Выбор основных параметров водоклиновых судоподъемников

Идея создания новой разновидности наклонных судоподъемников, так называемых водоклиновых, впервые была реализовала во Франции в начале шестидесятых годов. В Советском Союзе исследования данного типа судопропускных сооружений ведутся с середины 70-х годов. Большие габариты отечественных судопропускных сооружений требуют новых решений по сравнению с французским прототипом.

В настоящее время научным обоснованием возможности строительства и определением эффективности применения водоклиновых судоподъемников занимается целый ряд проектных и научно-исследовательских организаций: ЛПИ им. М. И. Калинина (головная организация), Л.О. института Гидропроект им. С. Я. Жука, СКВ Лен-гидросталь, ЛИВТв решении данной проблемы принимает участие Дрезденский технический университет (ГДР).

Одним из основных вопросов, который необходимо решить при проектировании судоподъемника, является определение характера движения водяного клина с плавающими судами. С одной стороны, скорость перемещения судна должна быть максимальной — этим определяется судопропускная способность судоподъемника и его экономические показатели. С другой стороны, увеличение скорости движения а, соответственно, и ускорения, приводит к увеличению гидродинамических сил, действующих на судно, а тем самым снижает фактор безопасности. Первые шаги в решении данной задачи были сделаны на кафедре «Водные пути и порты» ЛПИ им. М. И. Калинина в рамках выполнения хоздоговорной работы по плану ГКНТ при Совете Министров СССР по теме: «Провести исследования на крупномасштабной модели, разработать на их основе и представить в Минводхоз СССР, Минэнерго СССР и Минречфлот РСФСР рекомендации по применению и проектированию бескамерных судоподъемников на трактах переброски стока». В 1978;1980 гг. на гидравлической модели в масштабе 1:50 были, проведены исследования двух типоразмеров камеры — 150×22×4 и 300×22×4 м. В качестве расчетных цринимались суда типа «Волго-Дон». По результатам проведенных исследований сделан вывод о возможности перемещения передвижного щита со значительными для наклонных судоподъемников скоростями (серии опыо тов прово, цились до скоростей 3,5 м/с, ускорений — 0,028 м/с) при удовлетворительных условиях отстоя судов. Результаты исследований были внедрены в Ленгидропроекте в ТЭ0 переброски части стока сибирских рек в бассейн Аральского моря. С 1980 по 1983 гг. по тематике Минвуза РСФСР «Выбор рациональных типов и разработка научных основ конструирования судопропускных сооружений» проводились теоретические исследования эксплуатационных режимов водоклинового судоподъемника. Расчеты на ЭВМ выполнялись в лаборатории математического моделирования ЛПИ. В 1982 г. были проведены дополнительные экспериментальные исследования для судоподъемника с полезными габаритами 150×22×4 м. Результаты данных экспериментов использовались Ленгидроцроектом в отчете по теме: «Разработка нового типа бескамерного судоподъемника «Водяной клин» «. По мере выполнения отдельных этапов работы, полученные результаты докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Водные пути и порты», на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава гидротехнического факультета ЛПИ (1980, 1981 гг.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре в ЖВТе «Опыт эксплуатации судоподъемника Красноярской.

ГЭС и научно-технический уровень разработок по судопропускным сооружениям для высоконапорных гидроузлов рек Сибири" (1982 г.).

Результаты исследований гидромеханики водоклиновых судоподъемников отражены в 5 печатных работах автора. Экономический эффект от внедрения результатов проделанной работы составляет 200 тыс. руб. в год.

Перспективными планами социального и экономического развития народного хозяйства СССР до 1990 г., постановлениями XXVI съезда КПСС предусматривается значительное увеличение строительства крупных гидротехнических объектов (например, больших машинных каналов для регионального перераспределения стока рек, таких, как каналы переброски части стока северных рек в Волгу, сибирских рек в бассейн Аральского моря), создание новых транспортных коммуникаций в районах Сибири и Дальнего Востока. В решении этих проблем большое значение придается водному транспорту, эффективность использования которого в существенной мере зависит от судопропускных сооружений, выбор рациональных типов которых является весьма актуальной задачей. Решение этой задачи во многом предопределяется применением более совершенных конструкций, научным обоснованием технических решений и уровнем проектных работ. В настоящее время установлено, что при благоприятных топографических условиях: наиболее эффективным типом судопропускных сооружений, особенно в составе высоконапорных гидроузлов, а также в условиях необходимости сбережения воды, являются водоклиновые судоподъемники /58/.

Отличительной чертой водоклинового судоподъемника является то, что при отсутствии судовозной камеры, применяемой в ранее известных типах судоподъемников, суда в нем транспортируются наплаву в клине воды, толкаемом передвижным щитом.

По сравнению с традиционными техническими решениями вопроса судопропуска через гидроузлы с помощью шлюзов и судоподъемников с камерами, вариант с использованием водоклинового судоподъемника имеет совокупность достоинств, которые позволяют ему по технико-экономическим показателям успешно конкурировать как со шлюзами, так и с судоподъемниками. /73/.

В отличие от всех других типов судоцропускных сооружений, водоклиновый судоподъемник может одновременно выполнять функции рыбохода, а в случае необходимости, и водосброса без существенных дополнений к конструкции, что ведет к значительному снижению капитальных затрат на строительство гидроузла в целом.

Обладая важным достоинством наклонных судоподъемниковнезначительным удорожанием строительства с увеличением напора на сооружение, — бескамерные водоклиновые судоподъемники лишены тех недостатков, которые ограничивают область применения судоподъемников с движущейся камерой на высоконапорных гидроузлах крупных рек. Действительно, с увеличением напора требуется только удлинение лотка и путей передвижного щита, стоимость которых несущественна. Одним из недостатков судоподъемников с движущейся камерой, который можно ликвидировать, применив водоклиновый судоподъемник, является неблагоприятное распределение нагрузок на грунт, приводящее к усилению конструкций и к увеличению стоимости сооружения. В случае водокли-нового судоподъемника опорноходовые части передвижного щита будут воспринимать и передавать на пути нагрузку в 15−20 раз меньшую, чем опорноходовые части камеры наклонного судоподъемника. Судовозный лоток получается достаточно легким, так как максимальный слой воды в нем не превышает 10−12 м (при полезной длине зеркала клина 300 м), отсюда суммарное давление, передаваемое на грунт от конструкции лотка с учетом веса воды, не превосходит 0,15.Ша. Таким образом, требования к геологическим условиям при. строительстве водоклинового судоподъемника гораздо ниже, чем для остальных типов наклонных судоподъемников, что значительно расширяет область его использования. Кроме того, установлено, что удовлетворительные условия эксплуатации судоподъемника соблюдаются и в том случае, когда лоток сделан с переменным уклоном, при этом и в плане он может иметь криволинейное очертание. Все это дает возможность, во-первых, значительно снизить стоимость судоподъемника за счет уменьшения объема земляных работво-вторых, с одинаковым успехом применять данный тип судоподъемника как на вновь строящихся гидроузлах, так и на уже существующих.

Расчеты, проведенные для определения тяговых усилий привода самоходной камеры и. передвижного щита при одних и тех же полезных габаритах судоподъемника, показали, что затраты электроэнергии при работе водоклинового судоподъемника несколько ниже. При использовании на высоконапорных гидроузлах шлюзов, значительные объемы воды теряются на шлюзования, что приводит к потерям в выработке электроэнергии, которые в 10−20 раз превышают затраты электроэнергии на эксплуатацию водоклиновых судоподъемников, не тлеющих потерь воды (кроме потерь через уплотнения передвижного щита, практически равных потерям через уплотнения ворот шлюза). Таким образом, водоклиновый судоподъемник весьма экономичен при эксплуатации.

Водоклиновые судоподъемники обладают большой пропускной способностьюобъясняется это несколькими причинами. Во-первых, они могут пропускать без расчалки составы большегрузных толкаемых барж и иметь габариты полезной площади, клина, аналогичные шлюзам с длиной камеры 300 м и шириной 18 м. В случае незначительных колебаний уровня воды в верхнем бьефе, благодаря малому уклону дна на участке клина с глубинами меньше гарантированных, могут размещаться суда с осадкой меньше расчетной, при этом полезная длина зеркала воды, занятая транспортируемыми судами, может возрастать до 450 м, что недостижимо ни цри каких других типах судопропускных сооружений. Во-вторых, при напорах более 25 м скорость перемещения щита может приниматься равной 2,5*3,0 м/с. Связано это с тем, что треугольная форма клина воды обеспечивает хорошее гашение возникающих при движении ч волнений и колебаний. Наличие судов на поверхности водяного клина еще больше снижает волновые явления, что позволяет при трогании с места и торможении задавать значительные значения ускорения, шлея при этом удовлетворительные условия отстоя судов. На условия отстоя судов благоприятное влияние оказывает и то, что в водяном клине почти отсутствуют циркуляционные течения.

При определении пропускной способности и стоимостных показателей судоподъемника необходимо учитывать и тот положительный факт, что суда при транспортировке в водоклиновом судоподъемнике преодолевают значительные расстояния по горизонтали, не затрачивая энергии на перемещение, со скоростями даже несколько большими, чем при движении по каналам.

Накопленный в нашей стране опыт проектирования водоклино-вых судоподъемников и уровень научных исследований по ним, позволяют уже сейчас рекомендовать использовать их при решении проблемы водно-транспортного освоения сибирских рек, на которых построено большое количество высоконапорных гидроузлов без судопропускных сооружений. Ленгидропроектом разработан принципиально новый вариант конструкции водоклинового судоподъемника с полезными габаритами 180×36×4 м и доказана эффективность его использования на всех, включая низконапорные, гидроузлах канала переброски части стока сибирских рек в бассейн Аральского моря.

В заключение отметим, что в настоящее время ЛПИ им. Калинина, Ленгидропроектом и Дрезденским техническим университетом проводятся совместные исследования с целью разработки рекомендаций по применению водоклиновых судоподъемников на водных путях стран членов СЭВ.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ОБ ИССЛЕДОВАНИЯХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В НАКЛОННЫХ СУДОПОДШШИКАХ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

В результате проделанной работы:

1. Показано, что основные параметры водоклинового судоподъемника — грузопропускная способность и стоимость существенно зависят от режима перемещения клина воды и вызываемых ими гидродинамических явлений.

2. Впервые получено точное аналитическое решение задачи о нестационарном движении клина жидкости в лотке судоподъемника. В отличие от ранее выполненных работ, решение проведено без допущения о пренебрежении вертикальным ускорением частиц жидкости. Это позволяет получать достоверные значения гидродинамических воздействий на судно и конструкции судоподъемника во всем диапазоне ускорений движения передвижного щита, имеющих место при эксплуатации.

3. Предложены аналитические зависимости и методика определения максимальных амплитуд колебаний уровня воды у щита, запаса вода под наиболее выступающей оконечностью судна, усилий в швартовых связях.

4. Данные рекомендации по назначению оптимальных режимов движения передвижного щита водоклинового судоподъемника.

5. Разработан алгоритм численного решения задачи о движении клина жидкости в лотке судоподъемника. По данному алгоритму составлена программа расчета на ЭВМ для определения профиля волновой поверхности и давлений на конструкции судоподъемника на всех этапах движения передвижного щита: равноускоренном, равномерном, равнозамедленном.

6. Проведены экспериментальные исследования равноускоренных режимов движения клина жидкости в лотке судоподъемника. На основании экспериментов выведена эмпирическая зависимость для определения максимальных амплитуд колебаний вода у щита, определены давления на щит, гидродинамические воздействия на судно при различной жесткости его закрепления. Результаты опытов удовлетворительно согласуются с данными расчетов, что, с одной стороны, свидетельствует о достоверности полученных результатов, а с другой, позволило распространить их результаты на больший класс рассматриваемых явлений.

7. Экспериментальным путем определены продольные горизонтальные присоединенные массы жидкости. По найденным значениям проведена корректировка аналитического решения.

Полученные результаты использованы при проектировании водо-клиновых судоподъемников в составе гидроузлов на канале переброски части стока сибирских рек в бассейн Аральского моря с экономической эффективностью около 200 тыс.рублей.

Проведенные нами впервые в отечественной практике исследования гидродинамики в клине жидкости водоклинового судоподъемника позволяют наметить направление дальнейших исследований: изучение экспериментальных режимов работы судоподъемника, исследование влияния трения на гидромеханические процессы в клине жидкости при транспортировке, определение величины наката волн на лоток, рассмотрение условий сопряжения судоподъемника с верхним и нижним бьефами. Перечисленные исследования желательно провести на крупномасштабной модели водоклинового судоподъемника.