Научная статья на тему 'Определение площади воздействия на дно водоема при посадке и снятии плота с мели'

Определение площади воздействия на дно водоема при посадке и снятии плота с мели Текст научной статьи по специальности «Машиностроение»

CC BY
44
20
Поделиться
Журнал
Лесотехнический журнал
ВАК
AGRIS
RSCI
Область наук
Ключевые слова
ПЛОТ / ЛЕСОСПЛАВ / МЕЛКОВОДНЫЙ УЧАСТОК / СНЯТИЕ ПЛОТОВ С МЕЛИ / ВОДОНЕПРОНИЦАЕМЫЙ МАТЕРИАЛ / ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ПОДУШКА / РУСЛОВЫЙ РЕЖИМ / ЭКОСИСТЕМА ВОДОЕМА

Аннотация научной статьи по машиностроению, автор научной работы — Мануковский Андрей Юрьевич, Макаров Дмитрий Александрович

В статье рассмотрена проблема посадки на мель при плотовом сплаве леса, а именно рассмотрен вопрос повреждения. Так же произведен анализ причин посадки плота на мель, выделены наиболее распространенные варианты развития событий, при которых плот садится на мель. Рассмотрены различные способы снятия плота с мели. Для каждого из перечисленных способов представлены достоинства и недостатки, и произведен анализ их состоятельности в тех или иных условиях. Уделено внимание последствиям посадки плота на мель в процессе сплотки, а также при осуществлении операции снятия с мели. Среди возникающих последствий выделены экономические и экологические, наносящие значительный ущерб как окружающей среде, так и поставщику лесоматериалов. Особое внимание уделено возникающей при снятии плота с мели экологической проблеме уничтожения больших площадей водорослей и нарушения естественного руслового режима реки, в связи с чем наносится значительный ущерб не только фауне на значительных площадях водоема, но и повышается опасность обмеления. Для решения данной проблемы предложен метод и устройство для прохождения мелководных участков реки. Эффект, согласно которому предлагается проходить сложные участки реки, такие как мели, заключается в создании избыточного давления под донной частью плота. Таким образом, предлагаемый способ предполагает искусственное создание достаточного донного запаса при прохождении плотом мелководного участка или же снятия с мели данным способом. Способ не предполагает значительный размыв грунта и позволяет осуществление снятия плота с мели без сильного воздействия на экосистему водоема.

Determination of the impact area on bottom of the reservoir at landing and removal of the raft from the shallows

The article deals with the problem of grounding in timber floating rafts, namely damage is considered. As well we analyzed the causes of the raft grounding, highlighted the most common scenarios in which raft runs aground. Various methods of removing the raft afloat are examined. For each of these methods the advantages and disadvantages are presented, and we analyzed their viability in certain circumstances. We paid attention to the impact of raft grounding in rafting, as well as in the implementation of the operation to remove from shelves. Among the emerging consequences the economic and environmental ones are highlighted, causing significant damage to both the environment and the timber vendor. Particular attention is paid to environmental problem which occurs when removing raft from the shallows, which are destruction of large areas of water plants and disturbing the natural streamflow regime of the river, and therefore it causes considerable damage not only to the fauna of large areas of the reservoir, but also increases the risk of shallowing. To solve this problem, a method and apparatus for passing the shallow sections of the river are suggested. The effect, according to which we propose to pass sensitive parts of the river, such as shoals, is to create a positive pressure at the bottom part of the raft. Thus, the proposed method involves the artificial creation of sufficient bottom stock when raft passing of shallow-water or refloat from ground by this way. The method does not involve a significant erosion of the soil and allows implementation of the removal of raft from the shallows, without a strong impact on the ecosystem of the pond.

Текст научной работы на тему «Определение площади воздействия на дно водоема при посадке и снятии плота с мели»

УДК 630*378.33

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОЩАДИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ДНО ВОДОЕМА ПРИ ПОСАДКЕ

И СНЯТИИ ПЛОТА С МЕЛИ

доктор технических наук, профессор кафедры промышленного транспорта, строительства

и геодезии А. Ю. Мануковский аспирант кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии Д. А. Макаров ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» mayu1964@mail.ru, d.a.makarov@mail.ш

Водный транспорт леса является по-истине уникальным типом транспортировки древесины. Его транспортнотехнологические и природно-социальные критерии значительно превосходят другие виды транспортировки древесины (объем, экономичность, энергоресурсность и др.). Кроме этого водный транспорт леса в некоторых районах нашей страны является единственным средством доставки древесины потребителю.

Считают, что среди известных видов водного транспорта леса наиболее перспективным является плотовой сплав леса, но, несмотря на все преимущества данного типа транспорта, существует ряд причин, усложняющих условия лесосплава.

Среди множества неблагоприятных факторов, связанных с особенностями конструкции плота, зачастую недостаточное внимание уделяется условиям сплотки. В первую очередь необходимо обратить внимание на неблагоприятные особенности русла или режима лесосплавных рек. Недостаточный габарит лесосплавного пути, засорение топляком, корягами, эрозия русла реки, все эти факторы способны существенно осложнить процесс плотового сплава леса [1, 2].

Плотовой сплав леса в России не все-

гда отвечает технологическим требованиям, от которых напрямую зависит скорость и качество буксировки к пункту назначения (нижний склад). В ряде случаев из-за ошибок разведки уровня вод на протяжении транспортного пути или же ошибок экипажа буксира-плотовода-толкача, возникает ситуация, при которой плот может сесть на мель или же, что еще хуже, садится на мель. Такая ситуация недопустима и требует серьезных затрат при устранении. Так, для снятия, например, плота с мели приходится задействовать дополнительные буксиры, и в ряде случаев частично расформировывать плот. Все это приводит к существенным затратам, ведь даже при оптимальной организации снятия плота с мели из-за работы буксирных катеров в районе нарушается график движения судов.

Немаловажным в данной ситуации так же является и вопрос экологии. Ведь известно, что при снятии с мели нарушается естественный рельеф дна водоема, что может привести к изменению русла реки. Посадка на мель влечет за собой не только значительные затраты при устранении данной ситуации, но и наносит существенный экологический ущерб экосистеме данного участка водоема. Традиционное снятие с мели методами разворота, волочения

или же рывка, так или иначе влечет к повреждению естественного дна водоема, уничтожая большие площади водорослей, тем самым лишая пищи местную фауну. Для визуальной оценки последствий сня-

тия плота с мели методами разворота, во лочения или углубления дна можно вос пользоваться рис. 1.

Рис. 1. Зоны воздействия различных факторов на дно водоема при снятии плота с мели:

1 - зона умеренного воздействия, 2 - зона сильного воздействия, 3 - мелководный участок,

4 - плот

При снятии плота 4 с мелководного участка 3 образуется две зоны воздействия на дно водоема: зона сильного воздействия 2, возникающая из-за волочения плота или из-за работы дноуглубительных установок,

и зона умеренного воздействия 1, образующаяся в результате воздействия струи движителя буксирного судна.

При определении площадей зон воздействия (рис. 1) необходимо руково-

дствоваться тем, как именно плот сел на мель. Данный фактор предполагает посадку плота на мель в результате:

а) скоростного проседания, при котором носовая часть плота врезается в дно водоема, захватывая часть грунта (ил, глина, песок); данная ситуация наиболее вероятна для больших плотов при донном запасе 0,1.. .0,3 м.

б) сноса плота с заданного курса на участок водоема с малой глубиной в результате потери управления плотом (ошибка экипажа буксирного катера, обрыв буксирных тросов, ход юзом задней части плота).

Во втором случае плот 1 может сесть на мель (позиция 2 на рис. 2 а), врезавшись в прибрежное дно водоема в точке Z на скорости, при этом срезая грунт дна водоема до полной остановки, проходит по инерции расстояние к. Так же в данной ситуации возможна посадка на мель накатом волны (рис. 2, б), что имеет место при плавании по водоемам с большой акваторией (озера, водохранилища), когда плот 1, обладая инерцией, смещается к мелководному участку, находясь в верхней точке волны, после чего плашмя ударяется о дно водоема (позиция 2 рис. 2 б), повреждая дно, проходя по инерции расстояние к [1, 4].

1

а)

Рис. 2 Скоростная посадка плота на мель и зона повреждения дна водоёма к (а) и посадка плота на мель волной с зоной повреждения дна водоема к (б)

Степень первичного повреждения русла реки для каждого случая будет разной из-за характера воздействия плота на дно водоема. Так при скоростной посадке на спокойной воде (рис. 2 а) имеет место срезание грунта, а в случае наката волной (рис. 2 б) преимущественно ударное воздействие, инерционная составляющая здесь в разы меньше, чем в первом случае, так как при ударе плота мгновенная сила сопротивления трения-скольжения в разы больше, чем в первом случае.

Важно отметить, что основными факторами, определяющими характер повреждения дна водоема, являются тип пло-

та (форма секций, сплоточных единиц) и вид грунта (песок, глина, ил), его плотность.

В случае посадки плота на мель для оценки сложности возникшей ситуации необходимо знать глубины в районе и выявить зоны контакта плота с дном [4]. Выявление последнего фактора становится весьма проблематичным из-за больших размеров плота и наличия гибких связей в его конструкции, поэтому обмер глубин ведется только вокруг плота по сетке обмера глубин с заданным шагом в 1,5.3 м (рис. 3). Обмер ведется и в сторону берега.

Рис. 3. Сетка обмера глубин

После обмера глубин уточняют область, где плот соприкасается с дном водоема, после чего определяют способ снятия плота с мели.

Важно отметить, что ввиду конкретных причин, связанных с финансовыми затратами, наиболее распространен метод разворота и его частный случай - метод волочения. Повреждения дна водоема в данных случаях имеют весьма серьезные последствия. Наиболее приемлемый с экологической точки зрения метод снятия с мели путем расформирования плота на практике применяется лишь в исключительных случаях, так как является крайне затратным. Рассмотрим процесс снятия плота с мели для случая разворота и волочения.

При снятии плота методом разворота (рис. 4) плот 1 посредством усилия F, создаваемого буксирным катером, поворачивают вокруг оси О, неподвижность части плота в которой обеспечивается якорями 3. Точка К буксируемой части плота при этом проходит по дуге окружности L (КК1) радиуса ОК, перемещаясь относительно первоначального положения К в позицию К1 на определенный угол а. При этом смещение точки К производится за пределы кривой 2, где уровень глубины оптимален для беспрепятственного осуществления буксировки плота. Положение каждой точки кривой 2 определяется исходя из данных по обмеру глубин и необходимого донного запаса. Целесообразно осуществлять привязку точек О, К, К1 к сетке обмера глубин.

Рис. 4. Снятие плота с мели методом разворота

Формально площадь повреждения дна водоема от волочения плота может сводиться к определению площади сегмента окружности ОКК1, но подобное допущение не является верным в полной мере и допустимо лишь для оценки вероятной площади повреждения, не имея в наличии точных данных обмера глубин.

Важно отметить и то, что на эффективность снятия плота с мели методом волочения и разворота и точность получаемых данных о повреждении дна водоема оказывает форма секции или же сплоточных единиц, из которых состоит плот, наличие изо-

лирующего гидродинамического покрытия,

б

Рис. 5 Форма секции

Так при снятии с мели меньшее сопротивление будут испытывать секции или сплоточные единицы плота более обтекаемой формы (рис. 5 в, г) нежели секции или сплоточные единицы менее обтекаемой формы (рис. 5 а, б).

Рассмотрим поведение секции или сплоточной единицы в плоту в процессе снятия с мели методом волочения на примере форм а и г, представленных на рисунке 5 (рис. 6).

При посадке плота на мель его секции вязнут в грунте на глубину А (см. рис.

6), в связи с чем образуется упор LAD (рис. 6, а) для плотов с секциями типа а) и

б) (рис. 5), а так же упор типа ELAD (рис.

6, б) для плотов с секциями типа в) и г)

(рис. 5).

Основополагающим в данной ситуации является значение угла а, который образует плоскость дна водоема (ЛДВ) с боковой стенкой секции плота (см. рис. 6).

Чем больше значение угла а, тем вероятнее возникновение процесса резания грунта дна при снятии плота методом волочения.

плотность грунта (рис. 5).

плота (вид сбоку)

В зависимости от плотности грунта из-за создаваемого упора секция плота поворачивается вокруг оси в точке L на малый угол в, образуя угол а1 между дном водоема и боковой поверхностью плота прежде чем будет преодолена сила сопротивления грунта Fсг.

Несмотря на то, что угол < а, для плотов с секциями типов а) и б) (см. рис. 5) данный параметр отличается на незначительную величину, поэтому более вероятен процесс срезания грунта, нежели переход к скольжению, как это происходит с секциями типа в) и г) (см. рис. 5).

Зная представленные выше факты возможно определить не только площади дна водоема, повреждаемые при снятии с мели, но и объемы смещаемого грунта, что даст возможность выявить степень потребности в мелиоративных работах и предугадать вероятность дальнейшего обмеления данного участка водоема по причине переноса значительных объемов грунта с мелководного участка на участки с глубокой водой.

Зі ЛДВ

-

В: В

Ні.і н

ОІ

А '■ А і

б

Рис. 6. Механика секции плота при снятии с мели

Возвращаясь к определению повреждаемых площадей, отметим, что наиболее приемлемым в данной ситуации будет жесткая привязка к сетке обмера глубин и определение параметров повреждения для каждого квадрата сетки в отдельности [5]. Таким образом, мы сможем получить наиболее точные данные как повреждаемым по площадям, так и по объемам смещаемого грунта.

Возьмем ячейку сетки обмера глубин размером 1,5 х 1,5 м, значения глубин при этом измерены и составляют an, Ьп, сп и dn м (рис. 7). Предположим, что тело (плот) пересекает данную ячейку параллельно уровню горизонта на определенной глубине А (Сп сх) в плоскости Ьх сх dx. Определение площади поврежденного грунта сводится к определению площади плоскости

Ьх сх dx, а объем перемещаемого грунта - к определению объема пирамиды сп Ьх сх dx.

Рис. 7. Определение площади повреждаемого грунта при волочении, на примере одной ячейки обмера глубин

Параметр А определяется из условия, что тело (плот) перемещается прямолинейно, параллельно уровню горизонта, формой секций плота в данном случае пренебрежем, то есть тело (плот) при столкновении с препятствием его срезает (рис. 8).

Таким образом, площадь повреждаемой поверхности дна при снятии плота с мели методами волочения или разворота может быть определена как сумма площадей поврежденного грунта для каждой ячейки обмера глубин [5].

Рис. 8. Параметр А

Определение площадей поврежденного дна водоема позволяет судить о масштабах воздействия на экосистему водоема. Снятие плотов больших габаритов с мели традиционными способами может привести к серьезным экологическим последствиям. Уничтожение огромных площадей водорослей в данном случае лишит питания местную фауну, а перенос в процессе волочения плота больших масс речного грунта может в конечном итоге способствовать обмелению данного участка водоема. На больших реках данная ситуация не столь заметна, нежели на малых, где незначительное изменение русла реки может способствовать зарастанию или же уходу воды.

Библиографический список

1. Плоты (конструкция, эксплуатация, технология) / М. Н. Фоминцев и [др.] /

Под ред. М.Н. Фоминцева. М.: Лесн. пром-сть, 1978. 216 с.

2. Савельев В.В. Мелиорация лесосплавных путей и гидротехнические сооружения: Учебник для вузов. М.: Лесн. пром-ть, 1982. 280 с.

3. Мануковский А.Ю., Макаров Д.А., Подойницын К.С. Методы снижения гидродинамического сопротивления движению сортиментных плотов при их буксировке // Системы. Методы. Технологии, 2011. № 12. С. 125-127.

4. Снопков В.И. Управление судном. СПб: Профессионал, 2004. 536 с.

5. Скворцов А.В. Триангуляция Делоне и её применение. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. 128 с.