Анализ воздействия судов на ворота шлюза

Выпуск З

УДК 626.422.21 В. Г. Богатырев,

аспирант,

СПГУВК

АНАЛИЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ СУДОВ НА ВОРОТА ШЛЮЗА ANALYSIS OF VESSELS IMPACT ON LOCK GATES

В статье рассматривается воздействие нагрузок, вызванных движением судов в камере шлюза, на нижние двухстворчатые ворота шлюза.

The article considers the impact loads on the lower double-leaf lock gate caused by ship traffic in the lock chamber.

Ключевые слова: шлюз, нагрузки, суда.

Key words: gate, loads, ships.

ИАСЧЕТ ворот гидротехнических сооружений является ответственной задачей, в которой важно учесть все силовые воздействия на ворота. Согласно рекомендациям различных источников [1; 2; 11; 14] ворота нижней головы шлюза рассчитываются на давление воды, обусловленное максимальным уровнем верхнего бьефа и минимальным судоходным уровнем нижнего бьефа. При этом не учитываются волновые факторы, обусловленные проводкой судов в шлюзах и движением судов в подходных каналах, и навал судна на ворота. Отсутствие в расчете любой из вышеперечисленных нагрузок может привести к внештатным ситуациям, авариям. Как следствие, наносится ущерб от простоя флота и судопропускного соору-

ПА

жения, от повреждения конструкций шлюза и судна. Происшествия в 2004 г. на Пермских шлюзах (разрушение ворот от волнового воздействия) и в 2002 г. на Сайменском канале (выбитая створка судном) еще раз доказывают необходимость учета навала судна, волнового воздействия и серьезности последствий, вызванных ими.

1. Волновое воздействие

Анализ опыта эксплуатации судоходных сооружений показывает, что при движении судов в подходных каналах и при проводке их в шлюзе могут возникать волны, что приводит к увеличению нагрузки на нижние ворота шлюза (рис. 1).

Рассмотрим проблему подробнее:

Рис. 1. Волновые воздействия на нижние ворота

Проводка судов в верхнем бьефе приводит к возникновению волн повышения (понижения).

Амплитуда волны может складываться:

— из волны поршневого эффекта;

— волны, обусловленной изменением режима движения судна, при уменьшении скорости движения происходит отрыв волны от судна;

— волны, возникающей при килевой качке судна.

В этот же момент в нижнем бьефе также возможно волнообразование от подходящих к шлюзу судов, торможение которых приводит к возникновению движущихся волн впереди судна. Эти волны также отражаются от нижних ворот, но в подходном канале нижнего бьефа [12].

Таким образом, может возникнуть момент, когда в верхнем бьефе возникает волна повышения, а в нижнем бьефе — волна понижения. Такое положение приводит к увеличению волновой нагрузки на ворота, равной величине

Н — Н + И, + И,,

О I 1о’

где (И + НО ) — динамическая составляющая волновой нагрузки.

При движении судна в камерах шлюзов наблюдается образование длинных волн, обусловленных стеснением поперечного сечения камеры входящим судном. Это явление, называемое «поршневым эффектом», вызывало сопротивление движению судна и приводило к дополнительной посадке судна.

Изучением явления «поршневого эффекта» при входе судна в шлюз занимались С. С. Кирьяков [7], Г. И. Мелконян, В. В. Дорофеев [5], А. А. Атавин, А. П. Яненко [3; 15], однако все результаты выполненных исследований были направлены только на оценку гидродинамического сопротивления при входе судна в шлюз и дополнительную осадку судна. Вопросы гидродинамического воздействия на ворота судоходного шлюза не изучались. В процессе изучения была установлена суть явления, которая заключалось в том, что при входе судна в шлюз происходит подъем уровня воды перед носом судна, который вызывает появление длиной волны в момент,

когда на судне сбрасываются обороты винтов и нос его «ныряет», так как гидродинамические силы на винтах уменьшаются, что способствует увеличению амплитуды волны.

Во время входа судна в камеру со стороны верхнего бьефа высота волны будет определяться стеснением поперечного сечения шлюза в районе верхней головы, а скорость распространения волны — глубиной воды в камере. Поэтому не случайно именно наиболее высокую волну с высокой скоростью движения в сторону нижней головы можно наблюдать при входе в камеру с верхнего бьефа.

Силовое воздействие длинных волн на вертикальные стенки гидротехнических сооружений изучалось в основном в лабораторных условиях [4]. На основании опытов и анализа ранее выполненных исследований [6; 10; 13] установлено, что при встрече волны с вертикальной преградой происходит заплеск. Также нужно отметить, что момент максимального давления на вертикальную стенку не соответствует моменту максимального всплеска волны. Уровень, соответствующий максимальному давлению на стенку, определяется по формуле

ПР — 1.56 • И.

Для определения величины ординат максимального давления можно воспользоваться формулами:

— на уровне спокойной воды:

Г г,Л0’82

на уровне дна:

{г. Л0,84

й

Ртах = 0’97 Р-8-й

Vм у

2. Навал судна

В практике эксплуатации судоходных шлюзов не исключается воздействие нагрузок, на которые конструкции ворот не рассчитываются, а именно навал судна при входе крупнотоннажных судов в камеру шлюза.

Навал судов на ворота шлюзов — на- О иболее опасное происшествие в шлюзе. Как правило, каждый навал судна приводит к повреждениям элементов ворот, остановке шлюза из-за необходимости выполнения ремонта.

Не исключается возможность прорыва на-

Выпуск 3

порного фронта. Наиболее частые повреждения — разрушение пролетного строения ворот, повреждения мостика, верхних ригелей, обшивки. Отмечаются случаи повреждения механизмов (штоки гидроцилиндров, верхние блоки канатных механизмов).

Для защиты ворот от навалов судов строительные нормы [1] предусматривают установку на шлюзах предохранительных устройств, однако, несмотря на данное требование, большинство судоходных шлюзов на внутренних водных путях России таких устройств не имеют. Даже последние шлюзы, построенные в России (Нижнекамский на р. Каме, шлюз № 8 на Волго-Балтийском канале) не имеют защиты ворот.

Необходимость такой защиты в шлюзах особенно возросла в последние годы, так как

Происшествия в

уровень профессиональной подготовки судоводителей снижается, что, в свою очередь, обусловлено приватизацией флота и возросшим числом судоходных компаний [9].

Данные табл. 1 [8] свидетельствуют, что наиболее часто встречается в практике навал на нижние ворота шлюза при движении судна сверху в наполненную камеру. Такой навал наиболее опасен, так как в момент навала верхние ворота открыты и повреждение нижних ворот приведет к сбросу в нижний бьеф всей сливной призмы шлюза и судна. Кроме того, если рабочие ворота верхней головы или аварийно-ремонтные ворота будут не в состоянии перекрыть поток воды, поступающий из водохранилища через камеру шлюза, то сработка последнего неминуема.

Таблица 1

судоходных шлюзах

Наименование ГБУВПиС Годы Число происшествий в шлюзе

нижняя голова верхняя голова камера шлюза

Канал им. Москвы 1985-1998 59 28 33

Волго-Балтийское 1985-1997 21 18 10

Волго-Донское 1985-1997 34 13 3

Волжское 1985-1996 19 11 6

Камское 1985-1997 13 — 7

Беломорско-Онежское 1986-1993 14 1 14

Итого 160 71 70

Анализ табл. 1 показывает, что происшествия на нижней голове составляют более 50 % всех происшествий, при этом из 160 происшествий 98 составляют навалы на створки ворот нижней головы. Происшествия на верх-2 ней голове связаны обычно с навалами на опу-

е щенные под порог ворота или навалы на пазы

и створки открытых ремонтных ворот, происшествия в камере в основном включают навалы на рымы или зависание судна на парапетах.

Причиной навала судна на ворота шлюза являются ошибки команды, заключающиеся в запоздалом включении двигателей в тормозной режим (67,8 %), неисправность на

ш

судне дистанционного управления (24,3 %), ошибка персонала шлюза или отказы в системах шлюза (7,9 %) [8].

Исходя из изложенного, актуален вопрос расчета последствий навала на ворота для объективной оценки последствий навала. Энергию, которой обладает судно или состав при навале на ворота, можно оценить по следующей формуле:

V2

,

т

2#

где Е — энергия навала судна, Ж — водоизмещение судна, V — скорость судна при навале,

ст — коэффициент присоединенной массы.

Следовательно, энергия навала зависит от водоизмещения судна и его скорости в момент удара в ворота. В связи с этим актуаль-

на задача определения предельной скорости судна, при которой произойдет разрушение ворот, в зависимости от водоизмещения судна и конструкции ворот.

Список литературы

1. СНиП 2.06.07-87 Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения. — М.: Гос. строит. Комитет, 1987.

2. СНиП 2.06.04-82 Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). — М., 1982.

3. Атавин А. А. О колебаниях уровня воды при выходе судна из камеры судопропускного сооружения. Динамика сплошной среды / А. А. Атавин, А. П. Яненко. — Новосибирск, 1977. — Вып. 30.

4. Давлетшин В. Х. Исследование воздействия длинных волн на гидротехнические сооружения / В. Х. Давлетшин // Изв. ВНИИГ. — 1986. — Вып. 196.

5. Дорофеев В. В. Определение величины сопротивления волн при вводе и выводе типового судна в камеру шлюза / В. В. Дорофеев, Г. И. Мелконян. — Л., 1987.

6. Загрядская И. Н. Действие длинных волн на вертикальную преграду / И. Н. Загрядская // Изв. ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. — 1980. — Т. 138.

7. Кирьяков С. С. Исследование дополнительных осадок и скоростей при входе и выходе судов шлюзах: автореф. дис. ... канд. техн. наук / С. С. Кирьяков. — Л., 1971.

8. Колосов М. А. Разработка критериев (показателей) безопасности судоходных ГТС: отчет о научно-исследовательской работе / М. А. Колосов. — СПб., 1999.

9. Колосов М. А. Разработка предохранительных устройств металлоконструкций ворот судоходных шлюзов: научно-технический отчет / М. А. Колосов. — СПб., 2004.

10. Мирчина Н. Р. Возрастание амплитуды длиной волны вблизи вертикальной стенки / Н. Р. Мирчина, Е. И. Полкновский // Физика атмосферы и океана. — 1984.

11. Михайлов А. В. Внутренние водные пути / А. В. Михайлов. — М.: Стройиздат, 1973.

12. Похабов В. И. Гидростатические взаимодействия между судоходными сооружениями и судами : дис. ... д-ра техн. наук / В. И. Похабов. — СПб., 1992.

13. Селезов И. Г. Взаимодействие волн цунами с элементами гидротехнических сооружений / И. Г. Селезов, М. И. Железняк, В. В. Яковлев // Краткосрочный и долгосрочный прогноз цунами: тез. докл. Всесоюз. шк. — М., 1983.

14. Семанов Н. А. Судоходные каналы, шлюзы, судоподъемники / Н. А. Семанов, Н. Н. Варламов, В. В. Баланин. — М.: Транспорт, 1973.

15. Яненко А. П. Повышение пропускной способности и определение габаритов шлюзованных водных путей: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. — Новосибирск, 1994.

С]

Выпуск 3