ПОДХОДНЫЕ КАНАЛЫ К ШЛЮЗАМ
Для подхода судов к шлюзу со стороны верхнего и нижнего бьефов делаются подходные каналы. Обычно канал верхнего бьефа короткий, так как создан дамбами, расположенными на акватории аванпорта шлюза. Каналы нижнего бьефа имеют значительное протяжение:
от 1,5 до 6,0—8,0 км при ширине по урезу 70—200 м.
Раздельные (межшлюзовые) бьефы имеют длину от 1,5 до 4 км, причем ширина их, определяясь топографическими условиями, достигает местами значительной величины.
Сведения о подходных каналах некоторых гидроузлов приведены в табл. 12.
Для швартовки судов и плотов, ожидающих шлюзования, в подходных каналах возводятся причальные сооружения.
При опорожнении камеры шлюза в низовом подходном канале возникает волна попуска. Подойдя к устью канала и отразившись от русла реки, она трансформируется в обратную волну, которая, достигнув шлюза, отражается от его ворот и превращается снова в волну,
Таблица 12
Гидроузел, канал | Длина, м | Ширина канала | Глубина, м | |
по дну | по урезу | |||
Волгоградский Воткинский | 4,95 3,5 | |||
Саратовскии | \.\J£i | 5,7 | ||
Нижне-Камский | 4,8 |
Идущую к устью. Таким образом, Происходит несколько отражений, с каждым из которых высота волны и скорость ее перемещений убывают.
В длинных каналах первая отраженная волна приходит к шлюзу после его опорожнения. Например, у нижних голов судоходных шлюзов Волжской гидроэлектростанции имени В. И. Ленина при опорожнении камеры уровень повышается на 25—40 см и понижается при возвращении отраженной волны на 15—20 см; общая амплитуда колебания составляет 40—60 см. В нижнем канале Горьковского гидроузла при одновременном опорожнении обеих камер нижних шлюзов амплитуда колебания достигает 90 см.
Большие колебания уровней воды наблюдаются в межшлюзовых бьефах между шлюзами. Например, в канале длиной 1700 м между шлюзами Цимлянского гидроузла амплитуда колебаний достигает 50 см.
В межшлюзовых бьефах, имеющих большую ширину, например, на Горьковском гидроузле, волновые колебания не превышают 15 см. При малом запасе глубины на пороге (например, у Цимлянского шлюза) в результате волновых колебаний судно может удариться о голову шлюза.
На ряде шлюзов предусматриваются специальные устройства для уменьшения расходов воды, поступающих в нижний шлюзовой канал. Так, на Угличском и Рыбинском шлюзах весь расход воды из камеры сбрасывается специальными водосбросами в русло реки, в результате в нижних каналах волновых колебаний почти нет. На Волгоградском шлюзе около половины воды отводится в р. Ахтубу, поэтому высота волн в канале значительно снижается. На Боткинском (Чайковском) шлюзе создано перепускное устройство, которое вдвое снижает расходы воды, поступающей из опорожняющейся камеры.
Однако применение перепуска воды возможно лишь в 30—50% от числа шлюзовании, так как часто обе камеры бывают наполненными, а ожидание опорожнения соседней камеры приводит к задержке шлюзования и снижению пропускной способности шлюза.
Таким образом, гидрологический режим нижних шлюзовых каналов и раздельных бьефов определяется во многом величиной максимального расхода и объема воды при опорожнении шлюза, а также размерами каналов.
Высота волны, м, образующейся в нижнем канале гидроузла, может быть определена по формуле
где Q — максимальный расход воды при опорожнении или наполнении камеры, мУс;
В — ширина канала по урезу воды, м;
Св — скорость распространения волн, м/с, определяемая по формуле Ла-гранжа,
здесь Нср — средняя глубина воды в канале, м).
Период волновых колебаний в канале длиной L рассчитывают по
формуле
Уменьшение высоты волны в канале, м, определяется по уравнению
где h — высота волны в начальном сечении,м;
φ — числовой коэффициент, равный 3,5 (по исследованиям И. H. Дымента и Л. С. Кускова);
с — коэффициент Шези;
R — гидравлический радиус. Отражаясь от русла реки, волна уменьшается до величины
h0=εh , (21)
отсюда
ε= h0/h (22)
Величина коэффициента отражения s равна 0,30—0,42.
Данные об отражении от русла реки волн, образующихся в нижних шлюзовых каналах, приведены в табл. 13.
В нижних шлюзовых каналах общая амплитуда колебаний уровня воды равна сумме высот положительной и отрицательной волн. Величина амплитуды у нижних ворот шлюза наибольшая, а по мере удаления от ворот она уменьшается. Волновые колебания в канале после нескольких отражений от русла постепенно исчезают.
Величина амплитуды колебаний, м, в нижних подходных каналах у ворот шлюзов некоторых гидроузлов, обычно наблюдаемая и наибольшая:
Горьковский гидроузел ...... 0,50 и 0,88
Куйбышевский » ...... 0,36 и 0,50
Цимлянский » ...... 0,50 и 1,00
Боткинский » ...... 0,75 и 1,40
Волгоградский » ...... 0,45 и 0,85
В межшлюзовых бьефах могут наблюдаться еще более значительные амплитуды колебаний.
Таблица 13
Максималь | Высота поло | Высота отрица | S=h0/h | |
Гидроузел | ный расход | жительной волны | тельной волны | |
воды Q, m3/c | у шлюза h, м | у реки h0 м | ||
Цимлянский Горьковский Куйбышевский Волгоградский Боткинский | 200 420 520 320 | 0,45 0,27 0,40 0,50 0,65 | 0,165 0,11 0,14 0,18 | 0,37 0,42 0,35 0,37 0,33 |
Положительные и отрицательные колебания располагаются примерно симметрично от условного среднего уровня воды. Однако на некоторых нижних шлюзовых каналах встречаются более значительные провалы уровней воды, составляющей 55—60% амплитуды.
Амплитуда колебаний уровней воды в канале зависит от многих Причин: максимального расхода воды при шлюзовании, ширины и глубины канала, формы гидрографа опорожнения камеры, очередности шлюзовании и др.
При ориентировочных расчетах величину амплитуды в относительно длинных каналах можно определить по формуле
где В — ширина канала по урезу.
Уровни воды в нижнем подходном канале шлюза, помимо колебаний от шлюзования, в значительной степени зависят от уровней воды в реке у устья канала, определяемых попусками через ГЭС. В меженный период при суточном регулировании мощности ГЭС перепад между отметками в нижнем бьефе ГЭС и шлюзе не постоянен. Так, на Боткинском гидроузле уровни воды в нижнем бьефе ГЭС обычно превышают уровни воды в устье канала на 0,1—0,2 м, но на спаде нагрузки ГЭС бывают близки к ним. При подходе отрицательной волны к шлюзу на нижнем Боткинском и других каналах наблюдаются обратные уклоны с понижением отметок относительно уровня в устье канала до 40 см и более.
Для снижения амплитуды колебаний уровней воды в нижних шлюзовых каналах и уменьшения просадки уровней воды на пороге шлюзов принимают различные меры. Так, на Боткинском гидроузле разработан порядок опорожнения камер шлюза на спаде отрицательной волны, позволяющей уменьшить амплитуду колебаний уровней воды в нижнем бьефе и тем самым несколько увеличить глубину на нижнем пороге шлюза. Для улучшения судоходных условий на Цимлянском, Куйбышевском и других гидроузлах применяют различные автоматические устройства, облегчающие выбор оптимального момента для пропуска, судов через нижние пороги шлюзов и раздельные бьефы.
Течения*"водь1 в нижних шлюзовых каналах создаются из-за опорожнения камеры шлюза. Эти течения бывают прямые по всему каналу и обратные, возникающие преимущественно у выхода канала в реку, которые затухают при распространении их вверх по каналу. Так, на нижнем Боткинском канале величина прямых поверхностных скоростей на расстоянии 3,5 км от шлюза достигает Т- 0,9 м/с и обратных —0,6 м/с. Более значительные скорости создаются в нижних каналах: Горьковского шлюза — до 1 м/с. Цимлянского — до 1,25 м/с и Волгоградского — до 1,5 м/с (при опорожнении двух камер и расходе 520 м3/с). В нижнем подходном канале Куйбышевского шлюза скорости течения из-за расширенного профиля сравнительно небольшие и при опорожнении шлюза с наибольшим расходом воды 540 м3/с составляют 0,4 м/с.
Отстаивающиеся в нижних подходных каналах суда испытывают большие нагрузки в швартовных тросах. В первой половине периода
опорожнения камеры суда испытывают прямые давления по направлению течения. Во второй половине периода, когда уменьшаются расходы воды и образуются обратные уклоны водной поверхности, суда испытывают обратные давления, которые могут быть значительно больше прямых (иногда в два раза). После окончания опорожнения шлюза судно продолжает смещаться в прямом и обратном направлениях.
Обычно ось судового хода на выходе канала в реку сопрягается с направлением течения реки под углом, не превышающим 25°. При этом плечо берега и голова стрелки закругляются, что удобно для входа и выхода судов. При повышении уровней, вызываемых попусками через плотину гидростанции, вода реки огибает стрелку, круто поворачивает и заходит в канал. В связи с этим в районе стрелки иногда возникает суводь и свальное течение.
В нижних каналах в первые годы эксплуатации шлюза интенсивно оседают наносы, затем объем их на входном участке уменьшается. Некоторое количество наносов с отраженной волной распространяется по каналу до самого шлюза.
В половодье через турбины ГЭС и водосливную часть плотины сбрасывается большое количество воды, и при выходе канала в русло наблюдается большая скорость течения., Продольная скорость течения достигает 2 м/с и более, а поперечная составляющая этой скорости — 0,3 м/с и больше.
Поперечные течения, направленные к берегу, усложняют вход судов в канал и выход из него. У выхода канала в реку и в непосредственной близости от плотины создается сильное неупорядоченное волнение, которое вызывает рыскливость и качку судов. Например, у Волжской ГЭС имени В. И. Ленина при сбросе воды через плотину, равном 30 тыс. m /c, на расстоянии 1—1,5 км от плотины высота волны бывает до 1 м.
Потоки воды, создающиеся при выходе судна из камеры шлюза, воздействуют на суда, входящие во вторую камеру или стоящие у причала в ожидании шлюзования. При этом, если расстояние между шлюзами небольшое, у судов возникает сила «присасывания» (например, на нижних шлюзах Горьковской ГЭС, расстояние между которыми равно 26 м).
Выходя из камеры шлюза, судно обычно развивает относительно большой ход. Перед судном образуются волны и повышается уровень, а у берегов — понижается. Одновременно создается течение, направленное в сторону, противоположную движению судна. Скорость потока в воротах шлюза при прохождении судна определяется по формуле
где Vc — скорость судна;
Q — площадь живого сечения в створе ворот;
% — площадь погруженного миделя судна.
Из формулы (24) видно, что чем выше скорость и больше поперечные размеры судна, тем больше скорость потока, направленного в камеру. При небольшом расстоянии между камерами течение, создаваемое движением судна, распространяется по всей ширине подходного канала. Пренебрежение этим течением приводит к навалам и ударам судов об откос и причалы.
Движущееся судно оказывает влияние и на суда, стоящие у причала на подходе к шлюзу. Смещение судна вызывает большие нагрузки на швартовы. Заходить в шлюз и выходить из него необходимо понизив скорость настолько, чтобы судно сохранило управляемость.
Дата добавления: 2021-05-28; просмотров: 520;