ПЛАВУЧИЙ ЗАТВОР СУДОПРОПУСКНОГО СООРУЖЕНИЯ (БАТОПОРТ)
FLOATING GATE OF NAVIGATION PASS (CAISSON GATE)

Изобретение относится к области гидротехнических сооружений, плотин, комплексов защитных сооружений от наводнений и предназначено для создания плавучего затвора судопропускного сооружения (батопорта).
Известен плавучий затвор судопропускного сооружения, включающий закрывающиеся вертикально установленные механизированные ворота со створками, поверхность днища у которых по ширине днища створки имеют ломаную форму, характеризующуюся входным горизонтальным участком со стороны верхнего бьефа и примыкающим к нему со стороны нижнего бьефа под тупым углом, наклонным и отклоняющимся вверх выходным участком поверхности, причем в нижней части затвора в начале горизонтального участка имеется щиток (Селезнев С.В., Лохматиков Г.П. Поверхностные затворы больших пролетов судопропускных сооружений, шлюзов и доков. Санкт-Петербург, Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отделение, 1995, с.657).
Недостатком этого плавучего затвора является то, что в процессе его посадки на порог при наличии перепада уровней воды между верхним и нижним бьефами более 0,8 м, возникающего при действии нагонной волны, поведение створок вблизи порога становится неустойчивым (даже при наличии мероприятий по стабилизации, таких как стабилизирующие цистерны, водопереточные каналы, проницаемая обшивка со стороны нижнего бьефа), и они начинают совершать вертикальные автоколебания значительной амплитуды, которые могут привести к ударам плавучего затвора о порог. Это в свою очередь грозит нарушением целостности конструкции затвора, потерей герметичности отсеков плавучести, его затоплением и невозможностью открытия судопропускного сооружения после наводнения. Причиной возникновения этих автоколебаний является обтекание принятой формы подводной части плавучего затвора потоком, обусловленным перепадом уровней воды между верхним и нижним бьефами. При обтекании подводной части плавучего затвора потоком в районе наклонного выходного участка возникают крупные вихревые структуры, которые являются неустойчивыми при вертикальных перемещениях затвора, и поэтому происходит периодический отрыв вихревых структур, что приводит к пульсациям давления на нижней части затвора. Вследствие того, что изменения вертикальной силы, обусловленной пульсациями давления на нижней части плавучего затвора, и скорости вертикальных перемещений близки по фазе, возникает автоколебательный процесс со значительной амплитудой колебаний затвора.
Испытания такой конструкции плавучего затвора на масштабной фрагментарной модели в гидравлическом лотке и на пространственной модели подтвердили наличие указанных автоколебаний при перепадах уровней более 0,8 м (фиг.2), что явно недостаточно для надежной эксплуатации затвора судопропускного сооружения.
Время перекрытия судоходного канала при наводнении и стоимость восстановления в случае повреждений плавучего затвора и порога судопропускного сооружения являются основными экономическими факторами, определяющими экономическую эффективность сооружения. Раннее закрытие плавучего затвора в условиях отсутствия или при минимальном перепаде уровней также приведет к задержке прохода большого количества судов, что является прямыми экономическими потерями. Авария плавучего затвора при перекрытии судоходного канала в условиях большого перепада уровня приведет как к задержке прохода судов, так и к издержкам по устранению аварии и ремонту затвора. Минимизация этих издержек и повышение надежности работы плавучего затвора возможна только при достаточно высокой устойчивости нормального функционирования затвора при значительных перепадах уровней.
Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков является принятый нами за прототип плавучий затвор судопропускного сооружения (батопорт), включающий закрывающиеся вертикально установленные механизированные ворота со створками, поверхность днища у которых по ширине створки имеет ломаную форму, характеризующуюся входным горизонтальным участком со стороны верхнего бьефа и примыкающим к нему со стороны нижнего бьефа под тупым углом наклонным отклоняющимся вверх выходным участком поверхности, причем в нижней части затвора на его входном горизонтальном участке имеется щиток, а на наклонном выходном участке поверхности днища вдоль длины створки установлена наделка произвольной формы в поперечном сечении, у которой крайняя нижняя точка находится по высоте, по крайней мере, на уровне не выше 0,1 ширины створки ворот у ее днища над уровнем горизонтального участка поверхности днища, а по ширине створки - на уровне, отстоящим от начала наклонного участка не ближе 0,4 длины этого участка (патент RU №2288319, Е02В 7/50, опубл. 27.11.2006).
Недостатком прототипа является то, что из-за отсутствия каналов для поступления воды в зону разряжения перед установленной наделкой при приближении батопорта к порогу возникает сила, приводящая к подсосу батопорта к порогу и возможным его ударам о порог, что не обеспечивает его безопасную эксплуатацию. Кроме того, перемещение щитка вдоль входного горизонтального участка приведет к необходимости увеличения пригрузки батопорта для обеспечения надежного стояния его на пороге.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение вертикальных автоколебаний плавучего затвора судопропускного сооружения (батопорта), возникающих в процессе погружения для посадки на порог судопропускного сооружения в условиях наличия перепада уровней воды в акваториях со стороны верхнего и нижнего бьефов, для обеспечения безопасности его эксплуатации, а также обеспечения надежного стояния батопорта на пороге с зазором между щитком и порогом при наличии перепадов уровней воды и волнения без увеличения заданной пригрузки батопорта.
Поставленная задача достигается тем, что плавучий затвор судопропускного сооружения (батопорт), включающий закрывающиеся вертикально установленные механизированные ворота со створками, поверхность днища у которых по ширине створки имеет ломаную форму, характеризующуюся входным горизонтальным участком со стороны верхнего бьефа и примыкающим к нему со стороны нижнего бьефа под тупым углом, наклонным и отклоняющимся вверх, выходным участком поверхности, в нижней части плавучего затвора на его входном горизонтальном участке размещен щиток, а на наклонном выходном участке поверхности днища вдоль длины створки установлена наделка, согласно изобретению наделка выполнена с возможностью положительной плавучести и закреплена к наклонному выходному участку поверхности днища длиной = L, например, на пилонах с образованием канала постоянного сечения, шириной не менее 1/7L, при этом нижняя точка наделки по высоте расположена на уровне нижней точки щитка, а по длине выступает за габарит створки не более чем на 1/20L, причем напорная грань наделки расположена под углом α=15-20° к линии, соединяющей нижние точки наделки и щитка.
Предлагаемая конструкция плавучего затвора судопропускного сооружения (батопорт) поясняется чертежами.
На фиг.1 представлено поперечное сечение плавучего затвора судопропускного сооружения (батопорта).
На фиг.2 - пример реализации измерения перемещений свободноплавающей фрагментарной модели батопорта.
Плавучий затвор судопропускного сооружения (батопорт) содержит закрывающиеся вертикально установленные механизированные ворота со створками 1, у которых поверхность днища имеет ломаную форму по ширине створки, характеризующуюся входным горизонтальным участком 2 со стороны верхнего бьефа и примыкающим к нему со стороны нижнего бьефа под тупым углом, наклонным и отклоняющимся вверх, выходным участком 4 поверхности днища.
В начале входного горизонтального участка 2 поверхности днища вдоль длины створки 1 установлен щиток 3. На наклонном выходном участке 4 поверхности днища вдоль створки 1, например, на пилонах 5 установлена наделка 6, выполненная с возможностью положительной плавучести, образующая с наклонным выходным участком 4 поверхности днища канал постоянного сечения шириной не менее 1/7L. Нижняя точка наделки 6 по высоте расположена на уровне нижней точки щитка 3, а по длине выступает за габарит створки 1 не более чем на 1/20L. Напорная грань 7 наделки 6 расположена под углом α=15-20° к линии, соединяющей нижние точки наделки 6 и щитка 3.
Устройство работает следующим образом.
Поток жидкости при наличии положительных перепадов уровней воды между верхним и нижним бьефами проходит под батопортом, формируется в транзитную струю с высоким значением скорости потока и низким давлением в ее верхней части, расположенной вблизи днища батопорта. Наклонный выходной участок 4 поверхности днища батопорта позволяет обеспечить приток жидкости из нижнего бьефа в область низкого давления и тем самым уменьшить дестабилизирующую подсасывающую силу. Однако при этом обширное вихревое течение проходит в область наклонного выходного участка 4 поверхности днища, и нестабильность этого течения приводит к возникновению значительных вертикальных колебаний батопорта. Наделка 6 изменяет характер обтекания нижней части батопорта в положениях вблизи порога судопропускного сооружения и путем частичного замещения вихревой области под батопортом предотвращает процесс периодического возникновения и срыва крупных вихрей при вертикальных перемещениях батопорта.
Наличие наделки 6 также приводит к увеличению демпфирования вертикальных колебаний (в соответствии с теорией качки плавающих тел), кроме того, дополнительное гидравлическое сопротивление в канале между наклонным выходным участком 4 поверхности днища и наделкой 6 также способствует демпфированию вертикальных колебаний. Перечисленные выше факторы приводят к тому, что составляющая гидродинамических сил, пропорциональная скорости движения батопорта, находится фактически в противофазе со скоростью перемещений батопорта, и это, в свою очередь, приводит к устранению автоколебательных режимов вблизи дна.
Устойчивое положение батопорта обеспечивается на малых расстояниях от порога судопропускного сооружения, что позволяет батопорту иметь устойчивое положение на пороге при наличии зазора между батопортом и порогом при заданной нагрузке.
Пример сопоставления перемещений аналога и перемещений батопорта предлагаемого изобретения при наличии перепада уровней воды показан на графике фиг.2 (получен по результатам физического моделирования).
Предлагаемое изобретение устраняет вертикальные автоколебания плавучего затвора судопропускного сооружения (батопорта), возникающие в процессе погружения для посадки батопорта на порог судопропускного сооружения в условиях наличия перепада уровней воды в акваториях со стороны верхнего и нижнего бьефов и обеспечивает безопасность его эксплуатации, а также обеспечивает надежное стояние затвора на пороге с зазором между щитком и порогом при наличии перепадов уровней воды и волнения без увеличения заданной пригрузки батопортов.