Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований
1.1 Водный транспорт леса и его совершенствование 15
1.2 Обзор работ по применению ГТС на лесосплавных реках 20
1.3 Применение и перспективы развития мягких гидротехнических сооружений 22
1.4 Мобильные дамбы в гидротехническом строительстве 27
1.5 Определение параметров мягких ГТС наполняемого типа 35
1.6 Анализ материалов мягких наливных оболочек 38
1.7 ГТС и ихтиофауна 39
1.8 Выводы, цель и задачи исследований 41
2. Технология гидромелиоративных работ
2.1 Совершенствование конструкций мягких ГТС и перспективные об
ласти их применения на лесосплавных реках 44
2.2 Регулирование стока лесосплавных рек 48
2.2.1 Выбор минимальных лесосплавных расходов и расчетных створов 51
2.3 Расчет суточного или многосуточного регулирования стока кратковременными попусками 52
2.4 Расчет каскадов водохранилищ, регулирующих сток кратковременными попусками 56
2.5 Расчет устойчивости мобильного ГТС наполняемого типа
2.5.1 Выбор критериев устойчивости 58
2.5.2 Расчет устойчивости плотины 61
2.6 Выводы по разделу 66
3. Теоретичские предпосылки и методика экспере ментальных исследований сопротивления воды перемещению мобильных гидротехнических сооружений наполняемого типа
3.1 Обоснование способа решения задач 67
3.2 Решение задачи в критериальной форме 68
3.3 Моделирования процесса взаимодействия ГТС с водным потоком 71
3.4 Выводы по разделу 76
4. Экспериментальные исследования гидродинамических характеристик мобильных гидротехнических сооружений
4.1 Методика проведения экспериментальных исследований 77
4.1.1 Диапазоны изменения факторов и масштаб моделирования 77
4.1.2 Модели мобильных гидротехнических сооружений 81
4.1.3 Экспериментальная установка 82
4.1.4 Проведение опытов и обработка информации
4.2 Экспериментальные исследования сопротивления воды продольному перемещению моделей ГТС 86
4.3 Экспериментальные исследования сопротивления воды поперечному перемещению моделей ГТС 92
4.4 Учет влияния ограниченной глубины потока на сопротивление воды перемещению ГТС 4.4.1 Влияние мелководья на сопротивление воды продольному перемещению ГТС 99
4.4.2 Влияние мелководья на сопротивление воды поперечному перемещению ГТС 101
4.5 Выводы по разделу 103
5. Технология организации первоначального лесосплава на малых лесосплавных реках с примене нием мобильных гидротехнических сооружений
5.1 Обоснование лесосплава в микропучках и микропучковых плотах 104
5.2 Организация сплава в микропучках и микропучковых плотах 107
5.3 Технология работ на береговых складах и сортировочно формировочных участках 1 5.3.1 Технология работ на береговом складе при хлыстовой заготовке 108
5.3.2 Технология работ на береговых складах при сортиментной заготовке 111
5.3.3 Технология работ на береговых складах в навигационный период 113
5.3.4 Транспортно-технологическая схема сплава в микропучках с применением мобильных гидротехнических сооружений
5.4 Организация и механизация работ на сплаве 117
5.5 Выводы по разделу 118
6. Рекомендации по проектированию, строительству и эксплуатации мобильных гидротехнических сооружений наполняемого типа
6.1 Требования к применению и проектированию мобильных гидротехнических сооружений 120
6.2 Технология строительно-монтажных работ для использования мобильных ГТС 121
6.3 Техническое обслуживание сооружения 124
6.4 Порядок демонтажа и консервации мобильных ГТС на зимнее хранение 125
6.5 Экономический расчет мобильного ГТС по результатам опытно-промышленной проверки 126
6.6 Выводы по разделу 129
Выводы и рекомендации. 130
Список литературы
- Применение и перспективы развития мягких гидротехнических сооружений
- Расчет суточного или многосуточного регулирования стока кратковременными попусками
- Решение задачи в критериальной форме
- Экспериментальные исследования сопротивления воды продольному перемещению моделей ГТС
Введение к работе
Актуальность темы. Удаленность потребителей древесного сырья от основных лесозаготовительных регионов страны вызывает необходимость транспортировки лесных грузов на большие расстояния. В условиях слаборазвитой сети автомобильных и железных дорог водный транспорт зачастую является единственно возможным способом транспортного освоения регионов РФ со значительными запасами лесных ресурсов.
В настоящее время резко сократилось число рек используемых для водного транспорта леса, это вызвано экономическими причинами, связанными с реорганизацией лесной отрасли и законодательными, связанными с ужесточением экологического законодательства, в частности, запретом молевого лесосплава Водным кодексом Российской Федерации.
Одним из перспективных путей повышения эффективности водного транспорта лесных грузов является организация лесосплава на малых реках и верховьях средних рек, в том числе на тех реках, где в 90–х г. прошлого века был прекращен молевой лесосплав. В связи с этим необходимо дополнительное изучение вопросов связанных с освоением первоначальным сплавом, в том числе малых рек.
Широкое освоение малых рек и верховьев средних рек в лесных массивах является актуальной задачей, ее решение расширит объем лесозаготовок и ускорит вовлечение в эксплуатацию неиспользуемых лесных массивов, позволит сократить расстояния вывозки леса к сплавным рекам, что уменьшит общую стоимость транспортировки древесины.
В настоящее время лесосплав по малым рекам существенно затруднен или невозможен из-за их деградации как водных путей, в связи не проведением необходимых гидромелиоративных работ. В комплекс технических мероприятий мелиоративных работ входит строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений (ГТС). Применявшиеся на лесосплавных реках ГТС имели известные недостатки: высокую стоимость и трудоемкость их строительства; использование специальных конструкций и несовершенство материалов и др.
При ограниченных сроках эксплуатации лесосплавных рек перспективным направлением является применение мягких мобильных ГТС обладающих рядом качеств, отвечающих требованиям лесосплава: мобильностью, что ускорит установку ГТС в створе реки и, при необходимости позволит перемещать их в другие места; минимальным временем строительства с размещением ГТС в руслах рек без предварительной подготовки их основания; низкой стоимостью материалов и высокой степенью заводской готовности, позволяющей устанавливать ГТС в русле реки с минимальными затратами.
Таким образом, актуальность проблемы организации первоначального лесосплава на малых реках и верховьях средних рек, с применением мягких мобильных ГТС для улучшения их гидрологических и эксплуатационных характеристик, не вызывает сомнений.
Степень проработанности темы. Исследованиями в области водного транспорта лесных грузов занимались проф. А.Н. Пименов, проф. В.И. Патякин, проф. Ю.Я. Дмитриев, проф. М.М. Овчинников, проф. А.А. Камусин. Вопросы, связанные с освоение сплавом малых рек и верховий средних рек в связи с рядом объективных причин нуждаются в дополнительном изучении. Для освоения сплавом малых рек необходимо улучшения их гидрологических и эксплуатационных характеристик.
Улучшением характеристик рек с использованием мягких гидротехнических сооружений (ГТС) наполняемого типа занимались отечественные и зарубежные ученые. Мягкие ГТС применяются в различных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве. Установлено, что опыт эксплуатации этих сооружений на лесосплавных реках отсутствует, исследования по применению мягких ГТС наполняемого типа на лесосплавных реках ранее не проводились.
Цель работы: совершенствование технологических решений и средств, для проведения первоначального лесосплава на основе применения мягких мобильных ГТС наполняемого типа.
Задачи исследования, поставленные в соответствии с целью работы:
-
разработать технологию для улучшения гидрологических и эксплуатационных характеристик лесосплавных рек;
-
провести исследования гидродинамических характеристик мягких мобильных ГТС при транспортировке и выполнении различных переместительных операций;
-
исследовать взаимодействие мягкого мобильного ГТС с руслом реки и водным потоком;
-
разработать технологию проведения работ на береговых складах и лесосплавных рейдах для организации первоначального лесосплава.
Объект исследования. Объектом исследования являются мягкие мобильные ГТС наполняемого типа.
Предмет исследования: технология применения мягкий мобильных ГТС наполняемого типа и технологические процессы проведения первоначального лесосплава на малых реках и верховьях средних рек.
Методы исследований. В процессе исследования применялись методы теории планирования эксперимента, методы анализа и математической статистики, а так же теории размерностей и теории подобия.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
технологические схемы применения мягкого мобильного ГТС наполняемого типа для улучшения гидрологических и эксплуатационных характеристик лесосплавных рек;
-
методика и результаты исследований гидродинамических характеристик мягких мобильных ГТС при транспортировке и выполнении различных переме-стительных операций в условиях безграничного потока и мелководья;
-
методика расчёта статической устойчивости сооружения в процессе эксплуатации;
4. технология береговой сплотки на базе мобильных механизированных комплексов, транспортно-технологические схемы для организации лесосплава с применением мобильных ГТС.
Научная новизна работы:
-
разработаны технологические схемы применения мягких мобильных ГТС наполняемого типа для улучшения гидрологических и эксплуатационных характеристик лесосплавных путей и организации лесосплавных работ, отличающиеся минимальным временем транспортировки и установки ГТС, возможностью кратковременного пользования и многократным использованием ГТС в течение одной навигации;
-
исследованы гидродинамические характеристики мягкого мобильного ГТС и получены математические модели для расчёта сопротивления воды перемещению мобильного ГТС в потоке в зависимости от его геометрических параметров и условий транспортировки, отличающиеся тем, что переместительные операции осуществляются на воде за счет обеспечения плавучести ГТС с минимальной осадкой;
-
разработана методика расчёта статической устойчивости сооружения в процессе эксплуатации, отличительной особенностью которой является расчет с учетом разработанной конструкции ГТС и фильтрационных свойств основания ГТС - отсутствие флютбета, синтетический материал оболочки ГТС;
-
разработанные технологии береговой сплотки на базе мобильных механизированных комплексов, транспортно-технологические схема для организации лесосплава, отличаются: отсутствием капитальных стационарных сооружений и привязки к электрическим сетям; высоким уровнем механизации основных работ.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что полученные выводы, положения и экспериментальные результаты обеспечивают:
-
развитие технологий применения мягких мобильных ГТС;
-
дополняют математические модели для расчёта сопротивления воды перемещению подобных тел в потоке в зависимости от геометрических параметров и условий транспортировки;
-
дополняют методики расчёта статической устойчивости ГТС в процессе эксплуатации;
-
развитие технологии береговой сплотки и транспортно-технологических схем на первоначальном лесосплаве.
Практическая значимость работы. Результаты исследований представлены в виде методик расчёта, аналитических и графических зависимостей, технологических схем и практических рекомендаций, позволяющих:
1. сделать обоснованный выбор технологии применения мягких мобиль
ных ГТС наполняемого типа для конкретных производственных условий;
2. провести прочностные и тяговые расчеты доставки на воде мягких мо
бильных ГТС при выполнении различных переместительных операций;
3. рассчитать и обеспечить необходимую статическую устойчивость со
оружения для разных условий эксплуатации;
4. выполнить обоснованный выбор технологии работ и оборудования на береговых складах и на проплаве лесотранспортных единиц.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационная работа соответствует пункту 3 и 6 паспорта специальности 05.21.01– «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»:
– Разработка операционных технологий и процессов в лесопромышленном и лесохозяйственном производствах: заготовительном, транспортном, складском, обрабатывающем, лесовосстановительном и др.
– Выбор технологий, оптимизация параметров процессов с учетом воздействия на смежные производственные процессы и окружающую среду.
Достоверность результатов исследований. Достоверность результатов исследований подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных данных по результатам их анализа и обработки в современных программных средах, с использованием современных методов анализа и математической статистики. Значения коэффициентов корреляции и коэффициентов детерминации подтверждают адекватность полученных математических моделей.
Личное участие автора в получении результатов. Автором разработано техническое решение мягкого мобильного ГТС наполняемого типа [патент на полезную модель № 86601 от 01.06. 2009 г]. На основании исследованных гидродинамических характеристик получены математические модели для расчёта сопротивления воды перемещению мобильного ГТС в потоке и при выполнении пере-местительных операций. Разработаны технологические схемы применения мягких мобильных ГТС наполняемого типа для улучшения гидрологических и эксплуатационных характеристик лесосплавных путей и организации лесосплавных работ.
Реализация результатов исследования. Проведена опытно-
промышленная апробация разработанного мягкого мобильного ГТС наполняемого типа в Щелковском учебно-опытном лесхозе МГУЛ и ГКУ ЯО «Переславское лесничество». Результаты работы внедрены в учебный процесс МГУЛ и используются при подготовке бакалавров и магистрантов по направлению «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на научно-технической конференции Российского Государственного Университета Туризма и Cервиса 2009 г (г. Москва РГУТиС), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГУЛ по итогам научно- исследовательской деятельности за 2010… 2016 гг. (М.О. г. Мытищи МГУЛ).
Публикации. Материалы исследований опубликованы в пяти научных работах общим объемом 0,92 п.л., авторский вклад 0,41 п.л., из них три работы опубликованных в изданиях, рекомендуемых ВАК. Получен один патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов и рекомендаций, содержит 138 страниц
печатного текста, включающих 53 рисунка, 9 таблиц, списка литературы из 72 наименований и 13 приложений.
Применение и перспективы развития мягких гидротехнических сооружений
К собранному флютбету прикреплялись пригрузочные цепи, а к экрану – подвески с лежнями. После этого сначала флютбет, а затем экран протягивался трактором поперек реки. Затем цепи флютбета закреплялись на монтажных сваях, а лежни экрана присоединялись к береговым опорам. Монтаж плотины запанного типа занимал от 1 до 2 дней для бригады из 10… 15 человек [13].
Пропуск леса через плотину запанного типа осуществлялся двумя способами: открытием всего фронта плотины или через отверстие у берега.
Плотины запанного типа использовались на нескольких реках, но, несмотря на многие свои достоинства, широкого распространения не получили. Их недостатком было отсутствием водопропускного и лесопропускного устройств для регулировки величины сбрасываемого расхода воды и пропуска лесоматериалов через плотину без перерыва в её работе, неизбежного при полном её раскрытии.
Плотина каркасного типа ЦЛ–100 рисунок 1.9 была разработана для создания водохранилищ глубиной (напором) не более 3 м без ограничения ширины. Она имеет гибкий флютбет и водонапорный экран, поддерживаемый каркасными опорами. В построенной на реке Вель (Архангельская область) плотине каркасные опоры представляли собой металлические пространственные фермы шириной 1 м, установленные почти вплотную друг к другу. Установка и уборка каркасных опор выполнялась при помощи кабель-крана.
Через отверстия плотин каркасного типа проплав древесины осуществляется на волне попуска так же, как и через отверстия постоянных плотин.
Эксплуатация плотин каркасного типа выявила ряд серьёзных недостатков. Если глухая сборно-разборная часть плотины была рассчитана на многолетнее использование, то деревянное водолесопропускное отверстие приходилось ежегодно строить заново. Опоры каркасного типа, эффективные на жёстком основании, на мягком грунте русла себя не оправдали. Металлоёмкость конструкции оказалась слишком высокой (0,3 т/м) для плотин данного типа.
Для поддержания небольшого подпора на акваториях рейдов и подтопления коротких участков русла с недостаточными глубинами В.А. Островским и С.3. Фарберовой предложена плотина запанного типа с лесопропускным отверстием, названная ими парашютной плотиной рисунок 1.10.
Экран плотины состоит из двух секций, каждая из которых подобна плотине запанного типа. Секции устанавливаются в потоке, работая по принципу парашюта. Создаваемый плотиной подпор зависит от расхода воды и степени сужения русла b/В; определяется гидравлическим расчетом. Ширина отверстия и расчетный подпор назначают обычно для условий межени. Незначительные изменения расхода воды влекут за собой и небольшое изменение величины подпора; в ограниченных пределах ширина отверстия может быть увеличена оттягиванием выпуклых частей оболочки в сторону берегов. Плотины парашютного типа могут иметь еще одно применение: ее секции можно использовать в качестве полузапруд при выправлении русла.
В 1950 г. Н.М. Имбертсоном была разработана первая мобильная дамба, ее усовершенствованные конструкции применяют во многих странах Западной Европы, Азии, Японии и Америки. В СССР мобильные дамбы были внедрены в практику гидротехнического строительства в 1966 г. с целью создания временных водохранилищ, обводнения и орошения.
В зависимости от конструктивных особенностей и используемых материалов мобильные дамбы в гидротехническом строительстве можно классифициро вать по различным основаниям на группы рисунок 1.11.
Японскими учеными были предложены патенты на конструкции однокамерных мобильных плотин с мягкими оболочками. В качестве интересных конструктивных особенностей стоит отметить пригрузочные элементы из каучука и свинца прикрепляемых к внешней стороне оболочки для увеличения веса плотины, дополнительные слои ткани армированных кевларом, для придания большей устойчивости использованы дополнительные элементы крепления, водопропускные устройства для пропуска воды и снижения вибрации, а также рабочие режимы конструкции рисунок 1.12.
Большой вклад в разработку отечественных мобильных гидротехнических сооружений внесли исследования А.Л. Можевитинова, Н.П. Розанова, Б.И. Сергеева, В.Л. Бондаренко, В.А. Волосухина, О.Г. Затворницкого, В.Э. Магула и др.
В.А. Волосухин в 2007 г. предложил конструкцию гибкой дамбы, предназначенной для защиты населенных пунктов, сельскохозяйственных и промышленных объектов от затопления и подтопления при паводках, а также для создания временных перемычек с целью отвода воды в каналах или водохранилищах при проведении строительно-монтажных работ. Гибкая конструкция выполнена из композитных материалов, и представляет собой комбинирование двух замкнутых оболочек с незамкнутой рисунок 1.14.
В последние годы, с развитием нетканых синтетических композитных материалов, стали появляться мягкие наливные ГТС. Эти ГТС представляют мягкие конструкции рукавного типа, которые заполняют водой или гидросмесью, например, пульпой. В настоящее время водоналивные ГТС освоены как отечественной, так и зарубежной промышленностью и выпускаются серийно.
Расчет суточного или многосуточного регулирования стока кратковременными попусками
Для регулирования стока на малых реках и увеличения продолжительности стояния необходимых для сплава уровней и скоростей течения создают одно или несколько водохранилищ аккумулирующих часть речного стока и срабатываемых по графику [28].
В зависимости от местных условий используют следующие основные схемы регулирования стока: – кратковременными попусками из одного водохранилища (суточное или многосуточное), в случаях, когда расстояние от плотины до конца участка, нуждающегося в дополнительном питании, не превышает допустимой для данных условий дальности действия попуска (рисунок 2.4 а); – кратковременными попусками из нескольких последовательно расположенных по длине реки водохранилищ «каскад плотин». Применяют при большом протяжении улучшаемого участка реки, превышающем дальность действия кратковременного попуска из одного водохранилища (рисунок 2.4 б). а. б. Рисунок 2.4 Схемы регулирования стока: а – регулирование стока кратковременными попусками из одного водохранилища; б – регулирование стока кратковременными попусками из нескольких последовательно расположенных по длине реки водохранилищ; 1 – участки нуждающиеся в регулировании стока; 2 – плотина; 3 – водохранилище
При составлении схем регулирования стока эффективная дальность действий кратковременного попуска из плотин принимается в зависимости от среднего уклона улучшаемого участка реки в следующих приделах [28]: – при iср 0,0003 Lmax=15 км; – при iср=0,0003…0,0005 Lmax=25 км; – при iср=0,0005…0,0010 Lmax=40 км; – при iср 0,0010 Lmax=50 км. Волна кратковременного попуска смоделирована в лабораторных условиях гидравлического лотка опытового бассейна МГУЛ с применением модели мобильного ГТС и открытием всего фронта плотины (рисунок 2.5). Рисунок 2.5 Волна попуска в опытовом бассейне
Требования к размещению водохранилищ: – створ плотины выбирают как можно ближе к началу регулируемого участка; если часть его остается за пределами дальности действия попуска, наме 51 чают следующую ступень каскада; – размещают в русле реки без значительных затоплений поймы; плотину располагают перед длинными плесовыми участками или ниже впадения притока, имеющего малый уклон и низкую пойму; – площадь водосбора в створе плотины должна составлять не менее 30 % и до 50 % водосборной площади в расчетном лимитирующем створе, чтобы продолжительность попусков была достаточной.
Сплавопропускную способность реки определяют по расчетным створам, каждый из которых характеризует определенный участок реки. Реку или ее часть делят на расчетные участки и в пределах каждого обеспечивают: – однообразный характер русла (плес, перекат или группа перекатов, порог или группа порогов); – постоянный гидрологический режим, и устья наиболее крупных притоков назначают границами участков; – постоянную или незначительно меняющуюся величину грузопотока. Границы расчетных участков устанавливают по результатам анализа плана и продольного профиля реки или по материалам обследования лесосплавной реки.
В пределах каждого расчетного участка устанавливают один или несколько неблагоприятных для лесосплава «лимитирующих» створов. В число их включают: – створы, характеризующие наибольшей величиной минимального расхода воды и, следовательно, наименьшей продолжительностью лесосплавного периода на порогах, перекатах, плесах с малыми скоростями течения, многорукавных участках и т. д.; – створы, имеющие меньшую сплавопропускную способность и наиболее опасные для образования заторов из-за значительного сужения лесосплавного хода (естественные сужения русла, места наибольшего стеснения сплавного хода лесонаправляющими сооружениями, створы мостов с одним лесопропускным пролетом и т. д.) или с малыми скоростями течения.
Расчетным для определения периода лесосплава принимают лимитирующий створ с наименьшей величиной сплавного расхода, или с наименьшей продолжительностью периода лесосплава. Для установления лимитирующего створа по каждому из лимитирующих створов участка реки определяют величину минимального лесосплавного расхода.
На перекатах и порожистых участках обеспечением на принятой ширине сплавного хода минимальной сплавной глубины [28]: Н cпл =T+ Z, (2.1) где Т – наибольшая осадка сплавной единицы, м; Z – донный запас, принимаемый в зависимости от вида лесосплавных единиц, м; Для плесовых участков, гарантирующих проплав сплавных единиц при встречном ветре [28]: V cпл =0,10... 0,20 м/с. За расчетный сплавной расход в створе принимают наибольший обеспечивающий сплавные глубины или минимальные скорости течения реки.
По значениям Qcпл устанавливают наибольший по каждому расчетному участку реки, а лимитирующий створ принимают за расчетный для определения возможной продожительности сплава на данном участке реки.
Расчет выполняют для маловодного года с обеспеченностью по стоку в 90%. Первоначально устанавливают дату начала и расчетную продолжительность эффективного дополнительного питания.
Регулирование стока начинают когда в лимитирующих створах улучшаемого участка естественные расходы становятся недостаточными для сплава Qлс 2спл. Дату устанавливают по графику расчетной продолжительности сплава. Продолжительность эффективного дополнительного питания в часах определяют для всех лимитирующих створов по формуле [28]: D (2.2) где D - дефицит сплавопропускной способности в рассматриваемом лимитирующем створе; N час– часовая сплавопропускающая способность в том же створе при минимальном сплавном расходе. За расчетную принимают величину п макс, наибольшую по участку. Последующий расчет выполняют в форме ведомости для каждого лимитирующего створа. При выборе расчетного створа и расчетной величины коэффициента форсирования попуска принимают лимитирующий створ, требующий наибольшего расхода попуска.
Решение задачи в критериальной форме
При транспортировке и выполнении переместительных операций во время монтажа мобильные ГТС испытывают сопротивление воды своему движению. Влияния сопротивления воды особенно сильно проявляется при транспортировке таких сооружений по мелководью и при поперечном перемещении во время их установки.
Зависимость сопротивления воды перемещению мобильного гидротехнического сооружения R от скорости этого перемещения V– одна из важнейших гидродинамических характеристик, которая необходима для разработки конструкций сооружений данного типа и технологий их доставки к месту эксплуатации, при разработке методик прочностных и тяговых расчетов. Характер гидродинамического взаимодействия неподвижного сооружения с обтекающим его водным потоком в процессе его установки и эксплуатации и возникающие при этом усилия важны при выборе необходимого оборудования и отработке технологии его монтажа.
Полное сопротивление мобильного ГТС наполняемого типа R при буксировке ее с постоянной скоростью по прямому курсу [33, 34, 35] имеет следующий вид: R=R0+RV+RM+RB, (3.1) где R0 – основная часть полного сопротивления; RV – дополнительное сопротивление из-за влияния струй от винтов буксира при коротком буксирном канате; RM – дополнительное сопротивление, обусловленное влиянием дна при малой глубине; RB – дополнительное сопротивление от волнения. Для исследования процесса гидродинамического взаимодействия сооружений данного типа с водным потоком необходима разработка методики расчета основной части полного сопротивления R0.
Мобильное ГТС, основным элементом которой является мягкая наполняемая оболочка, имеет довольно сложную форму. Вследствие различных характеристик наполнителя, мягкости, гибкости и пластичности оболочки форма сооружения при буксировке способна претерпевать изменения. Теоретически обосновать процесс гидродинамического взаимодействия сооружения данного типа с водным потоком и установить вид расчетной зависимости для определения R0 не представляется возможным. Поэтому для решения этой задачи использован экспериментальный метод.
Исследование натурных образцов сооружений с целью выявления основных гидродинамических характеристик довольно трудоемко и требует значительных затрат сил и средств. Особенно затруднительно в натурных условиях осуществить в полной мере варьирование всех параметров, оказывающих влияние на процесс, а следовательно и применить в исследовании современные методы планирования многофакторных экспериментов.
Кроме того, в натурных условиях не всегда возможно устранить побочные, постороннее факторы, влияющие на объект, и стабилизировать условия опытов.
С учетом этого, исследование мобильных ГТС наполняемого типа выполнено на моделях в гидравлическом лотке и доказано, что моделирование процесса взаимодействия ГТС данного типа с водным потоком возможно. Для этого искомая зависимость представлена в критериальной форме.
На функциональную зависимость величины основной части сопротивления R0 движения ГТС влияют геометрические параметры ее подводной части, инерции и вязкости жидкости, характеристики поля гравитационных сил g, физико 69 механических свойств материала оболочки и скорости обтекания сооружения потоком воды V, которая имеет вид: R0=f(L,D, Т, A,E,p,S,g,V), (3.2) где Т, L и D - средняя осадка, длина и диметр заполненной оболочки, м; А- шероховатость материала оболочки сооружения; Е– модуль упругости оболочки сооружения, Н/м; р - плотность воды, кг/м3; 5- кинематический коэффициент вязкости воды, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с2; V- скорости обтекания сооружения потоком воды, м/с.
В качестве характерного размера сооружения принята его средняя осадка, которая определяется зависимостью: п п где Т- осадка / - го замеренного фрагмента; п– количество проведенных замеров. Геометрические безразмерные параметры, характеризующие габариты сооружения, имеют вид — и —, где L и D - длина и диметр заполненной оболочки. Т D Шероховатость А материала оболочки сооружения характеризуется безмерным параметром —. т Выразив размеры и форму сооружения через один характерный размер и систему безразмерных параметров, выражение для сопротивления R0 запишем в виде: R0=f(T,-, — ,-,E,P,y,g,V) (3.3)
Напряжение оболочки, в соответствии с практикой испытания тонких материалов, определим не на единицу площади поперечного сечения, а на погонную единицу ширины образца. Тогда размерность напряжений и модуля упругости оболочки [ТВ]=[Е]=Н/ м. Для представления искомой зависимости в критериальной форме преобразуем выражение (3.3) к безразмерному виду. Воспользуемся для этого п- теоремой теории размерностей [36, 37, 38]. Число первичных величин в формулах размерностей входящих в выражение (3.3) факторов равно трем (L- длина, т - масса и t - время). В качестве величин с независимыми формулами размерностей принята средняя осадка Т, плотность жидкости р и скорость буксировки V.
Экспериментальные исследования сопротивления воды продольному перемещению моделей ГТС
Основной задачей применения мягких быстровозводимых гидротехнических сооружений наполняемого типа является улучшение гидрологических и эксплуатационных характеристик временно судоходных рек и малых рек. Очевидно, что значительные участки пути буксировка ГТС и переместительные операции на месте установки будут производиться в условиях ограниченных глубин судового хода. На таких участках происходит резкое увеличение сопротивления воды движению, которое необходимо учитывать при проведении путевых и тяговых расчетов, в прочностных расчетах элементов конструкции.
Исчерпывающих теоретических решений вопроса о влиянии мелководья и ограниченной ширины водоема на сопротивление воды движению судов и плотов еще не получено. Экспериментально этот вопрос изучен достаточно детально применительно к речным судам [43, 44, 45, 46 и др.], пучковым плотам [47, 34, 35, 48, 49, 50, 51, 52] и контейнерным составам [53, 54].
Применительно к буксируемым одиночным мобильным ГТС наполняемого типа этот вопрос не изучался. Поэтому разработка методики расчета сопротивления воды перемещению таких объектов в условиях ограниченного потока представляет актуальную задачу.
В общем случае сопротивление воды движению мобильного ГТС в условиях малых глубин (при его буксировке на длинном канате, при отсутствии ветра и волнения), кроме факторов, влияющих на основную часть сопротивления (см. п. п. 3.2), зависит также от глубины судового хода. На данном этапе исследования пренебрегаем влиянием шероховатости русла, а его поперечное сечение принимаем прямоугольным.
Приняв в качестве величин с независимыми формулами размерностей среднюю осадку Т, плотность жидкости p и скорость буксировки V, с помощью ж - теоремы получим выражение в критериальной форме для коэффициента сопротивления мобильного ГТС в условиях ограниченного сплавного хода: Cf = V/1(L/T,T/D,Fr,H/T) (4.10)
В судовой и плотовой гидродинамике для практических расчетов сопротивления воды движению тел в условиях ограниченного судового хода широко используется критерий R = R00 или С" /С00, где Я00и С00 - соответственно сопротивление и коэффициент сопротивления тела (плота, судна т.п.), движущегося в безграничном потоке. Применительно к плотам условиям движения в безграничном потоке соответствуют значения критериев н/т 6 и В/Ь 0,4 [37]. Обозначив коэффициент увеличения сопротивления ГТС при движении по ограниченному сплавному ходу Км = Cf /С00, получим: KM=y/2(L/T,T/D,Fr,H/T) (4.11) Теперь предстоит выяснить, насколько существенно влияют перечисленные факторы на величину коэффициента Км. Как показали исследования М. М. Овчинникова и др. [47, 48], выполненные с 35 модельными пучковыми плотами, различными по габаритам и структуре, отношение Cf /С00 не зависит ни от геометрических, ни от структурных параметров плота.
Этот же вывод был подтвержден при исследовании на мелководье трех натурных плотов с диапазоном L/T от 33,6 до 100 [51] и одного плота, отличающегося от предыдущих своей структурой [47].
Похожие результаты были получены при изучении влияния ограниченных габаритов потока на сопротивление воды движению составов из мягких плавучих контейнеров А.Н. Комякова, которые по своим характеристикам наиболее близки с мягким ГТС наполняемого типа. Тогда первые два фактора в выражении (4.11) можно исключить из числа определяющих параметров. С учетом сказанного выше, выражение в критериальной форме для коэффициента Км упрощается и принимает вид: KM=y/3(Fr,H/T). (4.12) 4.4.1 Влияние мелководья на сопротивление воды продольному перемещению ГТС Для изучения влияния мелководья при продольном перемещении мобильных ГТС была проведена серия из 65 опытов с диапазонами изменения числа Фруда Fr=0,011…0,167 и относительной глубины потока H/T=1,23…6,0.
На начальном этапе важно было определить характер зависимости коэффициента сопротивления от числа Фруда при перемещении на разных глубинах. Из графика на рисунке 4.13 видно, что характер зависимости Сr от числа Фруда одинаков при изменении относительной глубины H/T от своего минимального значения (минимально возможный донный запас), до максимального H/T=6,0, которое соответствуют условию безграничного по глубине потока. Это позволяет сделать предположение о слабом влиянии числа Фруда на коэффициент мелководья, или о полном отсутствии такого влияния.