Плавучий затвор судопропускного сооружения (батопорт)

Изобретение относится к области комплексов защитных от наводнений гидротехнических сооружений и предназначено для создания плавучего затвора судопропускного сооружения. Плавучий затвор включает закрывающиеся вертикально установленные механизированные ворота со створками, поверхность днища у которых по ширине створки имеет ломаную форму, характеризующуюся входным горизонтальным участком со стороны верхнего бьефа и примыкающим к нему со стороны нижнего бьефа под тупым углом наклонным, отклоняющимся вверх, выходным участком поверхности. В нижней части затвора на его входном горизонтальном участке имеется щиток. На наклонном выходном участке поверхности днища вдоль длины створки установлена наделка произвольной формы в поперечном сечении, у которой крайняя нижняя точка находится по высоте на уровне не выше 0,1 ширины створки ворот у ее днища над уровнем горизонтального участка поверхности днища, а по ширине створки на уровне, отстоящем от начала наклонного участка не ближе 0,4 длины этого участка. В районе нижней оконечности наделки вдоль длины створки может быть установлен второй щиток, нижняя кромка которого находится на уровне нижней кромки щитка, установленного в пределах входного горизонтального участка поверхности днища. Изобретение обеспечивает устранение вертикальных автоколебаний плавучего затвора судопропускного сооружения, возникающих в процессе погружения затвора для посадки на порог судопропускного сооружения в условиях наличия перепада уровней воды в акватории со стороны верхнего и нижнего бьефов, для повышения безопасности его эксплуатации. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области гидротехнических сооружений плотин комплексов защитных сооружений от наводнений и касается вопросов создания плавучего затвора судопропускного сооружения (батопорта).

Известен плавучий затвор судопропускного сооружения, включающий закрывающиеся вертикально установленные механизированные ворота со створками, поверхность днища у которых по ширине створки имеет ломаную форму, характеризующуюся входным горизонтальным участком со стороны верхнего бьефа и примыкающим к нему со стороны нижнего бьефа под тупым углом наклонным, отклоняющимся вверх, выходным участком поверхности, причем в нижней части затвора в начале горизонтального участка имеется щиток (см. Селезнев С.В, Лохматиков Г.П. Поверхностные затворы больших пролетов судопропускных сооружений, шлюзов и доков. Санкт-Петербург, ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, Санкт-Петербургское отделение, 1995, стр.657), принятый за прототип.

Недостатком такого плавучего затвора является то, что при наличии перепада уровней воды в акваториях со стороны верхнего и нижнего бьефов, возникающего при наводнении из-за нагонного течения, в процессе погружения для посадки на порог судопропускного пути этот затвор (батопорт) может оказаться в опасном режиме потери устойчивости вертикального движения, которая проявляется в возникновении интенсивных автоколебаний, сопровождающихся ударами днища створок ворот о дно. Это приведет к разрушению батопорта и повреждению порога судопропускного пути.

Причиной возникновения опасных автоколебаний батопорта-прототипа является принятая форма обводов его шпангоутных сечений. Сочетание горизонтального входного участка днища и выходного отклоняющегося вверх участка приводит к тому, что при наличии потока под днищем, обусловленного перепадом уровней воды, вертикальные перемещения батопорта сопровождаются возникновением на наклонном участке днища компонента вертикальной силы, направленной по скорости перемещения. При величине перепада уровня воды, возникающего при нагонном течении, эта компонента силы может оказаться больше силы демпфирования перемещения батопорта, что приведет к потере устойчивости батопорта и к возникновению интенсивных вертикальных колебаний.

Указанная причина возникновения колебаний связана с конструкцией поверхности днища со стороны нижнего бьефа. Вместе с тем выбранное на батопорте соединение поверхности передней грани с горизонтальным участком днища практически под прямым углом приводит, как установлено опытами, к появлению в районе входа потока под горизонтальный участок днища топящей силы. Это обстоятельство дополнительно способствует потере устойчивости батопорта.

Кроме того, при колебаниях батопорта происходят пульсации потока воды, вытекающего из-под батопорта и поднимающегося к свободной поверхности. Такие пульсации потока вызывают расходящиеся волны, причем гидродинамические давления на наклонном участке днища, обусловленные этими волнами, как установлено, вызывают появление компонента вертикальной силы, приводящего к увеличению интенсивности автоколебаний.

Испытания модели батопорта-прототипа подтвердили факт наступления автоколебаний при перепадах уровней воды, возникающих обычно при наводнении, и показали, что устойчивое погружение возможно лишь при отсутствии указанного перепада уровней воды. Поэтому такой батопорт плохо приспособлен для использования в комплексе защиты от нагонного течения.

Судоходство не должно прерываться без крайней необходимости, поэтому проходящий через дамбу (плотину) судоходный путь обычно постоянно открыт, а затворы должны перекрывать этот путь лишь при возникновении угрозы наводнения в самый последний момент. В связи с этим постановка батопорта на порог судопропускного пути происходит в условиях нагонного течения, вызывающего значительный перепад уровней воды между бортами батопорта, а при этом возникают интенсивные вертикальные колебания, которые приводят к его разрушению.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение вертикальных автоколебаний плавучего затвора судопропускного сооружения (батопорта), возникающих в процессе погружения для посадки на порог судопропускного сооружения в условиях наличия перепада уровней воды в акваториях со стороны верхнего и нижнего бьефов, для обеспечения безопасности его эксплуатации.

Для этого в известном плавучем затворе на наклонном выходном участке поверхности днища вдоль длины створки установлена наделка произвольной формы в поперечном сечении, у которой крайняя нижняя точка находится по высоте, по крайней мере, на уровне не выше 0.1 ширины створки ворот у ее днища над уровнем горизонтального участка поверхности днища, а по ширине створки - на уровне, отстоящем от начала наклонного участка не ближе 0.4 длины этого участка.

Кроме того, щиток расположен от начала входного горизонтального участка на расстоянии не менее 0.1 длины этого участка.

Кроме того, нижняя кромка щитка находится ниже уровня горизонтального участка не менее чем на 0.1 длины горизонтального участка.

Наряду с этим, в районе нижней оконечности наделки вдоль длины створки установлен второй щиток.

При этом нижняя кромка второго щитка находится на уровне нижней кромки щитка, установленного в пределах входного горизонтального участка поверхности днища.

Кроме того, щиток, установленный в пределах входного горизонтального участка поверхности днища, выполнен из гибкого упругого материала.

А также второй щиток в районе нижней оконечности наделки выполнен из гибкого упругого материала.

Установка наделки на наклонном выходном участке поверхности днища створок позволяет:

- исключить в пределах наклонного участка течение потока, обусловленного перепадом уровней воды, наверх и придать ему при выходе из-под батопорта направление движения вдоль дна. Благодаря чему коренным образом уменьшается амплитуда давлений на наклонном участке днища, связанных с энергией потока, и как результат этого - амплитуда вертикальной силы, направленной по направлению вертикального перемещения батопорта;

- уменьшить вследствие обусловленного наделкой увеличения гидравлического сопротивления расход воды, вытекающей из-под батопорта, и тем самым уменьшить воздействие потока на батопорт, которое могло бы привести к его раскачке;

- увеличить вследствие придания батопорту формы плохо обтекаемого тела демпфирование его вертикальных колебаний, что снижает возможность возникновения автоколебаний.

Высота наделки, установленной на наклонном участке поверхности днища, выбирается из условия обеспечения потоку, вытекающему из-под батопорта, направления движения вдоль дна.

Положение нижней точки наделки по ширине створки, отстоящей от начала наклонного участка не ближе 0.4 длины этого участка, выбирается из условия создания эффекта лабиринтного уплотнения для увеличения гидравлического сопротивления обусловленному перепадом уровней воды потоку, протекающему под створками ворот батопорта. Благодаря чему из-за уменьшения скорости потока и, соответственно, расхода воды, вытекающей из-под батопорта, снижается интенсивность волнового движения около него. Это обуславливает уменьшение возможности наступления автоколебаний.

Установка щитка на входном горизонтальном участке днища, а также второго щитка в районе нижней оконечности наделки наклонного участка днища приводит к дополнительному увеличению гидравлического сопротивления потоку, протекающему под створками ворот батопорта, что обуславливает уменьшение скорости потока и, соответственно, расхода воды, вытекающей из-под него. Это, вызывая снижение волнового движения около батопорта, способствует уменьшению возможности наступления автоколебаний.

Положение нижней оконечности второго щитка в районе нижней оконечности наделки по отношению к нижней кромке щитка, установленного в пределах входного горизонтального участка поверхности днища, выбирается из условия обеспечения одновременности соприкосновения щитков с порогом судопропускного сооружения при погружении на порог судопропускного сооружения. Благодаря чему уменьшается возможность появления на наклонном участке поверхности днища компонента вертикальной силы, совпадающего по фазе со скоростью перемещения батопорта, который может привести к возникновению автоколебаний.

Выполнение щитков из гибкого упругого материала обеспечивает при погружении батопорта наиболее плотное перекрытие зазора между его днищем и порогом судопропускного сооружения, а при контакте с порогом позволяет иметь возможность деформироваться в вертикальной плоскости и тем самым не препятствовать посадке батопорта на порог судопропускного сооружения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено поперечное (шпангоутное) сечение батопорта-прототипа, на фиг.2 - поперечное (шпангоутное) сечение батопорта с предложенной формой днищевой поверхности, на фиг.3 - результаты испытаний модели батопорта, на фиг.4 - экспериментальные данные по влиянию на размахи автоколебаний модели батопорта положения крайней нижней точки наделки по длине наклонного участка L₁, приведенные в виде отношения L₁ к длине наклонного участка L₂, на фиг.5 - экспериментальные данные по влиянию на размахи автоколебаний модели батопорта положения крайней нижней точки наделки над уровнем горизонтального участка поверхности днища h_н, приведенные в виде отношения h_н к ширине нижней части створки В_ств.

Плавучий затвор судопропускного сооружения (батопорт) (фиг.1, 2) имеет ворота, состоящие из створок 1, у которых поверхность днища имеет ломаную форму по ширине створки, характеризующуюся входным горизонтальным участком 2 со стороны верхнего бьефа и примыкающим к нему со стороны нижнего бьефа под тупым углом наклонным, отклоняющимся вверх, выходным участком 3 поверхности. На наклонном выходном участке 3 поверхности днища вдоль длины створки 1 установлена наделка 4 произвольной формы в поперечном сечении, у которой крайняя нижняя точка находится по высоте, по крайней мере, на уровне не выше 0.1 ширины створки ворот у ее днища над уровнем горизонтального участка 2, а по ширине створки - на уровне, отстоящем от начала наклонного участка 3 не ближе 0.4 длины этого участка (фиг.2). В пределах входного горизонтального участка 2 поверхности днища на расстоянии от начала участка не менее 0.1 длины этого участка вдоль длины створки установлен щиток 5, нижняя кромка которого находится ниже уровня горизонтального участка 2 не менее чем на 0.1 длины этого горизонтального участка. В районе нижней оконечности наделки 4 вдоль длины створки установлен второй щиток 6, нижняя кромка которого находится на уровне нижней кромки щитка 5, установленного в пределах входного горизонтального участка 2 поверхности днища.

Устройство работает следующим образом.

Поток, возникающий из-за перепада уровней воды между бортами батопорта со стороны верхнего и нижнего бьефов акваторий, на участке днища с наклонной поверхностью, на котором установлена наделка 4, благодаря выбранной форме наделки меняет направление течения и движется при вытекании из-под днища в основном вдоль дна, а не наверх, как у прототипа. Поэтому связанная со скоростью перемещения батопорта амплитуда давлений воды на наклонном участке днища резко уменьшается и обусловленная им амплитуда вертикальной силы, имеющей направление, совпадающее с направлением перемещения батопорта, также уменьшается и становится меньше, чем сила демпфирования. Благодаря чему исключается возможность возникновения автоколебаний.

Вследствие придания наделкой 4 потоку, вытекающему из-под батопорта, направления течения вдоль дна поток достигает свободной поверхности дальше, чем это имеет место у прототипа. При этом происходит диссипация его энергии и волновое движение около батопорта снижается. В связи с этим вызванные волнами давления на днище батопорта уменьшаются, что также способствует устранению причин возникновения автоколебаний.

Как следует из данных модельных испытаний (фиг.4 и фиг.5), при предложенных параметрах наделки "...не ближе 0.4 длины наклонного участка" ...и... "не выше 0.1 ширины створки..." автоколебания отсутствуют. При выходе параметров наделки за установленные значения возникают интенсивные автоколебания.

Благодаря наличию наделки 4 на наклонном участке днища 3, приводящей к образованию лабиринтного уплотнения, возрастает сопротивление вытекающему из-под батопорта потоку, которое приводит к уменьшению его скорости и, соответственно, расхода воды, особенно при малом клиренсе, когда опасность возникновения колебаний особенно велика. В связи с этим поток не достигает свободной поверхности воды вблизи батопорта и не вызывает волн, которые могут повлиять на движение батопорта.

Поток воды, возникающий из-за перепада уровней воды между бортами батопорта, проходя под щитком 5, установленным на горизонтальном участке 2 днища, испытывает местное сопротивление, которое, уменьшая скорость потока, снижает расход воды, вытекающей из-под батопорта. Это приводит к уменьшению волнового движения около батопорта и, соответственно, к возможности наступления автоколебаний.

Кроме того, скорость потока при подходе к щитку 5 уменьшается, что приводит к повышению давления перед щитком, которое устраняет топящую силу, возникающую в районе входа потока под горизонтальный участок поверхности днища батопорта. Это также уменьшает возможность возникновения автоколебаний.

При обтекании потоком воды второго щитка 6 на нижней оконечности наделки 4 создается местное сопротивление. В связи с этим скорость течения потока уменьшается. Это обстоятельство приводит как к повышению эффективности изменения наделкой направления течения потока и придания ему движения вдоль дна, так и к снижению расхода воды, вытекающей из-под батопорта. При этом снижается волновое движение около батопорта, что уменьшает возможность наступления автоколебаний.

В отличие от прототипа, который из-за наклонного участка 3 поверхности днища является относительно хорошо обтекаемым телом, и поэтому коэффициент демпфирования при вертикальных перемещениях небольшой, предлагаемое устройство днища делает батопорт плохо обтекаемым телом, и демпфирование, как установлено опытами, многократно увеличивается, что способствует устранению возможности возникновения автоколебаний.

На фиг.3 приведены полученные по модельным испытаниям осциллограммы перемещений относительно порога судопропускного сооружения батопорта-прототипа и батопорта с предложенной конструкцией днища (в масштабе натуры). Видно, что у батопорта-прототипа возникают автоколебания, размах которых достигает 3 м. Возникают удары днища о порог. Напротив, у батопорта с предложенной конструкцией днища колебания отсутствуют при любом отстоянии батопорта от порога судопропускного сооружения.

1. Плавучий затвор судопропускного сооружения (батопорт), включающий закрывающиеся вертикально установленные механизированные ворота со створками, поверхность днища у которых по ширине створки имеет ломаную форму, характеризующуюся входным горизонтальным участком со стороны верхнего бьефа и примыкающим к нему со стороны нижнего бьефа под тупым углом наклонным отклоняющимся вверх выходным участком поверхности, причем в нижней части затвора на его входном горизонтальном участке имеется щиток, отличающийся тем, что на наклонном выходном участке поверхности днища вдоль длины створки установлена наделка произвольной формы в поперечном сечении, у которой крайняя нижняя точка находится по высоте, по крайней мере, на уровне не выше 0,1 ширины створки ворот у ее днища над уровнем горизонтального участка поверхности днища, а по ширине створки - на уровне, отстоящем от начала наклонного участка не ближе 0,4 длины этого участка.

2. Плавучий затвор по п.1, отличающийся тем, что щиток расположен от начала входного горизонтального участка на расстоянии не менее 0,1 длины этого участка.

3. Плавучий затвор по п.2, отличающийся тем, что нижняя кромка щитка находится ниже уровня горизонтального участка не менее чем на 0,1 длины горизонтального участка.

4. Плавучий затвор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в районе нижней оконечности наделки вдоль длины створки установлен второй щиток.

5. Плавучий затвор по п.4, отличающийся тем, что нижняя кромка второго щитка находится на уровне нижней кромки щитка, установленного в пределах входного горизонтального участка поверхности днища.

6. Плавучий затвор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что щиток выполнен из гибкого упругого материала.

7. Плавучий затвор по п.4, отличающийся тем, что второй щиток выполнен из гибкого упругого материала.