Совершенствование методики расчета лесоудерживающей запани, исходя из новых производственных условий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Этой номограммой удобно пользоваться при оценке влияния ширины, диаметра и усилия прижатия прикатывающего катка на плотность почвы в зоне заделки семян. Порядок определения усилия и параметров прикатывающего катка показан линией со стрелкой. Эту номограмму можно также использовать для решения обратной задачи.

Список литературы

Смирнов Н.А. Выращивание посадочного материала для лесовосстановления. - М.: Лесная пром-сть, 1981. - 169 с.

Глаголев Н.А. Курс номографии. - М.: Высшая школа, 1961. - 270 с.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ЛЕСОУДЕРЖИВАЮЩЕЙ ЗАПАНИ, ИСХОДЯ ИЗ НОВЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЙ

Е.М. ЦАРЕВ, доц. МарГТУ, канд. техн. наук

В соответствии с Инструкцией по проектированию лесосплавных предприятий

[2] проектируемая запань относится к основным сооружениям. На поперечную запань действуют силы взаимодействия пыжа с потоком, ветром и берегами.

В результате этого взаимодействия возникает влекущая сила Рй, действующая в направлении потока и ветра. Эта сила, сжимая пыж, создает распорное давление. В данном случае пыж как сыпучее тело. Силы,

передаваемые от давления пыжа, направлены к берегам под некоторым углом и могут быть разложены на составляющие перпендикулярные (нормальные) Р\_ и параллельные Р\ | берегам (силы трения). Силы трения уменьшают активные силы Ря, и на запань передается только часть силы от давления пыжа, которая называется действующей Рд (см. рис. 1),

Л = Л - Л = (1 --бЧЛ = р/”., О)

Берег

а

Рис.1. Схема сил, действующих на запань: а - запань в прямоугольном русле; б - схема сужения в створе запани; в - схема к расчету сил, действующих на лежень, формула (1)

где р - коэффициент, учитывающий взаимодействие пыжа с берегами, зависящий от скорости течения V и отно-

ьп

шения —— .

ъ,

Непризматичность и извилистость русла учитывается коэффициентом р’, т. е. формула (2) приобретает вид

^ = (2) Активная сила Ра зависит от скорости течения потока, ширины реки, формы русла и его конфигурации, степени защищенности запани от ветра, бытового режима реки и типа запани и определяется по формуле.

ра +0 , (3)

а давление пыжа на запань

Рд = Р •р'-ЫДт.+г.), (4)

где Ъ - средняя ширина реки в пределах расчетной длины пыжа Ьр, м; т„ - среднее в этих пределах удельное давление потока на единицу площади пыжа, Па; хв - среднее удельное давление ветра на единицу площади пыжа, Па. Давление ветра на пыж сравнительно невелико, и его учитывают в том случае, ко-

гда давление потока на пыж также невелико

[3] (при скоростях течения V < 1 м/с).

Удельное давление ветра на пыж определяют по формуле

(5)

т = С р V2 /2,

в ^ в г в >

где ре - плотность воздуха;

£,в - опытный безразмерный коэффициент, зависящий от скорости ветра;

Исследованиями, выполненными в ЦНИИлесосплава [5,6], установлено, что удельное давление потока на пыж т„ зависит от скорости течения потока в период формирования пыжа, средней глубины реки /г и длины пыжа Ь„.

Удельное давление пыжа определяется по эмпирической формуле

X =Т ф

п ПТ т 9

(6)

где хп - удельное давление потока на пыж, Па;

фт - поправочный коэффициент, зависящий от длины пыжа Ьп.

Удельное давление пыжа т„' определяется также по формуле

т„'=С(ру2/2), (7)

о

где р - плотность воды, кг/м ;

£, - опытный безразмерный коэффициент сопротивления пыжа, зависящий от его осадки tc.

С учетом С, = /(О удельное давление определяют по формуле xn' = (i;/tc)tc(p-v2/2) = ^tc(pv2/2), (8)

где £ ’ — опытный коэффициент, учитывающий сопротивление пыжа на единицу его толщины, 1/м ^ = 0,004 1/м.;

Учитывая, что р = 1000 кг/м3 и =0,0041 м-1, формулу (8) можно записать

х„' = 20,5 tcv2. (9)

Таким образом, значение нагрузки, передающейся на запань, можно определить по формуле

Р„ = 20,5рр K„cptv2, (Ю)

где Wnp = bLt с - геометрический объем подводной части пыжа в пределах расчетной

длины пыжа Ь„; при скоростях течения v < 1,25 м/с.

Когда необходимо учитывать воздействие ветра, к нагрузке на запань от потока прибавляется нагрузка от ветра, и Рд определяется по формуле Рд = РР bLp[q>£ Vc(pv2 /2)+^sp.v„2 /2)]. (11)

Данная формула справедлива для запаней, устанавливаемых на реках, ширина которых не превышает 250 м [2].

Если рассматривать наплавные сооружения, в данном случае запань, работающую в условиях крупных водохранилищ, то необходимо учесть некоторые особенности такой работы. Сравнительная оценка условий представлена в табл. 1, а на рис.2 показаны параметры, которые учитываются при расчете лесоудерживающей запани и устройства для сбора аварийной древесины на крупных водохранилищах.

Учитывая это, в ранее рассмотренную методику расчета запани, разработанную ЦНИИЛесосплавом, необходимо включить волновую нагрузку, действующую на запань, а если запань работает круглогодично еще и ледовую. При этом учитываем некоторые особенности связанные с изменением средней бытовой скорости по живому сече-

нию потока на участке расположения запани и силы лобового сопротивления.

Скорость ветра Волновая нагрузка Скорость потока

Ледовая нагрузка

Лобовое сопротивл

б)

Рис.2. Факторы, которые учитываются при расчете запаней: а - лесосплавной; б -для крупных водохранилищ

Отсюда полная нагрузка на удерживающую запань определится по формуле

Ртт. = РГ> + Р« + Р, + А* + ^ , (12)

где Рд- нагрузка на запань от действия скоростного напора и ветровой нагрузки, МН;

Рв - значение линейной нагрузки от волн, МН;

Р, - сила от воздействия остановившегося ледяного поля, навалившегося на сооружение при действии течения воды и ветра, МН;

ДХ - сила лобового сопротивления,

Мн;

сила от примерзшего к сооружению ледяного покрова при изменении уровня водохранилища, Мн.

Расчет волновых и ледовых нагрузок на обтекаемую горизонтальную преграду рассчитывается по методике [4].

Максимальное значение равнодействующей линейной нагрузки от волн Ртах, кН/м, на горизонтальную обтекаемую преграду рис. 3 с поперечными размерами а < 0,IX, м и Ъ < 0,IX , м при гс > Ъ , но

(гс -Ы2))к/2 и при {<1 -гс)>Ь определяется по формуле

р^=4р!+р; ■ аз»

Таблица 1

Сравнительная оценка условий работы наплавных сооружений

Показатели Лесоудерживающие запани Запани, работающие в условиях крупных водохранилищ

Скорость течения, м/с Свыше 1 м/с До 1 м/с

Глубина реки, м До 10 Свыше 20

Ширина реки, м До 250 До 2000

Скорость ветра, м/с До 5 До 25

Работа запани Сезонная Круглогодичная

Удерживаемые предметы Круглые лесоматериалы Аварийная древесина

Длина пыжа, м До 2000 100

Расчетный уровень

*77777777777777777777777777777777777777777.

Рис. 3. Схема к определению волновых нагрузок на обтекаемую горизонтальную преграду для двух случаев: с максимальной горизонтальной составляющей линейной нагрузки Рх тах, кН/м, при соответствующем значении вертикальной составляющей линейной нагрузки Рг, кН/м; с максимальной вертикальной составляющей линейной нагрузки Р1: тах, кН/м, при соответствующем значении горизонтальной составляющей линейной нагрузки Рх, кН/м

Расстояние х, м, от вершины волны до центра преграды при действии максимальных линейных нагрузок PXt тах и Р2ш тах определяются по относительной величине х = х/Х, принимаемой согласно (рис. 18 и рис. 23. [4]).

Максимальное значение горизонтальной составляющей линейной нагрузки Рх, max, кН/м, на горизонтальную обтекаемую преграду определяется из ряда величин, получаемых при различных значениях х, по формуле

Р = Р. -8 + Р -5 П4')

х,max xi xi xv xv > V1 v

где Pxi и Pxv - инерционный и скоростной компоненты горизонтальной составляющей линейной нагрузки от волн, кН / м, определяемые по формулам:

Л,= “Р-£-л2-Ь2“^'0^Р<; (15)

Р»=\'Р-8-ъ ‘Ъ ‘ ^ , (16)

ЬХ1 и 8ХУ - коэффициенты сочетания инерционного и скоростного компонентов линейной нагрузки от волн, принимаемые по графикам (1 и 2 рис. 18 [4]) при значении

х

Х=1;

0*/ и 9ху - коэффициенты линейной нагрузки от волн, принимаемые по графикам а и б (рис. 4 [4]) при значениях относительной глубины

а

И ру - инерционный и скоростной коэффициенты формы преграды с попереч-

ным сечением в виде круга, эллипса и прямоугольника, принимаемые по графикам (рис. 17 [4]) при значениях а/Ь - для горизонтальной и Ь/а - вертикальной составляющих нагрузки.

Максимальную величину вертикальной составляющей линейной нагрузки от волн на горизонтальную обтекаемую преграду Рг тах, кН/м определяется из ряда величин, получаемых при различных значениях х, по формуле

^тах=^-5г(+^-5„, (17)

где Р2[ и Ргу - инерционный и скоростной компоненты вертикальной составляющей линейной нагрузки от волн, кН / м, определяемые по формулам:

Рг>=~Р-8-к2 'Ъ2 Р,; (18)

■Ь (19)

6г,- и 5гУ - инерционный и скоростной коэффициенты сочетания линейной нагрузки от волн, принимаемые по графикам (1 и 2

рис.23 [4]) при значении х = ;

К

б*/ и вХу - коэффициенты линейной нагрузки от волн, принимаемые по (графикам виг рис. 19 [4]) при значениях относи-

с1-2с

тельной глубины 2с,га ~~~д~ ■>

и - инерционный и скоростной коэффициенты формы преграды с поперечным сечением в виде круга, эллипса и прямоугольника, принимаемые по графикам (рис. 17 [4]) при значениях а/Ь - для горизонтальной и Ь/а - вертикальной составляющих нагрузки.

Значение горизонтальной Рх, кН/м или вертикальной Р2, кН/м, составляющих линейной нагрузки от волн на горизонтально обтекаемую преграду при любом ее расположении X относительно вершины волны определяется, соответственно, по формулам (14) и (17), при этом коэффициенты сочетания 5 * , 8 „ и 8 а. , 5 „ принимают по гра-

фикам (рис. 18 и 23 [4]) для заданного значения у ~ .

А К

Отсюда полная волновая нагрузка на наплавное сооружение равна

Р.=Р№-Ы, (20)

где Ы -ширина преграды, на которую действуют волны.

Силу от воздействия остановившегося ледяного поля, навалившегося на сооружение при действии течения воды и ветра Р„, МН, определяется по формуле [4]

р. = (/»ц + Р, + Р, + Р,а)-Л> (21)

в которой рц, ру, р1, ру_а, МПа, определяются по формулам:

Рц = 5-Ю-6у1х ; (22)

ру = 5-10 4 --.Ну™ • (23)

т

р, = 9,2-10 '3Л, ■/; (24)

Р»а =2.10 , (25)

где Ктах - максимальная скорость течения воды подо льдом 1 %-ной обеспеченности в период ледохода, м/с;

Ри-тах - максимальная скорость ветра 1 %-ной обеспеченности в период ледохода, м/с;

Ьт - средняя длина ледяного поля по направлению потока, принимаемая по данным натурных наблюдений, а при отсутствии для рек допускается принимать равной утроенной ширине реки, м;

г - уклон поверхности потока;

На - расчетная толщина льда, принимаемая равной для речного льда 0,8 от максимальной за зимний период толщины льда обеспеченность 1 %;

А - площадь ледяного поля, м2.

Вертикальную силу от примерзшего к сооружению ледяного покрова при изменении уровня воды рекомендуется определять по формуле [4]

(26)

где / - длина участка сооружения на уровне

действия льда, м;

^ =0,2-/-у. -м

V,/ - скорость понижения или повышения уровня воды, м/ч; и - время, в течение которого происходит деформация ледяного покрова при понижении или повышении уровня воды, ч; Атах - максимальная толщина ледяного покрова обеспеченностью 1 %, м;

Ф - безразмерная функция времени, определяемая по формуле 3-103

ф = 1 +------^+50.(1-^)], (27)

Л,

г|, - коэффициент вязкости льда, Мпа ч, определяемый по формулам: при /, £ -20" С

л, = (3,3 - 0,28 • /, + 0,083 • $) • 102; (28)

при / <-20“С

т], =(3,3-1,85-О-Ю2, (29)

/,• - температура льда, °С, определяемая по формуле

(зо)

где 1ь - начальная температура воздуха, °С, от которой начинается повышение; кге1 - относительная толщина ледяного покрова с учетом влияния снега, м; у - безразмерный коэффициент; г - интервал времени между двумя измерениями температуры воздуха, ч.

При работе наплавного сооружения имеют место силы лобового сопротивления потоку.

Обтекание цилиндрических тел большого удлинения потоком, направленным нормально к образующим тел, так называемым поперечным потоком (ф = 0), может приниматься плоским, так как большое удлинение тела позволяет пренебречь перетеканием жидкости по его торцам. Наиболее полные экспериментальные исследования симметричных цилиндров при плоском обтекании выполнены в работах [1, 7, 8]. Основным содержанием которых является определение сил лобового сопротивления и характеристик вихревого следа круглых цилиндров при различных режимах обтекания, а обобщенные их данные приведены на рис. 4.

10 102 103 104 10® 10® ю7

Ре

Рис.4 Зависимость коэффициента Сх и величины 1 / 57г для кругового цилиндра от Яе

Значения коэффициента Сх и Яе вычисляются по формулам[1]

V с

Ке = -^_; (31)

ЬХ

Сх~(р/2)-Ъ-Го' (32)

где Ув - скорость движения потока, м/с;

V - кинематическая вязкость, м2/с;

с - размер поперечного сечения цилиндрического тела по оси 0Х1, м;

АХ - сила лобового сопротивления, приходящаяся на единицу длины цилиндра, Н/м.

По числу Яе по графику определяется Сх, а по формуле(32) сила лобового сопротивления.

В специфике работы водохранилища имеет место изменения средней бытовой скорости по живому сечению потока на участке расположения запани, поэтому необходимо учитывать и эту особенность.

При внезапном изменении водопропускного отверстия, закрываемого щитовым затвором, скорость массы воды между затвором и фронтом волны изменяется ОТ У\ до У2 (рис. 5).

Рис. 5. Быстро изменяющееся равномерное поступательное движение

Сила, необходимая для изменения количества движения за единицу времени, равна произведению массы на изменение скорости за единицу времени

РЛ(У'-Уг)о2У (К-У,), (33)

ч

•у

где у - объемный вес воды, кг/м ;

Ув - скорость фронта волны, м/с;

Уи Уг - скорость в сечении до и после фронта волны, м/с;

©2 - площадь сечения до волнового фронта,м2.

Неуравновешенная сила равна разности гидростатических давлений на площади о>1 и &2 в сечениях 2 - 2 и 1 - 1, поэтому

Р = ушД-уюД, (34)

где ^ и к2 - глубины центров тяжести указанных площадей.

Поскольку

..У,о\ + К,ю2

У 2

СО,

то

V. =

(®Л-соД, %

/ \

Ю,

2 /

Скорость относительного странения волны С = Ув±У1 равна

(35)

(36)

распро-

С =

(<в2/ >2 -“А к

ш, га,

(37)

Из четырех теоретически возможных типов быстро изменяющегося неустановив-шегося движения выделен тип с наступающим фронтом волны, перемещающимся вверх по течению (рис. 6).

11,

VI

V-

11,

а

V,

С - V!

11,

\’в+\т2

11,

2

о

Рис.6. Наступающий фронт встречной волны: а - неустановившееся движение; б - в системе наблюдателя, связанного с фронтом волны

Скорость волны в этом случае равна

К=С-У,. (38)

Тогда с учетом (38) формула (10) примет вид

Рд= 20,5РР>»2-^:), (39)

где V - средняя бытовая скорость по живому сечению потока на участке расположения запани, м/с; у„ - скорость встречной волны, м/с.

Таблица 2

Месяцы 1 2 3 4 5 і 6 7 8 9 10 11 12

Коэффициенты а = 0 в = 1 с = 1 в = 0 а = 1 с= 1 с = 0 а= 1 в = 1 в = 0 а= 1 с = 1 а = 0 в = 1 с = 1

Определив все составляющие формулы (12) задаем граничные условия, учитывая при этом, что запань работает круглый год и нагрузки на наплавное сооружение за сезон будут различные.

Вводим коэффициенты сезонности, которые приведены в табл.2

С учетом коэффициентов сезонности формула (12) примет вид

=а-Ь-Рй + а-Ь-Р +

+ а • с ■ F+ а ■ Ъ ■ АХ + с ■ F,.

(40)

Окончательно в расчетах несущих элементов конструкции наплавного сооружения принимается пиковая нагрузка, которая будут иметь место в тех или иных производственных условиях в течение года.

Расчетное натяжение лежня [2] определяется по формуле

Т ■

К-Р

(41)

где К - коэффициент запаса прочности, а длина лежня

5 = 1,23-6,

(42)

где Ь - средняя ширина реки в пределах расчетной длины пыжа Ьр, м;

При расположении лежня в две ветви натяжение верхней ветви лежня определяется по формуле [67]

0 7*

Т = Т(^~)

a + t_

(43)

а натяжение нижней ветви лежня по формуле

• Г(а + 0>3*»)

a + t.

(44)

где tn - подводная толщина пыжа, м;

а - возвышение верхней ветви над водой, м.

Расчетное натяжение в подвесках (стропах) определяется по формуле

Тп = 0,2\рд1п, (45)

где 1„ - расстояние между подвесками, м;

Р

Рд = ~ давление пыжа на 1 пог. м

Ъ

ширины лесохранилища.

Длина подвесок определяется по формуле

5 = 1,57(*„+а). (46)

По полученным значениям Тв, Тн, Т„ и действующим ГОСТам подбирают канаты для лежня и подвесок по разрывному усилию.

Для сетчатой запани при расположении тросов лежня в две ветви (верхнюю,

идущую по понтонам, и нижнюю, располо-

женную под водой и соединенную с верхней подвесками) натяжение в обеих и размеры канатов определяют раздельно.

1.

2.

3.

4.

5.

7.

Список литературы

Девнин С.И. Аэрогидромеханика плохообтекаемых конструкций: Справочник. - М.: Судостроение, 1983 - 320 с.

Инструкция по проектированию лесосплавных предприятий. ВСН4 -78 Минлеспром СССР. - Л.: Гипролестранс, 1979. - 294 с.

Инструкция по изысканиям, проектированию, строительству, монтажу и эксплуатации запаней. - М.: Лесная пром-сть,1971. - 104 с.

СНиП 2.06.04-82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов) / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. - 40 с.

ЦНИИ лесосплава // Тр. ин-та / Запани и боны. -Л., 1936.

ЦНИИ лесосплава // Тр. ин-та / Лежневые запани. -Л., 1937.

Delany N.K, Sorensen N.E, Low-Speed Drag of Cylinders of Various Shapes. - NACA, Wash, Techn., Note 3038,1953.

Polhamus E.C., Geller E.W., Grunwald K.L.Pressure and Force Characteristics of Noncircular Cylinders as Affected by Reynolds Number with a Method Included for Determining the Potential Flow about Arbitrary Shapes. - Tech. Report R-46, Langley Research Center.