875 |
576 |
Н. Новгород |
64,3 |
||||||
9 |
Городец |
67,8 |
54 |
0.029 |
2375,25 |
750 |
11 |
Сормово |
64,7 |
||||||
0 |
Балахна |
66,6 |
44 |
0.030 |
3175,5 |
837 |
Р97 |
Подновье |
63,5 |
2.3. Примерные вопросы для самопроверки
и подготовки к защите работы
Что такое расход воды?
От чего зависит скорость течения реки?
В чем разница при определении скорости судна, движущегося по или против течения реки?
На что влияет коэффициент шероховатости русла и от чего он зависит?
3. Оценка ветро-волнового режима
на водохранилище
3.1. Общие положения
Волны, которые возникают при сильном ветре на поверхности водохранилищ, имеют большую высоту и длину и затрудняют или делают невозможным движение судов. Происходит ухудшение управляемости судов, падение скорости их движения, затруднение производства погрузочно-разгрузочных работ. Поэтому учет параметров ветровых волн является обязательным для обеспечения эффективной и безаварийной работы флота на водохранилищах.
Волнение на водохранилищах затрудняет судоходство, поэтому все внутренние водные пути разделены по условиям ветро-волнового режима на четыре разряда при следующих максимальных параметрах ветровой волны:
«М» – высота волны 3 м и длина 40 м;
«О» – высота волны 2 м и длина 20 м;
«Р» – высота волны 1,2 м и длина 12 м;
«Л» – высота волны 0,6 м.
Судам, удовлетворяющим по своим технических характеристикам требованиям безопасного плавания в тех или иных бассейнах, Российский Речной Регистр присваивает класс М, О, Р, Л.
К классу М относятся суда, которым разрешается плавание в бассейнах разряда «М» и речных бассейнах других разрядов без ограничения по погоде, к классам О, Р и Л – суда, которым по их прочности и навигационному оборудованию разрешается плавание в речных бассейнах разрядов «О», «Р» и «Л». Суда класса О могут эксплуатироваться без ограничений в бассейнах разряда «О», «Р» и «Л», а в бассейны разряда «М» им могут быть разрешены выходы только при долгосрочном благоприятном прогнозе погоды. Это положение действует и относительно судов классов Р и Л применительно к выходу в бассейны разрядов «О» и «Р» 6.
Параметры ветровых волн в общем случае зависят от скорости ветра, длительности его действия, длины разгона волны и глубины водоема.
Глубина оказывает влияние на высоту волн только в мелководных водоемах, поэтому различают волны на глубокой и мелкой воде.
Глубина водоема на размеры волн начинает влиять, когда глубина Тср становится меньше длины волны 0 на глубокой воде. Ученый-гидротехник Н.А. Лабзовский предложил следующие формулы для расчета параметров волн на глубокой воде (когда глубина воды в водоеме равна длине волны или больше ее):
|
(12) |
|
|||
|
(13) |
|
|||
где |
К |
– |
коэффициент, отображающий развитие волнения, то |
||
|
|
|
есть интенсивность нарастания высоты волн вдоль |
||
|
|
|
линии разгона; |
||
W |
– |
расчетное значение скорости ветра, принимается на |
|||
|
|
высоте 10 м над поверхностью воды; |
|||
D |
– |
длина разгона волны, км; |
|||
|
– |
характеристика крутизны волны на глубокой воде. |
|||
,
,Значение К определяется по формуле
|
(14) |
.Некоторые значения e-х приведены в табл. 6.
Т а б л и ц а 6. Некоторые значения е-х при различных х
х |
е-х |
х |
е-х |
х |
е-х |
0,0 |
1,00 |
1,2 |
0,30 |
2,5 |
0,08 |
0,2 |
0,82 |
1,5 |
0,22 |
3,0 |
0,05 |
0,5 |
0,61 |
1,7 |
0,18 |
4,0 |
0,02 |
0,7 |
0,50 |
2,0 |
0,14 |
5,0 |
0,01 |
1,0 |
0,37 |
2,2 |
0,11 |
6,0 |
0,002 |
Значение W определяется по формуле
|
(15) |
|
|||
где |
WД |
– |
средняя скорость ветра при длительном действии, м/с; |
||
WП |
– |
скорость ветра при порывах, м/с. |
|||
,Скорости ветра при длительном действии и при порывах приведены в табл. 7.
Характеристика крутизны волны на глубокой воде определяется из следующего выражения:
|
(16) |
|
|||
где |
е = 2,718 |
– |
основание натурального логарифма. |
||
,
Для перехода от
волн на глубокой воде к волнам на
мелководье
Н.А. Лабзовский предлагает
вычислить отношение средней глубины
по длине разгона к длине волны
и по табл. 8 брать значения коэффициентов
и ,
а затем вычислять высоту и длину волны
на мелководье по формулам
|
(17) |
и
.Следует отметить, что высота волны, вычисленная по формулам Лабзовского, имеет обеспеченность близкую к 5%.
Для расчета волнения обеспеченностью 3%, обычно принятой в отечественных прогнозах, используют переходный коэффициент
|
(18) |
.
Т а б л и ц а 7. Скорость ветра при длительном действии и порывах
Характеристика ветра |
Сила ветра в баллах по шкале Бофорта |
Скорость ветра, м/с |
|
при длительном действии |
при порывах |
||
Штиль |
0 |
0–1 |
– |
Тихий |
1 |
1–2 |
3,3 |
Легкий |
2 |
2–4 |
6,6 |
Слабый |
3 |
4–6 |
10,0 |
Умеренный |
4 |
6–8 |
13,9 |
Свежий |
5 |
8–11 |
18,1 |
Сильный |
6 |
11–14 |
22,5 |
Крепкий |
7 |
14–17 |
27,2 |
Очень крепкий |
8 |
17–21 |
32,0 |
Шторм |
9 |
21–25 |
37,2 |
Сильный шторм |
10 |
25–29 |
42,6 |
Жестокий шторм |
11 |
29–34 |
48,1 |
Ураган |
12 |
Более 34 |
51,2 |
Т а б л и ц а 8. Значение коэффициентов и
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,01 |
0,119 |
0,251 |
0,14 |
0,540 |
0,635 |
0,45 |
0,850 |
0,854 |
0,02 |
0,161 |
0,306 |
0,16 |
0,582 |
0,662 |
0,50 |
0,866 |
0,871 |
0,03 |
0,200 |
0,352 |
0,18 |
0,617 |
0,685 |
0,55 |
0,890 |
0,890 |
0,04 |
0,238 |
0,394 |
0,20 |
0,652 |
0,703 |
0,60 |
0,904 |
0,904 |
0,05 |
0,275 |
0,428 |
0,22 |
0,679 |
0,720 |
0,65 |
0,918 |
0,918 |
0,06 |
0,310 |
0,462 |
0,24 |
0,703 |
0,736 |
0,70 |
0,930 |
0,930 |
0,07 |
0,343 |
0,493 |
0,26 |
0,724 |
0,753 |
0,75 |
0,942 |
0,942 |
0,08 |
0,378 |
0,519 |
0,28 |
0,740 |
0,767 |
0,80 |
0,956 |
0,956 |
0,09 |
0,406 |
0,542 |
0,30 |
0,785 |
0,780 |
0,85 |
0,967 |
0,967 |
0,10 |
0,435 |
0,564 |
0,35 |
0,796 |
0,810 |
0,90 |
0,980 |
0,980 |
0,12 |
0,485 |
0,596 |
0,40 |
0,823 |
0,832 |
0,95 |
0,990 |
0,990 |
|
|
|
|
|
|
1,00 |
1,00 |
1,00 |
