Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Гидротехническое и энергетическое строительство» М.И. Богданович КОНСТРУКЦИИ КАМЕР СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ Методическое пособие по выполнению курсового проекта Минск БНТУ 2012 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Гидротехническое и энергетическое строительство» М.И. Богданович КОНСТРУКЦИИ КАМЕР СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ Методическое пособие по выполнению курсового проекта на тему «Судоходный шлюз» по дисциплинам «Водные пути и порты», «Водные пути и технический флот» для студентов специальностей 1-70 04 01 «Водохозяйственное строительство», 1-37 03 02 «Кораблестроение и техническая эксплуатация водного транспорта» Минск БНТУ 2012 УДК 626.421.2:378.147.091.313(075.8) ББК 39.112я7 Б 73 Рецензенты: Н.Н. Линкевич, С.П. Гатилло Б 73 Богданович, М.И. Конструкции камер судоходных шлюзов: методическое пособие по выполнению курсового проекта на тему «Судоходный шлюз» по дисциплинам «Водные пути и порты», «Водные пути и технический флот» для студентов специальностей 1-70 04 01 «Водохозяйствен- ное строительство», 1-37 03 02 «Кораблестроение и техническая эксплуатация водного транспорта» / М.И. Богданович. – Минск: БНТУ. – 2012. – 34 с. ISBN 978-985-525-785-2. В пособии содержатся рекомендации и пояснения по выполне- нию разделов курсового проекта на тему «Судоходный шлюз», по- священного проектированию камеры шлюза. Даны рекомендации по выбору конструкции камеры при не- скальном и скальном основании, проектированию поперечного профиля камеры, противофильтрационных и дренажных устройств, а также разрезке сооружений шлюза деформационными швами. УДК 626.421.2:378.147.091.313(075.8) ББК 39.112я7 ISBN 978-985-525-785-2  Богданович М.И., 2012  БНТУ, 2012 3 Введение Проектирование судоходных шлюзов, как и многих других гид- ротехнических сооружений, – это итерационный процесс, при кото- ром запроектированные варианты компоновочных и конструктив- ных решений подвергаются поверочным расчетам и технико- экономическому анализу с целью определения варианта, обеспечи- вающего выполнение сооружением функций в объеме, предусмот- ренном заданием на проектирование, при обеспечении максималь- ной экономической эффективности. Поэтому работу над разделами курсового проекта по теме «Судоходный шлюз», связанными с про- ектированием его камеры, целесообразно разделить на два этапа. На первом этапе, исходя из требований нормативной документации и руководствуясь учебной литературой и настоящим пособием, необходимо в первом приближении выполнить конструирование камеры шлюза, что позволит получить исходный ее вариант. На втором этапе должны быть выполнены поверочные расчеты камеры и по их результатам при необходимости внесены изменения. Пособие включает пояснения и рекомендации по выбору кон- струкции, определению размеров камеры шлюза, дренажных и про- тивофильтрационных устройств. 4 1 КОНСТРУКЦИИ КАМЕР ШЛЮЗОВ Камера шлюза – это канал, ограниченный снизу днищем, по бо- кам стенами и по торцам головами. В зависимости от формы попе- речного сечения они подразделяются на камеры откосные, полуот- косные и с вертикальными стенами. Откосные и полуоткосные ка- меры можно встретить на шлюзах, построенных в XIX и первой половине XX века. В более поздние времена предпочтение отдава- лось камерам с вертикальными стенами. В такой камере удобен от- стой судов и уменьшена, по сравнению с откосными и полуоткос- ными камерами, сливная призма, что позволяет меньше расходовать воды на шлюзование и ускорять пропуск судов. В соответствии с [1], камеры шлюзов классифицируются по трем признакам: типу днищ, наличию и расположению водопроводных галерей и высоте обратных засыпок за стенами. По первому признаку они подразделяются на камеры с водопро- ницаемыми (рис. 1, 2) и со сплошными водонепроницаемыми дни- щами (рис. 3–5). Камеры с водонепроницаемыми днищами могут быть докового типа (рис. 3, а; рис. 4, б–г) или с днищами, разрезан- ными продольным швом, который соответствующим образом уплотняется (рис. 3, б–г; рис. 4, а). В камерах с водонепроницаемы- ми днищами галереи могут отсутствовать (рис. 3), располагаться в стенах (рис. 4, а, б) или находиться в днище (рис. 4, в, г; рис. 5). По- этому по второму признаку различают камеры без водопроводных галерей и с водопроводными галереями, расположенными в стенах или днище. По третьему признаку камеры подразделяются на ка- меры с полными (рис. 1–3; 4, а, в, г; рис. 5) и неполными обратными засыпками (рис. 4, б). 5 а б в г а – с массивными стенами; б – уголковыми контрфорсными стенами; в – уголковыми заанкеренными стенами; г – уголковыми стенами на высоком свайном ростверке: 1 – фундаментная плита; 2 – вертикальный железобетонный элемент; 3 – анкер; 4 – дренаж; 5 – обратный фильтр; 6 – крепление; 7 – сваи; 8 – шпунт; 9 – кривая депрессии при неустановившемся движении фильтрационного потока; 10 – то же, при установившемся; 11 – контрфорс Рисунок 1 – Камеры шлюзов с водопроницаемыми днищами 6 а б а – из железобетонного шпунта с однорядной анкеровкой; б – стального с двухрядной анкеровкой: 1 – песок; 2 – гравийный грунт; 3 – крепление плитами, уложенными на обратном фильтре; 4 – шпунт; 5 – песчаная засыпка; 6 – анкерные тяги; 7 – анкерная плита; 8 – суглинок; 9 – плиты-распорки; 10 – отверстия в плитах-распорках для снятия фильтрационного давления, заполненные камнем; 11 – крепления анкерных тяг Рисунок 2 – Камеры шлюзов с водопроницаемыми днищами 7 а б в г а – с монолитными стенами и неразрезным днищем, расположенная в верхнем бьефе; б – стенами трапецеидального сечения и разрезным днищем; в – контрфорсными стенами и разрезным днищем; г – ячеистыми стенами и разрезным днищем: 1 – продольный шов с уплотнением; 2 – вертикальный железобетонный элемент; 3 – контрфорс; 4 – разрезное днище; 5 – ячеистая стена; 6 – парапет Рисунок 3 – Камеры шлюзов с водонепроницаемыми днищами без продольных водопроводных галерей а б в г а – с рамными стенами и разрезным днищем; б – то же, с неразрезным днищем; в – временно разрезным днищем; г – неразрезным рамным днищем: 1 – водопроводная галерея; 2 – замоноличенная затяжка; 3 – опорные стойки затяжки (стенки галерей); 4 – консоль; 5 – продольный шов с уплотнением; 6 – неполная обратная засыпка; 7 – дренаж Рисунок 4 – Камеры шлюзов с водонепроницаемыми днищами и продольными водопроводными галереями 8 а б в а – частично врубленная в скалу хорошего качества; б – то же, с контрфорсными стенами, заанкеренными в скалу; в – частично врубленные в сильнотрещиноватую скалу: 1 – водопроводная галерея; 2 – анкеры; 3 – дренаж; 4 – контрфорс; 5 – песчаная засыпка; 6 – тонкая облицовка; 7 – слаботрещиноватые породы; 8 – сильнотрещиноватые породы; 9 – днищевая плита; 10 – массивная облицовка; 11 – гравитационная подпорная стенка Рисунок 5 – Камеры шлюзов с водонепроницаемыми днищами на скальном основании9 10 а б а – с массивными стенами треугольного профиля при низком скальном основании; б – то же, c продольными галереями в стенах: 1 – водопроводная галерея; 2 – исходное положение скалы; 3 – выравнивающая облицовка днища; θ – угол наклона тыловой грани стены Рисунок 6 – Камеры шлюзов с водонепроницаемыми днищами на скальном основании 2 ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ КАМЕРЫ ШЛЮЗА Конструкции назначаются в зависимости от габаритов шлюза, напора на шлюз, принятой системы питания, характера основания путем технико-экономического сравнения их вариантов [2]. Приме- нительно к вышеизложенной классификации выбор вариантов сле- дует начать с анализа инженерно-геологических условий строи- тельной площадки. Если в основании залегают нескальные грунты, то выбор можно осуществлять среди конструкций, представленных на рис. 1–4, если скальные – рис. 5, 6. Конструкции, представленные на рис. 1–6, являются наиболее из- вестными [2–9] и могут использоваться студентами в качестве первого приближения при курсовом и дипломном проектировании, что также не исключает возможность применения и иных конструкций. 2.1 Выбор конструкции камеры шлюза на нескальном основании Наибольшими преимуществами в эксплуатационном отношении из представленных на рис. 1–4 конструкций обладают доковые ка- меры (см. рис. 3, а; 4, б–г) [2, 3]. Поэтому их включение в рассмат- 11 риваемые варианты при выборе конструкции камеры шлюза на не- скальном основании практически всегда является целесообразным. При напорах до 5 м как альтернатива доковой конструкции могут рас- сматриваться камеры с водопроницаемыми днищами (см. рис. 1, 2). В конструктивном отношении водопроницаемые днища обычно представляют собой защитное покрытие на обратном фильтре в ви- де каменной мостовой толщиной 0,25–0,4 м, бетонных армирован- ных плит толщиной 0,15–0,3 м, гибких бетонных матов. Обратный фильтр состоит обычно из трех слоев пористого материала различ- ной крупности (например, песка, мелкого и крупного гравия). Тол- щина слоя фильтра 0,2–0,25 м. При использовании гибких матов для устройства обратных фильтров применяются геотекстильные материалы. Крепление защищает дно камеры от размыва и обеспе- чивает фильтрационную прочность грунтов основания при филь- трации воды в камеру или из нее в зависимости от уровня воды. Для достижения более экономичной конструкции стен шлюза применяются железобетонные распорки, установленные на уровне дна камеры (см. рис. 2, б). Обеспечение надлежащей длины филь- трационного контура в основании достигается устройством шпун- тов вдоль одной (см. рис. 1, а, б) или даже обеих граней стены. Стены камер шлюзов с водопроницаемыми днищами, как прави- ло, не имеют водопроводных галерей, что позволяет в этом случае применять конструкции стен облегченного типа: контрфорсные же- лезобетонные (см. рис. 1, б), сборно-монолитные уголкового профиля (см. рис. 1, в), а также из железобетонного или металлического шпун- та на основаниях, позволяющих погружение шпунта (см. рис. 2). При малом отношении напора к глубине, а также в случаях, когда под от- дельно стоящими стенами камер залегают слабые грунты, стены ка- мер проектируются на высоких свайных ростверках (см. рис. 1, г). Из конструкций, представленных на рис. 1, 2, с учетом прочност- ных и фильтрационных характеристик грунтов основания, в дополне- ние к доковой конструкции проектируется еще два-три варианта каме- ры и выполняется их технико-экономическое сравнение. По его ре- зультатам принимается наиболее эффективная конструкция камеры. При напорах 5 и более метров следует проектировать камеры со сплошным водонепроницаемым днищем (см. рис. 3, 4) [2], которое может быть временно разрезным, разрезным и неразрезным (доко- вая конструкция). 12 Временная разрезка днищ камер (см. рис. 4, в) позволяет умень- шить изгибающие моменты и толщины этих днищ за счет предва- рительного обжатия бетона путем растяжения арматуры верхней за- тяжки при неравномерной осадке полусекций днищ, постепенно нагружаемых в процессе строительства стенами и весом обратной засыпки. Однако при этом усложняется производство работ, кото- рое должно вестись по днищу, стенам камер и обратной их засыпке в определенной последовательности. Разрезные днища с постоянным швом в однониточных шлюзах имеют шов по оси камеры. При этом каждая из симметричных по- ловин камеры представляет собой подпорную стену на фундаменте с передней консолью, равной по длине полуширине камеры шлюза. Для разрезных днищ требуются уплотнения продольных швов, га- рантирующие полную их водонепроницаемость, как при значитель- ной разности осадок, так и при перекосах отдельных полусекций камеры. При выполнении этого требования часто встречаются серь- езные затруднения. Выбор между разрезными, временно разрезными и неразрезны- ми конструкциями определяется, в основном, технико-экономичес- кими показателями. При расположении камер шлюзов в верхнем бьефе и наличии в основании грунтов с высокими коэффициентами фильтрации следует безальтернативно предусматривать конструк- цию камер докового типа с неразрезным или временно разрезным днищем (см. рис. 3, а; рис. 4, б–г). При расположении камер в ниж- нем бьефе вариант камеры с разрезным днищем (см. рис. 3, б–г; рис. 4, а) может рассматриваться как альтернатива доковой кон- струкции в том случае, если шлюз расположен преимущественно на связных грунтах основания при отношении высоты стены к полез- ной ширине камеры более 0,6, а также при отсутствии в основании напорных водоносных горизонтов или возможности возникновения таковых после постановки гидроузла или гидротехнического ком- плекса (например, судоходного канала) под напор. 2.2 Выбор конструкции камеры шлюза на скальном основании Конструкция камеры на скальном основании в первую очередь зависит от качества скальных пород. На слабых скальных и полус- кальных породах камеры шлюзов выполняются, как и на нескаль- 13 ных основаниях, железобетонными со сплошным днищем. Вторым принципиальным фактором при выборе конструкции является вза- имное расположение кровли скальных пород относительно дна ка- меры и верха стен. При высокой прочности скальной породы, кров- ля которой лежит ниже или на уровне дна камеры, стены камер мо- гут быть выполнены бетонными треугольного профиля с вертикаль- ной лицевой гранью (рис. 6). Продольные водопроводные галереи распределительных систем питания располагают при этом в нижней части бетонных стен камер (см. рис. 6, б). При залегании кровли скальных пород на промежуточных отметках между дном камеры и верхом стены, стена имеет составную конструкцию (см. рис. 5). Верхняя часть представляет собой подпорную стенку, а нижняя – скальную облицовку, конструкция которой зависит от качества ска- лы. При слаботрещиноватой прочной скале облицовка, закрепленная анкерами, воспринимающими при опорожненной камере давление за стенами, может иметь небольшую (0,5–1 м) толщину, достаточную лишь для выравнивания выемок (см. рис. 5, а). Облицовки камер при слабой скале рекомендуется устраивать массивными, с толщиной, обеспечивающей ее устойчивость под воздействием давления воды со стороны тыловой грани (см. рис. 5, в). Днища камер таких шлюзов выполняются, как правило, в виде плиты, заанкеренной в основание или опертой в стены. При высоком качестве скалы дно камеры мож- но совсем не облицовывать или применять выравнивающую обли- цовку. Выше облицовки стены камер могут выполняться бетонными или железобетонными гравитационными, либо контрфорсными, с за- делкой их тыловой арматуры в скалу (см. рис. 5, б). Таким образом, при выборе конструкции камеры шлюза на скаль- ном основании анализируются физико-механические свойства скаль- ных пород и условия их залегания, проектируется несколько вариан- тов и выполняется их технико-экономическое сравнение. В рамках выполнения курсового проекта рекомендуется считать, что крыша скальных пород залегает на отметках, находящихся на середине меж- ду отметкой дна камеры и верха стены. 14 3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ КАМЕР ШЛЮЗОВ Проектирование выполняется методом последовательных при- ближений. В первом приближении очертания и основные размеры поперечного профиля принимаются конструктивно и в дальнейшем уточняются по результатам статических расчетов. В ТКП [1] имеет- ся два требования в части проектирования поперечного профиля камер шлюзов. 1. Лицевые грани камер шлюзов следует проектировать вертикаль- ными или с уклоном в сторону засыпки не более 50 : 1. Наклонные грани стен должны сопрягаться с вертикальными гранями устоев голов переходным участком в продольном направлении с уклоном не более 1 : 5. Тыловые грани стен камер шлюзов при высоте более 10 м, как правило, следует выполнять с переменным уклоном по высоте. 2. Верх стен, шлюзов, направляющих и причальных сооружений или их парапетов, способных воспринимать навал судов, при рас- четном наивысшем уровне воды не должен быть ниже верхнего привального бруса наибольшего расчетного судна при полной за- грузке и не ниже нижнего привального бруса расчетного судна в порожнем состоянии. Расположение привальных брусьев по высоте борта определяется, как правило, по проектам расчетных судов. Возвышение площадок, расположенных вдоль стен камер шлюзов, причальных и направляющих сооружений над расчетным наивыс- шим уровнем воды должно быть для шлюзов на сверхмагистраль- ных водных путях не менее 2 м, магистральных – не менее 1 м, на водных путях местного значения – не менее 0,5 м. В проектной практике лицевая грань чаще всего принимается вер- тикальной. Это исключает необходимость устройства переходного участка от наклонных стен камеры к всегда вертикальным устоям го- ловы. Если же предполагается возможность смещения верха стены под действием горизонтальных сил со стороны засыпки, то лицевой грани придается соответствующий уклон в сторону засыпки для предотвращения возможного нарушения полезной ширины камеры. На начальных стадиях проектирования, а также при курсовом и дипломном проектировании, положение привальных брусьев рас- четных судов не всегда известно. Поэтому отметку верха стены можно принять на уровне пришлюзовых площадок, считая, что па- 15 рапет не предназначен для восприятия навала судов. Высота пара- пета в соответствии с [2] может быть принята равной 1,1 м, толщи- на 0,5–0,6 м. Парапет, не рассчитанный на навал судов, может быть заменен охранным ограждением, отнесенным от лицевой грани на расстояние, исключающее навал. Для облегчения условий работы нижних наиболее нагруженных сечений стен камер устраивается постепенный переход от лицевой грани стены к днищу (вут) с уклоном 1 : 1 – 1 : 4. Высота вута n должна приниматься не больше величины запаса глубины под дни- щем расчетного судна (n ≤ hl – S), а его ширина m должна учитывать запасы по обводам судна в поперечном сечении (m ≤ Δbs). Массивные стены камер шлюзов со сплошными днищами без продольных водопроводных галерей могут быть близкими по профи- лю к трапеции. Применимы при таких днищах также контрфорсные стены. Ширину понизу трапецеидальных железобетонных стен bст, засыпанных доверху, принимают равной 0,18–0,22 от полной высоты стены, в зависимости от расчетных показателей грунта засыпки и по- ложения уровня грунтовых вод в ней, а ширина поверху b0 в первом приближении может быть принята в пределах 1–1,2 м. При наличии водопроводных галерей в стенах камер нижняя их часть имеет рам- ную, состоящую из стоек и ригеля, конструкцию, очертания которой определяются необходимым по площади поперечным сечением гале- рей. В проектной практике установились примерные наименьшие от- ношения толщин стоек и ригелей к размерам галерей. Боковые стен- ки галерей (стойки) принимаются обычно толщиной не менее 0,2bг, а перекрытие (ригель) – не менее 0,2hг. При предварительном проектировании толщину сплошных нераз- резных днищ в большинстве случаев принимают равной 0,17–0,20 свободной высоты стен камер и не менее 0,1–0,125 ширины камеры. При расположении водопроводных галерей в таких днищах камер последние выполняют рамной конструкции с толщиной перекрытия не менее 2–3 м. Использование изложенных рекомендаций рассмотрим на при- мерах проектирования поперечного профиля шлюзовых камер до- кового типа без водопроводных галерей (рис. 7), с галереями в сте- нах (рис. 8) и днище (рис. 9), а также камеры на прочном скальном основании с залеганием скалы на отметках средних, между верхом стены и дном камеры (рис. 10). 16 Для камер, представленных на рис. 7–10, имеются одинаково определяемые параметры: уклон лицевой грани, высота парапета, ширина стены поверху b0, высота стены Hст. Для камер на рис. 7–9 общим параметром является ширина стены понизу bст, а для камер, представленных на рис. 7, 8 – размеры вута n и m. В рамках курсо- вого проектирования лицевую грань рекомендуется принять вертикальной, высоту парапета – равной 1,1 м, ширину стены поверху – b0 = 1 м. Остальные параметры вычисляются по сле- дующим зависимостям: Hст = hl + Hd + a, где hl – глубина воды в камере; Hd – напор на шлюз; а – превышение верха стены над расчетным наивысшим уровнем воды, принимаемое для шлюзов на сверхмагистральных водных пу- тях, не менее 2 м, магистральных – не менее 1 м, на водных путях местного значения – не менее 0,5 м; n ≤ hl – S, где S – осадка расчетного судна в полном грузу; m ≤ Δbs , где Δbs – запас по ширине между судном и стеной камеры; Hдн = max (Hдн = (0,17 – 0,20)Hст; Hдн = (0,1 – 0,125)bс,ef ); bст = (0,18 – 0,22)Hст. Вышеопределенных параметров достаточно для построения днища, лицевой и тыловой граней камеры шлюза с сосредоточен- ной системой питания (см. рис. 7). Наличие водопроводных галерей в камерах шлюзов с распределительной системой питания влечет за собой некоторые особенности в построении профиля. Если галереи располагаются в стенах, то лицевая грань, днище и тыловая грань выше галереи (выше точки l на рис. 8) строятся, как и на рис. 7, а ниже с учетом того, что верх галереи должен располагаться на 0,5 м ниже минимального уровня воды в камере, при этом потолок вы- пусков из галереи должен быть не выше днища расчетного судна. При размещении галерей в днище камеры (см. рис. 9) лицевая и ты- ловая грани стены проектируется так же, как и у шлюзов с сосредо- точенной системой питания (см. рис. 7). Толщина днища Hдн опре- деляется суммой ширины галереи bг, толщин перекрытия галереи и бетонного массива под галереей, которые принимаются в пределах 2–3 м. В перекрытии галереи проектируется плавно расширяющий- 17 ся водовыпуск (см. рис. 9). При проектировании камеры на прочной скале, которая залегает на промежуточных отметках между верхом стены и дном камеры, можно воспользоваться соотношениями, по- казанными на рис. 10. При этом высота верхней части стены hст вы- числяется как разница между отметками верха стены и кровли скальной породы, а ширина стены понизу определяется выражени- ем bст = (0,18 – 0,22) hст. 1 – стена; 2 – днище; 3 – корпус судна; 4 – лицевая грань стены; 5 – тыловая грань стены; 6 – дренаж; НРУВБ – наивысший расчетный уровень верхнего бьефа; min УНБ – наинизший уровень нижнего бьефа Рисунок 7 – Поперечный профиль камеры докового типа 18 1 – стена; 2 – днище; 3 – водопроводная галерея; 4 – водовыпуск; 5 – корпус судна; 6 – дренаж; 7 – лицевая грань стены; 8 – тыловая грань стены; hг – высота водопроводной галереи; bг – ширина водопроводной галереи; b1 – расстояние по горизонтали от лицевой грани до точки пересечения середины высоты галереи с продолжением lq первого наклонного участка тыловой грани kl; hв – высота водовывуска из галереи Рисунок 8 – Поперечный профиль камеры докового типа с водопроводными галереями в стенах 19 1 – стена; 2 – днище; 3 – галерея; 4 – лицевая грань стены; 5 – тыловая грань стены; 6 – дренаж; hг – высота водопроводной галереи; bг – ширина водопроводной галереи; lвып – длина водовыпуска из галереи Рисунок 9 – Поперечный профиль камеры докового типа с галереями в днище 20 1 – верхняя часть стены в виде уголковой железобетонной конструкции; 2 – тыловая грань верхней части стены; 3 – дренаж; 4 – нижняя часть стены в виде облицовки скалы; 5 – анкера для крепления облицовки к скале; 6 – дренаж за облицовкой; 7 – арматура облицовки; 8 – днище камеры в виде облицовки скалы; 9 – лицевая грань стены; hст – высота верхней части стены Рисунок 10 – Поперечный профиль камеры шлюза на прочной скале, которая залегает на промежуточных отметках между верхом стены и дном камеры 21 4 РАЗРЕЗКА СООРУЖЕНИЙ ШЛЮЗА ДЕФОРМАЦИОННЫМИ ШВАМИ Деформационные швы являются постоянно действующими эле- ментами железобетонных и бетонных сооружений шлюза и распо- лагаются в плоскостях, перпендикулярных оси камеры. Назначение швов: исключить возникновение недопустимых по величине усилий, напряжений и перемещений; предотвратить обра- зование трещин или уменьшить величину их раскрытия в бетонных и железобетонных конструкциях шлюза при неравномерной осадке основания, изменении температуры, усадке бетона при твердении или изменении внешних нагрузок. В шлюзах следует различать по- перечные (расположенные в плоскостях, перпендикулярных оси шлюза) и продольные швы [2, 3]. Поперечные сквозные швы, как правило, устраиваются между головами и камерой с одной стороны, головами и причалами – с другой, а также между секциями камер и причальных и направля- ющих сооружений. Виды швов: – постоянные (температурно-осадочные, осадочные); – временные (строительные). Постоянные швы должны обеспечивать возможность взаимных перемещений частей сооружений как во время строительства, так и во время эксплуатации. Временные строительные швы должны обеспечивать: – снижение температурно-усадочных напряжений в бетоне в процессе возведения сооружений; – снижение усилий, вызванных неравномерной осадкой частей сооружения в строительный период; – соблюдение требуемой интенсивности работ по возведению сооружения; – унификацию армоконструкций, опалубки, сборных элементов и т. п. Постоянные поперечные швы (рис. 11) могут быть сквозными, разрезающими все сооружение на отдельные секции, и несквозны- ми – в виде надрезов, проходящих в верхней части сооружения, в зонах, подверженных значительным колебаниям температуры (вы- ше отметки ↓ = min УНБ – 0,5 м) [2]. 22 В первом случае швы выполняют функции температурно-осадоч- ных, во втором – только температурных. а б а – секции одинаковой длины; б – то же, с промежуточными швами: 1 – верхняя голова; 2 – температурно-осадочные швы; 3 – камера; 4 – нижняя голова; 5 – температурный шов; l – длина секции камеры; r – расстояние между температурными швами Рисунок 11 – Разрезка камер шлюзов деформационными швами на секции Расстояние между постоянными, а также временными попереч- ными швами в пределах камер, причальных и направляющих со- оружений шлюзов зависит от климатических и геологических усло- вий, конструктивных особенностей сооружения, последовательно- сти производства работ и т. п. и определяется расчетом в соответ- ствии с указаниями СНиП 2.06.08–87 «Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений». При выполнении курсового или дипломного проекта необходимо запроектировать постоянные деформационные швы – температур- но-осадочные и температурные. В первом приближении расстояния между ними могут быть приняты без расчета в соответствии со сле- дующими рекомендациями. В шлюзах на скальных грунтах температурные и осадочные швы обычно объединяют и устраивают сквозными от верха стен до низа фундаментной плиты или днища (рис. 11, а). Расстояние между ни- ми должно быть не более 30 м. В сооружениях, расположенных на нескальных основаниях, эти расстояния, как правило, не должны превышать для сквозных температурно-осадочных швов 35 м, не- сквозных температурных швов – 15 м [2]. 23 При надежном скальном основании швы могут быть только темпера- турными. Они должны перекрываться водонепроницаемыми шпонками. При разрезке сооружения швами следует стремиться к получе- нию однотипных секций. Расположение швов необходимо увязывать с размещением при- чальных приспособлений в камере и водовыпусков из водопровод- ных галерей. Продольные постоянные швы в камерах с разрезными днищами устраиваются по оси камеры. Ширина постоянных температурных и осадочных швов должна назначаться с учетом возможных перемещений смежных секций со- оружения таким образом, чтобы они не оказывали давления одна на другую. Толщина температурного шва не должна быть меньше величины расширения бетонного массива при колебаниях температуры в пе- риод эксплуатации и может быть определена по формуле jtt ltl ∆α=∆ , где αt – коэффициент линейного расширения бетона, приблизительно равный 0,00001; lj – длина бетонной конструкции, равная расстоянию между швами; ∆t – величина разности средних температур наиболее жаркого и холодного месяцев, определяемая по СНиП 2.01.01–82 «Строитель- ная климатология и геофизика». Если шов выполняет функции температурно-осадочного, толщи- на его увеличивается от значений ∆lt внизу до ∆lmax вверху: ∆lmax = ∆lt + ∆lset. При этом ∆lset = s j h l SS 21 − , где ∆lset – толщина шва, необходимая для исключения навала одной конструкции шлюза на другую при их неравномерной осадке; 24 S1 и S2 – осадки концов рассматриваемой конструкции длиной lj , полученные соответствующим расчетом; hs – возвышение сечения, в котором определяется толщина шва над основанием. Ширина температурно-осадочного шва в камере чаще всего нахо- дится в пределах 1–3 см. На практике она обычно увеличивается сту- пеньками от толщины в пределах днища или ниже уровня нижнего бьефа ∆lt до наибольшей толщины ∆lmax по верху стен шлюза. Температурно-осадочные швы при малой их толщине создают наклейкой на торцевые грани ранее забетонированных блоков би- тумных матов, 2–3 слоя рубероида и тому подобных материалов. При толщине швов более 2–3 см их образуют установкой тонких дощатых щитов или песчано-битумных плиток. Водонепроницаемость температурных и температурно-осадоч- ных швов достигается перекрытием их уплотняющими шпонками. Из шпонок, применяемых на гидротехнических сооружениях, на толстых конструкциях судоходных шлюзов распространены внут- ренние шпонки с изогнутым из меди или нержавеющей стали ли- стом, с заливкой битумными смесями и прокладкой канатов; на бо- лее тонких – тыловые и донные шпонки с упругими уплотняющими материалами (синтетическим, техническим войлоком и резиной) и битумной заливкой [6]. Специфическими для судоходных шлюзов являются лицевые шпонки с прижимным резиновым или синтетическим материалом, ко- торые можно легко ремонтировать при зимнем осушении камеры [9]. Бетонные конструкции шлюзов, расположенные в пределах агрессивных по отношению к ним грунтовых вод, должны быть за- щищены от постепенного разрушения путем устройства водонепро- ницаемой гидроизоляции. В шпунтовых стенах нет необходимости устраивать температурные швы, так как зазоры между отдельными шпунтинами всегда превы- шают возможное изменение их ширины под влиянием температуры. При строительстве низконапорных шлюзов с водопроницаемым днищем из сборных железобетонных элементов особое внимание сле- дует обращать на перекрытие швов между сборными элементами ка- мерных стен. Конструкция перекрытия должна обеспечивать грунто- и водонепроницаемость швов в условиях переменного напора воды, а также быть простой в строительстве и надежной в эксплуатации. 25 5 ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЕ И ДРЕНАЖНЫЕ УСТРОЙСТВА ШЛЮЗОВ Судоходные шлюзы, как и другие напорные гидротехнические со- оружения, поддерживают на занимаемых ими участках напорного фронта разность уровней воды в верхнем и нижнем бьефах гидроуз- ла. Особенностью судоходных шлюзов является попеременность восприятия напора в процессе эксплуатации то одними, то другими частями сооружения. Действующий при этом напор очень быстро, в течение нескольких минут, возрастает от нуля до наибольшего его расчетного значения и снова падает. Поэтому, фильтрационные про- цессы, сопровождающие наполнение и опорожнение камер шлюзов, рассматриваются в условиях неустановившегося движения. Условия фильтрации воды под судоходными шлюзами и в обход их в большой степени зависят от конструкции камеры (с водоне- проницаемым или водопроницаемым днищем) и расположения ка- мер шлюза по отношению к напорному фронту гидроузла (в верх- нем или нижнем бьефе). Эти факторы определяют и схемы необхо- димых противофильтрационных и дренажных мероприятий. Камера с водонепроницаемым днищем представляет собой в фильтрационном отношении замкнутую коробку, которая обтекает- ся фильтрационным потоком снизу при напорном движении воды под ней; сбоку – при безнапорном движении в обход сооружения. Такая фильтрация воды, ввиду относительно медленного изменения уровней воды в бьефах, носит установившийся характер. В шлюзах с камерами, имеющими водопроницаемое днище, общее движение фильтрационного потока из верхнего бьефа в нижний «корректиру- ется» неустановившейся фильтрацией воды. При опорожненной ка- мере неустановившаяся фильтрация в нее происходит из верхнего бьефа под верхней головой и из обратной засыпки под стенами. При наполненной камере – в нижний бьеф под нижней головой и в об- ход ее, а также в обратную засыпку под стенами. При наиболее распространенном расположении шлюза в нижнем бьефе в напорный фронт входит верхняя голова шлюза, и условия движения фильтрационного потока в пределах других его частей определяются в основном схемой противофильтрационных устройств верхней головы и дренажа в обратных засыпках камеры. При расположении однокамерного шлюза в верхнем бьефе в напор- 26 ный фронт входит нижняя его голова. В этом случае условия дви- жения фильтрационного потока под шлюзом и в обход его опреде- ляются не только схемой противофильтрационных устройств у этой головы и дренажем в обратной засыпке камеры, но и самой схемой засыпки. При расположении камеры шлюза в нижнем бьефе и отсутствии при этом дренажных устройств в обратной засыпке камеры уровень фильтрационных вод падал бы в ней постепенно от уровня верхнего бьефа перед верхней головой до уровня нижнего бьефа за нижней головой. Уровень воды за стенами стоял бы очень высоко. Это сильно утяжеляет конструкции стен и днищ камер. Так как суммар- ная длина голов и камеры шлюза со сплошными днищами, как пра- вило, превышает необходимую и безопасную длину путей фильтра- ции под сооружением и в обход его, для понижения уровня грунто- вых вод за стенами устраивают открытый (см. рис. 1, а, б) и закрытый (рис. 1, в; рис. 4, 5) дренажи. Они удерживают наивыс- ший уровень грунтовых вод за камерными стенами на определенной отметке, промежуточной между отметками верхнего и нижнего бьефов. При значительных колебаниях уровней нижнего бьефа дно дре- нажа за стенами камеры однокамерного шлюза следует располагать у нижних голов немного (на 1 м) выше наивысшего уровня этого бьефа с расчетной вероятностью превышения в 10 % для шлюзов на магистральных водных путях и 20 % – для шлюзов на водных путях местного значения [1]. При выполнении курсового проекта в каче- стве наивысшего уровня можно принять паводочный уровень нижнего бьефа (ПУНБ) из задания на проектирование. Во всех случаях, когда это возможно по компоновке гидроузла и планировке шлюзовой территории, предпочтительнее открытые, трапецеидальные дренажи, легкодоступные для ремонта. Они име- ют вид глубоких кюветов с дном и откосами, покрытыми обратны- ми фильтрами и креплением (см. рис. 1, а, б; рис. 12). Фильтраци- онные воды из них выводятся в нижний бьеф дренажными трубами (обычно в районе нижних палов). На сверхмагистральных и маги- стральных водных путях закрытые дренажи шлюзов, расположен- ные в песчаной засыпке, следует выполнять проходными с верти- кальными колодцами не реже, чем через 50 м для обеспечения надежной их работы и возможности ремонта. На водных путях местного значения дренажи шлюзов могут выполняться трубчаты- 27 ми, чистка их может производиться через смотровые колодцы, по- этому диаметр труб должен быть не менее 0,5 м. В отдельных случаях, в частности при наличии в основании шлюзов прослоек грунтов с напорными водами, горизонтальные дренажи приходится дополнять вертикальными разгрузочными скважинами. Дренажи вдоль камер шлюзов должны устраиваться с про- дольным уклоном не менее i = 1 : 500 в сторону нижнего бьефа, чтобы в них не застаивалась вода (при возможной осадке дре- нажа из-за неравномерных осадок засыпки). В плане начало дре- нажа обычно располагают у низовой грани верхней головы – в начале камеры (см. рис. 12). При сплошных водонепроницаемых днищах камер шлюзов длина пути фильтрации из верхнего бьефа в дренаж камер в обход верхних го- лов и под ними обычно достаточно велика. Поэтому опасность пред- ставляет только сосредоточенная (контактная) фильтрация по сопряже- нии обратной засыпки с поверхностью бетона тыловых граней голов. Для ограничения контактной фильтрации вдоль тыловых граней верхних голов обычно выполняют засыпку их пазух из маловодо- проницаемых связных грунтов. Но около бетона устоев голов труд- но хорошо уплотнить грунты, особенно глинистые и суглинистые. Кроме того, обратные засыпки верхних голов, устраиваемые даже из достаточно пластичных при укладке связных грунтов, часто те- ряют влажность; некоторые разновидности суглинков сжимаются. Все это, как показал опыт строительства ряда шлюзов, приводило к тому, что к началу эксплуатации в некоторых случаях глинистые засыпки верхних голов отставали от бетона, что вызывало сосредо- точенную фильтрацию вдоль тыловых граней голов при подъеме напора. Поэтому для предотвращения опасной контактной филь- трации вдоль голов необходимо принимать конструктивные меры: а) устраивать выступы бетона на тыловых гранях головы или за- бивать в глиняную шпору, перпендикулярную устою головы, ко- роткую, около 10 м, линию металлического шпунта (см. рис. 12); б) возводить низовую часть обратной засыпки голов из песка, что обеспечивает заиливание возможных щелей между глинистой обрат- ной засыпкой и бетоном головы после того, как она примет напор; в) расширять и усиливать начальные участки дренажа. 28 Не следует придавать тыловым граням голов уклона в сторону обратной засыпки, а также устраивать на них горизонтальные вы- ступы и консоли. 1 – суглинистая шпора; 2 – выступы из тыловой грани устоя головы; 3 – стальной шпунт; 4 – обратный фильтр; 5 – открытый дренаж; 6 – устой головы; 7 – песчаная часть обратной засыпки Рисунок 12 – Противофильтрационные мероприятия у верхней головы шлюза Такие выступы, имеющиеся на ряде построенных шлюзов, силь- но затрудняют борьбу с фильтрацией при постановке шлюза под напор, а в дальнейшем – эксплуатационные ремонтные работы, в частности по досыпке осевших засыпок. Условия фильтрации воды вокруг верхней головы в дренаж ка- меры отличаются в тех случаях, когда: а) камера расположена в те- ле основного земляного напорного сооружения; б) к верхней голове шлюза подведены напорные дамбы, а через нижнюю проходят насыпи дорог. В первом случае дренаж собирает воду только у верхней головы шлюза, так как фильтрующая через тело напорного земляного со- оружения вода перехватывается его дренажем. 29 Во втором случае воду, собранную дренажем дамб, примыкаю- щих к верхней голове, рекомендуется отводить в нижний бьеф че- рез голову, а не по трубам под дорожными насыпями у нижних го- лов, как это иногда делалось. При расположении камеры шлюза в верхнем бьефе чаще всего встречаются два типичных случая, суще- ственно различающихся в фильтрационном отношении. В первом случае верхняя голова и камера не обсыпаны доверху (см. рис. 6), весь напор сосредоточивается на нижней голове, вхо- дящей в состав напорного фронта гидроузла. Во втором случае камера имеет широкую или узкую обсыпку (рис. 13). Узкая обсыпка выполняется для создания пришлюзовой площадки и уровень грунтовых вод в ней формируется в зависимо- сти от уровней верхнего и нижнего бьефов. В широкой обсыпке ка- меры расположен закрытый дренаж; при этом ширина обсыпки и плановое положение дренажа в ней определяется как фильтрацион- ной работой дренажа, так и необходимостью обеспечить возмож- ность зимней раскопки дренажа для ремонта без снижения подпор- ного уровня воды. Выбор между вторым вариантом, при котором на нижней голове шлюза необходимы более простые противофильтрационные меропри- ятия из-за падения уровня вода в засыпке перед головой, и первым, где эти мероприятия сложнее и дороже, но затраты по камере шлюза и об- сыпке меньше, производится при технико-экономическом их сравне- нии. Следует отметить, первый вариант используется чаще, особенно при расположении шлюза на скальном основании. При водопроницаемом днище камеры каждая из голов шлюза является в фильтрационном отношении самостоятельным подпор- ным сооружением, воспринимающим напор, равный наибольшей разности уровней воды перед соответствующей головой и за ней. Поэтому каждая из голов должна иметь самостоятельный достаточ- но развитый подземный контур. Он включает в себя обычно, кроме днища и устоев голов, понуры, шпунты, обратные фильтры и дре- нажи (рис. 14). На верхних головах со стенкой падения понур, как правило, удлиняют, забивая глинистым грунтом глубокую верхо- вую пазуху. 30 1 – закрытый дренаж в широкой обратной засыпке; 2 – узкая обсыпка, образующая пришлюзовую площадку; 3 – крепление откоса пришлюзовой площадки; max УГВ – наивысший уровень грунтовых вод в широкой обратной засыпке Рисунок 13 – Схема камер шлюзов в верхнем бьефе Подпорными сооружениями являются в данном случае и камерные стены, под которыми при наполненной камере происходит фильтрация в обратную засыпку; при последующем же опорожнении идет филь- трация воды из обратной засыпки в камеру (см. рис. 1, а). Такие усло- вия фильтрации вызывают зачастую необходимость устройства до- статочно развитого подземного контура камерных стен, включаю- щего шпунтовый ряд вдоль стены, а также крепление дна камеры на обратном фильтре. 1 – водопроводная галерея для наполнения шлюза; 2 – верхняя голова; 3 – нижняя голова; 4 – шпунтовый ряд по торцам верхней и нижней голов; 5 – водопроводная галерея для опорожнения шлюза; 6 – крепление, уложенное на трехслойном обратном фильтре; 7 – глиняный понур Рисунок 14 – Продольный разрез шлюза с водопроницаемым днищем 31 По мере увеличения напора на шлюзы с водопроницаемыми днищами приходится расширять границы подземного контура го- лов, особенно при песчаных грунтах основания. Поэтому иногда устраивают примыкающую к голове секцию камеры со сплошным железобетонным днищем. Схемы противофильтрационных и дренажных устройств шлюзов на скальных основаниях разрабатываются в зависимости от качества слагающих их пород и положения кровли скалы относительно дна камеры. При слабых скальных (и полускальных) грунтах, которые требуют устройства в камере водонепроницаемых днищ – сплошных или на анкерах – и поверхность которых залегает ниже наинизшего уровня нижнего бьефа, схемы противофильтрационных и дренажных устройств мало отличаются от описанных выше для шлюзов на не- скальных основаниях с водонепроницаемыми днищами. Только вме- сто шпунтов в их подземный контур входят зубья и цементационные завесы, а в фильтрационных расчетах учитывается различная водо- проницаемость обратных засыпок и скального основания. При хорошем качестве скалы на дне камеры ее оставляют в есте- ственном состоянии, в пределах стен камеры покрывают облицовкой, а дренаж закладывается по кровле хорошей скалы, которая принимает- ся при фильтрационных расчетах за водоупор (см. рис. 5). При высоком залегании кровли хорошей скалы (считая выветре- лый слой ее снятым) соответственно повышают отметку дренажа, а камерные стены часто оставляют необсыпанными. В случае расположения камеры в нижнем бьефе для уменьшения давления воды на облицовку за ее верхней частью закладывают дре- нажные трубы, вода из которых выводится в нижний бьеф выше его наивысшего уровня. Такая схема не рекомендуется при скальных породах (например, карбонатных), при которых отложения из дренажных вод могут со временем засорять дренажные трубы. 32 Список использованных источников 1. Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения: ТКП 45-3.04-171–2009 (022550). – Минск: Минстройархитектуры Республики Беларусь, 2010. – 56 с. 2. Пособие по проектированию судоходных шлюзов к СНиП 2.06.07–87. – М.: Гидропроект, 1988. – 352 с. 3. Михайлов, А.В. Статические расчеты камер судоходных шлю- зов / А.В. Михайлов, С.Н. Левачев, Колесников Ю.М. – М.: МИСИ, 1989. – 99 с. 4. Михайлов, А.В. Судоходные шлюзы / А.В. Михайлов. – М.: Транспорт, 1966. – 528 с. 5. Семанов, Н.А. Судоходные каналы, шлюзы и судоподъемники / Н.А. Семанов, Н.Н. Варламов, В.В. Баланин. – М.: Транспорт. 1970. – 352 с. 6. Михайлов, А.В. Внутренние водные пути / А.В. Михайлов. – М.: Стройиздат, 1973. – 328 с. 7. Михайлов, А.В. Водные пути и порты / А.В. Михайлов, С.Н. Ле- вачев. – М.: Высшая школа, 1982. – 222 с. 8. Гидротехнические сооружения комплексных гидроузлов: учеб- ное пособие / П.М. Богославчик [и др.]; под ред. Г.Г. Круглова. – Минск: БНТУ, 2006. – 585 с. 9. Михайлов, А.В. Гидросооружения водных путей, портов и кон- тинентального шельфа: в 3 ч. / А.В. Михайлов. – М.: АСВ, 2004. – Ч.1: Внутренние водные пути. – 448 с. СОДЕРЖАНИЕ Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1 Конструкции камер шлюзов. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 2 Выбор конструкции камеры шлюза. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1 Выбор конструкции камеры шлюза на нескальном основании. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 2.2 Выбор конструкции камеры шлюза на скальном основании. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3 Проектирование поперечного профиля камер шлюзов. . . . . . . . . .14 4 Разрезка сооружений шлюза деформационными швами. . . . . . . . 21 5 Противофильтрационные и дренажные устройства шлюзов. . . . .25 Список использованных источников. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Учебное издание БОГДАНОВИЧ Михаил Иванович КОНСТРУКЦИИ КАМЕР СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ Методическое пособие по выполнению курсового проекта на тему «Судоходный шлюз» по дисциплинам «Водные пути и порты», «Водные пути и технический флот» для студентов специальностей 1-70 04 01 «Водохозяйственное строительство», 1-37 03 02 «Кораблестроение и техническая эксплуатация водного транспорта» Редактор Т.В. Кипель Компьютерная верстка А.Г. Занкевич Подписано в печать 07.03.2012. Формат 60×841/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 1,98. Уч.-изд. л. 1,55. Тираж 100. Заказ 1094. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Проспект Независимости, 65. 220013, Минск.