Гидравлика шлюзов со сберегательными бассейнами

    Почти на всех шлюзах со сберегательными бассейнами используются распределительные системы питания.

    Вопросами гидравлического расчета шлюзов с распределительной системой питания занимались П. Кресник, Е. Беерхауз, Г. Пумбергер, А. В. Михайлов, Б. Д. Качановский, Г.Ф. Онипченко и др.

    На основании их исследований предлагалось для шлюза с традиционными сберегательными бассейнами вести расчет наполнения и опорожнения сберегательного бассейна по существующим методикам для двухкамерного (двухступенчатого) шлюза. При донаполнении камеры этого шлюза из верхнего бьефа или при доопорожнении ее в нижний бьеф - вести расчет по методикам для однокамерного шлюза. Расчеты рекомендовалось проводить отдельно для каждого источника питания шлюза. При этом считается, что вода во всех элементах системы питания до начала процесса наполнения или опорожнения находится в состоянии покоя.

    Однако результаты исследований показывают, что даже после прекращения связи камеры с бассейном или бьефом в распределительных галереях и выпусках наблюдается неустановившееся движение воды. Следовательно, для более точного описания процессов наполнения и опорожнения камеры шлюза со сберегательными бассейнами это движение должно быть учтено.

    Кроме того, метод Е. Беерхауза [64], предложенный для расчета одновременного наполнения камеры шлюза из нескольких сберегательных бассейнов, не учитывает маневрирование затворами водопроводных галерей и действующие в галереях силы инерции масс воды, а применение задачи о трех резервуарах (см. п. 5.1.) ограничено возможностью определения приведенных длины и коэффициента сопротивления системы питания.

    В СПбГУВК [61] разработан метод гидравлического расчета подобных шлюзов, адаптированный для математического моделирования процессов наполнения и опорожнения их камер по совмещенному графику (см. п. 5.4.).

    Метод основывается на рассмотрении камеры шлюза вместе со всеми сберегательными бассейнами и бьефами как единой системы и может быть использован для расчета любой схемы наполнения или опорожнения камеры.

Этот метод требует описания движения воды в отдельных элементах всей системы питания.

Распределительные галереи и выпуски описываются подобно тому, как это делается для шлюзов без бассейнов (см. п. 4.4.1). Уравнения движения воды в подводящих галереях из бассейнов записываются с расстановкой условий работы последних. Кроме того, для каждого источника питания и камеры записываются уравнения неразрывности.

    Составление системы уравнений для гидравлического расчета следует начинать с описания неустановившегося движения воды в выпусках и участках распределительных галерей, расположенных между ними.

    Если система питания шлюза является сложной, то на следующем этапе записываются уравнения движения и неразрывности для галерей более высоких порядков.

Далее записываются уравнения неустановившегося движения воды для подводящих галерей с расстановкой условий работы последних. На завершающем этапе записываются уравнения неразрывности.

Для иллюстрации сказанного рассмотрим процесс наполнения камеры шлюза с двумя сберегательными бассейнами Генрихенбург (рис. 5.4.).

Принимаем для упрощения расчета, что подводящие галереи бассейнов и бьефов, питающие верховой или низовой участок камеры шлюза, сходятся в одном месте. Такое допущение возможно, так как расстояния между подводами малы. Это избавляет от необходимости описания сложных гидравлических процессов, происходящих на участках распределительной галереи между подводами. Описание этих процессов с позиций гидравлики усложняет задачу и при расчете следует вводить дополнительные коэффициенты сопротивлений потоку.

Расчетная схема распределительной галереи с выпусками представлена на рис. 4.10.

        

 

График маневрирования затворами подводящих галерей верхового участка

График маневрирования затворами подводящих галерей низового участка

 

Рис. 5.4. Схема к расчету шлюза Генрихенбург:

 

1 – камера шлюза; 2 – галереи донаполнения и доопорожнения камеры; 3 – участок галереи с выпусками; 4 – сберегательные бассейны; 5 – галереи сберегательных бассейнов.

        

 

 

Для данной расчетной схемы движение воды в распределительной галерее и выпусках описывается следующей системой уравнений:

 

(5.8)

где n – количество выпусков или рядов с выпусками;

 - пьезометрический напор в створе выпуска с номером i;

 - расход воды, проходящий через i -й выпуск;

, ,  - соответственно длина, площадь поперечного сечения и коэффициент сопротивления i -го выпуска;

 - расход воды перед i -м выпуском;

, ,  - соответственно длина, площадь поперечного сечения и коэффициент сопротивления участка распределительной галереи, расположенного между i -ым и i +1 -ым выпусками;

, ,  - соответственно длина, площадь поперечного сечения и коэффициент сопротивления подводящей галереи, питающей низовой участок распределительной галереи;

, ,  - соответственно длина, площадь поперечного сечения и коэффициент сопротивления подводящей галереи, питающей верховой участок распределительной галереи;

,  - расход воды, подаваемый соответственно к низовому и верховому участку распределительной галереи;

 - пьезометрические напоры в местах выхода в распределительную галерею соответствующих подводящих галерей.

    При составлении уравнений, входящих в (5.8) установлено следующее правило определения знаков: за положительное направление движения воды в распределительной галерее принято направление от верхней головы к нижней, для направления движения воды в выпусках - направление из распределительной галереи в камеру. Соответствующие знаки имеют и расходы воды.

    Принимая, что уровни воды в бассейнах и камере, в течение всего процесса наполнения или опорожнения последней, горизонтальные, можно записать следующие уравнения движения для подводящих галерей с указанием условий их работы:

 

	или
	или

Где , ,  - превышения уровней соответственно в первом сберегательном бассейне, втором и верхнем бьефе над уровнем воды в камере;

, ,  - расходы воды подаваемые, соответственно из первого сберегательного бассейна, второго и бьефа на верховой участок распределительной галереи;

, ,  - расходы воды подаваемые, соответственно из первого сберегательного бассейна, второго и бьефа на низовой участок распределительной галереи;

, ,  - соответственно длина, площадь поперечного сечения и коэффициент сопротивления галереи, подающей воду из первого сберегательного бассейна на верховой участок распределительной галереи;

, ,  - соответственно длина, площадь поперечного сечения и коэффициент сопротивления галереи, подающей воду из второго сберегательного бассейна на верховой участок распределительной галереи;

, ,  - соответственно длина, площадь поперечного сечения и коэффициент сопротивления галереи, подающей воду из верхнего бьефа на верховой участок распределительной галереи;

, ,  - соответственно длина, площадь поперечного сечения и коэффициент сопротивления галереи, подающей воду из первого сберегательного бассейна на низовой участок распределительной галереи;

, ,  - соответственно длина, площадь поперечного сечения и коэффициент сопротивления галереи, подающей воду из второго сберегательного бассейна на низовой участок распределительной галереи;

, ,  - соответственно длина, площадь поперечного сечения и коэффициент сопротивления галереи, подающей воду из верхнего бьефа на низовой участок распределительной галереи.

    Условие работы подводящих галерей записаны для графиков движений затворов, представленных на рис. 5.4. В случае изменения схемы наполнения камеры, необходимо изменить и эти условия.

    Система уравнений, которая описывает процесс наполнения камеры шлюза со сберегательными бассейнами с системой питания как у шлюза Генрихенбург, получится, если объединить представленные уравнения с системой уравнений (5.8). Систему уравнений дополняют уравнениями неразрывности потока. Их составляют для всех источников питания, а также для распределительной и подводящей галерей.

    Аналогичная система уравнений может быть использована для определения гидравлических характеристик в процессе опорожнения камеры шлюза. В этом случае расходы, проходящие через подводящие галереи и выпуски, будут иметь знак «минус». Смена знаков является признаком перехода источника питания из состояния питающего в состояние питаемого.

    При расчете процессов наполнения и опорожнения камер шлюзов со сберегательными бассейнами по совмещенной схеме (см. п. 3.1) следует обеспечить выполнение условий:

- уровень воды в сберегательных бассейнах должен соответственно опуститься или подняться до заданной отметки к моменту закрытия рабочих затворов водопроводных галерей;

- движения воды в подводящих галереях не должно меняться на противоположное направление.

    Эти условия обеспечивают выбор оптимального режима наполнения или опорожнения камеры шлюза со сберегательными бассейнами в части продолжительности шлюзования.

Контрольные вопросы к разделу

1. Физический смысл членов, входящих в дифференциальное уравнения движения воды.

2. Учет сопротивлений движению воды в элементах системы питания судоходного шлюза.

3. Влияние местных сопротивлений на гидравлические характеристики потока воды в элементах системы питания шлюза.

4. Влияние сил инерции на характеристики потока в элементах системы питания.

5. Принцип приведения коэффициентов сопротивлений к расчетному сечению.

6. Принцип приведения длины к расчетному сечению.

7. Основные допущения, принимаемые при определении приведенного коэффициента сопротивления и длины распределительной галереи.

8. Изменение интенсивности подачи воды в камеру через выпускные отверстия в простой распределительной системе питания с односторонним подводом воды.

9. Изменение интенсивности подачи воды в камеру через выпускные отверстия в простой распределительной системе питания с двухсторонним подводом воды.

10. Принцип классификации распределительных систем питания, учитывающий особенности моделирования гидравлических явлений.

11. Преимущества, недостатки и ограничения использования одного уравнения движения для гидравлического расчета распределительных систем питания.

12. Принцип, заложенный в основу метода частных напоров. Преимущества и недостатки метода.

13. Физический смысл уравнений, образующих систему в методе частных напоров.

14. Описание изменений характеристик потока на примере задачи о трех резервуарах.

15. Принцип составления системы уравнений при моделировании движения воды для шлюзов со сберегательными бассейнами.