4. РАСЧЕТ ПОПЕРЕЧНЫХ ЗАПАНЕЙ

В конечных или промежуточных пунктах молевого сплава лес задерживают специальными сооружениями - запанями.

Лесозадерживающие сооружения (запани) предназначаются для безаварийного задерживания и хранения леса (пыжа), сплавляемого молем или в сплоточных единицах (пучках). Запани обычно классифицируют по следующим признакам:

· по назначению:

- коренные (сооружаемые в конечных пунктах приплава, для последующей сортировки, сплотки и выгрузки на берег или погрузки в суда прибывающих в запань лесоматериалов);

- промежуточные (сооружаемые для временного задержания и хранения сплавных лесоматериалов, пропускаемых в дальнейшем в нижерасположенные коренные запани);

- вспомогательные (сооружаемые ниже коренных запаней и служащие для сортировки, погрузки в суда или выгрузки на берег);

- лесозадерживающие (сооружаемые для приемки и задержания лесоматериалов со льдом);

· расположению в русле реки:

- поперечные (перекрывающие полностью всю ширину реки и обеспечивающие проход рыбы);

- продольные (расположенные обычно вдоль одного из берегов с перекрытием только части ширины реки, обеспечивающие проход судов и плотового лесосплава);

· по конструктивным особенностям:

- гибкие с береговыми опорами;

- гибкие с русловыми и береговыми опорами;

- жесткие с русловыми и береговыми опорами.

Генеральные запани применяются для временного хранения круглых лесоматериалов перед сортировкой, сплоткой, формированием плотов с последующей отправкой потребителю.

В нашем проекте рассмотрим поперечную запань лежнево-сетчатого типа.

4.1 Определение длины пыжа в лесохранилище

Методика определения длины пыжа в лесохранилище (определение длины лесохранилища) одинакова как для поперечных, так и для продольных запаней.

Длину пыжа определяют методом приближения. На первом этапе находят среднюю толщину пыжа , учитывая среднюю глубину при условии = 700 м, а затем по формуле определения длины находят длину пыжа. На втором этапе для найденного значения определяют поправочный коэффициент и определяют среднюю толщину пыжа . Далее окончательно уточняют длину пыжа.

Длина пыжа определяется по формуле

,

где - объем переходящего остатка (максимальный объем древесины, находящейся перед запанью), м3;

- относительная плотность древесины.

Она определяется как

;

- средняя ширина лесохранилища запани при уровне воды в период формирования пыжа, м;

- коэффициент плотности пыжа равный отношению объема бревен в пыже к его геометрическому объему (для бревенчатого пыжа принимают = 0,3);

- средняя толщина пыжа, м. Она определяется по формуле

,

где - средняя толщина пыжа при его длине, равной 700 м, (см. таблицу 4.1) м;

- поправочный коэффициент, значение которого выбирают в зависимости от длины пыжа (см. таблицу 4.2) ;

- поправочный коэффициент для определения толщины запанного пыжа в продольной лежнево-сетчатой запани при скоростях течения от 2,0 до 3,5 м/с, который зависит от коэффициента стеснения русла (см. таблицу 4.3).

Коэффициент стеснения русла для продольных запаней определяется формулой

.

В нашем случае =1.

Таблица 4.1 - Значение средней осадки пыжа в зависимости от средней скорости течения и средней глубины

Таблица 4.2 - Значение коэффициента в зависимости от коэффициента стеснения русла

м.

м.

На запань, установленную в реке, со стороны пыжа передается сила давления, возникающая как результат взаимодействия пыжа с потоком воды, ветром, с берегами или с продольной частью запани (для продольных запаней). В существующей практике расчета запаней принимается схема сил, приведенная на рисунке 4.1.

Рис. 4.1. Схема сил, возникающих в пыже из бревен

Поток воды и ветер, для которого принимается наиболее неблагоприятное направление, совпадающее с направлением течения речного потока, взаимодействуя с пыжом, оказывают на него воздействие. В результате возникает сила , увлекающая пыж вниз по течению. Эта сила воздействия на пыж потока воды и ветра называется активной силой.

Активная сила, сжимая пыж, одновременно создает силы распорного давления, передающиеся под некоторым углом на берега (поперечные запани) или на берег и на продольную часть запани (продольные запани). Силы распорного давления могут быть разложены на составляющие - нормальные и параллельные к берегам или к продольной части продольной запани.

От действия распорных сил возникают силы трения пыжа о берега или о берег и о боны продольной части, запани. Силы трения, имея направление, противоположное направлению возможного перемещения пыжа, уменьшают действие активной силы.

В конечном итоге на поперечную запань или поперечную часть продольной запани передается действующая сила

,

где- коэффициент, учитывающий характер взаимодействия пыжа с берегами или с продольной частью запани, который зависит от скорости течения , отношения длины пыжа к средней ширине лесохранилища и от конфигурации берегов на участке размещения лесохранилища,

.

Численные значения коэффициентов , определенные экспериментальным путем для русел с примерно параллельными берегами или берегом и продольной частью запани, приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Численные значения коэффициента

Получаем.

Установлено, что действующая на запань сила по мере поступления в запань леса возрастает лишь до определенного предела. При достижении этого предела дальнейшее увеличение длины пыжа не вызывает увеличения силы . Это происходит потому, что с увеличением длины пыжа силы трения возрастают более интенсивно, чем силы .

При некоторой длине пыжа приращение активной силы уравновешивается приращением сил трения пыжа , после чего увеличение длины пыжа не вызывает дальнейшего увеличения силы . Такая длина пыжа называется расчетной.

Установлено, что для бревенчатого пыжа его расчетная длина зависит от ширины реки в створе запани следующим образом

м ,

поэтому за длину пыжа принимаем.

4.2 Расчет нагрузки на поперечную часть запани

Расчетом поперечных запаней устанавливают действующую на запань силу, натяжение в лежне и отдельных его ветвях, диаметр и число канатов в лежне.

Силу, действующую на запань, определяют по формуле

,

где - коэффициент, учитывающий взаимодействие пыжа с берегами. Значение коэффициента для случая расположения запани с примерно-параллельными берегами приведены в таблице 4.4. Если створ запани расположен за поворотом, сила, действующая на запань, будет меньше, чем при расположении запани на прямолинейном участке реки. Это учитывают уменьшением на 5 ... 10 % значений , принятых по таблице 4.5.

- коэффициент, учитывающий непризматичность русла сужающегося к запани русла (см. таблицу 4.5); ;

- давление ветра на пыж, отнесенное к единице площади зеркала реки, занятого пыжом, Па.

Рис. 4.2. Схема сужения в створе запани

Таблица 4.5 - Значение в зависимость от угла непризматичности русла

Расчетная длина пыжа при его фактической длине принимается равной при < 1,2 м/с, а при > 1,2 м/с принимают .

Если фактическая длина пыжа , за расчетную принимают длину, определенную по формуле приведенной для определения длины лесохранилища, т. е. . В нашем случае,

- давление потока на пыж, осредненное по его расчетной длине. При =1,3 м/с эта величина определяется по таблице (4.6) :

Таблица 4.6 - Значение при < 1,5 м/с

Таблица 4.7 - Значение в зависимости от скорости ветра

Подставим данные в формулу (4.6):

Па.

Подставим данные в формулу (4.4):

кН.

4.3 Определение сил, действующих на пыжедержатели

При больших скоростях течения потока на запань и при большой ширине продольной части запани, силы от давления пыжа на лежень запани весьма значительны. Для уменьшения давления в пределах расчетной части пыжа устанавливают ряжевые, свайные или другие пыжедержатели, укрепленные при помощи якорей или канатов.

Нагрузка на поперечную часть запани, с учетом нагрузки воспринимаемой пыжедержателями, определяется:

,

где - коэффициент, учитывающий влияние пыжедержателей. Он определяется по формуле:

,

где - число пыжедержателей перед запанью;

- средняя длина бревен в запанном пыже, м;

- ширина реки в месте установки пыжедержателей, м.

Примем величину Н и из формулы (4.7) выразим и вычислим:

;

после чего, из формулы (4.8) выразим и вычислим:

пыжедержателя.

Теперь, с учетом округления полученной величины , пересчитаем и :

;

Н.

Пыжедержатели устанавливают в шахматном порядке между собой на расстоянии в поперечном створе не менее пятикратной длины бревен, образующих пыж.

Давление пыжа на каждый пыжедержатель определяется по формуле

,

где - коэффициент, зависящий от параметров кинетичности (см. таблицу 4.8).

Параметр кинетичности определяется по формуле

.

Таблица 4.10 - Значение коэффициента в зависимости от

Получаем .

Подставим данные в формулу (4.9):

кН.

4.4 Расчет лежня запани

Расчет лежня запани сводится к определению натяжения , возникающего в нем от силы , действующей на запань.

Рис. 4.3. - Схемы к определению натяжения лежня запани

При расчете лежня поперечной запани со створом, перпендикулярным к оси потока (рисунок 4.3), принимают, что нагрузка на 1м запани равна нагрузке на 1м ширины реки в створе запани, лежень провисает по дуге круга, а действует в радиальном к лежню направлении. В этом случае натяжение лежня можно определить, спроектировав на ось все силы, действующие на элемент лежня длиной , соотношением

.

При малых углах . Учитывая это, а также то, что , будет иметь место соотношение

,

где - мнимый радиус лежня запани, м.

Выразим значение через ширину реки в створе запани и стрелу провеса . Из треугольника АОС (см. рисунок 4.2) видно, что

.

Обозначив и преобразовывая последнее выражение, будем иметь

,

где - поправочный коэффициент, зависящий от величины провеса .

Из этого следует

Н.

Для лежней запаней применяют стальные канаты диаметром 30-65мм. Для повышения надежности сооружения и удешевления его стоимости число канатов в лежне должно быть, по возможности меньшим. С этой целью для лежня принимают канаты больших диаметров.

Число стальных канатов принятого диаметра определяют по формуле

,

где - разрывное усилие одного стального каната, кН;

- коэффициент запаса, равный для коренных и промежуточных запаней 3,0, а для вспомогательных - 2,5.

По разрывному усилию подбираем канат стальной ГОСТ 3069-80, двойной свивки типа ЛК-0 конструкции 6 х 7 (1 + 6) + 1 о.с. [2]. Характеристика каната приведена в таблице 4.11.

Таблица 4.11 - Характеристика каната

Подставим данные в формулу (4.11):

канатов.

В сетчато-лежневой запани общее натяжение лежня распределяется на натяжение в верхней и в нижней его ветвях.

Для определения величин и рассмотрим схему сил, действующих на сетчато-лежневую запань (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Схема сил, действующих на сетчато-лежневую запань

Теоретические исследования, подтвержденные опытными данными, показывают, что действующая на запань сила приложена на расстоянии от уровня воды. Полагая, что сила передается на ветви запани через жесткие связи, роль которых выполняют бревна пыжа, уравнение моментов сил относительно верхней ветви лежня выглядит следующим образом

,

где - осадка пыжа в запани, определяемая в зависимости от глубины в месте установки запани и скорости течения (см. таблицу 4.11), м;

- сила, действующая на нижнюю ветвь запани, кН.

- расстояние между ветвями лежня можно принять, м.

м.

Таблица 4.11 - Значение осадки пыжа

Если считать, что стрела провеса верхней и нижней ветвей лежня одинакова, то

.

И тогда натяжение в нижней и верхней ветви запани при однорядных запанных плитках можно определить

кН;

кН.

Расчетное натяжение в подвесках сетчато-лежневой запани, расположенных на расстоянии друг от друга и нагруженных равномерно-распределенной нагрузкой, определяют по формуле

,

где - расстояние между подвесками, принимается не более м;

- длина бревен в запанном пыжу, м.

Подставим данные в формулу:

кН.

5. РАСЧЕТ АНКЕРНО-СТЕНЧАТЫХ И РЯЖЕВЫХ БЕРЕГОВЫХ ОПОР

Нагрузки от наплавных лесозадерживающих и лесонаправляющих сооружений через канаты лежней передаются на береговые или русловые опоры. В данном проекте анкерно-стенчатые береговые опоры воспринимают нагрузку, передаваемую через лежни генеральной запани. Ряжевая опора является береговой опорой реевого бона.

5.1 Расчет основных элементов анкерно-стенчатых опор

Для установки анкерно-стенчатой опоры оборудуют две взаимно перпендикулярные траншеи. Одна траншея предназначена для укладки каната, идущего от наплавного сооружения к опоре. Ее ширина, как правило, до 1м. Другая (анкерная), перпендикулярная к первой, предназначена для закладки анкера, к которому крепится канат. Ширина анкерной траншеи от 1,0 до 1,5м. штабель пыж буксировка плот

Для большей устойчивости грунтовой стенки ее укрепляют по всей длине и высоте забитыми в грунт бревнами коротышами, реже досками либо горбылем.

Анкер располагают на высоте одной трети от дна траншеи. Анкер изготовляют из брусьев или бревен (одного или нескольких) длиной 4-10м и диаметром не менее 0,26м. В месте закрепления каната анкер имеет цилиндрическую форму. Во избежание смятия и перерезания бревна оковывают металлическими полосами, а между канатом и анкером укладывают прокладку из пенькового мата. Канат охватывает анкер 4-5 оборотами, свободный конец его крепят к основной ветви троса 3-4 сжимами.

Работа опор анкерного типа основана на том, что усилия, передаваемые на опоры, уравновешиваются сопротивлением (силой отпора) грунтового массива, в который заключены эти опоры.

При проектировании анкерно-стенчатых опор кроме определения максимальной нагрузки определяется и подбирается конструкция и характеристики анкера, высота передней стенки поперечной траншеи, диаметры коротышей для укрепления передней стенки, минимальное расстояние заложения ...