Судоходный шлюз в составе комплексного гидроузла

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

ЯИВТ (филиал) ФГБОУ ВО

Сибирский Государственный Университет Водного Транспорта

Кафедра гидротехнических сооружений, портов и надёжности сооружений

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «Речные гидротехнические сооружения»

«Судоходный шлюз в составе комплексного гидроузла»

Выполнил студент V курса

Абрамович А.А.

С-11-03

Проверил преподаватель - Сорокин Е.М.

Якутск 2015 г.

Оглавление

1 Установление основных размеров

1.1 Габариты шлюза

1.2 Подходные каналы и направляющие палы

1.3 Вывод к разделу «Установление основных размеров»

2. Обоснование места расположения шлюза при наличии мостового перехода по сооружениям гидроузла

3. Головная система питания шлюза

3.1 Расчёт наполнения камеры

3.2 Расчёт гасительных устройств

3.3 Расчёт опорожнения камеры

3.4 Вывод к разделу «Система питания шлюза»

4. Определение класса сооружения

5. Расчёт стен камеры шлюза

5.1 Выбор типа камеры

5.2 Определение уровня грунтовых вод

5.3 Определение размеров стены

5.4 Расчёт нагрузок на стену

5.5 Расчёт стен по прочности

6. Технико-эксплуатационные расчёты

6.1 Пропускная способность шлюза

6.2 Навигационная потребность шлюза в воде

Литература

1 Установление основных размеров

1.1 Габариты шлюза

Исходные данные для проектирования шлюза представлены в приложении №1.

Основные габариты шлюзов (полезная длина и ширина камеры, а также глубина на порогах) должны отвечать характеристикам расчётных судов и должны приниматься одинаковыми для шлюзов, расположенных на одном водном пути.

Для установления основных габаритных размеров шлюза задаёмся размерениями расчётного состава, так как состав состоит одного судна: длина - ls=110 метров, ширина - bs=16 метров, статическая осадка загруженного судна - s=2,1 метра, коэффициент полноты миделевого сечения - β = 0,98 и коэффициент полноты водоизмещения - δ=0,87.

Основные габаритные размеры камеры шлюза:

ü полезная длина (lc,ef) - длина, на которой допускается размещение расчётных составов;

ü  полезная ширина (bc,ef) - ширина, позволяющая прохождение расчётных составов;

ü  глубина на пороге (hl) - глубина, достаточная для прохождения судов с расчётной осадкой.

Габаритные размеры камеры устанавливаем при расчётном наинизшем судоходном уровне (в нашем случаи он установлен в задании).

Полезную длину камеры принимаем не менее

где - сумма длин расчётных судов, шлюзующихся одновременно и устанавливаемых в камере в кильватер;

n - число одновременно шлюзуемых судов, устанавливаемых в камере в кильватер;

∆l - запас по длине камеры в каждую сторону и между судами, устанавливаемыми в камере в кильватер, определяем по формуле

Полезную ширину камеры шлюза принимаем не менее

где - сумма ширин одновременно шлюзуемых (рядом стоящих) судов;

∆bs - запас по ширине с каждой стороны от шлюзующихся судов. Так как ширина судна находится в пределе от 10 м до 18 м, то принимаем запас по ширине равным 0,4 м.

Глубину на пороге шлюза определяем в соответствии с условием:

где s - осадка судна в полном грузу, равная по условию задания 2,1 м;

∆s - дополнительная осадка кормы расчётного судна при его входе (выходе) в камеру;

δmin - минимальный запас воды под днищем судна на ходу. По правилам плавания на ВВП при глубине на пороге шлюза от 1 метра до 2,5 метров δmin=0,25 м, при глубине больше 2,5 метров δmin=0,4 м. Т.к. расчетная осадка судна в полном грузу составляет 2,1 метра, то глубина на пороге шлюза в любом случаи будет до 2,5 метров. Принимаем δmin=0,25 м.

Величина ∆s зависит от следующих факторов: скорости движения судна при входе (выходе) в камеру, степени стеснения живого сечения камеры судном, конструкции порога.

Максимальная расчётная скорость движения судна νs в стеснённых условиях, вследствие значительного увеличения сопротивления, не сможет превысить величину критической скорости, которая в свою очередь зависит, исключительно, от коэффициента стеснения живого сечения камеры судном. Следовательно, в конечном счёте величина ∆s будет зависеть от коэффициента стеснения живого сечения камеры и конструкции порога. Последнее обстоятельство требует определять ∆s для верхней и нижней голов раздельно, поскольку конструкции их порогов различны.

Расчёт глубины на пороге произведём в следующем порядке:

1)  примем, предварительно, глубину на пороге

2)  подсчитываем коэффициент стеснения живого сечения на пороге верхней головы

где - площадь минделевого сечения расчётного состава, определяемая по формуле

где β - коэффициент полноты минделевого сечения расчётного состава, равный по условию задания 0,98.

) Для определения относительных значений дополнительных осадок кормы расчётного судна при его входе (выходе) в камеру ∆s/hL используют графики представленные в методических указаниях для выполнения курсового проекта, в зависимости от коэффициента стеснения живого сечения на порогах верхней и нижней головы и коэффициента N.

Где lс - длина камеры шлюза, принимаемая от створа нижних ворот до створа верхних ворот, предварительно lс=1,15lc,ef=1,15*123,2=141,68 метров.

Используя графики получим относительные значения дополнительных осадок кормы ∆s/hL на верхней голове = 0,122 и нижней голове 0,092. Получим абсолютные значения дополнительных осадок:

∆sВГ=hL*0,122=2,73*0,122=0,333 метра;

∆sНГ=hL*0,102=2,73*0,092=0,251 метра.

Получаем расчетную глубину на пороге шлюза:

4) Установив глубину на пороге 2,73 метра определим величину критической скорости, с которой судно может двигаться при входе в шлюз или при выходе из него.

Где g-ускорение свободного падения;

φ=arcos(1-k)= arcos(1-0,72)=1,287.

По условиям СНиП 2.06.07-87 полученные расчетные размеры камеры шлюза принимаем по рекомендуемым соотношениям размеров, получим:

ü  длина камеры шлюза lc,ef = 125 м;

ü  ширина камеры шлюза bc,ef = 17 м;

ü  глубина на пороге hl =3 м.

Высота стен камеры над днищем Нст составляет:

где Нd - напор на шлюз, равный наивысший судоходный уровень в верхнем бьефе минус наинизший судоходный уровень в нижнем бьефе 21-12=9 метров;

hст - возвышение верха стен шлюза над наивысшим уровнем воды в канале должно быть для шлюзов на путях магистрального значения не менее 1 м согласно СНиП 2.06.07-87.

Длина верхней головы при безгалерейной системе питания lвг есть общая длина (считая по оси шлюза) аварийно-ремонтных заграждений, ворот и гасительных устройств, типы и размеры которых установим. Предварительно при воротах в виде плоского подъёмно-опускного щита и соответствующего ему типа аварийных заграждений длину верхней головы назначаем в соответствии с выражением

Определяем высоту стенки падения hсп из условия

где ∆Нср - величина навигационной сработки уровня верхнего бьефа, определяемая как разность отметок наивысшего и наинизшего судоходных уровней в верхнем бьефе и равная 21-20=1 м

Для нижней головы с двухстворчатыми воротами:

ü  примем длину входной части

ü  примем угол линии порога

ü  рассчитаем глубину шкафной ниши

ü  рассчитаем длину полотна створки ворот

ü  рассчитаем длину шкафной ниши

ü  длина опорной части устоя

ü  высоту порога над полом шкафной части примем

ü  возвышение верха ворот над наивысшим уровнем воды в камере примем

ü  рассчитаем длину нижней головы

Схема камеры шлюза с расчетным составом представлена в приложении № 2.

.2 Подходные каналы и направляющие палы

Размеры и очертания в плане подходных каналов при двухстороннем движении должны обеспечивать безопасное расхождение входящих в шлюз и выходящих из него составов, а также безопасные условия стоянки судов и составов, а также безопасные условия стоянки судов и составов, ожидающих шлюзования.

Для однониточных шлюзов рекомендуются несимметричные или полусимметричные подходы с движением по прямой при входе составов в шлюз.

В курсовом проекте принимаем для расчёта полусимметричный тип канала.

Приведём основные размеры полусимметричного подходного канала на участке расхождения входящего и выходящего составов.

Смещение осей судового хода относительно оси шлюза составляет:

ü  для входящего судна

ü  для выходящего судна

где Δb1 - внешнюю часть уширения судового хода выходящего судна определяем по формуле

где r - радиус оси судового хода в пределах подходного канала, определяемый по формуле

ап, аб - запасы по ширине между судном и причальной стенкой (для выходящего судна) и между судном и границей судового хода (для входящего судна);

аs - запас по ширине между судами.

В курсовом проекте принимаем an=aб=as=0,2·bs

Расстояние между осями судовых ходов определяем по формуле:

Ширина канала на уровне расчётной глубины составит:

ü  для расширенного участка

где Δb - суммарное уширение канала, определяемое по формуле

ü  для нерасширенного участка

Теперь необходимо определить расчётную глубину подходного канала при наинизшем судоходном уровне, она должна быть выдержана на всей расчётной ширине судового хода.

где hk - расчетная глубина воды в канале Sk = 1,3*S=1,3*2,1=2,73м;

δk - навигационный запас глубины под днищем судна, согласно СНиП 2.06.01-86 = 0,4 метра;

Zз - запас на заносимость примем 0,4 метра;

Zв = 0,63hв - ∆Sk ; hв - высота волны примем равное 0,7 метра

∆Sk - запас на увеличение осадки кормы судна при движении с расчетной скоростью: расчетная скорость движения судна устанавливается из условия безопасности входа, выхода и стоянки судов у причала. Величина ∆Sk в зависимости от коэффициента k определяется по графику представленному в методических указания для выполнения курсового проекта (стр. 15).

Коэффициент k определяется по формуле:

Коэффициент а0 зависит от соотношения длины и ширины расчетного состава, и при заданном отношении 110/16=6,88 составляет 1,1.

Используем следующий порядок расчета:

)        зададим предварительную глубину воды в канале начиная с

2) определим коэффициент стеснения канала при низком уровне k и площадь живого сечения канала:

Sк - площадь живого сечения канала определяем по формуле

где bз - ширина канала по зеркалу

m - заложение откосов, определяем по формуле

- угол внутреннего трения под водой (по условию задания Супесь) для супеси угол внутреннего трения под водой составляет 23°.

) По графику определяем вначале ∆Sk=0,1, а затем и абсолютное значение ∆Sk=0,1*Sk/bз=0,1*66,4/29,96=0,221м

) Проверяем выполнение условия: ∆Sk≤ hk - S - δk - Zз - Zв

,7-2,1-0,4-0,4-(0,63*0,7 - 0,221)=-0,42≤0,221, условие не выполняется задаем новое значение глубины 5,0 метров.

) По графику на рисунке 3 определяем вначале ∆Sk=0,1, а затем и абсолютное значение ∆Sk=0,1*Sk/bз=0,1*88,9/33,8=0,26м

,5-2,1-0,4-0,4-(0,63*0,7 - 0,26)=0,42≥0,26 условие выполняется принимаем глубину в подходном канале 3,5 метра.

Длина подходного канала на той части, которая необходима для манёвра судов, входящих в шлюз и выходящих из него, складывается:

a.       из длины первого участка l1, начинающегося непосредственно от шлюза и определяемого по формуле:

b.      из длины второго участка l2, на котором состав при встречном движении переходит с оси шлюза на смещённую ось судового хода в канале. Длину второго участка определяем по формуле:

c.       из длины третьего участка l3, являющегося местом стоянки составов, ожидающих шлюзования или местом их расхождения и определяемого по формуле:

где  - сума длин расчётных судов, шлюзующихся одновременно и устанавливаемых в камере в кильватер:

Общая длина подходной части канала составит:

Переход от уширенного сечения подходного канала к нормальному происходит по длине, равной:

Направляющие палы, примыкающие к внешним граням голов шлюза, должны обеспечивать постепенный переход от ширины канала к ширине камеры шлюза. Очертание криволинейной палы может быть выполнено по окружности одним или несколькими радиусами.

Для ходовой палы, вдоль которой судно входит в шлюз, в границах судового хода должно быть соблюдено условие, чтобы угол β между направлением касательной к пале и осью шлюза на водных путях категории магистраль был не более 25°; для неходовых пал этот угол должен быть в два раза больше.

Очертание палы устанавливается после того, как будут найдены радиусы дуг её рабочей и сопрягающей частей.

Расчёт начнём с определения положения границ судового хода относительно внутренних граней входных стен, характеризуемых размером а и относительно уреза воды - размером а1.

Для ходовой палы

Для неходовой палы

В обоих случаях

где m - заложение откосов, равное 2,4;

ΔH - колебание уровня воды в нижнем бьефе равное 2 м

Определяем теперь радиусы дуг R и величину проекции палы на ось шлюза:

ü  для рабочей части (криволинейный участок) палы

ü  сопрягающая часть палы

ü  проекция на ось шлюза рабочей части палы, расположенной в границах ширины судового хода при наивысшем судоходном уровне должна приниматься не менее  для неходовых пал, следовательно, прямолинейный участок ходовой палы составит:

Прямолинейного участка неходовая пала не имеет.

Крепление откоса канала, то есть тип крепления и его основные размеры зависят в значительной степени от высоты волны.

Высоту волны определяем по формуле:

где hв - высота судовой волны у откоса канала;

vs - скорость движения судна принимаем равной в два раза больше критической скорости входа судна в камеру шлюза = 1,2 м/с = 4,3 км/час;

δ - коэффициент полноты водоизмещения судна

s - осадка судна в полном грузу

Высоту наката волны на откос определяем по эмпирической зависимости

где βш - коэффициент, принимаемый равным для бетонной облицовки 1,4.

Верхняя граница основного (не облегчённого) крепления hвк будет располагаться выше наивысшего судоходного уровня на величину равную hнв=0,41 м.

.3 Вывод к разделу «Установление основных размеров»

В результате расчётов в соответствии со СНиП 2.06.07-87 были приняты следующие габаритные размеры шлюза:

ü  длина камеры шлюза lc,ef = 125 м;

ü  ширина камеры шлюза bc,ef = 17 м;

ü  глубина на пороге hl =3 м.

Были произведены расчёты и приняты конструктивные размеры верхней и нижней головы шлюза, при этом длина верхней головы составила 18,0 м, а нижней 22 м.

Полусимметричный подходной канал имеет глубину 3,5 м и ширину для расширенного участка 54,43 м, для нерасширенного участка 41,6 м при общей длине подходной части канала 339 м; переход от уширенного сечения к нормальному происходит по длине равной 256,6 м.

2. Обоснование места расположения шлюза при наличии мостового перехода по сооружениям гидроузла

Расположение шлюзов и подходов к ним в плане должно обеспечивать безопасные и удобные условия:

ü  ввода составов в шлюз и вывода из него;

ü  отстоя составов в подходах к шлюзу;

ü  подхода составов к месту их отстоя перед шлюзованием с реки или водохранилища.

Суда, при входе в шлюз или выходе из него испытывают боковое или косое воздействие ветровой волны и ветра, а иногда и течения. Поэтому для безопасности эксплуатации необходимо, чтобы составы судов могли двигаться в течении всего периода ввода в шлюз и вывода из него точно по прямой la=378,5 м, а воздействие течения, ветровой волны и ветра было ограничено.

Радиус сопряжения от примыкающих к шлюзу подходных участков с осями судовых ходов в реке или водохранилище должен быть не менее Rmin=5·ls =5·135=675 м.

Расположение камеры шлюза в верхнем бьефе ухудшает условия эксплуатации и ремонта, утяжеляет её конструкцию. Поэтому такое расположение шлюза не желательно, но при наличии в узле сооружений железнодорожного перехода расположение камер шлюза в нижнем бьефе возможно только при значительном удалении шлюза от водосливной плотины и гидроэлектростанции, допускающие разворот подходов к мосту достаточным радиусом.

Мостовые переходы размещают на судовых шлюзах, обычно на нижних головах ниже ворот, где даже при установке пролётных строений непосредственно на устоях, имеется свободный подмостовой габарит.

Расположение шлюза в гидроузле приходится выбирать в результате технико-экономического сравнения возможных вариантов. Створ гидроузла располагается в наиболее узком месте поймы реки.