Сетка стандартных значений, и по СНиП 2.06.07-87 1 страница

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»

А. М. Гапеев

Р. А. Косенко

Судоходный шлюз и плотина

В составе гидроузла

Санкт-Петербург

УДК 627 (28)

ББК 38.77

Рецензент:

д.т.н., профессор Государственного университета

морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова

В. П. Бутин

Гапеев А. М., Косенко Р. А.

Судоходный шлюз и плотина в составе гидроузла: учебно-методическое пособие. – СПб.: ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова, 2014. – 63 с.

Учебно-методическое пособие содержит исходные данные и указания для выполнения практических работ и курсового проекта по дисциплине «Гидротехнические сооружения» (направление 280100.62– «Природообустройство и водопользование», специальность 280302.65- «Комплексное использование и охрана водных ресурсов»).

УДК 627 (28)

ББК 38.77

А. М. Гапеев, 2014

Р. А. Косенко, 2014

Введение

Учебно-методическое пособие предназначено для изучения дисциплины «Гидротехнические сооружения», а также приобретения практических навыков проектирования судоходных шлюзов и бетонных водосливных плотин на нескальных основаниях. Кроме заданий и рекомендаций к выполнению практических работ и курсового проекта в нем подробно изложены отдельные вопросы дисциплины, необходимые студентам для подготовки к экзамену (зачету).

Курсовой проект посвящен проектированию судоходного шлюза с головной системой питания, получившему широкое применение не только в России, но и за рубежом, а также бетонной водосливной плотины. В процессе проектирования определяются основные размеры камеры судоходного шлюза, верхней и нижней голов, подходных каналов и причальных сооружений, а также размеры водосливной плотины. При проектировании плотины устанавливается гидравлический профиль ее сливной части и характер сопряжения падающей струи с нижним бьефом.

Особое внимание при проектировании сооружений уделяется выбору элементов системы гашения потока и их рациональному расположению с учетом безопасных условий эксплуатации, технических и экологических требований.

Учебно-методическое пособие может быть использовано студентами для выполнения дипломных работ при проектировании транспортно-энергетических гидроузлов.

Таблица 1

1. Исходные данные для проектирования сооружений гидроузла

№ п/п	Состав исходных данных	Варианты задания

	Отметка НПУ верхнего бьефа, м
	Отметка НПУ нижнего бьефа, м
	Расчетный напор , м
	Отметка нижнего бьефа при пропуске паводка, м
	Отметка гребня водослива, м
	Отметка дна реки, м
	Расход воды через отверстия водосливной плотины в паводок , м³/с
	Грунт основания (П – песок, Г – глина)	П	Г	П	Г	П	Г	Г	П	Г	П
	Число судов в камере шлюза:
	Размеры расчетного судна: длина , м ширина , м осадка , м	85,0	113,0	135,0	85,0	80,0	85,0	135,0	113,0	113,0	85,0
	12,5	14,0	16,5	12,5	15,0	12,5	16,5	14,0	14,0	12,5
	2,8	3,5	3,5	1,8	2,25	1,8	3,5	3,5	3,5	2,8
	Водоизмещение судна , кН

Примечание: Студентам очной формы обучения задание выдается индивидуально руководителем проекта и практических работ, а студенты заочной формы обучения принимают вариант задания в соответствии с последней цифрой шифра зачетной книжки.

2. Содержание практических работ, курсового проекта и порядок их выполнения

1. Общее устройство и принцип работы судоходного шлюза (практическая работа).

2. Установить полезные размеры камеры судоходного шлюза: длину, ширину и глубину на порогах (практическая работа).

3. Выбрать конструкцию головной системы питания камеры шлюза по эффективности работы гасительных устройств (практическая работа).

4. Установить основные размеры верхней и нижней голов шлюза. Вычертить продольный разрез шлюза в масштабе 1:100 или 1:200.

5. Определить размеры подходных каналов к шлюзу, направляющих и причальных сооружений. Вычертить схему подхода к шлюзу в масштабе 1:1000 или 1:2000.

6. Определить удельный расход воды на гребне плотины и общую сжатую ширину потока при пропуске паводка, размеры отверстия в свету и полную ширину водосливного фронта (фасад и план) с распределением отверстий и разбивкой на секции.

7. Построить гидравлический профиль сливной части плотины и установить характер сопряжения падающей с водослива струи с нижним бьефом при пропуске паводка. Выбрать устройства для гашения скорости потока и конструкцию рисбермы.

8. Установить основные размеры бетонной водосливной. Вычертить продольный разрез в масштабе 1:100 или 1:200.

Оформление проекта

Проект представляется в виде пояснительной записки и одного листа чертежей. Материал записки должен соответствовать содержанию проекта и последовательности его выполнения.

Лист чертежей должен содержать схемы устройства судоходного шлюза (разрезы верхней и нижней голов, камеры и план подходного канала) и бетонной водосливной плотины (продольный разрез и схема водосливного фронта), вычерченные в рекомендуемых масштабах.

Пояснительная записка и чертежи выполняются в соответствии с требованиями ЕСКД.

3. Общее устройство однокамерного шлюза

Судоходными шлюзами называются напорные гидротехнические сооружения, при помощи которых суда преодолевают сосредоточенные падения уровней воды на гидроузлах при переходе из одного бьефа в другой.

Основными конструктивными частями судоходного шлюза являются: верхняя и нижняя головы; расположенная между ними камера; верхний и нижний подходные каналы, примыкающие к соответствующим головам шлюза (рис. 1).

Рис. 1. Схематический план шлюза

1 – верхний подходный канал; 2 – верхняя голова; 3 – камера шлюза; 4 – нижняя голова; 5 – нижний подходной канал; 6 – направляющие палы; 7 – причальная стенка

Головы шлюза поддерживают разность уровней воды между бьефами и камерой при ее наполнении и опорожнении. На них размещается оборудование, предназначенное для осуществления процесса шлюзования. В камере шлюза, ограниченной с боков стенами, находятся суда при их шлюзовании. На стенах камеры размещаются устройства в виде тумб, а по высоте – плавучие рымы, за которые швартуются суда.

Подходные каналы, примыкающие к головам шлюза, имеют размеры, обеспечивающие расхождение судов при входе в камеру и выходе из нее, а также безопасные условия стоянки судов, ожидающих шлюзования у причальных стенок. Для обеспечения плавного входа судов в отверстия голов шлюза устраиваются направляющие палы, которые имеют в плане вид криволинейных стен.

Наиболее широкое применение, благодаря простоте конструкций и экономичности, нашел тип шлюза с наполнением камеры из-под плоских подъемно-опускных ворот (рис. 2).

Рис. 2. Общее устройство однокамерного шлюза с головной системой питания

1 – аварийно-ремонтные ворота верхней головы; 2 – порог верхней головы; 3 – подъемно-опускные ворота; 4 – гасительный экран;

5 – опорный бычок; 6 – распределительная решетка; 7 – ниша плавучего рыма; 8 – температурно-осадочный шов; 9 – секция камеры;

10 – галерея опорожнения; 11 – двухстворчатые ворота нижней головы; 12 – порог нижней головы; 13 – паз ремонтного затвора нижней головы; 14 – камера гашения; 15 – устой верхней головы

Отверстие между стенами верхней головы закрывается воротами в виде металлического щита, который поднимается на определенную высоту для наполнения камеры шлюза. При подъеме ворот вода из верхнего бьефа поступает в камеру через отверстие, образуемое нижней кромкой ворот и порогом. После выравнивания уровней воды в камере и верхнем бьефе ворота опускаются вниз, освобождая отверстие для прохода судов. Самая высокая часть днища головы называется порогом. Вертикальная грань порога образует стенку падения. Емкость, в которую непосредственно поступает вода из верхнего бьефа при наполнении камеры шлюза, называется камерой гашения энергии потока. В пределах камеры гашения располагается экран корытообразной формы, обеспечивающий соударение падающей струи и направление ее на стенку падения, который опирается по ширине шлюза на два раздельных бычка, гасительный колодец и балочная распределительная решетка, предназначенная для выравнивания скоростей потока по глубине после выхода в камеру шлюза. Камера шлюза по длине состоит из отдельно стоящих секций, длиной по 20–30 м каждая, разделенных между собой температурно-осадочными швами.

Отверстие между стенами нижней головы закрывается двустворчатыми воротами, которые в закрытом положении поддерживают уровень верхнего бьефа в камере. При уровне нижнего бьефа створки ворот, вращаясь на вертикальных осях, заходят в ниши (шкафы) и освобождают отверстие для пропуска судов из камеры шлюза в нижний подходной канал. Опорожнение камеры осуществляется через короткие обходные водопроводные галереи, расположенные в стенах нижней головы. Галереи опорожнения снабжены рабочим затвором и двумя ремонтными затворами.

Шлюз оборудован механизмами для открытия ворот и затворов, причальными устройствами для швартовки судов, предохранительными устройствами для защиты ворот от навала судов и другими приспособлениями. Для изоляции шлюза и отдельных его частей от бьефов, на случай осмотра и ремонта, перед головами шлюза предусмотрены ремонтные ворота. На верхних головах часто устраивают аварийно-ремонтные или аварийные затворы, которые могут перекрывать судоходное отверстие в процессе наполнения камеры при возникновении на шлюзе аварийных ситуаций.

Процесс пропуска судов из одного бьефа в другой состоит из отдельных операций и может осуществляться в одностороннем (при наличии судов одного направления) или двухстороннем порядке. Так, для пропуска судов из нижнего бьефа в верхний при одностороннем движении, в камере должен быть установлен уровень нижнего бьефа, открыты ворота нижней головы и дан разрешающий сигнал светофора на вход судов из нижнего подходного канала в камеру шлюза. После входа судов в камеру нижние ворота закрываются, суда швартуются к причальным устройствам и подают сигнал о готовности. При подъеме верхних ворот на определенную высоту камера заполняется водой. По мере наполнения камеры вместе с уровнем воды поднимаются и суда. Когда уровень в камере сравняется с уровнем верхнего бьефа, ворота верхней головы открываются, на судах отдаются швартовые и по разрешающему сигналу светофора они выходят из камеры шлюза в верхний подходной канал. Шлюзование судов из верхнего бьефа в нижний производится в обратной последовательности.

4. Типы судоходных шлюзов и особенности их работы

В зависимости от числа последовательно расположенных камер шлюзы подразделяются на однокамерные и многокамерные, а по числу параллельно расположенных камер – на однониточные и многониточные.

В однокамерном шлюзе, устройство которого было показано на рис. 2, суда преодолевают весь напор на гидроузле в одной камере. Однокамерные шлюзы нашли самое широкое распространение не только в России, но и за рубежом. Иногда, для уменьшения объема сливной призмы и сокращения времени шлюзования одиночных судов, однокамерные шлюзы могут возводиться с промежуточной (средней) головой (рис. 3, а). При больших напорах на камеру обычно строят однокамерные шлюзы шахтного типа, отличающиеся от средне- и низконапорных шлюзов стенкой со стороны нижнего бьефа, которую принято называть забральной (рис. 3, б). Шахтные шлюзы возводят на скальных грунтах, они используют большой объем сливной призмы на одно шлюзование и имеют малую пропускную способность.

Рис. 3. Схемы шлюзов

а – продольный разрез однокамерного шлюза с промежуточной головой;

б – продольный разрез шлюза шахтного типа; в – продольный разрез трехкамерного шлюза; г – план шлюза со сберегательными бассейнами; д – план двухниточного шлюза; 1 – верхние ворота; 2 – средние ворота; 3 – нижние ворота; 4 – забральная стенка; 5 – сберегательные бассейны; 6 – затворы; – сливная призма

Если напор разбит на несколько равных частей и суда преодолевают его последовательно в нескольких камерах одного шлюза, то такой шлюз называется многокамерным или многоступенчатым (рис. 3, в). В отличие от однокамерного шлюза, многокамерный шлюз имеет промежуточные головы, сопрягающие две смежные камеры. На промежуточных головах величина напора удваивается тогда, когда одна камера наполнена, а нижележащая опорожнена. При шлюзовании судов в многокамерных шлюзах объем сливной призмы уменьшается пропорционально числу камер, но увеличивается время шлюзования. Для уменьшения затрат на шлюзование и увеличения пропускной способности шлюзов применяются серийные шлюзования, заключающиеся в пропуске судов в порядке одностороннего движения из верхнего бьефа в нижний, а затем наоборот. Многокамерные шлюзы возводятся на водных путях с небольшим судооборотом и при необходимости уменьшения напора на отдельную камеру по технико-экономическим соображениям, а также с учетом геологических и водохозяйственных условий.

Для экономии расходуемой воды при шлюзовании и с целью уменьшения влияния волновых явлений, возникающих при наполнении и опорожнении камеры, устраиваются шлюзы со сберегательными бассейнами (рис. 3, г). Они чаще всего строятся на судоходных каналах. Рядом с камерой шлюза (слева и справа) возводят открытые или закрытые бассейны, которые забирают воду из камеры при ее опорожнении и отдают обратно при наполнении. Каждый бассейн соединен с камерой шлюза при помощи водопроводов, снабженных затворами. Чаще всего строят шлюзы с тремя сберегательными бассейнами, так как большее их число дает малое приращение экономии воды и вызывает удорожание строительства шлюза. Шлюзы со сберегательными бассейнами требуют при их возведении выполнения больших объемов работ, сложного оборудования, обладают меньшей пропускной способностью и поэтому в нашей стране не строились. Их применение может быть обосновано при строительстве судоходных каналов в засушливых районах и для больших по размерам камер шлюзов.

На водных путях с интенсивным судоходством рядом друг с другом строят несколько шлюзов, которые называют многониточными. Чаще всего в одном створе располагают два шлюза, называемые двухниточными или парными (рис. 3, д). Парные шлюзы удобны в эксплуатации, позволяют экономить сливную призму (при устройстве системы питания с перепуском воды из одной камеры в другую) и при необходимости периодически осуществлять очистку камер от затонувшей древесины, а также мелкие ремонтные работы.

Существуют также шлюзы, которые кроме пропуска судов могут выполнять и другие функции, например, пропускать без размывов расход воды из верхнего бьефа в нижний. Такой шлюз является не только судоходным, но и водопропускным, получив название шлюза-водосброса. Шлюзы-водосбросы пока не получили широкого применения. Первый в России однокамерный шлюз-водосброс на р. Уфе – Павловский с напором 33 м эксплуатируется с 1962 г.; он имеет малую пропускную способность и рассчитан на пропуск, в основном, паводковых расходов воды.

К другим типам шлюзов, не предназначенных для судоходства, можно отнести рыбопропускные шлюзы, которые служат для пропуска ценных пород рыб из нижнего бьефа в верхний, и шлюзы-регуляторы, регулирующие поступление воды на различные водохозяйственные цели.

По способу подачи воды в камеру и выпуска из нее шлюзы могут иметь сосредоточенную, распределительную или комбинированную системы питания.

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.

В распределительных системах питания судоходных шлюзов подача воды в камеру и выпуск из нее 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.

Комбинированные системы питания могут устраиваться с использованием распределительной и головной систем питания или на основе различных схем головного питания.

Головные и распределительные системы питания отличаются между собой по конструктивным и гидравлическим признакам. В конструктивном отношении головные системы питания камер обладают относительной простотой и значительными экономическими преимуществами по сравнению с распределительными, но последние предпочтительнее по гидравлическим признакам.

Наиболее широкое применение как в России, так и за рубежом получили шлюзы с головной системой питания. В нашей стране, например, из 129 эксплуатируемых в настоящее время судоходных шлюзов 118 имеют головную систему питания, как наиболее простую и экономичную, и только 11 – распределительную. При выполнении курсового проекта рекомендуется принять для рассмотрения головную систему питания камеры шлюза.

5. Основные размеры камеры шлюза

Основными габаритами камеры судоходного шлюза являются ее полезные размеры: длина и ширина , в пределах которых размещаются шлюзуемые суда, а также глубина на порогах – наиболее возвышающихся частях днища голов. Они определяются по размерам расчетного судна (состава).

Полезная длина камеры шлюза определяется по формуле

, м (1)

где – сумма длин расчетных судов (составов), шлюзуемых одновременно и устанавливаемых в камере в кильватер;

– число одновременно шлюзуемых судов по длине камеры;

– запас по длине камеры в каждую сторону между судами и головами шлюза, определяемы по выражению

, м (2)

– для одиночных судов – длина судна, для буксируемых составов – длина баржи, а для толкаемых составов – длина всего состава.

Полезная длина камеры шлюза отсчитывается от конца успокоительного участка у верхней головы до верхней границы нижней головы или до створа расположения предохранительного устройства перед воротами нижней головы.

Полезная ширина камеры определяется по зависимости

, м (3)

где – сумма ширин одновременно шлюзуемых (рядом стоящих) судов;

– число одновременно шлюзуемых судов по ширине камеры;

– запас по ширине камеры с каждой стороны и между рядом стоящими судами.

Запасы по ширине камеры должны быть не менее: при ширинах судна до 10 м – 0,2 м; до 18 м – 0,4 м; до 30 м – 0,75 м; свыше 30 м – 1 м.

Глубина на порогах шлюза, отсчитываемая от расчетного наинизшего судоходного уровня, должна быть не менее

, м (4)

где – статическая осадка расчетного судна в полном грузу.

Полученные значения округляются в сторону увеличения до ближайших стандартных значений, приведенных в табл. 2, и они используются при выполнении дальнейших расчетов.

Таблица 2

Сетка стандартных значений, и по СНиП 2.06.07-87

Соответствие между полезной шириной и длиной камеры,
Глубина на порогах шлюза, , м	6,0 5,5 5,0 –	6,0 5,5 5,0 –	6,0 5,5 5,0 –	5,5 5,0 4,5 4,0	5,5 5,0 4,5 4,0	5,5 5,0 4,5 4,0	4,0 3,5 3,0 –	3,0 2,5 2,0 –	3,0 2,5 2,0 1,5	3,0 2,5 2,0 1,5	2,0 1,5 1,0 –

В курсовом проекте допускается при необходимости полезную длину камеры принимать несколько отличной от стандартной, округляя до целого десятка в сторону увеличения, а полезную ширину в пределах 20–30 м – за 21,5 м.

Размеры поперечного сечения камеры шлюза со сплошным неразрезным днищем приведены на рис. 4.

Рис. 4. Поперечный разрез камеры шлюза: 1 – стенка; 2 – плавучий рым; 3 – днище

Глубина воды в камере шлюза принимается равной глубине на порогах

, м

Высоту стенки камеры принимают равной

, м

Здесь – возвышение верха стен над расчетным наивысшим уровнем, принимаемое не менее 2,0 м для сверхмагистральных водных путей (глубина 3,2 м и выше), 1,0 м – для магистральных (глубина от 1,5 до 3,2 м) и 0,5 м – на путях местного значения (глубина менее 1,5 м).

Толщина стенки камеры по низу и толщина днища определяются по результатам статического расчета. При предварительных расчетах их можно принять равными 0,25 Н_с.

6. Выбор конструкции системы питания

Конструкция головной системы питания, рассматриваемой при выполнении настоящего проекта, выбирается в зависимости от напора на камеру, размеров шлюза и расчетного судна с учетом обеспечения безопасных условий стоянки шлюзуемых судов.

Головные системы питания разделяются:

а) по условиям пропуска воды в камеру – на безгалерейные и галерейные (системы питания с короткими обходными галереями);

б) по условиям расположения водопропускных отверстий относительно уровня нижнего бьефа – на незатопленные и затопленные.

Безгалерейные системы питания могут быть затопленными и незатопленными. В затопленных безгалерейных системах питания наполнение (опорожнение) камер осуществляется через отверстия в воротах, перекрываемых затворами (клинкетами) различной конструкции. Они применялись, в основном, на шлюзах малого напора (до 4,0 м) и в гидравлическом отношении являлись несовершенными из-за отсутствия эффективных гасительных устройств.

Системы наполнения и опорожнения камер через отверстия в воротах широко применялись из-за простоты конструкции и компактного расположения, в особенности, при использовании плоских затворов (рис. 5). В нашей стране с системами питания такого типа эксплуатируется около 30 шлюзов (Северо–Двинская система, реки Мокша, Цна, Теза, Преголи и др.), но в настоящее время от их возведения отказались. Одним из последних шлюзов в России с отверстиями в откатных воротах, перекрываемых сегментными воротами, являются шестикамерные двухниточные Пермские шлюзы с размерами камер 240×30 м и напором на одну камеру около 3,3 м (1954 г.). Гасительные устройства у них также отсутствуют.