CC BY
102
7. Демура М. А. Горизонтальные отстойники. — Киев: Будивельник, 1968.
8. Данелия Н. Ф. Водозаборные сооружения на реках с обильными донными наносами. — М.: Колос, 1964.
9. Использование водной энергии: учебник для вузов / под. ред. Ю. С. Васильева. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1995. — 608 с.: ил.
10. Manual on River Behaviour, control and training. Dr. D. V. Joglgkar. — New Delhi, 1971.
11. Sediment in Nepalese hydropower projects. Bhola Thapa, Raju Shrestha, Projjowal dhakal, Norwegian University of science and Technology and Kathmandu University. — Nepal, 2004.
12. Sediment yield and sediment budget of the yellow river. Hongling SHI, Yangui Wang, Cheng LIU, International Research and Training Centre on erosion and Sedimentation, Beijing. — China, 2007.
13. Кхарел Б. Истечение водогрунтовой смеси через днищевые люки бункеров-отстойников: автореф. дис. ... канд. техн. наук. — СПб., 1999.
14. Кхарел Б., Колосов М. А., Лощак В. К. Отстойник гидротехнического соооружения (изобретение) БИК № 11, свид-во № 22610. — М., 2002.
АНАЛИЗ НАГРУЗОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ НИЖНИХ ДВУСТВОРЧАТЫХ ВОРОТ СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ
ANALYSIS OF LOADING OPERATING IN METAL CONSTRUCTIONS OF THE BOTTOM FOLDING GATES OF THE LOCKS
В статье рассмотрены действующие на нижние двустворчатые ворота нагрузки. Проведен качественный анализ связей ворот с использованием основных положений системного анализа. Проведена по возможности их количественная оценка влияния на напряженно-деформированное состояние. Делается вывод о недостаточности данных и необходимости проведения дополнительных наблюдений.
In article loadings operating on the bottom folding gate are considered. The qualitative analysis of communications of gate with use of substantive provisions of the system analysis is carried out. Their quantitative estimation of influence on intense-deformed condition is made, whenever possible. The conclusion about insufficiency of the data and necessity of carrying out of additional supervision is drawn.
Ключевые слова: судоходный шлюз, нижние двустворчатые ворота, связи системы, нагрузки, опорные реакции, распорные усилия, гидростатический напор, характер деформации.
Key words: navigable sluice, the bottom folding gate, communications of system, loading, basic reactions, spacer efforts, a hydrostatic pressure, character of deformation.
А. С. Мишин,
аспирант, СПГУВК
во
D"
Анализ воздействий
большинстве металлоконструкций нижних двустворчатых ворот (НДВ) после 15-20 лет эксплуатации началось образование трещин, что вызывает необходимость оценки надежности ворот, определения их остаточного ресурса, а также определения возможности проведения ремонтных работ для обеспечения
о X 2
на металлоконструкции ворот
Срок эксплуатации судоходных шлюзов Российской Федерации составляет 45-70 лет. Надежность механического оборудования уменьшается из-за процессов старения, в связи с чем возрастает вероятность отказов. На
II университета
'ЖУРНАЛ водн ы х / / коммуникации
несущей способности металлоконструкций. Для решения этих задач требуется информация о напряженно-деформированном состоянии конструкции с учетом фактических условий их эксплуатации.
ментами, выполненного с использованием основных положений системного анализа [1], представлены на рис. 1.
Из рис. 1 следует, что НДВ имеют следующие связи:
Строительная часть
Судно
Вода
Обслуживающий персонал
I
V
I
I
_4л
Воздушная среда
НДВ
Электромеханическое оборудование
Вахтенный персонал
механическое взаимодеиствие восстанавливающее взаимодействие химическое взаимодействие информационные связи
Рис. 1. Схема связей, влияющих на нагруженное состояние ворот
см ж и
Судоходный шлюз представляет собой единый конструктивный комплекс, состоящий из строительной, механической и электротехнической частей, функционирование и управление которыми обеспечивается персоналом шлюза. НДВ являются элементом механического оборудования, который, кроме взаимодействия с указанными составными частями шлюза, имеет связи с элементами окружающей среды: вода, воздух, грунт вблизи сооружения (опосредованно, через строительную часть). Существует и взаимодействие НДВ со шлюзующимися судами.
Результаты качественного анализа взаимодействия НДВ с вышеуказанными эле-
1) механические:
— с элементами электромеханического оборудования через механический привод;
— элементами строительной части;
— персоналом шлюза;
— водой (гидростатический напор, сопротивление воды при маневрировании, изменение массы ворот из-за наносов);
— воздушной средой (ветровая нагрузка);
— шлюзуемыми судами (навалы различного вида, динамический поток от винто-рулевого комплекса);
2) химические;
— с водной и в меньшей степени воздушной средой;
3) информационные;
— с обслуживающим персоналом (наблюдения за состоянием и правильным функционированием электромеханического оборудования, в том числе ворот);
4) восстанавливающие;
— с обслуживающим персоналом (устранение износов, восстановление пространственного положения ворот, устранение трещин).
Оценка нагрузок, действующих на элементы металлоконструкций НДВ
Створка ворот под напором воспринимает нагрузку гидростатического давления воды и передает ее на устои. В безнапорном состоянии она опирается на пяту и гальсбант и приводится в движение механизмом привода.
Силы, действующие на створку ворот, находящуюся под напором, представлены на рис. 2.
Гидростатическое давление q зависит от глубины. Оно приводит к образованию горизонтальной силы Р^ , направленной перпендикулярно плоскости обшивки (рис. 2,
а), и вертикальной снизу вверх Р^ (рис. 2,
б), перпендикулярной нижнему ригелю (периодически действующая нагрузка). Под действием силы РС[ ворота смещаются в нижний бьеф. Об этом свидетельствует характер из-носов поверхностей вереяльных вкладышей. Определение величины и характера подобных перемещений требует дополнительных исследований.
Собственный вес подвижной части ворот G является постоянно действующей нагрузкой. Вес наносов в подводных ригелях ОН представляет собой нарастающую до определенного уровня нагрузку. Вес людей, находящихся на переходном мостике ОЛ , также является временной нагрузкой. В связи с тем, что переходные мостики НДВ используются в основном в качестве технологических переходов, большого количества людей на них не бывает. В связи с этим при расчетах металлоконструкции ворот данную нагрузку можно не учитывать.
Речная вода имеет высокую концентрацию взвешенных частиц. Это вызывает заиливание подводных ригелей. Особенно сильно данный фактор сказывается при зашитых подводных ригелях.
Возьмем для примера шлюзы Вытегор-ского РГСиС ГБУ «Волго-Балт», имеющие размеры створок 11,8 м длины, 17,7 м высоты и 1,2 м ширины. Среднее значение взвешенных частиц составляет 19-22 мг/дм3. При собственном весе створки 120 т объем грунта может достигать 30 % объема подводной части, то есть около 35 т. Рассмотрим схему сил, действующую на створку ворот при отсутствии напора (рис. 3).
Ось Z направим по оси вращения створки, ось X — через центр шара пяты параллельно нижнему ригелю. Составим систему уравнений равновесия створки с учетом того, что в закрытом (или открытом) положении вся нагрузка передается на одну из тяг гальсбанта.
Рис. 2. Схема сил, действующих на закрытую створку ворот под напором: а — закрытая створка под напором; б — возникновение вертикальной силы Р^
см х и
КПХ - КГ - 0
ЯП2 - Ов - Он - 0 I, (1)
(вв + вн )Ь - ЯГН - 0
где: ЯПХ , ЯП2 — проекции реакции пяты на оси Х и Z соответственно;
ЯГ — реакция гальсбанта; 0Б — вес створки; ОН — вес наносов; Ь — плечо действия сил веса; Н — расстояние от центра шара пяты до оси тяги гальсбанта.
Рис. 3. Схема сил, действующих на закрытую (открытую) створку без напора
Решая данную систему, получаем:
о = я
ЛПХ ЛГ'
ят = св +
(2)
Яг =
(В+С )Ь н
Вычислим опорные реакции и сведем данные в табл. 1.
Таблица 1 Опорные реакции створки
Проектные расчеты С учетом наносов
ЯГ , т 32 41,5
Я т ПХ 32 41,5
Я т ПЪ ' 120 155
Из таблицы видно, что приращение опорных реакций достигает 30 %.
Методика расчета нагрузок от гидростатического напора, воспринимаемого створками ворот, приводится в работе [2]. Каждая пара ригелей на правой и левой створках, лежащих в одной горизонтальной плоскости, получает комбинированную нагрузку от давления воды в виде ряда сосредоточенных сил от диафрагм и сплошной нагрузки, воспринимаемой непосредственно обшивкой, и передает ее на устои. Для расчета ригелей такую комбинированную нагрузку можно принять как равномерно распределенную с интенсивностью q . Рассмотрим расчетную схему, изображенную на рис. 4.
За начало координат принята точка касания упорной и опорной подушек в верее, а направление оси X — параллельно обшивке. Примем, что на ригель передается нагрузка с двух половин расстояния между соседними ригелями. Изгибающая нагрузка на ригель от давления воды:
Р = 41г
(3)
где: q — интенсивность равнодействующей от давления воды;
/1 — грузовой пролет створки. Кроме этого, на ригель действуют продольные силы давления воды на торцы ригеля:
Р2 = ц1г; Р3 = , (4)
где: /2 , /3 — расстояния, на которых действует данная нагрузка.
Опорные реакции определяются из условия равновесия ригеля:
: 0
Р2 Р3 + ЛХ БХ
-р + Лг + БТ = 0 - Р1а1 - Р2а2 + Р3а3 + Бг/1
где: Ах, Ау — проекции реакции в верее на соответствующие оси;
Вх, Ву — проекции реакции в створе на соответствующие оси;
а1, а2, а3 — плечи действия соответствующих сил относительно начала координат.
Решая систему уравнений, находим:
В =
С(/1а1 + 12а2 - 13а3) 11 8т а
(6)
а(/,а, +/2а2 - /3а3) А —гл—ео8 а - д!2 + д/3, (7)
А = чк -
/1вт а
д(/1а1 + /2а2 - /3а3) /1вт а
вт а,
(8)
где: а — угол створения ворот.
Полная реакция в месте контакта вере-яльных подушек составит:
А = ,/ А2 + А;.
Направление реакции А:
« А.
А„
(9)
(10)
Рассмотрим сечение ригеля, находящегося на расстоянии х0 от начала координат.
Осевая сила N, действующая в этом сечении, равна сумме проекций всех сил на ось X:
N = Ах + Р2 = Ахд/2.
(11)
Расстояние а действия силы N от оси х составит:
а = Р2 а2/ N.
(12)
Данная нагрузка является рабочей и имеет циклический характер.
По данным Вытегорского РГСиС ГБУ «Волго-Балт» [4] с учетом двусторонних шлюзований среднее ежегодное количество циклов нагружений составляет 2,5 тыс. Суммарное количество нагружений за время эксплуатации достигло 12^104 циклов. Время под нагрузкой в каждом цикле составляет 25-30 минут, но в отдельных случаях (профилактические работы, встречные шлюзования) может достигать двух часов.
Металлоконструкция ворот взаимодействует с элементами строительной части. При принятии воротами напора и возникновения распорных усилий происходит упругая деформация бетонных конструкций. Данные многолетних наблюдений, проводимых в Вытегорском РГС [4], показывают, что в результате этого верхние части устоев упруго расходятся на 7-10 мм каждое наполнение. Кроме этого, происходит накапливание остаточных деформаций бетона. К 2008 г. расхождение устоев составило в основном 40-50 мм. На шлюзе № 2, имеющем трещину в устое, эта величина достигла 70 мм. Используя формулы (3)-(9), оценим величину изменения реакций в опорных подушках при проектном угле в 20° и с учетом деформации устоев. Для упрощения расчетов примем, что устой сохраняет свою прямолинейность при отклонении. Расчет усилий приведен в табл. 2.
Таблица 2
Распорные усилия в подушках ворот
№ ригеля Расчетный угол 20° Устой смещен на 70 мм по верху
А , т В , т смещ., мм Угол а , ° А , т В, т
13 4,03 4,18 69,93 18,89 4,08 4,41
12 44,56 46,22 64,27 18,98 45,09 48,60
11 109,55 113,65 55,93 19,12 110,69 118,67
10 159,95 165,93 48,52 19,24 161,39 172,23
9 215,42 223,47 41,15 19,36 217,05 230,61
8 247,53 256,78 33,74 19,47 249,07 263,44
Таблица 2 (Продолжение)
7 249,68 259,01 27,50 19,57 250,94 264,45
6 250,27 259,49 21,84 19,66 251,14 263,79
5 244,89 253,91 17,16 19,73 245,53 257,20
4 238,13 246,90 12,87 19,80 238,57 249,28
3 238,13 246,90 8,58 19,87 238,38 248,48
2 238,13 246,90 4,29 19,93 238,19 247,69
1 118,99 123,37 0 20 118,93 123,37
Анализируя ее, видим, что возрастание распорных усилий составляет, как правило, менее 1 %. Однако данный расчет не учитывает, что при расхождении устоев происходит поворот ригелей относительно друг друга (скручивание створок). Характер этой деформации показан на рис. 5. При этом возникают дополнительные нагрузки, которые, возможно, приведут к значительным напряжениям. Данный вопрос требует дополнительного исследования.
Выводы
1. Из вышесказанного следует, что общепринятая методика расчетов НДВ не
учитывает достаточно большого числа факторов, влияющих на напряжено-деформированное состояние металлоконструкции, а именно:
а) увеличение массы ворот из-за грязевых отложений;
б) скручивание створок при деформации устоев;
в) деформация створки при маневрировании от сопротивления воды (частично этот вопрос рассмотрен в работе [3]).
2. Необходимо исследовать напряженно-деформированное состояние ворот с учетом указанных факторов.
Смещение верха вереяльного столба
Смещение оси контакта подушек
Фактическое положение створки
Расчетное положение створки
во о-
X 2
Рис. 5. Характер скручивания створок НДВ под напором
университета
'ЖУРНАЛ водн ы х коммуникаций
Список литературы
1. Гиг Дж ван. Прикладная общая теория систем: пер. с англ. / под ред. Б. Г. Сушкова, В. С. Тюхина. — М.: Мир, 1981.
2. Документация по наблюдениям и исследованиям на СГТС ВРГСиС ГБУ «Волго-Балт».
3. Жулин Н. М. Исследование нагрузок в механизмах ворот и затворов: промежуточный отчет. Тема 91-401. — СПб., 1992.
4. Полонский Г. А. Механическое оборудование гидротехнических сооружений: учебник для техникумов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия. 1984.
Sanjay Giri,
River Engineering & Moprphology Dept., Deltares/Delft Hydraulics, Delft, The Netherlands
AN OVERVIEW ON RECENT ADVANCES ON COMPUTATIONAL MODELING OF BED FORM EVOLUTION USING DETAILED HYDRODYNAMICS
ОБЗОР ПОСЛЕДНИХ ДОСТИЖЕНИЙ ПО КОМПЬЮТЕРНОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ ИМЕНЕНИЙ РУСЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ГИДРОДИНАМИКИ
Within the scope of this report, we basically focus on current state of research regarding physically-based modelling of dune development using detailed hydrodynamics. Though, we also mention herein about those works in which the bedform dynamics have successfully been reproduced without detailed hydrodynamics. This is also of importance as a pragmatic tool, particularly when emphasis is given to the evolution of bed form characteristics, for instance, to evaluate the navigation depth during low water period. Prediction of large scale morphological behaviour of rivers, sediment transport and their influence on water surface variation (or inundation) is significantly associated with the local roughness that is dominated by form drag exerted by bed forms. In order to replicate form drag in a physically-based manner, it is of importance to consider the detailed hydrodynamics. So far, most existing methods are basically relied upon empirically/conceptually parameterized approach. The problem becomes more complicated if consider micro-scale morphological development and associated drag under varying flows. This requires an improved modelling approach that enables to take into account the variability of the bed form features and associated form drag under varying flows with rising and falling stages. Taking into consideration the significance of the problem, there are number of supplementary demands for the furtherance of existing knowledge and development. Particularly, due to significant step forward in computational modelling of fluid and bed form dynamics, we are rather near to a truly predictive tool that can be used to investigate this complicated phenomenon of river engineering practice. At the same time, we must consider that the knowledge being gained from fundamental research should concurrently be implemented to address real-world problems.
В этой статье мы в основном останавливаемся на текущем состоянии исследований, относящихся к физическому моделированию развития дюн, используя гидродинамику. Хотя мы также упоминаем о работах, в которых динамика формирования русла успешно представлена без учета гидродинамики. Это так же важно, как прагматический инструмент, особенно когда акцент делается на эволюции характеристик изменений русла для оценки глубины судоходства в период низкой воды. Прогноз широкомасштабного морфологического поведения рек, транспорт наноса и их влияние на изменение водной поверхности связаны с локальной неровностью. Чтобы повторить изменения физически, необходимо рассмотреть гидродинамику. Пока наиболее успешные методы в основном эмпирически опирались на параметрический подход. Проблема становится более сложной, если рассмотреть морфологическое развитие в микромасштабе и связанное движение в изменяющихся потоках. Это требует улучшенного подхода, который поз-
