автореферат диссертации по транспорту, 05.22.17, диссертация на тему:Повышение безопасности судоходных условий на участках рек с мостовыми переходами

На правах рукописи

005015582

ПАВЛУШКИН СЕРГЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ СУДОХОДНЫХ УСЛОВИЙ НА УЧАСТКАХ РЕК С МОСТОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ (на примере рек Обского бассейна)

Специальность 05.22.17 - Водные пути сообщения и гидрография

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

і мар ті

НОВОСИБИРСК - 2012

005015582

Работа выполнена в ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта».

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Ботвинков Владимир Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Гладков Геннадий Леонидович

Защита состоится «23» марта 2012 г. в 14-30 ауд. 227 на заседании диссертационного совета Д223.008.02 при ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» по адресу: 630099, г. Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, тел./факс (383) 222-49-76; e-mail: ngavt@ngs.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «НГАВТ».

Автореферат разослан «^У» ^012 г.

кандидат технических наук, доцент

Иващенко Анатолий Тимофеевич

Ведущая организация:

ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»

Ученый секретарь /у Q

диссертационного совета ffifa J^^^J^ltiUY Михайлова Т.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Социально-экономическое развитие обширного Западно-Сибирского региона во многом зависит от регулярного судоходства по рекам, на которых необходимо в течение всей навигации поддерживать требуемые габаритные размеры судовых ходов.

Анализ безопасности условий судоходства на реках Обского бассейна показывает, что одними из наиболее затруднительных участков являются участки рек с мостовыми переходами, которые создают дополнительные трудности при организации транзитного судоходства и требуют поддержания дополнительных мер безопасности по сравнению с другими участками рек.

Поэтому актуальным представляется теоретическое и экспериментальное обоснование комплекса требований по обеспечению безопасных условий судоходства и разработки методики их оценки.

Степень изученности проблемы. Вопросы учета обеспечения судоходных условий при возведении мостовых переходов в той или иной мере нашли отражение в работах Н.И. Алексеевского, К.Н. Берковича, B.C. Боровкова, В.М. Ботвинкова, М.А. Великанова, Г.Л. Гладкова, К.В. Гришанина, В.В. Дегтярева, Н.И. Маккавеева, М.А. Мухина, И.В. Попова, H.A. Ржаницына, В.А. Седых, В.М. Селезнева, P.C. Чалова и др. В этих работах заложены основы проектирования судоходной трассы с учетом русловых процессов и обеспечения судоходства, но общей методики такого инженерного обоснования не существует.

Цель работы: обоснование системы требований к проектам на мостовых переходах и разработка на их основе методики расчетного обоснования трассы и габаритов мостовых переходов на судоходных реках на примере рек Обского бассейна.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- на основе обобщения опыта согласования проектов мостовых переходов и анализа изменений судоходных условий на реках Обского бассейна разработать обобщенную систему требований, в достаточной мере отражающую потребности безопасности судоходства;

- разработать методику расчетного обоснования трассы и габаритов мостовых переходов через судоходные реки с учетом изменений уро-венного и скоростного режимов течения реки, а также особенностей развития руслового процесса;

- произвести оценку влияния смещения осередков и побочней на судоходные условия на участках мостовых переходов;

- на основе натурных и лабораторных данных исследовать условия обтекания мостовых опор и дать рекомендации по их влиянию на безопасность судоходства;

- оценить изменения пропускной способности русла в створе мостовых переходов с учетом изменения коэффициента шероховатости;

- разработать план ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов в районе мостовых переходов.

Объектом доследований являются судоходные реки Обского бассейна на участках расположения мостовых переходов.

Область исследования - обеспечение безопасных условий судоходства на участках рек с мостовыми переходами.

Теоретико-методологической базой исследований явился системный подход к изучению влияния инженерных сооружений на ход руслового процесса на основе гидроморфологического подхода. При этом использовались методы обработки результатов измерений и анализа размерностей физических величин.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- на основе обобщения накопленного опыта разработана система требований к обеспечению безопасных условий судоходства на участках мостовых переходов через реки;

- разработана методика расчетного обоснования трассы и габаритов мостовых переходов на судоходных реках;

- по натурным и лабораторным исследованиям изучены условия обтекания опор мостовых переходов;

- произведена оценка изменения пропускной способности русла в створе мостового перехода с учетом увеличения коэффициента шероховатости;

- изучены и учтены условия и размеры вихревых образований при обтекании мостовых опор;

- получена эмпирическая зависимость для оценки смещения побочней и осередков на участках мостовых переходов;

- внесены изменения в план ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов (ЛАРН).

На защиту выносятся:

- система требований к обеспечению безопасных условий судоходства на участках мостовых переходов;

- методика расчетного обоснования трассы и габаритов мостовых переходов на судоходных реках;

- расчетные зависимости для определения размеров вихревых образований при обтекании мостовых опор, скорости смещения побочней и осередков на вышележащем участке;

- рекомендации по определению увеличения коэффициента шероховатости в створах мостовых переходов, влияющего на изменение пропускной способности русла;

- разработанный план ЛАРН для условий Обског о бассейна.

Практическая значимость ц реализация работы. Основные положения диссертации нашли отражение и имеют важное практическое значение в производственной деятельности Обского государственного управления водных путей и судоходства при обеспечении безопасных судоходных условий плавания на участках рек с мостовыми переходами. Полученные результаты входят в программу подготовки специалистов и повышения квалификации.

Аппробацпя работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на совещании в Федеральном агентстве речного и морского транспорта Министерства транспорта Российской Федерации (Москва, 2009 г.), на межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. (Барнаул, 2009 г.), научных конференциях Новосибирской государственной академии водного транспорта (Новосибирск, 20072009 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них четыре - в рецензируемых изданиях.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Основной текст изложен на 99 стр. В работе имеются 6 таблиц и 30 рисунков. Библиографический список включает 152 источника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и показана необходимость учета обеспечения безопасных условий плавания на участках рек с мостовыми переходами.

Первая глава посвящена анализу особенностей русловых процессов и судоходных условий на участках мостовых переходов.

Основные нормы и технические требования к мостовым переходам на внутренних водных путях определяются межгосударственным стандартом «Габариты подмостовых судоходных пролетов мостов на внутренних водных путях». При этом выполнен анализ действующих требований к мостовым переходам на внутренних водных путях.

Настоящий стандарт разработан с целью создания и дальнейшего использования в странах СНГ единого нормативного документа, регламентирующего на внутренних водных путях (ВВП) нормы и технические требования на габариты судового хода в подмостовом пространстве судоходных пролетов мостовых переходов, необходимые для пропуска судов, плотов и других плавсредств, исходя из безопасных условий, при которых возможна эксплуатация транспортного флота, соблюдение общих требований по экологической безопасности водного бассейна и обеспечение сохранности пролетных строений и опор самих мостов.

Мостовые переходы следует располагать на участках водных путей, удовлетворяющих следующим требованиям:

а) русло реки должно быть устойчивым, позволяющим удерживать судовой ход без перемещений его по ширине реки и не допускающим негативные изменения глубин, влияющих на судоходство;

б) участок реки должен быть прямолинейным с достаточным удалением от перекатов, по возможности, без поймы или с высокой незначительно затопляемой поймой. Длина прямолинейного участка, а также расстояние от моста до перекатов должны быть, как правило, с верховой стороны не менее трех, а с низовой стороны - не менее полутора длин расчетного судового состава;

в) направление течения и ось судового хода должны быть, как правило, параллельны. Отклонение не должно превышать 10°;

г) глубина в судоходных пролетах мостов по всей ширине подмос-тового габарита, а также на расстоянии от мостового перехода должна быть не менее гарантированной глубины судового хода на расчетную перспективу;

д) расположение и количество судоходных пролетов должны быть выбраны на основе прогноза возможных русловых переформирований.

е) увеличение максимальной скорости течения воды в створе моста, вызванное его строительством и эксплуатацией, не должно превышать 20 % при значении максимальной скорости течения воды в естественных условиях до 2 м/с и 10 % - при ее значении более 2 м/с.

Как показывает практика, при возведении мостовых переходов через реки в существенной мере изменяются условия формирования руслового процесса на таких участках.

Общепринятой методикой при проектировании путевых работ для обеспечения безопасных условий плавания, в том числе и на участках расположения мостовых переходов, является использование гидроморфологической классификации русловых процессов, разработанной МГУ им. М. В. Ломоносова

Разбросанное русло встречается только на Бие и на Катуни, причем на последней в пределах судоходного участка при создании современной трассы судового хода оно было искусственно трансформировано в серию излучин.

На некоторых реках, особенно на севере бассейна, русла рек осложнены пойменной многорукавностью, создающей сложную сеть ответвлений от основного русла, независимо от его морфодинамического типа, расчленяющей широкую пойму реки на отдельные очень крупные островные массивы. Пойменная многорукавноегь характерна для Ты-ма, Кети, Нижнего Чулыма, Васюгана, а также для средней Оби ниже устья Чул ыма.

Доминирующим типом русла на реках Обского бассейна является свободное меандрирование. Оно преобладает на всех реках, развиваясь даже на магистральной реке бассейна - Оби, а на некоторых (Алей) является единственным типом. На реках бассейна встречаются все виды свободных излучин, причем на большинстве из них преобладающими являются участки русла с сегментными излучинами. На Чижап-ке, Алее и Чузике преобладают омеговидные излучины. Меньше всего на реках бассейна русел с синусоидальными излучинами, однако при определенных условиях их доля оказывается существенной - 16% на Чижапке, 18% на Чарыше, 12% на Нюрюльке. На остальных реках, где они встречаются, их доля не превышает 10%.

От общей протяженности русел судоходных рек Обского бассейна 96% составляют широкопойменные и всего 4% - врезанные.

Среди широкопойменных типов русел в Обском бассейне преобладают извилистые - почти 71%, на долю разветвленных русел приходится 14%, а на участки относительно прямолинейного русла приходится только 15%.

Из 26 существующих мостовых переходов через реки Обского бассейна только 17 удовлетворяют требованиям межгосударственного стандарта. Причины нарушений связаны с тем, что мостовые переходы

расположены на урбанизированных участках рек, где экономически весьма затруднительно обеспечить подходы и дорожные развязки.

Обеспечить нормальные судоходные условия в таких ситуациях крайне затруднительно из-за невозможности поддерживать безопасные условия судоходства дноуглублением, а иногда и выправлением ввиду невозможности примыкания выправительных сооружений к берегу. Изменение качества, направленности и интенсивности руслового процесса в существенной мере зависят от выбора створа и характеристики бытовых условий на участках проектирования и строительства мостовых переходов. При этом в большей мере устройство мостовых переходов оказывает влияние на плановые деформации в нижних бьефах мостовых переходов, имеющие тенденцию к спрямлению русла и сопровождающиеся изменениями уровенного режима, кинематической структуры потока и глубинной эрозии. При этом фактически не рассматриваются деформации русла как непосредственно в створах мостовых переходов, так и на непосредственно примыкающих к ним участках, т.е. не даются рекомендации по оценке влияния мостовых переходов на судоходные условия.

В то же время практика показывает, что негативные для судоходных условий проявления руслового процесса на таких участках после строительства мостовых переходов полностью устранить или в значительной мере уменьшить крайне затруднительно, поскольку проведение дноуглубительных работ ограничивается параметрами дноуглубительной техники (земснарядов, плавкранов и т.п.) как по причине их габаритов, так и по условиям работ, что требует проведения упреждающих мер путем проведения комплекса дноуглубительных и выправительных работ.

Эти обстоятельства диктуют необходимость разработки методики расчетного обоснования трассы и габаритов мостовых переходов на судоходных реках.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям руслового режима и кинематики течения на участках мостовых переходов через реки.

Натурные исследования выполнялись под руководством и при личном участии автора на участках мостовых переходов на реках Катунь, Чулым, Томь и Обь в навигации 2004-2008 г.г.

Целью выполнения натурных исследований являлось изучение режимов течения и руслового режима на участках расположения мостовых переходов протяженностью не менее 2 длин мостовых переходов

выше створа моста и 3-х длин ниже по течению и на меандрирующих участках не менее протяженности двух излучин реки. При этом программой натурных исследований было предусмотрено выполнение русловых съемок, измерение уклонов свободной поверхности воды, скоростей и направлений течений.

Отметки свободной поверхности фиксировались по урезам воды нивелировкой IV класса, а измерение скоростей течения осуществлялось гидрометрической вертушкой и инструментальной фиксацией прохождения гидрометрических шестов. В качестве плавучих средств кроме катера КС-100Д использовались теплоходы проекта 391А и 861.

Положение гидрометрических шестов и промерного судна, которым служил катер КС-100Д, оснащенный эхолотом, фиксировалось двумя мензулами, на которых были установлены микроэлектромоторы, питающиеся от батарей напряжением 4,5В, с помощью которых на планшетах обеих мензул электромагнитами синхронно отмечались направления на объект съемки, что повысило точность определения положения наблюдаемого объекта.

Особое внимание уделялось изучению обтекания опор мостов речным потоком. Опоры мостовых переходов отличались различными очертаниями в плане и наличием или отсутствием ледорезных устройств (деревянных и железобетонных откосов). Наряду со стеснением речного потока отмечалось наличие нестационарности.

По годам натурные исследования руслового режима и кинематики течения на участках расположения мостовых переходов проводились на следующих реках: 2004 год - p.p. Катунь, Чулым, Обь; 2005 год -p.p. Катунь, Обь, Томь; 2006 год - р. Обь; 2007 год - p.p. Чулым, Обь; 2008 год - p.p. Катунь, Обь.

Данные натурных исследований позволили зафиксировать и оценить прохождение речного потока на участках мостовых переходов.

Наряду с этим обтекание опор мостовых переходов через реки было решено выполнять на схематизированных моделях, представляющих собой устои мостов в гидравлическом лотке прямоугольного сечения лаборатории кафедры Водные пути, гидравлика и гидроэкология НГАВТ. Программа испытаний предусматривала их проведение при различных плановых очертаниях опор мостов и уровнях воды.

План модели мостового перехода в лабораторном лотке шириной 130 см представлен на рисунке 1. Измерение кинематических характеристик потока производилось в соответствии с общепринятыми в практике лаборатории методиками. Во всех опытах измерялись скоро-

сти на вертикалях в трех точках. Направление поверхностных токов фиксировалось с помощью поплавков и мелкого конфетти, донных токов - введением в поток нигрозина.

Моделирование осуществлялось по числу Фруда, диапазон изменения которого в опытах (0,007-0,08) соответствует режиму рек Сибири и Дальнего Востока.

Определяющими критериями для обеспечения кинематического, динамического и геометрического подобий модели и натуры являются критерии Фруда и Рейнольдса.

Исследования проводились в автомодельной области, нижняя граница которой устанавливалась по числу Рейнольдса.

Фотография рабочей части модели мостовых опор в гидравлическом лотке представлена на рисунке 2.

Рисунок 1 - План модели мостового перехода в гидравлическом лотке

1 - Подача воды

2 - Принимающий приямок

3 - Трубчатый успокоитель

4 - Пластинчато-поворотный затвор

5 - Сливное устройство

6 - Опоры мостового перехода

п

ч.

!-' й О I

¡30 сЫ

Третья глава посвящена оценке уменьшения пропускной способности русла и особенностям расчетного обоснования мест расположения судоходных мостовых пролетов.

Устройство мостовых переходов за счет стеснения потока приводит к уменьшению пропускной способности русла, что обуславливает из-

менение уровенного режима, кинематики потока и русловых переформирований. Мостовой переход, как русло-пойменное препятствие, увеличивает шероховатость на данном участке реки. Это явление можно охарактеризовать количественными изменениями коэффициента ше-

Рисунок 2 - Рабочая часть модели мостовых опор в гидравлическом лотке

Исходя из формулы Шези и используя известную формул}' Манинга для коэффициента Шези и материалы наших натурных исследований

на участках строительства мостовых переходов, в результате которых были получены данные по уклонам свободной поверхности до и после возведения переходов, удалось количественно оценить изменение коэффициента шероховатости по сравнению с его значением в бытовом состоянии.

Для получения численных значений коэффициент шероховатости для участков рек с мостовыми переходами, следуя методологии Н.Б. Барышникова, был представлен в следующем виде Ч

П=Пб+Па, : ■ (1)

где пб - бытовое (до устройства мостового перехода) значение коэффициента шероховатости; пд - коэффициент шероховатости, учитывающий дополнительное

сопротивление при наличии мостового перехода за счет стеснения потока.

Значение пд может быть определено по следующей зависимости, полученной нами при обработке натурных данных:

пд=К{пб+К2

(2)

К, =0,00015Л^ + (^)2- 0,0005 . (3)

где К2 =0,004; ' " ' . ; •

N - количество мостовых опор; . У' .;- . * '•* соПр, со б - соответственно площади живых сечений в створе мостового перехода в проектном (после окончания возведения мостовых опор) и бытовом (до начала строительства) состояниях при рассматриваемом расходе воды в реке. Кроме того, по результатам натурных исследований на реках Обского бассейна и лабораторных исследований в гидравлическом лотке были получены результаты, позволившие установить, что при обтекании мостовых опор наблюдается образование водоворотных областей

за опорой во всех случаях, пульсация и срывы вихрей вдоль боковой поверхности опор, если направление течения не совпадает с ее положением, а также местный подъем уровня воды у головы опоры.

На рисунке 3 показано положение свободной поверхности и сопровождающее его образование вертикальной циркуляции у головы мостовой опоры.

"Ж"

ьх

'А

I

т

і

т

---^

Рисунок 3 - Набегание потока на мостовую опору

Повышение отметки свободной поверхности воды при обтекании мостовой опоры А Ъ „ •• ■

дг = і,оз-

(4)

где V - поверхностная скорость течения на подходе к мостовой опоре (измерялась на удалении 2 метра выше по течению опоры моста).

Относительная длина водоворота за мостовой опорой по результатам обработки натурных данных и лабораторных данных зависит как от относительной глубины потока, так и от ширины мостовой опоры.

-^ = 5.74-^ Д)0'04

пр

в т

# =50,1—+ 0,077^

Впр вр

(5)

где Ву, Вр, В„р - соответственно ширина русла реки, мостовой опоры, мостового пролета;

Тр - глубина в мостовом пролете.

Средние квадратичные отклонения для зависимостей (2) - (6) соответственно составили в процентах: 0,4; 0,47; 0,2; 1,2; 1,6. Коэффициенты корреляции для полученных зависимостей лежат в пределах: 0,962; 0,946; 0,961; 0,951; 0,972, соответственно.

Полученные зависимости могут быть использованы при рассмотрении прохождения судов и судовых составов через мостовые переходы по известным методикам управления судов на сложном течении О.И. Гордеева.

При выборе трассы мостового перехода через судоходные реки необходимо учитывать требования по обеспечению безопасных условий судоходства, которые можно сформулировать в следующем виде:

- безусловное выполнение нормативных требований при проектировании мостовых переходов;

- установленные габаритные размеры судового хода должны обеспечиваться на весь период его нормативной эксплуатации, как с учетом возможной заносимости, так и перспективы их увеличения;

- при обтекании опор мостов не должны образовываться водоворот-ные области, приводящие к навалам судов и судовых составов на мостовые опоры;

- нижние отметки межпролетных конструкций мостовых переходов должны соответствовать пропуску судов и судовых составов без касания их палубными надстройками в течение всей судоходной навигации;

- условия пропуска ледохода и речного потока в створе мостового перехода не должны давать дополнительные условия для создания ледовых заторов и подмыву опор мостового перехода;

- мероприятия по поддержанию нормальных условий судоходства с учетом развития руслового процесса на период строительства и эксплуатации моста должны быть в должной мере отражены в проекте и быть выполнены до пуска моста в эксплуатацию;

- обследование состояния русла должно проводиться не реже, чем один раз в два года;

- учитывать требования по обеспечению нормальных условий эксплуатации подводных, надводных и вдольбереговых инженерных сооружений;

- при наличии меандр схему русловых процессов необходимо рассматривать на участке протяженностью не менее одной меандры выше и ниже по течению мостового перехода.

Сложившаяся в последние годы практика проектирования и строительства мостовых переходов через судоходные реки в Сибири и на Дальнем Востоке, в том числе и в Обском бассейне, показывает, что мостовые переходы устраиваются на криволинейных участках и с превышением допустимого угла пересечения мостом основного направления течения. Это обстоятельство требует выполнения специальных путевых мероприятий по обеспечению нормальных судоходных условий комплексом дноуглубительных и выправительных работ, включая бе-регоукрепление.

Наиболее эффективным способом закрепления судоходной трассы на участках мостовых переходов является строительство продольных струенаправляющих сооружений и берегозащитных шпор. Отсутствие у современных мостовых переходов капитальных ледорезов частично компенсируется устройством деревянных наклонных свай, которые успешно выполняют свое основное предназначение - защиту опор от навала льда, но не позволяют в должной мере предотвратить подмыв фронтальной части мостовых опор, что требует предусматривать укладку груша в образующиеся ямы размыва.

Высотное положение нижней части пролетных строений должно обеспечивать безопасное прохождение судов и судовых составов с учетом высоты палубных надстроек, включая мачты разного назначения.

Исходя из этого и обобщая накопленный опыт, можно рекомендовать следующую зависимость для определения минимального безопасного превышения палубных надстроек при прохождении мостового перехода

Нс = ~ ¿пр ~ А^с ~ (7)

где 2„р - отметка проектного уровня воды;

Нс - максимальное превышение надпалубных надстроек над ватерлинией судна в порожнем состоянии; у}пах с - максимальное превышение судоходных навигационных уровней воды над проектным уровнем;

Л/г - нормативный запас с учетом продольного дифферента судна при прохождении данного участка реки.

На основе анализа русловых процессов в районах мостовых переходов по сопоставленным и совмещенным планам получена обобщенная формула для оценки средней навигационной скорости смещения русловых форм:

г =

где I - продолжительность навигации от начала рассматриваемого периода, сут.;

Кав ~ продолжительность навигации, сут. Для участка мостового перехода автодороги «Байкал» получены следующие значения коэффициентов уравнения (8): аъ = 0,027; а2 = -0,363; а, = 1,299; а0 = 0,506.

В последнем пункте третьей главы представлен план ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов на участках мостовых переходов в Обском бассейне.

Выполненные исследования позволили разработать методику расчетного обоснования трассы и габаритов мостовых переходов на судоходных реках, которая приведена в четвертой главе диссертации. В предложенной методике дана последовательность выбора и принятия проектных решений, начиная от перечня исходных материалов для проектирования и заканчивая расчетным обоснованием необходимых путевых мероприятий по обеспечению безопасных условий судоходства.

Пятая глава содержит итоги внедрения рекомендаций по обеспечению безопасных условий плавания в районах расположения мостовых переходов. Внедрение полученных рекомендаций осуществлялось на реках Обского бассейна на стадии согласования проектов строительства и реконструкции мостовых сооружений. Основными из них, в которых автор принимал непосредственное участие, можно отметить следующие:

- Кемеровский мост (276, 3 км р. Томь);

а.

\ Кав J

+ а~

\^нав J

+ а.

х 10"

(8)

- Юргинский мост (174,45 км р. Томь);

- Кемеровский коммунальный мост (279,9 км р. Томь);

- Коммунальный мост автодороги Байкал (727,2 км р. Обь);

- Барнаульский ж/д мост (254,8 км р. Обь);

- Барнаульский автодорожный мост (236 км р. Обь);

- Автодорожный мост в п. Первомайское (335,2 км р. Чулым);

- Чулымский ж/д мост (333,5 км р. Чулым);

- Катуньский мост (10,2 км р. Чулым).

Заключение. По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

1. На основе накопленного опыта по согласованию пролетов мостовых переходов и анализа судоходных условий на реках Обского бассейна обоснована и разработана обобщенная система требований, в достаточной мере отражающая потребности обеспечения безопасности судоходства.

2. Разработана методика расчетного обоснования трассы и габаритов мостовых переходов через судоходные реки с учетом изменения уровенного и скоростного режимов течения реки, а также особенностей развития руслового процесса.

3. На основе выполненных лабораторных и натурных исследований установлены условия обтекания устоев мостовых опор и даны рекомендации по учету их влияния на безопасность судоходства.

4. На базе математического моделирования и экспериментальных исследований произведена оценка изменения пропускной способности русла в створах мостовых переходов с учетом изменения коэффициента шероховатости.

5. Получены расчетные зависимости, описывающие образующиеся при обтекании мостовых опор водоворотные области, влияющие на судоходные условия.

6. На основе натурных данных предложена зависимость для оценки скорости смещения крупных русловых форм к мостовым переходам.

7. Разработан план по ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов для Обского бассейна.

Результаты выполненных исследований докладывались и получили одобрение на совещании в Федеральном агентстве речного и морского транспорта Министерства транспорта Российской Федерации (Москва, 2009 г.), на межвузовском координационном совещании по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Барнаул, 2009 г.), научных конференциях Новосибирской государственной академии водного

транспорта (Новосибирск, 2007-2009 гг.) и используются в учебном процессе на гидротехническом факультете НГАВТ.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ Публикации в изданиях перечня ВАК РФ

1. Павлушкин, C.B. Состояние водных путей Обского бассейна / C.B. Павлушкин, В.А. Баула // Наука и техника на речном транспорте. -М. : изд. ЦБНТИ Минтранса РФ, 2002. -№1.-С. 36-41.

2. Павлушкин, C.B. Обеспечение судоходства в Обском бассейне / C.B. Павлушкин // Речной транспорт (XXI век), 2007. - № 2. - С. 18-21.

3. Павлушкин, C.B. Методика расчетного обоснования трассы и габаритов мостовых переходов через судоходные реки / C.B. Павлушкин // Науч. проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск, 2009. -№ 2. - С. 114-115.

4. Павлушкин, C.B. Влияние смещения осередков и побочней на судоходные условия на участках мостовых переходов / C.B. Павлушкин // Речной транспорт (XXI век), 2011. - № 1. - С. 34-36.

Прочие публикации

5. Павлушкин, C.B. Особенности проектирования судовых ходов в районе установки мостовых переходов через реки / C.B. Павлушкин // Сибирский научный вестник. - Новосибирск : НГАВТ, 2007. - Вып. 10. - С. 298-299.

6. Павлушкин, C.B. Повышение комплексной безопасности и устойчивости транспортной системы в Обском бассейне / C.B. Павлушкин // Сибирский научный вестник. - Новосибирск : НГАВТ, 2009. -Вып. 12.-С. 199-201.

7. Павлушкин, C.B. Организация и управление на водных путях / C.B. Павлушкин, С.Я. Зернов, Т.В. Пилипенко. - Новосибирск : НГАВТ, 2007.-90 с.

8. Павлушкин, C.B. Путь длиною в 70 лет / C.B. Павлушкин. - Новосибирск : Фарбект, 2008. - 3 с.

9. Павлушкин, C.B. Повышение эффективности путевых работ на основе более тесной координации научных исследований русловых процессов / C.B. Павлушкин, В.М. Ботвинков, В.А. Седых // Двадцать четвертое межвузовское координационное совещание по проблеме

эрозионных, русловых и устьевых процессов : Доклады и сообщения. -Барнаул : Изд-во Алтайского гос. ун-та, 2009. - С. 60-61.

10. Павлушкин, C.B. Роль внутренних водных путей в развитии Сибирского региона / C.B. Павлушкин, В.А. Седых // Сибирский научный вестник. - Новосибирск : НГАВТ, 2010. - Вып. 14. - с. 142-146.

Подгшсано в печать 16.01.2012 г. с оригинал-макета. Бумага офсетная № 1, формат 60x84 1/16, печать трафаретная - Riso. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз., заказ № 06. Бесплатно.

ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»,

(ФБОУ ВПО «НГАВТ») 630099, Новосибирск, ул. Щетинкина, 33

Отпечатано в издательстве ФБОУ ВПО «НГАВТ».

Федеральное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования

НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

61 12-5/2243

На правах рукописи

Павлушкин Сергей Валентинович

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ СУДОХОДНЫХ УСЛОВИЙ НА УЧАСТКАХ РЕК С МОСТОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ

(На примере рек Обского бассейна)

Специальность 05.22.17 «Водные пути сообщения и гидрография»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

В.М. Ботвинков

Новосибирск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................................3

1. Особенности русловых процессов и судоходные условия на участках рек с мостовыми переходами..............................................................................................4

1.1. Анализ действующих требований по обеспечению безопасных условий плавания на участках с мостовыми переходами на внутренних водных путях ..................................................................................................................................4

1.2. Планово-высотные деформации русла и судоходные условия на участках мостовых переходов..................................................................................................12

2. Экспериментальные исследования судоходных условий на участках рек с мостовыми переходами.............................................................................................33

2.1. Натурные исследования....................................................................................33

2.2. Лабораторные исследования..............................................................................43

3. Оценка пропускной способности и устойчивости судоходной трассы на участках рек с мостовыми переходами..........................................................................53

3.1. Особенности выбора трассы мостовых переходов через судоходные реки.53

3.2. Обоснование высоты мостового перехода с учетом обеспечения нормальных судоходных условий...........................................................................................55

"ф

3.3. Особенности расчетного обоснования места расположения и ширины судоходных мостовых пролетов......................................................................................57

3.4 Влияние смещения осередков и побочней на судоходные условия на участках мостовых переходов...........................................................................................63

3.5 Разработка плана по предупреждению и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов с судов в районе мостовых переходов..........................68

4. Методика выбора и принятия проектных решений по судоходной трассе на участках рек с мостовыми переходами....................................................................78

5. Итоги внедрения рекомендаций по обеспечению безопасных условий плавания на участках расположения мостовых переходов..............................................80

Заключение.................................................................................................................87

Список литературы.....................................................................................................89

Введение

Социально-экономическое развитие обширного Западно-Сибирского региона во многом зависит от регулярного судоходства по рекам, на которых необходимо в течении всей навигации поддерживать требуемые габаритные размеры судовых ходов. Анализ безопасности условий судоходства на реках Обского бассейна показывает, что одними из наиболее затруднительных участков являются участки рек с мостовыми переходами, которые создают дополнительные трудности при организации транзитного судоходства и требуют поддержания дополнительных мер безопасности по сравнению с другими участками рек. Поэтому актуальным представляется теоретическое и экспериментальное обоснование комплекса требований по обеспечению безопасных условий судоходства и разработки методики их оценки.

Представленные к защите результаты исследований получены на базе изучения эффективности дноуглубительных и выправительных работ, проводимых на реке Оби и её притоках, на участках расположения мостовых переходов в границах, обслуживаемых государственным учреждением «Обское государственное управление водных путей и судоходства», а также осуществления гидравлического и математического моделирования на кафедре водных путей, гидравлики и гидроэкологии Новосибирской государственной академии водного транспорта. Основные выводы и предложения автора прошли многолетнюю производственную проверку в Новосибирском, Барнаульском, Томском и Чулымском районах водных путей и судоходства.

Исследования входили в план научно- исследовательских и опытно- конструкторских работ Федерального агентства морского и речного транспорта Министерства транспорта Российской Федерации и планы работы Межвузовского научно- координационного совета по проблеме эрозионных русловых и устьевых процессов при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова.

1 Особенности русловых процессов и судоходные условия на участках рек с мостовыми переходами

1.1 Анализ действующих требований по обеспечению безопасных условий плавания на участках с мостовыми переходами на внутренних водных путях

Основные нормы и технические требования к мостовым переходам на внутренних водных путях определяются межгосударственным стандартом «Габариты подмостовые судоходных пролетов мостов на внутренних водных путях» [29].

Настоящий стандарт разработан с целью создания и дальнейшего использования в странах СНГ единого нормативного документа, регламентирующего на внутренних водных путях (ВВП) нормы и технические требования на габариты судового хода в подмостовом пространстве судоходных пролетов мостовых переходов, необходимые для пропуска судов, плотов и других плавсредств, исходя из безопасных условий, при которых возможна эксплуатация транспортного флота, соблюдение общих требований по экологической безопасности водного бассейна и обеспечение сохранности пролетных строений и опор самих мостов.

Внутренние водные пути (далее — водные пути или ВВП) в зависимости от их характеристик и использования транспортным и техническим флотом подразделяют на семь классов:

1 и 2 - сверхмагистральные;

3 и 4 - магистральные;

5, 6 и 7 - местного значения.

Водные пути в зависимости от гарантированных (нормированных) габаритов судового хода подразделяют на участки. Класс участка водного пути, на котором предусматривается строительство или реконструкция мостов, следует определять в соответствии с основными характеристиками, приведенными в таблице 1.1.

Если по гарантированной и средненавигационной глубинам судового хода участок водного пути относится к разным классам, то его следует относить к более высокому из этих классов.

На участках водных путей, на которых не установлены гарантированные габариты судового хода, но которые используют или намечают к использованию в перспективе транспортным флотом в полноводный период навигации, класс следует определять по средненавигационной глубине.

Участки водных путей, на которых в расчетной перспективе не предполагается использование транспортного флота, приведенного в таблице 1.1, но пригодные для судоходства, следует, как правило, относить к 7-му классу.

Класс участка водного пути, как правило, не может быть выше класса нижерасположенного участка. Исключение составляют водные пути, на которых увеличение гарантированной глубины происходит снизу вверх по течению или на которых местные перевозки имеют более развитый характер, чем транзитные. Средненавигационную и гарантированную глубины следует определять в соответствии с действующими рекомендациями по определению класса внутренних водных путей.

Очертания и размеры подмостовых габаритов судоходных неразводных и разводных пролетов мостов (далее — подмостовые габариты) в зависимости от класса водного пути должны соответствовать указанным на рисунке 1.1 ив таблице 1.2.

Таблица 1.1- Основные характеристики водных путей и транспортного речного флота

Класс водного пути (участка) Глубина судового хода на перспективу, м Расчетные ширина (м)/ глубина состава(см) Расчетная надводная высота судна

Гарантированная Средне-навигационная судового плотового

1 -сверхмагистральные Св. 3,2 Св. 3,4 36/220 или 29/280 110/830 или 75/950 15,2

2 - то же Св.2,5 до 3,2 Св.2,9доЗ,4 36/220 75/950 13,7

3 - магистральные Св. 1,9 до 2,5 Св.2,3 до 2,9 21/180 75/680 12,8

4 - то же Св. 1,5 до 1,9 Св.1,7до2,3 16/160 50/590 10,4

5 -местного значения Св. 1,1 до 1,5 Св. 1,3 до 1,7 16/160 50/590 9,6

6 - то же Св.0,7до 1,1 Св.0,9до 1,3 14/140 30/470 9,0

7 - то же 0,7 и менее От 0,6 до 0,9 10/100 20/300 6,6

Примечания 1. В таблице не приведены характеристики судов пассажирского и технического флота (земснаряды, плавкраны и др.), составов, используемых для перевозок крупногабаритного и другого спецоборудования, которые при определении класса водного пути и подмостовых габаритов следует учитывать дополнительно, исходя из конкретных условий участка водного пути. 2. Расчетные значения габаритов плотового состава приведены без учета габаритов вспомогательного буксира-плотовода.

Таблица 1.2 - Подмостовые габариты судоходных пролетов мостов

Класс водного пути (участка) Высота подмосто-вого габарита Ь,м не менее Ширина подмостового габарита В, м не менее, для пролета

неразводного разводного

1 2 3 4

1 17,0 140 60

2 15,0 140 60

3 13,5 120 50

4 12,0 120 40

5 10,5 100/60 30

6 9,5 60/40 -

7 7,0 40/30 -

Примечания 1 Приведенные в таблице значения являются габаритами судового хода под судоходными пролетами. 2 В знаменателе приведена ширина для второго и последующих судоходных пролетов. 3 Значения ширины В, указанные в графе 4, приведены для разводного пролета, предназначенного для пропуска только судов с большой надводной высотой (превышающей значения, указанные в таблице 1.1). Если разводной пролет предназначен для пропуска составов, то его ширину следует принимать в соответствии с графой 3._

Очертание подмостового габарита должно быть прямоугольным (соответствовать указанному на рисунке 1.1 контуру "АВ СБ А). На участках водных путей 1- 4-го классов для неразводных пролетов мостов с криволинейным очертанием нижнего пояса пролетных строений, располагаемых в стесненных условиях (в пределах городов и подходов к ним, вблизи транспортных узлов, на автомобильных дорогах со сложными развязками на берегах и в других обоснованных случаях), допускается принимать очертание подмостового габарита по контуру АЕРКЬБА. При этом высоту 111 и ширину Вь- устанавливают по согласованию с органами, регулирующими судоходство, но не менее, соответственно, 0,711 и 0,7В.

В неразводных пролетах допускается снижать ширину подмостового габарита В, м:

- в пролете, предназначенном для движения плавучих средств только вниз по течению при отсутствии плотоперевозок на водных путях:

4-го класса — до 100;

5-го » — » 80;

6-го » — »40;

7-го » — » 30;

- в пролете, предназначенном для движения плавучих средств только вверх по течению при средней скорости течения в меженный период, превышающей 0,5 м/с, на водных путях:

1-го класса - до 120;

2-го » - » 100;

3-го и 4-го » - » 80.

При этом очертание подмостового габарита должно быть только прямоугольным.

ОЧЕРТАНИЕ ПОДМОСТОВОГО

Рисунок 1.1- Подмостовой габарит неразводного судоходного пролета моста

АВСИА и АЕЕЕЛИА — контуры подмостового габарита;

РСУ — расчетный высокий судоходный уровень воды;

ПУ — проектный уровень воды;

Н— общая высота подмостового габарита;

А — высота подмостового габарита над РСУ;

В — ширина подмостового габарита;

й— гарантированная глубина судового хода на перспективу;

а — амплитуда колебаний уровней воды между РСУ и ПУ.

Ширина подмостового габарита В может быть принята меньше указанной в таблице 1.2, если пролет моста полностью перекрывает суммарную ширину водного пути с береговыми полосами отвода с обеих сторон, находящимися в ведении органов речного транспорта.

Неразводные мосты должны иметь, как правило, не менее двух судоходных пролетов: отдельно для движения плавучих средств вниз по течению (от истока к устью) и вверх (против течения).

Если в рассматриваемом створе ширина водного пути с гарантированными глубинами недостаточна для размещения двух судоходных пролетов, допускается предусматривать один судоходный пролет. При этом снижение под ним ширины подмостового габарита не допускается.

Для мостовых переходов через водные пути, по которым в полноводный период навигации возможен заход судов транспортного флота с водных путей

более высокого класса, подмостовые габариты судоходных пролетов следует устанавливать по результатам комплексного технико-экономического обоснования, согласованного с Федеральным агентством морского и речного транспорта (ФАМРТ) Министерства транспорта РФ, а при заходе судов с водных путей 1 -го и 2-го классов - также с Министерством обороны (Главным штабом ВМФ и Штабом тыла ВС).

Мостовые переходы следует располагать на участках водных путей, удовлетворяющих следующим требования:

а) русло реки должно быть устойчивым, позволяющим удерживать судовой ход без перемещений его по ширине реки и не допускающим изменения глубин, влияющих на судоходство;

б) участок реки должен быть прямолинейным с достаточным удалением от перекатов, по возможности, без поймы или с высокой незначительно затопляемой поймой. Длина прямолинейного участка, а также расстояние от моста до перекатов должны быть, как правило, с верховой стороны не менее трех, а с низовой стороны - не менее полутора длин расчетного судового (плотового) состава;

в) направление течения и ось судового хода должны быть, как правило, параллельны. Отклонение не должно превышать 10°;

г) глубина в судоходных пролетах мостов по всей ширине подмостового габарита В, а также на расстоянии от мостового перехода должна быть не менее гарантированной глубины судового хода на расчетную перспективу.

Расположение и количество судоходных пролетов должны быть выбраны на основе прогноза возможных русловых переформирований.

В случае деформации русла в процессе эксплуатации в створе мостового перехода и на подходах к нему и при отсутствии условий для переноса судоходства в другой пролет с нормальными судоходными условиями изыскательские, дноуглубительные и другие путевые работы, связанные с обеспечением безопасности судоходства в районе мостового перехода, производят государственные бассейновые управления (государственные предприятия) водных путей

за счет владельца моста в объемах, обеспечивающих габариты судового хода, согласованные при проектировании мостового перехода.

Класс участка водного пути, на котором предусматривается строительство или реконструкция мостового перехода, на сверхмагистральных и магистральных водных путях устанавливают государственные бассейновые управления (государственные предприятия) водных путей, на водных путях местного значения - их линейные подразделения.

Утверждение класса производят:

- на сверхмагистральных и магистральных водных путях - Федеральное агентство морского и речного транспорта РФ;

- на водных путях местного значения - государственные бассейновые управления водных путей и судоходства по поручению вышестоящих органов.

Выдачу технических условий на проектирование мостового перехода производят государственные бассейновые управления водных путей.

Проекты мостовых переходов в части выбора створа и расположения русловых опор, подмостовых габаритов, определения отметок РСУ и ПУ, оборудования навигационными знаками и организации строительства должны быть согласованы с государственными бассейновыми управлениями (государственными предприятиями) водных путей, а на сверхмагистральных водных путях, кроме того, с департаментом речного и морского транспорта Министерства транспорта РФ (только в части выбора створа, расположения опор и подмостовых габаритов).

Согласование проектов мостовых переходов на водных путях, не предполагаемых к использованию водным транспортом в перспективе, должно производиться местными администрациями (органами исполнительной власти) по заключениям линейных подразделений государственных бассейновых управлений водных путей и судоходства.

При устройстве мостов на водных путях 1- 5-го классов, имеющих одностороннюю пойму, пропускающую более 25 % паводкового расхода воды, при проектировании должны быть предусмотрены выправительные сооружения, ре-

гулирующие высокие воды (незатопляемые струенаправляющие дамбы, полузапруды и т.п.).

Увеличение максимальной скорости течения воды в створе моста, вызванное его строительством и эксплуатацией, не должно превышать 20 % при значении максимальной скорости течения воды в естественных условиях до 2 м/с и 10 % - при ее значении более 2 м/с.

Опоры моста в пределах их высоты от низа пролетного строения до линии возможного размыва дна не должны иметь обращенных к судоходным пролетам выступающих частей, представляющих собой опасность для судоходства. Горизонтальные сечения опор должны иметь обтекаемую форму.

Плоскости опор, обращенные в сторону судоходных пролетов, должны быть, как правило, параллельны направлению тече�