Основные схемы, их достоинства и недостатки.

Тема 4. Оборудование судоходных шлюзов: ворота, затворы

Водопроводных галерей.

По назначению и условиям работы оборудование шлюзов условно подразделяется на основное, предназначенное для непосредственного выполнения операций шлюзования, и вспомогательное, которое необходимо для нормальной эксплуатации основного оборудования. По условиям приведения его в действие – на гидромеханическое и электротехническое.

К гидромеханическому оборудованию относятся ворота шлюзов, затворы водопроводных галерей, приводные механизмы, подвижные и неподвижные причальные приспособления, предохранительные и амортизирующие устройства, приспособления для проводки судов через шлюзы, а к электротехническому – двигатели механизмов ворот и затворов водопроводных галерей, кабельное хозяйство, аппаратура и приборы сигнализации централизованного автоматического управления основным оборудованием и приборы эксплуатационного освещения.

К вспомогательному оборудованию относят насосы для откачки воды из камеры и отдельных частей шлюза, механизмы установки и подъема всего оборудования – краны, тали, тележки.

В зависимости от назначения и условий работы ворота шлюзов, располагаемые на верхних, нижних и промежуточных головах, подразделяются на основные или рабочие, ремонтные и аварийные.

Основные ворота перекрывают судоходные отверстия в головах шлюза. Они предназначены для выполнения операций по пропуску судов через шлюз и могут использоваться для наполнения и опорожнения камер.

Ремонтные ворота устанавливаются перед основными воротами и служат для изоляции шлюза от воды верхнего и нижнего бьефов. Они позволяют выполнять осмотр подводных частей сооружения и необходимый ремонт.

Аварийно-ремонтные ворота располагаются на верхних головах шлюзов перед основными воротами со стороны водохранилищ с большими объемами воды и служат не только для выполнения ремонтных работ в камере шлюза, но и для быстрого перекрытия судоходного отверстия в случае повреждения основных ворот.

Ворота являются важнейшей составной частью шлюза, и к ним предъявляются повышенные требования по прочности, надежности, условиям эксплуатации и ремонта, экономическим показателям.

Существуют различные типы основных ворот, отличающиеся между собой конструктивными признаками и эксплуатационными показателями. Наиболее широкое применение на шлюзах получили плоские подъемно- опускные ворота, двустворчатые, сегментные и откатные ворота.

Плоские подъемно-опускные ворота широко применяют на верхних головах шлюза со стенкой падения при глубине на пороге до 6-8 м. Они используются для наполнения камеры, просты по конструкции, компактны по расположению, удобны для осмотра и ремонта, но требуют больших усилий для подъема и подвержены вибрации. Для исключения или уменьшения их возможной вибрации в процессе наполнения камер часто вместо опор качения используют опоры скольжения.

Двустворчатые ворота в качестве основных используются на нижних, промежуточных и верхних головах шлюзов. Они могут перекрывать отверстия значительной ширины и нуждаются в нише больших размеров. К основным недостаткам можно отнести также сложность монтажа и затруднительность ремонта подводной части ворот.

Сегментные ворота, как и плоские подъемно-опускные, устанавливают на верхних головах шлюзов со стенкой падения и используют для наполнения камеры (рис. 12.9, а). Эти ворота имеют большую ширину и малую высоту: соотношение обычно равно 3¸4. При пропуске судов ворота опускаются в нишу. Они просты в конструктивном отношении, имеют небольшое подъемное усилие, однако нуждаются в нише больших размеров и неудобны для осмотра и ремонта из-за наличия опорного узла вращения на пороге под водой.

Откатные ворота представляют собой плоский затвор, опирающийся на верхнюю и нижнюю тележки, перемещающиеся по направляющим рельсам (рис. 12.9, б). При пропуске судов ворота располагаются в нише одного из устоев головы. Ворота используются в широких шлюзах при сравнительно небольших напорах. Основные недостатки данного типа ворот: неудобства в эксплуатации, осмотрах и ремонтах, а также необходимость устройства ниши, связанная с увеличением объемов бетонных работ. Кроме того, нижний рельсовый путь нуждается в периодических осмотрах и очистке от мусора – наносов, топлой древесины и других предметов.

Среди других типов ворот, используемых в качестве основных, можно отметить полноповоротные сегментные, клапанные, плоские подъемные и опускные.

Полноповоротные сегментные ворота уравновешенного типа нашли применение на верхних и нижних головах шлюзов малого напора. Несущей конструкцией ворот является ригельная система в виде сегмента, закрепленного к торцевым дискам, снабженных противовесами.

Они требуют больше места для размещения, однако удобны в эксплуатации, т.к. наполнение осуществляется из-под ворот. В судоходном положении ворота размещаются в донной нише, а для их ремонта сегмент поворачивается в сторону нижнего бьефа.

Клапанные ворота устанавливают на верхних головах шлюзов со стенкой падения и могут перекрывать широкие отверстия. Они представляют собой плоский щит «Г» образной формы, вращающийся вокруг горизонтальной оси. Достоинства и недостатки данного типа ворот аналогичны сегментным.

Плоские опускные и плоские подъемные ворота отличаются друг от друга лишь характером работы: для перекрытия судопропускного отверстия, первые поднимаются из ниши (рис. 12.9, е), а вторые опускаются на порог. Эти типы ворот на практике применяются редко и по эксплуатационным характеристикам уступают плоским подъемно-опускным воротам.

Рис. 12.9. Основные типы ворот шлюза.

Рабочие ворота: а – сегментные; б – откатные (продольный разрез и план); е – плоские опускные; Ремонтные затворы: в – шандорный; г – спицевой; д – плавучее заграждение – батопорт; Аварийные ворота: е – плоские опускные; 1 – основные ворота нижней головы; 2 – ферма; 3 – шандоры; 4 – спица; 5 – опорные шарниры; 6 – основные ворота верхней головы; 7 – аварийные ворота; 8 – балка-опора

Опускные ворота нуждаются в постоянных осмотрах и очистках от мусора и наносов ниши, а подъемные требуют большой высоты подъема и неудобны для судоводителей, поскольку находятся в подвешенном состоянии при пропуске судов.

Ремонтные ворота предусматриваются на каждом шлюзе. Они устанавливаются, открываются или разбираются в спокойной воде и воспринимают напор лишь при откачке воды из камеры шлюза. Основные требования к ним– простота конструкций и водонепроницаемость. В качестве ремонтных применяются двустворчатые, шандорные затворы, поворотные фермы со спицами или щитами, батопорты и другие заграждения.

Двустворчатые ворота являются наиболее распространенным типом ремонтного заграждения из-за простоты конструкций, доступности для осмотра и ремонта. Они способны перекрывать широкие отверстия.

Шандорные затворы (рис. 12.9, в) применяются на шлюзах небольшой ширины и в конструктивном отношении представляют собой деревянные, металлические или железобетонные балки, называемые шандорами. Они укладываются горизонтально друг на друга в специальные пазы при помощи кранов и со стороны камеры поддерживаются промежуточными опорами (фермами).

Поворотные фермы шарнирно закрепляются на днище головы и могут при помощи береговых лебедок подниматься в вертикальное положение, а пролеты между ними перекрываются спицами или щитами, опирающимися внизу на порог головы, а вверху – на балку-опору (рис. 12.9, г). При помощи таких заграждений достаточно быстро можно перекрывать широкие отверстия.

Батопорт используется в качестве плавучего ремонтного заграждения и позволяет обслуживать одним затвором несколько шлюзов, расположенных на незначительном расстоянии друг от друга (рис. 12.9, д). Для установки заграждения в рабочее положение плавучая емкость при помощи насосов заполняется водой, а после завершения ремонтных работ вода откачивается, и емкость всплывает и буксируется для организации ремонтных работ на другом шлюзе или в безопасное место для хранения.

Аварийные ворота должны обеспечивать быстрое перекрытие потока воды (до 5 мин.) с большими скоростями течения и тем самым предотвратить разрушения, связанные с возможным сбросом большого объема воды из водохранилища в нижний бьеф. В качестве аварийных наиболее широкое применение получили клапанные, опускные и откатные ворота.

Опускные ворота при нормальной работе шлюза находятся под водой в нише (рис. 12.9, е), а в случае аварии поднимаются в рабочее положение. Они применяются при наличии стенки падения достаточной высоты и при значительных глубинах на пороге, просты по конструкции, надежны в работе и экономичны.

Откатные ворота могут быть одно- или двустворчатыми и представляют собой плоский или подкосные щиты, передвигающиеся по рельсам на колесных тележках. В нерабочем состоянии ворота размещаются в боковых нишах устоев верхней головы шлюза. Этот тип ворот может использоваться для перекрытия судоходных отверстий значительной ширины.

Затворы водопроводных галерей регулируют поступление воды в камеру шлюза или ее истечение из камеры, обеспечивая при этом нормальные условия стоянки шлюзуемых и ожидающих шлюзования судов в подходных каналах. Работа затворов происходит при значительных перепадах давления и они подвержены гидродинамическим нагрузкам, что может привести к возникновению кавитации и вибрации. В случае возникновения аварийной ситуации затворы должны закрываться в потоке воды под любым возможным напором. Из основных требований, предъявляемых к затворам водопроводных галерей, можно выделить прочность и надежность в работе, водонепроницаемость в закрытом состоянии, благоприятные гидравлические условия работы, удобства при эксплуатации, осмотре и ремонте. В зависимости от назначения и условий работы затворы водопроводных галерей подразделяются на основные (рабочие) и ремонтные. Ремонтные затворы располагают слева и справа от рабочего. Наиболее широкое применение на шлюзах нашли плоский, цилиндрический, сегментный и поворотный затворы.

Плоский затвор распространен на шлюзах со средними и малыми напорами из-за простоты и надежности конструкции, удобств размещения в галерее, доступности при осмотрах и ремонте (рис. 12.10, а). К недостаткам затвора можно отнести значительное подъемное усилие, сложность закрытия при больших скоростях течения воды и подверженность вибрации.

Цилиндрический затвор вертикального исполнения позволяет осуществлять быстрое наполнение (опорожнение) камеры, поскольку форма водовода вокруг цилиндра (рис. 12.10, б) обеспечивает работу отверстия по всей окружности. Этот тип затворов используется на шлюзах малого напора и характеризуется хорошей водонепроницаемостью, надежностью в работе и имеет небольшое подъемное усилие. К недостаткам можно отнести необходимость устройства сложной галереи и подверженность вибрации затвора, в особенности при малых его открытиях.

Обратные сегментные затворы рекомендуются применять для высоконапорных шлюзов, так как они могут перекрывать большие отверстия и воспринимать значительное давление воды, а также обладают хорошими гидравлическими характеристиками (рис. 12.10, в). Эти затворы имеют небольшое подъемное усилие, просты по конструкции и надежны в эксплуатации. Однако они требуют больше места для их размещения и, кроме того, наличие опорного узла вращения на потолке галереи осложняет проведение их осмотра и ремонт.

Поворотные затворы устраивают при больших напорах, они могут перекрывать галереи круглого или прямоугольного сечения (рис. 12.10, г) и обеспечивать плавное изменение площади водопропускного отверстия.

Рис. 12.10. Типы затворов водопроводных галерей:

а – плоский; б – цилиндрический; в – сегментный; г – поворотный; 1 – верхнее уплотнение; 2 – нижнее уплотнение; 3 – неподвижная часть; 4 – гидроподъемник; 5 – основой затвор; 6 – водопроводная галерея; 7 – обтекатели потока; 8 – ремонтный затвор; 9 – уплотняющее кольцо; 10 – опорный узел.

Недостатками затворов являются трудности в обеспечении уплотнений по всему периметру галереи и устройстве привода, а также сложности осмотра и ремонта.

Для обеспечения нормальной работы отдельных элементов сооружения и его оборудования, на шлюзах предусматриваются различные устройства и приспособления, в том числе причальное оборудование, предохранительные и амортизирующие устройства, приспособления для проводки судов через шлюзы и др.

Причальное оборудование предназначено для швартовки шлюзующихся и ожидающих шлюзования судов. Оно может быть выполнено в виде неподвижных (причальные тумбы и стационарные рымы) и подвижных (плавучие рымы) устройств. Существуют также различные способы механизированной и автоматизированной учалки судов.

Предохранительные устройства служат для защиты ворот от навала судов и, кроме того, способствуют увеличению скорости входа судов в камеру шлюза.

Амортизирующие устройства предназначены для защиты сооружения и отдельных его элементов от повреждений при навалах судов.

Для проводки через шлюзы несамоходных судов и составов, используют различные тяговые средства. Наиболее распространенным способом тяги в шлюзах являются буксировка на тросе или толкание. На отдельных шлюзах используется и береговая тяга, например, электровозы или лебедки.