25—5. СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ
При проектировании системы питания судоходных шлюзов необходимо выполнение следующих основных условии.
- Экономное расходование воды, подаваемой из верхнего бьефа па шлюзование.
- Возможно наименьшее время наполнения и опорожнения камеры.
- Обеспечение такого гидравлического режима в камере, при котором сохраняется спокойное положение судов в период их шлюзования (без резких толчков и сильных подвижек) и маневрирования в камере и подходных каналах.
Обычно в шлюзах применяют одну из двух систем питания: головную или распределительную. В первом системе подача воды в камеру и выпуск ее из камеры сосредоточен в одном месте. При наполнении камеры воду подают через верхнюю голову в верхний участок камеры, а при опорожнении сбрасывают через нижнюю голову. По способу подачи воды в камеру головную систему можно подразделить на безгалерейную и обходную. В безгалерейном типе наполнение камеры происходит через отверстия в воротах или через щели под затворами. В простейшем безгалерейном типе вода в камеру поступает через отверстия в нижней части шлюзовых ворот. Отверстия устраивают ниже уровня воды в нижнем бьефе и перекрывают плоскими затворами (клипкетами), которые поворачиваются на горизонтальной или вертикальной оси или поднимаются кверху.
Такая система питания широко применялась в деревянных шлюзах с напорами до 3,5 м. Недостатком ее является наличие сосредоточенной струи, вытекающей из водопроводных отверстий и опасной для шлюзуемых в камере судов. В шлюзах с напорами в 8—13 м, имеющих в верхней голове стенку падения, применяют наполнение камеры из-под секторных затворов. За затвором устраивают нишу (камеру) гашения для успокоения потока, втекающего из верхнего бьефа (рис. 25—5). Из пиши вода поступает в камеру через отверстия, устраиваемые в стенке падения, отделяющей камеру от ниши. Против этих отверстий устанавливают железобетонную забральную балку (или другой тип гасителя) для гашения энергии потока, втекающего в камеру. Такая система питания, осуществленная в шлюзах канала им. Москвы, применима при стенке падения с высотой, достаточной для устройства в ней камеры, в которую может быть опущен секторный затвор, и при широких камерах, т. е. если отношение напора шлюза Нт к наибольшей глубине на короле верхней головы шлюза hк меньше двух и отношение ширины камеры bк к hк≥4.
В бетонных и железобетонных шлюзах часто применяют систему питания с короткими обходными галереями в верхней и нижней головах (рис. 25— 11, а). По сравнению с распределительной обходная система более проста я экономична, поскольку для нее не требуется размещения галереи в продольных степах и днище камеры; поэтому при головной системе питания возможно облегчить и упростить конструктивные формы бетонных и железобетонных стен камер и в отдельных случаях заменить их откосными или стенами из металлического шпунта.
На рисунке 25—12 изображен проект судоходного шлюза на оросительной системе с головной системой питания. Вход в водопроводные галереи устроен в торцах стон устоя. Сечение галерей 1X1 м. Для спокойного истечения воды в камеру в месте выхода водопроводных галерей устроен гаситель в виде поперечной железобетонной стенки с шестью прорезями. Верхняя голова шлюза перекрывается скользящим затвором высотой 2,2 м, а нижняя — двумя затворами высотой 4,4 и 4,6
В распределительной системе питание водой камеры производится по продольным галереям по всей длине камеры через расположенные в ее дне или стенках выпуски из галерей. В отличие от головной системы питания при распределительной системе в камере ослабляются волновые явления и уменьшаются продольные скорости.
Рис. 25—11. Схемы питания судоходных шлюзов:
а — головная обходная; б — распределительная; 1 — затвор верхней головы; 2 — затвор нижней головы; 3 — водопроводная галерея; 4 — затвор водопроводной галереи.
Распределительные системы питания в настоящее время строят при напорах шлюзов более 12—13 м. Подача воды в камеру производится по продольным галереям, проложенным в стенах или дне камер от верхней головы до нижней. Через отдельные выпуски галерей вода поступает в камеру (рис. 25—11,б). Для обесценения равномерного распределения вдоль камеры расходов воды, поступающих через выпуски в камеру, лабораторными исследованиями и гидравлическими расчетами устанавливают число и площади сечения выпусков по длине галерей. Форма поперечного сечения водопроводных галерей может быть различной: прямоугольной, круглой п т. д.
По СИ и II П-Н. 1-62 выбор системы питания шлюзов в тех случаях, когда произведение напора (на однокамерный шлюз или на одну камеру многокамерного шлюза) на полезную длину камеры больше 2000 и отношение напора к глубине на пороге более 3, должен производиться па основе технико-экономического сравнения головных и распределительных систем питания. Для шлюзов с меньшими величинами этих показателей СИ и П рекомендуют применять головную систему питания.
Гашение энергии потока, вытекающего через отверстия в продольных галереях в камеру, происходит ударом встречных струй, а вытекающего через выпуски в днище каморы — о вышерасположенный слой воды. В местах ударов струй у выхода воды из донных выпусков образуются водные бугры, оказывающие давление на корпуса находящихся в камере судов. Уменьшение воздействия этих струй на суда и причальные тросы может быть достигнуто увеличением водяной иодушки под днищем судна при наибольшем расходе выпуска, для чего увеличивают как время открытия водопроводных галерой, так и поперечное сечение выходящих из них струй.
Лабораторными исследованиями нроф. И. М. Коновалова и других определено, что струн воды, выходящие из подводных отверстий, расширяются приблизительно по следующему закону:
(25—20) где rf0 — диаметр отверстия;
у — расстояние по вертикали от отверстия до рассматриваемого сечения.
С целью создания более спокойного гидравлического режима в камерах во время их наполнения предложены различные схемы питания камер. Например, по одной из них вода подается по галереям, проложенным в продольных стенах, в систему вспомогательных поперечных выпускных галерей, а из них через выпускные отверстия или решетки — в камеру (рис. 25—13). В шлюзах с напорами в 15—17 м устраивают боковую систему питания, при которой забор воды для наполнения камер производится из верхнего бьефа, помимо верхних подходных каналов, а вода из камер сбрасывается в нижний бьеф плотины, минуя нижние подходные каналы. Такая система питания была применена впервые в нашей стране в парном судоходном шлюзе Рыбинского гидроузла на р. Волге. Она нашла большое распространение в судоходных шлюзах, построенных на реках за рубежом. Забор воды не из подходных каналов, так же как и выпуск воды в нижний бьеф, помимо них, не вызывает неустановившегося движения воды и других гидравлических явлений в подходных каналах, связанных с забором и сбросом воды в эти каналы.
Ряс. 25—13. Схема питания шлюза через отверстия в днище камеры:
1 — продольная водопроводная галерея; 2 — затвор; 3 —поперечная галерея с выпусками.
В простых системах питания шлюзов, как, например, при подаче воды в камеру через клинкетные отверстия в воротах, потерн напора очень малы (5—10%), и поэтому основная часть энергии потока гасится в начале камеры перед судном и в его пределах. В распределительных системах с выходящими в камеру непосредственно от продольных галерей донными выпусками потери напора на трение и местные сопротивления в галереях и донных отверстиях в общем невелики, и поэтому до 40% энергии потока гасится подлине камеры и шлюзующихся судов. Лишь при применении лучших современных типов гасительных устройств головных и распределительных систем питания теряется до 95—98% всей энергии потока. Обычно сложные системы питания предварительно исследуются на моделях в лабораториях.
Для уменьшения скоростей воды при впуске ее в камеру, в особенности при больших напорах па шлюзе, применяют предварительное гашение части избыточной энергии потока. Последнее достигается впуском воды в специальные углубления в дне или в стенах камеры типа водобойного колодца, в которых и происходит гашение энергии потока.
При увеличении напоров па шлюзах приходится уделять большое внимание кавитационным явлениям на затворах и участках галерей за ними. Для этого заглубляют плоские затворы водопроводных галерей под уровень нижнего бьефа, а входные отверстия, во избежание захвата воздуха — на глубину ниже минимального уровня воды, при которой по происходит образования воздушных воронок. Выпуск воздуха, захваченного вместе с водой, в продольные галереи осуществляют по воздухоотводным трубам, размещенным между затвором галереи и выпусками в камеру. Для сброса воды из камеры обычно применяют головную систему с короткими обходными галереями.
Гидравлический расчет системы питания шлюзов выполняют как поверочный расчет предварительно намеченной ее схемы. Он обычно состоит из двух основных частей: а) определения скорости и времени открытия затворов водопроводных галерей, а также площади поперечных сечений галереи и отверстий из них; заглубления затворов и т. д.; б) подсчета времени наполнения и опорожнения камер.
Наполнение и опорожнение камер происходит при неустановившемся движении воды в системе их питания. По мере открытия затворов водопроводных галерей расход воды, поступающей в камеру, возрастает от нуля до максимума и затем снижается опять до пуля. Забор из верхнего бьефа в камеру переменного по времени расхода вызывает в подходном канале неустановившееся движение воды, называемое движением длинных волн. Такое же явление происходит и при опорожнении камеры. Теоретические решения гидравлики шлюзов в этих условиях разработаны Б. Д. Качановским, И. М. Коноваловым, В. М. Маккавеевым и Λ. В. Михайловым Чтобы облегчить решение уравнений неустановившегося движения в водопроводной системе, упрощают явления, возникающие в подходных каналах, предполагая, что уровни воды в каналах постоянны, а в камере уровень воды горизонтален.
Время наполнения однокамерного шлюза определяется по формуле:
(25—21)
