Разработка судоходного канала

Введение

Цель курсового проекта - приобретение опыта проектирования комплекса путевых дноуглубительных и выправительных работ для улучшения судоходного состояния перекатного участка реки.

В ходе выполнения проекта решается задача коренного улучшения судоходного состояния перекатного участка реки путем существенного увеличения глубины судового хода с помощью разработки судоходной прорези и строительства системы полузапруд.

В проекте рассматривается ограниченный по длине участок реки, включающий в себя только два переката.

На верхнем по течению перекате обосновываются габариты судоходной прорези, обеспечивающие возможность прохождения через перекат одного или двух выбранных в качестве расчетных судов или составов. Оценивается устойчивость судоходной прорези от занесения наносами.

На втором, нижнем, перекате определяется ширина выправительной трассы, обосновываются габариты полузапруды и расположение системы полузапруды на перекате.

Для всего перекатного участка реки определяется предельно допустимая по гидравлическим условиям глубина судового хода.

1. Расчет габаритов судоходной прорези

судоходный перекатный полузапруд

Габаритные размеры судоходной прорези (глубина и ширина) устанавливаются расчетным путем.

Для данного участка реки выбираем по приложению (1) расчетное судно или состав из приведенных параметров судов.

Принимаем расчетным наливное самоходное судно пр. 866 (танкер).

Длина судна L = 65.5 м,

Ширина судна В = 9.6 м,

Осадка судна Т = 2.06 м.

Выбору судна предшествовало предварительное приближенное назначение целесообразной глубины судоходной прорези. Приняли Тпр = 2.5 м.

Известно, что к категории «капитальных дноуглубительных работ» с коренным улучшением условий судоходства, относят работы со значительным увеличением транзитной судоходной глубины. С учетом этого расчетную глубину назначаем исходя из возможного понижения отметки гребня переката не менее 0.5-1.0 м.

Назначаем судоходные габариты исходя из некоторых приведенных ниже условий. Принимаем двухстороннее движение на полосе (с расхождением) расчетного судна. Ширина прорези не должна превышать минимальную ширину (на уровне проектных изобат) примыкающих к перекату верхней и нижней плесовых лощин. Радиус закругления прорези не должен быть меньше расчетного.

Расчетная глубина прорези (глубина судового хода на перекатном участке) Тпр определяется:

- осадка расчетного судна, м

- запас глубины под днищем судна

- приращение осадки судна при движении с учетом дифферента (просадка судна), м

- коэффициент, учитывающий дифферент судна.

 принимаем в зависимости от отношения , полученная величина входит в промежуток 1.25-1.10, принимаем

В проекте вычисляем по формуле А.М. Полунина

- скорость движения судна, м/c

- ускорение свободного падения, м/c2

Для сокращения объемов вычислений принимаем исходя из натурных наблюдений.

Судовой ход в границах судоходной прорези в преобладающем большинстве случаев имеет прямолинейные очертания, ось прорези по возможности ориентируют по направлению течения.

Ширину судоходной прорези определяем:

- при двустороннем движении

- запас ширины судового хода между судном и кромкой судового хода, м

- запас ширины судового хода между расходящимися судами, м

Ось судоходной прорези должна плавно сопрягаться с осью судового хода в верхней и нижней плесовых лощинах, для чего должно быть выдержано условие:

Устанавливаем конкретные габариты судоходной прорези.

T=2.70m=25.00m=250.00m

2. Трассирование судоходной прорези

Тср - средняя глубина отдельных частей поперечного сечения, м      

ТогНа плане перекатного участка показывается проектная изобата, отвечающая проектной глубине прорези Тпр.

На плане показывается ось судового хода, контуры судоходной прорези и отвала грунта при условии разработки прорези землесосным снарядом.

Ширина прорези должна соответствовать принятой проектной ширине, кривизна оси судового хода при переходе в плесовые лощины не должна быть меньше расчетного радиуса Rcx.

Судоходные прорези преимущественно трассируются по кратчайшему расстоянию между плесовыми лощинами, обеспечивающим минимальный объем дноуглубительных работ.

При назначении прорези и отвала грунта следует руководствоваться рекомендациями соответствующего раздела учебника.

Разработка судоходной прорези земснарядом производится при проектном уровне. Тогда с учетом возвышения гребня отвала грунта над проектным уровнем на 0.8-1.0 м и уноса части грунта потоком, площадь отвала грунта в плане можно считать соответствующей 75% площади прорези, ось отвала удаляется от оси прорези на расстояние, равное ширине прорези.

d=0.75 (Lреф +Lзсн - Lсер)) - Bпр

где Lреф - длина рефулера, м

Lзсн - длина земснаряда, м

Lсер - длина серии, м

d= 0.75 (300+25-100) - 25=143.75 м

3. Построение плана течений

Судоходная прорезь и отвал грунта влияют на гидравлику речного потока.

При разработке капитальной судоходной прорези необходима расчетная оценка ее устойчивости - сохранности.

Оценка режима скоростей течения в зоне прорези производится с помощью построения плана течений и разбивке речного потока на ряд струй с равновеликими значениями расхода воды.

При этом считается, что рассматриваемый перекатный участок расположен в деформируемом потоком русле и сложен размываемыми песчаными грунтами.

Построение плана течений производится на верхнем перекате для режима, отвечающего проектному уровню (срезка равна нулю).

Для построения плана течений в верхнем перекате намечается пять поперечных сечений. Верхнее и нижнее сечения (№1 и №5) расположены за пределами прорези. Среднее располагается по середине (№3), в районе гребня переката. Расстояния между сечениями должны быть примерно одинаковыми.

В основу построения плана течений положен метод М.А. Великаноа («способ плоских сечений»).

При гидравлических расчетах на участках рек, сложенных относительно однородными песчаными грунтами, допускается считать, что коэффициент шероховатости русла по длине и ширине переката неизменен.

С учетом изложенного расход воды (и его распределение по ширине русла) может быть определен по зависимости:

- расход воды, м3 м³/с

      - продольный уклон поверхности воды

n - коэффициент шероховатости русла

В-ширина русла реки, м

Тср - средняя глубина сечения, м

Продольный уклон поверхности воды по длине перекатного участка меняется. Для учета характера изменений продольного уклона необходима постановка достаточно трудоемких натурных наблюдений.

Учитывая сложность этих вычислений, расход воды вычисляется по упрощенной формуле.

Для рек, представленных в курсовом проектировании средняя в живом сечении скорость воды принимается равной 0.7 м/c.

По построенному верхнему поперечному сечению №1, разбитому на 5-7 простейших геометрических фигур, вычисляется его площадь:

 =376.875 м

- ширина отдельных частей поперечного сечения, м

да расчетный расход воды при проектном уровне равен:

м3 м³/с =

Полученный таким образом расход воды на первом сечении используется при последующих расчетах.

Условно считая величину  известной постоянной, для переката допускаем, что распределение расхода воды по ширине русла в основном зависит от изменения глубины.

При построении плана течений для характерных частей поперечных сечений вычисляется значение .

Последовательное суммирование величин позволит найти суммарное их значение. Умножение этого значения на величину  (при известном уклоне) позволит определить расход воды.

Для построения плана течений строятся пять поперечных сечений и в табличной форме вычисляются параметры сечений.

Построение интегральной кривой данных значений производится для естественных и проектных условий (сечения №2 - №4).

С учетом уноса грунта потоком при производстве отвала площадь сечения отвала принимается равной 0.75 площади сечения прорези. Гребень отвала грунта может возвышаться над проектным уровнем на 0.8-1.0 м. В сечениях, охватывающих отвал (№2 - №4), интегральная кривая  для проектных условий может начинаться не от естественного уреза воды, а от кромки отвала грунта.

На вертикальной шкале графика отсчитываются значения величин . Эти величины имеют условный физический смысл, характеризующий изменение по ширине русла глубины , в конечном итоге влияющей на распределение расхода воды на этой ширине. Параметр , будучи умноженным, на величину  будет численно характеризовать часть расхода воды в границах конкретного поперечного сечения.

Сопряжение интегральной кривой  с вертикальной шкалой характеризует все поперечное сечение.

Для построения плана течений часть вертикальной шкалы в полученных границах делят на пять равных отрезков, что условно соответствует 1/5 общего расхода воды. Горизонтальные линии, отвечающие 1/5 общего расхода, доводят до соответствующих (естественный или проектный режимы) интегральных кривых и проецируют на поверхность воды. В результате этого устанавливаются части («отсеки») поперечного сечения, через которые проходит 1/5 расхода воды.

На поперечных сечениях отдельно изображенном плане верхнего переката наносят точки, отвечающие 1/5 расхода воды. Полученные точки плавными линиями соединяются, представляя план течений.

4. Прогноз возможных деформаций судоходной прорези

судоходный перекатный полузапруд

Известно, что судоходная прорезь и отвал грунта вносят изменения в скоростной режим движения потока. При этом на отдельных участках прорези могут получить развитие размыв русла или аккумуляция наносов.

Для прогноза этих деформаций рассматривается одна или две струи потока, наиболее полно вписывающиеся в контуры судоходной прорези. В этом случае в границах одной струи будет проходить 1/5, а в границах двух смежных струй 2/5 общего расхода воды, вычисленного на поперечном сечении №1. Тогда средняя скорость течения воды в границах одной или двух струй на каждом поперечном сечении будет вычислена по формуле:

 - для одной струи

 - для двух струй

- средняя скорость течения воды в границах одной или двух струй соответственно на поперечниках №1 - №5, м/с

- поперечные сечения одной или двух струй на поперечниках №1 - №5

Данные вычислений представляются в табличной форме.

Таблица 1

Для оценки возможных деформаций прорези производится сопоставление средней скорости течения в границах одной или двух струй с неразмывающей и размывающей скоростями течения в границах аналогичного числа струй.

Где и- средний и обеспеченностью 90% диаметр частиц донных отложений (в метрах)

средняя глубина живого сечения одной или двух струй на конкретном поперечном сечении, м

Где площадь живого сечения одной или двух струй, м2 м²

ширина одной или двух струй, м

Вычисляем не размывающюю скорость:

Размывающая скорость определяется как

По результатам расчетов строится совмещенный график изменения по длине переката в границах поперечных сечений №1-5.

На основании этих графиков прогнозируются деформации дна прорези.

Вид деформации между двумя поперечными сечениями определятся характером изменения средней скорости течения по длине прорези в сопоставлении с величинами .

При увеличении скоростей течения возможна глубинная эрозия - понижение отметки дна прорези; при падении скорости - аккумуляция наносов и повышение отметки прорези.

Величина возможной деформации больше там, где значительнее приращение скорости по длине прорези и больше разница между средней и неразмывающей скоростями течения.

Если , размыв размыва дна прорези практически не наблюдается. В нашем случае это условие выполняется, следовательно, размыва дна прорези нет.

Если , деформации дна прорези будут незначительны. Но в данном случае первая часть неравенства не выполняется, Деформации дна будут наблюдаться.

5. Объем дноуглубительных работ

Для определения дноуглубительных работ по оси прорези и по двум ее кромкам строятся продольные профили дна разработки прорези.

Таблица 2- К определению полезного объема выемки грунта

Полезный объем выемки грунта до проектного дна определяется по формуле:

Объем на техническое переуглубление определяется по формуле:

Полный объем получают сложением вышеполученных объемов.

6. Расчет полузапруд

Улучшение судоходного состояния с помощью выправительных сооружений производится на втором, нижнем, перекате участка.

Ширина выправительной трассы вычисляется по гидравлико-морфометрическому способу, при проектном уровне на трех поперечных сечениях в верхней, нижней и средней части нижнего переката. Крайние поперечные сечения располагаются в районе замыкания проектной изобаты, отвечающей ранее вычисленной . Среднее поперечное сечение располагается в районе гребня переката.

Где средняя ширина русла на трех поперечных сечениях (при проектном уровне), м

средняя глубина на трех поперечных сечениях (при проектном уровне), м

проектная глубина (принимается равной глубине судоходной прорези на верхнем перекате), м

площадь поперечного сечения на конкретном профиле, м2 м²

Таблица 3- К определению ширины выправительной трассы

Длина полузапруды (при ее примерно перпендикулярном расположении относительно течения) определяется исходя из ширины выправительной трассы и ширины русла реки.

Обоснование отметки гребня - высоты полузапруды выполняется в следующем порядке.

Устанавливается отметка расчетного уровня воды и вычисляется соответствующий ему расход воды. В качестве расчетного рекомендуется применять срезку, соответствующую отметке бровки поймы в районе выправляемого переката.

Расчетный расход определяем по формуле:

ширина поперечного сечения на гребне переката при расчетном уровне, м

средняя глубина поперечного сечения при расчетном уровне (с учетом срезки), м.

Размеры полузапруды должны увеличивать скорость течения в не перекрытой части поперечного сечения русла до величины, достаточной для размыва дна в границах судового хода до проектной отметки.

На поперечном профиле строится интегральная кривая распределения расхода воды по ширине русла при выбранном расчетном уровне.

По интегральной кривой и ширине выправительной трассы определятся расход воды , проходящий в свободной части поперечного сечения при естественном режиме - до возведения полузапруды, определяется св.

 м/с

м/c

Потребная расчетная скорость на всей свободной от полузапруды части определяется по формуле:

После возведения полузапруды при расчетном уровне в свободной части сечения должен проходить расход , обеспечивающий необходимый размыв дна в зоне судового хода.

Коэффициент показывает, насколько при расчетном уровне надо увеличить расход воды в свободной от полузапруды части сечения после ее постройки по сравнению с естественным расходом, ранее проходившим через туже часть сечения.

Для намеченных трех вариантов отметок гребня полузапруды вычисляются величины . По их величинам вычисляются коэффициенты:

 характеризует степень затопления полузапруды

характеризует степень стеснения полузапрудой живого сечения.

На основании выполненных вычислений строятся совместные графики - кривые зависимостей , .

По этим кривым устанавливается зависимость .

Полученные кривые позволяют установить связь между степенью затопления, степенью стеснения и отметкой гребня полузапруды. Но они не позволяют точно установить высоту гребня полузапруды, обеспечивающую необходимый размыв русла в период работы сооружения в затопленном состоянии.

По известной величине , с помощью графика (1) задаются два значения и находят соответствующие им два значения .

На совместном графике по двум точкам проводят линию связи . Точка пересечения кривых  и , перемещенная на вертикальную шкалу , показывает расчетную отметку гребня полузапруды

7. Определение гидравлически допустимой судоходной глубины

Известно, что разработка на перекате судоходной прорези сопровождается некоторым, иногда временным, понижением поверхности воды.

При существенном увеличении транзитной судоходной глубины на протяженном участке реки подобная посадка уровня может быть значительной, негативно влияющей на экологическую и хозяйственную ситуации.

С целью возможности учета последствий от регулярного значительного углубления групп перекатов введено понятие гидравлически допустимой глубины судового хода, при которой «посадка» уровня относительно невелика, существенно меньше получаемой судоходной глубины.

Попытке дальнейшего увеличения транзитной глубины (за пределами гидравлически допустимой) должны предшествовать проектные проработки с обоснованием мероприятий, ослабляющих или исключающих негативные последствия от дноуглубительных работ.

К настоящему времени имеются два способа расчета величины гидравлически допустимой глубины.

В обоих способах предусмотрена характеристика параметров русла на большом протяжении с охватом значительного числа перекатов и плесовых лощин.

расчет по способу УДН

Где максимально допустимая судоходная глубина, м

средняя максимальная глубина плесовых лощин (усреднены максимальные глубины трех плесовых лощин), м

проектная ширина судоходной прорези, м

осредненная максимальная ширина русла на перекатах (усреднены ширины русла на двух перекатах), м

показатель руслового режима, который вычисляется по данным о расходах и уровнях вод, интенсивности их изменений.

принимаем в зависимости от максимальной глубины на рассматриваемом перекатном участке: до 2.5 м , до 3.5 м , более 3.5 м .

- расчет по способу НГАВТ

При преобладающей параболической форме поперечного сечения русла реки габариты судового хода взаимосвязаны: увеличение глубины судового хода на его кромках сопровождается уменьшением ширины хода, и наоборот. Отсюда при известном произведении , задаваясь одним из параметров можно найти другой:

Где допустимая (искомая) глубина судового хода, м

ширина судового хода, м

коэффициент шероховатости

коэффициент ассиметричности поперечных сечений русел,

проектный расход воды, м3 м³/c

продольный уклон поверхности воды

морфометрическая функция (характеризует параметры поперечного сечения).

показатель степени в уравнении параболы сечения русла.

средняя и максимальная глубины на поперечных сечениях на перекатах участка, м

Для окончательного определения величину принимают равной ширине прорези

8. Производство дноуглубительных и выправительных работ

Для углубления дна водоема на определенной площади земснаряд должен совершать рабочие перемещения в пределах разрабатываемой прорези в продольном и поперчном направлениях, увязывая эти перемещения с режимом извлечения и удаления грунта.

Траншейным способом работают земснаряды с элиптическим, уширенным и щелевым всасывающим наконечниками без разрыхлителей или с гидравлическим разрыхлитетелем

При траншейном способе прорезь по длине предварительно делят на ряд серий, а серии на траншеи по ширине.

Расстояние между осями смежных траншей принимается обычно равным ширине корпуса землесосного снаряда.

Преимущество разработки перекатов сериями сверху вниз заключается в том, что взмученный снарядом грунт откладывается на еще не разработанной части прорези, чем обеспечивается большая чистота выработки, обеспечивает операции по перекладке якорей и переводу плавучего грунтопровода и сокращает затраты времени на них.

Корневую часть полузапруды намывают из ближнего подводного карьера, а головную - из удаленного. Укркепление гребня и откосов полузапруды, если оно предусмотрено проектом, выполняют сразу после окончания намыва грунта.

Список использованных источников

1. Методические указания Р.Д. Фролов Водные пути и путевые работы. Улучшение судоходного состояния перекатного участка реки. ВГАВТ Н. Новгород 2000

.   Гришанин К.В., Дегтярев В.В., Селезнев В.М. Водные пути. М.: Транспорт, 1986, 400 с.

.   Руководство по методам расчета, планирования и оценке эффективности путевых работ на свободных реках. М.: Транспорт, 1978, 104 с.

.   Седых А.И. и др. Путевые работы на судоходных реках. М.: Транспорт, 1978, 328 с.