Размещено на http://www.allbest.ru/

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 - в = 0,98 и коэффициент полноты водоизмещения - д=0,87.

Основные габаритные размеры камеры шлюза:

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

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

ь 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;

дmin - 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 дmin=0,25 м, при глубине больше 2,5 метров дmin=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 дmin=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 нs 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 в - коэффициент полноты минделевого сечения расчётного состава, равный по условию задания 0,98.

Коэффициент стеснения живого сечения на пороге нижней головы примем равным коэффициенту стеснения на пороге верхней головы т.к. возвышение порога нижней головы над днищем камеры в нашем случаи равна 0.

3) 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;

ц=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:

ь длина камеры шлюза lc,ef = 125 м;

ь ширина камеры шлюза bc,ef = 17 м;

ь 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:

ь примем длину входной части

ь примем угол линии порога

ь рассчитаем глубину шкафной ниши

ь рассчитаем длину полотна створки ворот



ь рассчитаем длину шкафной ниши

ь длина опорной части устоя

ь высоту порога над полом шкафной части примем

ь возвышение верха ворот над наивысшим уровнем воды в камере примем

ь рассчитаем длину нижней головы

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

1.2 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:

ь для входящего судна

ь для выходящего судна

где Дb1 - 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:

ь для расширенного участка

где Дb - суммарное уширение канала, определяемое по формуле

ь 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;

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

Zз - запас на заносимость примем 0,4 метра;

Zв - запас на волновое волнение, определяется по формуле:

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:

1) 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°.

3) 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

4) Проверяем выполнение условия: ?Sk? hk - S - дk - Zз - Zв

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

3) 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

3,5-2,1-0,4-0,4-(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 в 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;

ДH - колебание уровня воды в нижнем бьефе равное 2 м

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

ь для рабочей части (криволинейный участок) палы

ь сопрягающая часть палы

ь 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;

д - коэффициент полноты водоизмещения судна

s - осадка судна в полном грузу

Высоту наката волны на откос определяем по эмпирической зависимости

где вш - 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.

Нижняя граница основного крепления hнк будет ниже наинизшего судоходного уровня на величину равную 1,3·hов , где hов - высота отката волны, принимаемая равной 0,85·hнв .

1.3 Вывод к разделу «Установление основных размеров»

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

ь длина камеры шлюза lc,ef = 125 м;

ь ширина камеры шлюза bc,ef = 17 м;

ь 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:

ь ввода составов в шлюз и вывода из него;

ь отстоя составов в подходах к шлюзу;

ь 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. Размещение шлюза на плане представлено в приложении № 4.

3. Головная система питания шлюза

Выбор типа системы питания шлюза в конечном счёте определяется требованиями безопасности шлюзования как для судна, так и для самого сооружения. Это в равной степени относительно и к судам, находящимся в камере, и к судам, ожидающим у причалов верхнего и нижнего подходных каналов. В данной курсовой работе мы будем рассматривать головную безгалерейную систему питания с наполнением из-под плоского подъёмно-опускного затвора. При выборе головной системы наполнения должны соблюдаться следующие условия:

Lс,ef*Hd<2000

Hd/ hсп<2

Hd<15

При несоблюдение данных условий выбирается распределительная система питания.

Lс,ef*Hd=150*7=1050<2000

Hd/ hсп=7/5=1,4<2

Hd=7<15

В нашем случаи все условия выполняются выбираем более дешевую при строительстве головную систему питания.

3.1 Расчёт наполнения камеры

Расчёт наполнения камеры состоит из установления площади водопроводных отверстий (галерей), построения гидравлической характеристики, определения времени наполнения, проверки условий отстоя судна в камере.

Гидравлические явления в камере при её наполнении, а, следовательно, и поведение судна будут различными в зависимости от того, затоплены водовыпускные отверстия или не затоплены.

На первом этапе расчёта определяется скорость подъёма затвора Uз из условия равенства величины продольной составляющей гидродинамической силы Fl её допускаемому значению Fдоп.

При незатопленных прямоугольных отверстиях в безгалерейной системе с наполнением из-под подъёмно-опускных ворот расчёт производится по формуле:

где - площадь смоченного миделя расчётного судна;

Sн - площадь живого сечения камеры при наинизшем расчётном судоходном уровне =bс,ef *4=15*4=60м2

Взат - ширина водопроводного отверстия при головной системе принимаем равной ширине камеры шлюза = 15 метров;

Hп - напор на верхние ворота = 6м;

- коэффициент расхода водопроводных устройств коэффициент расхода принимается в пределах 0,6ч0,7;

Допускаемое значение продольной составляющей гидродинамической силы определяется прочностью судовых швартовных тросов и подсчитывается:

где весовое водоизмещение расчётного судна или наибольшего судна в составе (в том числе и жёсткосчаленном)

Определим минимально допустимое время наполнения Тдоп определяемое по следующей формуле:

Где Ф-коэффициент качества системы питания, для головной системы =1;

S-площадь зеркала камеры = (150+3+3,5)*15=2348м2.

Время полного открытия затвора принимаем в долях от времени наполнения:

tзп=a3*Т=0,75*441,3=330,9с.

Высота подъема затвора:

hзт=Uз* tзп=0,0037*330,9=1,22метра

Рассчитаем данные для построения гидравлической характеристики, весь процесс наполнения разбивается на четыре промежутка времени.

Первый промежуток времени наполнения камеры начинается с момента подъёма затвора до момента достижения уровнем воды в камере отметки порога. Гидравлически этот момент характеризуется истечением из незатопленного отверстия при переменной его площади.

Второй промежуток времени наполнения начинается с момента окончания первого промежутка и заканчивается в момент достижения уровнем воды кромки затвора. Этот период характеризуется истечением из полузатопленного отверстия переменной площади.

Третий промежуток времени наполнения начинается от конца второго промежутка и продолжается до момента остановки затвора.

Четвёртый промежуток времени начинается с момента остановки затвора и заканчивается моментом наполнения камеры.

Для ускорения расчет наполнения камеры произведен с помощью ЭВМ. Результаты расчетов и кривые гидравлических характеристик при наполнении камеры представлены в приложениях № 5, № 6.

Полное время наполнения камеры составит:

По полученным данным строятся кривые гидравлической характеристики наполнения.

Проверка условий отстоя судна в камере шлюза производится путём сопоставления полученных в результате расчёта допускаемой величины продольной составляющей гидродинамической силы Flдоп и максимальной величины продольной составляющей гидродинамической силы Flмах.

Продольная составляющая гидродинамической силы Fl складывается из двух слагаемых: волновой Fв , возникающей вследствие волновых колебаний поверхности воды в камере, и скоростной Fс , возникающей вследствие обтекания судна в камере потоком с некоторой средней скоростью v.

Fl= Fв+mс* Fс

Где mс - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения скоростей по поперечному сечению камеры (по глубине и ширине);

Согласно расчета произведенного с помощью ЭВМ Flmax составила 47,08 кН.

Так как Flмах<Flдоп, то условия отстоя судна в камере являются удовлетворительными.

3.2 Расчёт гасительных устройств

Гасительные устройства состоят из камеры гашения и, расположенного за ней, успокоительного участка, не входящего в полезную длину камеры шлюза.

Камера гашения

При безгалерейной системе питания камера гашения включает в себя пространство, ограниченное по длине шлюза стенкой падения и гасителями (экран, балки и др.).

Объём камеры гашения (Vкг, м3) определяется по следующим эмпирическим формулам:

ь при незатопленных в начале наполнения водопроводных отверстиях и равномерном открытии затвора

где А - коэффициент, принятый для наиболее совершенных гасителей равным 0,20;

м0 - коэффициент расхода при истечении из незатопленного отверстия, равный 0,7;

S - площадь зеркала камеры, равная 2348 м2;

Н2 - напор в конце второго промежутка, равный 5,38 м;

Нп - напор на верхние ворота, равный 6 м;

б3 - относительное время открывания затвора, принятое равным 0,8

Т - полное время наполнения камеры, составляющее 441,3 с;

щг - площадь полностью открытого отверстия, определяемая по формуле:

Размеры камеры гашения определяются:

ь по вертикали - высотой стенки падения hсп=5 м;

ь по горизонтали - по формуле

Принимаем длину камеры гашения равной 6,4 м.

Успокоительный участок

Располагается непосредственно за гасителями и предназначается для окончательного успокоения потока. Длина этого участка определится по формулам:

ь при незатопленных отверстиях и равномерном открытии затвора:



где L - определим по формуле

Б - коэффициен , принимаемый для лучших из осуществлённых гасителей равным 0,15.

В первом приближении неизвестной ly в величине L пренебрегаем:

Во втором приближении:

Принимаем длину успокоительного участка равной 5 м.

3.3 Расчёт опорожнения камеры

Для опорожнения камеры состав и последовательность расчёта остаются теми же, что и для наполнения.

При наличии двухстворчатых ворот на нижней голове наиболее рациональной системой опорожнения будут короткие круговые галереи, расположенные в устоях головы. В качестве рабочего затвора в этих условиях чаще всего применяется плоский щит, поднимаемый с постоянной скоростью.

Суммарную площадь сечения двух водопроводных галерей в рабочем сечении (сечении расположения затвора) определим по формуле:

где S - площадь зеркала камеры, равная 2348 м2;

Нd - напор, равный 7 м;

м0 - коэффициент расхода при истечении из незатопленного отверстия, равный 0,7;

Т - время опорожнения принимаем равным времени наполнения камеры (441,3 с);

весовое водоизмещение расчётного судна или наибольшего судна в составе 39463 кН;

Fдоп - допускаемое значение продольной составляющей гидродинамической силы 47,28 кН;

Sн - площадь живого сечения камеры при наинизшем расчётном судоходном уровне 60 м2;

- площадь смоченного миделя расчётного судна 31,25 м2.

Наиболее удобным будет квадратное сечение галереи:

Для плавного входа потока в галерею и спокойного (с меньшими скоростями) выхода принимаем:

Затворы водопроводных галерей располагаются на прямолинейном участке галереи длиной по оси равной примерно ширине галереи. Ось галереи в выходном сечении назначаем перпендикулярно грани устоя; в этом случае достигается лучшее взаимное гашение энергии двух встречных потоков, выходящих из противоположных галерей.

Радиус закругления rг по оси галереи на повороте принимаем из условия безотрывного обтекания потоком стенок галереи .

В целях уменьшения радиуса rг и более компактного расположения галереи в устое на входной и выходной частях её устраивают разделительные бычки. В этом случае за расчётную ширину принимаем ширину одной ветви галереи.

Потолок галереи располагается на 0,3 м ниже уровня нижнего бьефа.

Условия отстоя судна в камере при её опорожнении наиболее тяжёлыми будут в самом конце опорожнения, при самых низких уровнях воды в камере.

Продольную составляющую гидродинамической силы, действующей на судно, определяем по формуле:

;

где м0 - коэффициент расхода при истечении из незатопленного отверстия, равный 0,7;

D - весовое водоизмещение расчётного судна, равное 39463 кН;

S - площадь зеркала камеры, равная 2348 м2;

Sк - площадь живого сечения камеры в начале наполнения, равная 60 м2;

- площадь смоченного миделя расчётного судна, равная 31,25 м2

Условие = 47,28 кН; не соблюдается, поэтому следует изменить режим опорожнения камеры (опорожнение следует проводить более медленно).

3.4 Вывод к разделу «Система питания шлюза»

В данном разделе была принята головная безгалерейная система питания шлюза с наполнением из-под плоского подъёмно-опускного затвора. Опорожнение камеры происходит через короткие водопроводные галереи.

Режим опорожнения камеры не обеспечивает нормальные условия стоянки судов в камере и работы оборудования, так как относительное время открытия затвора б3 больше допустимого (рекомендованного СНиП 2.06.07-87). Поэтому необходимо изменить режим опорожнения камеры на нелинейный.

В результате расчётов нами были получены следующие данные:

ь допускаемое значение продольной составляющей гидродинамической силы - 47,28 кН;

ь время наполнения и опорожнения камеры шлюза - 441,3 с;

ь размеры камеры гашения - высота 5 м и длина 6,4 м.;

ь размеры успокоительного участка - при незатопленных отверстиях и равномерном открытии затвора: 5 м;

ь размеры коротких галерей - .

4. Определение класса сооружения

Конструкции судоходного шлюза, разрушение которых ведёт к прекращению или сокращению судоходства, относятся к основным постоянным сооружениям (камера, голов, основные ворота, затворы галерей).

К второстепенным постоянным сооружениям относятся конструкции, разрушение которых не влечёт за собой прекращения судоходства (ремонтные затворы, разделительные стенки и дамбы, палы и причалы шлюза, служебные мостики и тому подобное).

Класс сооружений определяется в зависимости от последствий при их аварии и в зависимости от последствий нарушения их эксплуатации в соответствии со СНиП 2.06.01-86.

В соответствии с таблицей 1 «Класс основных постоянных гидротехнических сооружений в зависимости от их высоты и типа грунтов основания» СНиП 2.06.01-86 судоходный шлюз с основанием из грунта, относящегося к типу Б (песчаные, крупнообломочные и глинистые в твердом и полутвердом состоянии), с высотой сооружения , находящейся в пределах 10,0ч25,0 м, относится к III классу сооружений.

В соответствии с таблицей «Класс основных постоянных гидротехнических сооружений в зависимости от последствий нарушения их эксплуатации» СНиП 2.06.01-86 судоходный шлюз относится также к III классу сооружений, так как находится на реке, относящейся к магистральным путям.

Коэффициент надёжности по ответственности (назначению) сооружения, учитывающий капитальность и значимость последствий при наступлении тех или иных предельных состояний составляет 1,15.

5. Расчёт стен камеры шлюза

5.1 Выбор типа камеры

Тип камеры выбираем в зависимости от следующих условий:

§ напор 7 м (свыше 5 м);

§ полезная ширина камеры 15 м;

§ грунт в основании сооружения - супесь.

Камеры шлюзов подразделяются: по типу днищ - с водопроницаемыми и со сплошными водонепроницаемыми днищами (разрезанными продольными швами или докового типа). Исходя из вышеперечисленного, принимаем камеру с разрезным водонепроницаемым днищем для обеспечения надёжной работы шлюза.

Рисунок 1. Камера шлюза с водонепроницаемым разрезным днищем

5.2 Определение уровня грунтовых вод

судоходный шлюз гидроузел

Положение уровня грунтовых вод за стенами камеры и голов зависит от типа камеры, расположения камеры относительно напорной линии гидроузла, противофильтрационных и дренажных устройств.

Так как принято водонепроницаемое днище камеры при грунте основании супесь поток обтекает шлюз по направлению от верхнего бьефа к нижнему и имеет пространственный характер. Для уменьшения фильтрационного давления воды за стенами шлюза необходим закрытый дренаж, который ограничит подъём уровня грунтовых вод до определённой отметки. Отметка дренажа у нижней головы принимаем на 1 м выше наивысшего уровня нижнего бьефа: 97,0 м. Для отвода воды в нижний бьеф дренажу придают продольный уклон i=1:300.

В соответствии с вышеперечисленным принимаем отметку уровня грунтовых вод равной отметке дна дренажа у верхней головы

где lдр - длина дренажа, определяемая по формуле

где lуп - длина опорной части устоя 7м;

lу - длина успокоительного участка 5 м;

lс,ef - эффективная длина камеры шлюза 150м;

lшк - длина шкафной ниши 9,7м.

5.3 Определение размеров стены

В соответствии со СНиП 2.06.01-86 верх стен шлюзов, направляющих и причальных сооружений или их парапетов, способных воспринимать навал судов, при расчётном наивысшем судоходном уровне воды не должен быть ниже верхнего привального бруса расчётного судна при полной загрузке и не ниже нижнего привального бруса судна в порожнем состоянии. При приближённом проектировании высоту стены определяем по формуле

где hl - глубина воды в камере, равная глубине на пороге нижней головы 4 м;

Hd - напор на шлюз, равный 7 м;

hст - величина возвышения верха стены над расчётным наивысшим судоходным уровнем воды, составляющая для магистральных путей 1 м

Принимаем к расчёту следующие величины:

ь ширина парапета составляет 0,5 м;

ь ширина верха стены 1,0 м;

ь высота парапета 1,1 м;

ь угол при вершине е=11,40 принимаем из условия, что tg е=0,2;

ь на уровне днища стенка будет иметь ширину

5.4 Расчёт нагрузок на стену

Примем, что расчётное сечение расположено в месте сопряжения стены и днища камеры.

Расчётный случай - ремонтный, сочетание нагрузок - основное.

В данном расчётном случае на стенку действуют следующие нагрузки:

o вес конструкции;

o давление грунта обратной засыпки;

o гидростатическое давление грунтовых вод за стеной;

o противодавление воды в расчётном сечении;

o временная нагрузка на поверхность грунта q0, принятая равной 20 кН/м2.

Собственный вес конструкции определим исходя из геометрических размеров конструкции и плотности материала:

где с - плотность материала, для бетона принимаем равной 2,5 кН/м3 ;

g - ускорение свободного падения тела, принимаем равным 10м/с2;

V - объём конструкции.

Расчёт ведётся на один метр длины стены.

Значения ординат эпюры активного давления грунта определяются по следующим формулам:

где у1 - расстояние от верха стены до уровня грунтовых вод под углом 900, равное 3,6 м;

у2 - наклонное расстояние до уровня грунтовых вод = 0,8 м;

у3 - наклонное расстояние от уровня грунтовых вод до дна камеры = 7,6 м;

hдн - толщина днища, равная 3 м;

с1·g - удельный вес грунта обратной засыпки, составляющий для песка средней плотности 17 кН/м3;

ла - коэффициент активного давления грунта

Величину сил Еi определяем как площадь соответствующей части эпюры активного давления грунта, а горизонтальные и вертикальные составляющие сил - по следующим формулам:

По полученным нормативным нагрузкам ведётся расчёт сооружений по предельным состояниям второй группы (по образованию и раскрытию трещин).

Проверка прочности и устойчивости конструкций (первая группа предельных состояний) производится по расчётным нагрузкам, которые получаются умножением нормативных нагрузок на соответствующий коэффициент перегрузки, определённый по приложению 3 СНиП 2.06.01-86.

Расчетная схема стены камеры шлюза в ремонтном случаи представлена в приложении №7. Расчёт нагрузок сводим в таблицу «Расчёт нагрузок на стену камеры шлюза».

По результатам расчётов в таблице вычисляем суммарные моменты по формулам:



Таблица 1.Расчёт нагрузок на стену камеры шлюза

5.5 Расчёт стен по прочности

Расчёт произведём в соответствии с главой СНиП 2.02.02-85 как внецентренно сжатый бетонный или железобетонный элемент.

Прочность сечения с учётом сопротивления растянутой зоны проверяется по формулам внецентренного сжатия

где Rb, Rbt - расчётные сопротивления бетона осевому растяжению и сжатию для предельных состояний первой группы; для бетона В-15 составляют Rbt=750 кН/м2 (растяжение) и Rb=8500 кН/м2 (сжатие) СНиП 2.06.08-87;

Wt, Wc - моменты сопротивления соответственно для растянутой и сжатой грани сечения. Предполагаем, что элемент находится в области упруго-пластичных деформаций, а нейтральная линия проходит через центр тяжести сечения. В этом случае

гс - коэффициент условий работы сооружения, принимаем в курсовом проекте равным 1,0;

гb - коэффициент условий работы бетона принимаем в соответствии с СНиП 2.06.08-87 равным 0,9;

гh - коэффициент, учитывающий градиент деформаций по сечению, принимаем из-за отсутствия данных равным 1,0;

гsh - коэффициент, зависящий от формы и размеров сечения, принимаем для прямоугольного сечения равным 1,0;

гlc - коэффициент сочетания нагрузок принимаем равным 0,95 СНиП 2.06.01-86;

гп - коэффициент надёжности, зависящий от класса капитальности; для III класса составляет 1,15;

ц - коэффициент, учитывающий влияние гибкости элемента, при величина коэффициента ц составляет 0,91 СНиП 2.06.08-87;

А - площадь стены длиной 1 м и шириной 3,4 м, составляющая 3,4 м2;

М - расчётный момент относительно центра тяжести сечения; М=М р=8518,45 кН·м;

N - расчётная сила, расположенная нормально к сечению; N=N р=402,27 кН

Так как первое условие не выполняется, то сечение необходимо армировать, но согласно второго условия сжатая арматура не нужна (A`s=0).

6. Технико-эксплуатационные расчёты

6.1 Пропускная способность шлюза

Пропускная способность судоходного шлюза определяется количеством пропущенного груза в тоннах (грузопропускная) и количеством прошлюзованных расчётных судов (судопропускная) за определённый период времени (за сутки, навигацию).

Наибольшую суточную пропускную способность шлюза в наиболее напряжённый период навигации, исходя из полной загрузки шлюза и принятых типов расчётных судов, при работе шлюза 23 часа в сутки определяем по формуле:

где mс - наибольшая судопропускная способность шлюза (число судов или равное ему число шлюзований в сутки);

б - коэффициент неравномерности распределения судов по направлениям, определяющий соотношение судов, идущих в прямом и обратном направлениях . Принимаем равным в курсовом проекте 0,6;

t1 и t2 - время одного шлюзования в минутах соответственно при одностороннем и двухстороннем движении через шлюз.

Расчётную пропускную способность шлюза (судо- и грузопропускная) определяем следующим отношением:

где mрасч - расчётная пропускная способность шлюза;

kн - коэффициент неравномерности подхода судов по времени принимаем равным 1,3.

Навигационную пропускную способность шлюза определяем по формуле:

где Тнав - длительность навигации по заданию 190 суток.

Время шлюзования, необходимое для пропуска судна через шлюз в одном каком-то направлении, определяется продолжительностью следующих операций:

ь наполнения и опорожнения камеры ; время Т , затраченное на выполнение каждой из этих операций, определено гидравлическим расчётом и составляет 441,3 с;

ь учалка судна; время tуч, затраченное на выполнение этой операции принимаем равным 120 с.

ь открывания и закрывания ворот; время tв, затраченное на выполнение каждой из этих операций, принимается равным 120 с, так как полезная ширина шлюза менее 18 м;

ь ввода судна в шлюз и вывода из него; время tвх(вых), затраченное на выполнение каждой из этих операций, зависит от скорости движения судна и длины пути его движения и определяется по формуле:

где vвх(вых) - средняя скорость движения буксируемого состава определённая по таблице 11 методических указаний:

при отношении принимаем

ь для ввода шлюзуемого объекта 1 м/с;

ь для вывода шлюзуемого объекта 1,4 м/с

lвх(вых) - длина пути движения судна при входе в шлюз и при выходе из шлюза для расчётного судна принимается равной

ь при одностороннем шлюзовании

где в1=0,4 при входе;

в1=0,1 при выходе;

ь при двухстороннем шлюзовании

где в2=0,4;

l2 - длина участка, на котором судно при встречном движении переходит с оси шлюза на ось судового хода в канале и равная 176 м;

Таким образом, расчётные формулы для определения времени шлюзования принимают вид:

Наибольшая суточная пропускная способность шлюза в наиболее напряжённый период навигации составит:

Расчётная пропускная способность шлюза составит:

Навигационная пропускная способность шлюза составит:

Расчётную грузопропускную способность шлюза рассчитываем по зависимости:

где Тнав - число дней в навигации, равное по заданию 190 сут;

р - грузоподъёмность расчётного судна, определяемая по формуле:

дгр - коэффициент использования грузоподъёмности расчётного судна принимаем равным 0,7;

с - доля гружённых судов в общем грузообороте принимаем равным 0,8

Полученное значение расчётной грузопропускной способности шлюза, равное 11,2 млн. тонн, сравниваем с заданным грузооборотом, равным 7 млн.тонн, и делаем вывод, что на данном участке реки достаточно одной нитки шлюза.

6.2 Навигационная потребность шлюза в воде

Расходом воды на шлюзование считается средний секундный расход за навигационный период, который необходим для обеспечения навигационного числа шлюзований.

Полный суточный расход воды на шлюзование определим по формуле:

где Vпр - объём сливной призмы, определяемый по формуле:

S - площадь зеркала камеры, равная 2348 м2;

n1 - число шлюзований в сутки при одностороннем движении, определяемое по формуле



n2 - число шлюзований в сутки при двухстороннем движении, определяемое по формуле

Объём воды, расходуемый в течение всей навигации, составит:

где Vср - объём сливной призмы, соответствующий средневзвешенной величине напора за навигацию, определяемый из-за отсутствия данных по формуле:

остальные данные определяем по формулам

Кроме того, необходимо учесть потери воды на утечку через неплотности в затворах и воротах шлюза. Их величина зависит, преимущественно, от состояния уплотнений и может быть определена в следующем виде:

где Cу - удельная потеря воды на 1 м уплотнений рабочих затворов и ворот; так как напор меньше 10 м, то величину удельной потери воды принимаем равной 1,5 л/с;

- полная длина уплотнений по периметру ворот и затворов одной головы шлюза, определяемая по формуле

где lв - длина полотна створки ворот, равная 8,9 м;

bг - ширина водопроводной галереи, равная 2,2 м

Таким образом, средний секундный расход воды на шлюзование за навигацию составит:

Стоимость воды, расходуемой на шлюзование, можно определить косвенно, как стоимость дополнительной электроэнергии, которая была бы выработана генераторами, если бы эта вода была пропущена через турбины.

Литература

1. Перехвальский В.С., Иванов А.М. Судоходный шлюз в составе комплексного гидроузла. Методические указания по курсовому проектированию для студентов очного и заочного обучения гидротехнической специальности. Новосибирск: Новосибирская государственная академия водного транспорта, 2003

2. Перехвальский В.С. Расчёт судоходного шлюза. Уч.пособие. М.:Транспорт, 1965

3. СНиП 2.06.07-87. Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения.

4. СНиП 2.02.02-85. Основания гидротехнических сооружений.

5. СНиП 2.06.08-87. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений.

6. СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования.

7. П-864-88. Пособие по проектированию судоходных шлюзов к СНиП 2.06.07-87 "Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения".

Размещено на Allbest.ru