Гидравлический расчет судоходного канала

Содержание

Исходные данные

Введение

1. Расчет магистрального канала

1.1 Расчет прямолинейного участка магистрального канала

1.2 Назначение предварительных размеров поперечного сечения канала

1.3 Проверка и уточнение принятых размеров поперечного сечения магистрального канала

1.4 Определение границ крепления откосов канала

1.5 Расчет криволинейного участка магистрального канала

2. Расчет подходного канала

Заключение

Список литературы

Исходные данные

1.      Уровни воды в бьефах:

hВБ = 55м; hНБ = 41м.

.        Основные расчетные размеры судов:

а) грузовое судно:

L_c = 138,0м; Т_с = 3,6м; b_c = 17,0м

б) пассажирское судно:_c = 65,0м; Т_с = 1,9м; b_c = 9,4м

в) толкачи:_c = ___ м; Т_с =___ м; b_c =___ м

г) баржи или приставки:_c =___ м; Т_с =___ м; b_c =___ м

. Расчетная скорость движения судов в канале:

а) грузовые

V_c = 10,6км/ч;

б) пассажирские_c = 15,0км/ч

.        Скорость выхода грузового судна из шлюза в НБ, V_в = 1м/с.

5.      Грунт ложа канала.

.        Схема подходного канала.

.        Средняя высота надводного борта судна, h_б = 1,7м.

.        Водоизмещение судна õ = 0,75.

.        Схема размещения судов и составов в камере шлюзов.

Введение

Водный канал (лат. canalis - труба, жёлоб) - искусственная водная артерия, предназначенная для сокращения водных маршрутов или для перенаправления потока воды.

Существует два основных назначения канала:

ирригационное, канал используется для доставки или отвода воды каналы,

транспортные функции, например для доставки грузов или людей.

Зачастую каналы совмещают в себе обе функции.

Цель создания судоходного канала - соединение бассейнов двух водоёмов в случае отсутствия такового, сокращение пути между двумя водоёмами, обеспечение гарантированного судоходства, решение проблемы транспортной доступности по водным путям пунктов назначения, создание экономически выгодных путей транспортировки.

Судоходные каналы - пресноводные и морские, - которые соединяют реки, озёра и моря, рассчитаны, как правило, на всевозможный водный транспорт - от маленьких лодок до огромных сухогрузов. Судоходные каналы подразделяются на открытые и шлюзованные. Первые из них соединяют водные пути с одинаковым уровнем воды, вторые - водоёмы с разными уровнями.

Главными характеристиками канала является форма и размер его живого сечения, то есть поперечного сечения потока. Форма каналов может быть разнообразной. Часто применяются каналы трапецеидального и полигонального очертания.

Судоходный шлюз - гидротехническое сооружение на судоходных и водных путях для обеспечения перехода судов из одного водного бассейна (бьефа) в другой с различными уровнями воды в них. С двух сторон ограничен затворами, между которыми располагается смежная камера, позволяющая варьировать уровень воды в её пределах.

Целью курсовой работы является изучение специфики плавания по каналам внутренних водных путей.

Основная задача курсовой работы - освоить методику расчета магистрального и подходного канала. Исследуются вопросы устойчивости русел каналов к размыву в нижнем и верхнем бьефах за сопрягающими сооружениями.

судоходный канал шлюз магистральный

1. Расчет магистрального канала

.1 Расчет прямолинейного участка магистрального канала

Поперечное сечение канала в нескальных грунтах рекомендуется принимать полигонального очертания, симметричным относительно продольной оси канала, с креплением откосов, как это показано на рис. 1.

Переход от одного заложения откоса к другому делается на уровне низа основного крепления.

Методика расчета поперечного сечения канала основана на предварительном назначении его размеров с их последующей корректировкой.

.2 Назначение предварительных размеров поперечного сечения канала

Предварительные размеры поперечного сечения канала назначаются исходя из следующих условий:

.        Глубина в канале должна превышать осадку расчетного грузового судна не менее, чем на 30%, т.е. по СНиП 2.06.01-86г.

Н_к=1,3Т_с (1)

Н_к=1,3*3,6м=4,68м

где Тс - осадка расчетного грузового судна.

Таким образом глубина канала должна составлять 5,0м.

.        Ширина канала по дну В₀ из условия безопасного расхождения встречных судов принимается равной

В₀=2,6b_{c (}2)

В₀=2,6*17,0=44,2м

где b_c - ширина расчетного судна.

.        В нескальных грунтах заложения откосов судоходных каналов рекомендуется принимать:

·        подводные от дна до низа основного крепления m₁=4…5

·        в пределах основного крепления m₂=2,5…3,5

·        надводные m₃=1,5…2

4.      Заглубление низа основного крепления под низший судоходный уровень (h_нк) принимается равным 2м (предварительно).

По вычисленным и принятым основным размерам строится поперечное сечение канала (на масштабно-координатной бумаге) и определяются:

·        Ширина канала по урезу В, м;

·        Ширина канала на уровне осадки расчетного судна Вос, м;

·        Площадь живого (поперечного занятого водой) сечения канала Ω, м².

Рис. 1. Поперечное сечение канала полигонального очертания

1.3 Проверка и уточнение принятых размеров поперечного сечения магистрального канала

Установленное в разделе 1.2 предварительное сечение канала проверяется и, если это требуется по результатам проверки, корректируется в соответствии с нижеизложенной методикой:

.        Коэффициент стеснения живого сечения канала не должен превышать значение 0,20 (СНиП 2.06.01-86г.), т.е.

k = ω_с/Ω ≤ 0,2 (3)

Здесь α - коэффициент полноты сечения судна по мидельшпангоуту.

В курсовом проекте принимаем:

α = 0,98 - для грузотеплоходов и барж;

α = 0,85 - для пассажирских судов.

Если условие (3) не выполняется, то необходимо увеличить глубину канала. Увеличение глубины производится с шагом 0,5м до глубины 5,5м.

Если условие (3) не будет соблюдено при глубине 5,5м, то увеличивается ширина канала по дну последовательно на 5-10м.

.        Расчетная скорость судна (V_c) должна соответствовать условию

V_c ≤ 0,9V_{кр (}4)

Здесь V_кр - критическая скорость движения судна по каналу, определяемая по зависимости:

V_кр = (8cos³1/3 [π + arcos (1 - k)]) ^0,5 (gΩ/B) ^0,5 (5)

Если условие (4) не выполняется, то увеличивают глубину канала, а затем и ширину, если это необходимо. π = 180^о; g = 9,81м/с².

.        Глубина канала должна удовлетворять условию:

Н_к ≥ Т_с + Δh₀ + Δh_ос + Δh_в + Δh_с + Δh_з, (6)

где Δh₀ - навигационный запас под днищем, принимаемый для нескальных грунтов равным 0, 20м, для скальных - 0,35м;

Δh_ос - дополнительная осадка судна с дифферентом на корму при его движении.

Δh_ос = α ΔН (7)

где α - коэффициент, зависящий от размеров судна, принимаемый в соответствии с таблицей 1.;

ΔН - среднее понижение уровня воды в кaнале при движении судна.

ΔН = (V₁² - V_c²) /2g (8)

где V₁ - средняя скорость потока обтекания относительно судна.

V₁ = 1,16 [ (1 - k) +Fr₀²] ^0,5cos1/3{π+arcos (2,6Fr₀/ [ (1-k) +Fr₀²] ^1,5) } (2gH_k) ^0,5, (9)

где Fr₀ = V_c/ (2gH_к) ^0,5

Δh_в = 0,3h_вв - Δh₀ - запас на ветровое волнение.

Здесь h_вв - высота ветровой волны.

Если Δh_в ≤ 0, то принимается Δh₀=0.

Δh_с = h_с - Δh₀ - запас на ветровой сгон воды в канале.

Здесь h_с - наибольшая величина сгона воды в канале.

Если Δh_с ≤ 0, то принимается Δh_с=0.

Δh_з - запас на заносимость.

В курсовой работе принимаем

Δh_в = Δh_с = Δh_з = 0

Значения коэффициента α в формуле (7)

.        Ширина канала В_ос на уровне грузовой осадки расчетного судна

должна быть не менее ширины В_∂, вычисленной по формуле (10) с учетом отклонения судна от курса вследствие рысканья или дрейфа под действием ветра и течения.

В_∂ = η (I_csinθ + b_ccosθ + 0,2b_c) (10)

где η - коэффициент, принимаемый для одностороннего движения судов равный 1,15, для двустороннего - 2,0;

θ - угол дрейфа, вычисляемый по формуле (11) и принимаемый не менее 2.

θ = arctg{ [ (V_поп) _т + (V_поп) _в] / V_с}, (11)

где V_с - скорость движения грузовых судов при их расхождении (принимается равной заданной скорости движения по каналу);

(V_поп) _т, (V_поп) _в - скорости перемещения судна нормально к оси судового хода соответствено от действия поперечного течения воды в канале и от действия ветра.

(V_поп) _т принять равной 0,25м/с (снос).

Поперечная составляющая скорости дрейфа судна определяется из условия, что сила давления ветра на площадь надводной части корпуса судна с надстройками равна величине силы сопротивления воды движению судна лагом:

С (V_в²/16) ω_в = αβ (γ/g) ω_л (V_поп) _в² (12)

где С - аэродинамический коэффициент, для грузового судна С=1,4;_в - нормальная к оси канала составляющая скорости ветра, V_в=12м/с;

ω_в, ω_л - площади корпуса судна в диаметральной плоскости соответственно надводной и подводной частей;

ω_в = I_ch_б; ω_л = 0,9I_cT_c

для грузового судна

ω_в = 138*1,7 = 234,6м²;

ω_л = 0,9*138*3,6 = 447,12м²

для пассажирского

ω_в = 65*1,7 = 110,5м²;

ω_л = 0,9*65*1,9 = 111,15м²

h_б - средняя высота надводного борта (см. исходные данные 1,7м);

β - коэффициент, учитывающий влияние ограниченной глубины в канале на сопротивление движению судна лагом.

β = (Н_к/ [Н_к - Т_с]) ^3/2

α - коэффициент сопротивления равный ≈0,5 для безграничного форватера;

γ - удельный вес воды, γ=1000^{кг. с}/_м³

Если ширина канала В_ос окажется меньше, чем В_∂, вычисленная по формуле (10), то следует увеличить ширину канала по дну.

С целью оценки влияния бокового течения (сноса) на угол дрейфа и, как следствие, на увеличение ширины канала, в курсовой работе проверку ширины канала на уровне грузовой осадки расчетного судна произведем дважды:

с учетом бокового течения (V_поп) _т=0,25м/с;

без учета бокового течения (сноса) (V_поп) _т=0м/с.

Для дальнейших расчетов принимаем результат, полученный при (V_поп) _т=0.

.        Скорость потока обтекания относительно берега V_б, соответствующая

принятой скорости движения расчетного судна, не должна размывать ложе канала, т.е.

_б ≤ 1,2V_нр (13)

где V_б = V₁ - V_с;

_нр - неразмывающая скорость грунтов ложа канала (см. табл.1)

Таблица 1. Неразмывающие скорости для грунтов ложа канала

Если условие (13) не выполняется, то или укрепляют подводные откосы с заложением m₁ трудноразмываемым грунтом, либо увеличивают сечение канала.

.4 Определение границ крепления откосов канала

Границы крепления откосов канала зависят от элементов судовых волн. Расчетная высота судовой волны у берега канала определяется по формуле

h = (2,5V_c²/g) (δT_c/I_c) ^0,5 (14)

где δ - коэффициент полноты водоизмещения судна (см. исходные данные, δ=0,75). Расчитаем высоту судовой волны у берега канала:

для грузового судна

V_c=10,6км/ч = 10,6*1000/3600 = 2,94м/с= (2,5*2,94²/9,81) (0,85*3,6/138) = 2,2*0,02 = 0,04м;

для пассажирского

_с = 15,0км/ч = 15*1000/3600 =4,16м/с= (2,5*4,16²/9,81) (0,75*1,9/65) = 4,4*0,02 =0,08м

Высота наката судовой волны на откос определяется по зависимости

h_нв = β (0,5h + 0,05m₂V_c²/g) / (1 - 0,05m₂), (15)

где β - коэффициент, принимаемый равным:

для бетонных облицовок - 1,4;

грузовые

_нв = 1,4 (0,5*0,04 + 0,05*3*2,94²/9,81) / (1 - 0,05*3) =1,4 (0,02+0,13) /0,85=0,25м;

пассажирские

h_нв = 1,4 (0,5*0,08+0,05*3*4,16²/9,81) / (1-0,05*3) =1,4 (0,04+0,26) /0,85=0,49м

для каменного мощения - 1;

грузовые

_нв= 1*0,15/0,85 = 0,18м;

пассажирские

_нв= 1*0,3/0,85 = 0,35м

для каменной наброски - 0,8

грузовые

h_нв= 0,8*0,15/0,85 = 0,14м;

пассажирские

h_нв= 0,8*0,3/0,85 = 0,28м

Верхняя граница основного крепления откосного типа (см. рис. 1) принимается на высоте h_вк над уровнем воды, равной высоте наката волны.

_вк = h_нв (16)

Нижняя граница основного крепления откосного типа принимается от уровня воды на глубине

_нк ≥ 1,8βΩ/В (17)

где β - коэффициент, определяемый по графику на рис. 2

В то же время должны выполнятся условия:

_нк ≥ h, h_нк=2; h_нк ≥ ΔН; h_нк ≥ 2,0м

Рис. 2. График для определения коэффициента β

1.5 Расчет криволинейного участка магистрального канала

При прохождении поворота, судно, совершая циркуляцию, занимает несколько большую полосу движения, нежели при прямолинейном движении. Это требует увеличения ширины канала на участке его поворота.

Уширение канала производится по дну по внешней стороне закругления, как показано на рис. 3.

Рис. 3 Очертание канала по дну на криволинейном участке.

Величина уширения составляет

ΔВ_у = 0,6I_c²/R, (18)

где R = 5I_c - радиус закругления канала.

Принимая во внимание исходные данные для данного курсовой работы, величина уширения будет составлять

для грузового судна

ΔВ_у = 0,6*138²/5*138 = 11426,4/690 = 16,56м;

для пассажирского

ΔВ_у = 0,6*65²/5*65 = 2535/325 = 7,8м

Внешняя граница дна канала на повороте проходит по дуге окружности радиусом

R_в = R + В₀/2 + ΔВ_у (19)

Проведем расчет, согласно исходным данным:

для грузового судна R_в составит

R_в = 690 + 2,6*17/2 + 16,56 = 728,66м;

для пассажирского

R_в = 325 + 2,6*9,4 + 7,8 = 357,24м

Сопряжение прямолинейного участка канала с поворотом (см. рис. 3) производится при помощи двух прямых вставок:

вставки 1-2 длиной равной длине дна,

вставки 2-3 с длиной проекции на ось канала, равной 20ΔВ_у.

Вставка 1-2 проводится по касательной к внешней границе дна в точке 1.

2. Расчет подходного канала

В курсовой работе рассматривается подходной канал к шлюзу, расположенный в нижнем бьефе. Подходные каналы к шлюзу по взаимному расположению их оси и продольной оси шлюза подразделяются на следующие:

·        Симметричные (С) - оси подходного канала и шлюза совпадают. Что отражено на рис. 4;

Рис. 4. Схема симметричного подходного канала к шлюзу.

·        Полусимметричные (ПС) - ось подходного канала смещена относительно оси шлюза в сторону от причальной линии таким образом, что расстояние между лицевой гранью устоев головы шлюза и причальной линией находятся в приделах 0,2 расчетной ширины судна до расстояния, соответствующего симметричному подходу.

Пример ПС подхода представлен на рис. 5.

Рис. 5. Схема полусимметричного подходного канала к шлюзу.

·        Несимметричные (НС) - ось подходного канала расположена по отношению к оси шлюза так, что причальная линия продолжает лицевую грань устоев головы шлюза или смещена от нее на расстояние не более 0,2 расчетной ширины шлюза. Можем рассмотреть на рис. 6.

Рис. 6. Схема несимметричного подходного канала к шлюзу.

Размеры и очертания в лане подходных каналов при двустороннем движении должны обеспечивать безопасное расхождение входящих в шлюз и выходящих из него судов. С этой целью устанавливают необходимые по условиям, выполняемых судами маневров, длины каждого из четырех участков подходного канала, на которые он условно разделен, ширину поперечного сечения канала на уровне проектной глубины и проектную глубину подходного канала. Схема очертания в плане подходного канала к шлюзу представлена на рис. 7.

Рис. 7. Расчетная схема подходного канала.

Длина участка подхода, в пределах которого предусматривается расхождение встречных судов, должна быть не менее величины L_a, определяемой по формуле

_а = L₁ + L₂ + L₃, (20)

где L₁ - длина участка, равная 5I_с;₃ - длина участка, равная ΣI_с - сумме длин одновременно шлюзуемых и устанавливаемых в камере шлюза в кильватер судов;₂ - длина участка, на котором судно при встречном движении переходит с оси шлюза на ось судового хода в проходном канале, определяемая по формуле

₂ = [I_с² + (4R - C) C] ^0,5, (21)

где I_с - длина расчетного судна;

R - минимально допустимый радиус закругления оси судового хода (радиус поворота судна), принимаемый в пределах подходного канала R=3I_с;

С - смещение оси судового хода в подходном канале относительно оси шлюза при выходе или входе судна.

Величина смещения С определяется по формулам:

.        При симметричном подходе

C = 0,6b_c + 0,5Δb, (22)

С = 0,6b_c + 0,5*0,35I_c/R = 0,6b_c + 0,5*0,35I_c²/3I_c

Грузовое судно

C= 0,6*17 + 0,5*0,35*138²/3*138 = 10,2 + 8,05 = 18,25м

L₂= [138² + (4*3*138 - 18,25) *18,25] ^0,5 = [19044+29888,93] ^0,5=221,2м_а= L₁+ L₂+ L₃=0,5*138+221,2+ (138+65) =493,2м

Пассажирское

С= 0,6*9,4 + 0,5*0,35*65²/3*65 = 5,64 + 3,79 = 9,43м₂= [65² + (4*3*65 - 9,43) *9,43] ^0,5 = [4225 + 7266,47] ^0,5 = 107,2м_а= L₁+ L₂+ L₃= 0,5*65+107,2+ (65+138) =342,7м

.        При полусимметричном подходе:

·        для прохода, в котором

,75b_c < a_m ≤ 1,3b_c + 0,25Δb,= 1,9b_c + 0,5Δb - a_m (23)

·        для прохода, в котором

1,3b_c + 0,25Δb < a_m ≤ 1,3b_c + 0,5Δb,

C = a_m - 0,7b_c (24)

.        При несимметричном подходе

Грузовое судно

С= 1,2*17 + 8,05 = 28,45м₂= [138² + (4*3*138 - 28,45) *28,45] ^0,5 = (19044+46303,78) ^0,5 = 255,6м

Пассажирское

С= 1,2*9,4 + 3,79 = 15,07м₂= [65² + (4*3*65 - 15,07) *15,07] ^0,5 = 125,5м

В формулах (22) … (25):

b_c - ширина расчетного судна;

Δb = 0,35I_c²/R - уширение подходного канала;

a_{m -} смещение лицевой грани причала от оси шлюза в пределах от В_пк/2 до В_пк/2+0,2b_с. Здесь В_пк - полезная ширина камеры шлюза.

Ширина судового хода на участках В_п на участках L₂ и L₃ при поочередном движении по кривой судов в двух направлениях принимается равной для однониточных шлюзов

В_п = b + Δb = 2,6b_c + Δb, (26)

а для двуниточных

B_п = 3,9b_c + Δb

Переходный участок L₄ принимается длиной не менее 20 уширений.

Если по расчету длина подходного канала B_п оказывается меньше ширины магистрального канала по дну В₀, то принимается В_п=В₀ на всем протяжении подходного канала. В этом случае переходный участок L₄ не проектируется.

Глубина в проходном канале принимается равной глубине на короле нижней головы шлюза, т.е.

Н_п = h_к, (27)

Ширина канала по дну при выходе из шлюза принимается равной ширине судоходных отверстий в головах шлюза (полезной ширине камеры шлюза) В_пк.

Причальные сооружения располагаются в пределах длины участков подходов к шлюзу L_a с правой стороны судового хода для входящих в шлюз судов. По концам причальных сооружений предусматриваются криволинейные участки с радиусом не менее 0,2I_с, сопрягающиеся с берегом канала.

Длина причальной линии шлюза L_m при двустороннем движении определяется по формуле

_m = L₂ + ΣI_c - γI_c, (28)

где ΣI_с - сумма длин одновременно шлюзуемых и устанавливаемых в камере шлюза в кильватер судов;

γ - коэффициент, принимаемый равным 0,2 при расположении причала в канале или за защитными дамбами и равным 0 в остальных случаях.

На сверхмагистральных и магистральных водных путях угол между направлением касательной к очертанию направляющего сооружения и осью шлюза не должен превышать:

·        для направляющих сооружений (ходовая рабочая пала), расположенных со стороны причальной линии 25⁰;

·        для остальных направляющих сооружений - 50⁰.

Проекция на ось шлюза рабочей части направляющего сооружения, расположенной в пределах судового хода, принимается:

·        для направляющих сооружений, расположенных со стороны причальной линии - не менее 0,5I_c;

·        для остальных направляющих сооружений - не менее 0,33I_с.

Заключение

В данной курсовой работе я рассматривал судоходные каналы, а так же расчёты данных каналов. Канал бывает магистральным и подходным.

Расчёт судоходного канала производится, исходя, из определения его основных размеров и размеров судов, движущихся по каналу.

Список литературы

1.      С.С. Кирьяков, В.А. Дубовицкий, А.Г. Мурадян, В.Б. Тимошина,

2.      1. Гидравлический расчет шлюза и судоходного канала, Москва 2007 год;

.        С.С. Кирьяков, А.Г. Мурадян "Методические Рекомендации по выполнению курсового проекта "Гидравлический расчет шлюза и судоходного канала", Москва 2006 год;

.        С.С. Кирьяков, А.Г. Мурадян, В.Б. Тимохина, Москва 2009 год, Обеспечение судоходных условий на водных путях, Москва 2009 год;

.        В.А. Катенин, А.В. Зернов, Г.Г. Фадеев, Навигационно-гидрографическое обеспечение судоходства на внутренних водных путях, Москва 2010 год;

.        С.С. Кирьяков, В.А. Лавровский, Судоходные каналы, Москва 1998 год;

.        Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования СНиП 2.06.01-86, 29 с;

.        Указания по проектированию судоходных каналов. ВСН 3-70, Л., Транспорт, 1971, 72 с.