автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Обоснование габаритных размеров камеры лесо-судопропускных сооружений из условия их безаварийной эксплуатации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Сапцин Валерий Петрович

УДК 626.53/54

Обоснование габаритных размеров камеры

лесо-судопропускных сооружений из условия их безаварийной эксплуатации

Новосибирск - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ стр.

Условные обозначения 6

Введение 8

Глава I. Обзор отечественных и зарубежных исследований по неста -ционарным процессам в камере лесо-судопропускных сооружений 24

1.1. Общие положения 24

1.2. Работы отечественных ученых по гидродинамике наклонных судоподъемников 25

1.3. Исследования наклонных судоподъемников за рубежом 36

1.3.1. Наклонный судоподъемник Ронкьер ( Бельгия ) 36

1.3.2. Исследования по судоподъемнику Орлик ( ЧСР ) 43

1.3.3. Исследования по судоподъемнику Арзвиль ( Франция ) 47

1.3.4. Исследования по водоклиновым судоподъемникам 48

1.3.5. Другие зарубежные исследования в области наклонных судоподъемников 49

Глава II. Колебательные процессы в камере лесо-судопропускного

сооружения, свободной от транспортируемых тел 53

2.1. Общие положения 53

2.2. Амплитуда колебаний и скорости распространения волн при мгновенной остановке 54

2.3. Линейное приближение теории колебательных процессов в камере

с продольной компоновкой 59

2.4. Колебания волн в свободной камере с поперечной компоновкой 66 Выводы по главе II 70

Глава III. Продольные перемещения транспортируемого тела в камере

лесо-судопропускного сооружения 71

3.1. Общие положения 71

3.2. Продольные перемещения неучаленного судна при мгновенной остановке камеры 71

3.3. Продольные перемещения неучаленного судна при остановке

камеры за некоторый конечный промежуток времени 77

Выводы по главе III 90 Глава IV. Оптимальные режимы неравномерного движения камеры

лесо-судопропускного сооружения 91

4.1. Общие положения 91

4.2. Частотные характеристики колебаний воды и плавающих тел в

камере сооружения 93

4.3. Поведение неучаленного судна в период неравномерного движения камеры 96 Выводы по главе IV 107

Глава V. О гидродинамическом воздействии на плавающее тело, совершающее

колебания в камере лесо-судопропускного сооружения 109

5.1. Постановка задачи 109

5.2. Приближенное решение задачи 113

5.3. Анализ полученных формул и результаты численных расчетов 121 Выводы по главе V 124

Глава VI. Экспериментальные исследования колебаний воды и плавающих

тел в камере лесо-судопропускного сооружения 125

6.1. Условия подобия при моделировании нестационарных процессов 125

6.2. Экспериментальная установка с самоходной камерой продольного

типа 128

6.3. Модели судов 133

6.4. Принципы выбора измерительной аппаратуры и ее состав 137

6.5. Модель несамоходной камеры с поперечной компоновкой 147

6.6. Модели плотов 149

6.7. Формирователь временных сигналов ( ФВС ) 153

6.8. Описание реальной учалки на модели камеры с продольной компоновкой 155 Выводы по главе VI 158

Глава VIL Основные результаты экспериментальных исследований нестационарных процессов в камере лесо- судопропускного сооружения 160

7.1. Самоходная камера с продольной компоновкой, свободная от плавающих тел 160

7.2. Исследования колебательных процессов в самоходной камере

с плавающим на поверхности воды судном 167

7.3. Экстренное торможение камеры с судном, зачаленным за неподвижные тумбы 178

7.4. Колебания воды и судна, зачаленного за специальные амортизирующие устройства 182

7.5. Влияние положения судна по длине камеры на колебательные процессы

в камере 190

7.6. Вопросы транспортировки судов различных очертаний и

водоизмещений 199

7.7. Экспериментальные исследования колебательных процессов в камере

с поперечной компоновкой 201

7.8. Влияние вертикальной составляющей ускорения движения камеры 203 Выводы по главе VII 208

Глава VIH. Натурные испытания на Красноярском судоподъемнике 210

8.1. Постановка задачи натурных испытаний 210

8.2. Результаты испытаний при движении камеры без судна 213

8.3. Результаты исследований условий отстоя судна в камере 217 Выводы по главе VIII 218

Глава IX. Рекомендации по проектированию наклонных лесо-судопропускных

сооружений 219

9.1. Выбор типа и компоновка в составе гидроузла 219

9.2. Природоохранные и экологические мероприятия 221

9.3. Оценка перспективного грузооборота 222

9.4. Определение габаритных размеров судовозной камеры 231

9.4.1. Глубина наполнения камеры 232

9.4.2. Назначение высоты стенок судовозной камеры 232

9.4.3. Габаритная длина и ширина судовозной камеры 234

9.5. Условия транспортировки судов ( секций плотов ) в эксплуатационных условиях 236

9.6. Рекомендуемый тип лесо-судопропускного сооружения 233 Основные выводы 240 Литература 244 Приложения 267 - 276

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

X У Ъ - система координат, жестко связанная с камерой, I - время, <¡2 - расход жидкости,

^ - расход жидкости, поступающей в камеру на единице длины, р , ра - давление в жидкости и на ее свободной поверхности, ^р ,р - плотность и удельный вес жидкости, С^ - ускорение силы тяжести, % - ордината свободной поверхности жидкости, 1Г0 - скорость равномерного движения судовозной камеры, ^о '¿4 " Уморение движения судовозной камеры, его горизонтальная й вертикальная составляющие, , 7^- " время разгона, торможения камеры, ¿к - длина камеры,

- ширина камеры, ¡ък - начальная глубина наполнения камеры,

ЪТК - площадь поперечного сечения жидкости в камере,свободной от судов,

ЪТ - площадь поперечного сечения жидкости, С - скорость распространения волны возмущения, ^ - наибольшая длина расчетного судна ( секции плота ), £ - приведенная длина судна ( секции плота ), ¡4 - ширина судна ( секции плота ) по ватерлинии, Ыс - площадь поперечного сечения судна ( секции илота) в

нормальном положении, V? - осадка судна ( секции илота ),

¿о - продольная координата центра тяжести судна ( секции плота ) в равновесном положении,

- продольное перемещение центра тяжести судна ( секции плота),

Р Р - продольные координаты оконечностей судна ( секции плота ) в 2

системе координат XXX, Р -вертикальное перемещение центра тяжести судна ( секции плота )

6 а

( относительно состояния покоя ), ^ - ордината плоскости плавания судна,

у^ - угол наклонения судна ( секции плота), (угол поворота судна

относительно поперечно-горизонтальной оси ), § - площадь плоскости плавания судна ( секции плота),

- объем водоизмещения судна ( секции плота ), ^/¿^ - масса судна ( секции плота ),

рр - момент инерции судна относительно центральной поперечной оси,

/У - продольная метацентрическая высота,

пъ - присоединенная масса жидкости, приходящаяся на единицу

длины судна ( секции плота ), зс- - коэффициент присоединенной массы жидкости,

- волновая сила, действующая на судно ( секцию плота ), Гпр ~ продольная сила, действующая на судно ( секцию плота )

со стороны причальных устройств, 8 - угол наклона судовозных путей, М-нл ' коэффициент полнодревесности.

е

ВВЕДЕНИЕ

Перспективы развития транспорта имеют исключительно важное значение в экономической и социальной жизни любой страны. Особенно велика его роль для России, обширной по своей территории, на которой сосредоточены мощные предприятия, большие запасы сырьевых ресурсов ( полезные ископаемые, лесные массивы, возобновляемые источники электроэнергии - богатый водный потенциал рек, сельское хозяйство и т.п.).

Важную роль в транспортной сети России играет внутренний водный транспорт, дж которого уже созданы естественные пути-реки, озера, искусственные каналы, и который для некоторых районов и регионов является единственным средством для перевозки грузов ( особенно для условий Сибири и Дальнего Востока ). На многих реках, входящих в состав судоходных путей России, таких как Волга, Енисей, Амур, Лена, уже построены комплексные гидротехнические сооружения, которые коренным образом изменили режим рек, подтопили притоки и позволили создать новые транспортные магистрали, рассчитанные на современные суда со значительной осадкой, грузоподъемностью до 6000 т.

Таким образом, возможности для развития перевозок внутренним водным транспортом в связи со строительством комплексных гидроузлов значительно расширились.

Водный транспорт обладает некоторыми преимуществами по сравнению с другими видами транспорта. Расчеты показывают [ 24, 173 ], что первоначальные затраты на организацию судоходства по естественным магистральным водный, путям с пропускной способностью ( 80... 100 ) млн.тонн грузов в год, примерно 3 10 раз меньше, чем расходы на сооружение ширококолейной железной дороги и оснащение ее подвижным составом, и в ( 2...3 ) раза меньше, чем на сооружение

1 км шоссейной автомобильной дороги. Кроме того, водный транспорт требует значительно меньше механической энергии, чем сухопутный транспорт: железнодорожный и автомобильный. Для перемещения 1 т груза по воде нужно

затратить в 6 раз меньше механической энергии, чем на перемещение на то же расстояние по рельсовым путям, и в 25 раз меньше, чем для перевозки по безрельсовым дорогам. Перечисленные особенности водного транспорта оказывают существенное влияние на экономические показатели его работы, делают речные перевозки массовых грузов ( особенно на дальние расстояния ) наиболее дешевыми. При правильной организации транспортного процесса себестоимость перевозок по магистральным рекам в ( 1,5...2,0 ) раза ниже, чем по железной дороге, и в ( 20...25 ) раз ниже, чем по автострадам. Перевозки по малым рекам в ( 5...6 ) раз дешевле транспортировки грузов по автодорогам [34]. Более низкая себестоимость перевозок на водном транспорте объясняется тем, что в целом на единицу мощности и израсходованного топлива, материалов и заработанной платы приходится больше продукции, чем на других видах транспорта. В работе | 239 ] приведены подсчеты экономистов, по которым стоимость одного тонно-километра перевозок по каналу Рейн-Дунай составит 3,9 пфеннинга по сравнению с 12,8 пфеннингов по железной дороге и 24,3 пфеннинга автомобильным транспортом.

Развитие водного транспорта на современном этапе во всем мире определяется следующими факторами: значительно меньшим, чем на железнодорожном и автомобильном транспорте энергопотреблением ( на 80 и 30% соответственно ); более высокой производительностью труда; меньшей потребностью в материалах по сравнению с железнодорожным и автомобильным транспортом ( в 2 и 4 раза соответственно ); минимальным негативным воздействием на окружающую среду; возможностью перевозки уникальных по габаритам грузов [ 34, 101 ].

В настоящее время возникает острая необходимость в организации работ по совершенствованию и реконструкции существующих водных систем Европейской части России. Дальнейшее развитие нашей страны немыслимо без интенсивного развития регионов Сибири и Дальнего Востока, для которых водный транспорт еще долгое время будет оставаться одним из наиболее экономичных, а подчас и единственным видом транспорта. Сибирь и Дальний Восток являются для России

главной сырьевой базой. Здесь сосредоточено практически 3/4 всех минеральных топливно-энергетических и более половины гидроэнергетических ресурсов и запасов промышленной древесины, а также значительные доли запасов цветных металлов и различного минерального сырья [ 198 ].

Однако основными потребителями всех этих богатств являются предприятия и промышленные комплексы Европейской части России, стран ближнего и дальнего зарубежья. Не подлежит сомнению тот факт, что с началом возрождения промышленных предприятий России начнет расти потребность в сырье, а это приведет к существенному увеличению грузопотоков, причем преимущественно } широтном направлении, которое потребует комплексного использования всех видов транспорта. В середине восьмидесятых годов грузонапряженность железнодорожных путей Сибири в 1,5...2,0 раза превышала ее среднюю по Союзу величину, на отдельных участках ( Омск-Новосибирск ) в 5...6 раз Протяженность автомобильных дорог с твердым покрытием в Сибири составляет всего 7% от протяженности их в России. Кроме того, стоимость перевозок железнодорожным транспортом в последние годы возросла настолько, что многие предприятия стали отказываться от их услуг. В этих условиях все возрастающее значение в хозяйственном освоении Сибири и Дальнего Востока, да и жизни всег России, должны приобретать перевозки грузов водным транспортом.

Еще в 1906 году выдающийся русский инженер-гидротехник Н.П. Пузыревский говоря о транспортной системе России того времени, указывал на несоответствие пропускной способности системы и стоимости перевозок с размерами государства. "...Могучему телу России нужны артерии, иначе она не сможет жить. Такими артериями для нее могли бы быть водные пути сообщения..." В те годы он обосновал на основе проведенного им анализа возможность присоединения к водным магистралям Европейской России рек азиатской части страны. По мнению Н.П. Пузыревского, возможность присоединения могла быть достигнута устройством водного сообщения через реки Чусовую, впадающую а Каму, и И сеть впадающую в Тобол, в этом случае сплошной водный путь

достигнет озера Байкал. Сибирская водная магистраль будет состоять из рек Камы, Чусовой, соединительного канала через Уральский хребет; далее в состав магистрали войдут реки Исеть, Тобол, Иртыш, Обь, затем Обь-Енисейский канал, Енисей и Ангара.

Естественные водные пути ( судоходные реки ) и искусственные ( каналы ) имеют, как правило, в своем составе серию гидроузлов, которые для сквозного судопропуска должны быть оборудованы различными лесо-судопропускными сооружениями. На внутренних водных путях в составе речных гидроузлов нашей страны, Западной Европы, США, Канады и других стран мира наиболее широкое распространение получили судонропускные сооружения в виде судоходных шлюзов. Вместе с тем в тех случаях, когда перепад уровней достигает значительной величины, со шлюзами начинает успешно конкурировать другой тип судопропускных сооружений: вертикальные или наклонные судоподъемники, представляющие собой наполненные водой судовозные камеры, перемещающиеся из одного бьефа в другой по вертикальным или наклонным направляющим, вместе с находящимся в них судном [ 198 ].

В техническом отношении устройство непрерывного водного пути в Сибирь ( по предложению Н.П. Пузыревского ) представлялось вполне осуществимым, главная проблема заключалась в преодолении Яблоневого хребта путем устройства соединительного канала. Однако применение судоподъемников в местах сосредоточенных перепадов уровня вполне могло бы обеспечить преодоление, казалось бы неразрешимой проблемы.

Задачи комплексного использования водных путей делают весьма актуальной проблему разработки методов расчета, подбора экономичных типов и габаритных размеров камеры лесо-судопропускных сооружений.

К вопросу необходимости создания единой глубоководной субширотной воднотранспортной магистрали в азиатскую часть страны с выходом ее на Западе к Волге, а на Востоке - к Амуру, вновь вернулись в семидесятые годы, и эта идея рассматривалась как перспективная задача крупного масштаба [ 63, 78, 101, 198 ],

решение которой позволило бы освоить речным транспортом мощный грузопоток в широтном направлении.

Основная трасса сибирского водного пути [ 101 ] намечалась в основном через систему малых рек Сибири и межбассейновые судоходные сооружения.

Элементы единой водной системы России и этапы ее строительства, по мнению автора работы [ 78 ], должны сводиться к следующему:

I этап - Обь - Иртыш ( Чая - Омь ); II этап - Обь - Енисейский канал; III этап -сквозное судоходство по Ангаре ( гидроузлы Иркутский, Братский, Усть-Илимский, Богучанекий должны обеспечивать сквозной судопронуск ); IV этап -соединение Иртыш - Урал ( Тобол - Урал); V этап - Урал - Волга; VI этап - канал Енисей - Лена ( Илим - Кут ); VII этап - соединение Б ай кал- С с лен ra - II! и л ка-Амур; VIII этап - канал Иртыш - Тобол ( Камышловский лог - Емуртла ). Как можно видеть, указанные выше элементы единой водной транспортной системы -Сибречпути, во многом повторяют схему широтно-ориентированного водного пути Н.П. Пузыревского.

Разработанный перспективный план развития гидроэнергетики в Российской Федерации до 2000 г. предполагал строительство ряда гидроузлов. В случае реализации этого плана рассмотрим возможные схемы развития водных путей в районах Сибири и Дальнего Востока f 101, 198 ].

В бассейнах рек Ангары и Енисея наиболее перспективной схемой для развития водных путей является река Ангара с каскадом водохранилищ, которые имеют возможность создать Байкале - Енисейский водный путь; верхний Енисей с каскадом водохранилищ для обеспечения водного пути в Туву; реки Нижняя и Подкаменная Тунгуска с каскадом водохранилищ, по которым возможно осуществлять перевозку угля из Тунгусского каменноугольного бассейна. До строительства гидроузлов на р.Ангаре, длиной 1797км (от Байкала до Енисея ), регулярное судоходство осуществлялось только на участках верхнего и нижнего течения. Иркутский, Братский, Усть-Илимский гидроузлы коренным образ�