Тема 3. Системы питания камер шлюзов. Сосредоточенные и распределительные системы питания (простые, сложные и эквиинерциальные), комбинированные системы питания.

Системы питания судоходных шлюзов предназначены для наполнения или опорожнения камер при шлюзовании в них различных групп судов и по общепринятой классификации они подразделяются:

• по способу подачи воды в камеру и выпуска из нее – на сосредоточенные и распределительные;
• по способу забора воды из верхнего бьефа и выпуска ее в нижний – на системы с забором и выпуском воды в подходных каналах шлюза и системы с боковым забором и выпуском воды вне подходных каналов;

В сосредоточенных системах питания впуск воды в камеру и выпуск из нее производится в одном месте по длине камеры, чаще всего у верхней и нижней голов шлюза. В последнем случае такую систему питания называют головной.

Головные системы питания шлюзов условно разделены на две основные группы: безгалерейные и системы питания с короткими обходными галереями. В безгалерейных системах питания наполнение и опорожнение камер может производиться через отверстия в воротах (клинкеты) или из-под ворот различной конструкции (плоских подъемных или опускных, сегментных, секторных, поворотных и т.п.). В системах питания с короткими обходными галереями наполнение или опорожнение камер может производиться через водоводы, располагаемые в днищах или стенах голов шлюза.

Безгалерейные системы наполнения (опорожнения) камер через отверстия в воротах (клинкеты) применялись, в основном, на шлюзах малого напора (до 5 м) и в гидравлическом отношении являлись несовершенными из-за отсутствия эффективных гасительных устройств. При наполнении камер посредством таких систем суда испытывают гидродинамическое воздействие поступающего потока воды. Одними из последних шлюзов данного типа в России являются шестикамерные двухниточные Пермские шлюзы с полезными размерами камер 240´30 м и напором на камеру около 3,3 м. Отверстия в откатных воротах этих шлюзов перекрываются с помощью сегментных затворов, а гасительные устройства отсутствуют.

Клинкетное наполнение (опорожнение) используется и на шлюзах Европы, но для более эффективного гашения поступающего в камеру потока перед водопроводными отверстиями в воротах устраивались экранные гасители в виде балок большого сечения. Эксплуатируемый шлюз с клинкетным наполнением, представленный на рис. 12.6, а рассчитан на напор 9 м. Он имеет 3 балки для гашения потока; длина камеры – 220 м.

Рис. 12.6. Схемы систем питания судоходных шлюзов:

а – система наполнения камеры через клинкеты; б – система питания камеры через отверстие под воротами; 1 – откатные ворота; 2 – плоский затвор; 3 – полноповоротный сегментный затвор

При реконструкции Москворецко-Окской системы на отдельных шлюзах вместо клинкетного впервые использовано наполнение камер через отверстие под воротами. В качестве ворот применены сегментные уравновешенные затворы полноповоротного исполнения, обладающие хорошими эксплуатационными показателями (рис. 12.6, б). Гашение скорости потока, направляемого из-под щели под воротами, осуществляется в колодце, устройство которого конструктивно необходимо для размещения затвора.

Наиболее широкое применение при строительстве шлюзов среднего и даже большого напоров с большими размерами камер получили безгалерейные системы наполнения из-под подъемно-опускных ворот со стенками падения, относящиеся к полузатопленным системам питания (шлюзы ВДСК, Волго-Балта и др.). Особенностью этих систем является наличие элементов, предназначенных для гашения энергии потока и равномерного распределения скоростей по глубине при поступлении его в камеру шлюза. Головы таких систем питания отличаются простотой конструкции и компактным расположением. Наиболее совершенной в гидравлическом отношении считается система наполнения камеры второй нитки шлюза Шекснинского гидроузла.

Системы наполнения камер через короткие обходные галереи, наиболее распространенные для низконапорных шлюзов, пока не нашли широкого применения при строительстве шлюзов среднего напора из-за недостаточно эффективного гашения скорости потока. В этих системах наполнения гашение скорости потока может производиться в пределах верхней головы или за ее пределами.

В системе питания, представленной на рис. 12.7, а (шлюзы ББК), наполнение камеры производится с использованием цилиндрических затворов по галереям круглого сечения, выходные отверстия которых расположены в устоях головы симметрично друг другу. Гашение энергии осуществляется путем встречи двух потоков в камере под порогом, кроме того, этому способствует уширение камеры на выходе потока, наличие раздельных бычков и балки – выступа в камере шлюза, отклоняющего поток вверх. Элементы, предназначенные для равномерного распределения скорости потока по глубине воды в камере, отсутствуют.

Гашение скорости в системах с галереями, выходящими в камеру шлюза за пределами верхней головы (рис. 12.7, б) производится только пу

Рис. 12.7. Схемы наполнения камер через короткие обходные галереи:

а – система наполнения камеры шлюза №6 ББК; б – система наполнения камеры Федоровского шлюза; 1 – двустворчатые ворота; 2 – цилиндрический затвор; 3 – выходные отверстия галереи круглого сечения; 4 – то же, квадратного сечения; 5 – камера гашения под порогом; 6 – балки горизонтальной распределительной решетки

тем соударения встречных потоков. В таких системах выход потока может осуществляться через одно или несколько отверстий. Самыми крупными шлюзами по напору с системами наполнения данного типа, построенными после 50-х г., являются шлюз № 14 Цимлянского гидроузла с напором около 10,0 м и шлюз Федоровского гидроузла на р. Кубань с напором 6,0 м.

Системы питания с короткими обходными галереями широко используются для опорожнения камер судоходных шлюзов. Нижняя голова шлюза с головной системой питания предусматривает опорожнение камеры через обходные галереи посредством затворов, которые поднимаются на заданную высоту для пропуска воды из камеры в подходной канал.

Гашение энергии потока на выходе в подходной канал может обеспечиваться путем соударения встречных потоков или посредством раздельного устоя, расположенного по оси шлюза.

Системы наполнения и опорожнения камер с обходными галереями считаются более сложными в конструктивном отношении, чем безгалерейные системы питания, кроме того, они требуют увеличения размеров голов шлюза – их длины и толщины стен.

Распределительные системы питания судоходных шлюзов характеризуются тем, что подача воды и выпуск ее из камер производится через большое число отверстий (выпусков) из продольных галерей, расположенных в днище или стенах камеры. При этом выпуски могут занимать всю длину или часть камеры шлюза. По конструктивным признакам распределительные системы питания разделены на простые и сложные. Простые системы питания (рис. 12.8, а) не обеспечивают равномерного распределения расхода воды по времени, т.к. в первые выпуски вода поступает раньше, чем в последующие, и это приводит к образованию в камере шлюза уклонов водной поверхности, ухудшающих условия стоянки шлюзуемых судов. Сложные системы питания, обеспечивающие равномерное распределение поступающего в камеру расхода воды на разных ее участках, иногда называют эквиинерционными (рис. 12.8 в). Такие системы питания обеспечивают относительно быстрое время наполнения (опорожнения) камер и благоприятные условия стоянки шлюзуемых судов. Эквиинерционную систему питания имеют современные парные пятикамерные шлюзы гидроузла “Три ущелья” (Китай, р. Янцзы, 2010 г.) с общим напором 110 м.

Рис. 12.8. Распределительные системы питания шлюзов:

а – простая система питания; б – поперечное сечение камер с галереями в стенках и в днище; в – сложная (эквиинерционная) система питания; 1 – водопроводная галерея; 2 – выпуски (в стенах или днище камеры); 3 – затвор; 4 – стена; 5 – днище

Пропуск судов через них предусматривается осуществлять в режиме одностороннего шлюзования: одна нитка – для пропуска судов из верхнего бьефа в нижний, а вторая – из нижнего в верхний. Работа шлюзов указанном режиме существенно увеличит пропускную способность водного пути, в особенности для грузового флота. Для пропуска скоростного пассажирского флота в составе гидроузла предусмотрено устройство малогабаритного вертикального судоподъемника.

Таким образом, головные и распределительные системы питания отличаются между собой как по конструктивным, так и по гидравлическим признакам. По конструктивным признакам головные системы питания обладают относительной простотой и значительными экономическими преимуществами, а по гидравлическим признакам предпочтение отдается распределительным системам питания.

В гидравлическом отношении системы питания судоходных шлюзов должны удовлетворять следующим основным требованиям:

• обеспечивать время наполнения и опорожнения камер в соответствии с заданной пропускной способностью шлюза;
• обеспечивать в течение заданного времени удовлетворительные (безопасные) условия стоянки шлюзуемых в камере судов и судов, ожидающих шлюзования у причальных стенок подходных каналов;
• не допускать при установленных режимах наполнения и опорожнения камер разрушений отдельных элементов и материала шлюза, размывов дна подходных каналов, кавитацию, вибрацию затворов водопропускных отверстий и другие негативные последствия, нарушающие нормальную эксплуатацию шлюзов.

В настоящее время осуществляется разработка комбинированных систем наполнения камер судоходных шлюзов на основе использования как распределительных, так и головных систем питания.