Обоснование безопасных глубин для крупнотоннажного судна при его выходе из камеры судоходного шлюза тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, кандидат наук Решетников, Максим Алексеевич

• Решетников, Максим Алексеевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Решетников, Максим Алексеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Анализ и пути решения проблемных вопросов прохождения судов через судоходные шлюзы ЕГС Европейской части РФ

1.1. Особенности движения судов на подходах к шлюзам с недостаточными глубинами

1.2 Анализ исследований волновых процессов в подходных каналах и порогах судоходных шлюзов

1.3. Анализ исследований параметров движения судна при заходе в камеру судоходного шлюза и выходе из нее

1.4. Анализ положений нормативно проектной документации, касающейся требований обеспечения безопасности при прохождении судами камеры судоходных шлюзов

1.5. Выводы по анализу проблематики прохождения судов через шлюзы. Постановка цели и задач диссертационного исследования

Глава 2. Теоретические исследования процесса движения крупнотоннажного судна при выходе из камеры шлюза

2.1. Схематизация задачи и основные допущения

2.2. Математическое моделирование волнового режима в подходном канале и на пороге шлюза

2.3. Математическое моделирование гидродинамических процессов, сопровождающих выход судна из камеры шлюза

2.4. Апробации разработанных математических моделей к условиям Чайковского шлюза и постановка решаемых задач

Глава 3. Натурные исследования гидродинамических процессов, сопровождающих выход крупнотоннажного судна из камеры судоходного шлюза

3.1. Натурные исследования характера волнового режима в подходном канале

3.2 Натурные исследования гидродинамических процессов выхода судов из камеры Чайковского шлюза

3.3 Анализ данных о движении судна, полученных в ходе натурных исследований

Глава 4. Систематизация и апробация разработанного научно-методического аппарата к решению практических задач

4.1. Верификации разработанной математической модели волновых процессов на пороге камеры шлюза и ее апробация к условиям работы Чайковского шлюза

4.2. Гидродинамические процессы, при выходе судна из камеры шлюза, особенности структуры водного потока и динамики поведения судна

4.3. Исследование возможности повышения загрузки судов путем корректировки запасов воды под корпусом судна

4.4. Влияние геометрии корпуса судна на его просадку в процессе выхода из камеры шлюза

4.5. Обоснование целесообразности выхода судна на обратную волну при опорожнении камеры шлюза

4.6. Обоснование допустимого снижения запасов воды под корпусом судна при прохождении порогов шлюза

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Библиографический список

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А Копия телеграммы МФР

Приложение Б Справка о внедрении результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование безопасных глубин для крупнотоннажного судна при его выходе из камеры судоходного шлюза»

Введение

Актуальность исследования. Транспорт - одна из важнейших составных частей производственной инфраструктуры России. Развитие транспортной системы становится в настоящее время необходимым условием реализации инновационной модели экономического роста Российской Федерации и улучшения качества жизни населения. Эффективное и устойчивое функционирование транспорта является необходимым условием обеспечения целостности, национальной безопасности и обороноспособности страны, рациональной интеграции России в мировую экономику.

Морской и речной транспорт, наряду с другими видами транспорта и инфраструктурными отраслями, обеспечивает базовые условия жизнедеятельности общества, являясь важным инструментом достижения социальных, экономических и внешнеполитических целей.

Совершенствование транспортной инфраструктуры на основе формирования и дальнейшего развития опорной транспортной сети -инфраструктуры морских, речных портов и внутренних водных путей - является одним из стратегических направлений проводимой государственной политики в транспортном комплексе, полномочием и ответственностью государства. Комплексное решение этой задачи на государственном уровне - необходимое условие для привлечения и развития бизнеса в данном секторе экономики.

Учитывая концепцию развития транспорта Российской Федерации на период до 2030 года, намечается активное вовлечение внутреннего водного транспорта в освоение увеличивающегося грузооборота страны. Наша страна готовится предоставить свои водные пути для транзитного прохождения судов иностранных перевозчиков. Это подтверждается и открытием транспортного коридора «Север-Юг». В среднесрочной перспективе увеличение судопотока через Единую глубоководную систему (ЕГС) Европейской части РФ неизбежно.

В связи с этим в последние годы проблема недостаточной эффективности судопропуска через ряд основных судоходных каналов и гидроузлов европейской части Российской Федерации вызывает все большую озабоченность у Министерства транспорта и у судоходных компаний. Такие участки водного пути как Нижний Новгород - Городец, шлюзы Волго-Балтийского водного пути (ВБВП), Чайковский шлюз и другие являются яркими примерами сложившейся ситуации.

В связи с уменьшением объемов финансирования транспортной инфраструктуры, в частности, судоходных гидротехнических сооружений, в 90-ые годы XX века оно свелось практически к нулю. Это сразу повлияло на объем речных перевозок. Их максимальный объем был достигнут в конце 80-х годов, в 1989 году он составлял более 580 млн. тонн. Позиция внутреннего водного транспорта в транспортной системе России за период 1989-2012 годов существенно ослабла: объем перевозок грузов уменьшился в 4,6 раза и составил в 2012 году 142 млн. тонн.

Одним из факторов столь плачевного состояния является наличие лимитирующих участков на внутренних водных путях Единой глубоководной системы европейской части Российской Федерации. Это приводит к существенному снижению провозной способности флота из-за уменьшения загрузки судов, ограничения скорости прохождения отдельных участков, значительных простоев в ожидании шлюзования. При прохождении флота через Городецкий РГС ожидание может длиться до 3 суток, а в начале навигации 2014 года ожидание увеличилось до 4-5 суток, при этом в июле месяце из-за падения глубин на пороге шлюза движение крупнотоннажного флота прекратилось вообще. В конечном итоге по итогам навигации 2014 года, суммарные потери грузоперевозчиков от недогруза составили порядка 2,7 млрд. руб.

Как показал последующий анализ, наиболее слабым местом в движении судов через шлюзы, находящиеся выше зоны выклинивания от подпора нижерасположенного водохранилища, является точка прохождения порога шлюза. Если в подходном канале имеется возможность углубления, то на

бетонном пороге данной возможности нет. В результате характер поведения судна при прохождении через порог камеры шлюза определяет возможность прохождения участка.

Степень разработанности вопроса ограничивается частными квазистационарными гидравлическими решениями, которые лишь частично описывают качественную картину явления и, как следствие, дают некорректные количественные результаты при применении их к расчетам шлюзов.

Цель диссертационного исследования состоит в исследовании нестационарных гидродинамических особенностей выхода крупнотоннажного судна из камеры шлюза и разработке рекомендаций о возможности повышения загрузки судов с учетом обеспечения безопасности судоходства.

Для достижения этой цели в диссертации поставлены следующие задачи:

• определить основные параметры, оказывающие влияние на безопасный выход судна из камеры шлюза;

• разработать математическую модель волновых процессов в низовом подходном канале, вызванных опорожнением камеры шлюза;

• разработать математическую модель процесса выхода крупнотоннажного судна из камеры шлюза в низовой подходной канал;

• провести натурные исследования волновых процессов и процесса выхода судна из камеры на реальном шлюзе с целью верификации натурных данных с результатами численного моделирования;

• выполнить анализ гидродинамических процессов, сопровождающих выход крупнотоннажного судна из камеры шлюза;

• разработать рекомендации по возможному увеличению загрузки крупнотоннажных судов при их прохождении судоходных шлюзов;

• предложить подход к решению вопроса прохождения крупнотоннажным судном порогов камер шлюзов.

Объектом исследования являются шлюзованные участки ВВП.

Предметом исследования являются гидродинамические процессы, сопровождающие выход крупнотоннажного судна из камеры шлюза в низовой подходной канал.

Научная новизна исследования состоит в разработке комплексного подхода к исследованию взаимодействия системы «судно-шлюз» и включению имеющихся резервов ускорения и безопасности судопропуска в транспортный процесс.

Основные научные результаты проведенного исследования, полученные автором лично, заключаются в следующем:

• на основе проведенного комплексного анализа выявлены основные факторы, оказывающие влияние на процесс выхода крупнотоннажного судна из камеры шлюза;

• разработана математическая модель, описывающая волновые процессы в подходном канале, вызванные опорожнением камеры шлюза, а также проведена ее верификация;

• на базе математического моделирования выявлены особенности волновых процессов в низовом подходном канале на примере Чайковского шлюза и предложены практические подходы по уменьшению волновых колебаний в низовом подходном канале;

• разработана математическая модель процесса выхода судна из камеры шлюза в низовой подходной канал с учетом геометрических параметров как камеры шлюза с подходным каналом, так и крупнотоннажного судна;

• произведено описание кинематической структуры потока, формирующегося в процессе движения крупнотоннажного судна из камеры шлюза;

• выявлена возможность снижения запаса воды под корпусом судна типа Волго-Дон пр.507Б и RSD-44 при выходе из камеры Чайковского шлюза;

• предложена методика повышения загрузки судов при прохождении порога шлюза, основанная на повышение уровня воды в зоне порога, вызванного волновыми процессами в низовом подходном канале;

• разработаны методические положения по определению возможности прохождения крупнотоннажным судном порогов шлюзов с учетом обеспечения безопасности судоходства.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость исследования состоит в развитии теоретических методов исследования как волновых процессов в низовых подходных каналах, так и гидродинамических особенностей взаимодействия системы «судно-шлюз» при выходе судна из камеры шлюза в низовой подходной канал.

Практическая ценность работы заключается в разработке практического исследовательского инструмента для анализа взаимодействия системы «судно-шлюз», включающего исследования волновых процессов в низовом подходном канале Чайковского шлюза и поиске путей увеличения осадки судов при прохождении порога шлюза; возможности использования волновых процессов в низовом подходном канале, вызванных опорожнением камеры шлюза, для повышения загрузки крупнотоннажных судов. Использование предложенной автором методики определения возможности прохождения порогов шлюзов дает основание в каждом конкретном случае уточнять такую возможность при заданном режиме движения судна с учетом как волновых процессов в низовом подходном канале, так и скоростного режима выхода судна из камеры шлюза.

Методологической и методической основой исследования являются новейшие отечественные и зарубежные теоретические и практические достижения в области исследования гидродинамики речного потока, численные методы исследования потоков и получение характеристик гидродинамических процессов, методы математической статистики, технологии проведение натурных исследований, использование теории планирования эксперимента. На защиту выносятся: 1. Результаты натурных исследований влияния основных факторов на динамику процесса выхода крупнотоннажного судна из камеры шлюза в низовой подходной канал;

2. Математическая модель волновых процессов в низовом подходном канале, вызванных опорожнением камеры шлюза;

3. Математическая модель процесса выхода крупнотоннажного судна из камеры шлюза в низовой подходной канал;

4. Результаты теоретических исследований волновых процессов в низовом подходном канале на примере Чайковского шлюза;

5. Результаты теоретических исследований гидродинамических процессов, сопровождающих выход крупнотоннажного судна из камеры шлюза;

6. Предложения по увеличению загрузки судов при прохождении Чайковского шлюза;

7. Методика определения возможности выхода крупнотоннажного судна из камеры шлюза в низовой подходной канал, в условиях ограниченных глубин на пороге.

Достоверность результатов обеспечивается использованием как классических методов научных исследований (постановка эксперимента, теория планирования эксперимента, системы классических уравнений), так и современных методов (численное моделирование) с последующей натурной оценкой адекватности полученных результатов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на второй международной научно-практической ONLINE-конференции ВУЗов водного транспорта «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (2013 г.); Нижегородской сессии молодых ученых (2012, 2014, 2015 гг.); международном научно-промышленном форуме «Великие реки» (2014-2016 гг.) и международной научно-практической конференции Star Russia Conference-2013: «Компьютерные технологии решения прикладных задач тепломассопереноса и прочности» (2013 г.)».

Глава 1. Анализ и пути решения проблемных вопросов прохождения судов через судоходные шлюзы ЕГС Европейской части РФ

1.1. Особенности движения судов на подходах к шлюзам с недостаточными

глубинами

Отказ от первоначального плана заполнения Чебоксарского и Нижнекамского водохранилищ обозначил два наиболее проблемных места на Единой глубоководной системе для внутреннего водного транспорта. Ими стали подходы с нижних бьефов Городецкого и Чайковского шлюзов, так как наличие в них проходных глубин для крупнотоннажного флота напрямую зависит от попусков ГЭС и сбросов воды из камеры шлюза в процессе ее опорожнения. Наличие данной проблемы поставило под угрозу, а отчасти и сделало невозможным в маловодные годы, беспрепятственное движение крупнотоннажного флота. Так это было уже с середины навигации 2014 г. на Городецком районе гидротехнических сооружений (ГРГС). Данные о прохождении судами шлюзов №15,16 ГРГС собраны автором за период времени 23.08.2014-28.08.2014 и приведены в таблице 1.1. В это время уровни воды, а, следовательно, и глубины поддерживались на минимально допустимом уровне за последние десятилетия. В результате на подходах к шлюзам лимитирующими участками стали пороги камер шлюзов, так как если глубины в подходном канале можно увеличить за счет дноуглубительных работ, то понизить отметку бетонных порогов камер шлюза не предоставляется возможным.

Учитывая наличие лимитирующих участков, крупнотоннажные суда вынуждены при низких судоходных уровнях ожидать попусков (сбросов воды) через ГЭС. Последние дают краткосрочное повышение уровня воды для прохода данных участков судами с большими осадками. В результате увеличиваются расходы судовладельца, а также растет время, затрачиваемое на преодоление

лимитирующего участка, резко снижается конкурентоспособность водного транспорта и его инвестиционная привлекательность.

Таблица 1.1 - Данные о прохождении судами шлюзов №15,16 ГРГС в навигацию

2014 г.

№ п/п Судно (* групповое шлюзование) Осадка, м Дата шлюзования Время Шлюзования, мин Направление шлюзования, № шлюза Средневзвешенные по времени глубины на пороге при движении судна в границах камеры, м

Глубина при движении по камере Минимальна я глубина (ориентиров очно) при движении над порогом

1 От 21-27 2.15 23.07 12.23 вниз №16 2.99 2.75

2 От 24-13 2.10 23.07 12.43 вниз №15 2.57 2.52

3 От 20-52 2.30 23.07 13.14 вверх №16 2.64 2.52

4 От 20-67 1.95 23.07 13.29 вверх №15 2.64 2.62

5 От 24-45 2.2 23.07 14.05 вниз №15 2.70 2.42

6 Волго-нефть 56 2.1 23.07 14.19 вниз №16 2.46 2.44

7 Гагарин* 2.5 24.07 9.24 вниз №16 2.84 2.74

8 Россия* 2.65 24.07 12.40 вверх №15 3.38 3.36

9 Междуречье* 2.6 24.07 13.17 вверх №16 3.35 3.34

10 Алдин* 1.55 24.07 13.20 вниз №15 3.20 3.23

11 От 24-20 2.5 24.07 14.03 вверх №15 3.15 3.06

12 Гайдар* 1.5 25.07 8.39 вниз №15 2.05 1.9

13 Плав точка* 0.5 25.07 9.11 вверх №15 2.05 1.99

14 Волгарь 35* 1.4 28.07 8.26 вверх №16 2.03 2.02

15 БТМ 507* 1.65 28.07 11.00 вверх №16 2.08 2.05

16 Волгарь 33 1.7 28.07 12.25 вверх №16 2.15 2.14

Потери от недогруза судов за навигацию 2014 г., вызванные трудностью прохождения шлюзов №15,16 ГРГС, составили 2,7 млрд. руб. При этом движение судов с осадкой более 3,0 м с середины навигации прекратилось. Ненамного лучше была навигация 2015-2016 гг. В результате маловодья сквозное судоходство пассажирского флота было прервано, и по факту вся система ЕГС России разделилась на две части. Таким образом, в сложившейся ситуации судопропускная способность шлюзов стала серьезным препятствием на пути развития транспортной инфраструктуры в нашей стране. Наличие данных затруднительных участков не позволяет использовать весь потенциал пропускной способности прилегающих к ним водных путей. Стоит отметить, что особо остро данная проблема касается Чайковского шлюза.

Проходя по естественной глубоководной части водного пути, судно из-за работы движителей, может иметь просадку корпуса и дифферент на корму, однако не испытывает проблем с нехваткой глубин. На подходе к створам ГЭС и эксплуатируемых гидротехнических сооружений судно попадает в принципиально иную ситуацию. Учитывая почасовое изменение попусков через ГЭС, уровни воды, а соответственно, и глубины на пороге синхронно меняются, т.е. происходит локальный подъем-спад уровня на порогах шлюза. Наиболее ощутима эта ситуация сказывается на Городецких шлюзах, в меньшей степени на Чайковском шлюзе. Глубины в течение часа могут изменяться с амплитудой ±20-30см (как это имело место в 2014 г. на Городецком шлюзе), либо ±50см (на Чайковском шлюзе). Причем это определяется влиянием двух факторов: почасовыми попусками ГЭС и объемами призм опорожнения камеры шлюза. Как показывает практика, на Городецком шлюзе доминирующим фактором уравненного режима является суточные попуски ГЭС [45], а на Чайковском шлюзе - большая призма опорожнения.

На обоих гидроузлах имеет место сложная пространственно-временная картина формирования уровней воды в подходных каналах и на порогах шлюзов. Формируясь с одной стороны попусками ГЭС и подпором их со стороны подходных каналов, на колебания уровней воды накладываются попуски от

сбросов призм опорожнения со стороны камеры шлюза. Если попуски ГЭС имеют прогнозируемость в течение суток, то попуски от опорожнения камер шлюза являются стохастическими вероятностными величинами, что практически исключает прогноз их наступления. Исключением может стать случай введения расписания на опорожнение камеры шлюза, однако, это практически нереализуемо из-за организационных трудностей и влияния человеческого фактора. Таким образом, локальные подъемы и спады глубин напрямую завязаны на характер попусков ГЭС и режим наполнения-опорожнения камеры шлюза.

При движении судна по стесненному каналу (в условиях мелководья) возникает явление просадки судна, вызванной стеснением водного пути и работой движителей, создание в области кормы зоны пониженного давления. Возникает дифферент на корму судна (угол а на рисунке 1.1) и, как результат, увеличение фактической осадки судна.

Рисунок 1.1 - Движение судна по стесненному каналу, Дh - запас воды под

днищем судна

Более сложная картина формируется при входе-выходе судна из камеры шлюза. Как показывают многочисленные исследования и практика, наиболее критичным в этом процессе является момент прохождения судна над порогом шлюза.

Помимо влияния волн на глубину, движение судна при входе и выходе из шлюза характеризуется высоким коэффициентом стеснения водного пути, наиболее близким к единице. Если при движении в канале соотношение площади по миделю-шпангоуту к площади живого сечения канала (коэффициент стеснения) на канале равно 0,5-0,8, то при входе крупнотоннажного судна в

камеру эта величина составляет 0,9-0,95. Это увеличивает просадку, катализатором которой может стать поршневой эффект при непосредственном заходе судна в камеру шлюза. За счет поршневого эффекта перед судном в камере образуется повышение уровня свободной поверхности воды (относительно устоявшегося уровня в камере). Носовая часть судна заходит на повышенный уровень воды в камере, в то время как кормовая часть остается в зоне с незначительным повышением уровня воды. Величина дифферента на корму, с которым судно шло в канале, возрастает из-за дополнительного дифферента, вызванного повышением уровня воды в камере шлюза при заходе судна (угол а+Да на рисунке 1.2).

Рисунок 1.2 - Процесс захода судна в камеру шлюза, ^р - снижение запаса

воды, вызванное дополнительным дифферентом на корму Принципиально иная картина выхода судна из камеры шлюза. Стоит отметить, что значимым фактором, оказывающим наибольшее влияние на просадку судна, является изменения глубин, как на пороге, так и в переходной зоне между порогом шлюза и подходным каналом. Изменение глубины и возможность ее уменьшения вызывается волновыми колебаниями в подходном канале, возникающими вследствие интерференции волн попуска через ГЭС и опорожнения камеры шлюза (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3- Процесс выхода судна из камеры шлюза Как показал анализ нормативной литературы, просадка косвенным образом нормируется только для случая плавания по свободным участкам в виде запаса воды [60]. При этом запас является фактической разницей между глубиной и осадкой судна в статическом положении судна [60]. Аналогичным изъяном страдает и проектно-нормативная литература. Согласно СНиП 2.06.07-87 и актуализированная его версия СП [71] рекомендуют глубину на порогах шлюза, отсчитываемую от расчетного судоходного уровня, принимать в виде следующей простой зависимости:

hk > 1,3 Тс , (1.1)

где Тс - статическая осадка расчетного судна с полным грузом. При этом возникает вопрос, в силу каких причин принят коэффициент 1,3, а не 1,5 или 1,25. К сожалению, в СП не расшифровывается.

Таким образом, по факту не учитывается сложный характер подъема-спада уровня воды в процессе действия поршневого эффекта и полностью игнорируется влияние волн попуска от ГЭС на пороговые глубины. Так как при входе в шлюз крупнотоннажного судна коэффициент стеснения близок к единице, то явления просадки от движения начинает изменяться на дополнительную величину, вызванную стеснением живого сечения. В этом случае помимо просадки образуется волна перед судном, которая вызывает дополнительный дифферент и дополнительную просадку судна. За счет подъема массы воды перед судном, активно перемещающегося по камере шлюза (явление поршневого эффекта),

формируется волновая поверхность, перемещающаяся от верхней головы к нижней и обратно. При этом масса воды в камере начинает существенно превышать объем воды, соответствующий отметке нижнего бьефа в стационарном состоянии. В результате возможны случаи как «поднятия судна» на водную подушку при входе в камеру, так и резкое проседание всего корпуса за счет активизации оттока воды в канал из камеры в районе нижней головы. Наиболее примечательным здесь является то, что уровень воды на пороге, упав до отметки нижнего бьефа, по инерции продолжает снижаться. Тем самым снижается запас под днищем корпуса судна. Как показали натурные измерения на Чайковском шлюзе, величина падения уровня воды на пороге составляет до 15 см.

Таким образом, в процессе входа-выхода судна в камеру, процесс формирования величины запаса глубины под корпусом судна имеет динамический и крайне нестационарный характер из-за развития фронта волновой поверхности и постоянно меняющегося дифферента судна и его просадки над днищем шлюза. Это в конечном итоге и определяет безопасность и саму возможность движения судна через порог шлюза.

Помимо динамики поведения судна над порогом камеры шлюза, крайне важным для формирования глубин на исследуемых участках являются волновые процессы в подходных каналах и порогах камеры шлюза.

При опорожнении камеры в нижнем подходном канале распространяется фронт волны, вызванный местным повышением уровня воды у нижней головы. Волна опорожнения, дойдя до основного русла или нижерасположенного шлюза, отражается от них и идет обратно к воротам нижней головы шлюза, затем она отражается, соединяясь с выходящим из галерей опорожнения потоком воды, и таким образом создаются колебания уровней воды. Процесс трансформации волны опорожнения, вследствие расширения канала за палами, поворотов канала или его локальных сужений канала проявляется в сложной картине колебания уровня. Непосредственное влияние на волновой режим также оказывает и наложение на неуспокоившиеся колебания уровня от предыдущего опорожнения

волновых процессов, вызванных очередным опорожнением или опорожнением второй камеры шлюза.

Длинный низовой подходной канал Чайковского шлюза обеспечивает возможность раскачки уровня воды от опорожнения камеры шлюза. Таким образом, наличие глубин, необходимых для беспрепятственного прохождения крупнотоннажных судов на пороге, зависит не только от попусков ГЭС и уровня в нижнем бьефе, но и от режима опорожнения камеры шлюза. Причем влияние попусков Воткинской ГЭС на Чайковский шлюз почти нулевое, так как, в отличии от Нижегородской ГЭС, Воткинская ГЭС функционирует в базовом режиме. Таким образом, если на Нижегородской ГЭС попуски меняются каждый час, подстраиваясь под почасовое энергопотребление в течение дня, то Воткинская ГЭС почти круглые сутки сбрасывает один и тот же расход. Наряду с особенностью волнового режима, это порождает такое отрицательное явление, как гидродинамическая просадка судна, возникающая при его выходе из камеры судоходного шлюза. Совокупность двух данных явлений в ряде случаев не позволяет осуществлять выход крупнотоннажных судов из камеры сразу же после открытия нижних ворот.

Для подхода судов к шлюзу со стороны верхнего и нижнего бьефов делаются подходные каналы. Обычно канал верхнего бьефа короткий, так как создан дамбами, расположенными на акватории аванпорта шлюза. Каналы нижнего бьефа имеют значительное протяжение: от 1,5 до 6,0—8,0 км при ширине по урезу 70—200 м.

При этом у нижних голов судоходных шлюзов Волжской гидроэлектростанции имени В. И. Ленина при опорожнении камеры уровень повышается на 25—40 см и понижается при возвращении отраженной волны на 15—20 см; общая амплитуда колебания составляет 40—60 см. В нижнем канале Горьковского гидроузла при одновременном опорожнении обеих камер нижних шлюзов амплитуда колебания достигает 90 см. Большие колебания уровней воды наблюдаются в межшлюзовых бьефах между шлюзами. Например, в канале длиной 1700 м между шлюзами Цимлянского гидроузла амплитуда колебаний

достигает 50 см. В межшлюзовых бьефах, имеющих большую ширину, например, на Горьковском гидроузле, волновые колебания не превышают 15 см. При малом запасе глубины на пороге (например, у Цимлянского шлюза) в результате волновых колебаний судно может удариться о днище камеры шлюза.

На ряде шлюзов предусматриваются специальные устройства для уменьшения расходов воды, поступающих в нижний шлюзовой канал. Так, на Угличском и Рыбинском шлюзах весь расход воды из камеры сбрасывается специальными водосбросами в русло реки, в результате в нижних каналах волновых колебаний почти нет. На Волгоградском шлюзе около половины воды отводится в р. Ахтубу, поэтому высота волн в канале значительно снижается.

Таким образом, гидрологический режим нижних шлюзовых каналов и раздельных бьефов определяется во многом величиной максимального расхода и объема воды при опорожнении шлюза, а также размерами каналов. Данные об отражении от русла реки волн, образующихся в нижних шлюзовых каналах, приведены в таблице 1.2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Решетников, Максим Алексеевич, 2017 год

Библиографический список

1. Аверьянов В.К. Гидродинамическое взаимодействие жидкости в бассейне с прямоугольным телом / В.К. Аверьянов // Изв. вузов. Сер. Строительство и архитектура. - 1974. - №4. - С.30-37

2. Атавин А.А. Нестационарные задачи гидравлики открытых русел и судоходных сооружений / А.А. Атавин, О.Ф. Васильев // Механика сплошных сред. Сб. материалов международной конф. по механике сплошных сред. 1966. -С. 75-82

3. Атавин А.А. Численные методы расчета связанных колебаний воды и судов в шлюзах и наклонных судоподъемниках. Определение силового воздействия на судно / А.А. Атавин, О.Ф. Васильев // Изв. Сиб. отд-ние. АН СССР. сер. техн. наук. - 1964. - №6, Вып. 2. - С. 47-58.

4. Атавин А.А. Гидродинамические процессы в судопропускных сооружениях / А.А. Атавин, О.Ф. Васильев, А.П. Яненко. - Новосибирск: Наука, 1993. - 101 с.

5. Баланин В.В. Оптимальные запасы в камерах шлюзов / В.В. Баланин // Речной Транспорт. - 1982. - №10. - с. 40-41.

6. Баланин В.В. Судоходные гидротехнические сооружения / В.В. Баланин // Речной Транспорт. - 1983. -№11. - с. 46.47.

7. Бачернихин В.Н. Идентификация режимов движения судна при шлюзовании и синтез оптимальных по быстродействию программ управления: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Ленинград. ин-т водного транспорта. - Л., 1975. - 20 с.

8. Бачернихин В.Н. Определение сопротивления движения судов при заходе в камеру шлюза по результатам эксперимента / В.Н. Бачернихин, В.О. Тырва, В.В. Ускова // Организация и управление транспортным процессом на водном транспорте. - Л., 1975. - С. 124-129.

9. Васянин А. Д. Исследование и моделирование особенностей процессов захода судна в камеру шлюза / А. Д. Васянин, А. Н. Клементьев // Вестник / ВГАВТ. - Н. Новгород, 2009. - Вып. 26. - С. 31-34.

10. Горнушкина Т.В. Исследование динамической посадки и обеспечение безопасности движения речных составов на ограниченном по ширине и глубине фарватере: автореферат дис. ... канд. техн. наук: 05.22.16 / Горьк. ин-т инж. водного транспорта. - Горький, 1990. - 24 с

11. Зернов Д. А. Критерии оценки судопропуска / Д.А. Зернов // Речной трансп. - 1984. - №8. - с. 38-39.

12. Зернов Д.А. Определение глубины на порогах шлюзов / Д.А. Зернов, С.С. Кирьяков // Речной трансп. - 1968. - №11. - С. 38-41

13. Зернов Д.А. Пропуск крупнотоннажных судов через шлюзы Беломорско-Балтийского канала / Д.А. Зернов, С.С. Кирьяков // Речной трансп. - № 5. - с.36-37

14. Зернов Д.А. Влияние потерь энергии на гидравлические явления, возникающие при движении водоизмещающих судов в каналах / Д.А. Зернов // Тр. Ленинградский ин-т водного трансп. - 1978. - Вып. 162. - с. 74-80.

15. Зернов Д.А. Нормы времени на пропуск судов через шлюзы / Д.А. Зернов // Тр. ЦНИИ экономики и эксплуатации водного трансп. - 1961. - Вып. 18. - с. 86110.

16. Зернов Д.А. Пути повышения пропускной способности судоходных сооружений / Д.А. Зернов // Проблемы повышения эффективности водного транспорта. - М., 1983. - с. 82-88.

17. Зернов Д.А. Резервы повышения пропускной способности шлюзов / Д.А. Зернов // Речной Трансп. - 1974. - №10. - с. 39.

18. Зернов Д.А. Совершенствование организации пропуска судов через шлюз / Д.А. Зернов, С.С. Кирьяков, В.Б. Тимошина // Повышение надежности и эффективности технических средств речного транспорта. - М., 1985. - с. 24-30.

19. Зернов Д.А. Определение допустимых скоростей движения судов в шлюзах / Д.А. Зернов, С.С. Кирьяков, В.Б. Тимошина // Эффективность научных

исследований в области эксплуатации флота и внутренних водных путей. - Л., 1976.- С. 92-103.

20. Зернов Д.А. Расчет просадки и дифферента судов при движении их в каналах / Д.А. Зернов, С.С. Кирьяков // Тр. Ленинградского ин-т водного трансп.

- 1970. - Вып. 129. Водные пути и гидротехнические сооружения. - с. 5-29.

21. Идельчик А.Н. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / А.Н. Идельчик - М.: Наука, 1950. - 550 с..

22. Качановский Б.Д. Гидравлика судоходных шлюзов. / Б.Д. Качановский. - М: Речиздат, 1951. - 265с.

23. Кирьяков С.С. Современное состояние теории расчета дополнительной осадки судов при движении в шлюзах / С.С. Кирьяков // Тр. Ленинградского ин-та водного трансп. 1972. Вып. 132. С. 144-154.

24. Клементьев А. Н. К вопросу проводки крупнотоннажных судов через мелководный участок Н. Новгород -Горьковский гидроузел / А. Н. Клементьев, Г. В. Панкратов // Сб. тр. ВГАВТ. - Н. Новгород, 1999. - Вып. 291, ч. 1. - С. 39-42.

25. Клементьев А. Н. Математическая модель движения судна в процессе захода в камеру шлюза / А. Н. Клементьев // Сб. тр. ВГАВТ. - Н. Новгород, 1999.

- Вып. 291, ч.2. - С. 3-15.

26. Клементьев А. Н. Расчетное определение поперечной составляющей гидродинамических сил на корпусе судна, рулевой силы и их моментов при установившейся циркуляции / А. Н. Клементьев, А. Д. Павельев // Сб. тр. ВГАВТ.

- Н. Новгород, 1999. - Вып. 291, ч. 1. - С. 89-98.

27. Клементьев А. Н. Математическая модель процесса захода судна в шлюз / А. Н. Клементьев, В. М. Бондарчик // Материалы науч.-техн. конф.: "Обеспечение безопасности плавания судов". ВГАВТ. - Н. Новгород, 1999. - Вып. 284. - С. 2627.

28. Клементьев А. Н. Определение безопасной скорости судов при заходе в шлюзы городецкого района гидросооружений / А. Н. Клементьев // Труды ВГАВТ. - Н. Новгород, 1993. - Вып. 268. - С. 118-121.

29. Клементьев А.Н. Безопасность плавания судов на внутренних водных путях / А. Н. Клементьев, В. И. Тихонов, В. И. Трифонов // Труды ВГАВТ. - Н. Новгород, 1997. - 18 с.

30. Клементьев А.Н. Движение и маневрирование судов при прохождении судопропускных гидротехнических сооружений: дис. ... д-ра техн. наук: 05.22.16 / А. Н. Клементьев; ВГАВТ. - Н. Новгород, 1998. - 246 с.

31. Клементьев А.Н. Движение и маневрирование судов при прохождении судопропускных гидротехнических сооружений: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.22.16 / Александр Николаевич Клементьев; ВГАВТ. - Н. Новгород, 1998. - 24 с.

32. Клементьев А.Н. Обеспечение безопасности движения судов в подходных каналах гидроузлов: дис. ... канд. техн. наук: 05.22.16 / Александр Николаевич Клементьев; ГИИВТ. - Горький, 1990. - 194 с.

33. Клюев В.В. Алгоритм совместного решения уравнений неустановившегося движения воды и продольного перемещения судна при выходе из шлюза с применением транзитного попуска воды / В.В. Клюев // Тр. Ленинградского ин-т водного трансп. - 1984. - Вып. 182. - С. 139-143.

34. Клюев В.В. Исследование транзитных пропусков воды через судоходный шлюз / В.В. Клюев // Работа транспортного флота на водных путях. - Л., 1982. -С. 164-174.

35. Клюев В.В. Общая постановка задачи о выходе судна из камеры судоходного шлюза с использованием транзитного попуска воды / В.В. Клюев // Водные пути и портовые гидротехнические сооружения. - Л., 1983. - С. 82-90.

36. Клюев В.В. Повышаем безопасность пропуска судов / В.В. Клюев // Речной трансп. -1975. - №3. С. 40-41.

37. Клюев В.В. Пути ускоренного выхода судов из камеры шлюза / В.В. Клюев // Передовой опыт и новая техника. - М., 1981. - С. 56-64.

38. Клюев В.В. Решение задачи о движении судна в камере судоходного шлюза / В.В. Клюев // Электрооборудование и автоматизированные системы управления судов, гидротехнических сооружений и портов. - Л., 1983. - С. 22-28.

39. Клюев В.В. Ускорение пропуска судов через шлюзы / В.В. Клюев // Речной трансп. - 1981. - №11 - С.36-38

40. Клюев В.В. Ускорение шлюзования транзитным попуском волны: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Ленинградский. политехнический ин-т им. М.И. Калинина. - Л., 1984. - 20с.

41. Клюев В.В. Ускорение пропуска судов через шлюзы / В.В. Клюев, А. Гапеев // Речной трансп. - 1980. - №11. - С. 38-39.

42. Клюев В.В. Определение коэффициента сопротивления воды движению судна в камере судоходного шлюза / В.В. Клюев, Б.В. Коваленко // Водные пути и портовые гидротехнические сооружения. - Л., 1983. -С. 129-136.

43. Комиссаров Н. Особенности маневрирования при проводке судна через шлюз с большим коэффициентом стесненности камеры корпусом судна / Н. Комисаров, М. Чуркин // Реч. трансп. - 1967. - №2. - С. 40-42.

44. Кочин Н.Е. Теоретическая гидромеханика: учебник для университетов. / Н. Е. Кочин, И. А. Кибель, Н. В. Розе //; ред. И. А. Кибель. - 5-е изд., испр. и доп. -М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1955. - 560 с.

45. Липатов, И.В. Прогноз уровней можно уточнить / И.В. Липатов // - Речной транспорт. - 1993. № 4. С. 28-29.

46. Маккавеев В.М. Частные случаи неустановившегося движения при учете сил инерции / В.М. Маккавеев // Тр. ЛИВТа, - 1968. - Вып. 116. - с. 217-222.

47. Малышкин А.Г. К вопросу обоснования схемы организации нефтеперевозок в ограниченных условиях плавания / А.Г. Малышкин // Труды ГИИВТа. Вып. 59. - Горький: ГИИВТ, 1964. - С. 54-72.

48. Мелещенко Н.Т. Применение теории длинных волн малой амплитуды к вопросам суточного регулирования / Н.Т. Мелещенко // Изв. ВНИИГ. - 1940. -т.28, - С. 50-59.

49. Мильцин Д.А. Численное моделирование процесса опорожнения камеры судоходного шлюза / Д.А. Мильцын // Материалы доклада сессии молодых ученых. Технические науки. - Н. Новгород - 2011 г.

50. Мильцын Д.А. Совершенствование головной системы питания судоходного шлюза с короткими обходными галереями: дис. ... канд. тех. наук: 05.23.07 / Мильцын Дмитрий Алексеевич. - Н. Новгород., 2012. - 132 с.

51. Михайлов А.В. Определение гидродинамических усилий, испытываемых судами в камерах шлюзов, путем решения уравнений неустановившегося движения воды / А.В. Михайлов // Тр. ин-та. Гидропроект им. С.Я. Жука. - 1959. - Сб. 2. - С. 1-36.

52. Михайлов А.В. Судоходные шлюзы. - М.: Транспорт, 1966. 340 с.

53. Михайлов А.В. Теория и методика гидравлического расчета шлюзов с учетом неустановившегося движения в камерах и подходах: автореф. дис. ... д-ра. техн. наук / Московский инж. - строит. ин-т. - М., 1957. -32 с.

54. Михайлов А.В., Левачев С.Н. Водные пути и порты. - М.: Высш. шк., 1982. -244 с.

55. Онипченко Г.Ф. Условия захода судов в шлюзы изменились / Г.Ф. Онипченко // Речной трансп. - 1973. - №9. - С. 40-41.

56. Павленко В.Г. Учет трехмерности потока при расчете сопротивления трения речного судна в ограниченном фарватере / В.Г. Павленко, С.Н. Рудин // Тр. Новосибирского ин-т инженеров водного трансп. - 1968. Вып. 23. Гидромеханика судна. - С. 16-31.

57. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / С. Патанкар С. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

58. Похабов В.И. Гидродинамические явления в камере судопропускного сооружения при перемещении в ней судна: автореф. дис. ... канд. техн. наук. -Новосибирский. инж. -строит. ин-т. - Новосибирск, 1990. -23 с.

59. Похабов В.И. Теоретическое решение задачи о перемещении судна в камере судопропускного сооружения / ВНИИ гидротехники. - Л., 1984. - 24с. - Деп. в Информэнерго 07.05.84, № 1475. эк-84Деп.

60. Правила плавания по внутренним водным путям Российской Федерации (утв. приказом Минтранса РФ от 14 октября 2002 г. N 129).

61. Пьяных С.М. Анализ скоростей входа и выхода судов из шлюзов / С.М. Пьяных // Тр. Горьковского ин-т инженеров водного трансп. - 1965. - Вып. 70. Вопросы экономики и эксплуатации речного флота. - С.93-111.

62. Пьяных С.М. Расчет продолжительности группового шлюзования и пропускной способности шлюза / С.М. Пьяных // Тр. Горьковского ин-т инженеров водного трансп. - 1965. - Вып. 70. Вопросы экономики и эксплуатации речного флота. - с. 112-125.

63. Пьяных С.М. Эффективность автоматической швартовки судов при шлюзовании / С.М. Пьяных // Тр. Горьковского ин-т инженеров водного трансп. -1965. - Вып. 103, ч. 2. - С. 26-41.

64. Раев В.А. Регулирование волновых колебаний в судоходных каналах. / В.А. Раев // Сб.науч.тр. ЛИИВТа - 1964. - Водные пути и гидротехнические сооружения, вып.78. - С. 23 - 29.

65. Раев В.А. Теоретические и натурные исследования по регулированию волновых колебаний уровня воды в судоходных каналах при наполнении и опорожнении камер шлюзов: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Ленинградский ин-т инженеров водного трансп. - Л., 1976. - 24 с.

66. Рахматулин Н.М. Волнообразование при заходе судовозной камеры в нижний бьеф и условия отстоя судов / Н.М. Рахматулин // Изв. вузов. Стр-во и архитектура. - 1971. -№11. - с. 113-121

67. Рахматулин Н.М. Натурные теоретические и экспериментальные исследования волнового движения воды в крупных судоходных сооружениях: автореф. дис. ... д-ра техн. Наук / Новосиб. Инж. - строит. Ин-т им. В.В. Куйбышева. - Новосибирск, 1973. - 35 с.

68. Решетников М.А. Натурные исследования запасов глубин под корпусом при прохождении порогов городецких шлюзов / М.А. Решетников, И.В. Липатов // 17 международный научно-промышленный форум «Великие реки 2015». Труды конгресса. - Н. Новгород: ННГАСУ, 2015. - С. 397-398.

69. Семанов Н.А. Исследования эксплуатационных качеств судоходных шлюзов: автореф. дис. ... д-ра. техн. наук / Ленингр. политехнический Ин-т. - Л., 1960. - 35 с.

70. Сидорков И.И. Пропуск судов через шлюз при пониженных горизонтах воды / И.И. Сидорков // Труды ЛИИВТа. - 1974. - № 11. - с. 41 - 46.

71. СП 101.13330.2012 Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.06.07-87

72. Сретенский Л.Н. Теория волновых движений жидкости. М.: Наука, 1977. 816 с.

73. Степанов В.А. Гидродинамика качки судов в жидкости с твердыми границами: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Одесск. ин-т инженеров мор. флота. - Одесса, 1972. - 43 с.

74. Тихонов В. И. Волнообразование и волновое сопротивление / В. И. Тихонов // Вестник ВГАВТ. - Н. Новгород, 2006. - Вып. 18. - С. 28-33.

75. Тихонов В. И. Общие уравнения плоского движения судна / В. И. Тихонов // Сб. науч. тр. ВГАВТ. - Н. Новгород, 1999. - Вып. 291, ч. 1. - С. 58-68.

76. Тихонов В. И. Уравнения Эйлера-Лагранжа для математического моделирования движения системы судно-жидкость / В. И. Тихонов // Сб. тр. ВГАВТ. - Н. Новгород, 1999. - Вып. 291, ч. 1. - С. 43-48.

77. Тихонов В.И. Основы теории динамической системы судно-жидкость: монография / В. И. Тихонов. - Н. Новгород: ВГАВТ, 2007. - 258 с.

78. Тихонов В.И. Совершенствование теории судовождения на внутренних водных путях: дис. ... д-ра техн. наук: 05.22.19 / В. И. Тихонов. - Н. Новгород: ВГАВТ, 2010. - 287 с.

79. Угинчус А. А. Каналы и сооружения на них. - Москва: Гос. изд-во лит. по стр-ву и архитектуре, 1953. - 392 с.

80. Федоров Г.Ф. Движение и шлюзование теплоходов «Волго-Дон» на канале имени В.И. Ленина / Г.Ф. Федоров // Речной трансп. - 1962. - №9. - С. 39-41

81. Фрадкин И.Ю. Определение скорости движения судов через шлюзы / И.Ю. Фрадкин // Речной трансп. - 1971. - №5. С. 40-41.

82. Шанчурова В.К. К вопросу о рациональных скоростях движения грузовых теплоходов по каналам / В.К. Шанчурова // Тр. Горьковский ин-т инженеров водного трансп. - 196V. - Вып. 84. Экономика и эксплуатация речного флота и портов. - С. 93-105.

83. Янковский Л.И. Исследование неустановившегося движения судна на ограниченной глубине / Л.И. Янковский // Гидромеханика. - Киев, 196V. - Вып. 3. Гидродинамика больших скоростей. - С. 9V-106.

84. Brackbill J.U. A continuum method for modelling surface tension / J.U. Brackbill, D.B. Kothe, С. Zemache. - Comput. Phys., 1992., 100. - p. 335-354.

85. De Saint-Venant, B. Fheorie du mouvent non permanent des eaux. Comptes rendus de l'Ac. des Sciences. / De Saint-Venant B.- Paris, 18V1. - р. 60.

86. El Tahry S.H. k-е equation for compressible reciprocating engine flows / S.H. El Tahry // - AIAA J. Energy, - 1983. - No. 4, pp. 345-353.

87. Harlow F.H. Numerical calculation of time-dependent viscous incompress-ible flows of fluid with free surface / F.H. Harlow, J.E. Welch, // - Phys. Fluids, 1982, № 8, pp 2182-2187.

88. Hirt C.W. Volume of Fluid (VOF) method for dynamical free boundaries / C.W. Hirt, B.D. Nicholls// J. Comput. Phys., 1981. № 39, pp.201-225.

89. Launder B.E. The numerical computation of turbulent flows / B.E. Launder, D.B. Spalding, //, Comp. Meth. in Appl. Mech. and Eng., 1974, №3, pp. 269-289.

90. Novgavo I. Influencia de una singularidad de un canal, sobre la propagation de intumessencias / I. Novgavo// Boletion de la Facultad de Ingeneria y Agrimensure de Montevideo (Urugway) - 1956. - v.5, - no.14.

91. Rodi W. Influence of buoyancy and rotation on equations for turbulent length scale / Rodi, W.//, Proc. 2nd Symp. on Turbulent Shear Flows - 1979, v. 1, рр. 25-31.

92. Schlichting, H. Boundary Layer Theory / Schlichting, H.//. 6th Edition, McGraw-Hill, New York, - 1968, 90р.