Калугина_Шлюзованные системы ВВП. Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство морского и речного транспорта Омский институт водного транспорта филиал
 Скачать 3.9 Mb.
|
|
1.3 СУДОХОДНЫЕ ШЛЮЗЫ 1.3.1 Общее устройство судоходного шлюза Судоходный шлюз представляет собой напорное гидротехническое сооружение, соединяющее две водные поверхности с различными уровнями воды и служащее для перевода судов и плотов, а также других плавучих средств из одного бьефа в другой. Современные шлюзы — ответственные и технически высоко оснащённые гидротехнические сооружения. Впростейшем случае шлюз представляет собой прямоугольную камеру, огражденную по бокам стенами. Последние бывают бетонные и железобетонные, каменные, деревянные ряжевые, из металлического шпунта. В шлюзах дореволюционных построек стены выполнялись часто в виде земляных откосов с каменным мощением. Камера шлюза со стороны бьефов ограничена массивными головами, которые носят название, соответствующее бьефу, от которого голова отделяет камеру (со стороны верхнего бьефа — верхняя голова, со стороны нижнего бьефа — нижняя). Ряд шлюзов Северо-Двинской системы и шлюз № 9 канала имени Москвы имеют еще дополнительную голову посередине камеры, с помощью которой можно осуществлять шлюзование маломерного флота не полной длиной камеры, а ее половиной, что дает экономию времени и расхода воды на шлюзование. Эти головы называют средними или промежуточными. Головы возводятся из армированного бетона или железобетона. На низконапорных деревянных шлюзах их устраивают из ряжей. Каждая голова состоит из двух боковых стен (устоев), между которыми располагаются затворы шлюза, называемые воротами. На головах устраиваются полностью или частично водопроводные устройства, а также ремонтные и аварийные заграждения. На устоях голов, как правило, возводятся здания (башни), где размещаются приводные механизмы ворот и водопроводных устройств, пульт управления шлюзом, контакторные панели, мастерские и другие служебные помещения. 40 Рис.21 Продольный разрез (а) и план (б) бетонного шлюза: 1 — верхняя голова; 2— двустворчатые ворота; 3 — камера; 4— нижняя голова; 5 — ремонтные заграждения;6— король (порог); 7 — днище; .8 — водопроводные галереи; 9— шкафная часть; 10 — затвор водопроводных галерей; 9—напор на шлюз; 10— длина камеры; В к —ширина камеры; Я к — глубина на короле Со стороны бьефов к головам примыкают направляющие палы — сооружения, обеспечивающие плавную заправку входящего в шлюз судна или плота. Размеры и очертания голов зависят, прежде всего, от грунта основания, а также от принятой для данного шлюза водопроводной системы, питающей шлюз водой. На Рис.24 приведена схема бетонного шлюза, оборудованного двустворчатыми воротами и системой питания из обходных коротких галерей. Ворота обеспечивают восприятие напора, возникающего в смежных бьефах и камере при ее наполнении и опорожнении, и передают его на устои голов, для чего последние устраиваются массивными. В открытом положении ворота заходят в специальные ниши, носящие название шкафов или шкафных ниш. Пространство, занимаемое воротами при их движении, называется шкафной частью. Дно шкафной части, как правило, заглублено ниже дна камеры. Образующийся вертикальный выступ, к которому примыкает низ створок, закрытых ворот, называется королем или порогом. Обычно отметка короля в днищевой части шлюза является наивысшей, поэтому понятие «глубина на короле» определяет судоходную глубину в шлюзе. В закрытом состоянии ворота опираются в устои голов и передают им давление воды. Место соприкосновения створок ворот с устоями голов носит название вереи. Верхние головы шлюзов могут иметь ровное дно или иметь уступ, называемый стенкой падения. Последняя устраивается в том случае, если подпорный уровень воды в верхнем бьефе обеспечивает излишнюю 41 глубину на короле при ровном дне. Стенка падения позволяет значительно уменьшить высоту верхних ворот, облегчить их конструкцию и тем самым обеспечить, наряду со снижением строительной стоимости, внедрение ряда эксплуатационных преимуществ. На Рис.25 показана верхняя голова со стеной падения и обходными галереями и камерой гашения. Такая компоновка значительно сокращает длину головы, но возможна к применению лишь при большой высоте стенки. Рис.22 Схема верхней головы шлюза с наполнением из-под стенки падения: а — продольный разрез; б — план; 1 — ворота; 2— галерея; 3— камера гашения; 4— стенка падения Из других конструкций голов со стенкой падения получили широкое распространение верхние головы с без галерейной системой наполнения, оборудованные плоскими или сегментными затворами. Применение этих конструкций позволяет совместить функции ворот и водопроводных затворов. Преимущество таких затворов-ворот выражается еще в том, что они легко доступны для осмотра и ремонта. Конструкции нижних голов менее разнообразны, так как они не имеют стенки падения. На нижних головах применяют, как правило, двустворчатые ворота. Компоновок нижних голов с такими воротами в основном две: бес галерейная — с выпуском воды через клинкеты в нижней части ворот или с боковым выпуском; с короткими обходными галереями или продольными галереями в устоях. Процесс прохода судна через, шлюз называется шлюзованием. Рассмотрим, как происходит шлюзование судна в однокамерном шлюзе с головной системой питания. В нашем примере (Рис.24, а) судно переходит из нижнего бьефа в верхний. Уровни воды в камере шлюза в нижнем бьефе одинаковы. Верхние ворота закрыты и воспринимают на себя напор со стороны верхнего бьефа. Нижние ворота открыты для входа судна в камеру шлюза. Судно входит в камеру и отшвартовывается. Закрываются ворота нижней головы и галереи опорожнения. Включаются механизмы подъема верхних ворот, которые в данном случае представляют собой плоский щит, полностью перекрывающий судоходное отверстие верхней головы. Щит приподнимается, и в образовавшуюся между ним и порогом щель вода из 42 верхнего бьефа устремляется в камеру и начинается ее наполнение. Для гашения энергии воды и создания тем самым спокойного отстоя судна в камере на верхней голове за щитом устроены специальные гаси тельные устройства. Вода будет поступать в камеру до тех пор, пока не выровняются уровни в верхнем бьефе и камере Рис.23 Судно переходит из нижнего бьефа в верхний Вместе с уровнем воды в камере судно будет также подниматься к верхнему бьефу. После выравнивания уровней ворота верхней головы открываются. Шлюзование вниз происходит обратным порядком (Рис.24, б). Судно при открытых верхних воротах входит в камеру и ошвартовывается. Верхние ворота закрываются (щит принимает положение, но уровень воды в камере соответствует уровню верхнего бьефа); открываются затворы водопроводных галерей нижней головы; вода через эти галереи будет уходить из камеры в нижний бьеф, уровень воды в камере вместе со шлюзующимся судном будет опускаться, пока не сравняется с уровнем нижнего бьефа. После этого открываются ворота нижней головы и судно выходит из шлюза в нижний бьеф. Рис.24 Схема шлюзования судна вверх в шлюзе с головной системой питания: а -г- вход судна в камеру с нижнего бьефа; б — наполнение камеры; в — выход судна из шлюза в верхний бьеф; 1— верхний подходной канал; 2— верхние направляющие палы; 3— верхняя голова; 4— подъемно-опускные ворота; 5 — гасители; 6— камера шлюза; 7 — двустворчатые ворота нижней головы; 8—нижняя голова; 9— водопроводные галереи опорожнения; 10— нижние направляющие палы; 11 — нижний подходной канал 43 1.3.2 Конструкция судоходного шлюза Рис.25 Камера шлюза с бетонной стенкой треугольного профиля: а — на мягком основании; б— на скальном основании В конструктивном отношении каждая голова шлюза состоит из железобетонной или бетонной фундаментной плиты, которая в зависимости от физико-механических свойств подстилающего грунта располагается либо непосредственно на грунте, либо на свайном основании. Толщина фундаментной плиты принимается примерно равной 1:8 ширины шлюза. Стены (устои) голов в поперечном профиле делают прямоугольного или трапецеидального сечения. Стены камер устраиваются трапецеидального или треугольного сечения. Стены шлюза должны выдерживать давление напора воды со стороны камеры при отсутствии засыпки за стенами, а также давление распора грунта при осушенной камере (ремонтный случай). Поскольку стены голов (устои) воспринимают на себя также давление от распора ворот, их делают более массивными по сравнению со стенами камер. Лицевые грани устоев голов делаются строго вертикальными, а лицевые грани стен камер либо вертикальными, либо с небольшим наклоном в сторону берега (10:1 или 20:1). Площадки, расположенные за стенами шлюза, для обеспечения с них стока поверхностных вод устраиваются с уклоном в сторону кювета, по которому вода отводится всторону нижнего бьефа за пределы рабочей территории шлюза. Площадка шлюза делается с твердым покрытием (бетонным или асфальтовым). Чтобы не допускать насыщение водой грунтовой засыпки за стенами шлюза и увеличения ее давления на стены, в засыпке устраивается дренаж из камней или пористых асбоцементных труб, окруженный обратным фильтром. Стены голов и камер, как правило, делаются из монолитного армобетона или железобетона. У низконапорных шлюзов (например, при реконструкции шлюзов Москворецкой системы) с успехом для камерных стен применяется сборный железобетон. Конструкция камерных стен, примененных на одном из отечественных шлюзов, изображена на рис. 45. Высота стен 12,6 м, напор 6 м, лицевая 44 грань имеет уклон 1:20, ширина фундаментной плиты 12,5 и толщина 0,6 м, толщина стены сверху 0,2,снизу 0,5 м. Фундаментная плита имеет консоль в сторону камеры, перед которой забит противофильтрационный шпунт. Горизонтальное давление от вертикальной стены на фундаментную плиту передается посредством контрфорсов. Днище камеры проницаемое, выполнено из нескольких слоев обратного фильтра, на который сверху уложены железобетонные плиты. Рис.26 Поперечный разрез камеры шлюза со стенами из железобетона: 1 — бетонные плиты; 2 — обратный фильтр; 3 — подготовка из песка В шлюзах, имеющих большие напоры и расположенных на мягких грунтах, применяются бетонные армированные стены с неразрезным или разрезным днищем. Камеру шлюза с неразрезным днищем называют докового типа. Для предотвращения случаев падения людей, а также различных посторонних предметов в камеру шлюза на стенах устраиваются парапеты высотой 1,1 м. В шлюзах, имеющих недостаточные запасы по высоте стен над уровнем верхнего бьефа, парапеты служат также для предотвращения «зависания» судов обносными брусьями во время опорожнения камеры. Рис.27 Камера шлюза с разрезным (а) и неразрезным (б) днищем Вследствие температурных изменений, вызывающих удлинение и укорочение камерных стен шлюзов, а также вследствие неравномерных осадок стен от неоднородности грунтов основания в стенах могли бы появиться трещины, если бы не принимались специальные меры по их 45 недопущению. К числу таких мер относится устройство осадочных и температурных швов, разрезающих всю бетонную конструкцию камеры поперек на отдельные секции. Для обеспечения водонепроницаемости температурных и осадочных швов в них устраивают уплотнения, представляющие собой систему из металлических, резиновых или поли хлорвиниловых диафрагм, вертикальных и горизонтальных битумных шпонок и контурных уплотнений разнообразных конструкций. В современных судоходных гидротехнических сооружениях ввстречается большое, многообразие конструкций уплотнений швов. На шлюзах канала имени Москвы у наружных граней стен устроены вертикальные симметричные для каждых двух смежных секций штрабы двух сечений корытообразного размером 20X12см и прямоугольного 33X23см. Штраба в корытообразной части имеет компенсационные металлические листы и заполнена битумной мастикой; в прямоугольной части сечения установлены битумный мат, армированный мешковиной, и деревянные брусья, закрывающие штраб, поверх которых сделана дощатая обшивка. Деревянные брусья крепятся при помощи болтов, заделанных в бетон, и гаек. Компенсационные листы служат для 4предотвращения вытекания битумной мастики из шпонки в шов, битумный мат— для лучшего уплотнения в зазорах между бетоном и брусьями, брусья — для удержания заполняющей шпонки битумной мастики. Тыловые вертикальные шпонки (расположенные в стенках со стороны засыпки) отличаются от лицевых лишь тем, что в них отсутствует прямоугольное сечение и брусья заменены железобетонными плитами, закрепленными одним анкером. Лицевые горизонтальные шпонки аналогичны по конструкции тыловым вертикальным. На шлюзах Волго-Донского канала имени В. И. Ленина горизонтальные лицевые шпонки имеют примерно такую же форму (рис. а), что и на канале имени Москвы, но полость штрабы, заполненная битумной мастикой, перекрыта двумя листами нержавеющей стали, затем просмоленным войлоком и затянута болтами через стальной лист толщиной 6 мм, вместо деревянных брусьев. Тыловая шпонка затянута болтами через бетонную плиту. Вертикальная лицевая шпонка не имеет битумного заполнения. Она состоит из штрабы 36x12 см, обрамленной с обеих сторон металлическим уголком. Шов перекрыт просмоленным канатом, затем техническим войлоком и затянут болтами через стальной лист толщиной 6 мм. На сооружениях более поздней постройки (шлюзы Волгоградского, Боткинского гидроузлов и Волго-Балта) лицевые шпонки имеют иную конструкцию. В штрабах забетонированы металлические уголки, приваренные к анкерам, заделанным в положение «Шлюзование вверх». В первом случае происходит закрытие нижних ворот, а во втором — питание 46 подается к тем же цепям, что и при цикле «Подготовка к шлюзованию вниз». При чередующемся направлении шлюзования камера после выпуска судов, идущих в одном направлении, готова к приему судов, движущихся во встречном направлении, и операция «Подготовка к шлюзованию» сводится к зажиганию разрешительного сигнала на одном из входных светофоров. Для получения дистанционного указания положения отдельных механизмов и уровня воды в бьефах и камере, а также для контроля правильной последовательности операций шлюзования шлюз оборудован сельсинными установками. Такая установка состоит из датчика, приводимого во вращение данным механизмом, и указателя, установленного на центральном пульте. Шлюз оборудован сельсинными установками, дающими следующие показания: разность уровней воды между верхним бьефом и камерой; абсолютный уровень воды верхнего бьефа; разность уровней воды между камерой и нижним бьефом; абсолютный уровень воды нижнего бьефа; положение верхних эксплуатационных ворот; перекос верхних аварийных ворот; перекос верхних эксплуатационных ворот; положение каждого затвора наполнения или опорожнения; положение створок нижних ворот. Кроме того, пульт управления оборудован производственной сигнализацией для указания положения затворов и поворотного моста. Для указания положения затворов служит сигнализация мигающим и постоянным светом. Постоянный свет соответствует конечному положению затвора, при закрытом положении горят красные лампы, открытом — зеленые. Во время движения механизмов сигнальные лампы горят мигающим светом. При положении поворотного моста в наведенном состоянии горит зеленая лампа, в разведенном — красная. 1.3.3 Классификация шлюзов и схемы их устройства Судоходные шлюзы различаются между собой по материалу, числу камер и их расположению, конструктивным особенностям, системам питания и др. условиями. По материалам бывают: деревянные, бетонные, железобетонные и смешанного типа. В настоящее время шлюзы строят исключительно из бетона и железобетона. Деревянные шлюзы применяют крайне редко - лишь на малых реках, в лесных районах и при напорах 2-3 м. По числу камер и их взаимному расположению шлюзы делаться на: однокамерные, многокамерные и парные, или двухниточные. 47 Однокамерные шлюзы – наиболее распространенный тип на ВВП. Наибольший напор на мягких грунтах не превышает 20 метров, на скальном грунте шлюзы строят с напором 30-40 м. например шлюз №9 канала им. Москвы. Многокамерные шлюзы состоят из нескольких последовательно расположенных одна за другой камер одинаковых размеров, разделенных головами, называемыми средними. Общий напор на шлюз, т. е. разность отметок уровней верхнего и нижнего бьефов, распределяется поровну на все камеры. Многокамерные шлюзы строят в тех случаях, когда по водохозяйственным (требуется уменьшить количество воды на шлю- зование), геологическим или экономическим условиям целесообразно уменьшить напор на отдельную камеру шлюза. Так, например, по две камеры имеют тринадцать шлюзов Беломорско - Балтийского канала, два шлюза канала имени Москвы и Волгоградский шлюз; по три камеры имеют Новосибирский и Днепровский шлюзы, шесть камер — Пермский шлюз. Парные, или двухниточные, шлюзысостоят из двух камер одинакового напора, расположенных рядом параллельно и действующих независимо одна от другой. Парные шлюзы строят в тех случаях, когда одна камера не обеспечивает пропуск заданного грузооборота, например, все шлюзы на Волге, начиная с Рыбинского и далее вниз по реке,— парные. Парные шлюзы могут быть многокамерными, например, Волгоградский шлюз — двухкамерный; Пермский — шести камерный. По конструктивным особенностям шлюзы могут быть подразделены на следующие типы: без стенки падения, со стенкой падения, шахтные, со сберегательными бассейнами и парные с перепускными галереями. Шлюзы без стенки падения характерны тем, что дно их камеры расположено незначительно ниже или на уровне короля (порога) верхней головы. Без стенки падения высота ворот верхней головы равна высоте ворот нижней головы. Такие шлюзы строились в прошлом на низконапорных гидроузлах при чисто транспортном шлюзовании реки. Шлюзы со стенкой паденияна верхней голове. Устройство стенки падения уменьшает высоту верхних ворот. В связи с возведением на судоходных реках комплексных гидроузлов энергетически-транспортного назначения строят только шлюзы со стенкой падения, которые дешевле по сравнению со шлюзами без стенки падения. В многокамерных шлюзах верхняя и промежуточные головы имеют стенку падения; нижняя голова по условиям пропуска судов стенки падения иметь не может. Шахтные шлюзы строят для преодоления однокамерным шлюзом значительной разности уровней бьефов. Камера шлюза имеет вид шахты, ограниченной со стороны нижнего бьефа забральной стенкой со шлюзными воротами — подъемным плоским затвором. Высоту отверстия в забральной стенке принимают с таким расчетом, чтобы под стенкой 48 свободно проходили суда. В России шлюзы шахтного типа построены на р. Иртыше в составе Усть - Каменогорского гидроузла и на р. Уфе в составе Павловского гидроузла. Шлюзы со сберегательными бассейнами применяют при ограниченных водных ресурсах, поскольку такие шлюзы позволяют сэкономить до 70% воды. При опорожнении камеры шлюза часть сливной призмы сбрасывают не в нижний бьеф, а в сберегательные бассейны, расположенные рядом со шлюзной камерой, имеющие дно на различных уровнях и соединяющиеся с камерой водопроводными галереями, перекрываемыми затворами. При опорожнении камеры шлюза воду последовательно сливают в сберегательные бассейны, начиная с верхней части сливной призмы. Только нижняя часть сливной призмы сбрасывается в нижний бьеф. При наполнении камеры в нее сливают воду из сберегательных бассейнов, начиная с нижнего, и лишь верхняя часть камеры от дна верхнего бассейна до уровня верхнего бьефа заполняется водой из верхнего бьефа. В Советском Союзе шлюзы со сберегательными бассейнами не строились. В последнее время такие шлюзы редко строят и за рубежом. Парные шлюзы с перепускными галереями позволяют экономить воду на шлюзование через перепускные галереи. Поперечный схематический разрез шлюза с параллельными камерами и перепускными галереями: (затворами), соединяющие одну камеру с другой, можно направить половину сливной призмы наполненной камеры для наполнения другой опорожненной камеры, которая в этом случае выполняет функции сберегательногобассейна. Другую половину призмы из опорожняемой камеры сливают в нижний бьеф. Такой режим работы шлюзов сложнее обычного, требует больше времени на наполнение и опорожнение камеры и, самое главное, необходимо одновременно пропускать суда по обеим камерам в разных направлениях, что не всегда возможно вследствие неодновременного Подхода судов к шлюзам. В РФ с перепускными галереями построены Рыбинский и Боткинский шлюзы. |