Решетников М.А.; д.т.н.,
проф. Липатов И.В.
Волжский
государственный университет водного транспорта, Россия
Методические вопросы обоснования глубин на подходах к судоходным гидротехническим сооружениям
Россия является огромной страной с необъятным экономическим потенциалом. Учитывая большие размеры государства, никакое нормальное функционирование промышленности невозможно без эффективной транспортной инфраструктуры. Одним из значительных элементов этой инфраструктуры является внутренний водный транспорт. Несмотря на незначительный удельный вес последнего в общем грузообороте, в ряде случаев он является без альтернативным и эффективным по себестоимости. Дополнительным импульсом развития внутреннего водного транспорта становится его главенствующее положение в транспортных коридорах и логистических цепочках. Последнее является следствием исчерпания пропускной способности автомобильных дорог на междугороднем сообщении.
Экономическая
эффективность работы внутреннего водного транспорта, в первую очередь
определяется наличием судоходных глубин на лимитирующих участках и эффективным
использованием их провозной способности. Под последней подразумевается
загрузка судна на максимально возможную осадку, лимитируемую путевыми
условиями.
Как
показывает практика, на сегодняшний день, лимитирующими по провозной
способности глубин стали участки водного пути на подходах к шлюзам со стороны
нижних бьефов шлюзов. В первую очередь это связано с отказом от первоначальной
схемы заполнения водохранилищ, в результате чего пороги шлюзов оказались не в
подпертом состоянии (Городецкий и Чайковские шлюзы). В результате движение
крупнотоннажного флота через Городецкий шлюз стало возможным только в течении
1-2 часов в сутки, а на Чайковском шлюзе (в конце навигации) вообще под
вопросом. Выходом из тупика становится недозагрузка крупно тоннажного флота с
целью снижения осадки и потеря прибыли, либо полный отказ от грузоперевозок,
Одним из
краеугольных камней в решении выше приведенной дилеммы, является вопрос о
соотношении осадки судна и глубины на пороге
шлюза
лимитирующего судоходство. На сегодняшний день этот вопрос регламентируется СП
101.13330.2012 [1]. Согласно этого документа, безопасная глубина на пороге
шлюза h должна подчиняться условию:
|
|
(1) |
где : S -
максимальная осадка шлюзующегося судна .
То есть в
соответствии с современной действующей редакцией СНи-Па для движения судов с
осадкой 3.5 м, на подходах к каждому Волжского шлюзу должна быть гарантирована
глубина 4.55 м. Такие глубины, как правило, бывают только во время
непродолжительного по сравнению с навигацией периода паводка, а большую часть
навигации в соответствии с таким подходом флот обязан простаивать на приколе
или плавать с пониженной осадкой,
В связи, с
этими нестыковками, предлагается вернуться к более корректному и
правдоподобному подходу, представленному старой редакцией СНиПа II-55-79 [2], В
соответствии с этим документом, минимально допустимая глубина на пороге камеры
шлюза определяется выражением:
|
|
(2) |
где: Sn - глубина на пороге шлюза;
Sc - статическая осадка судна в полном грузу;
ΔSd - дополнительная осадка кормы судна при его
движении с расчетной скоростью при входе/выходе из камеры шлюза;
δмин - минимальный
запас глубины под днищем.
Подобный подход к определению
минимально допустимых глубин на сегодняшний день используется для водных путей
ЕГС. Согласно правил плавания по ЕГС [3], суда с осадкой более 3 м должны иметь
минимальный запас по глубине на песчаном грунте принимается 20 см, а на
каменном дне 25 см, В тоже время, для шлюзов, применяется жесткий запас по
глубине в 40 см. Такой подход не позволяет учитывать локальную специфику и особенности
явлений сопровождающих вход/выход судна из камеры шлюза, поэтому в ряде критических
случаев является некорректным. Принципиальным отличием запаса при движении по
реке и по шлюзу является то, что запас глубины, интенсивно меняется по времени,
в связи с чем является не квазистатическим значением как это имеет место на
речном участке, а динамической величиной.
Как
показывают натурные наблюдения, динамика изменения минимального расстояния
между дном судна и днищевой часть шлюза, меняется крайне интенсивно в границах
участка порядка 400 м. Поэтому применительно к шлюзам, предлагается рассматривать
величину δмин - как динамический запас глубины. Под последним
подразумеваться минимально допустимое расстояние между дном шлюза и нижней
точкой корпуса судна в процессе его движения по сооружению. Многолетняя
практика показывает, что величину динамического запаса глубины δмин
безопасно можно принять величиной в 20 см.
Использование
подхода базирующегося на формуле (2) в местных правилах, в отличии от жесткой
регламентации запаса по каждому сооружению в основных правилах [3], позволит
более гибко учитывать особенности работы системы "судно-шлюз",
Согласно натурным данным, определяющими факторами взаимодействия системы
"судно-шлюз, является следующие:
·
Близкие к
единице коэффициенты стеснения живого сечения;
·
Особенности
обтекания корабля при движении в шлюзе;
·
Волновой
режим на подходах к шлюзу;
·
Характер
маневрирования и скоростной режим движения судна.
Как показали
исследования, выполненные на Чайковском шлюзе, при пропуске крупнотоннажного
флота, когда лимит глубин близок к критическому исчерпанию, именно последние
факторы становятся решающими при определении возможности движения судна.
Переход от
жесткой регламентации минимального запаса глубин в шлюзе, на нормирование
минимально допустимого динамического запаса, является максимально универсальным
критерием. Наличие этого критерия позволит с одной стороны иметь стабильные
правила, плавания как основной
закон, а с
другой стороны чутко и оперативно реагировать на гидрологические особенности
текущей навигации и изменения структуры и типа размеров флота курсирующего по
ЕГС. Последнее станет особенно актуально в свете вступления России в ВТО, что
влечет за собой открытие внутренних водных путей для иностранного флота.
Особенностью
работы шлюзов расположенных выше зоны подпора от ниже расположенного
водохранилища, является значительное влияние волн на лимитирующую величину
судоходной глубины. Эти волны результат опорожнения сливной призмы камеры
шлюза. В результате начальный статический уровень на подходах к камере
Чайковского шлюза, начинает раскачиваться с амплитудой 30 -40 см. Не лучше
складывается ситуация на Городецком шлюзе, хотя имеются дополнительные
особенности вызванные особенностями суточного характера попусков воды через
ГЭС. По окончанию опорожнения и открытия ворот, отметка свободной поверхности
"падает" на 30 - 45 см. Кульминация этого процесса непосредственно
накладывается на время выхода прошлюзовавшегося судна из камеры, после открытия
ворот.
Помимо
дополнительной осадки из-за волнового снижения отметки поверхности воды, движение
судна в условиях ограниченного фарватера, сопровождается дифферентом корпуса
судна. В результате общая дополнительная осадка кормы будет складываться из
двух компонент:
|
|
(3) |
где: ΔSw
- понижение (дополнительная осадка) кормы судна от изменения отметки свободной
поверхности воды в результате развития волны в подходном канале;
ΔSpr
- дополнительная осадка кормы судна при движении в сжатом фарватере (просадка
корпуса судна).
Как первая
так и вторая величина дискретно определяются доминирующими факторами
представленными ранее. Поэтому для удобства определения возможности реализации
режима движения судна на выходе из камеры шлюза, выражение ( 2 ) преобразуем к
виду:
|
|
(4) |
С точки
зрения математической физики, регламентация по выражению (4), позволяет судить
о возможности выхода судна из камеры шлюза, не только по начальным и граничным
условиям (как: это подразумевает современная нормативная, литература), но и по
динамике развития всего процесса в целом. Таким образом, возможность выхода
судна из камеры шлюза с известной осадкой при заданной отметке свободной
поверхности на подходах к шлюзу (глубине на пороге камеры), будет определяться
наличием минимально допустимого запаса глубины под днищем судна в процессе его
движения из шлюза. Реальный запас глубины под днищем определяется как разница
статической глубины на пороге шлюза в момент начала выхода из камеры и осадки
судна с дополнительным вычетом снижения глубины от полнового понижения уровня
воды и просадки судна при движении.
Как показали
предварительные исследования авторов, использование данного подхода к оценке
возможности движения крупнотоннажного флота, позволило выявить ряд имеющихся
резервов провозной способности глубин для судов типа «Волго-Дон». Включение
этих резервов в транспортный процесс, для рейсов проходящих через Чайковский
шлюз, позволило ощутимо снизить себестоимость доставки груза из-за увеличения
объема перевозимого груза, при неизменных эксплуатационных расходах.
Литература
1. СП 101.13330.2012 Подпорные стены,
судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения. Актуализированная
редакция СНиП 2.06.07-87 Москва. 2013.
2. СНиП II 55-79 Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и
рыбозащитные сооружения. – Москва. 1979.
3. Правила плавания по внутренним водным путям РСФСР. Минречфлот.
Москва.1985.