Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методология обоснования необходимости реконструкции, модернизации или строительства новых судопропускных сооружений в составе низконапорных воднотранспортных систем
1.1. Основные положения системного подхода к решению проблемы
1.1.1. Система понятий, терминология 16
1.1.2. Ценности и критерии оценки состояния объекта 17
1.1.3. Выбор состава гидротехнических комплексов на малых. реках
1.1.4. Транспортно-энергетическая водная сеть России (ретроспективный анализ сети ГТС Северо — Западного 24 региона РФ)
1.1.5. Оценка предела возможного водохозяйственного использования малых рек и качества воды
1.1.6. Методы принятия технических решений 32
1.2. Системы управления качеством , 41
1.2.1. Основные понятия и категории управления. 41
1.2.2. Разработка эффективных систем качества 45
1.2.3. Эксплуатационная надежность судопропускных . сооружений (СПС)
1.2.4. Безопасность воднотранспортных гидротехнических „ сооружений
1.2.5. Контролепригодность системы 53
1.2.6. Информационное обеспечение исследований 59
1.3. Выводы 61
Глава 2. Выбор рационального состава гидротехнических сооружений для транспортного освоения малой реки *"
2.1. Возможные виды использования потенциала малых рек
2.1.1. Компоновочные решения низконапорных гидроузлов 63
2.1.2. Использование энергетического потенциала малых рек 66
2.1.3. Водопользование и рыборазведение.. , 69
2.1.4. Рекреационные возможности малых водоемов 72
2.1.5. Обеспечение нужд агропромышленного комплекса 76
2.1.6. Лесотехнические мероприятия, водный транспорт леса, пожаротушение ^%
2.2. Определение параметров судопропускных сооружений на малых реках
2.2.1. Классификация малых рек 81
2.2.2. Оценка безопасности судоходства 86
2.2.3. Транспортные средства для малых рек 90
2.2.4. Габариты судового хода 96
2.2.5. Оценка размывающего воздействия судовой струи на русла малых водотоков , 'U1
2.2.6. Определение параметров судо пропускных сооружений на малых реках 'О'
2.3. Способы улучшения судоходных условий на малых реках 112
2.3.1. Дноуглубление и выправление русел рек 112
2.3.2. Сезонное шлюзование рек, судоходные плотины 115
2.3.3. Разборные плотины с затворами из поворотных ферм 118
2.3.4. Судоходные плотины с подъемными затворами 121
2.3.5. Рациональные типы плотин из тканевых материалов 123
2.3.6. Специальные типы судоподъемников для маломерных судов "
2.4. Выводы 133
Низконанорные судоходные шлюзы
3.1. Ретроспективный анализ и перспективы развития конструкций шлюзов *36
3.1.1. Общая характеристика 136
3.1.2. Конструкции камер шлюзов на малых реках 137
3.1.3. Головы низконапорных шлюзов на малых реках 144
3.1.4. Системы питания камер судоходных шлюзов для малых рек
3.1.5. Факторный анализ головных систем питания ., низконапорных шлюзов
3.1.6. Подходные каналы шлюзов 164
3.2. Выводы 169
Водоклиновые судоподъемники
4.1. Новые подходы и конструирование основных элементов 171
4.1.1. Основной принцип работы водо клинового судоподъемника '''
4.1.2. Взаимосвязь основных параметров водоклинового судоподъемника
4.1.3. Рациональные конструкции водоклиновых судоподъемников
4.1.4. Полукамерные водоклиновые судоподъемники
4.2. Современное состояние вопроса об исследованиях гидродинамических явлений в наклонных судоподъемниках
4.2.1. Гидродинамические исследования камерных наклонных судоподъемников
4,2.2. Исследования гидродинамики водоклиновых судоподъемников
4.3. Выводы 202
Глава5. Экспериментальные исследования водоклиновых судоподъемников 204
5.1.1. Моделирование гидромеханических процессов водоклинового судоподъемника 204
5.1.2. Экспериментальная установка, измерительная и регистрирующая аппаратура
5.1.3. Определение присоединенных масс жидкости для судов в водоклиновом судоподъемнике
5.1.4. Результаты лабораторных исследований эксплуатационных режимов работы полукамерного водоклинового 216
судоподъемника
5.2. Выводы 222
Глава 6 Аналитическое решение задачи о движении клина воды со свободнойповерхностью по наклонной плоскости
6.1. 6.1.1. Постановка задачи 225
6.1.2. Решение задачи о волнообразовании в бескамерном --т водоклиновом судоподъемнике
6.1.3. Определение гидродинамических характеристик ?.. полукамерного водоклинового судоподъемника
6.1.4. Учет нестационарности внешних воздействий 245
6.1.5. Методика определения параметров движения передвижного щита (для низко и средненапорных 249 гидроузлов)
6.1.6. Определение формы свободной поверхности жидкости на 2fi2 стадии трансформации водного клина
6.2. Выводы 269
Заключение 271
Литература
- Выбор состава гидротехнических комплексов на малых. реках
- Компоновочные решения низконапорных гидроузлов
- Конструкции камер шлюзов на малых реках
- Взаимосвязь основных параметров водоклинового судоподъемника
Введение к работе
Речной транспорт и водные пути на территории России имеют длительную историю развития. Государство постоянно уделяло большое внимание улучшению внутренних водных путей, поддерживало и регламентировало правовое положение речного транспорта.
История рек неразрывно связана с историей народов. Достаточно вспомнить значение Москвы-реки в становлении города и Московского княжества; рек Невы, Волхова, Тверцы в строительстве Санкт-Петербурга; Волги и Камы в создании аграрно-промышленного потенциала страны; Северной Двины, Оби, Енисея, Лены, Амура в освоении огромных пространств Сибири, Дальнего Востока, Арктического побережья [53].
Внутренние водные пути всегда играли важную роль в экономике Российского государства. Их значение не ограничивалось только удовлетворением транспортных потребностей. Реки в значительной степени способствовали созданию централизованного государства и использовались для сообщения между княжествами и районами государства для торговых связей и передвижения дружин во время военных действий.
В XIV - XVII веках широко использовались внутренние водные пути с волоковыми соединениями на них. Ярким примером подобного пути являлся известный торговый путь «из варяг в греки».
Наиболее известными водными путями среди этих систем являлись Балтийско-Каспийский, Беломоро-Балтийский, Баренцево-Балтийский, Беломоро-Каспийский.
Эти коммуникации, с подвариантами, практически охватывали своими внутренними водными путями наиболее заселенные территории Европейской части России. Эта сеть на разных этапах развития российского общества всегда имела решающее значение для экономики, обеспечивая ориентированные грузовые и пассажирские перевозки между населенными пунктами и промышленными производствами.
Сложившаяся к концу 19-го столетия воднотранспортная система обеспечивала перевозку более 30 % грузов. В двадцатом веке, бурное развитие науки и техники предопределило коренную реконструкцию практически всей воднотранспортной сети за счет создания новых водных путей со строительством уникальных гидротехнических сооружений. В это время сложилась и успешно функционировала Единая глубоководная система европейской части страны.
Объемы перевозок водным транспортом увеличились на порядок, хотя удельная доля в суммарном грузообороте уменьшилась до 6 %. Следует отметить, что в странах ЕС в настоящее время среднее значение этого показателя составляет 12 %, а в нашей стране катастрофически снизилось до 5-4 %.
Однако впоследствии речные перевозки все более ориентировались на использование глубоководных систем с составами водоизмещением до 22000 т и в судах смешанного «река-море» плавания водоизмещением до 6000 т. Остальные водные пути по средним и, особенно по малым рекам, все меньше использовались в хозяйственном обороте при организации грузовых перевозок.
Гидрографическая сеть России весьма развита и насчитывает около двух с половиной миллионов малых и самых малых рек суммарной протяженностью свыше 8,5 млн. км [54], однако их сохранению и рациональному использованию до последнего времени не уделялось должного внимания.
В настоящее время в России протяженность эксплуатируемых водных путей составляет примерно ПО тыс. км и превышает длину внутренних водных путей США и всех стран Западной Европы более чем в два раза. Очевидно, что первоочередной проблемой, требующей незамедлительного решения на современном этапе развития водного транспорта, в нашей стране является его сохранение, модернизация и реконструкция [202,205,206].
В сложившейся ситуации особую актуальность приобретает объективность оценки технического состояния всего комплекса гидротехнических сооружений, особенно судопропускных. Определение остаточного ресурса таких социально-значимых объектов невозможно без проведения диагностических обследований и установления степени их надежности [206].
Одновременно с этим необходимо устранить диспропорции, связанные с неэффективностью транспортно-энергетического комплекса. Действительно, свыше 60% перевозимых грузов составляет топливо и, в тоже время 30% энергетических ресурсов страны потребляется транспортом. Грузооборот, отнесенный к единице валовой продукции в России, в 1988 г. был на 66 % больше, чем в США. Тот факт, что водные перевозки наименее трудо и энергоемки, а гидроэнергетический потенциал наших рек используется лишь на 10 %, убедительно показывает насущную необходимость опережающего строительства транспортно-энергетических гидроузлов.
Развитие гидроэнергетики позволило бы не только сберечь запасы топлива, но и существенно уменьшить объемы перевозок топливных грузов. При этом не следует повторять ошибок прошлых лет, когда некоторые гидроузлы были возведены без судопропускных сооружений, что стало приводить к значительному сокращению уже действовавшей водной сети, и исключило возможность использования перспективных водных путей. В решении этой транспортной проблемы наиболее актуальным является выбор рациональных типов и конструкций судопропускных сооружений.
Основные направления использования водных ресурсов малых рек, конечно, определяются их особенностями. В новых экономических условиях и на современном уровне развития науки и техники особо эффективным является транспортное и энергетическое использование малых водотоков, а также водный и спортивный туризм.
Малые реки в части их транспортного освоения являются сравнительно «экологически чистыми» по отношению к магистральным рекам, так как не требуют создания значительных водохранилищ и не вызывают необходимости перераспределения стока рек. Вместе с тем, комплексное использование малых рек следует определять специальными проектами, включенными в общий план обустройства целых территорий, как правило, по водосбору интересующего водотока.
Методологической основой принятия решений исключающих не контролируемые субъективные влияния должен служить системный анализ с соответствующей оценкой надежности и экологической безопасности (обобщенного риска) на базе соответствующих прогностических моделей,
В большинстве случаев завоз грузов на малые реки осуществляется из портов, расположенных на магистральных водных путях. Однако зачастую используются терминальные услуги и железнодорожного и автомобильного видов транспорта.
Несмотря на то, что определяющее влияние на размещение и развитие необходимой инфраструктуры водных видов транспорта для малых рек оказывают разнообразные природно-географические и климатические условия, добавочными факторами, определяющими схему организации перевозок грузов, являются, объем перевозок, технико-эксплуатационные характеристики транспортного флота и условия плавания по пути следования судов.
При постоянной частоте перевозок на всем участке или при наличии изолированного грузопотока возможен достаточно большой ряд вариантов организации перевозок, выбор которых зависит в каждом конкретном случае от большого числа исходных данных.
Перевозки грузов по малым рекам, как показывает статистика, возрастают в таких округах как Волжский, Сибирский и в ряде других подобных регионах, где малые реки являются единственными транспортными артериями для перевозки массовых грузов. Именно в этих регионах несколько развивается и растет флот малых рек — проектируются и строятся в большом количестве все новые и новые транспортные средства: трюмные грузовые суда и суда-площадки с малой осадкой, изгибаемые толкаемые составы высокой проходимости, в том числе суда и платформы на воздушной подушке и т. д. В то же время, по ряду регионов отмечается односторонний характер развития транспортных перевозок на малых реках Российской Федерации. Так как здесь все, начиная с классификации рек и кончая транспортным флотом и навигационной обстановкой, подчинено достижению главной цели - снабжению труднодоступных для других видов транспорта промышленных объектов. При работе в непрерывном круглогодичном режиме, в условиях специфики работы речного транспорта (сезонность, изменение рабочих уровней воды, ограниченная длительность навигации), зачастую вследствие неравномерности поступления грузов создаются авральные перевозки, влекущие главное — резкое нарушение экологического равновесия малых рек, а иногда и полную их гибель.
Только в редких случаях малые реки используются для сельскохозяйственных перевозок не только грузов, но и животных на летние пастбища, для перемещения людей между населенными пунктами и отделениями сельхозпроизводства. В условиях Российской Федерации с ее неразвитой инфраструктурой и отсутствием сети внутриобластных и внутрирайонных дорог с твердым покрытием, автомобильный транспорт не в состоянии обеспечить транспортное обслуживание сельского хозяйства. В то же время, развитие автомобильного транспорта до необходимого уровня требует огромных капиталовложений.
Поэтому, основной задачей для решения проблемы увеличения пропускной способности малых рек в настоящее время является выбор параметров оптимизирующей системы: транспортные средства (флот) - судопропускные сооружения (при необходимости) - береговая инфраструктура - навигационная система безопасности плавания - логистирование перевозок и запасов грузов.
При успешном решении этих вопросов экономический эффект может быть достаточно высоким и будет служить социально-экономическому развитию региона.
В проблему стабилизации и развития системы обеспечения перевозочных процессов входят задачи совершенствования всей инфраструктуры транспортного обслуживания с соблюдением принципов "от двери до двери1 и "точно в срок \
Здесь на первое место выступает создание равных стартовых транспортно-коммуникационных условий хозяйствования за счет выравнивания транспортной составляющей коммерческих рисков и обеспечения ясизнедеятелъности населения независимо от места проживания.
Образование новой экономической и геополитической ситуации в России вызвало определенные изменения между потенциалом транспортных возможностей и новыми потребностями государства во внутренних и международных перевозках.
Актуальность рассматриваемых проблем подтверждается и тематикой государственных научно-технических программ, в соответствии с которыми выполнялась диссертационная работа («Провести исследования на крупномасштабной модели, разработать на их основе и представить в Минводхоз СССР, Минэнерго СССР, Минречфлот РСФСР рекомендации по применению и проектированию бескамерных судоподъемников на трактах переброски стока», «Разработать новый тип бескамерного судоподъемника типа "Водяной клин"-проблема 0.55.08, задание 01.03, федеральная целевая программа «Внутренние водные пути России» на 1996-2000 г.г., РМНТП «Развитие транспортной составляющей инфраструктуры Северо-Западного региона России»).
Стабилизация работы транспортного комплекса в условиях нынешней экономической ситуации и создание условий для дальнейшего опережающего развития всех обеспечивающих его эффективное функционирование транспортных структур включают в себя:
• реконструкцию и модернизацию существующих коммуникаций;
• транспортно-энергетическое использование малых рек;
• разработкой высокоэффективных типов судопропускных сооружений;
• формирование транспортной инфраструктуры;
• обеспечение управляемости комплекса.
II Указанные цели достигаются системным решением необходимого круга транспортных задач, объединенных в общесистемные блоки инженерно-технической, экологической, социально-экономической и организационно-управленческой направленности.
Глобальной целью настоящих исследований являлась разработка конструктивных предложений на основе научно - обоснованной методологии для обеспечения эффективности функционирования и сохранности объектов воднотранспортных систем, создания новых рациональных типов судопропускных сооружений. Локальные цели были сформулированы следующим образом:
/. Разработка научно - обоснованной методологии улучшения судоходных условий малой реки;
2. Ретроспективный анализ шлюзостроения на низконапорных гидроузлах;
3. Выбор рационального типа судопропускного сооружения для строящихся транспортно-энергетических гидроузлов на малых реках.
Указанные цели достигались посредством постановки и решения ряда задач. Для первой локальной цели:
• разработка методологии научного обоснования необходимости реконструкции, модернизации или строительства новых судопропускных сооружений в составе низконапорных воднотранспортных систем;
• анализ и оценка традиционных способов улучшения путевых условий (дноуглубление, выправление русел рек, сезонное шлюзование);
• предложения по улучшению судоходных условий с использованием различных сооружений с наполняемыми элементами;
• разработка рекомендаций по методике принятия технических решений;
• постановка оптимизационной задачи для системы транспортное средство — судопропускное сооружение.
Для второй локальной цели:
• сбор данных о конструкциях и об исследованиях низконапорных шлюзов;
• качественно-описательный анализ систем питания шлюзов малого напора;
• анализ конструктивных решений (головы, камеры) и оценка структурной надежности шлюза в целом;
• разработка технической оценки шлюза на основе факторного анализа всех его элементов;
• разработка рекомендаций по перспективным типам систем питания. Для третьей локальной цели:
• построение дерева целей увеличения пропускной способности наклонного судоподъемника;
• ретроспективный анализ и выбор конструктивных решений по важнейшим элементам судоподъемника;
• проведение лабораторных исследований гидромеханических процессов полу камерного водо-клинового судоподъемника;
• исследование нестационарных процессов в клине воды судоподъемника с помощью аналитических методов;
• разработка рекомендаций по определению области использования полу камерных водо-клиновых судоподъемников.
Методы и средстве исследований. В работе наряду с обобщением и анализом литературных источников использованы результаты натурных исследований судопропускных сооружений европейской части РФ. Для оценки технического состояния эксплуатируемых конструкций применялись методы теории вероятности, теории упругости и математическое моделирование.
Для решения поставленных в работе задач по изучению водоклиновых судоподъемников использовались теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования выполнялись с помощью методов гидродинамики. Экспериментальные исследования проводились на специально созданной модели.
Так как исследуемые процессы носили неустановившийся во времени характер, то для их фиксации были разработаны автоматически действующие измерительные системы. При обработке экспериментальных данных применялись методы теории вероятности и математической статистики.
Достоверность и точность исследования подтверждается соответствием полученных данных существующим научным представлениям, опубликованным результатам и концепциям других авторов, проверкой разработанных методик в натурных и лабораторных условиях и на математических моделях с помощью апробированных компьютерных технологий. Научные положения и выводы обоснованы, так как они базируются на известных и общепринятых научных теориях и методах, используемых при исследовании, и являются их прямым продолжением и развитием.
Научная новизна работы, заключается в следующем:
• сформирована система ценностей, критериев и ограничений для оценки эффективности гидротехнических объектов на малых водотоках;
• разработана функциональная схема системы качества транспортной услуги;
• на базе статистической обработки результатов комплексных обследований отечественных судопропускных сооружений разработан полу вероятностный метод оценки остаточного ресурса камеры шлюза;
• на основе ретроспективного анализа разработаны концептуальные положения по определению состава, типа и конструктивных элементов гидротехнических сооружений низконапорного гидроузла;
• проведена факторная оценка систем питания камер судоходных шлюзов и предложен вероятностный критерий оценки качества системы питания;
• установлены закономерности изменения свободной поверхности жидкости транспортируемой в водо-клиновом судоподъемнике на различных этапах движения;
• определены области применения рекомендаций по назначению параметров движения щита в эксплуатационных режимах;
• разработана математическая модель процесса транспортировки клина жидкости в различных модификациях водо-клиновых судоподъемников.
Практическое значение исследований проведенных исследований заключается в следующем: разработан инженерный аппарат, дающий возможность обоснованно принимать как концептуальные, так и технические решения по гидротехническим сооружениям в процессе проектирования и эксплуатации низконапорных гидроузлов на малых реках.
На основании результатов научных исследований решены ключевые вопросы проектирования новых типов судопропускных сооружений — водо-клиновых судоподъемников. Результаты исследований использованы в опытно-конструкторских и проектных работах в Ленгидропроекте, Ленгипроречтрансе, ЦКБ «Алмаз», СКБ «Ленгидросталь», и нашли отражение в учебных пособиях:
1. Судоходные каналы / СПбГТУ. СПб., 1991;
2. Гидродинамические исследования воднотранспортных гидротехнических сооружений / СПбГТУ. СПб., 1993;
3. Сооружения водного транспорта. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1995;
4. Путевые работы на водном транспорте. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1998;
5. Водные пути и ГТС Волго-Балта / СПб ГУВК. СПб., 1998;
6. Речные судоходные шлюзы. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2002;
7. Гидротехнические сооружения. Судоходные шлюзы (системы наполнения и опорожнения камер) / СПбГУВК. СПб., 2002.
Результаты работы используются в учебном процессе инженерно-строительного факультета СПбГПУ и гидротехнического факультета СПбГУВК при изучении дисциплин «Сооружения водного транспорта», «Речные воднотранспортные сооружения», «Гидротехнические сооружения комплексного и отраслевого назначения».
Апробэция работы. Основные положения работы докладывались и представлялись на конференциях, координационных совещаниях, семинарах по гидротехнике: II НТК по эксплуатации и долговечности портовых и судоходных ГТС (Ленинград, 1983 г.); НТК «Научные проблемы современного энергетического машиностроения и их решение» (Ленинград, 1988 г.); ВМК «Комплексная компьютеризация учебного процесса в высшей школе» (Ижевск, 1989 г.); ВНК «Проблемы проектирования, строительства, реконструкции и технической эксплуатации воднотранспортных ГТС» (Москва — Одесса, 1989 г.); ВНК «Задачи инженерной геологии в реставрации и сохранении памятников истории и культуры» (Рязань, 1993 г.); XIX МК «Современные проблемы изучения берегов» (СПб., 1995 г.); РНТК «Инновационные наукоемкие технологии для России» (СПбГТУ, 1995 г.); НМК СПбГУВК - СПбГТУ по судопропускным сооружениям, посвященная столетию со дня рождения Н.А. Семанова (СПб., 1997 г.); НТК «Фундаментальные исследования в технических университетах» (СПб., 1997 г.); РНТК СПбГУВК, посвященная 200-летию государственного управления водными коммуникациями России (СПб., 1998 г.); конференция «Транстерминал, логистика, склад "99» (СПб., 1999 г.); МНТК «Акватерра» (СПб., 1999 г.); НМК СПбГУВК, посвященная 190-летию транспортного образования (СПб., 1999 г.); на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГПУ (1978-2000 гг.), СПбГУВК (1985-2001 гг.), ДВГТУ (1979, 1983 и 1989 гг.). Кроме того, результаты работы в виде цикла лекций докладывались в Германии - TU Dresden (1985 г.), Польше TU Gdansk (1988 г.), Китае Tsinghua U, Beijing (1998 г.), Wuhan YRSR1, компании «The Three Gorges».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 научных работ, 7 учебных пособий, выпущено 17 научно-технических отчетов, получено одно авторское свидетельство.
Диссертация является результатом многолетних (с 1977 г. по настоящее время) проводимых в СПбГПУ исследований, в которых автор на разных этапах принимал участие в качестве соисполнителя, ответственного исполнителя и научного руководителя.
Структура и объем работы. Диссертация (в I томе) объемом 299 страниц, включая 95 рисунков, 23 таблицы, список литературы из 254 позиций и приложения, содержащие копии документов, подтверждающие внедрение и использование результатов работы.
Автор считает своим долгом выразить признательность и благодарность коллективу кафедры морских и воднотранспортных сооружений и лично профессору А.И. Альхименко - заведующему этой кафедрой, чья помощь, критические замечания и моральная поддержка во многом способствовали выполнению настоящей работы.
Выбор состава гидротехнических комплексов на малых. реках
Проблемы обеспечения сохранности объектов на стадии эксплуатации или обоснования необходимости строительства на стадии проектирования могут быть успешно решены только с использованием методов системного анализа. Уже наличие проблемы является показателем, неудовлетворительной системности, какого либо процесса.
Последовательность достижения поставленной цели в общем, виде [78, 157] можно сформулировать следующим образом: анализ проблемы — определение системы — анализ структуры системы —формулирование общей цели и критериев — декомпозиция цели, выявление потребности в ресурсах — композиция целей —» прогноз и анализ будущих условий — оценка целей и средств отбор вариантов — диагноз существующей системы — построение комплексной программы развития —» проектирование организаций для достижения целей. Под целью в, данном случае, понимается субъективный образ (абстрактная модель) несуществующего, но желательного состояния среды, которое решило бы возникшую проблему.
Система является средством достижения цели и представляет собой совокупность элементов и существенных связей между ними, предназначенных для выполнения определенных функций. В качестве элемента принимается то, что на данном уровне рассмотрения не дробится дальше.
Для сложных инженерных конструкций, каковыми являются судопропускные сооружения, на первых этапах системного анализа особо важно определение причинно-следственных связей явлений. Причем, взаимосвязь конструкций в сочетании с природными и иными факторами требует четкого представления о функциях каждого элемента или явления на начальной, промежуточной и конечной стадиях работы системы.
Формализацией этого процесса является построение деревьев отказов. Дерево отказов - это причинно-следственная диаграмма, ведущая от следствия к причине. Деревья отказов являются сложными логическими структурами для построения которых используются Булева алгебра, теории множеств и графов. Основной целью построения дерева отказов является уменьшение вероятности отказа системы. Следует отметить, что в строительстве понятие отказ тождественно понятию предельного состояния.
С помощью дерева отказов удается установить причинные взаимосвязи отказов с инициирующими их событиями и оказать влияние на систему, усовершенствуя ее слабые звенья. По завершении построения дерева отказов производят качественный и количественный анализ системы.
Одно из основных преимуществ методики построения дерева отказов для решения задач, связанных с большим объемом информации, заключается в том, что анализ ограничивается выявлением только тех элементов системы и событий, которые приводят к данному конкретному отказу системы.
В рамках данной работы были построены деревья отказов по самому протяженному и ответственному элементу судоходного шлюза - камере для наиболее вероятных к рассмотрению конструкций камер низконапорных шлюзов (см. п. 3.1.2). Были рассмотрены следующие конструкции камер с отдельностоящими стенами и водопроницаемым днищем: ряжевые, ячеистые, сборно-монолитные железобетонные, больверки из заанкеренного металлического и железобетонного шпунта. Иллюстративный пример [66, 79] дерева отказов камеры докового типа (рекомендуемой СНиП 2.06.07 - 87) приведен на рис. 1.1.
Из общего анализа значения путей сообщения и транспорта в народном хозяйстве [27, 53, 82], а также исторической традиции экономической жизни России следует, что возможности рек РФ, как путей сообщения и источников возобновляемой энергии являются неограниченными, но используются недостаточно. С государственной точки зрения целесообразно: развитие внутренних водных путей как наиболее дешевых и способных компенсировать затраты на устройство и содержание транспортных коммуникаций за счет использования энергии рек; уменьшение грузооборота внутреннего транспорта, отнесенного к единице валовой продукции.
В народнохозяйственном комплексе государства транспорт и энергетика объективно составляют единый блок - транспортно-знергетический комплекс.
Возникшие в начале 60-х гг. прошлого века негативные проблемы развития транспортно-энергетического комплекса СССР - РФ (рост потребления дальнепривозного топлива, увеличение средней дальности пробега грузов и общей энергоемкости транспорта, связанный с ним рост себестоимости перевозок и затрат на перевозки) до настоящего времени не нашли своего разрешения.
Анализ технико-экономических показателей внутреннего транспорта РФ показывает, что он уступает железнодорожному. Это связано, прежде всего, с недостаточным использованием внутренних водных путей для перевозок народнохозяйственных грузов, сезонностью перевозок и другими факторами.
Возможна оптимизация транспортно-энергетического комплекса, выражающаяся в уменьшении взаимозависимости транспорта и энергетики, сопряженном с высвобождением расходуемых на самообеспечение комплекса топливно-энергетических ресурсов. Ее следует производить за счет уменьшения грузооборота топливных грузов и снижения общей энергоемкости внутреннего транспорта.
Первое может быть достигнуто за счет сокращения потребления топлива электроэнергетикой вследствие расширенгт использования гидроэнергетических ресурсов, второе - передачей грузов с автомобильного и железнодорожного на водный транспорт.
Компоновочные решения низконапорных гидроузлов
При комплексном использовании водных ресурсов наряду с транспортным освоением малых рек удовлетворяются и иные нужды народного хозяйства, в том числе гидроэнергетики, орошения и обводнения земель, сельской рыбной и лесной отраслей, промышленного и коммунального водоснабжения, рекреации, водный туризм.
При шлюзовании малых рек используются разнообразные гидротехнические сооружения. Основным подпорным сооружением является плотина. Судопропускными сооружениями могут быть шлюзы или транспортные судоподъемники. Использование водной энергии осуществляется с помощью гидроэлектростанций. В редких случаях не исключена возможность устройства рыбоходов.
Расположение сооружений и выбор типов следует производить с учетом местных условий (топографические, гидрологические, геологические и т.д.), очередности производства работ, пропуска паводков, ледоходов и обеспечения судоходства. Гидроузел должен быть удобен для эксплуатации, создавать красивый архитектурный ансамбль за счет разумного размещения на местности с учетом окружающего ландшафта [185].
В зависимости от природных условий при проектировании низконапорных гидроузлов на малых реках целесообразно использовать как пойменные, так и русловые варианты компоновок (рис. 2.1).
Результаты анализа характеристик плановых расположений основных гидротехнических сооружений гидроузлов, и области применения их в зависимости от участка реки, где располагается створ, даны в табл. 2.1.
Важным техническим аспектом является энергетическое использование малых рек. До последнего времени этому вопросу уделялось недостаточное внимание [34].
Издревле на Руси при рассмотрении вопроса об использовании малого водотока приоритет отдавался водному транспорту. Государство всегда уделяло большое внимание улучшению водных путей, регламентировало правовое положение водного транспорта. Первым законодательным актом в этой области явилось Уложение 1649 г., установившее свободу судоходства по внутренним водным путям.
Такое положение продолжалось до первой четверти 20 - го века, когда строилось значительное количество сезонных гидроузлов, в составе которых отсутствовали гидросиловые установки.
Малые ГЭС в России начали строиться и эффективно использовались в 50-е - 60-е годы для энергоснабжения колхозных хозяйств. При этом интересы водного транспорта, как правило, игнорировались - реки перегораживались плотинами без устройства судопропускных сооружений.
В 70-е годы в связи с развитием единых энергосистем и подключением к ним всех потребителей были выведены из промышленного использования, закрыты и разрушены сотни малых ГЭС.
В настоящее время отечественная гидроэнергетика сделала качественный скачок в направлении создания серии гидротурбин, позволяющих эффективно использовать низкие напоры, и проявляется повышенный интерес к автономным, не зависящим от единой системы энергопроизводителям.
Мощность современных гидротурбин составляет от 6 — 20 кВт до 2,5 мВт при диапазоне напоров от 3 до 80 м. При этом используются как осевые, так и радиально-осевые колеса во фронтальном и спиральном подводе. Предусмотрены возможности механического и электрического регулирования мощности установок. Мощность малой ГЭС рассчитывается на основании потребности в электрической энергии в зависимости от численности населения, потребности промышленных и сельскохозяйственных предприятий. По установленной мощности ГЭС определяются ее необходимые параметры: Я = йжЩПР (2.1) где Qryj - расход воды, м3/с; Н — напор на ГЭС, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; р - плотность воды, т/м3; tj - коэффициент полезного действия.
В зависимости от водности реки, ее продольного уклона, топографии берегов могут быть осуществлены следующие типы компоновок малых ГЭС [104, 109].
1. ГЭС с перекрытием одного из рукавов основного водотока (рис. 2.3) глухой плотиной с частичным отбором воды из реки без перекрытия его русла. Размещать такую ГЭС можно только на реках с крутыми продольными уклонами. Применение такой схемы эффективно на участках, где река имеет остров и два рукава. В этом случае один рукав перекрывается плотиной, где строится ГЭС, а другой остается в свободном состоянии. Такая схема экологична (свободный проход рыб) и в некоторых случаях (когда возможно использование туэрной или кабестанной тяги) благоприятна для судоходства. При отсутствии второго рукава прокладывается деривация открытого или закрытого (в трубе) типа.
2. ГЭС с перекрытием русла основного водотока (см. 2.1.А) глухой плотиной. В плотину встраиваются водоприемники ГЭС и паводкового водосброса. В зависимости от напора на плотину ГЭС размещается в нижнем бьефе вне плотины или встраивается в тело плотины. В данных случаях требуется строительство отдельных судопропускных сооружений. ГЭС вне плотины устраивается при высоких напорах, а встроенный вариант наиболее экономичен при малых (до 4-х метров) напорах.
В качестве материала для строительства водонапорных элементов малых ГЭС используется грунт, дерево, бетон. Для устройства водоводов используются металлические трубы.
Кроме того, что особенно важно для предлагаемого энергетического использования сезонных гидроузлов, разработана номенклатура передвижных энергетических установок (микро ГЭС) единичной мощностью до 50 кВт работающих при напорах до 2 - 10 м и расходах 0,07 - 0,8 м3/с. Микро ГЭС могут функционировать на очень малых водотоках (реках, ручьях), что делает их весьма привлекательными для индивидуальных потребителей.
Конструкции камер шлюзов на малых реках
Шлюзы на малых реках, в основном, построены с использованием местных материалов: дерево, камень, бетон, композитного типа (каменно-кирпичная кладка, бутобетон, дерево в сочетании с каменной кладкой).
Наиболее часто встречаются такие конструкции, как откосные (рис. 3.3.,а) или полуоткосные (рис. 3.3.,6), имеющие вертикальную стенку, как правило, ниже уровня нижнего бьефа. В остальных случаях камеры шлюзов имеют вертикальные стены (рис. 3.3.,д-к).
Экономичность камер откосного типа снижается из-за необходимости возведения направляющих эстакад (рис. 3.3.,а), к которым швартуются шлюзующиеся суда, и необходимости защиты от оползания, посредством устройства усиленного крепления, откосов, работающих в условиях быстро изменяющихся уровней воды. Объем сливной призмы в шлюзах с камерами откосного типа также существенно больше, чем при наличии вертикальных стен, что является нежелательным на малых реках, имеющих в меженный период незначительные расходы. Откосный тип шлюзовых камер может быть рекомендован к использованию только при крайне незначительном грузообороте и напорах до 2 - 3 м.
На принятие той или иной конструкции камеры низконапорного шлюза существенное влияние имеет ее полезная ширина. В то же время длина таких шлюзов не является в данном случае определяющим фактором. Шлюзы с полезной шириной 4 — 8 м называют шлюзами малых размеров [185].
Для малых шлюзов и низконапорных шлюзов с шириной камеры до 15 — 17 м и напорах до 5 м основным типом камеры (рис. 3.1) является камера с отдельностоящими стенами той или иной конструкции с водопроницаемым днищем между ними. Раздельные боковые стены шлюза могут быть гравитационными, сопротивляющимися воздействию боковых сил лишь собственным весом (рис. 3.1, в, г, ж, з, к), шпунтовыми стенками с анкерами (рис. 3.1, д - е) и стенками типа свайного ростверка (рис. 3.1, и).
Имеющиеся проектные данные [145] позволяют считать, что наибольший напор на камеру шлюза Д/, при котором еще целесообразно возводить отдельно стоящие массивные стены гравитационного типа (рис. 3.1,в-г) с водопроницаемым днищем, может при предварительном проектировании приниматься равным: Hd l,5 tg у/ЪмГ hi + а, (3.1) где, tg у/ расчетное значение коэффициента сдвига стен камеры по основанию; bee/ полезная ширина камеры; А - глубина на пороге; а — запас верха стен над наивысшим расчетным уровнем воды в камере.
В местах строительства, богатых лесом, целесообразным считается возведение малых шлюзов (с напорами до 4 м) ряжевой конструкции [185] (см. рис. 3.1, в). В районах с развитой строительной инфраструктурой стены камер, обычно, делают облегченного типа. Для этого используются железобетонные контрфорсные конструкции (см. рис. 3.1, ж - з), стены из стального и железобетонного шпунта (рис. 3.1, д - е).
Контрфорсные стены весьма технологичны при возведении, надежны, но обладают более высокой стоимостью по сравнению с конструкциями из местных материалов, особенно, в сборном исполнении. В России на новых москворецких шлюзах, для стен камер такого типа с успехом использовались сборно-монолитные конструкции.
Иногда, в случаях, когда под отдельно стоящими стенами камер залегают слабые грунты, прибегают к устройству свайных оснований.
Стены камер из стального или железобетонного шпунта (рис. 3.1, д, е) состоят из шпунтовых свай, забитых вертикально или с небольшим уклоном, поддерживающих их анкерных тяг и анкерных конструкций, за которые эти тяги закреплены. У нас в стране успешно применяются шпунтовые стены при напоре порядка 4 м (Пермский шестикамерный шлюз с высотой стенки 10 м). В Западной Европе шпунтовые стены камер получили распространение в шлюзах с напором до 8 — 10 м [145].
При строительстве транспортных гидроузлов на малых реках серьезного внимания заслуживают стены ка.чер, а также днища и элементы голов шлюза, имеющие полую или ячеистую конструкцию. Эти конструкции могут быть изготовлены на базовом для водного пути заводе железобетонных изделий и доставлены к месту сборки наплаву или с помощью судов-понтонов, если глубины на реке в паводок и габариты судового хода достаточны для их проводки. Проектные проработки показывают, что минимальные осадки таких полых элементов конструкций могут составлять 1,3 — 4,5 м в зависимости от габарита шлюза. Отбуксированные секции камер устанавливаются на заранее подготовленном основании с использованием для сборки направляющих свай.
Для предотвращения разрушения конструкций камер от воздействия регулярных изменений уровня воды и размыва при работе судовых винтов дно камер облегченного типа обязательно укрепляется. Это может быть, в зависимости от материала камеры или заанкеренный дощатый настил, или мощение камнем, или укладка железобетонных плит на обратном фильтре.
Взаимосвязь основных параметров водоклинового судоподъемника
В решении проблем создания новых воднотранспортных коммуникаций одной из ключевых задач является выбор типа судопропускных сооружений. При благоприятных топографических условиях наиболее эффективным типом судопропускных сооружений, особенно в условиях необходимости сбережения воды, являются водоклиновые судоподъемники [190, 191].
Водоклиновый бескамерный судоподъемник с транспортировкой судов по наклонному лотку в подвижном водяном клине, именуемый ранее наклонным шлюзом [92], известен уже давно, однако строительство его считалось невозможным из-за сложности устройства уплотнения передвижного щита и неэкономичным вследствие большой протяженности лотка.
Первый водоклиновый судоподъемник был построен в 1973 г. в районе города Монтеш (рис. 4.3) на обводном канале р. Гаронны, вблизи Тулузы.
Судоподъемник Монтеш [227-229, 249] заменил пять шлюзов и сократил время пропуска судов с двух часов до семи минут. Строительство эффективного водоклинового судоподъемника стало возможным за счет создания новых конструкционных материалов и внедрения целого ряда оригинальных технических решений.
Министерство транспорта Франции, учитывая результаты успешной эксплуатации судоподъемника Монтеш, приняло решение о строительстве на этом же канале у г. Фонсеранн аналогичного судоподъемника, который был введен в постоянную эксплуатацию летом 1984 г. [243, 246].
В результате модернизации этого водного пути его пропускная способность увеличилась до 2 млн. т в год (более чем в полтора раза), так как два водоклиновых судоподъемника (Монтеш и Фонсеранн) заменили собой 12 малогабаритных шлюзов. Конструкция передвижного затвора вместе с тележкой (моторный щит), представляющей собой установленную над лотком раму, опирающуюся на 18 пневматических колес, показана на рис. 4.4.
Судоподъемник при пропуске грузовых судов потребляет 72 кВт ч электроэнергии, при пропуске прогулочных судов (по 6 штук за один подъем) — 36 кВт ч, при холостых подъемах (без воды) — 8 кВт ч.
Полная стоимость строительства судоподъемника Фонсеранн составляла на тот период времени 33 млн. франков, а эксплуатационные затраты в год около 469 тыс. франков.
Фактическая продолжительность двухстороннего цикла судопропуска в судоподъемнике составляет 30 мин., при этом время движения щита в одну сторону - 6 мин. Пропускная способность за 13 часов работы в сутки составляет: 14 теплоходов грузоподъемностью 350 т. и 200 прогулочных и туристских судов. Для обслуживания судоподъемника и семикамерного шлюза, который остается в эксплуатации для пропуска прогулочного флота, предусмотрено три специалиста: кондуктор-электромеханик на моторном щите и два сотрудника, обеспечивающие работу судоподъемника и шлюза.
В России в середине 1970-х годов был разработан новый вариант бескамерного водоклинового судоподъемника для транспортировки крупнотоннажных судов [190, 191], принципиально отличающийся от французского конструкцией передвижного щита, в котором собственно щит выполняется не подъемным, а постоянно находящимся в лотке. Пропуск судов в клин воды судоподъемника осуществляется через ворота в щите (см. рис. 4.1 и 4.6), что позволяет транспортировать суда с любыми надводными габаритами.
Логическим продолжением работ явилось создание проекта новой более эффективной модификации бескамерных водоклиновых судоподъемников, получивших, в связи с характерной конструкцией передвижного щита, название полукамерных. Разработка концепции и проекта нового типа судоподъемника была осуществлена коллективом авторов, в который входили ученые и ведущие специалисты-проектировщики СПбГГГУ и Ленгидропроекта.
