Ускорение наполнения и опорожнения шлюзов со сберегательными бассейнами

Продолжительность наполнения-опорожнения камеры (выравнивания уровня воды в камере с уровнем воды в бьефе) в шлюзе с традиционными сберегательными бассейнами обычно больше, если сравнивать его со шлюзом такого же напора, без бассейнов. Время наполнения-опорожнения увеличивается из-за маневрирования затворами галерей бассейнов и меньших действующих напоров между камерой, бассейнами и бьефами, а также расходов воды в случае, если у обоих типов шлюзов одинаковое сечение водопроводных галерей.

В процессе проектирования, строительства и эксплуатации шлюзов со сберегательными бассейнами разрабатывались мероприятия, направленные на уменьшение продолжительности процессов наполнения и опорожнения их камер. Из этих мероприятий можно выделить основные шесть.

    Мероприятие первое - увеличение пропускной способности водопроводных галерей шлюзов со сберегательными бассейнами по сравнению со шлюзами без бассейнов.

    Для обеспечения одинакового времени, затрачиваемого на наполнение камер шлюзов с бассейнами и без них, согласно Б. Д. Качановского соотношение пропускных способностей водопроводных галерей шлюзов должно быть  без учета продолжительности маневрирования затворами:

 

(1.23)

 

где:  - коэффициент расхода системы питания шлюза со сберегательными бассейнами;

 - площадь водопроводной галереи шлюза со сберегательными бассейнами;   - коэффициент расхода для системы питания шлюза без бассейнов;

 - площадь водопроводной галереи шлюза без бассейнов;

 - число сберегательных бассейнов;

;  - площадь зеркала сберегательного бассейна;  - площадь зеркала камеры шлюза.

    Анализ зависимости (1.23) показывает, что соотношение  увеличивается с ростом числа сберегательных бассейнов (рис 1.10. а). Зависимость  существенна до значений .

 

                           а                                                            б

Рис. 1.10. Графики зависимостей: а - ; б -

 

    Уменьшение начального напора приводит к уменьшению расходов воды, поступающих в камеру или забираемых из нее. Увеличение пропускной способности галерей сберегательных бассейнов можно достичь за счет увеличения площади водопроводных галерей.

Начальный напор при наполнении или опорожнении сберегательного бассейна может быть определен по зависимости:

 

,

(1.24)

 

где:  - начальный напор при наполнении камеры из бассейна или опорожнения из камеры в бассейн;  - полный напор на камеру шлюза.

    Графики зависимости безразмерной характеристики  от напора  для различного числа сберегательных бассейнов и различных значениях  приведены на рис. 1.10 б.

    Напор, под действием которого происходит донаполнение камеры из верхнего бьефа или доопорожнение в нижний бьеф, может быть определен по той же зависимости (1.24), что и для определения напора для бассейна.

    Зависимость 1.23 дает возможность приближенно определить пропускную способность водопроводных галерей шлюзов со сберегательными бассейнами. Более точное значение  можно установить только при рассмотрении реальных конструкций систем питания, учете продолжительности маневрирования затворами и условий стоянки шлюзуемых судов.

    Второе мероприятие заключается в прерывании связи между камерой и сберегательным бассейном при некотором остаточном напоре. Работа сооружения в этом случае может быть представлена схемой на рис. 1.11. При наполнении камеры слой воды  переливается в камеру из первого бассейна.

В момент прекращения связи первого бассейна и камеры уровень воды в бассейне остается выше уровня воды в камере на величину остаточного напора d. Слой  переливается в камеру из второго бассейна. Связь между ними прекращается при разности уровней d. Недостающий слой  забирается из верхнего бьефа.

        

Рис. 1.11 Схема работы шлюза со сберегательными бассейнами

при остаточных напорах

а – наполнение камеры; б – опорожнение камеры.

 Опорожнение камеры производится обратным перепуском воды из камеры в бассейны 2 и 1 с остаточными напорами d. Слой  сливается в нижний бьеф.

    Процент сбережения воды с применением данной схемы при одинаковых начальных и остаточных напорах для всех бассейнов определится следующим образом

;

(1.25)

где: , вместо:

(1.26)

    для случая наполнения и опорожнения сберегательных бассейнов без остаточных напоров.

На рис.1.12. представлены графики зависимости сбережения воды от величины отношения остаточного напора к начальному напору между сберегательным бассейном и камерой или обратно для различных отношений площади камеры к площади бассейна и числа бассейнов.

, ;

где:  - коэффициент сбережения воды,

,  - площадь зеркала, соответственно, бассейна и камеры,

п – количество бассейнов, d – остаточный напор,  - начальный напор при наполнении камеры из бассейна или опорожнения из камеры в бассейн.

    Продолжительность выравнивания уровней воды в камере и сберегательном бассейне приближенно можно определить по зависимости:

 

.

(1.27)

 

где - напор, при котором происходит опорожнение или наполнение сберегательного бассейна;

, - соответственно, продолжительность открытия и закрытия затвора в галерее, соединяющей сберегательный бассейн с камерой;

- коэффициент расхода водопроводной галереи, соединяющей сберегательный бассейн с камерой, переменный при изменении степени открытия затвора от 0 до 1.

 

    Рис. 1.12. Графики зависимости  при ,

        

Зависимость для определения времени, в течение, которого выравнивается уровень воды в камере или с уровнем верхнего бьефа при наполнении или с уровнем нижнего бьефа при опорожнении шлюза выглядит следующим образом.

 

,

(1.28)

 

где: - напор, при котором происходит доопорожнение или донаполнение камеры;

 - продолжительность открытия затвора в галерее, соединяющей камеру с бьефом.

   При небольших значениях остаточных напоров применение этого способа дает незначительное уменьшение продолжительности процессов наполнения и опорожнения камер шлюзов со сберегательными бассейнами. Для его большей эффективности необходимо увеличивать остаточные напоры, что приведет, однако к снижению процента сбережения воды.

    Третье мероприятие - применение больших остаточных напоров, при которых прекращается связь камеры со сберегательными бассейнами, с устройством дополнительного числа сберегательных бассейнов.

    На рис. 1.13 а, представлен шлюз с двумя бассейнами, опорожнение и наполнение которых происходит без применения остаточного напора. Сбережение воды в этом случае составляет 50% от объема всей сливной призмы. Начальный напор для каждого из бассейнов равен .

При замене двух сберегательных бассейнов тремя с соблюдением равенства суммарных объемов воды в них (рис.1.13б), начальные напоры становятся равными , а остаточные . Процент сбережения остается прежним.

    Предлагаемое мероприятие позволяет с заданным процентом сбережения воды уменьшить продолжительность наполнения и опорожнения камеры шлюза, но требует увеличения затрат на сооружение дополнительного сберегательного бассейна.

Рис. 1.13 Схема наполнения камеры шлюза со сберегательными бассейнами при 50% сбережения воды а – наполнение из двух х бассейнов; б – наполнение из трех бассейнов.

           В качестве четвертого мероприятия предлагается использовать совмещенный график наполнения или опорожнения камеры. В этом случае связь с последующим сберегательным бассейном устанавливается еще до прекращения связи с предыдущим.

    На рис 1.14, а представлены схема работы бассейнов и графики маневрирования затворами при наполнении камеры шлюза.

Промежуток времени   соответствует наполнению камеры только из первого сберегательного бассейна. В камеру переливается объем . После этого подключается второй сберегательный бассейн и за промежуток времени  в камеру поступает объем  одновременно из двух бассейнов. За время  опорожняется только второй сберегательный бассейн и объем воды в камере увеличивается на величину .

    Далее следует одновременное наполнение камеры из второго сберегательного бассейна и из верхнего бьефа. За промежуток времени  в камеру перетекает объем частьюиз второго бассейна и частью из верхнего бьефа. Донаполнение камеры объемом  осуществляется из верхнего бьефа на протяжении времени .

    На рис. 1.14, б приведены аналогичные схемы процесса опорожнения камеры. За время  во второй сберегательный бассейн перетекает только объем . За время  из камеры вытекает объем воды , во второй и первый сберегательные бассейны.Объем   перемещается в первый сберегательный бассейн, так как на протяжении времени   открыт затвор только водопроводной галереи этого бассейна. За время  камера опорожняется одновременно в первый сберегательный бассейн и в нижний бьеф. Объем воды в ней уменьшается на величину _. Оставшийся объем  сбрасывается в нижний бьеф за время .

Наиболее ощутимый эффект от применения данной меры достигается за счет увеличения остаточных напоров. До настоящего времени на практике это не применялось для повышения эффективности использования сберегательных бассейнов, что обусловлено отсутствием опыта и неопределенностью представления о процессах, которые происходят в галереях системы питания.

Использование совмещенного графика возможно только при разработке дополнительных мероприятий по безопасной работе шлюза.

Рис 1.14. Схема работы шлюза со сберегательными бассейнами при совмещенной схеме маневрирования затворами

    Таких, как устройство аварийных затворов на случай выхода из строя основных и аварийных водосбросов с дополнительными галереями для предотвращения перенаполнения сберегательных бассейнов.

   Для закрытых бассейнов наполнение их выше расчетного уровня чревато дополнительными нагрузками на несущие конструкции, что может привести к возникновению аварийных ситуаций.

   Результаты проведенных расчетов процессов наполнения и опорожнения шлюза с закрытыми и открытыми сберегательными бассейнами по совмещенной схеме маневрирования затворами показали, что имеется возможность сокращения продолжительности этих процессов.

 На рис. 1.15 приведены графики, отображающие процесс наполнения камеры шлюза с открытыми сберегательными бассейнами Генрихенбург (рис.1.4) при последовательном и совмещенном маневрировании затворами.

   Применение совмещенного графика маневрирования затворами привело к сокращению времени при наполнении камеры шлюза примерно на 10% или на 75 секунд.

   Пятое мероприятие является комбинированным и объединяет третье и четвертое. Впервые такой способ уменьшения затрат времени при наполнении камеры шлюза со сберегательными бассейнами был предложен инженером Пумбергером в 1906 году.

Предлагалось заменить два сберегательных бассейна тремя бассейнами с той же суммарной емкостью и применить совмещенный график маневрирования затворами галерей питания шлюза.

В 1910 году Беерхаузом был предложен способ расчета гидравлических характеристик наполнения (опорожнения) камеры для представленной схемы. Однако в расчетах не учитывались силы инерции воды в галереях и продолжительность маневрирования затворами.

   Результаты расчетов были получены для следующих четырех случаев:

1. Опорожнение камеры осуществляется без участия бассейнов только в нижний бьеф под действием всего напора, равного 12 м. Продолжительность опорожнения - 350 секунд.

2. Опорожнение камеры происходит сначала в два сберегательных бассейна при начальных напорах 6 м до полного выравнивания уровней. Продолжительность опорожнения всей камеры без совмещения графиков, сначала в бассейны, а затем в нижний бьеф составляет 490 секунд.

 

 

Рис. 1.15. Результаты расчетов шлюза с двумя сберегательными бассейнами Генрихенбург

 

а – наполнение камеры по последовательной схеме; б – наполнение камеры по совмещенной схеме

 

       

3. Два бассейна заменяются тремя той же суммарной емкостью с начальным напором по 5 м, а остаточными по 1 м. Процесс опорожнения осуществляется по последовательной схеме включения в работу сберегательных бассейнов и длится 430 секунд.

4. Для трех сберегательных бассейнов и нижнего бьефа применяется совмещенный график маневрирования затворами галерей (способ Пумбергера). Продолжительность опорожнения камеры составляет 350 секунд.

При проектировании шлюзов со сберегательными бассейнами иногда возникает необходимость устраивать последние с обеих сторон камеры попарно на разной высоте. Описание таких конструкций шлюзов приведено в п. 3.1.

   Для такого расположения сберегательных бассейнов может быть использовано комплексное шестое мероприятие по сокращению времени наполнения или опорожнения камеры шлюза с сохранением заданного процента сбережения воды.

 Мероприятие включает в себя: изменение высотного положения сберегательных бассейнов, увеличение пропускной способности галерей и использование совмещенного графика маневрирования затворами.

   Изменение высотного положения сберегательных бассейнов предусматривает их расположение с двух сторон камеры с некоторым смещением по высоте (рис.1.16). При этом начальный напор наполнения или опорожнения сберегательных бассейнов определяется по зависимости:

,

(1.29)

 

а остаточный напор по формуле:

(1.30)

 

   Следует отметить, что смещение по высоте сберегательных бассейнов, располагавшихся попарно на одном уровне, позволяет несколько уменьшить начальный напор между камерой и бассейнами.

   Уменьшение начального напора и фактическое уменьшение вдвое площади бассейна делает возможным увеличение пропускной способности водопроводных галерей, соединяющих бассейны и камеру, по волновым условиям в камере.

   Остаточные напоры обеспечиваются при совмещенном графике маневрирования затворов галерей.

   Эффективность рассмотренного мероприятия подтверждена расчетами наполнения камеры шлюза со сберегательными бассейнами, расположенными попарно (рис. 1.16, а) и с некоторым смещением по высоте (рис. 1.16, б), с применением последовательной и совмещенной схемы маневрирования затворами.

Результаты расчетов и описание расчетных схем представлены в таблице 1.1. и в графическом виде на рис. 1.17 - 1.24 (а – графики изменения уровней; б – график изменения расхода воды; в – график движения затворов).

Анализируя результаты расчетов, можно сделать вывод о том, что наполнение камеры из сберегательных бассейнов, расположенных с двух сторон камеры попарно (на одном уровне), сопровождается большими скоростями течения на выходе из распределительной галереи.

Наличие существенных выходных скоростей течений вызывает ухудшение условий стоянки судов, снижая безопасность процесса шлюзования.

Устранить отмеченное негативное явление можно несколькими способами:

· уменьшить площадь подводящих галерей (изменив конструкцию системы питания);

· увеличить продолжительность открытия затворов (уменьшив подаваемый в камеру расход воды).

Однако оба мероприятия приводят к увеличению времени наполнения камеры.

Уменьшения выходных скоростей без увеличения времени шлюзования можно добиться изменением высотного положения сберегательных бассейнов. В этом случае сберегательные бассейны располагаются не попарно (рис. 1.16. а), а с некоторым смещением относительно друг друга (рис. 1.16. б), что приводит к некоторому уменьшению начального напора из бассейнов и появлению остаточного напора.   Наличие остаточных напоров позволяет применить совмещенную схему наполнения камеры.

 Данное мероприятие дает возможность подавать воду в камеру шлюза в течение всего процесса наполнения практически с постоянным расходом (рис. 1.24).

Перечисленные изменения позволяют не только улучшить условия шлюзования, но и уменьшить продолжительность процессов наполнения и опорожнения камеры шлюзов со сберегательными бассейнами (рис. 1.24).

В заключение следует отметить, что для выбора оптимальной системы питания шлюза со сберегательными бассейнами и назначения режима наполнения камеры, обеспечивающих нормативные условия стоянки шлюзуемых судов, необходимо рассмотреть последовательно перечисленные в табл. 1.2 мероприятия.

а	б
Рис. 1.16. Схема наполнения камеры шлюза с парными сберегательными бассейнами по последовательной схеме а - парные сберегательные бассейны расположены на одинаковых отметках;  б - сберегательные бассейны смещены по высоте

 

 

Таблица 1.1
Результаты гидравлических расчетов наполнения камеры шлюза со сберегательными бассейнами (СБ)
Описание расчетной схемы			Схема наполнения камеры шлюза		Начальный напор, м				Остаточный напор из бассейнов, м	Сбережение воды, %	Площадь сечения водопроводной галереи, м2		Продолжительность наполнения камеры шлюза, с
					из бассейнов			из бьефа			из бассейнов	из бьефа
1			2		3			4	5	6	7	8	9
1. Наполнение осуществляется из восьми СБ, расположенных попарно (рис. 1.16 а). Гидравлические характеристики и графики движений затворов представлены на рис. 1.17. Такая схема позволяет при расчете заменить рассматриваемый шлюз шлюзом с четырьмя бассейнами с удвоенной площадью зеркала.			последовательная		4,00			4,00	0,00	66,7	6,00	12,00	836
2. Наполнение осуществляется из восьми СБ, расположенных с некоторым смещением по высоте (рис. 1.16 б). Гидравлические характеристики и графики движений затворов представлены на рис. 1.18. Максимальные суммарные расходы воды, поступающие в камеру, значительно меньше полученных по схеме 1.			последовательная		3,50			4,00	0,50	66,7	6,00	12,00	1187
Продолжение табл. 1.1.
1			2				3	4	5	6	7	8	9
3. Наполнение осуществляется из восьми СБ, расположенных с некоторым смещением по высоте (рис. 1.16 б). Гидравлические характеристики и графики движений затворов представлены на рис. 1.19.			последовательная				3,50	4,00	0,50	66,7	12,00	12,00	930
4. Наполнение осуществляется из восьми СБ, расположенных с некоторым смещением по высоте (рис. 1.16 б). Гидравлические характеристики и графики движений затворов представлены на рис. 1.20. Значительно уменьшаются амплитуды колебаний суммарного расхода.			совмещенная				3,50*	**	**	66,7	12,00	12,00	713
5. Наполнение осуществляется из восьми СБ, расположенных попарно (рис. 1.16 а). Гидравлические характеристики и графики движений затворов представлены на рис. 1.21. Такая схема позволяет при расчете заменить рассматриваемый шлюз шлюзом с четырьмя бассейнами с удвоенной площадью зеркала.			последовательная				4,16	4,68	0,50	61,0	6,00	12,00	803
Окончание табл. 1.1.
1				2			3	4	5	6	7	8	9
6. Наполнение осуществляется из восьми СБ, расположенных попарно (рис. 1.16 а). Гидравлические характеристики и графики движений затворов представлены на рис. 1.22. Такая схема позволяет при расчете заменить рассматриваемый шлюз шлюзом с четырьмя бассейнами с удвоенной площадью зеркала.				совмещенная			4,16*	**	**	61,0	6,00	12,00	705
7. Наполнение осуществляется из восьми СБ, расположенных с некоторым смещением по высоте (рис. 1.16 б). Гидравлические характеристики и графики движений затворов представлены на рис. 1.23. Значительно уменьшаются амплитуды колебаний суммарного расхода.				совмещенная			3,75*	**	**	61,0	6,00	12,00	724
8. Наполнение осуществляется из восьми сберегательных бассейнов, расположенных с некоторым смещением по высоте (рис. 1.16 б). Гидравлические характеристики и графики движений затворов представлены на рис. 1.24. Значительно уменьшаются амплитуды колебаний суммарного расхода.				совмещенная			3,75*	**	**	61,0	12,00	12,00	683
Примечание: * только для начала наполнения из первого бассейна, ** устанавливается в результате расчета.
Рис. 1.17. Результаты расчета наполнения камеры шлюза по последовательной схеме из сберегательных бассейнов, расположенных попарно						Рис. 1.18. Результаты расчета наполнения камеры шлюза по последовательной схеме из восьми сберегательных бассейнов
Рис. 1.19. Результаты расчета наполнения камеры шлюза по последовательной схеме из восьми сберегательных бассейнов с удвоенной площадью подводящих галерей							Рис. 1.20. Результаты расчета наполнения камеры шлюза по совмещенной схеме из восьми сберегательных бассейнов с удвоенной площадью подводящих галерей (  м)
Рис. 1.21 Результаты расчета наполнения камеры шлюза с остаточным напором по последовательной схеме из восьми сберегательных бассейнов расположенных попарно							Рис. 1.22. Результаты расчета наполнения камеры шлюза по совмещенной схеме из восьми сберегательных бассейнов расположенных попарно
Рис. 1.23. Результаты расчета наполнения камеры шлюза по совмещенной схеме из восьми сберегательных бассейнов							Рис. 1.24. Результаты расчета наполнения камеры шлюза по совмещенной схеме из восьми сберегательных бассейнов с удвоенной площадью подводящих галерей (  м)
Таблица 1.2.
МЕРОПРИЯТИЯ ПО СОКРАЩЕНИЮ ВРЕМЕНИ НАПОЛНЕНИЯ И ОПОРОЖНЕНИЯ КАМЕР ШЛЮЗОВ СО СБЕРЕГАТЕЛЬНЫМИ БАССЕЙНАМИ (СБ)
№ п/п	Название	Краткое описание					Преимущества			Недостатки		Примечания
1	2	3					4			5		6
1	Увеличение пропускной способности подводящих галерей системы камера-СБ	Обычный шлюз с наполнением из верхнего бьефа и опорожнением в нижний бьеф заменяется шлюзом со СБ. Увеличивается длина и площадь водопроводных галерей.					Уменьшаются суммарные расходы воды из-за понижения начальных – напоров, что приводит к улучшению условий шлюзования.			Введение СБ приводит к усложнению системы питания и удорожанию сооружения.		Необходимо рассматривать п. 1 при сравнении шлюзов с бассейнами и без них.
2	Работа шлюза с использованием  остаточных напоров	Связь камеры со СБ и с бьефом прерывается при некотором остаточном напоре из-за малых расходов воды и медленного изменения уровня в конце процесса в дальнейшем.					Не требует изменения конструкции шлюза и замены механического оборудования галерей.			Уменьшается процент сбережения воды.		Может использоваться на существующих шлюзах со СБ. Эффективно увеличение остаточных напоров.
3	Устройство дополнительного СБ без изменения процента сбережения	Связь камеры со СБ прекращается при значительном остаточном напоре, но при этом добавляется бассейн.					Уменьшение максимальных расходов воды в связи с уменьшением начальных напоров наполнения и опорожнения камеры в СБ.			Увеличение затрат, связанных со строительством дополнительного СБ.		Может быть применено только для нового строительства.
Окончание табл. 1.2.
1	2	3					4			5		6
4	Совмещенный график наполнения и опорожнения камеры	Связь с последующим сберегательным бассейном устанавливается еще до прекращения связи с предыдущим.					Не требует изменения конструкции шлюза и замены механического оборудования галерей.			Сложный график маневрирования затворами. Необходимость аварийного сброса лишней воды из СБ в случае нарушения режима питания камеры шлюза.		Применимо к существующим шлюзам. Наиболее эффективно при совместном применении с п.2.
5	Совмещенный график наполнения и опорожнения камеры с устройством дополнительного СБ (способ Пумбергера).	Устраиваются дополнительные СБ с сохранением заданного процента сбережения воды. Связь камеры с бассейном и бьефом прерывается при некоторых остаточных напорах.					Увеличиваются затраты из-за устройства дополнительного СБ.					Может быть применимо только для новых шлюзов.
6	Изменение высотного положения сберегательных бассейнов с сохранением заданного процента сбережения воды.	Предусматривает расположение сберегательных бассейнов не попарно с двух сторон камеры, а с некоторым смещением по высоте, что приводит к уменьшению начальных и появлению остаточных напоров.					Достигается равномерное изменение уровня воды в камере за счет малых колебаний суммарных расходов в течение почти всего процесса наполнения и опорожнения камеры.					Применимо только для новых шлюзов. Наиболее эффективно при совместном применении с мероприятиями п.1 и п.4.