Шлюзы со сберегательными бассейнами

В составе гидроузлов в регионах, где имеются проблемы с водными ресурсами, и на межбассейновых каналах для пропуска судов возводятся шлюзы, оборудованные дополнительными сберегающими устройствами. Чаще всего, для сокращения объемов воды, забираемых из верхнего бьефа и сбрасываемых в нижний бьеф, устраиваются сберегательные бассейны (см. рис. 1.4, г). Отличительной особенностью таких шлюзов является то, что только некоторая часть воды сливной призмы сбрасывается в нижний бьеф, а остальная часть отводится в специальные бассейны, из которых она повторно поступает в камеру при следующем шлюзовании.

Кроме того, строительство шлюзов со сберегательными бассейнами оправдано при больших напорах, когда расходы воды, поступающие в камеру и сбрасываемые из нее, ограничены условиями стоянки шлюзуемых и ожидающих шлюзования судов.

Таким образом, применение шлюзов со сберегательными бассейнами может быть целесообразно:

· при сооружении искусственных водных путей (каналов);

· на каналах с раздельным (разъездным или промежуточным) бьефом, когда естественное поступление воды ограничено и приходится прибегать к специальным мероприятиям для питания этого бьефа, вплоть до подачи воды насосами с нижних участков канала;

· для высоконапорных однокамерных шлюзов со значительными плановыми размерами камеры и большой сливной призмой;

· для случаев, когда расходы воды, поступающие в камеру и сбрасываемые из нее, ограничены условиями стоянки шлюзуемых судов.

В шлюзах со сберегательными бассейнами деление общего напора на части уменьшает неблагоприятные явления на этапах наполнения и опорожнения камеры шлюза. При этом уменьшение расходов воды при шлюзовании из-за воздействия только части общего напора на каждом из этих этапов может быть компенсировано увеличением площади сечения водопроводных галерей.

У шлюза со сберегательными бассейнами происходит снижение расхода воды, сбрасываемого в нижний бьеф во время опорожнения камеры, при обеспечении равной продолжительности судопропуска при традиционном шлюзовании.

Уменьшение этого расхода по сравнению с расходом воды обычного шлюза сводит к минимуму опасность размыва водобойной части крепления у нижней головы и волновые явления в нижнем подходном канале.

Рассмотрим принцип работы рассматриваемого сооружения, например шлюза с двумя сберегательными бассейнами.

При опорожнении камеры шлюза (рис. 1.1) часть сливной призмы — верхний первый слой высотой а₂ поступает во второй бассейн. При этом объем воды в камере уменьшается на величину V ₂.

Следующий слой высотой а₁ переливается в первый бассейн, уменьшая объем воды в камере на величину V ₁. оставшаяся часть сливной призмы высотой а₀ и объемом V ₀ сбрасывается в нижний бьеф.

При наполнении камеры шлюза (рис. 1.1) вода сливается из бассейнов в обратном порядке. В первую очередь в камеру переливается объем воды V ₁ из первого сберегательного бассейна, приводя к подъему уровня воды в ней на величину а₁.

Дальнейший подъем уровня воды в камере на высоту а₂ происходит за счет поступления в нее объема воды V ₂ из второго сберегательного бассейна.

Донаполнение камеры осуществляется посредством забора воды из верхнего бьефа. При этом в камеру поступает объем воды V ₀, который занимает слой высотой a ₀.

Для получения расчетных зависимостей рассмотрим работу шлюза со сберегательными бассейнами при вертикальных стенах камеры и бассейнов.

В целях упрощения примем, что все бассейны имеют одинаковые размеры, а их количество – п.

Равные по высоте а _i и объему V_i слои сливной призмы воды из наполненной камеры перетекают в бассейны, а затем из бассейнов в туже опорожненную камеру (см. рис. 1.1). Высота слоя в прямоугольном бассейне равна z_i. Из равенства вытекающих и втекающих объемов воды следует, что:

,

(1.1)

где  и  – соответственно площадь зеркала камеры и сберегательного бассейна.

Рис. 1.1. Принцип работы шлюза со сберегательными бассейнами

 

 

Тогда объем сберегаемой воды определится как сумма объемов бассейнов:

.

(1.2)

Полный объем сливной призмы камеры может быть определен по зависимости:

.

(1.3)

 

Отношение этих объемов дает одну из основных характеристик шлюза со сберегательными бассейнами – коэффициент сбережения воды:

.

(1.4)

 

Из схемы на рис. 1.1 видно, что объем воды сбрасываемый в нижний бьеф будет равен удвоенному объему сберегательного бассейна и, следовательно:

.

(1.5)

 

Учитывая сказанное, выражение для определения коэффициента сбережения воды применительно к шлюзу, оборудованному сберегательными бассейнами с площадью зеркала равной площади зеркала камеры, и опорожнением (наполнением) камеры до выравнивания уровней с бассейнами (без остаточных напоров) примет следующий вид:

.

(1.6)

 

В общем случае выражение для определения коэффициента сбережения записывается следующим образом:

,

(1.7)

где .

Данное выражение может использоваться в случае отсутствия остаточных напоров при наполнении и опорожнении камеры шлюза со сберегательными бассейнами.

На рис. 1.2 приведены графики изменения коэффициента сбережения воды, построенные по зависимости 1.7.

 

Рис. 1.2. Графики зависимости

Как видно из этих графиков, увеличение площади зеркала бассейна по отношению к площади зеркала камеры не всегда приводит к значительному увеличению коэффициента сбережения β. Так, при количестве бассейнов более пяти не следует принимать ν более 1.

То же самое можно сказать и о количестве бассейнов. Приращение коэффициента сбережения уменьшается с увеличением числа бассейнов. На практике часто применяют три сберегательных бассейна, с площадями зеркал равными площади зеркала камеры.

Для сокращения времени перетекание воды из камеры в бассейны и обратно заканчивают при некотором остаточном напоре d (рис. 1.3).

В этом случае зависимости 1.2 – 1.4 остаются неизменными, а величина слоя a ₀  должна определяться с учетом остаточного напора. Например для схемы приведенной на рис. 1.3 она должна быть определена по зависимости:

 

,

(1.8)

 

Рис. 1.3. Схема работы шлюза со сберегательными бассейнами при остаточных напорах

Тогда выражение (1.4) для шлюза, оборудованного сберегательными бассейнами с площадями зеркал равными площади зеркала камеры, примет вид:

.

(1.9)

 

В общем случае коэффициент сбережения следует определять по зависимости:

,

(1.10)

где .

При проектировании приходится решать задачу по определению количества сберегательных бассейнов с заданным коэффициентом сбережения воды. При этом следует учитывать, что рост числа бассейнов приводит к удорожанию конструкции шлюза и к увеличению продолжительности шлюзования.

Сберегательные бассейны устраивают в виде открытых водоемов (рис. 1.4) или в виде расположенных друг над другом и конструктивно увязанных со стенами камер закрытых бассейнов (рис. 1.5).

Открытые бассейны могут располагаться с одной или двух сторон камеры шлюза на разной высоте. При двустороннем расположении бассейнов их обычно располагают попарно. Каждый бассейн такого шлюза соединяется водопроводной галереей, оборудованной затворами, непосредственно с камерой или распределительной системой питания шлюза.

Возведение открытых бассейнов требует большой площади, благоприятного рельефа местности и производства значительного объема земляных работ.

Рис. 1.4. Конструктивная схема шлюза Генрихенбург

Рис. 1.5. Поперечный разрез шлюза Андертон

 

Открытые сберегательные бассейны на первых шлюзах данного типа располагались последовательно в виде лестницы, идущей от верхнего бьефа к нижнему бьефу. Галереи располагались вдоль камеры шлюза и имели по одному выпуску с затвором, выведенному в бассейн у верхней головы, а также у нижней головы. Иногда несколько поперечных выпусков располагались в промежутке между ними. Например, подобная схема расположения бассейнов была применена при строительстве шахтного шлюза Генрихенбург, который в настоящее время не действует. По боковым сторонам шлюза находилось по пять сберегательных бассейнов, соединенных с камерой продольной галереей, оборудованной поперечными выпусками.

У большинства шлюзов ранней постройки сберегательные бассейны примыкают к наружной стороне стен камеры. По трем другим сторонам бассейн огражден подпорными стенками. Дно бассейна выполнено из хорошо уплотненного слоя глины и защищено каменной мостовой.

Расположение сберегательных бассейнов в виде лестницы вдоль шлюза приводит к неравномерности поступления воды в камеру по ее длине. Это ухудшает условия шлюзования и усложняет конструкцию системы питания.

Новая конструкция шлюзов с открытыми сберегательными бассейнами, расположенными в виде лестницы, спускающейся к камере и соединенных с ней распределительной системой, оказалась более рациональной и была использована при строительстве современных шлюзов (см. рис. 3.4).

Например, в составе шлюза Генрихенбург с двумя ступенями сберегательных бассейнов стены и дно бассейнов выполнены из монолитного армированного бетона. Наполнение камеры сначала производится из четырех сберегательных бассейнов 7, расположенных на различных уровнях, путем поочередного маневрирования затворами 8. По подводящим галереям 5 вода поступает в распределительную галерею 3, оборудованную цилиндрическими выпусками. Выпуски располагаются в средней части галереи 1 в 85 рядов, по четыре в каждом ряду.

Донаполнение камеры из верхнего бьефа осуществляется по подводящим галереям 2 и 4 после открытия затворов 9 верхней головы.

Весь процесс наполнения (до выравнивания уровней воды в камере и верхнем бьефе) длится 930 секунд.

Опорожнение камеры шлюза осуществляется за счет распределения воды по сберегательным бассейнам. Остатки сливной призмы поступают в нижний бьеф при открытии затворов 9 нижней головы.

Кроме рабочих затворов подводящие галереи оборудованы ремонтными и аварийными затворами. Затворы галерей сберегательных бассейнов располагаются в помещениях 6 мехоборудования бассейнов. Данный шлюз позволяет судам преодолевать разность уровней в 13,5 метров при 50% экономии воды.

Шахтный шлюз Юльцен-I (рис. 1.6) с размерами камеры 190×12 м и напором 23 м оборудован тремя открытыми сберегательными бассейнами, расположенными в виде ниспадающей в сторону камеры лестницы. Это позволяет экономить 60% объема воды, необходимого для шлюзования. Стены камеры шлюза выполнены в виде тонких стенок с контрфорсами.

Рис. 1.6. Нижняя голова шахтного шлюза Юльцен – I (Uelzen – I) на обводном канале Эльба 1 – глубинные ворота; 2 –плавающая балка; 3- предохранительное устройство с цилиндром – амортизатором, заполненным эластополимером; 4 – пилон и пульт управления; 5 – забральная балка; 6 – мостовой переезд; 7 – контрфорс; 8 – плавучий рым

На рисунке 1.6 представлены разрезы по камере и по нижней голове данного шлюза. На нижней голове рабочие плоские подъемные ворота 1 совместно с забральной стенкой 4 позволяют поддерживать в камере уровень верхнего бьефа. Рабочие ворота для уменьшения подъемного усилия уравновешены противовесом 8. От навала судов на забральную стенку 5 защищает предохранительное устройство 3. Переезд автотранспорта через шлюз осуществляется по мостовому переходу 6. Управление процессом судопропуска осуществляется с пульта управления 4, приподнятого над шлюзом и поддерживаемого пилонами. Материалоемкость камеры шлюза Юльцен-I является одной из самых низких для современных судоходных шлюзов. Толщина железобетонных стен камеры составляет всего лишь 0,75 метра, так как их жесткость обеспечивается поперечными контрфорсами 7.

Аналогичное расположение бассейнов применено в компоновке шлюза Ерланген на канале Майн – Дунай (рис. 1.7, 1.8). Данный шлюз оборудован тремя сберегательными бассейнами, позволяющими преодолевать перепад уровней 18,3 м при экономии до 60% сливной призмы воды. Бассейн каждого яруса разделен на два отсека для снижения потерь воды при шлюзовании, что возможно в случае выхода из строя одного из рабочих затворов наполнения-опорожнения бассейна. При выходе из строя одного из рабочих затворов 3 для предотвращения перелива воды через стенку бассейна, подводящие галереи бассейнов 1 оборудуются аварийными затворами. При опорожнении камеры эти галереи являются отводящими.

 

Рис. 1.7 Поперечный разрез шлюза Ерланген

Для предотвращения переполнения сберегательных бассейнов первого и второго ярусов они снабжены водосбросными галереями 2. Привод рабочих и аварийных затворов размещается в помещении 8 мехоборудования бассейнов.

Распределительная галерея 5, в которую поступает вода из подводящих галерей бассейнов и верхнего бьефа, имеет разветвления с выпусками 14.

Система наполнения из сберегательных бассейнов может быть отнесена к эквиинерционным, если не учитывать неравномерность распределения расхода воды, проходящего по разветвлениям.

Подводящие галереи из верхнего бьефа 4 имеют различную длину. Силы инерции воды и гидравлические сопротивления этих галерей разной длины влияют на величину расхода у выпусков. Для частичного выравнивания расходов воды у выпусков затворы длинной галереи открываются несколько раньше, чем короткой.

В стенах камеры шлюза расположены водосбросные галереи 7 для регулирования уровня верхнего бьефа, работающие напорным водоводом насосной станции при пополнении водой верхнего бьефа.

При опорожнении шлюза уменьшение воздействия сбросов воды на стоящие в нижнем подходном канале суда достигается тем, что, выпускное отверстие водосброса 13 вынесено за направляющие палы 9 вне пределов подходного канала.

Забор воды из верхнего бьефа, включая регулирующий водосброс, осуществляется через водоприемные отверстия 10.

На начальном этапе процесса наполнения шлюза опорожнение бассейнов происходит через водозаборные отверстия 12 по галереям 1, а на конечном – по водозаборным галереям 11 из верхнего бьефа. Для уменьшения гидравлических потерь на входе сопряжение с водозаборами выполнено в виде постепенно сужающихся галерей.

Такое очертание галереи позволяет и при выходе воды в бассейн уменьшить гидравлические потери при наполнении бассейна, что ускоряет процесс наполнения – опорожнения шлюза.

Часть воды, не вошедшей в сберегательные бассейны, сбрасывается в нижний подходной канал. При этом по галереям 4 вода из камеры попадает в выходные отверстия 9 в стенках пал.

Рис. 1.8. План водопроводных устройств и коммуникаций шлюза Ерланген (Erlangen) на канале Майн – Дунай I, II, III – открытые сберегательные бассейны;   1 – водопроводные галереи наполнения (опорожнения) сберегательных бассейнов; 3 – рабочий затвор галереи сберегательного бассейна; 4 – продольные водопроводные галереи донаполнения (доопорожнения) камеры; 5 – система распределительных галерей в днище камеры; 6 – соединительная галерея системы питания шлюза; 7 – водосбросные галереи регулирующего водосброса, совмещенные с напорным водоводом насосной станции; 8 – машинный зал; 9 – водовыпускные отверстия системы доопорожнения камеры; 10 – водовыпуски насосной станции в верхнем бьефе; 11 – галереи водозабора системы донаполнения камеры из верхнего бьефа; 12 – водовыпускные (водозаборные) отверстия сберегательных бассейнов; 13 – насосная станция; 14 – водовыпускные (водозаборные) отверстия камеры шлюза.

 

Сберегательные бассейны шлюзов могут располагаться в плане по окружности, где сектора бассейнов обращены к центру в середине шлюза и расположены с двух сторон камеры (рис. 1.9). Данная компоновка позволяет уменьшить количество подводящих галерей из бассейнов, что значительно сокращает затраты на строительство судопропускного сооружения. Вода из бассейнов 1 ÷ 4 поступает в вертикальную галерею 5, которая соединена с распределительной галереей. Такое решение было реализовано на одной нитке парного шлюза Зюльфельд с размерами камеры 225×12м и напором 9 м, расположенного на восточном склоне Средне-Германского канала.

 

Рис. 1.9. Схема шлюза с секторными сберегательными бассейнами.

 

Если для устройства открытых бассейнов необходим большой объем земляных работ в слабых грунтах основания или недостаточно места для их размещения, бассейны располагают один над другим, конструктивно увязывая их со стенами камер.

Закрытые сберегательные бассейны размещают с двух сторон камеры во избежание неравномерности распределения нагрузки на грунтовое основание.

Характерной особенностью таких шлюзов ранее было использование цилиндрических или поворотных затворов с вертикальной осью вращения для перекрытия водоприемных отверстий сберегательных бассейнов.

В современных шлюзах с этой целью чаще используются плоские и сегментные затворы.

Водоприемные воронки водозабора бассейнов должны иметь большое заглубление для предотвращения вовлечения воздуха потоком вытекающей из бассейна воды. На случай выхода из строя затвора подводящей галереи каждый бассейн оборудуется водосливом, который соединяется водоотливной шахтой с нижним бьефом. Это позволяет избежать дополнительных нагрузок на несущие конструкции бассейна, вызванных его переполнением.

Первый шахтный шлюз с закрытыми сберегательными бассейнами, выполненными из монолитного железобетона в виде единой конструкции со стенами камеры, был построен в 1915 году в Германии у города Минден. При размерах камеры 85×10 м, этот шлюз имеет 64 сберегательных бассейна, расположенных в 4 яруса по обе стороны от камеры, которые при напоре 14,8м обеспечивают сбережение 71,4% объема сливной призмы воды, необходимой для шлюзования.

В 1928 году на Средне-Германском канале был построен парный шахтный шлюз Андертон (см. рис. 1.5) с размерами камеры 225×12 м и напором 15 м по образцу шлюза Минден. Шлюз имеет 100 сберегательных бассейнов, расположенных на 5 ярусах и обеспечивающих экономию воды до 75%. Суммарная площадь всех сберегательных бассейнов каждого яруса составляет около 5900 м², что в 2,1 раза больше площади зеркала воды в камере. Сообщение камеры шлюза со сберегательными бассейнами прерывается при остаточном напоре 0,15м. Донаполнение и доопорожнение камеры производится до выравнивания уровня воды в ней, соответственно с верхним и нижним бьефом. Как и на первых шлюзах, водопроводные галереи здесь оборудованы цилиндрическими затворами.

Одним из современных шлюзов с закрытыми сберегательными бассейнами является шлюз Юльцен-II (рис. 1.10 – 1.11) с напором 23 м.

С каждой из двух сторон камеры расположено по четыре сберегательных бассейна, имеющих по две соединительные галереи каждый. На рис. 1.11 эти галереи обозначены соответственно 1, 2, 3 и 4. Каждая галерея имеет вертикальный и горизонтальный участки. На вертикальном участке галереи, на выходе из бассейна выполнен водозабор.

Водоприемная воронка водозабора бассейна предназначена для предотвращения вовлечения воздуха в галерею водным потоком. Она обеспечивает снижение гидравлических потерь формированием плавных линий тока воды на входе на длине, равной высоте нижележащего сберегательного бассейна.

 

Рис. 1.10. Поперечный разрез по камере и сберегательным бассейнам шлюза Юльцен – II (Uelzen– II) на обводном канале Эльба:   СБ – 1, Сб – 2, СБ – 3, СБ - 4 – закрытые сберегательные бассейны; 1, 2, 3, 4 – водопроводные галереи наполнения (опорожнения) сберегательных бассейнов; 5 – рабочий затвор галереи сберегательного бассейна; 6 – паз ремонтного затвора галереи сберегательного бассейна; 7 – продольная распределительная галерея в днище камеры;     8 – водовыпускные (впускные) отверстия камеры шлюза; 9 – галерея аварийного сброса воды из сберегательных бассейнов

Над каждой воронкой установлен железобетонный козырек, гасящий энергию потока, выходящего в бассейн при его наполнении, для уменьшения волновых колебаний уровня воды в нем.

Распределительная галерея 7 данного шлюза имеет по длине камеры три участка выпусков воды. На крайних участках располагаются по 11 рядов, на среднем 62 ряда выпусков. Выпуски 8 выполнены в виде цилиндрических насадок по четыре в каждом ряду.

Из верхнего бьефа в распределительные галереи камеры вода подается по двум подводящим галереям 13 через водоприемники 10.

Сброс воды из камеры в нижний бьеф осуществляется по двум отводящим галереям 14.

Рабочими затворами подводящих галереей бассейнов и водозабора из верхнего бьефа, а также отводящих галерей для сброса воды в нижний бьеф являются сегментные затворы соответственно 5, 11 и 15.

Аварийные и ремонтные, плоские затворы 6, 12 и 16 обеспечивают ремонт рабочих сегментных затворов без перерыва в шлюзовании. Для доступа к ним при работающем шлюзе имеется система эксплуатационных потерн и шахт.

Под сберегательными бассейнами проходит водосбросная галерея 9 аварийного сброса воды из сберегательных бассейнов при их переполнении.

В России сбережение воды за счет устройства сберегательных бассейнов, как открытых, так и закрытых на практике не применялось. При строительстве парных (двухниточных) шлюзов использовалось решение по сбережению до 50% воды при перепуске половины сливной призмы воды из одной камеры в другую при синхронизированной работе обеих ниток. Однако в реальной практике такое шлюзование встречается редко, а получаемое сбережение воды не так актуально на многоводной реке (Волга, Кама и другие).

На Волго-Донском канале (ВДСК), где работу шлюзов на обоих склонах водораздельного канала обеспечивают насосы, подающие воду из Дона, по проекту намечалась возможность пристроить сберегательные бассейны к шлюзам в перспективе. Сейчас при намечаемом строительстве шлюзов второй нитки будут рассмотрены мероприятия и по сбережению воды, которой потребуется больше из-за увеличения длины и ширины камеры. Иначе и сейчас страдающий от маловодности Дон, воды которого в большом количестве разбираются на орошение, превратится в засушливые годы в канализационный коллектор крупных городов на его берегах. Переброска воды из мелеющего Дона в более многоводную Волгу при работе двух ниток шлюзов без сбережения грозит экологической катастрофой всему региону Азовского моря. Обеспечение волжской водой шлюзов ВДСК увеличит затраты энергии вдвое из-за большого напора, который будут преодолевать насосы.