автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Определение параметров системы наполнения судоходного шлюза с дополнительным пуском воды поверх ворот

На правах рукописи

РЯБОВ Георгий Георгиевич

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ НАПОЛНЕНИЯ СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПУСКОМ ВОДЫ

ПОВЕРХ ВОРОТ

Специальность: 05.23.07 Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАЙ 2013

005060163

Санкт-Петербург 2013

005060163

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»

Официальные оппоненты:

Дегтярев Владимир Владимирович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)», зав. кафедрой гидротехнических сооружений и гидравлики;

Гусев Александр Васильевич, кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, ФГБУН Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, лаборатория экспериментальной прикладной гидродинамики, старший научный сотрудник.

Ведущая организация: ФБУ «Администрация «Волго-Балт»

Защита состоится 18 июня 2013 года в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.171.03 в ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)» по адресу: 630 008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, д. 113, ауд. 239.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Гарибин Павел Андреевич

Автореферат разослан

мая

2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Судоходные шлюзы в составе инфраструктуры внутреннего водного транспорта играют важнейшую роль. Они оказывают значительное влияние, как на пропускную способность водного пути, так и на его безопасную эксплуатацию.

Более половины судоходных шлюзов России, 52 % которых эксплуатируется от 50 до 75 лет, по прогнозам специалистов к 2015 году будут иметь неудовлетворительный уровень безопасности. Изменение пессимистичных прогнозов возможно благодаря реализации утвержденной подпрограммы «Внутренний водный транспорт» федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России (2010—2015 годы)», которая направлена как на повышение безопасности сооружений, так и на создание эффективной транспортной инфраструктуры.

Внедрение системы наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот на шлюзах с головными системами наполнения из-под плоских ворот позволит одновременно с заменой металлоконструкций верхних основных ворот повысить пропускную способность сооружений.

Реализация указанной системы наполнения возможна только после проведения обоснований ее эффективности, основанных на результатах научных исследований. Именно поэтому тема диссертационной работы, направленная на разработку параметров системы наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот, является актуальной.

Целью диссертационной работы является научное обоснование предложений по увеличению пропускной способности шлюзов с головной системой наполнения из-под плоских подъемно-опускных ворот.

Задачами исследования являются

- уточнение методики гидравлического расчета системы наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот;

- обоснование принятой методики теоретических расчетов путем проведения гидравлических лабораторных исследований условий стоянки одиночного судна в камере шлюза с предлагаемой системой наполнения, а также с системой наполнения только из-под ворот;

- разработка алгоритма определения параметров исследуемой системы наполнения.

Научная новизна:

- впервые определены коэффициенты расхода и подтопления системы наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот, благодаря чему уточнена методика гидравлического расчета;

- обоснована методика расчета гидродинамического воздействия потока воды на одиночное судно в камерах шлюзов с системой наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот;

- разработан алгоритм определения конфигурации верхних основных ворот и режимов их движения в процессе наполнения камеры шлюза с системой наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот.

Достоверность результатов исследований была подтверждена удовлетворительным совпадением теоретических и экспериментальных данных.

Лабораторные исследования выполнялись в гидротехнической лаборатории им. проф. В.Е. Тимонова с соблюдением принципов подобия изучаемых процессов и использованием современной высокоточной измерительной аппаратуры.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований; уточнении гидравлического расчета исследуемой системы наполнения, создании экспериментальных установок, выполнении гидравлических исследований, обработке и анализе полученных эмпирических данных, разработке алгоритма определения параметров системы наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот.

Практическая значимость работы заключается в возможности внедрения результатов исследований при реконструкции судоходных шлюзов Волго-Балтийского и Волго-Донского судоходных каналов для увеличения их пропускной способности.

Разработанная методика определения параметров исследуемой системы наполнения позволяет определить размеры основных элементов системы наполнения и может быть также использована при подготовке проектов новых сооружений.

Апробация работы. Основные положения диссертации были апробированы и докладывались на научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК (1—7 июня 2005, Санкт-Петербург), четвертой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (02—05 октября 2007, Санкт-Петербург), международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию гидротехнической лаборатории им. проф. В.Е. Тимонова (22—23 ноября 2007, Санкт-Петербург), шестой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (16—17 октября 2008, Санкт-Петербург), Межкафедральном научном семинаре НГАСУ(Сибстрин) (02—03 апреля 2013, Новосибирск). Результаты диссертационной работы изложены в 6 публикациях, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

4

Основные результаты и положения работы, выносимые на защиту:

- результаты лабораторных исследований элементов системы наполнения;

- методика гидравлического расчета предлагаемой системы наполнения;

- методика определения параметров предлагаемой системы наполнения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех

глав, заключения, списка литературы из 117 наименований. Основной текст диссертации изложен на 144 страницах, содержит 70 иллюстраций и 9 таблиц.

Автор считает своим долгом выразить признательность коллективам кафедры Гидротехнических сооружений и Гидротехнической лаборатории им. проф. В.Е. Тимонова ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, ее научная новизна и практическая ценность, формулируются цель и задачи исследований, а также основные положения диссертации, выносимые на защиту.

Первая глава (Современное состояние вопроса) посвящена систематизации и анализу путей увеличения пропускной способности судоходных шлюзов.

Отмечается, что устройство шлюзованных водных путей наиболее экономически целесообразно при комплексном использовании рек, когда учитываются интересы различных отраслей экономики.

Вопросами комплексного использования рек занимались ведущие отечественные ученые: А.Е. Андреев, A.A. Беляков, В.И. Букреев, В.Н. Бухарцев, О.Ф. Васильев, Ю.С. Васильев, А.Б. Векслер, В.И. Виссарионов, П.А. Гарибин, Г.Л. Гладков, К.В. Гришанин, В.В. Дегтярев (мл.), В.В. Елистратов, Н.В. Зарубаев, М.А. Колосов, С.А. Кузьмин, В.И. Масликов,

A.JI. Можевитинов, П.С. Непорожний, Ю.И. Николаенко, Ю.П. Правдивец и другие авторы.

Немаловажной составляющей экономической эффективности сооружений является их эксплуатационное техническое состояние, которое определяет уровень безопасности сооружений. Вопросам оценки технического состояния и безопасности гидротехнических сооружений посвящены работы И.О. Алексеева, А.И. Альхименко, . Ю.П. Величенко, Ю.И. Бика, E.H. Беллендира, Н.Д. Беляева, Б.В. Белякова, А.Я. Будина, А.Г. Василевского, A.JI. Гольдина, Б.Ф. Горюнова, Д.А. Ивашинцова, В.П. Костюкова, M.JI. Кузьмицкого, С.Н. Левачева, В.В. Малаханова, Г.В. Мельника,

A.Б. Мошкова, P.M. Нарбута, Г.А. Садовского, A.C. Соколова, Ю.Н. Фомина,

B.К. Штенцеля, С.Г. Шульмана, К.Н. Шхинека, A.M. Цвик, A.M. Юделевича и других авторов.

Пропускная способность судоходного шлюза является его важнейшим параметром, зависящим от объема капиталовложений и технического состояния элементов гидротехнической, механической и электрической частей сооружения. Значительный вклад в решение вопросов увеличения пропускной способности судоходных сооружений внесли A.A. Атавин, В.В. Баланин, В.П. Бутин, О.Ф. Васильев, A.M. Гапеев, П.А. Гарибин, Д.А. Зернов, Б.Д. Качановский, С.С. Кирьяков, В.В. Клюев, Б.В. Коленко, М.А. Колосов, В.В. Кононов, В.А. Кривошей, В.А. Кякк, И.В. Липатов, В.М. Мочалов, Е.М. Махлин, A.B. Михайлов, Г.Ф. Онипченко, H.A. Семанов, В.Л. Шведов, A.A. Шишкин, А.П. Яненко и другие авторы.

Увеличение пропускной способности судоходных шлюзов может быть осуществлено различными путями совершенствования сооружений, основными из которых являются:

сокращение времени операций входа (выхода) судов за счет использования причально-наводочных устройств, изменения формы подходов к шлюзам, уменьшения стеснения живого сечения, использование транзитных попусков воды, реализации галерейных схем, позволяющих предотвратить поршневой эффект и др.;

ускорение процесса операций швартовки судов за счет модернизации плавучих рымов, а также использования автошвартовных устройств;

уменьшение времени наполнения (опорожнения) камеры шлюза за счет внедрения многоскоростных режимов движения затворов наполнения (опорожнения) и совершенствования существующих систем питания.

Отмечается, что одним из перспективных путей ускорения процесса шлюзования является модернизация шлюзов с головной системой наполнения из-под плоских ворот по наиболее оптимальной схеме, представленной на рисунке 1.

Представленная система наполнения позволяет сократить время шлюзования судов за счет ускорения процесса наполнения камеры шлюза путем подачи дополнительного расхода воды поверх ворот, а также уменьшения продолжительности операции опускания ворот в судоходное положение.

На основе выполненного системного анализа были выделены основные параметры системы наполнения, без исследования которых реализация предлагаемой схемы будет необоснованной (рисунок 2).

С целью определения границ исследования был выполнен анализ конструкций шлюзов Волго-Балтийского (ВБК) и Волго-Донского (ВДСК) судоходных каналов, Городецкого и Балаковского шлюзов на р. Волге. Здесь было отмечено, что существует возможность внедрения предлагаемой схемы наполнения без существенных конструктивных изменений голов шлюзов на сооруже-

ниях ВБК и ВДСК, где особенно остро стоит вопрос увеличения грузопропуск-ной способности сооружений.

Рисунок 1 — Система наполнения судоходного шлюза с дополнительным пуском воды поверх ворот

Система г оловного наполнения с додолншеяьньш переливом воды поверх опускных ворота

Подсистема кодами воды

Скорость движения | Время движения

Параметры верхнего оголовка ворот

Очертание нижнего струен аирашшашего

Длина консоли

Конструкция порога и стенки падения

Превышение верха ворот над УВБ в закрытом положении

Коэфф. расхода оголовка

Форма оголовка

Угол ж клона

струенанр; иовершйст 1 козырька

Коэфф. расхода козырька

Подсистема гашения энергии | йоды и выранивания скоростей [

Длина камеры гашения

Дайна успокоительного участка

-| Гасительный экран | ■| Водобойный колодец | [ Плита лар^криткя | - Балочная решетка

Рисунок 2 — Основные параметры системы наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот

Вторая глава (Определение гидравлических характеристик системы наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот) посвящена исследованиям подсистемы подачи воды в камеру шлюза.

Гидравлический расчет этапов наполнения сводится к решению системы уравнений неразрывности и движения жидкости при наполнении камеры шлюза:

М._а+вг m

dt~ Q '

Qi =fiax4lgh[, (2)

Q2=manbcef42iH312 (3)

Здесь g) и ft — соответственно, расходы воды, поступающие через нижнее водопропускное отверстие и оголовок ворот (водослив) в камеру шлюза; ¡л — коэффициент расхода нижнего водопропускного отверстия, приведенный к площади водопропускного отверстия а,; т — коэффициент расхода водослива; сгп — коэффициент подтопления; Л, — величина напора над водопропускным отверстием; Н — напор на водосливе; Q — площадь зеркала воды камеры судоходного шлюза; h — напор на камеру судоходного шлюза (разница уровней воды в верхнем бьефе и в камере шлюза).

Решению системы уравнений (1—3) были посвящены работы A.M. Гапеева и В.А. Кривошея. Результаты расчетов по методикам указанных авторов имеют противоречивый характер, так как значения коэффициентов расхода (/л и т) и подтопления (сгп) водопропускных отверстий, принятые у В.А. Кривошея значительно отличаются от значений, используемых A.M. Гапеевым. К практическому применению эти решения не могут быть рекомендованы, поскольку предлагаемые авторами значения /л, т и сгп не имеют должного обоснования.

В диссертационной работе для определения коэффициентов ц, т и аП был выбран экспериментальный путь исследования.

В целях изучения взаимного влияния работы водопропускных отверстий гидравлические исследования были выполнены в три серии опытов. Две первые серии опытов были посвящены исследованию раздельной работы нижнего водопропускного отверстия и водослива. В третьей серии изучались особенности совместной работы двух водопропускных отверстий.

В ходе экспериментов были исследованы три формы оголовка: прямоугольная (рисунок 3, а, г), с круговым очертанием и эллиптическая (рисунок 3, б, в), а также две формы струенаправляющего козырька: полигональная с переменным углом наклона напорной грани и длиной консоли козырька (рисунок 3, а, б), и криволинейная, подобранная, исходя из одновременного соблюдения

условий обеспечения безотрывного обтекания потока и максимальной пропускной способности отверстия (рисунок 3, в, г).

, к

У /в-'-

л-.

у и

•V

У /

и

л-

Рисунок 3 — Рассмотренные варианты форм верхних основных ворот для предлагаемой системы наполнения

Моделирование осуществлялось по определяющему критерию подобия Фруда. В рассматриваемом диапазоне расходов воды числа Рейнольдса изменялись в пределах от 3 ООО до 100 ООО, т. е. исследования проводились в автомодельной в отношении чисел Яе области. При исследовании нижнего водопропускного отверстия масштаб экспериментальной установки составлял 1:20, при исследовании водослива, а также совместной работы водопропускных отверстий— 1:25.

С целью распространения результатов экспериментов на различные размеры шлюзов диапазон исследований был определен на основании выполненного анализа уже построенных сооружений.

При выполнении лабораторных исследований для сокращения количества опытов были введены следующие границы исследований:

• Для глубины на пороге Иц, рассматривались три варианта — 3,50; 5,50 и 8,30 м, которые соответствуют для существующих шлюзов с плоскими подъемно-опускными воротами минимальной, максимальной и глубине на шлюзе № 8 ВБК.

• Для длины консоли /к рассматривалось три варианта: 0,70; 1,50 и 2,50 м, которые определялись на основании предварительных расчетов для обеспечения необходимой пропускной способности нижнего водопропускного отверстия.

• Для напора на гребне ворот были введены ограничения в 3,50 м, исходя из недопущения предельного вакуума на оголовке.

При проведении лабораторных исследований общее количество серий опытов составило 252, при этом было получено и обработано более 750 опытных точек, минимально необходимых для получения искомых зависимостей. Достоверность опытных данных оценивалась с использованием теории вычисления погрешностей для доверительной вероятности а=0,95.

По опытным данным было получено 12 графиков, для которых были подобраны с использованием программ MS Excel и Maple 10 Classic Worksheet аналитические зависимости в виде полиномов оптимальной степени.

С использованием полученных результатов была уточнена методика гидравлического расчета системы наполнения, которая подразумевает разбивку процесса наполнения на четыре основных этапа (рисунок 4).

Этапы разделяются по условиям истечения потока (в атмосферу или под уровень воды в камере), а также в зависимости от совместной или раздельной работы водопропускных отверстий, следующим образом:

1. Свободное истечение в атмосферу только через нижнее водопропускное отверстие (рисунок 4, а).

2. Второй этап возможен в двух вариантах: истечение только через нижнее водопропускное отверстие (рис. 4, б) под уровень воды (затопленное отверстие) или совместное истечение через нижнее и верхнее водопропускные отверстия в атмосферу (рисунок 4, в).

3. Третий этап характеризуется одновременным истечением через нижнее водопропускное отверстие под уровень воды и свободным переливом в атмосферу потока воды поверх ворот.

4. На четвертом этапе совместная работа двух водопропускных отверстий осуществляется под уровень воды.

Наступление каждого этапа определялось по критериям, разработанным по результатам анализа лабораторных исследований.

Для удобства выполнения гидравлических расчетов автором совместно с Г.В. Титовой была разработана и апробирована программа гидравлического расчета T-GIDRO.exe (рисунок 5).

В третьей главе (Определение условий стоянки судов в камере судоходного шлюза) выполнялась оценка гидродинамического воздействия потока воды на одиночное судно в камере шлюза с системой наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот.

В первую очередь был выполнен анализ существующих методик расчета гидродинамического воздействия потока воды на шлюзуемое судно. Данному вопросу посвящены работы A.A. Атавина, В.И. Букреева, A.M. Гапеева, П.А. Гарибина, С.А. Головкова, C.B. Гулидова, В.П. Василевского,

д

Рисунок 4 — Основные этапы процесса наполнения камеры шлюза

5=S Исходные данные для гидрвн.

J340

¡13,5

F"

Р

¡1

fc - длина камеры beef - ширина камеры Н d - напор на камеру hlh - глубина на пороге верхней головы pi - величина углубления скоса порога по вертикали р2 -высота уступа порога fk - длина струенаправляюш.его козырька |0.005 vb - скорость ворот

ab ' возвышение sopor на У В Б в закрытом положении ' tb -толщина ворот поверху ¡ 3 SI g - ускорение силы тяжести

Форма оголовка .........

прямоугольная Г* циляиндрическая

„-Оаш

; ф opt.10 струенапрарляющего козырька"; I; ■'* криволинейная ! Г* полигональная

! постановкой Борот;

Расчет I

jpf dt - шаг по времени

Рисунок 5 — Окно ввода исходных данных в программе T-GIDRO.exe

О.Ф. Васильева, М.А. Карасина, Б.В. Коленко, В.В. Кононова, М.С. Лавриновского, И.В. Липатова, В.А. Кякк, В.М. Маккавеева, A.B. Михайлова, В.П. Сапцина, С.А. Христиановича, А.П. Яненко и других авторов.

Принятая методика гидродинамического воздействия потока воды на шлюзуемое судно базируется на классической теории академика Моисеева H.H., которая получила развитие применительно к судопропускным сооружениям в трудах О.Ф. Васильева и его научной школы.

Рассматривалась плоская задача в системе координат XOZ, жестко связанной с камерой (рисунок 6). В число уравнений, описывающих колебательные движения одиночного судна в процессе шлюзования, вошли динамическое уравнение движения жидкости, уравнение неразрывности потока жидкости, уравнение движения центра масс судна и уравнения количества движения:

du du dz м| к

— + u— + g— + = 0 dt dx Sdx C2R

dh dh , du

— + u — + h— = — dt dx dx bK

— M xc+ Px- Рше1 + Ршв2 = 0,

— (M + AM) ■ zc - Nz ■ ic - yW + Pz - AM(xc - xM )yc + QmeX + Qwe2 = 0, -(I + AI) ■ y)c -N^ -i(/c + L - РшЛа\ + Ршв2а2 -

-xM)-zc+QluJxc

1 ) Qme 2 (Xuie2 '

2;=o,

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

- АМ(хс

где М — масса судна; АМ — присоединенная масса воды; Ж — объемное водоизмещение судна на спокойной воде; — коэффициент сопротивления

воды вертикальным колебаниям судна; Р. — вертикальная составляющая результирующего вектора возмущающих и восстанавливающих гидродинамических сил, приложенного в центре тяжести судна; I — момент инерции судна относительно его центральной поперечной горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести судна; Л^ — коэффициент сопротивления воды продольным угловым колебаниям судна; £ — момент возмущающих и восстанавливающих гидродинамических сил относительно центрально-поперечной горизонтальной оси; и — осредненная по живому сечению потока скорость течения воды на абсциссе х; к — осредненная глубина потока; — расход, поступающий в камеру шлюза; С — коэффициент Шези; Я — гидравлический радиус.

Рисунок 6 — Расчетная схема колебательного движения одиночного судна в камере в процессе наполнения

Решение представленной системы реализовано в программе Wave.exe, разработанной специалистами ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова».

Для проверки уточненной методики гидравлического расчета, а также принятой теории расчета гидродинамического воздействия потока воды на одиночное судно, были проведены лабораторные исследования процесса наполнения камеры судоходного шлюза.

В состав экспериментальной установки (рисунок 7) вошли головное устройство подачи воды с регулятором уровня воды, верхняя голова, камера

7 13

-I , '........ !

Продольный разрез _10,92 м

шж&т

Л_X ЭЬ.

/ ' \

Ц.......,........„1 I /

\и л] Ш

верхний бак с регулятором уроаш

верхняя ГОЛОЙ4 модели шякш

.................^..................................................................камера модели шлюза

час^щка

Рисунок 7 — Схема экспериментальной установки:

- камера шлюза; 2 — бак с регулятором уровня воды 5; 3 — верхняя голова модели шлюза; 4 — модель судна; 6 —щит опорожнения камеры; 7 — датчики уровня; 8 — датчик усилий с направляющей кареткой; 9 — устройство крепления направляющей штанги; 10 — уклономер;

- рабочие ворота модели шлюза; 12 — двигатель с редуктором скоростей; 13 — рама механизма маневрирования воротами; 14 — гасительный

экран; 15 — балочная решетка; 16 — бычки; 17 — питающий трубопровод с задвижкой; 18 — перфорированные квадратные трубы;

19 — устройство холостого сброса воды регулятора уровня

шлюза, а также одиночное судно.

В ходе лабораторных исследований были изучены условия стоянки одиночного судна при традиционной и предлагаемой системах наполнения.

Изменение системы наполнения осуществлялось путем замены верхних основных ворот модели шлюза. Состав и взаимное расположение элементов камеры гашения при этом не изменялись.

При проведении лабораторных исследований фиксировался уровень воды в камере модели шлюза, положение ворот, гидродинамическая сила, а также продольный дифферент судна в процессе наполнения.

Для измерения указанных параметров использовалась современная высокоточная аппаратура, в том числе ультразвуковые датчики уровня воды, тензо-датчик и уклономер гегойчзтс. В лабораторных исследованиях также был апробирован инклинометр, разработанный с участием автора и защищенный патентом в составе «Системы контроля технического состояния строительных сооружений» (пат. № 108602).

Показания приборов передавались на пульт управления и представлялись в виде графиков, табличных значений, которые впоследствии анализировались и обрабатывались с использованием теории вычисления погрешностей.

Опыты выполнялись сериями для различных скоростей движения ворот. В каждой серии было пять опытов, результаты которых оценивались с использованием теории погрешностей. Всего было выполнено 6 серий опытов — по три серии для каждой системы наполнения.

После обработки данных для каждой серии были получены зависимости от времени гидродинамической силы, воздействующей на судно в процессе наполнения камеры Р =/(/), изменения уклона судна в процессе наполнения /=/(/), изменения уровня воды в камере шлюза у =/(?) и зависимости расхода воды, поступающего в камеру шлюза в течение всего процесса наполнения, б =/(').

В результате сопоставительного анализа зависимостей у =/(/) и =/(<)> полученных опытным путем, а также аналогичных зависимостей, полученных путем расчета по предлагаемой уточненной методике гидравлического расчета системы наполнения, было отмечено их удовлетворительное совпадение, соответствующее точности инженерных расчетов.

В ходе сопоставительного анализа опытных и теоретических значений гидродинамической силы Р =/(0, воздействующей на одиночное судно в процессе наполнения, было выявлено их совпадение, как по величине основных пиков, так и по характеру изменения в процессе наполнения.

В четвертой главе (Разработка рекомендаций по выбору параметров рассмотренной системы наполнения шлюза) представлены рекомендации по выбору параметров рассмотренной системы наполнения. В частности, изложен алгоритм определения параметров элементов системы наполнения, основанный на выполненных лабораторных и теоретических исследованиях.

При определении параметров рассмотренной системы наполнения рекомендуется решать задачу в два этапа: определение параметров подсистемы подачи воды в камеру судоходного шлюза и подсистемы гашения энергии потока воды и равномерного распределения скоростей по живому сечению камеры шлюза.

При определении параметров подсистемы подачи воды в камеру шлюза предлагается рассматривать четыре варианта профилей ворот с различными величинами /к, ак и ав, для которых из условия недопущения превышения нормативной гидродинамической силы необходимо подобрать режим движения ворот (скорость и время движения). Из четырех вариантов выбирается оптимальный, для которого время процесса шлюзования окажется минимальным.

Определение параметров подсистемы гашения энергии потока воды необходимо выполнять для каждого шлюза индивидуально путем проведения гидравлических исследований. Предварительные размеры элементов камеры гашения рекомендуется подбирать с использованием методики, разработанной для систем наполнения судоходных шлюзов из-под плоских подъемно-опускных ворот.

Далее в четвертой главе выполнен технико-экономический анализ рассмотренной системы на примере ее внедрения на шлюзах № 1—6 ВБК. Для этих целей на основании лабораторных исследований было определено время наполнения камеры шлюза при оптимальном режиме, при котором гидродинамическая сила, воздействующая на одиночное судно, не превосходит нормативного значения.

Сопоставительный анализ показал, что сокращение времени в предлагаемой схеме наполнения за счет уменьшения времени наполнения и времени опускания ворот в судоходное положение составляет 3,58 мин (около 8 % общего времени шлюзования).

Ускорение судопропуска сокращает время шлюзования и уменьшает простои флота, благодаря чему достигается экономический эффект в размере 35,94 млн. руб/год.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На основе систематизации научно-технических и проектно-конструкторских разработок, а также анализа результатов эксплуатации дейст-

16

вующих крупногабаритных шлюзов с системой наполнения из-под плоских подъемно-опускных ворот выявлено, что конструкции верхних голов указанных сооружений позволяют внедрить предлагаемую систему наполнения без существенных изменений бетонных частей сооружений в рамках очередной замены металлоконструкций верхних основных ворот.

Сопоставительный анализ результатов лабораторных исследований предлагаемой системы наполнения и системы наполнения из-под плоских подъемно-опускных ворот показал эффективность применения первой. Использование системы наполнения камеры шлюза с дополнительным пуском воды поверх ворот сокращает процессы наполнения камеры шлюза и опускания ворот в судоходное положение. Например, для шлюзов № 1—6 ВБК сокращение времени одного шлюзования будет не менее 3,5 мин (8 %), а общий экономический эффект составит около 35,94 млн. руб/год.

В ходе выполнения данной работы были получены следующие основные результаты:

1. Уточнена методика гидравлического расчета системы наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот. Решение данной задачи базировалось на определении основных форм оголовка и струенаправляющего козырька ворот для предлагаемой системы наполнения и получении для них экспериментальным путем коэффициентов расхода и подтопления. Эмпирические зависимости были заложены в алгоритм гидравлического расчета.

2. Выполнен анализ и даны рекомендации по использованию существующих методов расчета гидродинамического воздействия потока воды на судно в процессе шлюзования. Оценку гидродинамической силы в процессе наполнения камеры шлюза рекомендуется выполнять с использованием существующей теории, разработанной коллективом ученых под руководством О.Ф. Васильева. Применимость данной теории для расчета судоходных шлюзов с системой наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот была подтверждена результатами выполненных лабораторных исследований.

3. Разработан алгоритм определения параметров предлагаемой системы наполнения. Алгоритм определения параметров включает в себя решение двух задач: а — определение параметров подсистемы подачи воды в камеру судоходного шлюза; б — определение параметров подсистемы гашения энергии потока воды и равномерного распределения скоростей по живому сечению камеры шлюза. С использованием разработанного алгоритма можно определять оптимальные параметры предлагаемой системы наполнения, при которых время, затрачиваемое на шлюзование судов, будет минимальным.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Рябов Г.Г. Ускорение шлюзования при использовании комбинированного наполнения камеры судоходного шлюза / Моргунов К.П., Рябов Г.Г.// Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, промышленность: Сб. тр. Шестой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 16-17.10.2008, Санкт-Петербург, Россия / Под ред. А.П. Кудинова, Г.Г. Матвиенко,— СПб., 2008. — с. 281—282.

2. Рябов Г.Г. Гидравлические исследования головной системы наполнения камеры судоходного шлюза с дополнительной подачей воды поверх опускных ворот / Рябов Г.Г. // Речной транспорт (XXI век). — 2011. — №5 (53).—с. 68—74.

3. Рябов Г.Г. Исследование условий стоянки одиночного судна в процессе наполнения камеры судоходного шлюза с дополнительной подачей воды поверх опускных ворот / Рябов Г.Г. // Журнал Университета водных коммуникаций. — 2011. —IV (XII). — с. 8—16.

4. Рябов Г.Г. Лабораторные исследования вакуумного водослива практического профиля как составной части головной комбинированной системы наполнения шлюза / Рябов Г.Г. // Мат-лы межд. науч.-практ. конференции, посвященной 100-летию гидротехнической лаборатории им. проф. В.Е. Тимоно-ва// Под ред. Г.Л. Гладкова, К.П. Моргунова.—СПб.: ИПЦ СПГУВК, 2008,— с. 41—47.

5. Рябов Г.Г. О гидравлическом расчете головной комбинированной системы наполнения камеры судоходного шлюза // Мат-лы межд. науч.-практ. конференции, посвященной 100-летию гидротехнической лаборатории им. проф. В.Е. Тимонова// Под ред. Г.Л. Гладкова, К.П. Моргунова.—СПб.: ИПЦ СПГУВК, 2008.— с. 85—96.

6. Рябов Г.Г. Пример гидравлического расчета головной комбинированной системы наполнения судоходного шлюза / Рябов Г.Г. // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, промышленность: Сб. тр. четвертой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 0205.10.2007, Санкт-Петербург, Россия/ Под ред. А.П. Кудинова, Г.Г. Матвиенко. — СПб., 2007. — с. 300—302.

7. Пат. 108602 Российской Федерации, МПК G01B21/22. Система контроля технического состояния строительных сооружений / Балонин H.A., Гари-бин П.А., Марлей В.Е., Рябов Г.Г.; заявитель и патентообладатель «ФГОУ ВПО СПГУВК»,—№ 2011113750/28, 08.04.2011; опубл. 20.09.2011. №26 — 2 с.

18

Подписано в печать 13.05.13 Сдано в производство 13.05.13

Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 0,95.

_Тираж 100 экз._Заказ № 50_

Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФГБОУ ВПО ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

Министерство транспорта РФ 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»

УДК: 626.45:532.53

04201358866

На правах рукописи

Рябов Георгий Георгиевич

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ НАПОЛНЕНИЯ СУДОХОДНОГО ШЛЮЗА С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ПУСКОМ ВОДЫ

ПОВЕРХ ВОРОТ

Специальность: 05.23.07 Гидротехническое строительство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д. т. н., профессор Гарибин П.А.

Санкт-Петербург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................................4

Глава 1. Современное состояние вопроса............................................................7

1.1. Параметры судоходного шлюза.............................................................7

1.2. Классификация систем питания водой камер шлюзов......................15

1.3. Система наполнения камеры судоходного шлюза с дополнительным

пуском воды поверх ворот...........................................................................23

Выводы по главе 1.........................................................................................34

ГЛАВА 2. Определение гидравлических характеристик системы наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот..................................................36

2.1. Основные положения гидравлического расчета................................36

2.2. Лабораторные исследования пропускной способности водопропускных отверстий системы наполнения.....................................46

2.2.1 Цели и задачи гидравлических исследований.......................46

2.2.2 Описание экспериментальной установки..............................47

2.2.3 Методика исследований и измерительные приборы............51

2.2.4 Методика обработки лабораторных данных..........................56

2.2.5 Результаты опытов и их анализ...............................................58

2.3. Уточнение методики гидравлического расчета.................................68

Выводы по главе 2.........................................................................................75

ГЛАВА 3.Определение условий стоянки судов в камере судоходного шлюза .................................................................................................................................78

3.1. Основные положения расчета гидродинамического воздействия потока на шлюзуемые суда..........................................................................78

3.2. Гидравлические исследования условий стоянки одиночного судна в камере судоходного шлюза..........................................................................86

3.2.1. Цели и задачи исследований...................................................86

3.2.2. Описание конструкций модели шлюза и судна.....................87

3.2.3. Методика исследований и измерительная аппаратура.........90

3.2.4. Методика обработки лабораторных данных..........................98

-3-.2-5:—Результаты-опытовиих-анализ.............................................—99-

3.3. Сравнительный анализ результатов теоретических и

экспериментальных исследований............................................................106

Выводы по главе 3.......................................................................................112

Глава 4. Разработка рекомендаций по выбору параметров рассмотренной системы наполнения шлюза...............................................................................115

4.1. Методика определения параметров рассмотренной системы наполнения...................................................................................................115

4.2. Технико-экономический анализ рассмотренной системы

наполнения...................................................................................................123

Выводы по главе 4.......................................................................................128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................131

Литература...........................................................................................................133

Введение

-Российской"Федерацииркяк и ЁО всех развитых аранахг транспорт---

занимает важнейшее место среди базовых отраслей народного хозяйства. Развитие экономики страны не представляется возможным без совершенствования транспортной системы в целом. Это относится ко всем видам транспорта, немаловажную роль среди которых играет водный.

Современное развитие экономики страны требует модернизации инфраструктуры объектов внутреннего водного транспорта с целью улучшения эксплуатационных характеристик и повышения его конкурентоспособности.

Обеспечение необходимой интенсивности перевозок грузов и пассажиров необходимо решать путем уменьшения или даже удаления «узких мест» и проблем внутренних водных путей, среди которых можно перечислить следующие:

• наличие лимитирующих участков, снижающих пропускную способность внутренних водных путей Единой глубоководной системы европейской части Российской Федерации (однониточные шлюзы Волго-Балтийского водного пути на р. Свирь и северном склоне Волго-Балтийского канала, Городецкий шлюз на р. Волге, однониточные шлюзы Волго-Донского судоходного канала и др.) и не позволяющих реализовать ее транзитный потенциал, и, как следствие, снижающих конкурентоспособность водного маршрута;

• пониженный уровень безопасности гидротехнических сооружений в связи с их неудовлетворительным техническим состоянием;

• необходимость в обновлении и оптимизации флота по отдельным бассейновым управлениям и др.

Уже сейчас в рамках подпрограммы «Внутренний водный транспорт» федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России (2010—2015 г.г.)» реализуется целый комплекс мероприятий, решающих часть обозначенных проблем, что, безусловно, положительно сказывается на

развитии и повышении конкурентоспособности внутреннего водного транс-порта.-^^—........................... - ^ ^ —

Важнейшую роль в инфраструктуре внутреннего водного транспорта играют судоходные шлюзы, от работы которых во многом зависят объемы перевозимых грузов. Ограничения пропускной способность всего одного сооружения шлюзованной системы приводит к ограничениям перевозки грузов на всем протяжении водного пути.

Пропускная способность шлюзованных водных путей во многом зависит от технических характеристик шлюзов, простоев шлюзов в ожидании подхода судов с рейдов, неравномерности подхода флота к шлюзам, структуры флота, организации пропуска судов и других факторов.

Среди множества технических решений, позволяющих ускорить процесс шлюзования, одним из перспективных является использование схемы наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот. Исследования А. М. Гапеева и В. А. Кривошея показали, что данное техническое решение позволяет увеличить пропускную способность шлюза не менее чем на одно судно в сутки, что является особенно актуальным в период интенсивного грузопотока, когда имеют место простои флота до А—5 суток.

Анализ отечественных и зарубежных источников показал, что имеющиеся исследования не позволяли определить оптимальные геометрические и гидравлические параметры системы наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот. Этот факт являлся препятствием для внедрения указанной системы наполнения при комплексной реконструкции судоходных шлюзов в рамках федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России (2010-2015 гг.)». Положительное решение о внедрении данной системы наполнения возможно было только после проведения специальных гидравлических исследований и разработки на их основе методики подбора основных параметров системы наполнения.

В рамках данной работы изучение предлагаемой системы наполнения осуществлялось путем проведения лабораторных исследований нескольких

вариантов конструкций ворот, разработки алгоритма гидравлического расче-та-системытгаполнеггаягэкспериъгентэдш^

одиночного судна в процессе наполнения и обоснования методики расчета гидродинамического воздействия потока воды на судно.

Уточненный алгоритм гидравлического расчета судоходного шлюза с дополнительным пуском воды поверх ворот был использован при разработке программы T-GIDRO.exe, которая позволяет полностью автоматизировать процесс вычисления гидравлических характеристик системы наполнения, задав основные параметры камеры шлюза, ворот и порога верхней головы судоходного шлюза.

В ходе исследований был также разработан алгоритм определения параметров предлагаемой системы наполнения с дополнительным пуском воды поверх ворот, а также выполнен расчет технико-экономического обоснования внедрения предлагаемой системы наполнения.

Автор считает своим долгом выразить признательность и благодарность коллективу кафедры Гидротехнических сооружений ФГБОУ ВПО «ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова», лично ее заведующему — К. П. Моргунову, профессору П. А. Гарибину, профессору А. М. Гапееву, профессору В. В. Клюеву, доценту С. А. Головкову и зав. лабораторией им. проф. В. Е. Тимонова — Б. В. Коленко за советы и ценные консультации, оказанные ими в процессе работы над диссертацией.

Глава 1. Современное состояние вопроса 1.1. Параметры судоходного шлюза

Шлюзование рек — один из способов улучшения судоходных условий, заключающийся в возведении ряда подпорных сооружений по длине реки с целью подъема уровня воды для увеличения габаритов судового хода. Для преодоления судами сосредоточенных падений уровня воды, возникающих вследствие строительства водоподпорных сооружений, в состав гидроузлов включают судоходные шлюзы или судоподъемники.

Судоходный шлюз как сооружение, позволяющее преодолеть сосредоточенное падение уровня воды, является наиболее распространенным в России и в мировой практике. Так, например, на 89 действующих судоходных шлюзов в России приходится один судоподъемник. Подобную тенденцию можно наблюдать и за границей. Например, по данным [117] в Китае на 960 судопропускных сооружений приходится 900 судоходных шлюзов и 60 судоподъемников.

Одним из важнейших аспектов шлюзования рек является технико-экономическое обоснование схемы шлюзования и габаритов водного пути, которые являются основой при оценке окупаемости капиталовложений в строительство новых сооружений.

При чисто транспортном шлюзовании, когда строительство подпорных сооружений направлено лишь на увеличение габаритов водного пути, окупаемость капиталовложений ложится полностью на водный транспорт. При этом стараются сократить капиталовложения назначением таких подпорных уровней, при которых берега шлюзованного пути не выходили бы за пределы коренного русла.

При транспортном шлюзовании для обеспечения окупаемости капиталовложений необходимы большие экономически обоснованные грузопотоки в периоде окупаемости, который обычно составляет порядка 10—12 лет.

Наиболее экономически целесообразным является комплексное шлюзование водншх'11у'1еЙ7жщ'да ренгабелтвстгхтроитетЕства отдельно взятых" сооружений обеспечивается за счет всего комплекса гидротехнических сооружений. Основным элементом комплексных гидроузлов часто является гидроэнергетика, окупаемость которой обычно обеспечивается с запасом, что, в свою очередь, значительно влияет на экономическую целесообразность строительства судопропускных сооружений.

Вопросами комплексного использования рек занимались ведущие отечественные ученые: А.Е. Андреев, A.A. Беляков, В.И. Букреев, В.Н. Бухарцев, О.Ф. Васильев, Ю.С. Васильев, А.Б. Векслер, В.И. Виссарионов, П.А. Гарибин, Г.Л. Гладков, К.В. Гришанин,

B.В. Дегтярев {мл.), В.В. Елистратов, Н.В. Зарубаев, М.А. Колосов,

C.А. Кузьмин, В.И. Масликов, A.JI. Можевитинов, П.С. Непорожний, Ю.И. Николаенко, Ю.П. Правдивец и другие авторы.

Изменение экономических показателей судоходного шлюза для увеличения его окупаемости (рисунок 1.1) возможно путем:

• уменьшения капиталовложений в период строительства;

• сокращения эксплуатационных расходов;

• повышения эксплуатационных показателей сооружения;

• улучшения технического состояния элементов шлюза. Важнейшей составляющей экономической эффективности сооружения

является его эксплуатационное техническое состояние, которое определяет его безопасность и эксплуатационные качества. Вопросам оценки технического состояния и безопасности ГТС посвящены работы И.О. Алексеева, А.И. Альхименко, Б.В. Белякова, Н.Д. Беляева, Ю.И. Бика, А.Я. Будина,

A.Г. Василевского, Ю.П. Величенко, A.JI. Гольдина, Б.Ф. Горюнова, Д.А. Ивашинцова, М.А. Колосова, В.П. Костюкова, M.JI. Кузьмицкого, С.Н. Левачева, В.В. Малаханова, Г.В. Мельника, А.Б. Мошкова, P.M. Нарбута, Г.А. Садовского, A.C. Соколова, Ю.Н. Фомина,

B.К. Штенцеля, С.Г. Шульмана, К.Н. Шхинека, A.M. Юделевича и др.

Рисунок 1.1 — Диаграмма экономической эффективности судоходного шлюза

Объем капиталовложений в качестве параметра сооружения закладывается на этапе проектирования-и-фактически-определяет" экономическую" эф ~ фективность сооружения, как в расчетном периоде окупаемости сооружения, так и в последующие годы. Он может быть сокращен за счет использования более экономичных решений систем питания, например, головных вместо распределительных, и более экономичных и технологичных строительных конструкций — таких, как шпунтовые стенки.

Капиталовложения могут быть также сокращены в связи с совершенствованием методик расчета, позволяющих значительно экономить строительные материалы. Как показала практика строительства Боткинского шлюза [33], несмотря на общепринятое мнение дороговизны строительства шлюзов с распределительной системой питания, удельная стоимость полезного объема камеры оказалась ниже аналогичной стоимости камеры шлюза № 1 Волго-Балтийского канала, приведенной к ценам одного года, на 12 %, а по сравнению с типовыми шлюзами Волго-Донского канала — на 28 %.

Эксплуатационные расходы судоходного шлюза в основном связаны с затратами на поддержания в работоспособном состоянии и обслуживание основных рабочих элементов и механизмов шлюза, в том числе рабочих ворот, затворов наполнения (опорожнения), мостов, светосигнального оборудования и т. п.

Техническое состояние судоходного шлюза является важнейшим параметром, который необходимо поддерживать на определенном заданном уровне. Особенностью этого параметра является тот факт, что его снижение ниже минимально допустимого значения приводит к остановке работы сооружения, что неизбежно влечет за собой падение экономической эффективности работы отдельного судоходного шлюза и шлюзованного водного пути в целом до нулевого значения.

Грузопропускная способность судоходных шлюзов во многом зависит от объема капиталовложений и технического состояния элементов гидротехнической, механической и электрической частей сооружения. Значительный

вклад в решение этого вопроса внесли труды A.A. Атавина, В.В. Баланина,

B.П. Бутина, О.Ф. Васильева, A.M. Гапеева, Д.А. ЗерновагБ^ЦгКачановскогот"

C.С. Кирьякова, В.В. Клюева, Б.В. Коленко, М.А. Колосова, В.В. Кононова, В.А. Кривошея, В.А. Кякка, И.В. Липатова, В.М. Мочалова, Е.М. Махлина, A.B. Михайлова, Г.Ф. Онипченко, H.A. Семанова, В.Л. Шведова, A.A. Шишкина, А.П. Яненко и других авторов.

Влияние различных факторов на грузопропускную способность судоходного шлюза хорошо просматривается на блок-схеме, представленной на рисунке 1.2, где выделены «движенческая» составляющая процесса шлюзования, включающая время входа и выхода судов, и «машинная», которая определяется временем работы механизмов ворот, а также временем наполнения или опорожнения камеры шлюза. Считается, что основной резерв повышения пропускной способности скрыт в «движенческой» составляющей, поскольку ее доля в большинстве случаев оказывается превалирующей. К сожалению, в современных условиях при отсутствии нормальной дисциплины в организации судопропуска незначительная экономия времени в несколько минут считается неэффективной, однако при значительных грузопотоках, когда простои флота могут достигать до А—5 суток, приходится считаться даже с минимальным сокращением времени процесса шлюзования [46,47].

А. В. Михайлов [68] выделяет среди параметров, влияющих на пропускную способность шлюзов, неравномерность распределения грузопотока в различные направления, что становится особенно актуальным при большом грузопотоке. Во времена СССР данную задачу решили созданием нового типа судна — нефтерудовоза, который в одном направлении вез руду, а в другом — нефть. Для большинства типов нефтеналивных судов не имеется возможности для перевозки другого типа грузов (помимо нефти и нефтепродуктов), поэтому указанный тип судов движется в одном направлении всегда порожнем.

4

I

Увеличение пропускной способности судоходного шлюза

і__

Движенческая составляющая

Операции входа / выхода судов Гг== п

Ч] !1

Машинная составляющая

Сокращение длины подходов

Увеличение сечения канала

Использование причально-наводочных устройств

Увеличение глубины на пороге

Использование обходных галерей для устранения поршневого эффекта

Использование транзитных попусков воды

гр І

Маневрирование воротами

Ускорение движения ворот

Совмещение

операций движения ворот в судоходное положение с процессом наполнения камеры шлюза

?

Операции по швартовке судов

Авшмашзация швартовки судов

Использова�