Сетка стандартных значений , и по СНиП 2.06.07-87 2 страница

Рис. 5. Схема питания камеры шлюза с отверстиями в рабочих воротах

1 – ворота шлюза; 2 – клинкеты

Клинкетное наполнение (опорожнение) используется и на шлюзах Европы, но для более эффективного гашения скорости поступающего в камеру потока воды перед водопропускными отверстиями в воротах устраивались экранные гасители в виде балок большого сечения. Эксплуатируемый шлюз с клинкетным наполнением, представленный на рис. 6, с 3-мя балками для гашения энергии потока при длине камеры 220 м рассчитан на напор 9,0 м.

При реконструкции Москворецко–Окской водной системы (1972 г.) на отдельных шлюзах вместо клинкетного впервые использовано наполнение (опорожнение) камер через отверстия под воротами. В качестве ворот применены сегментные уравновешенные затворы полноповоротного исполнения (рис. 7), обладающие хорошими эксплу-атационными показателями. Гашение скорости потока, направляемого из-под щели под воротами, частично осуществляется в колодце, устройство которого конструктивно необходимо для размещения затвора. Использование такой схемы питания рекомендуется для напоров на камеру до 6,0 м.

Рис. 6. Схема питания шлюза с отверстиями в воротах и гасителями

1 – стенка падения; 2 – балочные гасители

Рис. 7. Схема питания из-под полноповоротных уравновешенных ворот

1 – сегмент; 2 – диски ворот

Наиболее широкое применение при строительстве шлюзов среднего напора с большими размерами камер получили безгалерейные системы наполнения из-под плоских подъемно-опускных ворот со стенками падения (шлюзы ВДСК, Волго–Балта и др.). Особенностью этих систем питания является наличие элементов, предназначенных для гашения энергии потока воды и равномерного распределения скоростей по глубине при поступлении в камеру шлюза. Головы таких систем питания отличаются простотой конструкции и компактным расположением их элементов. Наиболее совершенной в гидравлическом отношении считается система наполнения камеры второй нитки Шекснинского гидроузла, устройство которой будет подробно рассмотрено в п. 7.

Самой простой схемой галерейной системы питания считается система наполнения и опорожнения камер через короткие обходные галереи, расположенные в устоях голов. Они широко применялись при строительстве низконапорных шлюзов ( до 6 м). Однако их использование в качестве систем наполнения для шлюзов среднего напора ограничено из-за недостаточно эффективного гашения скоростей потока в пределах верхней головы. Гашение скоростей потока воды в системах с галереями, выходящими в камеру шлюза за пределами верхней головы, осуществлялось только путем соударения встречных потоков.

В галерейных системах питания с камерой гашения (шлюзы ББК), представленной на рис. 8, наполнение камеры производится с использова-нием цилиндрических затворов по галереям круглого сечения, выходные отверстия которых расположены в устоях головы симметрично друг другу. Гашение энергии осуществляется путем встречи двух потоков в камере под порогом, кроме того, этому способствует уширение камеры на выходе потока, наличие раздельных бычков и балки выступа в камере шлюза, отклоняющей поток вверх. Однако в этой схеме наполнения камеры отсутствуют элементы, необходимые для равномерного распределения скорости потока по глубине.

Рис. 8. Схема галерейной системы питания с камерой гашения

1 – цилиндрический затвор; 2 – галерея; 3 – камера гашения

Ниже, в п. 8, будет рассмотрена система наполнения камеры через короткие обходные галереи с использованием плоских затворов при наличии на выходе балочной распределительной решетки, которую рекомендуется использовать при проектировании шлюзов с напором на камеру до 10 м.

Системы питания с короткими обходным галереями широко используются для опорожнения камер судоходных шлюзов при напорах до 15 м и более. При опорожнении, в отличие от наполнения, вода сбрасывается в нижние бьефы со значительно большей шириной подходного канала, и поэтому гидродинамическое воздействие потока воды на судно, ожидающего шлюзования у причальной стенки, оказывается не столь значительным. Гашение энергии потока на выходе в подходной канал может обеспечиваться путем устройства раздельного устоя по оси камеры шлюза и горизонтальной балочной решетки, перекрывающих траншеи выходных галерей. Устройство системы опорожнения камеры при наличии гасительных устройств на выходе потока в нижний подходной канал подробно рассматривается в п. 9.

Следует отметить, что системы наполнения и опорожнения камер с обходными галереями считаются более сложными в конструктивном отношении по сравнению с безгалерейными системами питания. Кроме того, они требуют увеличения размеров голов шлюза – их длины и толщины устоев, а следовательно, увеличения объемов работ и металлоемкости механического оборудования.

7. Конструкция и основные размеры верхней головы шлюза с подъемно-опускными воротами

Схема верхней головы шлюза с подъемно-опускными воротами, относящаяся к незатопленным системам питания, приведена на рис. 9 (рекомендуется к применению в курсовом проекте при напорах на камеру от 10 до 17 м).

Конструктивно по гидравлическим условиям она разделена на четыре основных участка:

– участок направления потока в водопроводное отверстие, включающий наклонный неразрезной порог, очертания ножа (козырька) плоского затвора, верхней и нижней консолей экрана, выполненных под углом α;

– участок гашения скоростей потока (основной), в котором происходит непосредственное соударение струй о твердые стенки (экран, стенка падения и дно колодца);

Рис. 9. Схема верхней головы шлюза с подъемно-опускными воротами

а – продольный разрез; б – план

– участок распределения потока (отражение от днища колодца до балочной решетки). На этом участке наблюдается образование двух вихревых зон (за экраном и в гасительном колодце), в которых сосредоточена значительная часть энергии потока;

– успокоительный участок , отсчитываемый от распределительной решетки, которая также способствует частичному гашению скорости потока, в сторону камеры. На этом участке происходит выравнивание скоростей потока по глубине и его конец считается началом полезной длины камеры шлюза, в пределах которой располагаются шлюзуемые суда. Размеры элементов системы питания и их взаимное расположение рекомендуется определять в следующей последовательности:

Находится максимально допустимая площадь водопропускного отверстия , при которой обеспечиваются нормативные условия стоянки расчетного судна

, м² (5)

где – допустимая величина продольной составляющей гидродинамической силы, определяемая по формуле

, кН (6)

– минимально допустимое время наполнения камеры при постоянной скорости подъема затвора

, с (7)

– площадь живого сечения камеры при уровне нижнего бьефа, равная ,м²;

, м² – площадь погруженной части одного судна при последовательном расположении судов (в кильватер); суммарная площадь поперечных сечений погруженных частей судов, стоящих параллельно друг другу в камере. При одинаковых размерах шлюзуемых судов в камере в зависимостях (5) и (7) следует принимать ;

– площадь зеркала камеры шлюза, равная , м²;

, м – напор на пороге верхней головы;

– коэффициент расхода системы питания при подъеме затвора на полную высоту ;

– относительное время открытия затвора наполнения;

– коэффициент, учитывающий увеличение волновой составляющей гидродинамической силы при приближении к верхней голове. При расположении судна посередине длины камеры коэффициент (принимается при ), а у верхней головы – (принимается при ).

При известной величине определяют высоту водопропускного отверстия по нормали к плоскости ножа затвора

, м

и полную высоту подъема затвора наполнения по вертикали

, м

где – угол при нижней кромке рабочего затвора, принимаемый равным от 30° до 40°.

Длину ниши рабочих и аварийно-ремонтных ворот, выполненных в виде плоских затворов, приближенно принимают равной

, м

а длину входной части головы , равной

, м

Для плавного направления потока воды в камеру гашения рекомендуется устраивать наклонный неразрезной порог, высота скоса которого определится, если графически от верхней кромки ножа ворот отложить к порогу полную высоту подъема .

Определение высоты водопропускного отверстия под экраном производится по зависимости

, м

где и – коэффициенты, учитывающие потери энергии в водопропускных отверстиях верхней головы: – для отверстия, образуемого при подъеме ворот; – для отверстия под экраном (как для затопленного водоспуска);

– допустимая по условиям стоянки в камере шлюза постоянная скорость подъема затвора наполнения

, м/с

Здесь – напор на пороге верхней головы, отсчитываемый от НПУ верхнего бьефа до нижней точки скоса консоли;

– ширина водопропускного отверстия под экраном без учета толщины опорных бычков ( рекомендуется принимать в пределах 1,5–2,0 м)

, м

– наибольшее значение угла направления потока на балочную решетку;

– продолжительность наполнения камеры шлюза в первом промежутке (подъем уровня воды до нижней точки скоса порога)

, с

Длина участка камеры гашения (от стенки падения до экрана) определяется выражением:

, м (11)

где – коэффициент, характеризующий качество гасительных устройств;

, м – высота стенки падения, отсчитываемая от порога верхней головы до дна гасительного колодца: здесь , м – возвышение порога над уровнем нижнего бьефа, а – глубина гасительного колодца, принимаемая равной , но не более 4,0 м.

Толщину гасительного экрана рекомендуется принимать в пределах 1,0–2,0 м, высоту нижней консоли – 1,0 м и верхней – 0,5 м. Высота консоли порога принимается равной 1,0 м, а угол сопряжения дна колодца с днищем камеры – в пределах 70‒75°.

Длина участка распределения потока , отсчитываемая от внутренней грани экрана до балочной решетки, определяется по зависимости

, м (12)

При конструировании балочной решетки сначала находят суммарную высоту отверстий между балками

, м (13)

где – среднее значение коэффициента, учитывающего потери энергии в отверстиях балочной решетки.

Высота i-го отверстия решетки при неравномерном расположении балок вычисляется по формуле:

, м (14)

Здесь – средняя высота отверстия при расположении балок с равномерным шагом

, м,

– число отверстий, равное числу балок решетки

,

– суммарная высота балок распределительной решетки, равная

, м

– установленная толщина балки на входе потока ( = 0,75; 1,0; 1,5; 2,0 м, а длину балки рекомендуется принимать равной, соответ-ственно: 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 м; толщина и длина верхней плиты перекрытия может отличаться от размеров балки: длина, как правило, больше, а толщина не менее 0,5 м).

Определение высоты каждого отверстия балочной решетки, шаг которой увеличивается снизу вверх, рекомендуется осуществлять графоаналитическим способом.

Зная угол распределения потока от дна камеры гашения до дна камеры шлюза,

,

определяют высоту первого отверстия

, м

Здесь – коэффициент, учитывающий потери энергии в первом от днища камеры отверстии балочной решетки; – приращение коэффициента, равное для любого отверстия

,

а и – значения коэффициентов, соответственно, у дна камеры и над плитой перекрытия: ; .

По условиям незасорения первого отверстия топлой древесиной и мусором должна быть не принята не менее 0,40 м.

Далее определяют угол направления потока на второе отверстие

,

и высоту второго отверстия

, м

где .

Аналогичным образом определяются углы направления потока и высоты последующих отверстий:

,

, м

где .

Поперечное сечение балок распределительной решетки может быть принято любой формы: прямоугольным, трапецеидальным, со скошенной нижней или верхней гранью и др. Наилучшей по гидравлическим условиям считается трапецеидальная форма.

Длину успокоительного участка камеры от низовой грани балок решетки до створа начала полезной длины камеры определяют по формуле

(15)

Полная длина верхней головы шлюза при устройстве плоских рабочих и аварийно-ремонтных ворот по условиям устойчивости на сдвиг должна соответствовать требованию

, м (16)

Ширину устоя головы принимают равной в пределах 6–8 м.

По вычисленным размерам отдельных участков системы наполнения камеры вычерчиваются продольный разрез верхней головы в масштабе 1:100 или 1:200 (см. рис. 9).

При составлении схемы верхней головы может оказаться, что расчетная длина участка камеры гашения близко сопоставима с принятой длиной ниши рабочего затвора . В этом случае можно отказаться от устройства гасительного экрана, заменяя его на сплошную плиту перекрытия над камерой гашения (рис. 10).

Рис. 10. Схема верхней головы шлюза с плитой перекрытия над камерой гашения

8. Устройство и основные размеры верхней головы шлюза с короткими обходными галереями

Верхняя голова шлюза с затопленными водопропускными отверстиями имеет две обходные водопроводные галереи, расположенные в правом и левом устоях (рис. 11), с одним входным и выходным сечениями. Входные и выходные отверстия галерей понижены до отметки дна камеры. Углубление над входным сечением галерей перекрыто сороудерживающей решеткой, а перед выходом ее в камеру шлюза установлена распределительная балочная решетка.

Максимально допустимая площадь водопроводных галерей, при которой обеспечиваются нормативные условия стоянки расчетного судна, определяется по зависимости

, м² (17)

где – коэффициент расхода системы наполнения камеры через водопроводные галереи при подъеме затвора на полную высоту ;

остальные обозначения такие же как и в п. 7.

Обычно принимают прямоугольное сечение галерей в месте расположения рабочего затвора с соотношением высоты галереи к ширине галереи в пределах . В этом случае ширина галереи определится равной

, м,

а ее высота , м

Для уменьшения потерь потока на входе и выходе галерей их площади принимаются больше расчетной на величину:

для входа , м²

для выхода , м²

а размеры входных и выходных отверстий будут соответственно равны

, м и , м

Рис. 11. Схема верхней головы шлюза с короткими обходными галереями

а – продольный разрез; б – план; 1 – аварийно-ремонтные ворота; 2 – рабочие двухстворчатые ворота; 3 – балочная решетка; 4 – обходная галерея;

5 – сороудерживающая решетка; 6 – затворы галереи

Радиусы закруглений осей водопроводных галерей на поворотах при входе и выходе должны приниматься равными, соответственно

, м

В рассматриваемой системе наполнения камеры шлюза гашение энергии потока осуществляется при соударении его о водобойную стенку и частично в балочной распределительной решетке.

Длина входной части верхней головы принимается равной

, м

где , м – длина ниши для ремонтных ворот.

Размеры шкафной части головы:

ширина шкафной ниши

, м

длина

, м

где – длина створки рабочих ворот, определяемая по формуле

, м (18)

Здесь – угол между направлением створки ворот и нормалью к оси шлюза.

Длина упорной части головы должна приниматься не менее напора на камеру:

, м

Полная длина верхней головы определяется равной

, м (19)

Водопроводные галереи в плане располагаются посередине устоя, ширина которого может быть принята в пределах

, м

Ширина пазов плоских затворов должна быть достаточной для размещения уплотнений (не менее ), а расстояние между рабочим и ремонтными затворами – не менее .

При конструировании распределительной решетки верхней головы шлюза с короткими обходными галереями, которую располагают в конце устоя, необходимо принять

, м

и тогда, зная (рекомендации по значениям и даны в п. 7), находят

.

Расстановку балок распределительной решетки по высоте рекомендуется выполнять по геометрической прогрессии, считая нижнее отверстие равным 0,4 м. Длина успокоительного участка принимается в пределах 8–12 м.

Схема верхней головы шлюза с короткими обходными галереями вычерчивается в масштабе 1:100 или 1:200.

9. Конструкция и основные размеры нижней головы шлюза

В качестве системы опорожнения камеры, как для шлюза с наполнением из-под плоских подъемно-опускных ворот (см. рис. 9 или 10), так и для шлюза с наполнением через обходные галереи (см. рис. 11), может быть принята конструкция нижней головы с обходными галереями, изображенная на рис. 12. Обходные галереи в устоях расположены в горизонтальной плоскости, имеют два входных и выходных отверстия. Входные сечения устроены на уровне днища камеры и перекрыты сороудерживающими решетками для предохранения от попадания в галереи мусора и топлой древесины, а выходные сечения – ниже уровня днища с целью устройства над траншеями в камере горизонтальной распределительной решетки. Гашение скорости потока на выходе в нижний подходной канал осуществляется о стенки устоев толщиной 3–4 м, расположенных по оси камеры шлюза.

Размеры элементов системы питания и нижней головы определяются в следующей последовательности.

Находится максимально допустимая площадь водопроводных галерей из условия обеспечения безопасной стоянки расчетного судна при опорожнении камеры шлюза

, м² (20)