Upload
piedone1988
View
108
Download
5
Embed Size (px)
Citation preview
CUVÂNT ÎNAINTE
Căile navigabile sunt construcţii sau amenajări hidrotehnice
realizate pentru a deservi transportul pe apă. Lucrarea nu face
referire la transportul maritim, amenajările pentru navigaţie din
această zonă fiind apanajul celor care se ocupă de controlul
navigaţiei.
Importanţa studierii, proiectării, execuţiei şi exploatării căilor
navigabile interioare rezultă din deosebita eficienţă economică a
transportului pe apă – pentru o foarte largă gamă de mărfuri şi
pentru pasageri – în comparaţie cu transportul terestru sau aerian.
Prezenta lucrare reprezintă o reeditare a unei
lucrărianterioare, revăzută, adusă la zi cu datele statistice,
îmbunătăţită şi îmbogăţită cu o bogată anexă foto, prezentând
lucrări din domeniu.
5
Cartea este destinată studenţilor de la programul de studiu
Amenajări şi construcţii hidrotehnice dar şi celor de la specializări
înrudite sau celor care doresc să se informrze în acest domeniu al
construcţiilor.
Conţinutul este structurat pe şase capitole:
- transportul pe apă
- navele civile de transport şi caracteristicile lor
- calea navigabilă
- amenajarea căilor navigabile pe râuri, lacuri sau
canale artificiale
- ecluze de navigaţie
- ascensoare pentru nave.
Autorii
6
Cap. 1 TRANSPORTUL PE APĂ
1.1. Introducere
Navigaţia reprezintă deplasarea pe apă cu ajutorul navelor
sau a altor sisteme tehnice plutitoare.
Suprafaţa sau fâşia de apă care satisface necesităţile de
navigaţie în siguranţă se numeşte cale navigabilă.
Căile navigabile pot fi interioare (pe râuri, lacuri sau canale
artificiale) sau maritime (mări şi oceane).
Circulaţia navelor se poate face independent (pentru cele
autopropulsate) sau în convoaie (nave fără propulsie plus remorcher
sau împingător; convoaiele pot fi, deci tractate sau împinse).
Două sau mai multe nave legate bord la bord formează o dană
(două nave - dană dublă; trei nave - dană triplă; patru nave - dană
cvadruplă, dar această situaţie se întâlneşte mai rar). În domeniul
porturilor, dană este porţiunea de cheu destinată acostării unei
nave.
7
Totalitatea navelor care deservesc o cale navigabilă se numeşte
flotă. Tot flotă se numesc şi navele care aparţin unui armator.
Flota poate fi de transport sau poate fi alcătuită din nave
tehnice sau militare. Activitatea de transport a flotei se realizează
sub formă de curse.
Cursa se numeşte deplasarea efectuată de o navă sau de un
convoi de nave de la punctul de expediţie al mărfurilor până la
punctul de destinaţie al acestora. Ea este forma fundamentală a
procesului tehnologic de transport.
Comparând direcţia de mers cu sensul de curgere al râurilor se
deosebesc curse spre amonte şi curse spre aval. De asemenea se mai
pot clasifica cursele în:
- curse cu încărcătură şi curse în gol
- curse regulate şi curse neregulate (prin navlosire)
Cursele regulate leagă aceleaşi puncte de expediţie şi de
destinaţie a mărfurilor, pe o rută fixă (linie de circulaţie) şi după un
orar precis al plecărilor şi sosirilor din porturi (itinerar).
Cursa care se încheie în punctul iniţial de plecare se numeşte
cursă circulară.
Durata cursei (tc) reprezintă timpul necesar efectuării tuturor
operaţiilor dintre punctele de plecare şi de sosire, până când devine
8
posibilă reluarea procesului de transport în condiţii asemănătoare.
Graficul cursei este reprezentarea deplasării navei cu punerea în
evidenţă a tuturor duratelor operaţiilor de pe parcursul cursei.
Căile navigabile interioare deţin un rol important în efectuarea
transporturilor. Dezvoltarea transporturilor pe căile navigabile
interioare este însă un atribut al ţărilor cu o economie dezvoltată,
deoarece atât costul căilor navigabile, al porturilor cât şi al flotei este
foarte ridicat (care este totuşi compensat ulterior prin preţul de cost
mult mai redus al transportului pe apă comparativ cu transportul auto
sau pe căile ferate).
Transportul pe apă este mai eficient pentru mărfurile de masă
şi în vrac: cărbuni, minereuri, cereale, materiale de construcţii,
îngrăşăminte, produse petroliere, etc.
1.2. Transportul pe apă în Europa şi în lume
Căile navigabile interioare ale Europei se grupează în trei
sisteme importante:
9
− fluviile şi canalele din partea nordică şi vestică a
Europei: Sena, Ron, Rin, Weser, Ems, Elba, Oder şi
canalele care le unesc
− sistemul Dunării, format din Dunăre, afluenţii şi
canalele din cele 10 state pe care le străbate
− fluviile şi canalele din partea europeană a Rusiei
şi celorlalte foste componente ale U.R.S.S. din Europa:
Volga, Don, Neva, Dvina de Nord şi Dvina de Vest, Nipru
şi canalele care le leagă (sistemul are legătură cu 4 mări:
M. Neagră, M. Caspică, M. Baltică şi M. Albă)
Rinul este una din cele mai puternice magistrale de navigaţie din
Europa: acoperă transportul a 75% din producţia de cărbuni şi 70%
din cea siderurgică a Germaniei, importante cantităţi de produse
chimice, petroliere şi siderurgice din Franţa şi Olanda. Are la gura
de vărsare în M.Nordului marele port Rotterdam. Rinul este
asemuit cu o coloană vertebrală a transportului pe apă din Europa
Occidentală.
Pe Rin s-au executat importante lucrări de regularizări
(stabilizarea albiei, îndiguiri, mărirea capacităţii de transport a apei
şi îmbunătăţirea condiţiilor de navigaţie) în secolele XIX şi XX.
Zonele care nu au putut fi amenajate pentru navigaţia în curent
10
liber au fost barate şi ecluzate iar în multe locuri s-a renunţat la
albia naturală, executându-se canale de derivaţie ecluzate, paralele
cu sectoarele foarte dificile. Majoritatea ecluzelor sunt gemene, de
185 m lungime (una cu lăţimea de 12 m şi cealaltă de 23 m). Pe Rin
se circulă cu motonave şi convoaie împinse.
Motonavele sunt: de 1000 t (pescaj 1,6 m) pentru ape scăzute
şi de 1350 şi 2000 tone (pescaje 2,5 m şi 2,7 m) pentru niveluri
ridicate ale apei.
Convoaiele împinse, formate din două dane duble de barje de
1500 t şi împingător, se înscriu în lungimea utilă de 185 m a
ecluzelor.
Canalul Rin-Main-Dunăre este o cale navigabilă ce leagă
localităţile Aschaffenburg (de pe râul Main, afluent al Rinului) şi
Jockenstein (de pe Dunăre). El are o lungime de 677 km formată
din trei tronsoane principale:
- tronsonul vestic - 297 km şi 27 ecluze - realizat pe râul
Main între Aschaffenburg şi Bamberg (terminat în 1962)
- tronsonul central - 171 km şi 16 ecluze, (13 din cele 16
ecluze au economizoare), între Bamberg (pe Main) şi
Kelheim (pe Dunăre); este canal artificial pe 65 km între
Nürenberg şi Altmühl, reactualizarea vechiului canal
11
Ludwig (realizat în 1845 şi abandonat în 1950). A fost
terminat în 25 sept. 1992.
- tronsonul estic (dunărean) - 209 Km şi 9 ecluze - de la
Kelheim la Jochenstein (finalizat tot în 1992).
Întreaga amenajare s-a realizat în circa 70 de ani şi a fost
estimată la 3800 de mil. $. Canalul a fost inaugurat pentru
circulaţie pe întreaga lungime, la 25 sept. 1992. Majoritatea
ecluzelor au 190 m lungime şi 12 m lăţime (de la Regensburg până
la Jochenstein, ecluze gemene de 24 x 230 m).
Canalul Mittelland, din nordul Germaniei joacă un rol de
centură, unind patru fluvii importante: Rin, Weser, Elba şi Oder.
Pe cei 325 km (între Ems şi Elba) se află lucrări hidrotehnice
ca: ecluze cu bazine economizoare, ascensoare pentru nave, poduri
canal şi subtraversări.
Porţiunea de canal de la râul Ems la Hanovra a fost terminată
în 1918 şi era capabilă să preia nave de 600 t. Jumătatea de la
Hanovra la Elba a fost dată în exploatare în 1938 pentru nave de
1000 t. Prin redimensionarea secţiunii, canalul asigură azi pe
aproape toată lungimea sa circulaţia navelor de 1350 t.
12
Canalul traversează râul Weser pe un pod de beton armat (şi
este legat de râu printr-o ecluză) iar Elba pe un pod metalic (de
Elba este legat printr-un ascensor de nave).
Prin canalele Ihle şi Plane, canalul Mittelland se leagă spre
est cu oraşul Berlin iar prin canalele Havel-Oder şi Spree-Oder se
ajunge în fluviul Oder.
La vest, canalul se leagă prin ramificaţiile: Datteln-Wesel,
Datteln-Duisburg şi Datteln-Hamm cu bazinul carbonifer Ruhr, cu
Rinul şi cu Saxonia.
Sistemul de căi navigabile din nordul şi vestul Europei este
legat prin magistrala franceză Sena-Ron cu M.Mediterană iar prin
canalul Du Midi şi râul Garonne, cu oceanul Atlantic.
Dunărea, cu o lungime de 2850 km (de la Donaneschingen,
confluenţa râurilor Brege şi Brigach) este o mare arteră de
navigaţie a Europei. Are 120 de afluenţi în cele 10 ţări pe care le
străbate (şi trece prin 4 capitale: Viena, Bratislava, Budapesta,
Belgrad).
Partea folosită pentru navigaţie regulată are 2379 km - de la
Regensburg (Germania) până la Sulina. În amonte de Regensburg
se mai face o navigaţie periodică până la Ulm (KM. 2588).
Notă. Kilometrarea râurilor se face de la vărsare spre izvor!
13
Dunărea taie Carpaţii nord-vestici (continuaţi cu Alpii) la
Devin şi Carpaţii Meridionali (continuaţi cu Balcanii) la Porţile de
Fier. Aceste defilee împart Dunărea în trei sectoare:
- Dunărea superioară: de la izvor până la Porţile Devin
- Dunărea mijlocie: de la Devin până la Porţile de Fier
- Dunărea inferioară: de la Porţile de Fier până la vărsare în
M. Neagră.
Amenajarea Dunării superioare a început din 1836. Acest
sector este format din porţiuni înguste şi sinuoase care alternează
cu porţiuni de albie largă şi ramificată. Pe alocuri erau praguri
stâncoase pe care adâncimea apei la etiaj scădea sub un metru.
S-au executat atât lucrări de regularizare în curent liber
(închideri de braţe secundare, regularizări de sectoare de albie,
derocări-dragaje, străpungeri de coturi) cât şi amenajări în regim
barat (7 noduri hidrotehnice cu ecluze de navigaţie, executate între
1928 şi 1976) în final întregul sector având 19 trepte ecluzate.
Ecluzele tip Dunărea superioară au dimensiunile 24 x 230 m şi sunt
cu sasuri duble.
Dunărea mijlocie este un fluviu tipic de şes, cu vale largă (5-
20 km), sinuoasă, instabilă şi ramificată (sunt şi câteva zone care
14
ies din acest şablon, cu schimbări rapide de pantă şi albii
stâncoase).
În sectorul Devin-Gönyü, prin reducerea pantei de scurgere
(de la 0,35‰. la 0,17‰.) se produc depuneri şi sunt necesare
operaţii permanente de mărire a capacităţii de transport al
aluviunilor şi de dragaj. In zona Porţile de Fier se realizase între
1889 şi 1898, prin derocare-dragare, canalul Sip, lung de circa 6
km. În anul 106 Apolodor din Damasc realizează în zona Porţile de
Fier un canal de ocolire, paralel cu albia Dunării, cu o lungime de
circa 3225 m şi o lăţime la oglinda apei de circa 57 m !
Prin realizarea nodurilor hidrotehnice Porţile de Fier 1 şi
Porţile de Fier 2 toate problemele de navigaţie în acest sector au
fost rezolvate (prin adâncimea mare a apei în lacurile de acumulare
respective).Pe Dunărea mijlocie sunt prevăzute 5 noduri
hidrotehnice (incluzându-le pe cele două de la Porţile de Fier) cu
ecluze având lăţimea sporită la 34 m (faţă de 24 m pe Dunărea
superioară).
Lucrările pe Dunărea inferioară sunt mai puţin numeroase
deoarece condiţiile de navigaţie sunt relativ favorabile. Există unele
porţiuni foarte sinuoase (Drobeta - Turnu Severin - Lom - 200 Km
si Hârşova - Brăila).
15
Pe acest sector sunt propuse trei noduri hidrotehnice cu
ecluze de navigaţie (Turnu Măgurele - Nicopole, Cernavodă -
Topalu şi Măcin).
Cele mai mari probleme pentru navigaţia pe Dunărea
inferioară le ridică pragurile formate din depuneri de aluviuni (mai
ales pe sectorul Călăraşi - Hârşova de 115 Km; se fac mari volume
de dragaj, anual).
În august 2003 debitul Dunării a fost de doar 1700 m3/s ceea
ce a creat mari probleme de navigaţie (inclusiv pe Canalul Dunăre
– Marea Neagră) şi a dus şi la oprirea temporară a Centralei
Nuclearoelectrice de la Cernavodă (care funcţiona în acea perioadă
doar cu Grupul 1).
Lucrări importante sunt executate şi pe Dunărea maritimă
(Galaţi - Sulina): rectificări de albie, străpungeri de meandre şi
dragaje pentru a asigura o adâncime de 24 de picioare = 7,32 m
(conform convenţiei Dunării). În acest sens o problemă o constituie
"bara de la Sulina". Datorită ciocnirii între curentul litoral (de la
nord la sud pe lângă litoralul românesc) şi curentul de apă vărsat de
Dunăre în mare se produce disiparea energiei şi depunerea
aluviunilor sub forma unui grind paralel cu ţărmul: bara de la
Sulina (fig. I.1). Pentru spălarea ei de către Dunăre s-au construit
16
două jetele (diguri uşoare de apărare a şenalelor de acces) care au
trebuit să fie lungite în permanenţă deoarece în faţa noii guri de
vărsare se forma o nouă "bară".
Pentru a se îmbunătăţi ieşirea la mare s-a executat Canalul
Dunăre Marea Neagră. Acesta are două ecluze duble (gemene) de
25 x 310 m şi o lungime de 64,2 Km. El asigură o adâncime de apă
de 7,5 m şi are capătul de la M. Neagră în portul Constanţa, zona
Sud.
Figura nr. I-1 Jetele la „bara” Sulina
17
Ecluza de la Cernavodă poate lucra cu nivel alternant în
Dunăre (când mai scăzut, când mai ridicat decât în canal) iar ecluza
Agigea se particularizează prin sistemul său de umplere - golire,
proiectat în aşa fel încât să evite salinizarea apei din canal (folosită
pentru irigaţii şi alimentări cu apă).
Convoiul de calcul pe canalul Dunăre - M. Neagră este un
convoi împins format din trei dane duble de barje de 3000 t
(capacitate de încărcare) şi un împingător (figura I.2).
Figura nr. I-2
Fluviul Volga şi reţeaua de canale, fluvii şi lacuri din Rusia
şi republicile europene ale fostei U.R.S.S. reprezintă căi navigabile
capabile să lege mări situate la mare distanţă între ele: M. Albă (şi
M. Barenţ), M. Baltică, M. Caspică şi M. Neagră. Primele
amenajări pentru navigaţie au început în Rusia, în anul 1708 (Petru
18
I ; sistemul Vâşenovoloţk). Fluviul Volga este "coloana vertebrală"
a acestui sistem de căi navigabile interioare.
Oraşul Moscova este legat de Volga prin canalele Moscova -
râul Moscova (ce duce spre Volga) şi Moscova - Oka (care duce de
asemeni la Volga) pe care sunt amplasate 3+8 ecluze cu
dimensiunile de 30x290 m.
Canalul Volga-Don, lung de 101 Km, are 13 ecluze.
Sistemul de navigaţie permite circulaţia navelor de 3000 până la
4000 de tone. În tabelul următor se prezintă o comparaţie (din
punctul de vedere al volumelor de lucrări) între câteva mari canale
navigabile din lume:
Tabelul I-1
Numele canaluluiLungime
[km]
Săpături
(pământ+rocă)
[106⋅ m3]
Beton
[106⋅ m3]
Panama 81 160 3,9Suez 164 275 -
Moscova-Volga 128 154 2,9Canalul German de
Nord99 78 0,8
Canalul Dunare- 64,2 300 3,55
19
M.Neagră
Canalul Panama are o lungime de 81,3 km pe care sunt
amplasate 5 ecluze. Acestea permit traversarea unei diferenţe de
nivel de 26 m. Construcţia canalului a început în 1903 şi s-a
terminat în 1914. La ora actuală se pune cu mare acuitate problema
lărgirii canalului pentru a permite navigaţia unor nave de capacitate
mai mare (o lărgire şi reprofilare din aceleaşi motive a suferit şi
Canalul Suez.
1.3.Caracteristicile tehnico-economice ale transportului pe apă
Eficienţa transportului pe apă este determinată de următorii
factori principali:
1) Preţul de cost (lei/t⋅ Km)
2) Viteza de trafic şi comercială
3) Capacitatea de transport a căii navigabile
4) Caracterul de masă
5) Permanenţa şi regularitatea
6) Siguranţa transportului
20
1) Preţul de cost pentru transportul pe apă (fără transbordări) are
următoarele componente:
a) cotele de amortisment ale investiţiilor
pentru calea navigabilă şi pentru flotă
b) cheltuieli de întreţinere pentru calea
navigabilă (relativ mici) şi pentru flotă (mai mari)
c) Cheltuieli sociale şi retribuţii: prezintă o tendinţă de
scădere prin automatizarea transportului pe apă şi
extinderea navigaţiei prin împingere
d) cheltuieli de propulsare (costul
carburanţilor şi lubrifianţilor)
e) cheltuieli de asigurare şi cheltuieli
generale.
Preţul de cost al transportului pe apă (fără operaţiile de
încărcare descărcare) este mai mic decât al transportului auto sau
feroviar. Pentru distanţe mari de transport (peste 200 de km)
transportul pe apă este competitiv cu transporturile terestre chiar şi
incluzând încărcarea-descărcarea mărfurilor.
Pentru cursuri de apă amenajate pentru navigaţie în regim de
curgere liberă (fără ecluze), investiţia medie pe kilometru poate fi
21
mai redusă decât cea aferentă căilor ferate dar pentru canale
artificiale ecluzate ea este de, obicei considerabil mai mare.
2) Viteza de transport pe căile navigabile este mai mică decât pe
calea ferată (dacă discutăm de vitezele optime de circulaţie)
Se pun în discuţie două tipuri de viteze:
a) viteza tehnică, viteză cu care se pot deplasa, în
plin marş, navele sau vehiculele terestre
b) viteza comercială, sau de transmitere a
mărfurilor de la punctul de îmbarcare la cel de destinaţie,
ţinând cont de toate opririle şi timpii tehnologici pe traseu.
Comparaţia acestor viteze este prezentată în tabelul I.2.:
Vitezele comerciale evidenţiază diferenţe mai mici între
transportul feroviar şi cel fluvial decât cele tehnice (timpii de
staţionare şi pierderile pe traseu sunt mai mici decât la calea ferată).
3) Capacitatea de transport a căilor navigabile
a) pentru căile amenajate pe râuri şi fluvii, în
regim de curgere liberă este practic nelimitată si mult mai
mare ca a altor căi de transport
22
b) pentru râuri şi fluvii amenajate în regim barat
sau pentru canale ecluzate, capacitatea de transport este
limitată la capacitatea de trecere (trafic) a ecluzelor.
4) Caracterul de masă al transportului pe apă este dat de faptul
că navele folosite azi au capacităţi mari de încărcare. Chiar un şlep
relativ mic - 1000 t - are capacitatea de încărcare cât un tren de
marfă iar dacă ne gândim la faptul că şlepurile circulă în convoaie
atunci avantajul este în mod clar de partea transportului pe apă.
Tabelul I-2
Tipul de transport
Natura căii Tip de vehiculViteză tehnică (km/h)
Viteză comercială
(km/h)
Fluvial
Apă moartă,Spaţiu
Nelimitat
Convoi tractat 7-10 5-8Convoi împins 10-13 8-10
Motonavă 14-20 10-16
CanalConvoi tractat 5-7 3,5-6Convoi împins 6-10 4-8
Motonavă 11-15 7-13
Feroviar Cale ferată
Tren marfă aburi
30-35 15-20
Tren marfă diesel
40-55 * 40,95##
23
AutoAutostrada
Autocamioane mijlocii
58-66 *
Autocamioane grele
56-64 *
Drum naţional
Autocamioane 30-40 *
Datele însemnate cu : * sunt date după studii mai vechi.
## - în anul 2000
De asemenea transportul pe apă nu condiţionează atât de
restrictiv gabaritul mărfurilor transportate, ca în cazul vagoanelor
de cale ferată. Pe apă se pot transporta piese de mari dimensiuni şi
greutăţi (a se vedea, totuşi, gabaritul de aer de sub poduri etc.).
5) Regularitatea şi permanenţa transportului pe apă nu sunt pe
deplin satisfăcătoare pentru mai multe motive:
a - îngheţul apei - durata medie a perioadei de navigaţie
variază mult cu zona geografică: pe Dunăre 270-300 de
zile/an, pe fluviile din Rusia 170-270 zile/an, etc. Pentru a
combate acest neajuns se pot folosi spărgătoare de gheaţă sau
apă caldă de la răcirea unor termocentrale.
b - nivele scăzute sezoniere ale apei în râuri şi fluvii (sau
perioade secetoase). Se poate introduce un sistem de prognoză
24
hidrologică. Se poate circula cu încărcătură redusă (pescaj mai
mic) sau cu nave cu pescaj redus.
c- valuri mari produse de obicei de vânt (mai ales pe lacuri) -
pot duce la oprirea temporară a navigaţiei.
Întreruperile dau transportului pe apă un coeficient de
neregularitate şi fac necesară construirea de depozite tampon
(antrepozite) atât în portul de expediere cât şi în portul de
destinaţie.
În schimb, întreruperile pot fi folosite pentru revizuirea şi
repararea navelor.
6) Siguranţa transportului pe căile navigabile interioare este
foarte mare, naufragiile fiind rare. De aceea flota are o durată lungă
de exploatare iar cotele de amortizare anuală sunt mult mai reduse
decât la alte mijloace de transport, lucru ce pledează în plus pentru
rentabilitatea transporturilor pe căile navigabile interioare.
7) Alte caracteristici favorabile ale transportului pe apă sunt:
- mecanizarea într-un procent ridicat a operaţiunilor de
încărcare-descărcare
25
- personalul redus (numeric) de însoţire a mărfurilor (la
convoaie împinse:1 la 1000-2000 t)
- consumul redus de metal pentru construcţia navelor
raportat la unitatea de masă transportată, în raport cu
mijloacele de transport auto sau feroviare.
1.4. Principalii indicatori ai traficului
Principalii indicatori ai traficului sunt:
a) masa mărfurilor (numărul călătorilor)
b) parcursul mărfurilor şi distanţa de transport
c) intensitatea transportului
a)- Masa mărfurilor sau numărul călătorilor - cel mai important
indicator al traficului - se stabileşte prin balanţa transportului
(evidenţa produselor excedentare şi deficitare ale regiunii deservite
de calea navigabilă respectivă; se va ţine cont şi de traficul local de
mărfuri şi de mărfurile aflate în tranzit).
Sensul în care se transportă volumul cel mai mare de mărfuri
se numeşte sens direct de navigaţie iar celălalt, sens invers.
26
Masa mărfurilor transportate pe căile navigabile interioare ale
României a evoluat ca în tabelul următor:
Tabelul I-3
Anul
1938
1948
1960
1970
1975
1985
1989
1991 20
01
2006
Transport pe căi
navigabile interioare
[mil.t]
1,33
0,81
1,91
3,40
6,10
18,4
37,3
7
12,0
4
11,3
4
14,9
4
Cu toată creşterea în valoare absolută a cantităţii de mărfuri
transportate pe apă, de fapt procentul de participare a acestui tip de
transport în raport cu transporturile terestre (auto şi feroviare) la
traficul total a scăzut în ultimii ani. Şi procentul de participare a
transporturilor feroviare a scăzut. Una din principalele explicaţii ale
acestui fenomen este preluarea masivă a mărfurilor de către
transportul auto (cu sporirea semnificativă a problemelor de trafic şi a
poluării), mai ales pentru distanţe scurte şi cantităţi relativ reduse şi
de asemenea dezvoltarea puternică a transportului prin conducte
(gaze şi lichide).
27
b)- Parcursul mărfurilor (călătorilor) este un indicator care
caracterizează mai bine transportul decât simpla exprimare a
cantităţii de mărfuri transportate. Cum distanţele de transport pe apă
sunt de obicei mai lungi, se poate pune mai bine în evidenţă volumul
de activitate depus de transportul pe apă.
Parcursul mărfurilor - PM - (sau al călătorilor - PC) este
produsul între cantitatea de mărfuri transportată Q (numărul de
călători Y) şi distanţa de transport d:
∑ ⋅= ii dQPM [t⋅ km]
(I.0)
dY=PC ii ⋅∑ [călători⋅ Km]
(I.0)
Parcursul mărfurilor este indicatorul care reflectă producţia
industriei transporturilor (însă trebuie menţionat că sporirea
parcursului mărfurilor prin mărirea distanţei este un aspect
nefavorabil al eficienţei acestei activităţi).
Distanţa medie de transport se obţine prin împărţirea
parcursului la cantitatea de marfă (nr. de călători):
28
Q
PM=d [Km] (I.0)
sau
Y
PC=d [Km] (I.0)
c)- Intensitatea transportului este dată de raportul între parcursul
mărfurilor (călătorilor) şi lungimea căii de transport analizate L (sau
a reţelei de căi de transport):
L
PM=I [(t⋅ Km)/
Km] (I.0)
L
PC=I [(călători⋅ Km)/Km] (I.0)
În mod curent intensitatea este mai mică decât tonajul
mărfurilor (numărul călătorilor) transportate pentru că nu toate
mărfurile sunt transportate pe întreaga lungime a căii (reţelei) de
transport.
29
Cap. 2 NAVELE DE TRANSPORT SI CARACTERISTICILE
LOR
2.1 Generalităţi şi clasificare
Nava de transport este o construcţie capabilă să plutească şi să
încarce la bord mărfuri sau călători.
Există de asemenea nave civile şi cu alte destinaţii decât
transportul de mărfuri sau călători.
Navele care circulă pe apele interioare se clasifică după mai
multe criterii:
a) în funcţie de calea navigabilă pentru care au fost construite:
- nave pentru râuri şi fluvii
- nave pentru lacuri
- nave pentru canale navigabile
b) după destinaţie:
b1) de transport: - de mărfuri şi călători
- de pasageri
- de mărfuri
30
- de traversare
b2) de remorcare: - remorchere
- împingătoare
b3) de pescuit: - pescadoare
- nave de prelucrare şi frigorifice
b4) administrative: - sanitare
- şalupe:
- de inspecţie
- de supraveghere
b5) de sport
b6) tehnice: -drăgi, deroşeze, macarele plutitoare
-şalande, sonete plutitoare, elevatoare
plutitoare
b7) speciale: - de pompieri
- de salvare
- de studii
- spărgătoare de gheaţă
- elevatoare plutitoare
c) după modul de propulsare:
- autopropulsate
- fără propulsie proprie (tractate, împinse)
31
d) după materialul din care sunt construite:
- din lemn
- din oţel
- compozite (lemn şi oţel)
- din aluminiu
- din mase plastice şi fibră de sticlă
- din beton armat
Societatea care se ocupă cu stabilirea regulilor privind
securitatea construcţiei şi exploatării navelor ca şi cu clasificarea şi
eliberarea certificatelor de clasă, în România, se numeşte Registrul
Naval Român.
Cel mai vechi registru naval este "Lloyd's Register", înfiinţat
la Londra la sfârşitul secolului al XVII-lea. Alte organisme de
supraveghere şi clasificare a navelor: Bureau Veritas (Franţa),
Germanischer Lloyd (Germania), American Bureau of Shipping,
Registrul fluvial rusesc, etc.
Clasa se acordă pentru 4-6 ani (după care se reînnoieşte; la
patru ani pentru navele de călători, tancuri şi spărgătoare şi la şase
ani pentru celelalte nave).
32
2.2 Schema generală de alcătuire a unei nave
Principalele părţi constituente ale navei sunt:
1) Corpul navei:
a) Coca: osatură, bordaj, învelişul punţii
principale
b) Suprastructură: continuă sau din părţi
izolate (dunetă - la pupă, castel central, teugă - la
prova); toate acestea se mai numesc rufuri.
c) Elemente de compartimentare:
- punţi – similare planşeelor mîntr-o clădire
(de comandă, principală, de promenadă, a
bărcilor de salvare, etc.)
- pereţi verticali: longitudinali, transversali
2) Echipamente de navigaţie şi auxiliare:
-instalaţia de guvernare
-instalaţia de ancorare
-echipament de acostare
-echipament de remorcare
-utilaj de ridicat
33
-aparataj de navigaţie
-mijloace de semnalizare şi salvare
-instalaţia de propulsare
3) Dotări interioare: amenajări şi utilaj de deservire
Corpul navei reprezintă partea principală a navei.
Coca sau corpul propriu zis, este ansamblul de elemente de
rezistenţă şi învelişuri care asigura rezistenţa, calităţile nautice şi
capacitatea de încărcare a navei.
Osatura este scheletul de rezistenţă al navei iar bordajul este
îmbrăcămintea etanşă a corpului navei.
Învelişul punţii principale închide coca la partea superioară
(este de remarcat că pe apele interioare circulă şi unele nave
nepropulsate - barje, ceamuri, şlepuri - care nu au punte sau au
puntea principală incomplet închisă).
Bordul drept (în sensul de mers al navei) se numeşte tribord
iar bordul stâng-babord. Partea din faţă a navei se numeşte prova
(prora) iar partea din spate - pupă.
Piesa longitudinală de rezistenţă a osaturii este carlinga
centrală. Aceasta se termină la prora cu etrava iar la pupa cu
etamboul (suport pentru cârmă şi elice). În carlinga centrală sunt
34
încastrate coastele care la partea superioară sunt legate prin grinzile
de punte.
Suprastructura se execută deasupra punţii principale cu
scopul de a crea încăperi pentru echipaj şi călători, pentru a
adăposti unele instalaţii şi de a mări capacitatea de transport (la
nave nepropulsate suprastructura poate lipsi sau poate fi
reprezentată doar de cabina care adăposteşte timona).
35
1-1
Figura nr. II-1
Elementele de compartimentare - punţi şi pereţi verticali - au
rolul de a realiza spaţiile cu funcţiile necesare în interiorul navei
dar şi acela de siguranţă în caz de accident (pereţi transversali
etanşi).
36
2.3 Caracteristici geometrice, plan de forme şi capacitate de
încărcare
Pentru a pune în evidenţă pe o planşă forma corpului navei
se desenează planul de forme. Acesta se obţine din intersecţia
suprafeţei exterioare a corpului navei (bordaj) cu planuri
echidistante şi paralele cu cele trei planuri principale de proiecţie:
- planul vertical - diametral - care taie nava după axa ei
longitudinală
- planul vertical al cuplei maestre - care taie nava la
jumătatea lungimii ei teoretice (sau acolo unde secţiunea
transversală este maximă - cupla maestră), perpendicular
pe planul vertical diametral
- planul orizontal de plutire - care taie nava după linia de
plutire.
Dimensiunile principale ale navei sunt:
- L - lungimea teoretică, este lungimea maximă de gabarit
- B - lăţimea teoretică, este lăţimea maximă de gabarit
- T - pescajul, se măsoară pe verticală, în cupla maestră, de
la linia de plutire până la marginea inferioară a carenei
(chilă) şi se numeşte pescaj de referinţă.
37
Figura nr. II-2 Formele în planul vertical diametral
Figura nr. II-3 Formele în planul orizontal - de plutire
PUPA PROVA
Figura nr. II-4 Formele în planul vertical al cuplei maestre
38
Dacă pescajul prova este egal cu pescajul pupa se spune că
nava stă în asietă dreaptă. În caz contrar se spune ca este apupată
sau aprovată. Aceste situaţii pot apare în timpul încărcării sau
descărcării navei.
Două valori importante ale pescajului sunt: pescajul navei
goale şi pescajul navei încărcate.
Francbordul - F - este înălţimea bordului liber şi se măsoară
de la linia de plutire până la punctul cel mai de jos al bordului
navei. Francbordul minim, în cazul navei încărcate, trebuie să
asigure condiţii de securitate navei (de exemplu pe timp de
furtună).
Deplasamentul navei - D - este greutatea volumului de apă
dislocuit de navă (tone).
Distingem deplasamentul navei încărcate şi deplasamentul
navei goale.
Diferenţa dintre cele două deplasamente este capacitatea de
încărcare brută (tdw).
Capacitatea de încărcare netă este capacitatea de încărcare
brută, minus greutăţile combustibilului, lubrifianţilor, apei,
proviziilor de alimente, echipajului şi a celorlalte materiale ce sunt
necesare pentru funcţionarea navei.
39
Tonajul registru reprezintă volumul total al spaţiilor închise
între corpul navei şi puntea etanşă. Tonajul registru net este
volumul destinat exclusiv mărfurilor (sau pasagerilor). 1 tonă
registru este volumul de 100 picioare cubice = 2,83 m3.
Coeficienţii de forma (fineţe) ai corpului navei au valori
subunitare şi arată gradul de profilare hidrodinamică în raport cu un
paralelipiped.
Coeficientul suprafeţei de plutire este raportul:
BL
S=α
(II.1)
unde: S - suprafaţa de plutire
Coeficientul cuplei maestre este
raportul:
TB=
⋅χβ (II.2)
unde: χ - suprafaţa cuplei maestre (udată)
40
χ
Coeficientul de plenitudine al carenei este raportul:
TLB
V=
⋅⋅δ (II.3)
unde: V - volumul carenei (volumul dislocuit de corpul
navei)
Cele mai frecvente nave autopropulsate care circulă pe apele
interioare sunt navele de pasageri, remorcherele (împingătoarele) şi
şalupele iar mai rar, motonave pentru mărfuri (cargouri).
Navele fără propulsie proprie sunt: şlepurile, tancurile şi
barjele. Şlepurile pentru piatră, lemnărie si alte produse de masă se
numesc ceamuri sau mahoane. Şlepurile pentru convoaie tractate au
sistem propriu de cârma. Barjele - nave fără propulsie pentru
convoaie împinse, nu au sistem propriu de cârmă.
Există şi o categorie de nave staţionare : pontoanele de
acostare la ţărmuri în taluz, instalaţii portuare off shore, etc.
2.4 Echipamentul de navigaţie şi auxiliar
41
a) Instalaţia de guvernare a navei permite menţinerea
direcţiei de mers împotriva forţelor de derivă sau schimbarea
direcţiei de mers atunci când acest lucru este necesar.
Nu dispun de instalaţie de guvernare: barjele pentru convoaie
împinse, navele din flota tehnică nedotate cu propulsie proprie şi
navele staţionare (pontoane de acostare, etc.).
Sistemele cele mai obişnuite sunt:
- cu cârmă (element de execuţie fiind safranul sau
pana cârmei )
- cu ajutaje (duze) orientabile
- cu propulsor cu palete verticale
Sistemul cel mai vechi şi mai răspândit este cârma, care
foloseşte forţa hidrodinamică ce apare pe pană (safran) atunci când
nava are o viteză relativă de deplasare faţă de apă. Cu cât viteza
relativă a navei faţă de apă este mai mare, forţa hidrodinamică va fi
mai mare. Această forţă hidrodinamică dă un moment de rotaţie
faţă de centrul de greutate al navei, care contribuie la schimbarea
direcţiei.
dF=M ⋅ (II.4)
V+V+V=V ecir (II.5)
42
unde:
Vr = viteza relativă a apei faţă de cârmă - viteza care dă forţa
hidrodinamică F
Vi = viteza de înaintare a navei
Vc = viteza curentului de apă (contracurent)
Ve = viteza apei refulată de elice
Manevrele de acostare se fac cu Ve.
Figura nr. II-5
Situaţia de mai sus se referă la o navă care circulă spre
amonte (contra curentului de apă, pe un râu).
43
F1 = componentă a lui F care creează un efect de frânare a
navei în timpul giraţiei
F2 = componentă a lui F care dă o derivă spre bordul opus
giraţiei (virajului)
Cârma poate fi obişnuită (a), compensată (b) sau
semicompensată (c), după poziţia centrului de presiune (C, în care
acţionează forţa hidrodinamică F) faţă de axul ei de rotaţie:
a) cârmă obişnuită b) cârmă compensată c) cârmă semicompensată
Figura nr. II-6
Navele pot fi dotate şi cu două pane de cârmă (iar în mod
excepţional chiar mai multe).
Sistemul cu ajutaje (duze) este bazat pe plasarea elicei într-
un ajutaj şi dirijarea jetului prin rotirea ajutajului sau prin
proiectarea prin ajutaj a unui jet de apă provenit de la o pompă
(ajutajul joacă şi rolul de propulsor). Sistemul poate avea 1, 2 sau
mai multe ajutaje.
44
b) Instalaţia de ancorare este a doua în ordinea de
importanţă a echipamentelor navei. Ea serveşte la fixarea navelor
de fundul căii navigabile pentru: staţionare, efectuarea unor
manevre de întoarcere în spaţiu îngust (în jurul ancorei), acostarea
în curent cu pupa înainte sau evitarea unor accidente (atunci când
se defectează instalaţia de guvernare, propulsorul sau când
condiţiile meteorologice sunt nefavorabile).
Spre locul de ancorare se vine cu prova împotriva curentului,
iar ancora de prova se aruncă doar când viteza încetinită a navei
tinde către zero. În cazuri speciale se poate face ancorarea şi cu
ancora de pupă, dar în prealabil se reduce viteza de deplasare prin
darea maşinilor "înapoi" (schimbarea sensului de rotaţie sau a
înclinării paletelor elicei).
l
45
Figura nr. II-7
Lungimea lanţului ancorei, h52=l ⋅÷
Pe timp nefavorabil lungimea l va fi mai mare pentru a fi
siguri că forţa de tracţiune se transmite ancorei pe orizontală.
Există ancore cu braţe fixe (cu două braţe sau cu patru braţe)
sau cu braţe mobile. Smulgerea ancorei se face cu un lanţ mai
subţire (călăuză) fixat la extremitatea cu braţe a ancorei:
Figura nr. II-8
Navele de ape interioare au de obicei două ancore la prova şi
una la pupa (la convoaiele împinse, ancorele prora sunt la prima -
primele - barje din convoi, iar ancora pupa la împingător).
c) Echipamentul de acostare constă din piesele fixe pentru
legare (babale, binte sau stâlpi de amaraj) şi din parâme (din fibre
46
vegetale - in, cânepă, sisal, bumbac, sintetice sau din oţel - cablu
flexibil din minim 6 toroane × 24 fire + 7 fire vegetale).
Piesele de legare sunt cilindri turnaţi din fontă sau realizaţi
din oţel sudat. Babalele sunt fixate pe o placă postament şi pot fi
simple, duble sau în cruce:
Figura nr. II-9
Parâmele sunt prevăzute la capete cu ochiuri (gaşe) şi trec
peste bordul navei prin "urechi" (drepte sau oblice; cu sau fără role;
fixate la 1,5 - 2,5 m de babale) pentru a nu se roade şi uza prea
rapid.
Forţa de rupere a parâmelor, conform Registrului Naval
Român va fi:
2500+N15=F ar ⋅ [daN] (II.4)
daN32500F r ≤ (II.5)
47
unde : Na = caracteristica de dotare a navei (calculabilă conform
prevederilor Registrului Naval Român)
Babalele, turnicheţii şi urechile de ghidare a parâmelor se
calculează la forţa de rupere a parâmei. Forţa de rupere a parâmei
este importantă şi pentru aprecierea condiţiilor de staţionare a
navelor în ecluze şi porturile de aşteptare.
d) Echipamentul de remorcare este prezent pe orice navă
propulsată sau nepropulsată (la prora, la pupa, pe borduri), după
cum nava va fi tractată, împinsă sau remorcată la ureche (lateral).
În afară de echipamentul de pe nava care urmează să fie
remorcată se mai pune şi problema echipamentului de remorcare de
pe nava care realizează această activitate.
Remorcherele au sistemele de remorcare în spate (pupa),
formate din 1-2 cârlige sau trolii cu parâme de legare a navei
tractate.
Împingătoarele au sisteme de remorcare în faţă (prora).
Cuplajul cu barjele poate fi elastic sau rigid.
În cuplajul rigid planul diametral al împingătorului nu poate
devia de la planul de simetrie al convoiului.
48
În cuplajul elastic - folosit pe căi navigabile înguste sau cu
raze de curbură mici - permite mişcări de 5 - 45 grade între planul
diametral (axa de simetrie) al împingătorului şi axa de simetrie a
convoiului (în cazul unor unghiuri de numai 5 - 10 grade cuplajul
este numit semirigid).
e) Utilajul de ridicat este destinat încărcării şi descărcării
mărfurilor de pe navă (granice, bigi) sau lansării bărcilor de salvare
(gruiuri de barcă).
Utilaje de încărcat mărfuri au de obicei doar navele de
mărfuri generale şi produse alimentare (propulsate sau şlepuri), dar
nu întotdeauna.
f) Aparatajul de navigaţie
Cele mai importante instrumente sunt:
- compasul magnetic (busola)
- giroscopul
- sonda (măsurarea adâncimilor; sonde manuale, mecanice,
cu ultrasunete)
- aparatura radio de navigaţie (radiofaruri, radiogoniometrie,
radare; aparate de radiocomunicaţii şi telegraf).
49
g) Mijloace de semnalizare. Pe nave se folosesc mijloace de
semnalizare optice şi acustice (sirenă).
Mijloacele optice folosite ziua sunt pavilioanele şi baloanele
iar pe timp de noapte, luminile de semnalizare:
- lumină alba - la catarg
- lumină verde - la tribord (dreapta)
- lumină roşie la babord (stânga)
- lumină albastră - la pupa
h) Instalaţia de propulsie foloseşte forţa motorului (cu aburi,
cu ardere internă), pe care o transformă în forţă de înaintare.
Instalaţia de propulsie poate fi:
- cu zbaturi (2 situate lateral sau unul în spate)
- cu elice (1, 2 sau 3 situate la pupa, uneori şi la prova; au 2-
5 pale).
- cu disc rotitor cu palete verticale (la pupa sau la prova)
- cu jet hidraulic (proiectat prin unul sau mai multe ajutaje
situate la pupa, care pot ţine loc şi de instalaţie de
guvernare)
50
- cu elice aeriană (la navele pe pernă de aer)
Pentru anumite nave (sport) sau nave vechi se foloseşte şi
instalaţia de propulsie cu vele care preia energia vântului şi o
transformă în forţă de înaintare.
O instalaţie de propulsie este formată din:
- motor
- sistem de transmisie (mecanic, hidraulic, electric)
- organ propulsor (zbaturi, elice, disc cu palete verticale,
ajutaje).
2.5 Dotări interioare ale navelor
Acestea constau în amenajări şi maşini auxiliare de
deservire.
Amenajările reprezintă: magazii, depozite frigorifice,
depozite de combustibil, tancuri de balast, pereţi de coliziune, chile
de ruliu, încăperi de locuit, instalaţii electrice, sanitare, de încălzire
şi ventilaţie etc.
Utilajele auxiliare de deservire sunt: pompe pentru apa de
balast, pompe de combustibil, pompe de incendiu, pompe de
51
evacuarea apei de sub pardoseala magaziilor şi a sălii maşinilor
(santină), pompe de apă potabilă, grupuri electrogene,
compresoare, ventilatoare, etc.
2.6 Calităţi nautice
a) Flotabilitatea exprimă capacitatea navei de a pluti cu
încărcătura maximă.
Linia de plutire până la care este permisă încărcarea navei se
numeşte linie de plutire maxima (L.P.M) şi este marcată pe bordul
navei, la jumătatea lungimii, prin marca de încărcare (albă sau
galbenă pe fond închis sau neagră pe navele vopsite în culori
deschise):
52
Figura nr. II-10
Tmax - pescajul maxim
F - francbordul (reprezintă o rezervă de flotabilitate; depinde
de condiţiile zonei de navigaţie şi de destinaţia navei).
Valorile francbordului sunt:
F=hval/2 - nave cu punte etanşă (II.6)
F=hval - nave deschise (II.7)
b) Stabilitatea la plutire este proprietatea navei de a reveni
la poziţia de echilibru după încetarea forţei perturbatoare care i-a
schimbat poziţia.
Forţele de deviere pot fi dinamice (vânt, valuri, tracţiunea
cablului de remorcă) sau statice (mişcarea navei în curbă,
aglomerarea pasagerilor într-un bord, etc.).
53
RULIU TANGAJ
C
ϕ
h
ϕ
M
C
ϕ
M
ϕ
M
Figura nr. II-11
Mr - moment de redresare
Go - centrul de greutate
hM - înălţime metacentrică
Cϕ - poziţia centrului de carenă la înclinaţia ϕ
G - D⋅ g
D - deplasament (t)
P - γ ⋅ V
V - volum carenă (m3)
Oscilaţiile de la un bord la altul, poartă denumirea de ruliu
(se discută stabilitatea transversală).
54
Oscilaţiile pe direcţia prova-pupa, în jurul axei transversale a
navei, se numesc tangaj (se discută de stabilitatea longitudinală la
plutire).
c) Manevrabilitatea este capacitatea navei de a-şi schimba
direcţia sau de a executa rondoul de întoarcere.
Schimbarea direcţiei se numeşte giraţie iar curba descrisă de
centrul de greutate al navei, curbă de giraţie.
Viteza de giraţie are următoarele valori:
- navele de călători: 30-100 grade/minut
- convoaie împinse: 6-20 grade/minut
Diametrul tactic (Dt) este spaţiul necesar pentru o întoarcere
la 180 grade (la navele fluviale este de circa 2-5 ori lungimea
vasului sau convoiului).
d) Insubmersibilitatea - reprezintă capacitatea navei de a
pluti şi de a-şi păstra stabilitatea chiar şi în cazul inundării unora
dintre compartimentele sale (corpul navei este fragmentat prin
pereţi despărţitori etanşi).
55
e) Autonomia este durata (respectiv distanţa) maximă de
mers pe care o poate realiza o navă, în condiţii obişnuite de
navigaţie, cu cantităţile nominale de carburanţi, apă şi alimente la
bord, fără aprovizionare pe parcurs.
La navele de ape interioare ea este de circa 8-15 zile.
2.7. Formarea şi mişcarea convoaielor de nave
Deplasarea şlepurilor, tancurilor şi barjelor (nave fără
propulsie) pe căile navigabile interioare se face, de obicei, în
convoaie.
Convoaiele pot fi tractate sau împinse. Pe distanţe mici, în
zone cu navigaţie foarte dificilă, navele fără propulsie (dar uneori şi
cele autopropulsate) pot fi deplasate prin halaj (tractare de pe mal;
edec) sau tuaj (tractare cu un cablu fixat pe mal şi strâns pe un
troliu la bordul unui remorcher special numit tuior).
Formarea convoaielor ţine cont de următoarele probleme:
a) sensul de navigaţie (spre amonte sau spre aval);
b) condiţiile de navigaţie (viteza curentului, nivelul
apelor);
56
c) gabaritele căii navigabile;
d) pescajul navelor;
e) tipul şi starea tehnică a navelor;
f) natura încărcăturii.
Convoiul trebuie să aibă rezistenţă la înaintare minimă si
manevrabilitate maximă.
Se numeşte dană un grup de nave legate bord la bord (fig.
II.12).
Un şir de nave se numeşte filă.
Compunerea convoaielor tractate. Spre amonte convoaiele
tractate se compun în filă (fig. II.13).
Spre aval, convoaiele tractate se realizează sub formă de
pachet (maxim 2 dane; fig. II.14).
57
dană dublă dană triplă dană cvadruplăFig. II-12
filă simplă
filă dublă
filă simplă-dană dublă
- remorcher - şlep
Fig. II-13
58
Fig. II-14
Şlepurile mai pot fi deplasate şi prin legare "la ureche"(fig.
II.15).
Fig. II-15
Compunerea convoaielor împinse se face doar în filă simplă.
Spre amonte se preferă convoaie în dană simplă:
Fig. II-16
- barjă - împingător
59
Spre aval se preferă convoaie în dană dublă sau triplă:
Fig. II-17
Convoiul tractat tip "Porţile de Fier I" este format din trei
dane triple de şlepuri de 1500 t:
Fig. II-18
60
Convoiul împins tip "Canal Dunăre - Marea Neagră" este
format din trei dane duble de barje de 3500 t (deplasament; 3000 t
capacitate de încărcare):
Fig. II-19
2.8 Rezistenţa la înaintare a navelor
Rezistenţa la înaintare este suma forţelor de rezistenţă
exercitate de mediu asupra navei şi este orientată în sens contrar
celui de deplasare al acesteia (forţe hidrodinamice, aerodinamice şi
componente ce apar din descompunerea greutăţii navei pe plan
înclinat, la navigaţia pe râuri, spre amonte).
Rezistenţa la înaintare depinde de :
61
- caracteristicile navei (rugozitatea corpului navei şi forma)
- caracteristicile mediului (pantă, vâscozitate, densitate şi
dimensiuni ale spaţiului de apă în care se navighează)
- viteza relativă a navei faţă de masa de apă (viteza în apă
stătătoare, v0).
Din punct de vedere al dimensiunilor, spaţiul de apă se
consideră nelimitat dacă:
- adâncimea apei este mai mare de 20 T (T - pescajul)
- lăţimea apei mai mare de 15 B (B - lăţimea navei).
Rezistenţa totală la înaintare este compusă din: rezistenţe
principale şi rezistenţe secundare (3-4% Rtotal).
Rezistentele principale sunt:
- Rf - rezistenţa din frecare
- Rp - rezistenţa turbionară (din presiune)
- Rv - rezistenţa datorită valurilor de însoţire.
Rezistenţele secundare sunt:
- Rap - rezistenţa apendicelor navei
- Ra - rezistenţa aerului (aerodinamică)
- Rw - rezistenţa datorită valurilor de vânt
- Ri - rezistenţa datorită pantei râului (la navigaţia spre
amonte).
62
Exemple de apariţie a rezistenţei la înaintare sunt prezentate
în desenele următoare:
a
b
c
Fig. II-20
63
Valurile ce se formează la deplasarea unei nave (valuri de
însoţire) sunt prezentate în desenul următor:
ϕ
2φθ
Fig. II-21
Întreaga rezistenţă de frecare se localizează în jurul corpului
navei într-un strat limită - δ, în care în natură avem, practic,
întotdeauna regim turbulent:
δ
Fig. II-22
64
Turbulenţa în stratul limită este prezentă dacă Re > 4⋅ 106
(Re < 2⋅ 105 arată ca avem un regim laminar). Numărul lui
Reynolds se determină cu următoarea relaţie:
υl
v=Rv
0e ⋅ (II.8)
Pentru Re = 2⋅ 105 ÷ 4⋅ 106 avem un regim tranzitoriu. În
relaţia II.8, υ este coeficientul de vâscozitate cinematică al apei:
Tabelul II-1
t0C 0 5 10 12 15 20 25 30
υ[10-6 x m2/s]
1.78 1.52 1.31 1.24 1.14 1.01 1.01 0.81
a) Rezistenta la înaintare în spaţiu nelimitat
( ) 20vS
2C+C=R fff ⋅⋅⋅∆
ρ (II.9)
- pentru regim turbulent şi tranzitoriu, unde:
( ) 2log 2-R
0,075=C
e
f - coeficient de frecare (II.10)
65
∆ Cf ≅ 0,4⋅ 10-3 - spor al coeficientului de frecare datorat
sudurilor de la cocă.
S - suprafaţa udată a corpului navei (carenei) [m2].
ρ - densitatea apei [kg/m3]
v0 - viteza navei relativ la masa de apă [m/s]
R+R=R vpreziduala (II.11)
conform celor propuse în 1870 de Froude.
Se calculează numărul lui Froude pentru lungimea vasului (lv):
lg
v=Fv
0lr,
⋅ (II.12)
Dacă: Fr,l < 0,15 - nave lente
Fr,l = 0,15 ÷ 0,25 - nave rapide
Pentru nave lente vom avea următoarea relaţie:
vS2
C=R 20rezrez ⋅⋅⋅ ρ (II.13)
în care Crez este un coeficient de rezistenţă reziduală:
66
⋅⋅
⋅= )0,5-(0,059+
0,0147
T
B+1
SC 2
rez ϕψ
χ (II.14)
χ - cupla maestră a navei
B;T - lăţimea şi pescajul navei
L – lungimea navei
lp - lungimea profilată la pupa navei
χψ l
= p
βδϕ= (II.15)
Figura nr. II-23
TB=
⋅χβ - coeficientul cuplei maestre (II.16)
TLB
vol.carena=
⋅⋅δ - coeficient de plenitudine al carenei (II.17)
Pentru nave rapide vom avea următoarea relaţie:
gDF=R b3
lr,rez ⋅⋅⋅⋅⋅ εεε ϕ (II.18)
unde:
67
- D - deplasamentul navei
- g = 9,81 m/s2
( )[ ]22-F10+10,12= lr,⋅⋅ε (II.19)
F1,25--1,28F-0,5
=lr,
lr,
⋅ϕεϕ (II.20)
T
B0,07+0,79=b ⋅ε (II.21)
Fig. II-24
Rezistenţele secundare sunt:
vS2
=R 20ap ⋅⋅⋅ ρϕ (II.22)
pentru ϕ cuprins între (0,2 ÷ 0,3) x 10-3
vS2
C=R 2velica
aeraa ⋅⋅⋅ ρ
(II.23)
68
Ca - coeficient aerodinamic, Ca=0,7 ÷ 0,8
Svelică - suprafaţa velică (care întâmpină rezistenţă aerodinamică
peste linia de plutire, fig. II-24)
v – viteza corpului navei faţă de masa de aer [m/s]
iDg=Ri ⋅⋅ (II.24)
i - panta râului
i = tg α ≈ sin α pentru unghiuri mici
Rw - nu se calculează dar se admite ca în cazul vântului tare Rw
să producă o mică pierdere de viteză.
Fig. II-25
b) Rezistenţa la înaintare în spaţiu limitat în adâncime
(cursuri naturale de apă)
( ) vS2
C+C=R 201fff ⋅⋅⋅∆
ρ1 (II.25)
69
în care:
C
v=v1
001 (II.26)
vS2
C=R 202rezrez ⋅⋅⋅ ρ
1 (II.27)
C
v=v2
002 (II.28)
Coeficienţii C1 şi C2 se scot de pe nişte diagrame în funcţie de
numărul Froude calculat pentru adâncimea apei (Fr,h) şi de raportul
h/T (adâncimea apei/pescaj):
Fig. II-26
în care:
hg
v=F0
hr,⋅ (II.29)
70
Fig. II-27
NOTĂ: în literatură există grafice cu mai multe curbe trasate.
c) Rezistenţa la înaintare în spaţiu limitat şi în adâncime
şi în lăţime (canale navigabile)
vS2
)C+C(=R 012
fff2 ′⋅⋅⋅∆ ρ(II.30)
în care:
01o
1
v = v + u
C′ (II.31)
vSC=R 20 2r ezre z ′⋅⋅⋅ 22
ρ(II.32)
C
u+v=v2
002′ (II.33)
71
C1 şi C2 se determină ca mai sus. Viteza suplimentară de
întoarcere a apei pe sub corpul navei, u, este (pentru o primă
aproximaţie):
10
−nv=u (II.34)
χΩ
=n (II.35)
în care:
n - coeficientul de profil al canalului
Ω - secţiunea udată a canalului
χ - cupla maestră a navei
Fig. II-28
Viteza "u" se determină prin aproximări succesive:
hB= 0 ∆⋅∆ Ω (II.36)
72
Δh - coborârea nivelului apei (şi respectiv a navei) în golul
dintre două creste de val de însoţire.
Δ h
Fig. II-29
Se pun condiţiile:
( )g2
u+v=h+g2
v 020
⋅∆
⋅
2
(II.37)
( ) ( )u+v--=v 00 ⋅∆ ΩΩ⋅Ω χ (II.38)
Se rezolvă prin aproximări succesive
d) Calculul rezistenţei la înaintare pentru convoaie
RK=R remorcareconvoi ∑⋅ (II.39)
73
unde:
ΣR - suma rezistenţelor la înaintare ale navelor din convoi
Tabelul II-2 - Coeficienţii de remorcare [Krem]
Nr. Formă convoi Convoi tractat Convoi împins
1 R + S 1,00 0,95
2 R + S + S 0,95 0,85
3 R + S + S + S 0,90 0,80
4 R + S + 2S 1,10 0,95
5 R + S + S + 2S 1,05 0,92
6 R + 2S + S 0,95 0,90
7 R + 2S + 2S 1,15 0,96
8 R + 3S 1,30 -
Puterea necesară remorcherului (sau împingătorului) pentru a
deplasa un convoi cu rezistenţa la înaintare Rconvoi, cu viteza "v" este
dată de relaţia:
ηη pt
convoi
75
vR1,10=P
⋅⋅⋅⋅
[CP] ; 1 CP = 0,736 KW (II.40)
74
în care:
- η t - randamentul transmisiei mecanice motor - propulsor
(pe remorcher)
- η p - randamentul propulsorului (elice, zbaturi, etc.)
Pentru valorile obişnuite ale randamentelor se obţine:
R15
1
10
1=P convoi⋅
÷ (II.41)
NOTĂ: În dorinţa de a se obţine viteze mari de deplasare pe
apă, mai ales pentru navele de pasageri sau de traversare, viteze care
să concureze pe cele ale vehiculelor terestre s-au conceput nave
speciale cu sisteme de sustentaţie diferite de plutirea obişnuită:
a) nave cu aripioare portante submersate (în repaos plutesc normal
iar în deplasare corpul navei se ridică deasupra nivelului apei
datorită portanţei ce apare pe aripile ce se menţin sub nivelul apei)
b) nave pe pernă de aer (v = 60 - 185 km/h) - cu ajutorul unor
ventilatoare şi cu o "fustă" specială în jurul navei, între navă şi apă
se realizează "perna de aer" (10 - 30 cm), pe care alunecarea este
foarte uşoară; tracţiunea se face cu elice aeriană.
75
Cap. 3 CALEA NAVIGABILĂ
3.1 Definiţie şi clasificări
Calea navigabilă (sau şenalul navigabil) este fâşia de apă care
îndeplineşte condiţiile necesare deplasării navelor autopropulsate şi
76
convoaielor într-un singur sens de circulaţie sau în două sensuri de
circulaţie.
Râurile, fluviile, canalele artificiale şi lacurile ( în general orice
întindere de apă) care vor fi folosite pentru navigaţie, trebuie să
asigure existenţa căii navigabile.
Clasificarea căilor navigabile se face după următoarele criterii:
a) după modul de realizare: căi navigabile naturale
şi artificiale
b) după poziţia geografică: căi navigabile interioare
(râuri, lacuri, canale) şi maritime
c) după regimul de scurgere: căi navigabile
interioare (fluviale) în regim de scurgere liberă şi în regim
barat
d) după durata de utilizare a perioadei de navigaţie:
permanente (pe toată durata de navigaţie) şi temporare.
e) după balizarea şi iluminarea căii: căi navigabile
dotate pentru circulaţia de noapte şi căi navigabile
necirculabile noaptea
f) după caracterul transporturilor: căi pentru
transport de mare capacitate şi căi pentru transport flotabil
(plute şi nave foarte mici)
77
g) după însemnătatea economică şi caracteristicile
de navigaţie: căi navigabile magistrale, principale, secundare
şi locale.
Tabelul III-1. Categoria căilor navigabile conform STAS
4273/83
Denumirea căii de
transport
pe apă
Grupa Deplasament navă[tone] Categoria căii
MagistralaVI
V
≥ 3000
1500 –3000
2*
2
PrincipalăIV
III
1000-1500
650-1000
3*
3
SecundarăII
I
400-650< 400
4*
4* - în cazuri bine justificate pot fi încadrate în categoria
imediat superioară.
În Europa de vest căile navigabile sunt împărţite în şase clase
(tab. III.2).
78
Tabelul III-2. [4; 5]
Clasa
Capacitate de
încărcare
[t]
Lungime navă
[m]
Adâncime
şenal
[m]
Lăţime şenal
[m]
Gabarit de aer
[m]Obs.
VI 3000 1006÷11
7
35÷100
1009,1÷40
- valorile de la
numărător sunt
pentru canale
- valorile de la
numitor sunt
pentru cursuri
naturale
canalizate
V 2000 953,5÷4,5
3÷3,5
35÷70
33÷1005,25÷9,1
IV 1350 802,5÷4
2,2÷3,5
20÷40
33÷704,0÷5,85
III 1000 67÷732,5÷3,5
2,5÷3,5
20÷37
334,00
II 600 50÷552,3÷3,5
2÷3
10÷48
20÷674,1÷7
I 300 38÷471,6÷3,5
1,9÷2,5
10÷15
12÷243,7÷4,5
În [4] se dau şi dimensiunile recomandate pentru ecluze pentru
fiecare din cele şase clase de căi navigabile.
3.2 Gabarite de navigaţie
79
Se numeşte gabarit de navigaţie secţiunea în care se încadrează
navele cele mai mari (navele de calcul) care circulă pe calea
navigabilă respectivă, inclusiv distanţele de siguranţă.
Gabaritul de navigaţie este format din gabaritul de apă şi
gabaritul de aer.
Nava de calcul este nava ipotetică cu dimensiunile cele mai
mari (Lc, Bc, Tc şi înălţimea suprastructurii) întâlnite la navele ce
navighează pe calea respectivă.
Σ
Fig. III-1
Pe desen:
- ji - jocul (rezerva) de siguranţă între nave
80
- je - jocul (rezerva) de siguranţă exterioară (laterală)
7654321
7
1
rrrrrrrr ++++++=∑
(III.1)
Σr - adâncimea minimă sub chila navei
r1 - rezerva de navigaţie r2 - rezerva de viteză
r3 - rezerva de valuri r4 - rezerva de înnămolire (dragaj)
r5 - rezerva pentru denivelări ale apei datorate vântului care
suflă în lungul căii navigabile
r6 - rezerva pentru denivelări ale apei datorate undelor de
ecluzare
r7 - rezerva pentru denivelări ale apei datorate pornirii unei
hidrocentrale care preia apă din calea navigabilă
Tabelul III-5 [5] - Rezerva de navigaţie r1 [cm]
Adâncime navigabilă
hn [m]
Mărfuri uscateProduse petroliere sau
exploziveFund nisip sau pietriş
Fund stâncos
Fund nisip sau pietriş
Fund stâncos
< 1,5 10 15 15 30
1,5÷3,00 15 20 20 40
> 3 20 25 30 50
81
Rezerva de viteză r2
- pe râuri: )(g
v
h
TKKr c
aa ⋅⋅⋅−⋅=2
1202
2 (III.2)
- pe canale: ( )
g2v1-
v
u+vk=r
20
20
0a2 ⋅
⋅
⋅
2
(III.3)
în care:
B
L0,1-1,8=k
c
ca
⋅ (III.4)
Lc, Bc, Tc, - dimensiunile navei de calcul [m]
h - adâncimea apei [m]
v0 - viteza relativă a navei faţă de apă (viteza în apă stătătoare)
[m/s]
u - viteza suplimentară de întoarcere (vezi paragraful cu
rezistenţa la înaintare a navelor)
Rezerva de valuri r3
r-h=r 1v⋅3,03 (III.5)
82
în care: hv este înălţimea valului produs de circulaţia navei
(vezi paragraful privind efectele circulaţiei navelor); valori negative
pentru r3 nu se iau în consideraţie.
Rezerva de înnămolire (dragaj) r4
Această rezervă depinde de intensitatea depunerilor între două
dragaje şi se admite între 0,2 - 0,5 m.
Rezerva pentru acoperirea efectului acţiunii îndelungate a
vântului în lungul canalului r5 (poate fi ridicare sau coborâre de
nivel):
αcos102 245 w
h
Lr w−⋅= [m] (III.6)
în care:
Lw = lungimea luciului de apă supus acţiunii vântului (km)
h = adâncimea apei (m)
w = viteza vântului (m/s)
α = unghiul dintre axa canalului şi direcţia vântului
83
Rezerva pentru acoperirea coborârii de nivel datorată
mişcării nepermanente a apei în canal cauzată de umplerea ecluzei
(r6):
0
max6
Bg
Qr
cΩ=η
[m] (III.7)
în care:
η = coeficient de interferenţă < 2
Qmax = debitul maxim de alimentare a ecluzei (vezi paragraful
"Calculul timpului de umplere al ecluzelor") [m3/s]
g = 9.81 m/s2
Ω c = secţiunea udată a canalului [m2]
B0 = lăţimea canalului la oglinda apei [m]
Rezerva pentru acoperirea coborârii de nivel provocată de
pornirea bruscă a unei hidrocentrale care prelevează apă din canal -
dacă există - r7 (necesită de regulă calcule speciale).
Pentru distanţele de siguranţă (jocurile) între nave şi lateral
se recomandă următoarele valori:
84
B0,2=j ce ⋅ - canale cu taluze vizibile
B0,4)(0,35=j ce ⋅÷ - şenale dragate imerse în teren slab
B0,55)(0,45=j ce ⋅÷ - şenale dragate în teren stâncos
B0,2=j cminimi ⋅ - dacă navele nu au derivă laterală
θsin⋅⋅L2=j ci - când există derivă laterală (θ - unghi
de derivă)
θ θ
Fig. III-2
Pentru θ = 2o rezultă: L0,07=j ci ⋅
85
În cazul căilor navigabile cu un singur fir de circulaţie lăţimea
gabaritului de apă va fi:
)B0,2+L+B(1,15=M ccc ⋅⋅⋅⋅ θθ sincos (III.8)
Fig. III-3
Adâncimea de apă a gabaritului trebuie asigurată la nivelul
minim de navigaţie ( numit şi etiaj navigabil, asigurat 95 - 99 %) iar
înălţimea de aer - HA - trebuie asigurată la nivelul maxim navigabil
(la trecerea navelor pe sub poduri, conducte, cabluri etc.). Gabaritul
de aer se asigură faţă de nivelul maxim al apei cu asigurarea de 1 -
5%, în funcţie de categoria căii. După normativele ruseşti avem:
86
Tabelul III-4 [5]
Categoria căii navigabile
I II III IV
HA [m] > 13,5 10 - 12,5 7 - 10 3,5
La podurile peste Dunăre de la Cernavodă gabaritul de aer faţă
de nivelul maxim al Dunării regularizate este de 24,60 m (în
eventualitatea barării Dunării aval de Cernavodă acesta ar putea
rămâne de circa 21,60 m).
Distanţa dintre pilele podurilor trebuie să permită cel puţin
trecerea navei de calcul cu siguranţele laterale (je) cerute. Trebuie să
existe cel puţin două asemenea deschideri navigabile.
Adâncimea de navigaţie se va asigura, în funcţie de importanţa
căii navigabile, la nivelele minime, astfel:
Tabelul III-5
Categoria căii navigabile Asigurarea [%]
Cale magistrală 99 %
Cale principală 97 %
Cale secundară sau locală 95 %
87
Pentru o utilizare cât mai eficientă a capacităţii de transport a
căii navigabile se foloseşte un sistem de prognoză zilnică a
adâncimilor disponibile şi se lucrează cu gabarite diferenţiate: fie că
se folosesc nave cu diverse pescaje fie că se circulă cu încărcătură
redusă în perioadele cu niveluri scăzute.
3.3 Razele de curbură şi supralărgirea în curbe a căilor
navigabile
Traseul căilor navigabile este format din curbe şi aliniamente.
Pentru trecerea normală a navelor (se discută pentru nava de calcul)
prin sectoarele de cale în curbă sunt necesare anumite raze de curbură
minime:
- pentru motonave şi convoaie împinse (rigid legate):
L4R c⋅≥min (până la 6Lc) (III.9)
unde: Lc este lungimea navei de calcul
- pentru convoaie tractate:
L5R s⋅≥min (III.10)
88
unde: Ls lungimea şlepului cel mai lung din convoi
În puncte obligate, cu dificultăţi privind trasarea şi racordarea
cu alte căi navigabile (canale, râuri), la intrarea în porturi sau în
interiorul acestora se admite:
L3=R c⋅min (III.11)
ΔB
M
20ΔB
M+ΔB 2
M+ΔB 2
ΔB
Rext
Fig. III-4
89
Pentru a ţine cont de ipoteza (cea mai defavorabilă) întâlnirii a
două nave de dimensiuni maxime, în curbă se face o supralărgire
∆ B a gabaritului de navigaţie.
Supralărgirea se poate determina ca la căile ferate sau la
drumuri (supralărgire geometrică) dar mai corect se determină
supralărgirea reală pentru căile navigabile după schema din figura
III.4.
Se scrie puterea punctului faţă de cerc:
B-R2=B
Lext
2c ∆⋅
∆(III.12)
2
B+M+R=Rext
∆(III.13)
B+M+R2=R2 ext ∆⋅⋅ (III.14)
B-B+M+R2=B
L2c ∆∆⋅
∆
rezultă
M+R2L=B
2c
⋅∆ (III.15)
în care:
Lc - lungimea navei de calcul
90
R - raza de curbură a căii navigabile
M - lăţimea gabaritului de navigaţie
În mod acoperitor:
RL0,5=
R2L=B
2c
2c ⋅
⋅∆ (III.16)
Pentru a acoperi mişcarea de derivă a navei în curbă se
recomandă (în normativul SN 303 - 65) valoarea:
RL0,7=B
2c⋅∆ (III.17)
Supralărgirea se execută la malul convex (interiorul curbei)
pentru a mări şi vizibilitatea căii şi se prelungeşte în afara curbei cu
2/3 Lc. Apoi racordarea la lăţimea din aliniament se face pe distanţa
de 20∆ B (panta în plan de 1:20).
3.4 Controlul şi întreţinerea gabaritelor de navigaţie
91
Periodic, adâncimea şi lăţimea şenalului navigabil trebuie
controlate:
- o dată pe lună la căile pe care navigaţia se desfăşoară
neîntrerupt, ziua şi noaptea
- de două ori pe an la căile cu navigaţie de zi.
Verificarea adâncimii se poate face cu cabluri târâte pe fund
(pentru depistarea obstacolelor apărute), cu cadre formate din rigle
orizontale şi două rigle verticale gradate (care permit şi controlarea
adâncimii) sau cu sonarul.
Operaţia de verificare se începe când adâncimea apei devine
1,5 Tmax şi se continuă şi în perioada de etiaj (nivelele cele mai
scăzute la care se mai poate naviga).
Obiectele ce constituie obstacole se îndepărtează cu plase,
cabluri, cleşti, macarale şi scafandri.
Materialele depuse în strat relativ uniform (nisipuri, mâluri,
pietrişuri) se îndepărtează prin dragaj.
Dragajul este operaţia de săpare sub apă, ridicarea, transportul
şi depozitarea materialului rezultat în zone stabilite anterior. El se
execută cu nave tehnice echipate special numite drăgi.
Se practică un dragaj de exploatare (sau întreţinere) şi un
dragaj capital (destinat reprofilării secţiunii sau schimbării traseului
92
şenalului navigabil - în râuri - sau realizării iniţiale a şenalului; el
implică volume mai mari de lucrări decât dragajul de exploatare).
Dragajele se execută în perioada de scădere a nivelului apelor
după viitură (pe râuri) pentru că în perioada de creştere pe praguri au
loc depuneri.
93
Cap 4 AMENAJAREA CĂILOR NAVIGABILE
4.1 Metode de amenajare a cursurilor naturale pentru
navigaţie
Când un curs natural de apă nu satisface condiţiile necesare
pentru navigaţie el poate fi amenajat în următoarele moduri:
a) în regim de scurgere liberă
b) în regim barat (prin realizarea unor retenţii de
joasă sau de medie cădere se ridică nivelul apei şi se
modifică scurgerea; se pot înlocui porţiuni de albie cu canale
artificiale).
a) Amenajarea în regim de scurgere liberă (sau în curent
liber) este azi din ce în ce mai rară pentru că este dificil să se asigure
- în situaţia lipsei acute de apă - un pescaj suficient pentru nave de
tonaj ridicat, corespunzător nevoilor de transport actuale. Se execută
lucrări de regularizare a albiei şi dragaje.
Nivelurile de apă importante în regim de scurgere liberă sunt:
- etiajul de navigaţie (EN): nivelul cel mai scăzut din perioada
de navigaţie (admis pentru o anume cale navigabilă)
94
- nivelul maxim de navigaţie (NMN): nivelul cel mai ridicat
din perioada de navigaţie (pentru calea navigabilă analizată;
este important pentru proiectarea lucrărilor de traversare cu
pod, etc.).
Fig. IV-1
Pentru determinarea etiajului de navigaţie se prelucrează
înregistrările de nivel pe o perioadă cât mai lungă (30÷ 50 ani) şi se
trasează curba de durata a nivelurilor zilnice (H) din perioada de
navigaţie (exprimată în zile de navigaţie şi procente de asigurare). O
asemenea curbă este prezentată în figura IV-1. Curba de durată poate
fi folosită pentru determinarea posibilităţii de a utiliza cursul de apă
95
în regim de scurgere liberă pentru o flotă existentă (se intră cu
pescajul navei de calcul şi se citeşte asigurarea disponibilă pentru
etiajul de navigaţie; rezultă categoria de importanţă a căii navigabile).
Se poate intra în grafic cu procentul de asigurare dorit pentru calea
navigabilă şi se citeşte etiajul navigabil şi deci pescajul utilizabil.
Etiajul navigabil (EN) trebuie să aibă următoarele asigurări (în
funcţie de categoria căii navigabile):
- cale magistrală (cat.I): 95 ÷ 99 %
- cale principală (cat.II): 90÷ 95 %
- cale secundară (cat.III): 85÷ 90 %
De exemplu: pe Dunăre EN faţă de care se asigură o adâncime
(pescaj) de 2,5 m are asigurarea de 95 %.
Nivelul maxim de navigaţie (N.M.N.) se determină aşezând
nivelurile maxime zilnice (câte unul din fiecare an din perioada
observată) în ordine descrescătoare (în care ordine primesc numere
de la 1 la n).
Se calculează numărul de ordine al anului de calcul (N) şi
numărul de zile t (din anul de calcul, din hidrograful viiturii avute în
vedere) în care N.M.N. poate fi depăşit.
96
100
1)+(na=N
⋅(IV.1)
100
zk=t
⋅ (IV.2)
în care:
a - coeficient care se scoate din tabelul IV-1
n - numărul de ani din perioada de observaţie
t - numărul de zile cât poate fi depăşit N.M.N. în anul de calcul
(cu nr. determinat anterior - N)
k - coeficient care se scoate din tabelul IV-1
z - durata perioadei de navigaţie (zile)
NMN vafi cel din anul de calcul (N) şi va putea fi depăşit în
maxim t zile.
Tabelul IV-1 [5]
Categoria căii I II III IVClasa căii 1 2 3 4 5 6 7
Coeficienţia 2 3 4 5 5 4 4k 3 6 6 5 3 2 2
c) Amenajarea cursurilor naturale pentru navigaţie în regim
barat
97
Râurile a căror adâncime este insuficientă sau a căror viteză de
curgere este prea mare nu pot fi amenajate pentru navigaţie în curent
liber. De aceea prin intermediul unor lucrări de barare, profilul
longitudinal natural cu pantă continuă este transformat într-un profil
în trepte.
De asemenea, se pot realiza canale artificiale paralele cu albia
râului în zone cu mari probleme de navigaţie (cataracte, ...).
Diferenţa de nivel între două biefuri vecine (separate de un
baraj) se numeşte cădere.
Bieful este porţiunea de râu cuprinsă între două lucrări de
barare.
Amenajarea în regim barat a râurilor poartă şi denumirea de
"canalizare a cursului de apă" (literatura franceză şi germană).
Nivel normal de retenţie (N.N.R.) este nivelul realizat în
spatele barajului (lac de acumulare) la debite normale de exploatare.
Dacă N.N.R. se află în limitele malurilor albiei medii
(principale) atunci retenţia (nodul hidrotehnic) se numeşte de joasă
cădere.
98
Dacă N.N.R. depăşeşte cota malurilor albiei medii a râului
atunci retenţia se numeşte de medie cădere. Retenţiile de mare cădere
– peste 50 m – nu mai permit navigaţia în condiţii de economicitate.
Se consideră debite normale de exploatare debitele la care
nodul hidrotehnic (barajul şi lucrările de navigaţie aferente)
funcţionează normal, fără a-şi modifica specificul.
La amenajările de joasă cădere se consideră debite normale de
exploatare cele care nu duc la înecarea căderii prin creşterea nivelelor
aval de baraj. La amenajările de cădere medie debitul normal de
exploatare este cel de exploatare a turbinelor hidroenergetice.
Nivelul maxim de retenţie este nivelul cel mai mare care poate
apare în exploatare iar nivelul minim de retenţie este nivelul cel mai
scăzut (volumul util este gol).
Nivelul maxim navigabil este un nivel foarte important pentru
navigaţie (la trecerea pe sub poduri sau alte lucrări care traversează
aerian râul). La amenajările cu cădere joasă el se determină ca la
paragraful anterior iar la cele de cădere medie, în funcţie de
construcţia evacuatorilor de ape mari (cota crestei deversorului plus
sarcina pe deversor – grosimea lamei deversante).
b1) Amenajările de joasă cădere
99
Nivelul normal de retenţie nu depăşeşte cota malurilor albiei
medii dar, pentru a nu se produce inundarea terenurilor vecine la ape
mari, sunt necesare (pe cele două maluri, în funcţie de situaţia
cotelor) diguri până la cote superioare nivelurilor maxime (0,5 – 1 m
peste cota apei cu asigurarea de calcul a amenajării).
Amenajările de joasă cădere au drept principal scop realizarea
adâncimilor navigabile.
Alte scopuri ale retenţiilor de joasă cădere sunt:
- evacuarea controlată a debitelor uzinate de o
hidrocentrală
- captarea scurgerilor periodice în bazinele de
recepţie mici
- realizarea de iazuri şi heleştee (morărit,
piscicultură)
- amenajări pentru irigaţii şi alimentări cu apă de
interes local
- atenuarea viiturilor
- amenajări de agrement
100
hn=Tc+Σr
∆h Dragaj
α
i
Fig. IV-2
Notaţii pe desen:
H0 - cădere ce se realizează prin construcţia barajului
hn = Tc + Σ r - adâncimea minimă necesară navigaţiei (vezi
gabarite de navigaţie)
∆ h - adâncimea pe care este necesar dragajul pentru a realiza
adâncimea hn
z - adâncimea apei în albie (înainte de barare)
z + y - adâncimea apei lângă baraj (în bieful amonte) când
luciul apei se află la nivelul normal de retenţie
i - panta albiei râului
101
Distanţa la care se amplasează două retenţii vecine (L) se
determină cu relaţia:
( )[ ]i
1h-h-y+z=L n ⋅∆ (IV.3)
sau cu relaţia:
( )i
1h+h-y+z=L n ⋅∆ (IV.4)
în care: hn = Tc + Σ r
Se poate lucra şi fără dragajul de adâncimea ∆ h dar atunci L
scade şi vor trebui executate mai multe baraje pe o lungime de râu
dată.
La ape mari nivelul maxim depăşeşte coronamentul lucrării şi
aceasta funcţionează cu stavilele şi porţile de ecluză deschise. În
acest caz navigaţia se va desfăşura prin deschiderea navigabilă
existentă în corpul barajului. La ape mici şi medii navigaţia se
realizează prin ecluză.
Nodurile hidrotehnice de joasă cădere creează biefuri destul de
scurte şi nu se pot folosi decât în mică măsură pentru producerea de
hidroenergie (caz în care se utilizează turbine bulb).
102
În general, în componenţa unui nod hidrotehnic de joasă
cădere intră următoarele lucrări:
- o ecluză de navigaţie (eventual două)
- barajul de retenţie cu deschideri deversoare de
ape mari şi o deschidere navigabilă în caz de ape mari (când
căderea H0 este înecată şi ecluza funcţionează cu porţile
deschise, pentru tranzitarea debitelor mari),
- eventual o microhidrocentrală sau agregate
pentru captarea energiei mecanice.
Deschiderea navigabilă se dimensionează în funcţie de
dimensiunile navei de calcul (Bc, Tc) şi de rezervele (jocurile) laterale
de siguranţă (je) recomandate la paragraful despre gabarite de
navigaţie (navigaţia se va face într-un singur sens, prin aşteptare).
Dacă amenajarea de joasă cădere nu are prinre utilizări şi
navigaţia, deschiderea navigabilă şi ecluza pot lipsi.
În figura IV – 3 se prezintă schematic o amenajare de joasă
cădere.
⋅
∆⋅⋅⋅g2
v+zg2=v20ϕ (IV.5)
103
104
Fig. IV-3
În relaţia IV – 5 semnificaţia notaţiilor este ::
ϕ = coeficient de viteză
ϕ = 0,85 pentru pile dreptunghiulare
ϕ = 0.95 pentru pile rotunjite
g = 9,81 m2/s
Pentru navigaţie vom avea: ∆ zad = 0,18÷ 0,2 m
Rezultă: s
mzg2=v adad 88,16,1 −=∆⋅⋅⋅ϕ (IV.6)
Dimensionarea hidraulică a frontului deversant se face ca mai
jos:
105
( ) zg2bh+bh2=Q ad2222111navigabilmax ∆⋅⋅⋅⋅′⋅⋅⋅′⋅⋅ εϕεϕ 1 (IV.7)
În relaţia de mai sus b2 se determină din condiţii de navigaţie
(ca şi h2) iar b1 rezultă după hotărârea valorii h1.
Fig. IV-4
ε - coeficient de contracţie a curentului între pilele
deversorului
bg2
v+h
n0,1-1
20
c⋅⋅⋅⋅= ξε (IV.8)
în care:
nc - număr de contracţii pe deschidere
106
ξ = 1 pentru pile rotunjite
ξ = 0,75 pentru pile dreptunghiulare
Se va avea grijă ca suma lăţimilor tuturor deversoarelor plus
grosimile pilelor şi deschiderea navigabilă să nu depăşească lăţimea
albiei medii.
b2) Amenajările de medie cădere
Aceste lucrări permit realizarea unor căderi mai mari (până la
căderea maximă ecluzabilă pentru navigaţie) şi reţin volume de apă
de până la 10÷ 20 % din volumul scurgerii anuale. Aceste
caracteristici ne permit să le dăm o utilizare complexă în
gospodărirea apelor: navigaţie, producerea de hidroenergie,
alimentări cu apă, irigaţii, piscicultură, agrement, etc.
Amenajările de medie cădere (ca de exemplu Porţile de Fier I şi
II) inundă permanent albia majoră a râului.
Împărţirea unui sector de râu prin lucrări de medie cădere se
poate face după două scheme fundamentale:
- retenţii maxime posibile cu căderi inegale
(rezultând numărul minim de baraje pe sectorul dat)
- retenţii cu căderi egale (dar rezultă un număr mai
mare de baraje; avantajul este că devine posibilă tipizarea
echipamentului hidromecanic - porţi de ecluză, vane, etc.)
107
În componenţa unei retenţii de medie cădere intră:
- ecluza de navigaţie (sau ecluzele)
- barajul cu deversoare pentru gheţuri şi
plutitori, pentru ape mari şi pentru golire de fund
(conductă de golire de fund)
- hidrocentrala (dar aceasta poate fi şi în alt
amplasament)
Frontul deversant al unei retenţii de medie cădere poate arăta
ca în figura următoare:
Deversor plutitori
Deversor ape mari
Fig. IV-5
Calculul hidraulic al frontului deversant are următoarele etape:
108
Q+Q+Q=Q turbinedevviituramax ∆
(IV.9)
Q0,85)(0,75=Q instalatturbine ⋅÷ (IV.10)
Q inst = debitul instalat în hidrocentrală
∆ Q - pierderi de debit (neetanşeităţi vane, stavile şi porţi de
ecluză; vezi la capitolul despre ecluze). Debitul consumat la
ecluzare nu se ia în consideraţie deoarece este posibil ca în
momentul sosirii viiturii ecluza să fie în revizie.
Debitul pentru calculul deversorului rămâne:
Q-Q-Q=Q turbineviituramaxdev ∆
Pentru situaţia din desen avem:
qbn=qb+qb2+qb2=Q iiii332211d e v ⋅⋅∑⋅⋅⋅⋅⋅
(IV.11)
qi - debit specific al deversorului
în care:
109
hg2hbm=Q ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ σε (IV.12)
m - coeficient de debit
m = 0,3÷ 0,32 deversor cu prag lat
m = 0,48÷ 0,49 deversor cu profil practic
ε - coeficient de contracţie (vezi paragraful anterior)
σ - coeficient de înecare (σ = 1 pentru deversor neînecat şi
σ < 1 pentru deversor înecat)
h - sarcina deversorului
b - lăţimea deversorului
b
Q=hg2m=q
i
i2
3
i ⋅⋅⋅⋅⋅ σε (IV.13)
Valorile lui b1 şi h1 se determină în funcţie de sloiurile ce pot
apare pe râul respectiv:
b1 = (10÷ 25) m şi h1 = (1,15d + 0,15) m, în care:
d - grosimea sloiurilor (conform prognozei staţiilor
hidrometrice) [m]
Se poate deci calcula q1 şi apoi Q1. Valorile b3 şi h3 (sau
caracteristicile conductei de golire de fund) se determină în funcţie de
110
necesităţile de golire de fund şi de debit de servitute pentru albia
râului aval de baraj. Rezultă valoarea pentru Q3.
Pentru deversoarele de ape mari rămâne debitul:
qbn=Q-Q-Q=Q 22231dev2 ⋅⋅
(IV.14)
Lungimea totală a frontului deversoarelor de ape mari va fi:
q
Q=bn
2adm
222 ⋅
în care:
n2 - numărul deversoarelor cu lăţimea b2 [m] fiecare
q2adm - debit specific admis în funcţie de natura terenului de
fundaţie (în lucrări de specialitate)
Amplasarea ecluzei se va face cât mai departe de barajul
deversor pentru a proteja accesul navelor de curenţii transversali
către deversor (în bieful amonte), de vitezele transversale, vârtejuri,
valuri, etc. (în bieful aval). În cazul distanţei insuficiente între
intrarea (ieşirea) din ecluză şi deversor se vor executa diguri
longitudinale care să protejeze accesul navelor (porturi de aşteptare,
vezi paragraful despre porturi de aşteptare la ecluze). A se vedea in
Anexa foto amenajarea Porţile de Fier I.
111
Se recomandă următoarele elemente (în practică se va face
studiu prin modelare):
- unghiul între direcţia curentului râului şi
direcţia de acces la ecluză va fi sub 15÷ 200
- raza minimă de curbură la acces: R = 4 -
6Lc , în funcţie de tipul de navă (Lc - lungimea navei
de calcul)
- viteza maximă longitudinală a curentului:
2÷ 2,5 m/s
- viteza transversală a curentului: 0,2÷ 0,3
m/s
- locul de acces la ecluză să nu fie în zone
care pot forma depuneri de aluviuni
Amenajarea cursurilor naturale de apă prin realizarea de retenţii
(amenajarea în regim barat) are două categorii de influenţe asupra
acestora:
- modificări hidromorfologice
- modificări ale condiţiilor de navigaţie
Modificările hidromorfologice cele mai importante sunt:
112
- inundarea unor terenuri din lunca râului
(pe lungimea curbei de remuu spre amonte, pe
cursul principal şi pe afluenţi)
- depunerea de aluviuni în zona lacului de
acumulare (datorită reducerii vitezei de curgere în
lac)
- ridicarea nivelului apelor freatice din
terenurile învecinate cu lacul de acumulare (cota
acestora se va racorda la cota crescută a apei în lac)
şi modificarea stării de eforturi în fundaţiile
construcţiilor din apropierea lacului
- erodarea albiei în aval de baraj (apa
limpede - decantată în lac - are o capacitate maximă
de transportare a aluviunilor).
Modificările asupra condiţiilor de navigaţie sunt următoarele
(în majoritate favorabile navigaţiei):
- creşterea vitezei de navigaţie spre amonte
prin reducerea vitezei apei (în lac) şi reducerea
rezistenţei la înaintare (prin creşterea adâncimii şi
reducerea sau anularea pantei apei); consumul de
113
carburanţi va scădea din aceste motive (reducerea
rezistenţei la înaintare şi a duratei cursei)
- scurtarea traseului de navigaţie (lacul
având adâncime suficientă se poate naviga pe
traseele cele mai avantajoase)
- majorarea lăţimii şenalului navigabil şi
dispariţia sectoarelor cu raze de curbură mici,
înguste şi cu traversadă nefavorabilă pentru
navigaţie (a se vedea la "Regularizări de râuri").
Printre efectele nefavorabile se pot menţiona:
- reducerea capacităţii de transport pe râu la
capacitatea de trafic a ecluzei (vezi la ecluze)
- reducerea perioadei de navigaţie cu circa
10÷ 15 zile (datorită prelungirii efectelor perioadei
de îngheţ)
- apariţia valurilor de dimensiuni mai mari
pe lac decât pe râu (vântul poate prinde un luciu de
apă mai lung - fetch - pe direcţia sa dominantă de
manifestare); vor fi necesare nave mai solide,
francbord mai mare şi chiar porturi de refugiu pe
timp de furtună (dacă rezultă că este nevoie).
114
Dacă prin creşterea vitezei de circulaţie şi prin reducerea
lungimii traseului se câştigă mai mult timp decât se pierde prin
ecluzare atunci se poate spune că creşte şi viteza comercială iar
parcul de nave (flota) are o mai bună utilizare.
În Anexa foto este prezentată o lucrare semnificativă din
categoria celor de medie cădere :Amenajarea hidroenergetică şi de
navigaţie Porţile de Fier I.
4.2 Canale navigabile
a) Generalităţi şi clasificări
Ideea realizării unor canale de navigaţie în România nu este
nouă. „...În anul 1929 s-a votat o lege pe baza căreia urma să se
construiască un canal navigabil Bucureşti - Argeş – Dunăre” (Univ.
Ingineresc 361/1-15/02/2006). Ideea canalului Dunăre – Marea
Neagră este şi mai veche, de la sfârşitul secolului 19.
Spre deosebire de canalele destinate transportului de apă (la
care factorul cel mai important pentru dimensionare este debitul) la
calculul canalelor de navigaţie factorul determinant în dimensionare
este gabaritul de navigaţie.
115
Unele canale funcţionează în regim de scurgere liberă (leagă
două puncte ale unei căi navigabile de exemplu fostul canal Sip de la
Porţile de Fier) iar altele în regim ecluzat (în acest caz ele sunt
împărţite în biefuri prin prezenţa ecluzelor).
După rolul şi funcţia lor canalele se împart în trei categorii:
- canale de ocolire a unor zone cu condiţii
nefavorabile de pe o cale navigabilă fluvială (praguri,
vânt, curenţi puternici, etc.)
- canale de legătură ce permit circulaţia între
bazinele hidrografice vecine (trecând peste cumpăna
apelor; ele sunt ecluzate iar bieful din zona cumpenei
apelor se numeşte bief de creastă sau de partaj).
- canale de acces de la o cale navigabilă la
un centru economic sau populat important (se evită
transbordarea mărfurilor cu ajutorul mijloacelor de
transport terestre).
b) Cercetări preliminare pentru proiectarea canalelor
navigabile se realizează pentru a se pune în evidenţă următoarele
probleme:
116
1) necesitatea şi oportunitatea înfiinţării unei căi navigabile
artificiale
2) posibilităţile tehnice de realizare a canalului
3) alegerea soluţiei corespunzătoare din punct de vedere
economic
Numai regiunile puternic dezvoltate economic pot justifica
realizarea unor canale de navigaţie artificiale prin traficul existent şi
de perspectivă al mărfurilor şi călătorilor. Dacă se va da canalului o
utilizare complexă poate intra în discuţie şi transportarea unui debit
de apă în paralel cu navigaţia (ca exemplu, Canalul Dunăre – Marea
Neagră).
Se vor analiza caracteristicile topografice şi geologice ale
terenului pe traseul propus pentru canal şi de asemenea densitatea
construcţiilor, poziţia şi cota cursurilor de apă şi a căilor de transport
terestre intersectate, valoarea economică a terenurilor agricole ce vor
fi scoase din circuitul agricol.
Cercetările se încheie cu elaborarea unui studiu tehnico-
economic (de fezabilitate) pentru mai multe variante (pentru fiecare
dintre ele stabilindu-se secţiunea transversală şi viteza optimă de
navigaţie pentru a se obţine un preţ minim al transportului).
117
c) Traseul în plan şi profilul longitudinal al canalului
navigabil
Alegerea traseului în plan se face cu scopul de a uni centrele
populate şi zonele industriale propuse prin studiul tehnico-economic
(de fezabilitate). Se vor mai avea în vedere şi alţi factori, ca:
- posibilităţi de alimentare a canalului şi de
scurgere a apei
- modul de funcţionare a canalului şi
siguranţa în exploatare
- posibilităţi de întreţinere a lucrărilor
- posibilităţi de deservire a agriculturii cu
apă pentru irigaţii sau a altor consumatori.
Traseul se studiază prin linia mijlocie, adică axa canalului. Se
vor realiza aliniamente cu lungime moderată racordate cu raze de
curbură cât mai largi (pentru o bună vizibilitate şi condiţii optime de
navigaţie).
Se vor respecta recomandările de la paragraful anterior
privitoare la razele de curbură şi supralărgirea în curbe şi de
asemenea prescripţiile de realizare a traseelor stabile pentru albiile de
râuri (de la "Regularizări de râuri") dacă debitul transportat este
118
semnificativ (de exemplu, Canalul Dunăre – Marea Neagră poate
transporta circa 200 – 250 m3/s).
Aliniamentele lungi nu se vor realiza pe direcţia vânturilor
dominante pentru că se pot forma valuri mari iar la capetele
sectorului pot apare remuuri de ridicare (deversarea apei din canal)
sau de coborâre (scăderea adâncimii apei sub cea minim necesară
pentru navigaţie).
La canalele navigabile nu este obligatorie compensarea
volumelor de umplutură şi de săpătură ce apar în execuţie pentru că
realizarea canalelor în umplutură prezintă riscuri importante
(degradări ale canalului, infiltraţii sau chiar inundaţii) şi necesită
lucrări de etanşare.
Pe traseul canalului se pot prevedea porţi de siguranţă (sau de
compartimentare) în următoarele cazuri:
- la trecerea canalului din săpătură în
umplutură
- la capetele sectoarelor ce străbat terenuri
alunecătoare sau în pantă
- pe traseul aliniamentelor lungi aşezate pe
direcţia vânturilor dominante (şi care nu au putut fi
evitate; porţile se închid la vânturi puternice).
119
Porţile de siguranţă sunt de tipul porţilor rulante (sertar cu unu
sau două panouri şi trebuie să acopere întreaga lăţime a canalului în
condiţii de curgere a apei cu viteze ridicate - uneori chiar până la 8
m/s).
Dacă diferenţa de nivel între capetele canalului este mică
atunci se poate recurge la soluţia canal cu scurgere liberă iar în caz
contrar la cea cu canal ecluzat.
Dacă se traversează cumpăna apelor profilul longitudinal al
canalului va fi format din trepte ascendente, bief de creastă şi trepte
descendente.
Treptele de cădere ale ecluzelor se vor face pe cât este posibil
egale iar distanţa între ecluze va fi cât mai mare (după cum permite
terenul).
Nu se execută biefuri a căror cotă de fund este mai scăzută
decât a celor două biefuri vecine (amonte şi aval) pentru că în caz de
necesitate apa nu va putea fi evacuată decât prin pompare.
Ramblee (umpluturi) sau deblee (săpături) mai înalte (adânci)
decât 25÷ 30 m nu sunt recomandate. Se acceptă asemenea situaţii în
condiţii foarte bine justificate: pentru a evita realizarea unor biefuri
de creastă sau a unor tunele de navigaţie (de exemplu, la Canalul
120
Dunăre – Marea Neagră, pe secturul Basarabi – Agigea adâncimea
săpăturii depăşeşte uneori chiar 70 m).
Fig. IV-6
121
În ce priveşte săpăturile adânci trebuie avut în vedere că
nivelul apelor subterane din zonele învecinate se va racorda la nivelul
apei din canal putând prejudicia exploatările agricole şi captările de
apă subterană. De asemenea se poate produce fenomenul de sufozie
în taluzele canalului (definire în paragraful despre efectele circulaţiei
navelor ; protecţiile de mal se vor poza pe filtru invers din material
granular sau pe filtru din geotextil).
Situaţia ideală este când diferenţa de nivel între apa subterană
şi cea din canal este de circa 0,5m. (Fig. IV.6. - Secţ. 2-2).
Situaţia când nivelul apei din canal este mult deasupra celui al
apei freatice nu este de dorit pentru că se vor produce pierderi de apă
din canal (exfiltraţie) care vor trebui compensate prin alimentarea
canalului cu apă (situaţia cea mai grea se întâlneşte în cazul biefurilor
de creastă).
Fig. IV-7
122
Unele probleme apar în legătură cu executarea canalelor pe
coaste (terenuri cu pantă pe direcţie perpendiculară faţă de traseul
canalului) - Fig. IV-8.
Fig. IV-8
Situaţia din figura de mai sus este nefavorabilă deoarece există
riscul de defectare a etanşării şi de înmuiere şi alunecare a umpluturii
(cu "secarea" canalului şi inundarea terenurilor vecine).
În cazul necesităţii executării canalului pe o coastă se acceptă
soluţia din figura următoare:
123
Fig. IV-9
d) Secţiunea transversală a canalelor navigabile
Secţiunea transversală a canalelor navigabile se caracterizează
prin mărime şi formă. Ea se dimensionează diferit de secţiunea
canalelor destinate transportului de apă.
Lăţimea şi adâncimea apei vor trebui să permită înscrierea în
secţiune a gabaritului de apă (iar la trecerea pe sub poduri să se
asigure gabaritul de aer; vezi paragraful "Gabarite de navigaţie").
În acelaşi timp secţiunea trebuie să fie suficient de mare în
raport cu cupla maestră a navei de calcul (χ ) astfel încât rezistenţa la
înaintare să nu aibă valori ridicate.
Forma secţiunii transversale poate fi: parabolică (tip albie
naturală), trapezoidală, poligonală sau dreptunghiulară.
Cele mai folosite sunt secţiunile trapezoidale şi poligonale iar
în teren stâncos sau în săpături adânci secţiunea dreptunghiulară
(de asemenea, la trecerea canalului prin localităţi).
124
Fig. IV-10
Fig. IV-11
Fig. IV-12
125
Fig. IV-13
Forma parabolică ar corespunde cel mai bine profilului de
echilibru natural (asemănător râurilor) dar este greu de executat şi de
întreţinut. De aceea ea se înlocuieşte cu secţiunea poligonală, la care
se recomandă următoarele pante de taluze:
- 1:2÷ 1:3 în zona cu îmbrăcăminte de
protecţie (pe care acţionează valurile);
- 1:3,5÷ 1:6 sub zona protejată cu
îmbrăcăminte, pentru a rezista la curenţii provocaţi de
propulsoarele navelor;
- 1:15÷ 1:20 pentru fundul canalului
(deoarece chiar dacă fundul s-ar face orizontal tot s-ar
produce o adâncire spre axul canalului - din cauza
circulaţiei mai intense - iar materialul erodat s-ar
depune pe taluze; în plus se obţine un plus de secţiune
126
udată a canalului care contribuie într-o oarecare măsură
la reducerea rezistenţei la înaintare).
În limitele pantelor recomandate pentru taluze şi ţinând seama
de stratificaţia terenului se va verifica stabilitatea la alunecare
folosind cunoştinţele de la disciplina "Geotehnică".
Mărimea secţiunii transversale a canalelor navigabile se
analizează cu ajutorul coeficientului de profil (sau de blocaj):
χΩ
=n (IV.15)
în care:
Ω =secţiunea udată a canalului [m2]
χ = cupla maestră a navei de calcul [m2]
Valorile minimale ale coeficientului de profil se stabilesc în
funcţie de categoria căii navigabile şi de viteza de navigaţie pe care
dorim să o utilizăm în exploatare (legată prin coeficientul de profil,
de rezistenţa la înaintare).
Dacă în secolul XIX şi la începutul secolului XX se proiectau
canale cu n =3÷ 3,5, datorită necesităţii creşterii vitezei de navigaţie
s-a trecut la valori minime de 4 sau chiar 5 (pentru căi magistrale).
127
La canalul Rin-Main-Dunăre s-a adoptat n = 7,4 iar pentru
canalul Dunăre - Marea Neagră s-au studiat variante cu n = 6;7 şi 8 şi
s-a adoptat n = 7.
Între două canale cu secţiune udată egală (şi deci cu acelaşi
coeficient de profil n) se preferă cel cu secţiune mai îngustă şi mai
adâncă celui cu secţiune largă şi mai puţin adâncă deoarece limitarea
spaţiului de navigaţie în adâncime duce la o creştere mai mare a
rezistenţei la înaintare decât limitarea în lăţime:
Fig. IV-14
Fig. IV-15
128
În figurile IV-14 şi IV-15 sun prezentate canale care au
coeficient de profil egal. Se preferă tipul de secţiune din figura IV-14
(rezistenţa la înaintare mai mică).
Construirea unei secţiuni poligonale se face ca mai jos:
Lăţimea la oglinda apei va fi:
a2+j+j2+B2=B iec ⋅⋅⋅ (IV.16)
Tm=a c⋅ (IV.17)
unde m este indicele taluzului (1:m)
Dacă se consideră un unghi de derivă θ pentru navele de
calcul, atunci, în loc de Bc se va lua Bc cos θ . Valorile pentru jI, je şi
Σ r sunt cele discutate la paragraful "Gabarite de navigaţie".
După construcţia secţiunii se verifică:
n =Ωχ (IV.18)
129
Σr
Fig. IV-16
Observaţie: se ia cupla maestră a unei singure nave de calcul.
Dacă este necesară sporirea coeficientului de profil n se va trece
la adâncirea secţiunii până la obţinerea valorii necesare (se
prelungesc taluzele cu pante 1:3,5÷ 1:6 în jos, de la punctele D şi F).
În cazul construirii unei secţiuni trapezoidale se va alege o
pantă de 1:2÷ 1:3 pentru taluze (care se va verifica din punctul de
vedere al stabilităţii la alunecare); protecţia de taluz poate coborî
până la fundul canalului.
Taluzele de deasupra nivelului apei vor asigura o înălţime de
2÷ 3m pentru a se proteja navale faţă de vântul lateral. Din motive de
130
întreţinere a canalului pe ambele maluri se realizează câte un drum cu
lăţimea minimă de 3m (la 2÷ 3m deasupra nivelului apei; se admite
valoarea de 1,5÷ 2m pentru canale realizate în umplutură pentru
reducerea umpluturii).
Mărimea secţiunii canalelor navigabile se dimensionează şi
ţinând seama de considerente tehnico-economice:
- realizarea unei secţiuni udate mici duce la
cheltuieli de investiţie mici dar prin coeficientul de profil
mic şi rezistenţa la înaintare mare se ajunge la cheltuieli de
exploatare ridicate;
- realizarea unei secţiuni udate mari (şi deci n
mare) duce la investiţii ridicate şi cheltuieli de exploatare
mai reduse.
Analizând cheltuielile pentru o perioadă de exploatare
îndelungată se poate aduce un nou argument în favoarea realizării
unor canale cu secţiune udată mare (şi deci coeficient de profil mare)
pe lângă acela al unei viteze de navigaţie mai mare.
e) Viteza economică de circulaţie
Viteza economică de circulaţie poate fi analizată sub două
aspecte:
131
- să se determine viteza economică pentru un canal
cu secţiune dată;
- să se determine secţiunea necesară unui canal
pentru o viteză de navigaţie dorită.
Viteza economică este acea viteză la care (prin rezistenţa la
înaintare şi cheltuielile de propulsare) preţul de cost al transportului
(fără transbordări) este minim.
În afara cheltuielilor de propulsare se mai au în vedere
următoarele:
- alte cheltuieli de exploatare, pe durata cursei,
pentru împingător şi barje (sau alte nave avute în vedere);
- coeficientul de utilizare a capacităţii de încărcare;
- cheltuieli pentru împingător în timpul manevrelor
şi staţionării;
- durata cursei.
Cheltuielile de propulsare privesc următoarele aspecte:
- puterea necesară pentru împingător (sau motor)
în funcţie de rezistenţa la înaintare;
- consumul specific de carburanţi şi lubrifianţi;
- preţul de cost pentru carburanţi şi lubrifianţi.
132
Calculele se fac tabelar iar rezultatele se reprezintă grafic,
pentru determinarea minimului cheltuielilor. Valori obişnuite ale
vitezelor economice de navigaţie sunt date în paragraful "Caracteri-
sticile tehnico-economice ale transportului pe apa".
f) Efectele circulaţiei navelor asupra canalelor şi protecţiei
de mal
Prin circulaţia navelor pe canale se produc următoarele
fenomene:
- valuri de însoţire (care au o acţiune mecanică
asupra taluzelor);
- o coborâre de scurtă durata a nivelului apei (pe
lungimea navei) şi curenţi de întoarcere (menţionaţi la
paragraful "Rezistenţa la înaintare a navelor"); efectul
acestora este o presiune suplimentară asupra taluzelor
canalului;
- curenţi de fund generaţi de propulsoarele navelor
(elice, zbaturi, etc.), cu acţiune de erodare a fundului
canalului şi depunere pe taluze.
133
Studiind aceste fenomene rezultă că fundul canalului nu trebuie
făcut orizontal iar taluzele trebuie protejate cu diferite îmbrăcăminţi.
Acestea pot fi:
- netede (beton simplu, armat sau asfaltic), pe
canalele care au şi scop de transport al apei (pot realiza şi
etanşarea canalului);
- rugoase (anrocamente, peree nerostuite), pe
canale destinate exclusiv navigaţiei.
Toate tipurile de protecţii de mal se aşează pe un filtru invers
format din 1÷ 3 straturi de material granular pentru a stopa
fenomenul de sufozie (migrarea particulelor fine din teren în canal
prin traversarea protecţiei de mal împreună cu apa exfiltrată atunci
când nivelul momentan al apei în canal este mai scăzut decât nivelul
apelor subterane).
Protecţiile se vor ridica cu o înălţime y1 deasupra nivelului
maxim al apei în canal şi vor coborî cel puţin cu o valoare y2 sub
nivelul minim al apei din canal.
y1=1,1÷ 1,2hr iar după unii autori chiar 1,4
în care:
hr= Înălţimea de ridicare a valurilor pe taluz
y2=0,85y1 iar după unii autori y2=1,1y1.
134
De regulă protecţia se continuă sub apă până în punctul de
schimbare a pantei taluzului.
Fig. IV-17
Se mai menţionează în literatura de specialitate şi relaţia:
( ) m 2>B
n0,003-0,21,8=y0
2
Ω⋅⋅⋅ (IV.19)
în care:
n - coeficientul de profil
În ce priveşte înălţimea de ridicare a valurilor pe taluz (hr) se
găsesc în literatură mai multe formule, dintre care menţionăm:
- formula Djunkovski:
135
αtg⋅⋅⋅ hk3,2=h vr (IV.20)
în care:
hv= înălţimea valului produs de navă
m
1=αtg = panta taluzului
k=0,77 pentru protecţii rugoase
k=1 pentru protecţii netede
- formula recomandată de normativul VSN 3-70:
m0.05-1
m0,1+h0,5=h
vr ⋅
⋅⋅⋅β
(IV.21)
în care:
m= pantă taluz
β = 1,4 - protecţii netede
β = 1 - pereu de piatră
β = 0,8 - anrocamente
Înălţimea valurilor produse de circulaţia navelor (hv) se poate
calcula cu diverse formule:
136
- formula Bojici:
v02
h = c v2 g
⋅ ⋅⋅
β (IV.22)
în care:
c =1 - nave cu elice
c = 0,85 - nave cu zbaturi
n
3,1=β , cu χ
Ω=n - coeficient de profil
v0 = viteza de circulaţie a navei relativ la masa de apă [m/s]
g = 9,81 m/s2 - acceleraţia gravitaţională
- formula din normativul SN 92-60:
h=h vv ′⋅η
în care:
137
LB+1
LB+2
=0
0
η (IV.23)
g2v
n
1-n
n+4,2
1-1-12,5=h
20
2
v ⋅⋅
⋅
⋅′ (IV.24)
în care:
B0 - lăţimea canalului la oglinda apei
L - lungimea navei
hv - înălţimea valului lângă taluz
h'v - înălţimea valului lângă navă
Subpresiunea ce poate apare pe îmbrăcămintea taluzului la
coborârea nivelului cu ∆ h în momentul trecerii navei se poate
estima conform desenelor de mai jos:
Notaţiile folosite sunt:
∆ h - coborâre de nivel produsă de circulaţia navei pe canal
(vezi paragraful "Rezistenţa la înaintare a navelor")
∆ hf - coborârea nivelului apei freatice prin exfiltraţie prin
îmbrăcăminte
138
Fig. IV-18
Fig. IV-19
139
h)l0,1-(1=h pf ∆⋅⋅∆ (IV.25)
lp - lungimea plăcilor de beton (lp ≤ 6m)
)h-h(=p fa0 ∆∆⋅γ (IV.26)
ad g
uvp γ⋅=∆ 0 (IV.27)
unde:
g = 9,81 m/s2
γ a - greutatea specifică a apei
u - viteza suplimentară de întoarcere (vezi paragraful "Rezi-
stenţa la înaintare a navelor")
Subpresiunea atinge, deci, valoarea maximă pi:
p+p=p d0i ∆
în care ∆ pd este componenta dinamică a subpresiunii.
Presiunea dată de izbirea valului produs de circulaţia navei
asupra protecţiei de mal se poate evalua conform desenului următor:
140
Fig. IV-20
Semnificaţia notaţiilor este următoarea:
hr - înălţimea de ridicare a valului pe taluz
hv - înălţimea valului produs de circulaţia navei
15,1 2 += ml
h1,34=p va ⋅⋅γmax (IV.28)
h0,5=p va ⋅⋅γmin (IV.29)
Calculul din presiunea de izbire a valului se aplică doar
protecţiilor de taluz din plăci (dale) de beton (ce se calculează ca
plăci pe mediu elastic). Pentru protecţiile din anrocamente se
141
estimează stabilitatea pietrelor pe taluz prin greutatea pe bucată (G)
şi diametrul echivalent (Dech).
⋅
⋅⋅γγ
γϕγ
ap
a
3
(m)
3vp
3
-
hk=G (IV.30)
unde:
γ p - greutatea specifică a pietrei folosite pentru realizarea
îmbrăcăminţi
ϕ (m) - coeficient legat de panta taluzului
k - coeficient al tipului de îmbrăcăminte (k=0,025 -
anrocamente; k=0,019 - 0,021 - pereu de piatră)
hv - înălţimea valului produs de circulaţia navei
( )
vh
mm λϕ
31+=, unde 10=
vh
λ
3
1
γp
ech
G1,25=D (IV.31)
relaţie ce se obţine prin prelucrarea relaţiei anterioare pentru G.
142
Orice tip de îmbrăcăminte s-ar propune pentru canal este
obligatoriu ca să fie aşezată pe un filtru invers compus din unu până
la trei straturi din material granular sau pe un filtru realizat din
material geotextil. Prezenţa filtrului invers va preveni fenomenul de
sufozie (antrenarea particulelor fine din teren) ce ar putea apare la
retragerea valului de pe taluz sau la alte scăderi ale nivelului apelor în
canal dacă nivelul apelor freatice este mai ridicat decât nivelul apei în
canal.
Numărul straturilor de filtru din material granular depinde de
lăţimea rosturilor dintre dalele de beton (brost) sau de diametrul
echivalent al pietrelor folosite pentru realizarea îmbrăcăminţii (Dech)
şi de asemenea de diametrul mediu al particulelor terenului ce
formează terenul de substrat (d0).
Pentru ca particulele de diametru d0 să nu poată trece printre
particulele din filtru (primul strat) sau pentru ca particulele din
straturile inferioare ale filtrului să nu poată trece printre particulele
straturilor superioare ale acestuia se adoptă coeficientul interstrat:
156=d
d=i
i
i ÷−1
ψ (IV.32)
143
Fig. IV-21
Definind coeficientul de neuniformitate al materialului granu-
lar folosit pentru execuţia filtrului invers cu relaţia:
8510
60 ÷≤=d
dN (IV.33)
(după unii autori N poate lua valori chiar până la 10).
Se poate da pentru coeficientul interstrat şi următoarea relaţie:
( )[ ]1-N0,9+9d
d=i
i
i ⋅≤−1
ψ (IV.34)
144
Fig. IV-22
În toată dezvoltarea problematicii filtrelor inverse se consideră
că diametrele luate în discuţie sunt diametrele medii (d50) ale stratului
din care se va executa stratul de filtru.
Proiectarea filtrului se poate face cunoscând gradul de neuni-
formitate al materialului disponibil sau impunând o valoare pentru N
şi lăsând constructorului sarcina de a folosi un material cu acel grad
de neuniformitate (sau mai bun).
145
Diametrul mediu al ultimului strat de filtru va satisface, după
caz, una din relaţiile următoare:
D0,2d echn ⋅≥ - pentru protecţii cu anrocamente sau peree
b2d rostn ⋅≥ - pentru protecţii din dale de beton (IV.35)
Grosimea fiecărui strat filtrant se determină cu relaţia:
4,5d3,84=t i
ii
ψln⋅⋅ cu condiţia: cm10ti ⋅≥ (IV.36)
din motive constructive.
După unii autori se pot adopta şi următoarele valori pentru
grosimile straturilor de filtru:
i it 8 d≥ ⋅ pentru filtrele din agregate de râu, rotunjite
i it 6 d≥ ⋅ pentru filtru din piatră spartă, particule colţuroase
Acestea se cuplează cu relaţia ti≥ 10 cm (constructiv).
Proiectarea se încheie propunând pentru diametrele medii
calculate ale straturilor de filtru câte un sort granular.
146
Dalele de beton pot fi prefabricate sau turnate la faţa locului.
În cazul dalelor turnate la faţa locului (cu dimensiuni de maxim 6 m)
se poate executa filtru invers doar în zona rosturilor de turnare, câte
50 cm de fiecare parte a acestora.
Notaţiile sunt evidenţiate în figura următoare:
Fig. IV-23
g) Legătura canalelor de navigaţie cu râuri sau cu alte
canale
147
De cele mai multe ori canalele de navigatie comunică cu râuri
sau cu alte canale navigabile (uneori ele sunt în legătură cu porturi,
lacuri, etc.).
Mai ales atunci când legătura se face cu un fluviu sau râu este
necesar să avem în vedere reducerea accesului aluviunilor pe canal.
Pentru aceasta legătura se va face în zonele în curbă, la malul concav,
unde curenţii interiori din albia râului dirijează aluviunile de fund
către malul convex (interior).
Fig. IV-24
În general este favorabil ca gura canalului să se orienteze spre
aval dar trebuie să se ţină seama şi de direcţia traficului dominant
(TD ; direcţia în care circulă majoritatea navelor). Vezi figura IV –
24.
148
Dacă traficul dominant (TD) pe râu este orientat spre amonte
este avantajoasă orientarea gurii canalului spre aval pentru că la
intrarea din râu în canal nava va avea o bună manevrabilitate la
viteze mici faţă de maluri (dar în realitate viteze mari faţă de masa de
apă).
Atunci când traficul dominant pe râu este orientat spre aval
situaţia impune orientarea gurii canalului spre amonte dar această
rezolvare este dezavantajoasă pentru că manevrabilitatea navelor va
fi bună la viteze mari ale navei faţă de maluri (viteza de navigaţie
necesară guvernării se adună cu viteza râului şi apar riscuri de
accidente la accesul în canal).
Fig. IV-25
Pentru situaţia traficului secundar (TS) apropiat de cel
dominant sau pentru legătura cu râuri relativ înguste (care nu permit
149
întoarcerea navei de calcul la intrare-ieşire din canal) legătura se
execută cu una din următoarele forme speciale (semibulb sau bulb).
Fig. IV-26 Legătură tip semibulb
TS - trafic secundar
TD - trafic dominant
În cazul traficurilor de aceeaşi importanţă ambele sensuri
rezolvarea legăturii râu-canal se poate face sub formă de bulb:
Atât legătura tip semibulb cât şi cea tip bulb urmăresc
realizarea unei guri a canalului cât mai înguste, pentru a stopa
150
intrarea aluviunilor transportate de râu în zona gurii canalului (se
poate realiza, de asemenea, şi un prag sub adâncimea de navigaţie, cu
acelaşi scop).
Fig. IV-27 Legătură tip bulb
În cazul legăturii între două canale - unde transportul de
aluviuni nu este important - rezolvarea se poate face ca în figura IV.
28.
151
Fig. IV-28 Legătură tip trompetă
h) Intersecţia canalelor navigabile cu râuri sau cu alte
canale
În punctele unde un canal navigabil se intersectează cu un râu
sau cu un canal (intersecţia nu presupune obligatoriu şi legătură de
navigaţie) sunt necesare lucrări inginereşti pentru rezolvarea uneia
din următoarele situaţii:
1) intersecţia la acelaşi nivel când un râu sau pârâu se varsă în
canalul navigabil sau când acesta se intersectează cu un râu
navigabil.
2) intersecţia prin subtraversare, când un râu sau un canal
nenavigabil (de exemplu, destinat transportului de apă)
soseşte la o cotă inferioară şi trece pe sub canalul navigabil
152
in galerii cu faţă liberă sau soseşte la o cotă apropiată şi
subtraversează canalul navigabil în sifon.
3) intersecţia prin supratraversare (pod canal) când canalul
navigabil intersectează un fluviu aflat la cotă inferioară
(care, eventual poate fi şi el navigabil).
Intersecţia la acelaşi nivel, atunci când un pârâu sau râu
debuşează în canalul navigabil implică realizarea unui deznisipator şi
a unui disipator de energie (se evită colmatarea canalului navigabil cu
aluviuni dar si erodarea sa în zona debuşării):
Fig. IV-29
153
Fig. IV-30
În cazul intersecţiei canalului navigabil cu un râu navigabil
problema se rezolva prin executarea unui bulb dublu.
Fig. IV-31
154
Aceasta soluţie are totuşi dezavantajul că variaţiile de nivel ale
râului vor perturba nivelul apei în canal (o soluţie ar putea fi
ecluzarea intrărilor în canal).
Intersecţia prin subtraversare se poate realiza în sifon (sub
presiune) sau în galerii cu faţă liberă. Execuţia sifoanelor se poate
face cu puţuri de nămol sau cu vane şi conducte de spălare şi în
formă de „S”.
Fig. IV-32
vmax=3 m/s - pentru sifoane cu funcţionarea continuă
vmax=4 m/s - pentru sifoane cu funcţionare intermitentă
155
Fig. IV-33
Zonaintrare
Nisabatardou
Gratar
Canalnavigabil
Fig. IV-34 - Sifon în formă de "S"
156
Secţiunea transversală a sifonului şi materialul folosit pot fi:
- secţiune rotundă (tuburi de oţel sau fontă la
diametre mici sau tuburi de beton armat sau
precomprimat la diametre mari)
- secţiune pătrată sau dreptunghiulară (beton armat
turnat la faţa locului)
Calculul pierderilor de sarcină în sifon se poate face cu relaţia:
⋅⋅∑⋅
⋅∆
R4
l++1
g2v=h loc
2 λξ
(IV.34)
nişigratarintrareloc += ξξξξξ ++cot - coeficienţii pierderilor
locale de energie
R4
l
⋅⋅λ
- factorul pierderilor longitudinale de energie pe traseul
sifonului
l - lungimea circuitului hidraulic
R - raza hidraulică
λ - parametru adimensional al pierderilor longitudinale
dependent de numărul Reynolds şi de rugozitatea relativă (pierderi
prin frecare), coeficient de rezistenţă hidraulică Darcy.
157
Se recomandă ca sifoanele să fie formate din mai multe
conducte (linii) paralele pentru a se putea închide pe rând pentru
reparaţii şi pentru a se deschide mai puţine linii la debite mici
(asigurându-se astfel viteze mai mari decât cele la care s-ar produce
împotmolirea sifonului prin depunerea aluviunilor).
Fig. IV-35
Subtraversarea în galerii cu faţă liberă (cu una sau mai multe
linii paralele) –fig.IV.35- se proiectează să nu funcţioneze sub
158
presiune decât cel mult pe o perioadă scurtă de timp (galeriile pot să
funcţioneze la plin dar sub presiune redusă).
Secţiunea galeriilor se adoptă ovoidală (din motive hidraulice
şi statice) cu una sau mai multe linii în paralel.
Intersecţia prin supratraversare se poate realiza prin
construcţia de poduri canal (în structură metalica sau din beton
armat).
Supratraversări se fac peste văi foarte adânci sau peste râuri
navigabile ce nu se pot întrerupe. În literatura de specialitate sunt
citate podurile canal următoare:
1) canalul Mittelland peste fluviul Elba (pod-canal metalic +
beton armat, cu cuva de 29,7 x 2,75 m şi 750 m lungime),
Fig. IV-36
159
2) canalul Mittelland peste fluviul Weser (pod-canal din beton
armat cu cuva de 24 x 2,50 m şi 292 m lungime),
3) podul canal peste Elba la Magdeburg (vezi şi anexa foto)
are cuva cu o lăţime de 32 m iar lungimea sa este de 1 km (s-a
executat în 6 ani şi a costat circa 500 de milioane de euro).
1. Pod cu: - 1 deschidere x 100 m din metal
- 2 deschideri x 50 m din metal
- 20 deschideri x 30 m din beton
2. Pod cu: - 2 deschideri x 50 m din beton
- 6 deschideri x 32 m din beton
Observaţii. Deschiderile mari asigură condiţii de navigaţie pe
fluviile intersectate. Gabaritul de aer de sub podurile canal se
proiectează după clasa de importanţă a fluviului traversat. Este
importantă realizarea etanşărilor la rosturi şi mai ales la mal, la
legătura cu canalul.
i) Pierderi de apă şi alimentarea canalelor de navigaţie
Pierderile de apă din canalele de navigaţie sunt inevitabile şi în
anumite situaţii creează probleme deosebite (Pentru canalele de
joncţiune şi mai ales în biefurile de creastă).
160
Pentru fiecare bief în parte se pune problema compensării
acestor pierderi astfel încât să nu fie afectată adâncimea necesară
pentru navigaţie (compensarea se face prin alimentarea canalului cu
un debit egal cu cel pierdut).
Pierderile prin evaporaţie depind de condiţiile climatice şi
suprafaţa expusă evaporaţiei şi se exprimă în coloană de apă
evaporată în 24 ore (he) sau prin debitul specific evaporat pe 1 Km de
canal (qe):
he=2÷ 8 mm/24h
Kms
l
3,624hB=q e0
e ⋅⋅⋅
(IV.37)
- în care B0 - lăţimea canalului la oglinda apei (m)
Pierderile prin infiltraţie depind de natura terenului în care
este excavat canalul si de nivelul apelor subterane. Ele pot fi
exprimate prin coloană de apă infiltrată în 24 ore (hi) sau prin debitul
specific infiltrat pe 1 Km de canal (qi): De exemplu pentru teren
nisipo-argilos putem avea hi=15 mm/24h.
Debitul se va calcula cu următoarea relaţie:
161
iq = 0,037 k⋅ ⋅ Ω l/s.Km (IV.38)
Ω - suprafaţa apei în canal (B0 x Lcanal) în m2
B0 – lăţimea canalului la oglinda apei
k=0,1 - argilă
k=0,5 - nisip
k=0,9 - pietriş
În literatura de specialitate sunt date relaţii de calcul pentru
situaţia apelor subterane aflate la adâncime mare şi pentru apele
subterane aflate la adâncime redusă.
Pierderi datorate neetanşeităţii vanelor şi porţilor de la ecluze
depind de căderea ecluzei (H0) şi de lungimea totală a etanşărilor ce
s-ar putea defecta:
- pierderi pe metru de cădere a ecluzei:
qneet = (5÷ 10) l/s. mcădere = (5÷ 10)H0 l/s (IV.39)
- pierderi pe metru liniar de etanşare imperfectă:
qneet = 1,5÷ 2,5 l/s .metanşare când H0<10 m (IV.40)
162
qneet = 2,5÷ 3,5 l/s .metanşare când H0>10 m
H0 - căderea ecluzei (diferenţa de cotă între nivelele de apă ale
celor două biefuri separate de ecluză, în m).
Pierderile de apă prin ecluzare reprezintă volumele de apă
folosite pentru umplerea ecluzelor (care se alimentează din bieful
avut în vedere).
La efectuarea unei ecluzări spre aval se consumă (pierde)
următorul volum de apă (din bieful de canal aflat în amonte de
ecluză).
HLB=HA=V 00SAS ⋅⋅⋅
D-V=V SASecl.aval (IV.41)
unde:
D - deplasamentul navei de calcul (1 t deplasament = 1 m3
apă)
A - aria în plan a sasului (B x L)
B - lăţimea ecluzei
L - lungimea camerei (sasului) ecluzei
163
Fig. IV-37
La efectuarea unei ecluzări spre amonte se pierde următorul
volum de apă:
Fig. IV-38
D+V=V SASecl.amonte (IV.42)
La două ecluzări succesive, una spre amonte, una spre aval, se
pierde volumul egal cu 2VSAS (deci, în medie, la o ecluzare se pierde
din bieful amonte un volum de apă egal cu volumul sasului ecluzei).
164
Cumulând toate pierderile de mai sus se poate calcula debitul
pierdut din canal (şi care va trebui să fie compensat prin alimentare
cu apă):
360024Vn+Hq+
360024LB)h+h(
=Q SASe0neet
canal0iepierderi ⋅
⋅⋅⋅
⋅⋅(IV.43)
în care:
ne - numărul mediu de ecluzări pe zi
Vn=V SASe ⋅∑ - volumul total pierdut prin ecluzare poate fi
exprimat mai complex atunci când ecluza funcţionează un timp în
simplu sens şi un timp în dublu sens:
nHA+nHA0,5=V sse0
dse0 ⋅⋅⋅⋅⋅∑ (IV.44)
unde:
A = BxL – suprafaţa în plan a sasului (m2)
neds - numărul de ecluzări în dublu sens
ness - numărul de ecluzări în simplu sens
n+n=n sse
dsee
165
Pentru cazul când ness=ne
ds rezultă:
nHA0,75=V e0 ⋅⋅⋅∑ (IV.45)
Traversarea unui bief de creastă, din care se alimentează
ecluzele situate la ambele capete, pune următoarele probleme:
- calculul pierderilor de apă
- hotărârea modului de alimentare a biefului:
pompare din treaptă în treaptă, lac de acumulare la o cotă
superioară biefului sau bazin alimentat prin pompare (din
râul care implică cele mai mici cheltuieli de pompare).
Fig. IV-39
166
Fig. IV-40
j) Etanşarea canalelor
Deoarece pierderile de apă prin infiltraţii au valori semnificative
la canalele executate în terenuri permeabile (atunci când apele
subterane au nivel mai scăzut decât apa din canal) şi prezintă riscuri
majore în cazul canalelor executate în umplutură, apare ca strict
necesară etanşarea lor în aceste situaţii.
Etanşarea se poate realiza prin mijloace temporare (care au ca
principal scop reducerea permeabilităţii terenului) sau prin mijloace
de durată (realizarea unor căptuşeli).
Mijloacele temporare de etanşare se pot alege dintre
următoarele:
- colmatarea porilor prin lansarea pe canal a unor
suspensii de argilă (cu contribuţia curenţilor de infiltraţie)
167
- stropirea suprafeţelor în contact cu apa cu
reziduuri petroliere
- tratarea suprafeţelor de etanşat cu substanţe
chimice
Procedeele de etanşare de mai sus necesită o refacere periodică
a lucrării şi de aceea ele au mai mult un caracter provizoriu.
Mijloacele de etanşare de durată şi care au o răspândire mare
sunt căptuşelile. Ele se pot realiza în următoarele soluţii constructive:
- etanşare cu straturi de argilă protejată cu straturi
de pietriş, moloz sau deşeuri de carieră (uneori folii sintetice,
beton de pământ, etc.)
- etanşarea cu beton (de ciment sau asfaltic)
Cazurile în care se realizează etanşări sunt prezentate în
figurile următoare:
168
Fig. IV-41 Canal în umplutură (rambleu)
Etanşarea se va ridica peste cota maximă a apei în canal cu
∆ h, valoare mai mare decât cea care ar putea fi depăşită prin "sifon
capilar" (dacă etanşarea e din argilă, de exemplu). Căptuşelile din
dale se vor ridica deasupra nivelului maxim din canal cu o valoare cu
cel puţin 20÷ 30 cm peste înălţimea de ridicare a valurilor pe taluz
(hr).
Cazul cel mai dificil pentru realizarea etanşării este cel al
canalelor realizate în totalitate în săpătură în terenuri permeabile,
atunci când nivelul apelor freatice este apropiat de nivelul apei din
canal (etanşarea trebuie executată pe tot conturul canalului, sub
epuizmente).
169
Fig. IV-42 Canal executat parţial în umplutură, parţial în săpătură
(în teren impermeabil)
Fig. IV-43 Canal executat complet în săpătură (debleu) în
teren permeabil
Soluţiile constructive de etanşare prin mijloace de durată sunt
prezentate în figurile următoare:
170
Fig. IV-44 Etanşare cu argilă
- a - acoperire cu pietriş, moloz, deşeuri de carieră
0,3÷ 1,00 m
- d - grosime strat de argilă pentru etanşare
Tabelul IV-2
h (m) < 2,00 2,00÷ 3,0
0
> 3,00
d (m) 0,2÷ 0,3 0,3÷ 0,4 0,4÷ 0,6
171
Figura nr. IV-45 Etanşare cu beton
Etanşarea cu beton se recomandă la canele mici, unde săpătura
suplimentară pentru executarea etanşării cu argilă este mare în
raport cu volumul total de săpătură. Grosimile recomandate pentru
etanşarea cu beton sunt date în tabelul următor:
Tabelul IV-3 Etanşare cu beton
Tip de etanşare
Cu beton simplu
Cu beton armat
Cu beton asfaltic
d (cm) 20÷ 30 15÷ 20 12Cap 5 ECLUZE DE NAVIGATIE
5.1 Generalităţi şi clasificări
172
Ecluza de navigaţie este o construcţie hidrotehnică destinată
circulaţiei navelor între două biefuri (amonte şi aval) cu niveluri
diferite de apă. Trecerea navei de la cota biefului amonte la cota
biefului aval (sau invers) prin ecluză se numeşte ecluzare.
Principalele părţi componente ale ecluzei sunt sasul (camera
ecluzei), capetele (amonte şi aval) şi porturile de aşteptare (amonte şi
aval).
Sasul este mărginit lateral de bajoaieri iar în zona capetelor de
porţi.
Ecluzele sunt dotate cu sisteme de umplere şi golire (formate
în general din galerii şi orificii de ieşire-intrare a apei) care sunt
controlate cu ajutorul unor vane. Prin manevrarea vanelor sasul poate
fi umplut (sau golit) cu apă şi odată cu aceasta nava care staţionează
în ecluză este ridicată la nivelul biefului amonte (sau este coborâtă la
nivelul biefului aval).
Umplerea şi golirea se realizează gravitaţional.
Capetele sunt situate la extremităţile amonte şi aval ale sasului
şi adăpostesc porţile, vanele sistemului de umplere-golire,
batardourile pentru reparaţii, mecanismele de comandă, camere cu
aparatură de control şi alte dotări necesare funcţionării ecluzei.
173
Porturile de aşteptare permit acostarea navelor in condiţii de
siguranţă pentru a-şi aştepta rândul la ecluzare şi de asemenea
facilitează accesul rapid şi în siguranţă al navelor în ecluză sau
ieşirea şi îndepărtarea de ecluză.
Construcţiile de acostare din porturile de aşteptare, realizate in
conformitate cu schema de exploatare a portului, se racordează cu
capetele ecluzei prin intermediul construcţiilor de ghidare (dirijare).
Făcând o scurtă referire la istoricul ecluzelor de navigaţie se
poate arăta că începând de prin anul 1300 au fost construite în
Olanda şi mai apoi în Germania şi Italia primele semiecluze (aveau
doar poartă aval şi bajoaieri şi permiteau trecerea navelor mici peste
zone de praguri sau mici diferenţe de nivel). Totuşi, părintele ecluzei
este Leonardo da Vinci, care a introdus forma actuală (cu sas, porţi
amonte şi aval şi vane de alimentare) în jurul anului 1497.
Ecluzele se pot clasifica după mai multe criterii:
a) după materialul folosit la construcţie:
- ecluze din lemn
- ecluze din zidărie
- ecluze din beton armat
- ecluze din palplanşe
174
H - adâncime utilă pentru navigaţie
Fig. V-1
b) după numărul de sasuri în paralel:
- ecluze simple
- ecluze duble (gemene, dacă sasurile au
dimensiuni egale) sau chiar triple
c) după numărul de sasuri consecutive:
- ecluze cu o singură treaptă de cădere (fig. V. 1.)
175
- ecluze cu două sau mai multe trepte de cădere
(egale între ele - fig.V.2.)
Fig. V-2
O comparaţie între ecluzele cu cădere unică şi cele în mai multe
trepte evidenţiază următoarele probleme:
- avantajele căderii unice sunt: timpul de ecluzare
mai scurt, capacitatea de trecere a ecluzei mai mare,
echipamentul hidromecanic (porţi, vane, mecanisme) mai
redus (numeric).
- dezavantajele căderii unice sunt legate de
necesitatea construirii unei porţi aval foarte înalte, de
consumul mai mare de beton (radier foarte gros, ce dă şi
presiuni foarte mari pe teren; uneori fundarea trebuie făcută pe
176
piloţi), de volumul mai mare de excavaţii şi de faptul că uneori
va trebui să executăm epuizmente, pentru a putea lucra sub
nivelul apelor freatice.
Câteodată, în cazul ecluzelor de cădere unică ce acoperă o
mare diferenţă de nivel între cele două biefuri (ecluze puţ) se recurge
la executarea unui timpan de beton între cei doi bajoaier ai capului
aval pentru a reduce înălţimea porţii aval (fig.V.3.).
Ca exemplu se citează ecluza puţ de pe Irtâş (afluentul
fluviului Obi, Rusia) cu o cădere de 42 m.
d) după existenţa zidului de cădere (Fig. V.4.):
- ecluze cu zid de cădere (pe canale, pe râuri dacă
ecluza este pe un canal de derivaţie şi uneori chiar şi în
albie la căderi mari)
- ecluze fără zid de cădere (pe râuri, în cazul
ecluzelor situate în albie)
Zidul de cădere reduce înălţimea porţii amonte şi de aceea el
se execută uneori şi la ecluzele situate în albia râurilor (de exemplu la
Porţile de Fier I)
177
Fig. V-3
- a -
- b -
Fig. V-4
178
e) după numărul de porţi:
- ecluze cu porţi amonte şi aval
- ecluze cu porţi amonte, aval şi intermediare
(fig.V.5.)
-
Fig. V-5 Ecluză cu porţi intermediare
Ecluza cu porţi intermediare se execută pe căile navigabile
unde circulă nave de lungime mare (lungimea navei de calcul, care
necesită sasuri de lungime L) şi nave de lungime mai mica (de
exemplu nave de călători, motonave, care necesită sasuri de lungime
l) în proporţii apropiate, în scopul de a economisi apa folosită la
ecluzare şi a scurta timpul de ecluzare.
Daca traficul e intens, aceeaşi situaţie poate fi rezolvată cu două
sau trei ecluze paralele de lungimi diferite, ecluza cea mică fiind
179
numită şi ecluză de viteză (pentru că ecluzarea decurge mai rapid).
Ecluzele paralele pot fi:
- de aceeaşi lăţime şi cu lungimi diferite,
- cu lăţimi şi lungimi diferite,
- cu lăţimi diferite şi de aceeaşi lungime,
- cu lăţime şi lungimi egale (gemene ; se poate
exemplifica cu ecluzele de pe Canalul Dunăre – Marea
Neagră).
Prin apropierea ecluzelor paralele bajoaierul intermediar poate
fi comun celor două construcţii dar ele pot fi aşezate şi pe cele două
maluri alr fluviului, ca la amenajarea Porţile de Fier I.
Fig. V-6
180
În cazul unei ecluze care face legătura între un canal navigabil
şi un râu cu variaţii mari de nivel căderea Ho poate fi când de la râu
către canal, când de la canal către râu. În această situaţie ecluza
trebuie echipată cu porţi capabile să preia presiunea hidrostatică a
apei în ambele sensuri (porţile plane sunt cele mai bune).
Ecluza de la Cernavodă, care face legătura între Dunăre şi
Canalul Dunăre-Marea Neagră se află tocmai în această situaţie
(vezi fig.V.6.).
În etapa de exploatare a canalului racordat cu Dunărea
amenajată in curent liber există posibilitatea apariţiei căderii şi
dinspre canal spre Dunăre (când nivelele acesteia sunt sub +7,50) şi
de aceea poarta dinspre Dunăre este realizată în soluţia poarta plană
coborâtoare şi calculată să preia încărcări pe ambele feţe).
În etapa ulterioară, când Dunărea va fi barată aval de
Cernavoda (probabil la Topalu) atunci ecluza va avea căderea doar
de la Dunăre (nivel maxim în lac la circa +18,50 m dMN sau la circa
+15,00 m dMN în cazul barării Dunării la Măcin) spre Canalul
Dunăre-Marea Neagră (cota +7.50 m dMN).
Pentru situaţia defectării porţilor sau pentru operaţiile de
întreţinere există, amonte de poarta amonte si aval de poarta aval
nişe pentru batardouri (batardourile sunt realizate de obicei din fâşii
181
şi preiau, dinspre amonte sau dinspre aval, cota de apă din porturile
de aşteptare).
În unele cazuri, pentru a permite intervenţii mai rapide,
ecluzele au porţile de serviciu dublate cu porţi de avarie (care pot
prelua nivelele de apă şi respectiv presiunile hidrostatice, din
porturile de aşteptare. Poarta de avarie de la capătul amonte este de
aceeaşi înălţime cu cea de serviciu iar cea de la capul aval este mai
mică decât cea de serviciu (fig.V.7).
Poarta de serviciu de la amonte se pune la uscat eliberând
gravitaţional volumul de apă dintre ea şi poarta de avarie. Poarta de
serviciu de la aval se pune la uscat golind prin pompare sasul şi apa
din zona capului aval până la poarta de avarie.
Fig. V-7 Utilizarea porţilor de avarie
182
PA - poartă de avarie ; PS - poartă de serviciu
5.2 Dimensiunile principale ale ecluzelor şi niveluri de calcul ale
apei
Dimensiunile principale ale ecluzei sunt:
- lungimea utilă a sasului (Lu), calculată în funcţie
de lungimea navei de calcul (Lc);
- lăţimea utilă a sasului (Bu), calculată în funcţie de
lăţimea navei de calcul (Bc);
- adâncimea utilă de navigaţie (H), care în cazul
porţilor care au prag se determină pe prag, la nivele minime
în porturile de aşteptare şi se calculează în funcţie de
pescajul navei de calcul (Tc);
- lungimile capetelor (lk) care depind de tipul de
porţi utilizat, de tipul de sistem de umplere-golire adoptat şi
de soluţiile constructive, de prezenţa batardourilor şi
eventual a porţilor de avarie; în calcule preliminare se poate
estima: lk=(0.15-0.20)Lu (considerată lungime convenţională
a capului).
183
Lungimea capului se compune din trei părţi: zona de intrare
(li); nişa porţii (ln) şi zona zidului de preluare a împingerii porţii (lp).
În lungimile li şi lp intră, după caz, şi lungimile necesare nişelor de
batardou şi porţilor de avarie. La capătul aval li poate lipsi sau poate
fi considerată zona de racordare cu bajoaierul.
184
185
Figura nr. V-8
Dimensiunile principale ale ecluzelor
Lungimea utilă a sasului se măsoară în felul următor:
186
Hp - înălţime prag (busc)Hp = 0.5-1.00 mNMAm - nivel maxim amonteNmAv - nivel minim avalNmAm - nivel minim amonte
- la ecluze cu alimentare frontală, de la liniştitorul
amonte la nişa porţilor aval;
- la ecluze cu alimentare distribuită, de la zidul de
cădere la nişa porţilor aval (sau de la nişa porţilor amonte la
nişa porţilor aval, când nu există zid de cădere).
Lungimea utilă se calculează diferit pentru nava de calcul-
convoi tractat şi pentru nava de calcul-convoi împins sau motonavă.
În cazul convoiului tractat (ca navă de calcul) se procedează ca
în figura V.9:
∆B
∆Bα∆l∆lα
Figura nr. V-9 Lungimea sasului pentru convoaie tractate
∆ l ≅ 5 m - lungimea parâmelor de legare între danele de
şlepuri în timpul ecluzării
α - distanţă de siguranţă între capetele convoiului şi limitele
lungimii utile a sasului
L0.015+1= c⋅α (V.1)
187
- α are valori de circa 3.5-5.5 m
( )l+ln+l=L src ∆⋅ (V.2)
- în care n este numărul de dane de şlepuri în convoi
α⋅2+L=L cu (V.3)
În cazul convoaielor tractate sau al motonavelor se procedează
ca în figura următoare:
l+ln=L ibC ⋅ (V.4)
- în care n este numărul de dane de barje care contribuie la
lungimea convoiului.
Lungimea utilă se determină tot cu (V.3) şi (V.1). Lăţimea utilă
a sasului (Bu) se determină în funcţie de lăţimea navei de calcul (Bc):
( ) B2+B=B1.15-1.07=B ccu ∆⋅⋅ (V.5)
188
Valorile rezervei de lăţime ∆ B nu trebuie să fie mai mici
decât cele din tabelul V-1.
αα
Bu
∆ B
∆B
lîlblb
Figura nr. V-10 Lungimea sasului pentru convoaiele împinse sau
motonave
Tabelul nr. V-1
Bu < 10 m 10 - 18 m > 18 m
∆B
0.2 m 0.4 m 0.5 m
Analiza lăţimii utile este prezentată în figurile V.9 şi V.10.
Dacă bajoaierii ecluzei nu au prevăzute elemente de protecţie
împotriva frecării navelor atunci Bu este egală cu lumina interioara a
sasului (Bu din figura V.8). Dacă bajoaierii ecluzei sunt protejaţi cu
189
grinzişoare (din lemn, beton) contra frecării (cu grosimi de circa 25
cm fiecare) atunci Bu se măsoară între feţele grinzişoarelor de
protecţie (B'u din figura V.8). În acest caz lumina sasului (lăţimea
reală) va fi egală cu lăţimea utilă plus 2 x 25cm.
În ecluză trebuie asigurate adâncimi minime pe pragurile
porţilor (H în figura V.8) şi în sas (H+Hp) adâncimi care trebuie
asigurate la nivelele minime ale apei (în porturile de aşteptare şi în
sas). După unii autori avem:
T1.4)-(1.2=H c⋅ (V.6)
După exprimări mai elaborate este necesar ca adâncimea apei
în sas (Hs) să fie:
i+r+TH+H=H 1cps ∆≥ (V.7)
Notaţiile folosite sunt:
- Tc - pescajul navei de calcul
- r1 - rezerva normală de navigaţie
- r1 = 0.25 m pentru ecluze de beton (Hs<2.5 m)
- r1 = 0.4 m pentru ecluze de beton (Hs>2.5 m)
190
- ∆ i - coborârea dinamică a nivelului apei datorată inerţiei
maselor de apă din galeriile sistemului de umplere-golire (care
continuă să mai iasă un timp şi după egalizarea nivelelor sas-port
aval)
ALa=i ech00 ⋅⋅
∆µ
(V.8)
în care:
- µ 0 - coeficientul de debit al sistemului de umplere-golire
- a0 - secţiunea transversală a galeriilor de umplere-golire în
dreptul vanelor de comandă
LB=A uu ⋅ - aria în plan a sasului (V.9)
"'e c he c he c h LLL += (V.10)
- lungimea echivalentă a sistemului de umplere-golire
distribuită, cu galerii.
- L'ech - lungime echivalentă a părţii neramificate
- L''ech - lungime echivalentă a părţii ramificate
191
Lungimile echivalente, coeficientul de debit µ 0 şi a0 se
determină la paragraful privitor la calculul hidraulic al umplerii-
golirii ecluzelor.
Exemple
1) Ecluză cu umplere-golire concentrată la capete:
Lech=30m, µ 0=0.75, a0/A = 1/200, ∆ i = 0.11m
2) Ecluză alimentată distribuit:
Lech=250m, µ 0=0.65, a0/A=1/150 (sau 1/200),
∆ i = 1.08 m (sau 0.81m)
Dacă înălţimea pragului buscat (Hp) este de 0.5 până la 1.00 m
ea poate acoperi deci valoarea lui ∆ i la ecluzele alimentate dis-
tribuit.
Adâncimea navigabilă pe pragurile ecluzelor fără zid de cădere
se poate calcula cu relaţia:
Z+r+T=H 21
21c ∑∑ (V.11)
Adâncimea navigabilă pe pragurile ecluzelor cu zid de cădere
va fi:
192
Z+r+T=H 31
31c ∑∑ (V.12)
Semnificaţia notaţiilor Tc şi r1 este cea prezentată anterior;
celelalte notaţii sunt:
- r2 - rezervă de viteză (afundarea navei în mers; vezi la
paragraful "Gabarit de navigaţie")
- r3 = 1-1.5m - spor de adâncime necesar la capul amonte la
ecluzele cu zid de cădere, pentru a compensa diferenţa între
rezistenţa la înaintare a navei pe prag şi în sas (rezistenţe diferite
datorită adâncimilor diferite)
- Σ 31 Z - coborâre dinamică a nivelului apei din porturile de
aşteptare
- Z1 - datorită umplerii sau golirii ecluzei vecine în bief
- Z2 - datorită vântului îndelungat
- Z3 - datorită pornirii unei eventuale hidrocentrale situate în
bieful aval sau opririi uneia situate în bieful amonte.
Efectul dinamic al umplerii-golirii ecluzei pentru ecluza
vecină constă într-o undă negativă (de înălţime - Z1) în bieful amonte
(la umplere) sau o undă pozitivă (Z1) în bieful aval (la golire).
193
Viteza acestor unde este:
Bg=c
o
Ω⋅ (V.13)
în care:
Ω = secţiunea udată a canalului
Bo = lăţimea canalului la oglinda apei
g = 9,81 m/s2
Lungimea acestor unde este:
Tc= u⋅λ (V.14)
Tu (sau Tg) = timp de umplere (golire) al ecluzei
Înălţimea, maximă a undelor este dată de:
cB
Q=Z
o1 ⋅
maxmax (V.15)
Z1 are valori de circa 0,4 - 0,5 m.
194
Unda se propagă în lungul biefului şi se reflectă de ecluza de
la celălalt capăt al acestuia şi la întoarcere interferă cu unda
incidentă. Important este nivelul minim dinamic (ce poate apare pe
canal, în portul de aşteptare sau pe pragul ecluzei) studiat cu unda
interferată de înălţime z1 int:
Z=Z 1int1 max⋅±η (V.16)
în care:
η = coeficient de interferenţă ce depinde de gradul de amor-
tizare a undei (pentru amortizare se pot face porturi de aşteptare cu
secţiune udată mare sau supralărgiri speciale pe canal).
De asemenea, unda formată la o ecluzare interferă şi cu undele
de la ecluzările următoare (dacă traficul e intens).
Coborârea dinamică de nivel dată de acţiunea vântului se poate
determina cu:
hwL102
=Z2-4
2αcos⋅⋅⋅⋅
(V.17)
în care:
L = lungime bief (km) expus la vânt
195
w = viteza vântului (m/s)
α = unghi între axa biefului şi direcţia vântului
h = adâncimea apei în bief (m)
Ordinul de mărime a lui Z2 este de circa 0,1 m.
5.3 Porturi de aşteptare la ecluze
Porturile de aşteptare sunt construcţii situate amonte şi aval de
ecluză care fac legătura şi permit trecerea de la ecluză la calea
navigabilă deservită de aceasta .
Ele trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:
- să asigure intrarea şi ieşirea cât mai rapidă a
navelor din ecluză, contribuind în acest fel la mărirea
capacităţii de trafic
- să asigure condiţii bune de staţionare a navelor
atât în timpul umplerii sau golirii ecluzelor, cât şi în timpul
trecerii altor nave prin port
- să permită efectuarea comodă şi sigură a
manevrelor în toate situaţiile ce pot apare în exploatare
196
Dimensiunile şi forma în plan a portului depind de procedeele
de acces şi intrare a navei în ecluză:
a) intrarea rectilinie şi ieşirea prin ocolire
b) intrarea în curbă şi ieşirea rectilinie
a) Intrarea rectilinie şi ieşirea prin ocolire se pot realiza prin
construirea unui port de aşteptare cu dispoziţie nesimetrică faţă de
axul longitudinal al ecluzei. Acest tip de port permite intrarea navei
în ecluză în mod liber, cu mijloacele proprii de guvernare (se poate
aplica şi la convoaie tractate şi la convoaie împinse).
Porturile nesimetrice prezintă o serie de avantaje:
- prezintă cele mai sigure condiţii de intrare pentru
nave (mai ales când Bc este apropiat de Bu)
- manevra de ocolire la ieşire se face cu o viteză
iniţială suficientă pentru o bună guvernabilitate a navei
- latura rectilinie a portului se poate dota cu un
perete de protecţie contra vântului lateral (protecţie ce se
poate realiza şi cu perdele forestiere) ceea ce dă un grad
sporit de siguranţă pentru manevrele navelor în port.
Dintre dezavantajele porturilor dispuse nesimetric se pot
menţiona:
197
- nava (convoiul) care aşteaptă intrarea în ecluză
trebuie să staţioneze la distanţă relativ mare de capul ecluzei
ceea ce duce la lungirea duratei unui ciclu de ecluzare şi deci
la reducerea capacităţii de trafic
- dimensiunile în plan ale portului de aşteptare
rezultă mai mari în comparaţie cu alte variante
- lungimea frontului de acostare este mai mare (şi
trebuie amenajat front de acostare pe toată lungimea
rectilinie) decât la porturile cu dispoziţie simetrică.
b) Intrarea în curbă şi ieşirea rectilinie se pot realiza în
porturi cu dispoziţie simetrică faţă de axul longitudinal al ecluzei sau
în porturi cu dispoziţie nesimetrică. Intrarea în curbă se poate face
prin procedeul de acces liber sau prin ghidare (nava menţine
contactul cu construcţiile de ghidare în timpul intrării; procedeu
aplicat mai ales pentru convoaiele împinse).
Avantajele principale ale porturilor simetrice sunt:
- posibilitatea ieşirii din ecluză cu viteză sporită;
- staţionarea navelor care aşteaptă intrarea în
ecluză se face mai aproape de capul ecluzei decât în porturile
nesimetrice;
198
- dimensiuni mai mici al portului (nu mai sunt
necesare supralărgiri pentru ieşirea prin ocolire);
- lungimi mai mici pentru frontul de acostare amenajat cu con
strucţie în profil vertical (front de acostare pe ambele părţi ale
portului în cazul traficului intens).
Porturile cu dispoziţie simetrică au şi o serie de dezavantaje:
- intrarea ghidată, prin contactul navei cu construcţia de dirijare
este însoţită de riscuri pentru navă;
Fig. V-11
- viteza de ieşire mare poate crea valuri mari şi deci condiţii mai
dificile pentru staţionarea navelor acostate care-şi aşteaptă
rândul la ecluzare;
199
- vântul şi curenţii pe direcţie transversală îngreunează intrarea;
contra vântului lateral se pot realiza perdele forestiere în lungul
portului.
În figura V.11 este prezentat un port cu dispoziţie nesimetrică.
În figura V.12 este prezentat un port cu dispoziţie simetrică.
Fig. V-12
Folosirea unui port cu dispoziţie nesimetrică pentru aplicarea
schemei de exploatare cu intrare în curbă şi ieşire din ecluză în linie
dreaptă se face ca în figura V.13 (atunci când A este o navă de
dimensiuni mari iar B este o navă mai mică).
Pentru a se facilita manevra de intrare conform schemei din
figura V.13 s-au gândit două sisteme:
200
Fig. V-13
- reducerea la jumătate a lungimii traiectoriei în S
prin rotirea parţială a navei în jurul unui punct fix de pe
cheul prevăzut cu o evazare (fig. V.14);
- deplasarea navei acostate (B) până în axul ecluzei
cu ajutorul unor jeturi de apă care îi imprimă o mişcare
transversală de translaţie.
Fig. V-14
201
Manevra de intrare prin ghidare, aplicată pentru convoaie
împinse (sau eventual motonave) în porturile cu dispoziţie simetrică
este prezentată în fig. V.15. Convoiul este împins în contact cu
construcţia de dirijare (de ghidare) şi în acelaşi timp i se menţine, cu
ajutorul instalaţiei de guvernare a împingătorului, o poziţie paralelă
cu axul longitudinal al ecluzei.
Fig. V-15
În cazul ecluzelor duble porturile de aşteptare pot avea, de
asemenea, dispoziţie simetrică (fig. V.16) sau nesimetrică (fig. V.17).
202
Fig. V-16
Fig. V-17
Amplasarea porturilor de aşteptare pentru ecluzele situate pe
râuri (în nodurile hidrotehnice de joasă sau medie cădere) este
descrisă în paragraful referitor la amenajarea căilor navigabile în
regim barat.
203
Dimensiunile porturilor de aşteptare, lungimea, lăţimea şi
adâncimea apei, trebuie să asigure condiţii de efectuare în siguranţă a
tuturor manevrelor cât şi condiţii de staţionare pentru navele acostate.
Dimensiunile în plan se stabilesc în funcţie de traiectoria
descrisă de centrul de greutate al navei de calcul, în cazul manevrei
de ieşire din ecluză prin ocolire (port nesimetric) sau în funcţie de
lungimea construcţiilor de acostare şi de dirijare, în cazul intrării
ghidate în ecluză (port simetric).
Stabilirea dimensiunilor porturilor nesimetrice se face cu
elementele din fig. V.18.
Pentru lungimi se dau relaţiile următoare:
- L1 - lungime pe care nava (reprezentată de centrul de greutate G)
se mişcă în linie dreaptă
tv+L0.5=l+L0.5=L 1cac1 ∆⋅⋅⋅ 1 (V.18)
- Lc - lungime navă de calcul (lc - lungime convoi împins
minus împingătorul sau lungime şlep maxim din convoiul tractat ls)
- v1 - viteză de ieşire conform tab. V.2
204
- ∆ t - timpul de intrare în giraţie (de reacţie) caracteristic
navei (funcţie de masa navei, instalaţia de guvernare şi viteza de
navigaţie); se dă în cartea tehnică a navelor.
α
∆
∆α
Figura nr. V-18
Pentru convoaie împinse ∆ t = 15-50 s.
- L2 - distanţa pe care se execută manevra de ocolire în S, for-
mată din două arce de cerc (cu rază R şi unghi α ) şi o porţiune de
aliniament la2:
c)-(Rc+l=L a2 ⋅2
2 (V.19)
R - rază de curbură a traiectoriei; Rmin=3Lc
205
tv=la ∆⋅ 2
2
2 2 (V.20)
- v2 - viteză de ocolire din tab. V-2
- c - distanţa între axul ecluzei şi axul navei care a terminat
manevra de ocolire
- ∆ t - interval de timp necesar navei să treacă de la mişcarea
de giraţie într-un bord la mişcarea de giraţie în celălalt bord (ca în
relaţia V.18); ∆ t=15-50 s.
Tabelul nr. V-2 Viteze de navigaţie pentru nave în porturile de
aşteptare şi în ecluză (m/s)
Formaţia de nave
Acces Intrare Ieşire Ocolire
şi îndepăr-
tare
Trecere din sas în
sas
Convoi
tractat
0.7-0.8 0.6-0.7 0.8-1 1.2-1.4 0.6-0.7
Convoi împins
0.8-0.9 0.7-0.8 1-1.2 1.4-1.6 0.7-0.8
Moto-navă
1-1.2 0.9 1.2 1.5-2 0.9
206
Navă de călători
1.1-1.3 1 1.4 1.7-2.2 1
Între bordul navei care iese din ecluză şi construcţia de
acostare rectilinie trebuie să existe o distanţă de siguranţă j0 (fig.
V.18.):
R8
L=j c
0 ⋅
2
(V.21)
Cu această valoare se poate trece la exprimarea distanţei c:
j-j+B+B=c 0iic ∆ (V.22)
în care:
- ji - rezervă de siguranţă între nave
B0.2=j ci ⋅ (V.23)
- Bc - lăţimea navei de calcul
-∆ Bi - supralărgirea interioară la mişcarea în curbă, care se
poate lua aproximativ egală cu supralărgirea exterioară ∆ Be
207
(discutate la paragraful referitor la raze de curbură şi supralărgirea în
curbe pe căi navigabile):
RL0.35BB
2c
ei ⋅≈∆≈∆ (V.24)
Lungimea L3 - lungime ocupată de navă după terminarea
manevrei de ocolire - se determină cu:
tv+L0.5=l+L0.5=L cac3 ∆⋅⋅ 33 (V.25)
- Lc - lungimea navei de calcul (lc - pentru convoi împins
minus
împingătorul; ls - lungimea şlepului maxim din convoiul
tractat);
- v3 - viteza de îndepărtare (tab. V-2)
În cazul convoaielor tractate relaţia (V.25) devine:
l+l0.5-L=L asconvoi3 3⋅ (V.26)
208
Lungimea L4 - lungime pe care se face racordarea la lăţimea
canalului, se determină cu:
)B-B(20)(10=L canalp4 ⋅÷ (V.27)
Lungimea frontului de acostare ce se va executa pe latura
portului aflată în aliniament cu sasul ecluzei va fi:
cacostarefront LLL=L ⋅++ 5,021 (V.28)
- Lc - lungimea navei de calcul (la convoaie tractate se va
interpreta ca lungime a convoiului)
Lăţimea portului (Bp) se determină la nivelul minim al apei în
port (atunci când portul e delimitat de amenajări în taluz) pentru nave
cu pescajul maxim (cu ideile de la secţiunea transversală a canalelor
navigabile):
eieicp B+B+j+j+B2=B ∆∆⋅ (V.29)
unde:
209
B0.2=j=j cie ⋅ (V.30)
Stabilirea dimensiunilor porturilor simetrice cu intrarea navei
prin ghidare se face având în vedere elementele din fig. V.19:
Figura nr. V-19
Lungimea portului (Lp) se compune din:
- L1 - lungimea construcţiilor de dirijare (ghidare) care pot fi în linie
dreaptă sau parabolice, cu racordarea în plan 1:4 - 1:6.
210
Construcţiile de ghidare se protejează cu tablă de oţel inoxidabil
în zona de contact cu nava.
( )2
B-Bm=L
up1 ⋅′ (V.31)
pentru construcţii de dirijare liniară, şi
( ))B-B(m=
2B-B
m2=L upup
1 ⋅⋅⋅ (V.32)
pentru construcţie de dirijare parabolică (x2= 2my).
În mod economic se pot proiecta construcţii de dirijare com-
binate: pe o porţiune XT = L1/3 sub formă de parabolă iar pe restul
lungimii L1 liniare (panta cea mai economică 1:4 - 1:5; în porturile de
aşteptare de pe Canalul Dunăre-Marea Neagră m=5)
- L2 - lungimea construcţiei de acostare pentru una sau două
nave de calcul (după cum traficul este mai intens sau mai puţin
intens).
- L3 - lungimea de racordare la lăţimea portului la cea a canalu-
lui (poate lipsi dacă cele două lăţimi sunt egale).
Porturile simetrice au construcţii de acostare pe ambele laturi.
Lăţimea portului (Bp) se determină cu relaţia:
211
j2+B3=B icp ⋅⋅ (V.33)
Ea se determină faţă de nivelul minim al apei în port, la nivelul
pescajului navei de calcul.
Rezerva ji trebuie luată mai mare decât la portul nesimetric şi
anume (în calculele preliminare):
B0.5)-(0.4=j ci ⋅ (V.34)
- Bc - lăţimea navei de calcul
Stabilirea finală a lăţimii portului se face odată cu stabilirea
adâncimii de apă a acestuia (Hp), având grijă ca prin coeficientul de
profil al portului să se asigure condiţii optime de staţionare pentru
navele acostate. (Coeficientul de profil este, ca şi la canale, raportul
între secţiunea udată a portului şi cupla maestră a navei de calcul).
Adâncimea de apă a porturilor de aşteptare (Hp) se ia în primă
instanţă egală cu adâncimea de navigaţie pe pragul ecluzei.
Se determină apoi secţiunea udată a portului şi se apreciază
condiţiile de staţionare a navelor acostate:
212
- în timpul umplerii (port amonte) sau golirii (port aval)
ecluzei, în funcţie de debitul maxim de umplere-golire
- în timpul trecerii navei care a părăsit ecluza şi execută
manevrele de ocolire şi îndepărtare (cu viteză relativ ridicată)
producând valuri de însoţire şi o coborâre de nivel ∆ h a suprafeţei
apei.
De multe ori problema definitivării adâncimii şi lăţimii
(rezervelor ji) portului de aşteptare se cere rezolvată prin modelare.
5.4 Operaţiile şi timpii componenţi ai procesului de ecluzare
În funcţie de traficul existent pe calea navigabilă la un anumit
moment ecluzarea navelor se poate face în sens unic sau în dublu
sens. Acest mod de exploatare al ecluzei este legat de neuniformitatea
traficului pe calea navigabilă (aşa cum s-a mai arătat, sensul de
navigaţie cu trafic mai mare este numit sens direct iar celălalt, sens
invers).
Ecluzarea în sens unic (port nesimetric)
În această situaţie, nava care îşi aşteaptă rândul la ecluzare
poate staţiona mai aproape de capul ecluzei pentru că nu încurcă
213
ieşirea nici unei nave (în sensul celălalt netrecând nave). Lungimile
pe care trebuie să le parcurgă navele rezultă din figura V.20.
Figura nr. V-20
Operaţiile şi timpii corespunzători ecluzării în sens unic (de la
aval spre amonte) sunt:
1) intrarea navei în sas; timpul de intrare: ti = Lintr / vintr
2) închiderea porţilor aval; t ≅ 1.5-2.5 min (este o
caracteristică a echipamentului mecanic de acţionare a porţii)
3) umplerea sasului; timpul de umplere Tu ≅ 5-15 min – (în
funcţie de caracteristicile sistemului de umplere-golire)
4) deschiderea porţii amonte; t ≅ 1.5 - 2.5 min
5) ieşirea navei din sas; tiesire = Lieşire / vieşire
6) închiderea porţii amonte; t = 1.5-2.5 min
214
7) golirea sasului; timp de golire ≅ Tu
8) deschiderea porţilor aval; t = 1.5-2.5 min
Rezultă timpul de ecluzare în sens unic:
SU 18
iT = t∑
Ecluzarea în dublu sens (port nesimetric)
Navele care aşteaptă să intre în ecluză trebuie să stea mai
departe de capul acesteia pentru a permite ieşirea navei care circulă
în sens contrar. Lungimile ce vor fi parcurse de nave sunt prezentate
în fig. V.21.
Lungimea de acces şi lungimea de ocolire apar doar la
porturile cu distribuţie nesimetrică şi sunt egale:
L0.5-L+L=L=L c21ocac ⋅ (V.35)
în care:
- L1 şi L2 au fost calculate la determinarea lungimii portului
nesimetric
215
- Lc - lungimea navei de calcul (vezi comentariul la "Porturi de
aşteptare")
Figura nr. V-21
Operaţiile şi timpii corespunzători ecluzării în dublu sens (prima
trecere, de la aval la amonte) sunt:
1) accesul navei către ecluză; tac = Lac / vac
2) intrarea navei în sas; ti = Li / vi
3) închiderea porţilor aval; t ≅ 1.5-2.5 min
4) umplerea sasului; timp de umplere Tu ≅ 5-15 min
5) deschiderea porţii amonte; t ≅ 1.5-2.5 min
6) ieşirea navei din sas; tieşire = Lieşire / vieşire
7) ocolirea şi îndepărtarea navei; toc = Loc / voc
216
Rezultă următorul timp pentru ecluzarea în dublu sens:
t=T i71D S ∑ (V.36)
Vitezele de acces, intrare, ieşire, ocolire şi îndepărtare ca şi
viteza de trecere din sas în sas (la ecluzele în trepte) sunt prezentate
în tabelul V.2. Ele satisfac atât din punctul de vedere al rezistenţei la
înaintare a navei cât şi din cel al siguranţei manevrelor.
În porturile simetrice, atunci când intrarea se face prin ghidare,
atât la ecluzare în sens unic cât şi la ecluzarea în dublu sens, prima
operaţie este accesul la ecluză. Acesta este egal cu deplasarea prin
ghidare şi prin urmare (vacces sub 1 m/s):
L=L 1acces (calculată la "Porturi de aşteptare" ; vacces sub 1 m/s)
După ieşirea navei din sas (la ecluzarea în dublu sens) nu
mai există operaţia de ocolire; ea este înlocuită cu operaţia de înde-
părtare de ecluză:
L+L=L c1î (V.37)
L1 - lungimea construcţiei de ghidare
217
Lc - lungimea navei de calcul (pentru convoaie împinse se
poate discuta de lc = lungimea convoiului minus lungimea
împingătorului, iar pentru convoaie tractate ls - lungimea şlepului cel
mai lung din convoi).
În afara precizărilor privind accesul şi îndepărtarea navelor
toate operaţiile de ecluzare cu porturile simetrice sunt identice cu
cele de la ecluze cu porturi nesimetrice.
5.5 Capacitatea de trafic a ecluzei
Construcţia unei ecluze pe o cale navigabilă limitează capaci-
tatea de trafic a căii la capacitatea sa proprie de trafic.
Capacitatea de trafic (sau de transport) a ecluzei este repre-
zentată de cantitatea de mărfuri (în tone) care poate trece prin ea în
perioada de navigaţie dintr-un an (considerând că ecluza funcţi-
onează în toată această perioadă).
Capacitatea de trafic teoretică (Pt) este cantitatea maximă de
mărfuri ce pot trece într-un an (perioada de navigaţie) prin ecluză:
218
Czn=P cmaxt ⋅⋅ maxmax [t/an] (V.38)
în care:
- nmax - numărul maxim de ecluzări pe zi
- zmax - numărul maxim de zile de navigaţie de care dispunem
într-un an
- Ccmax - capacitatea maximă de încărcare a navei de calcul (t)
În practică nu se poate realiza capacitatea teoretică de trafic.
Capacitatea efectivă de trafic (Pef) este dată de:
Czn=P cmedmedmarfurimedef ⋅⋅ [t/an] (V.39)
în care:
- nmed marfuri - numărul mediu de ecluzări pe zi pentru nave de
mărfuri (pentru că mai trec şi nave de pasageri, nave tehnice, nave
goale, etc.);
- zmed - numărul mediu de zile de navigaţie pe an
- Cc med - capacitatea medie de încărcare a convoiului de calcul
(t)
Faptul că traficul are intensităţi diferite în cele două sensuri ne
permite să numim sens direct cel în care trec mai multe nave (număr
219
de ecluzări în sens direct = nd) şi sens invers sensul în care trec prin
ecluză mai puţine nave (număr de ecluzări ni). Schematic situaţia se
prezintă ca în figura V.22.:
Figura nr. V-22
Graficul ecluzărilor din perioada de navigaţie se poate pre-
zenta ca în figura V.23.
n+n=n dmaximaxmax (V.40)
Numărul de ecluzări în dublu sens va fi 2ni iar numărul de
ecluzări în sens unic va fi nd-ni. Pentru 24 ore rezultă:
Tn2+T)n-n(=1440=6024 DSiSUid ⋅⋅⋅⋅ minminore (V.41)
220
Figura nr. V-23
Făcând notaţiile:
n
n=ld
dmax
(V.42)
n
n=li
imax
(V.43)
relaţia (V.39) devine:
n=Tl2+T)l-l( DSiSUid
max
min1440⋅⋅⋅ (V.44)
şi deci:
221
)Tl2+T)l-l(=n
DSiSUid ⋅⋅⋅min1440
max
(V.45)
Numărul mediu de ecluzări pentru mărfuri este:
n-n-n-n=n tehnicpasagerigoalenavemedmarfurimed
(V.46)
C
nk=nnc
3marfurimed
max⋅(V.47)
- k3 - coeficient de utilizare a flotei = 0.6-0.8
- Cnc - coeficient de neuniformitate a circulaţiei
Cnc=1.2-1.6
Numărul mediu de zile de navigaţie este:
med 1z = k z⋅ max (V.48)
- k1 - coeficient de utilizare a perioadei de navigaţie = 0.9-0.95
Capacitatea medie de încărcare a convoiului de calcul se poate
exprima cu relaţia:
Ck=C cmax2cmed ⋅ (V.49)
222
- k2 - coeficient de utilizare a capacităţii de încărcare a navei =
0.6-0.8
În acest fel putem scrie:
P=PC
kkk=P ttnc
321ef ⋅⋅⋅⋅ η (V.50)
în care:
- η = 0.25 - 0.5 - randamentul ecluzei (după unii autori, 0,25
– 0,45)
Cunoscând capacitatea efectivă de trafic a ecluzei se pot rezolva
două probleme:
1) Determinarea timpului de umplere necesar pentru a se
realiza o capacitate de trafic (efectivă) cerută.
2) Determinarea capacităţii de încărcare a convoiului de calcul
pentru a se realiza o capacitate de trafic cerută.
Pentru rezolvarea acestor probleme se folosesc relaţiile (V.42),
(V.43), (V.45) şi (V.50).
223
5.6 Sisteme de umplere - golire a ecluzelor
Sistemul de umplere-golire al unei ecluze este format din
totalitatea construcţiilor şi instalaţiilor care servesc la controlul
nivelului apei în sas. El are în componenţă: priza de apă, galeriile,
evacuarea apei în aval şi echipamentele hidromecanice (vane,
batardouri). După caz, unele dintre aceste dotări pot lipsi.
Există două tipuri principale de sisteme de umplere-golire:
A) Sisteme de alimentare frontală (concentrata în zona amonte a
sasului) şi evacuare concentrată în zona aval a sasului.
B) Sisteme cu alimentare şi evacuare distribuite în lungul
sasului (intrarea şi ieşirea apei se fac prin orificii plasate în
lungul sasului după diferite scheme).
A) Sisteme de umplere - golire frontale (concentrate). La
aceste sisteme apa pătrunde în sas pe la capătul amonte dar sunt
cunoscute şi excepţii (apa poate fi introdusă şi evacuată din sas în
mod concentrat în zona capului aval - exemplu ecluza Wallsee de pe
Dunăre sau la mijlocul lungimii sasului).
224
Ecluzele alimentate frontal sunt mai ieftine decât cele
alimentate distribuit dar sunt mai puţin perfecţionate şi condiţiile de
staţionare a navelor în sas sunt mai precare.
Fig. V-24
Cu notaţiile din figura V.24 se pot exprima condiţiile cerute
pentru a se putea executa un sistem de alimentare frontală.
2000LH u0 ≤⋅ şi 3HH 0 ≤ (V.51)
dar şi: H0 <10 m
Principalele tipuri de sisteme frontale sunt:
225
a) cu orificii practicate în porţi (amonte şi aval)
b) cu galerii scurte de ocolire a porţilor (amonte şi aval)
c) prin manevrarea porţilor amonte (la aval unul din sistemele
de mai sus)
d) prin camere de disipare a energiei la amonte; la aval golirea
se face prin procedeele de mai sus.
a) Sistemele cu orificii practicate în porţi se pot aplica de
obicei doar la căderi mici (până la 3.5 m) şi câteodată sunt păstrate ca
sisteme de rezervă.
Dacă orificiile sunt mici rezolvarea poate fi cea din figura
V.25.
Pentru a reduce agitaţia apei în sas şi a îmbunătăţi condiţiile de
staţionare a navei concomitent cu mărirea orificiilor se poate adopta
soluţia cu orificiu înecat din figura V.26.
În cazul ecluzelor fără zid de cădere şi care au căderea mai
mică de 7.5 m se poate adopta sistemul cu orificiu înecat şi prag de
disipare (fig. V.27).
226
Fig. V-25
Fig. V-26
Fig. V-27
227
Sistemul este utilizabil şi la poarta aval, pentru golire.
Un sistem mai perfecţionat cu orificii practicate în porţi, este
cel din figura V.28, la care jetul de apă este dirijat într-o cameră de
disipare a energiei (utilizabil şi la poarta aval):
Fig. V-28
d) Sistemele cu galerii scurte de ocolire a porţilor sunt utilizabile
atât pentru umplere (la capul amonte) cât şi pentru golire (la capul
aval). Ele au apărut odată cu realizarea ecluzelor din zidărie sau
din beton. Galeriile se pot executa cu secţiune constantă sau
variabilă (spre ieşire ele lărgindu-se sub formă de difuzor sau
ramificându-se, fig. V.29 şi V.30).
228
Fig. V-29
Prin ciocnirea curenţilor de apă care pătrund în sas de pe cei
doi bajoaieri, se produce disiparea unei părţi din energia acestora.
Gurile de ieşire în sas ale galeriilor pot fi orientate şi către zidul
de cădere (tot în scopul disipării energiei).
229
Fig. V-30
c) Alimentarea frontală prin manevrarea porţilor se poate
realiza cu ajutorul porţilor plane ridicătoare, porţilor plane
ridicătoare-coborâtoare, porţilor segment şi al porţilor sector.
Utilizarea porţilor segment este prezentată în figura V.31:
Alimentarea prin intermediul porţilor plane este prezentată în
figurile V.32 (poartă ridicătoare) şi V.33 (poartă ridicătoare-
coborâtoare).
230
Fig. V-31
Fig. V-32
231
Fig. V-33
d) Sistemele de alimentare frontală prin camere de disipare
a energiei situate în grosimea zidului de cădere pot recurge şi la
galerii controlate de vane cilindrice (care coboară direct pe verticală
şi au gurile de evacuare în camera de disipare). Camerele de disipare
pot avea secţiunea evazată spre ieşirea în sas în scopul reducerii
vitezei apei. O soluţie de acest tip este prezentată în figura V.34.
Pentru a se înlătura unele din neajunsurile alimentării
concentrate frontal (pantă mare a apei în sas, timp de umplere mai
mare) se pot executa sisteme de alimentare concentrată nefrontal. De
exemplu orificiile de introducere a apei în sas pot fi amplasate la
mijlocul lungimii sasului. Prin mărirea numărului de orificii de
introducere a apei în sas preţul de cost al soluţiei creşte faţă de
232
alimentarea concentrată frontal dar condiţiile de alimentare se
îmbunătăţesc, făcând trecerea spre sistemele de umplere distribuită.
Fig. V-34
B) Sisteme de umplere-golire distribuită. Acestea duc la pante
longitudinale ale apei în sas (în timpul umplerii) mult mai reduse iar
în varianta "sisteme echiinerţiale" panta practic se anulează.
Sistemele de umplere distribuită au ca elemente principale
galeriile amplasate în lungul ecluzei, în bajoaieri sau în radier. Din
233
aceste galerii apa pătrunde în sas prin orificii sau fante (laroane, în
cazul galeriilor amplasate în bajoaieri).
Intrarea galeriilor la capul amonte, controlul acestora cu vane şi
batardouri (care va fi deschis în paragraful "vane pentru sistemul de
umplere golire al ecluzelor") şi ieşirea la capul aval sunt
asemănătoare cu cele de la sistemele concentrate, cu galerii scurte de
ocolire a porţilor (intrarea şi ieşirea vor fi tratate în finalul acestui
paragraf).
Sistemele distribuite sunt de patru tipuri principale:
a) cu galeriile amplasate în bajoaieri
b) cu galeriile amplasate în radier
c) echiinerţiale
d) separative
a) Sistemele cu galerii amplasate în bajoaieri pot fi şi ele de
mai multe subtipuri:
- cu ieşirea apei direct prin laroane (fig. V.35)
- cu galerii transversale de legătură amplasate în
radier şi ieşirea apei prin fante situate pe acestea (fig.
V.36)
234
- cu galerii transversale legate alternativ de câte
una din cele două galerii principale din bajoaieri (fig.
V.37).
Fig. V-35
235
Fig. V-36
Fig. V-37
236
b) Sistemele cu galerii amplasate în radier pot avea ieşirea
apei pe verticală sau pe orizontală (prin "aşezarea" unor casete cu
orificii laterale peste orificiile cu ieşire pe verticală). Ele pot fi:
- cu o galerie centrală (fig. V.38)
- cu două galerii şi ieşire verticală (fig. V.39)
- cu patru galerii şi ieşire orizontală (fig. V.40)
- variante combinate, inclusiv galerii în bajoaieri
combinate cu galerii în radier (care fac trecerea spre
ecluzele alimentate echiinerţial, fig. V.41).
Fig. V-38
237
Fig. V-39
238
Fig. V-40
Fig. V-41
239
c) Sistemele echiinerţiale sunt sisteme care prin calibrarea
corespunzătoare a galeriilor şi orificiilor ca şi prin alegerea unui
traseu adecvat al galeriilor duc la o funcţionare uniformă pe toată
durata umplerii (alimentare echilibrată hidrodinamic) şi creează
condiţii foarte bune de staţionare a navelor în sas (uneori practic nici
nu mai este necesară legarea navei în timpul umplerii sasului).
O schemă de principiu a acestor sisteme este prezentată în
figura V.42.
Fig. V-42
q=va q2=va q3=va 033022011 ⋅⋅⋅⋅⋅ (V.52)
unde:
ai - secţiunea galeriei a1>a2>a3
240
vi - viteza apei în galerie
q0 - debitul de alimentare a sasului pe fiecare orificiu
Rezolvarea practică se poate face aplicând una din următoarele
scheme (cu un grad sporit de ramificare a debitului, fig. V.43, 1, 2, 3,
4).
Fig. V-43
Schema 1 se poate rezolva ca în figura V.41 (sau similar). În
figura V.44 se prezintă rezolvarea schemei 2.
241
Fig. V-44
O modalitate de aplicare a schemei 3 se prezintă în figura
V.45.
Fig. V-45
În mod similar se aplică şi schema principială 4 din figura
V.43.
242
d) Sistemele separative apar ca strict necesare atunci când
ecluza separă un bief cu apă dulce (utilizat şi pentru preluarea apei
pentru irigaţii, etc.) de un bief cu apă sărată (mare sau lac sărat).
Pentru a se evita în cât mai mare măsură amestecarea apei
dulci cu cea sărată se realizează sisteme separate pentru umplere
(care se va face la nivelul apei din sasul gol - nivel aval) şi golire
(care se va face prin radier, apa sărată având densitatea mai mare). În
figura V.46 se prezintă o variantă a acestui sistem.
Fig. V-46
243
A şi B - galerii de umplere
C - galerie de golire
De asemenea, în aval de poarta aval se poate prevedea un
sistem cu aer comprimat care lansează, de pe radier, o perdea de bule
de aer, pentru a reduce amestecul apei dulci cu cea sărată la ieşirea
navei din sas.
Pentru predimensionarea tuturor sistemelor distribuite se
adoptă următoarele valori:
- pentru galeriile de alimentare (suma secţiunilor galeriilor):
⋅
÷≈ Aa
230
1
150
10 (V.53)
LB=A uu ⋅ - aria în plan a sasului
a0 - aria galeriilor în dreptul vanelor
De obicei:
1.571=a
a aa
00 ÷≥ şi (V.54)
a - aria galeriilor în lungul sasului
- pentru orificiile de ieşire a apei în sas (suma suprafeţelor orifi-
ciilor):
244
a1.3)(0.95=S a1.4)(1.2=S 000 ⋅÷⋅÷ sau
(V.55)
Suprafaţa unui singur orificiu poate varia în limite destul de
largi (0.032 m2 - ecluze cu orificii multiple; 1.15 m2 - ecluze cu
orificii obişnuite; în mod curent 0.2-0.4 m2).
Valorile propuse iniţial se acceptă sau se modifică în
momentul calculului hidraulic al umplerii-golirii ecluzei, astfel încât
timpul de umplere (golire) cât şi condiţiile de staţionare a navelor în
sas şi în porturile de aşteptare să fie satisfăcătoare.
Distribuţia longitudinală a orificiilor în sas este o problemă
foarte importantă. Atunci când s-a făcut trecerea de la ecluzele cu
alimentare concentrată frontală la cele cu alimentare distribuită prima
etapă a fost ecluza cu alimentare concentrată nefrontal, debitul
introducându-se în zona centrală a sasului. Apoi s-a mărit numărul de
orificii ajungându-se la distribuirea acestora pe toată lungimea
sasului.
Datorită pierderii longitudinale de sarcină în sistemul de
alimentare (şi cu cât ecluza este mai lungă) orificiile nu dau debite
egale şi se poate ajunge în unele cazuri la pante longitudinale ale
245
suprafeţei de apă în sas chiar mai mari decât la ecluzele alimentate
frontal.
În practică s-a constatat că este mai bine să se facă repartiţia
orificiilor nu pe toată lungimea sasului ci pe zone:
- o zonă centrală, simetrică faţă de mijlocul lungimii sasului
(fig. V.41, fig. V.47),
- două zone repartizate simetric faţă de mijlocul lungimii
sasului (fig. V.44, fig. V.45, fig. V.48).
Fig. V-47
Dintre sistemele cu o singură zonă (centrală) cele mai indicate
sunt cele din figurile V.41 şi V.47 c. Cu cât lungimea pe care se
246
distribuie debitul este mai mare cu atât rezultă pante ale apei în sas (i)
şi denivelări ale suprafeţei (z) mai mici (cu condiţia ca orificiile să
debiteze cât mai uniform - vezi paragraful privind aprecierea
condiţiilor de staţionare a navelor în sas).
Fig. V-48
Dintre sistemele cu două zone de distribuire a orificiilor cel
mai bun este cel din figura V.45. Urmând acelaşi model se poate
construi şi un sistem cu orificiile distribuite pe 4 zone (fig. V.49).
247
Fig. V-49
Pentru a se îmbunătăţi funcţionarea la umplere a sistemului cu
4 zone se poate deschide anticipat galeria 1 (pe care apa trebuie să
parcurgă un drum mai lung).
Rezolvarea zonei de priză a sistemului de umplere-golire se
poate face în următoarele variante constructive:
- cu guri de galerie pe feţele laterale ale
bajoaierilor (eventual aşezate în zona nişei porţilor buscate)
aşezate la nivelul radierului sau eventual coborâte parţial
(fig. V.50)
- cu guri de galerie aşezate frontal la capul ecluzei
(fig. V.51)
248
- cu galerie transversală în radier, cu grătar la
partea superioară (fig. V.52).
Fig. V-50
249
Fig. V-51
Fig. V-52
250
Realizarea zonei de evacuare a apei din sistemul de
umplere-golire se face prin aplicarea uneia din următoarele soluţii:
- prin guri de galerie situate deasupra nivelului radierului
(galeria poate fi ramificată în două până la 4 fire înainte de evacuare -
fig. V.53)
- galerii ce ies sub nivelul radierului în galerii transversale fără
grătar (fig.V.54-a)
- galerii transversale în radier cu grătar la partea superioară
(una până la trei galerii - fig. V.54 - b).
Soluţia adoptată trebuie să asigure o disipare cât mai bună a
energiei apei pentru a asigura condiţii optime de staţionare a navelor
în portul de aşteptare. S-au imaginat şi sisteme de evacuare a apei
dincolo de zona de acostare a navelor în portul de aşteptare.
251
Fig. V-53
a)
252
b)
Fig. V-54
5.7 Aprecierea condiţiilor de staţionare a navelor în sas şi în
porturile de aşteptare
În cazul alimentării concentrate frontal, în mod evident şi cu
valori mai mari, la pătrunderea apei în ecluză se formează o pantă
longitudinală iniţială a suprafeţei apei din sas (iv). Unda reflectată de
cealaltă poartă a ecluzei se întoarce cu o pantă inversă. Panta
longitudinală a apei în sas oscilează pe toată durata umplerii iar
valoarea ei maximă este cea de la începutul umplerii (înainte de
prima reflectare a undei de poarta aval).
253
În figura V.55. este prezentată problema pantei suprafeţei de
apă în cazul alimentării pe sub poartă. Mişcarea de ridicare a porţii
este descompusă într-o succesiune de mişcări cu durată scurtă (∆ t),
perioadă în care debitul pătruns în ecluză creşte cu ∆ Q.
Adâncimea medie fictivă:B
χ−Ω
Valorile debitului pe intervalele de timp ∆ t vor fi:
cBzQ ⋅⋅∆=∆ (V.56)
în care:
∆ z - grosimea tranşei de apă a undei de transport în intervalul
∆ t
B - lăţimea sasului
c - celeritatea (viteza de propagare a undei de transport)
B
-g=c
χΩ⋅ (V.57)
g - acceleraţia gravitaţională
254
sHB= ⋅Ω - secţiunea udată a sasului gol (în secţiune
transversală)
χ - cupla maestră a navei aflată în sas
Fig. V-55
Se scoate ∆ z din ecuaţia (V.56):
cB
Q=z
⋅∆∆ (V.58)
255
Lungimea străbătută de unda de transport în timpul ∆ t este:
tc=l ∆⋅∆ (V.59)
Cu relaţiile (V.55) şi (V.56) se scrie panta suprafeţei de apă din
sas înainte de prima reflectare a undei:
t
Q
cB
1=
tccB
Q
=l
z=
lz=i 2
vv ∆
∆∑⋅⋅∆⋅∑
⋅∆∑
∆∑∆∑ (V.60)
sau:
( ) ( )χχ -g
1
t-t
Q-Q=
t
Q
-g
1=i
1
1v Ω⋅
⋅∆
∆∑⋅Ω⋅
(V.61)
Pentru panta locală se poate scrie relaţia (V.60) în forma:
cB
1
dt
dQ=i 2v ⋅
⋅ (V.62)
256
Cu toate că sistemelor de alimentare concentrată frontală li s-
au adus numeroase îmbunătăţiri ele nu pot da o alimentare rapidă a
ecluzei din cauza pantei longitudinale mari care s-ar produce.
Panta longitudinală iv poate fi redusă dacă apa nu va mai fi
introdusă concentrat frontal ci concentrat în alte puncte ale sasului
(concentrat nefrontal), ca de exemplu la mijlocul lungimii sasului
(fig.V.56).
În acest caz vom avea:
2z=
cB2
Q
=z1
2 ⋅(V.63)
257
Fig. V-56
iar
i2
1=
cB
1
t
Q
2
1=i 122 ⋅
⋅⋅
∆∆⋅ (V.64)
NOTĂ:
z1 = zv - cazul alimentării concentrate frontal
i1 = iv - cazul alimentarii concentrate frontal
Analog se poate judeca şi în cazul introducerii debitului în
două puncte (la L/4 şi la 3L/4) aşa cum se arată în figura V.57 a:
258
Fig. V-57
Pentru figura V.57 a rezultă:
i0.25=i 13 ⋅ (V.65)
iar pentru figura V.58 b rezultă:
i0.125=i 14 ⋅ (V.66)
Deci cu cât se măreşte numărul punctelor de introducere a
debitului de alimentare cu atât scade panta longitudinală a apei (dacă
debitele pe orificii sunt egale).
În plus, caracterul pantei este diferit, pentru că ea nu mai este
organizată "într-o singură apă" (un singur plan înclinat) ci este
259
divizată în porţiuni cu pantă alternativ spre amonte şi spre aval,
situaţie net mai bună pentru staţionarea navei.
Se poate pune problema şi în alt mod: se poate mări debitul
(deci se poate scurta timpul de umplere) cu menţinerea pantei
suprafeţei de apă egală cu cea de la alimentarea concentrată frontală.
De fapt se pot adopta şi situaţii intermediare între aceste două
abordări ale problemei pantei apei în sas în timpul umplerii.
Pentru formularea condiţiei de staţionare a navelor în sas
trebuie arătat că în timpul umplerii-golirii ecluzei se produc în sas şi
în porturile de aşteptare, vârtejuri, pulsaţii de nivel şi de presiune a
apei, concentrări de viteze şi unde de transport. Toate aceste
fenomene acţionează asupra navei şi sunt preluate de parâmele cu
care aceasta este legată (de bolarzii flotanţi în sas sau de bolarzii
ficşi de pe cheu, în portul de aşteptare).
Staţionarea navei este asigurată dacă forţa ce trebuie preluată
de o parâmă de legare este mai mică decât forţa admisibilă (care este
în funcţie de rezistenţa parâmei, deci de tipul şi grosimea acesteia).
Studierea forţelor care acţionează asupra navei staţionate în sas
se face cu elementele din figura V.58.
Forţa totală care se exercită asupra navei în timpul umplerii
este descrisă de relaţia următoare:
260
P+P+P+P=P+P=P ivivloclonglocalmax (V.67)
în care:
Ploc - forţă datorată şocurilor, variaţiilor de presiune şi agitaţiei
apei, mai importantă pentru navele mici şi practic neglijabilă pentru
convoaie (Ploc = 0 dacă se face o disipare bună a energiei)
Pv - forţă datorată vitezei cu care apa curge pe lângă capul
navei, de natura rezistenţei la înaintare; în momentul iniţial v = 0
duce la Pv = 0
Pi - forţă de natura forţei de inerţie, ce devine nulă când nava
se află în echilibru, cu parâmele întinse
cB
D
dt
dQ=iDD=P 2
0=t
viv ⋅⋅
⋅≈⋅ αsin (V.68)
vitg ≈≈ ααsin , pentru unghiuri sub 6,50.
261
α
α
Piv
Fig. V-58
Piv - forţă datorată pantei longitudinale a suprafeţei de apă în
timpul umplerii
D - deplasamentul navei
Pentru ecluze alimentate frontal se aplică relaţia:
P<cB
D
dt
dQ=PP adm2
0=t
iv0)=(t ⋅⋅
≈max (V.69)
262
în care Padm este forţa admisibilă în funcţie de tipul şi numărul
de parâme de legare.
Pentru ecluze alimentate distribuit relaţia (V.69) devine:
P<cB
D
dt
dQP adm2
0)=(t
sas0)=(t ⋅⋅
⋅Ψ≈max
(V.70)
în care:
Ψsas - coeficientul ce caracterizează calitatea schemei de
alimentare:
Ψ sas = 1 - alimentare frontală
Ψ sas = 0.6 - 0.7 - sisteme distribuite cu galerii longitudinale şi
orificii pe toată lungimea sasului
Ψ sas = 0.4 - 0.5 - sisteme distribuite cu orificii pe o singura
zonă, în partea centrală a sasului
Ψ sas = 0.2 - 0.3 - sisteme distribuite cu orificii pe două sau trei
zone
Forţa admisibilă Padm (din relaţiile V.69 şi V.70) depinde de
gradul de uniformitate al întinderii parâmelor de legare.
263
La parâme întinse manual (cu forţe de ordinul a 20 - 30 daN)
datorită neuniformităţii legării se consideră că toată forţa se predă la
o singură parâmă (atât pentru navele mari, legate pe ambele borduri -
fig. V.58 - cât şi pentru navele mici legate pe un singur bord; de
asemenea şi în porturile de aşteptare).
La parâmele pretensionate mecanic (cu trolii; forţa de
întindere, de circa 1/100 - 1/50 din forţa de rupere, este repartizată
aproximativ uniform) se admite că predarea forţei totale să se facă la
două parâme în aceeaşi direcţie de legare. Se aplică relaţiile
următoare:
- întindere manuală:
P=P 0)=(t1parima max (V.71)
- pretensionare mecanică a parâmelor:
512
P=P
0)=(t1parima ,max ⋅ (V.72)
în care 1,5 este un coeficient de neuniformitate.
264
Forţa hidrodinamică maximă (Pmax) egală cu Padm se exprimă
prin formule convenţionale care depind doar de deplasamentul navei
(D):
- în Franţa:
D900
1
100
1=Padm ⋅
÷
0 (V.73)
- în Germania şi Austria:
D600
1
750
1=Padm ⋅
÷ (V.74)
- în SUA (pentru toate navele fluviale):
daN5000=Padm ⋅ (V.75)
- în Rusia şi celelalte state ale CSI (foste membre ale URSS):
5 30 D35
1=F ad6=Padm ⋅⋅ [daN] (V.76)
265
Fad - forţa admisibilă în parâmă, depinzând de material şi de
dimensiunile parâmei
De asemenea se aplică începând din 1965 pentru ecluze cu
alimentare distribuită relaţia:
D3 00 .8=P 3
1
a d ⋅⋅ [daN] (V.77)
La convoaie tractate Pad se calculează pentru fiecare navă (sau
dană de nave) separat iar la convoaiele împinse Pad se calculează
pentru barja cea mai mare din convoi (pentru că fiecare navă -
inclusiv barjele - este dotată cu parâme în funcţie de caracteristicile ei
proprii şi nu de ale unui posibil convoi în care ar putea fi inclusă).
Pentru staţionarea în siguranţă a navelor în porturilor de
aşteptare se aplică o relaţie similară cu V.70:
P<cB
D
dt
dQ=P port
adm20=t
portport
0)=(t ⋅⋅
⋅Ψmax (V.78)
în care:
λσλ
⋅⋅⋅
Ψ2+1
2+1=port (V.79)
266
Semnificaţiile notaţiilor rezultă din fig. V.59.
χ
Fig. V-59
Obs. În porturile simetrice pot fi acostate nave şi pe ambele laturi ale portului.
S-a notat:
L
L=c
0λ (V.80)
ΩΩ
p
cp -=
χσ (V.81)
267
Forţa hidrodinamică admisibilă în port, care trebuie preluată ca
şi în sas de una sau două parâme, se determină cu relaţia:
3300 D0.5)(0.4=P portad ⋅⋅÷ [daN] (V.82)
În literatură există şi alte formule aplicabile atât în sas cât şi în
porturile de aşteptare.
Registrul Naval Roman prevede că la convoaiele împinse
calculul Pad se face în ipoteza că barjele şi împingătorul "fac corp
comun" (deci la suma deplasamentelor navelor din convoi).
Totuşi nu este necesar ca parâmele să aibă o forţă de rupere
mai mare de 32500 daN - în cazul parâmelor din oţel (cabluri cu φ
24 - 32 mm) sau 39000 daN - în cazul parâmelor sintetice.
5.8 Calculul hidraulic al umplerii (golirii) ecluzelor
În timpul procesului de umplere (golire) mişcarea apei în
galerii, în sas şi în bieful amonte (respectiv aval) are loc în regim
nepermanent deoarece:
268
- “căderea” ecluzei se reduce de la H0 - la începutul
umplerii – la zero
- sistemul de alimentare funcţionând gravitaţional,
cu sarcina (căderea) variabilă, va duce la debite de alimentare
şi viteze ale apei variabile.
Se va verifica dacă regimul hidraulic ales asigură staţionarea
liniştită a navelor în sas şi în portul de aşteptare (este chiar
preferabil să se determine timpul de umplere în funcţie de condiţiile
de staţionare a navelor).
Umplerea pe sub poartă
Notaţiile avute în vedere sunt prezentate în figura V.60
Pe figură s-a notat:
a - secţiunea de scurgere de sub poartă (secţiunea geometrică)
a'- secţiunea contractată a vânei de apă care iese din orificiul
de sub poartă (în această secţiune viteza are repartiţie uniformă - v')
z0 - sarcina orificiului de sub poartă în perioada cât
funcţionează ca orificiu liber (neînecat)
H0 – căderea ecluzei
Hî - sarcina (căderea) la care se produce înecarea orificiului de
sub poartă
269
Ht - sarcina (căderea) la momentul oarecare t
Debitul prin orificiul liber va fi:
va=Q ′⋅′ (V.83)
Βu⊥
Fig. V-60
în care:
ε⋅′ a=a (V.84)
ε - coeficient de contracţie
270
zg2=v 0⋅⋅⋅′ ϕ (V.85)
φ - coeficient de viteză
ϕεµ ⋅= - coeficient de debit (V.86)
Coeficientul de debit se calculează cu ajutorul cunoştinţelor de
la "Hidraulică". Relaţia (V.83) devine:
zg2a=va=Q 0⋅⋅⋅⋅′⋅′ µ (V.87)
Scriind ecuaţia de continuitate referitor la umplere (volumul de
apă trecut prin orificiu este egal cu volumul de apă cu care se umple
sasul) se obţine:
dH-A=dtQ ⋅⋅ (V.88)
Semnul "minus" apare din cauză că sarcina H este în scădere.
LB=A uu ⋅ - suprafaţa în plan a sasului
271
Înlocuind se obţine:
dHA=dtzg2a 0 ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ -µ (V.89)
Ecuaţia de continuitate poate fi transcrisă pentru cele două
situaţii ale orificiului în timpul umplerii (separând variabilele):
ORIFICIU LIBER: dtzg2A
a=dH- 0 ⋅⋅⋅⋅⋅ µ (V.90)
ORIFICIU ÎNECAT: dtg2A
a=
H
dH- ⋅⋅⋅⋅µ (V.91)
Relaţiile (V.90) şi (V.91) se numesc ecuaţii diferenţiale ale
umplerii. Se mai notează:
tî - timpul la care se produce înecarea orificiului de sub poartă
tp - timpul cât durează ridicarea porţii (până la crearea orificiului
cu secţiunea geometrică a0, necesară umplerii)
a0 - orificiul geometric maxim de sub poartă (când manevra
acesteia s-a terminat)
A) Calculul timpului de umplere a ecluzei în cazul tî > tp este
reflectat în tabloul hidraulic din fig. V.61.
272
DI - domeniul I, pe durata manevrării porţii - ORIFICIUL
LIBER
DIIa - manevra porţii terminată - ORIFICIU LIBER
DIIb - manevra porţii terminată - ORIFICIU ÎNECAT
Se va face integrarea ecuaţiilor diferenţiale ale umplerii pe cele
trei domenii.
µ0
µ
Fig. V-61
Domeniul I este caracterizat de următoarele condiţii:
ORIFICIU LIBER
0 < t < tp
H0 < H < Hp
273
t
ta=a
po ⋅ (V.92)
μ0= constant (coeficient de debit al orificiului cu secţiunea a0)
Hp - sarcina sistemului de alimentare la t = tp
Se integrează ecuaţia V.90:
tzg2t
t
Aa=H 00
t
p
0H
H 0
dd0
⋅⋅⋅⋅⋅⋅− ∫∫ µ
(V.93)
2t
tAa
=H2 t
0p
00H
H⋅
⋅⋅
−µ
0
(V.94)
ttA
zg2a2
1-H=H 2
p
ooo0 ⋅
⋅⋅⋅⋅⋅
⋅µ
(V.95)
Relaţia (V.95) este ecuaţia sarcinii H în domeniul I. Cu
ajutorul ei se poate scrie debitul sistemului de alimentare pe
domeniul I:
Hg2a=va=Q 0o0 ⋅⋅⋅⋅⋅ µ (V.96)
274
În fapt, pe D I, H = z0
În punctul de la limita domeniului I se obţine pentru t = tp şi
H = Hp:
tA
zg2a2
1-H=H p
0000p ⋅
⋅⋅⋅⋅⋅
µ (V.97)
Domeniul II a este caracterizat de următoarele condiţii:
ORIFICIU LIBER
tp < t < tî
a0= constant
µ 0= constant
Hp < H < Hî (În fapt, pe D II a, H = z0)
Se integrează ecuaţia V.90:
∫∫ ⋅⋅⋅⋅⋅
−t
t
000H
Hp
p
tA
zg2a=H dd
µ(V.98)
t
t
oooH
H pp
tA
zg2a=H ⋅
⋅⋅⋅⋅−
µ (V.99)
275
( )pooo
p ttA
zgaHH −
⋅⋅⋅⋅−=
2µ (V.100)
Relaţia (V.100) este ecuaţia sarcinii în domeniul II a (putând fi
folosită la determinarea debitului din sistemul de alimentare cu
(V.96)).
La limita domeniului II a vom avea pentru t = tî şi H = Hî :
)t-t(A
zg2a-H=H pî
000pî ⋅
⋅⋅⋅⋅µ (V.101)
în care se poate înlocui Hp cu valoarea dată de (V.97).
Domeniul II b este caracterizat de următoarele condiţii:
ORIFICIU ÎNECAT
tî < t < Tu
a0 = constant
µ 0 = constant
Hî < H < 0
Tu - timpul de umplere al ecluzei
Se integrează ecuaţia V.91:
276
∫∫ ⋅⋅⋅⋅
−t
t î
dd
tA
g2a=
H
H 00H
Hî
µ(V.102)
t
t
00H
H îî
tA
g2a=H ⋅
⋅⋅⋅⋅−
µ2 (V.103)
)t-(tA
g2a2
1-H=H i
00i ⋅
⋅⋅⋅⋅
µ (V.104)
Relaţia (V.104) este ecuaţia sarcinii sub care funcţionează
sistemul de umplere pe domeniul II b (şi se poate folosi la
determinarea debitului cu V.96). Se poate înlocui Hî cu cel dat de
V.101. La limita domeniului, când t = Tu şi H = 0 avem:
)t-T(A
g2a2
1=H îu
00î ⋅
⋅⋅⋅⋅
µ (V.105)
din care se scoate timpul de umplere:
g2a
HA2+t=T
00
îîu
⋅⋅⋅⋅⋅
µ(V.106)
B. Calculul timpului de umplere a ecluzei în cazul tî < tp
Tabloul hidraulic al umplerii este prezentat în figura V.62.
277
DIa - domeniul de funcţionare cu orificiu liber - poarta în
mişcare (ridicare)
DIb - domeniul de funcţionare cu orificiul înecat - poarta în
ridicare
DII - domeniu de funcţionare cu orificiu înecat - poarta
complet ridicata (orificiu a0)
µ
µ
Fig. V-62
Se integrează ecuaţiile diferenţiale ale umplerii pe cele trei
domenii (orificiu liber sau orificiu înecat).
Domeniul I a este caracterizat de următoarele condiţii:
ORIFICIU LIBER
278
0 < t < tî
a = a0 t/tp
µ 0 = constant
H0 < H < Hî
Se integrează ecuaţia V.90:
tttA
zg2a=H
t
p
000H
Hdd
00
∫∫ ⋅⋅
⋅⋅⋅⋅−
µ(V.107)
2t
tAzg2a
=H-2
0
t
p
000
H
H
0⋅
⋅⋅⋅⋅⋅µ
(V.108)
ttA
zg2a2
1-H=H 2
p
0000 ⋅
⋅⋅⋅⋅⋅
⋅µ
(V.109)
Relaţia V.109 redă ecuaţia sarcinii sistemului de alimentare pe
domeniul I a şi permite calculul debitului cu relaţia V.96.
La limita domeniului I a, când t = tî şi H = Hî rezultă:
ttA
zg2a2
1-H=H 2
îp
ooooî ⋅
⋅⋅⋅⋅⋅
⋅µ
(V.110)
Domeniul I b este caracterizat de următoarele condiţii:
ORIFICIU ÎNECAT
279
tî < t < tp
a = a0 t/tp
µ 0 = constant
Hî < H < Hp
Se integrează ecuaţia V.91:
tttA
g2a=
H
dH
p
00H
H î
dt
t î
∫∫ ⋅⋅
⋅⋅⋅−
µ(V.111)
t
t
2
p
00H
Hî
o 2t
tA
g2a=H ⋅
⋅⋅⋅⋅
⋅−µ
2 (V.112)
)t-t(tA
g2a4
1-H=H 2
î2
p
00î ⋅
⋅⋅⋅⋅
⋅µ
(V.113)
Relaţia V.113 reprezintă ecuaţia sarcinii sistemului de
alimentare pe domeniul I b şi permite exprimarea debitului pe acelaşi
domeniu prin relaţia V.96.
La limita acestui domeniu: t = tp şi H = Hp:
)t-t(tA
g2a4
1-H=H 2
î2p
p
00îp ⋅
⋅⋅⋅⋅
⋅µ
(V.114)
280
Domeniul II este caracterizat de următoarele condiţii:
ORIFICIU ÎNECAT
tp < t < Tu
a=a0= constant (V.115)
µ 0 = constant
Hp < H < 0
Se integrează ecuaţia V.91:
∫∫ ⋅⋅⋅⋅
−t
t
00H
Hp
p
tA
g2a=
H
Hd
d µ(V.116)
t
t
00H
H pp
tA
g2a=H ⋅
⋅⋅⋅−
µ2
)t-(tA
g2a2
1-H=H p
00p ⋅
⋅⋅⋅⋅
µ (V.117)
Relaţia V.117 reprezintă ecuaţia sarcinii sistemului de
alimentare pe domeniul II şi permite calculul debitului de alimentare
cu relaţia V.96.
La limita domeniului II vom avea t=Tu şi H=0:
)t-T(A
g2a2
1=H pu
00 ⋅⋅⋅⋅
⋅µ (V.118)
281
Deci timpul de umplere al ecluzei în cazul tî < tp se poate
calcula cu relaţia:
g2a
HA2+t=T
00
ppu
⋅⋅⋅
⋅⋅
µ(V.119)
Umplerea ecluzelor prin galerii de ocolire a porţilor
Fenomenele care au loc în timpul umplerii se produc în
regim hidraulic nepermanent: deoarece sarcina (căderea) sub care
lucrează sistemul de alimentare este în continuă scădere (de la H0 la
zero) debitul şi viteza apei în galerii sunt în permanenţă variabile.
Notaţiile folosite în calcule sunt prezentate în fig. V.63.
Pe traseul unui fir de curent 1 - 2 care circulă gravitaţional
prin galeria de alimentare se scrie ecuaţia lui Bernoulli:
h+h+p
+2gv=
p+
2gv+H ri
2221
21
t γγ (V.120)
282
Β u⊥
Fig. V-63
dll
v
g
1=hi ∂
∂∫ (V.121)
hi - sarcina de inerţie ce apare în galerii la momentul iniţial
al umplerii dar care ulterior devine nulă
Termenii: p1/g şi p2/g sunt egali (p1 = p2 = patm; γ = γ apă)
Termenii: v12/2g şi v2
2/2g sunt egali (viteza de apropiere a
apei în punctul 1 şi viteza de îndepărtare în punctul 2 sunt
aproximativ egale, reprezentând celeritatea)
Ht - sarcina (căderea) sub care funcţionează sistemul de
alimentare la momentul t
283
hr - suma pierderilor de sarcina pe traseul apei în sistemul de
alimentare
Ca urmare se poate scrie:
h=H rt (V.122)
Exprimarea pierderilor de sarcină se poate face ca mai jos:
2gv+...+
2gv+
2gv=h
20
vana
22
2
21
1r ζζζ (V.123)
∑ ζζ vana
0
i
2
i
20
r +v
v2gv=h (V.124)
în care:
- v0 - viteza în secţiunea controlată de vană
- ζ i - coeficienţi de rezistenţă hidraulică
- vi - viteze in alte porţiuni (şi secţiuni) ale sistemului de
alimentare
284
a
Q=v ;
a
Q=v ;
a
Q=v
a
Q=v
0
t0
2
t2
1
t1
i
ti
(V.125)
Qt – debitul care trece la momentul t prin galeriile sistemului
de alimentare
Deci:
a
a=v
v
i
0
0
i
şi expresia V.122 devine:
H=+a
a2gv=h tvana
i
0
2
i
20
r
∑ ζζ (V.126)
În aceasta relaţie expresia Σ ζ i(a0 /ai)2 este o constantă ce
depinde de caracteristicile geometrice ale galeriilor şi nu depinde
de regimul de curgere.
Coeficientul de rezistenţă hidraulică ζ vana este variabil în
timp, în funcţie de gradul de deschidere al vanei:
285
(t)= vvana ζζ
Viteza în secţiunea de control a vanei va fi:
H2g
+a
a
1=(t)v t
vi
0
2
i
0
ζζ
∑(V.127)
Expresia:
ϕ
ζζ
=
+a
a
1
vi
0
2
i
∑(V.128)
reprezintă coeficientul de viteză
Având în vedere că coeficientul de debit µ = ϕ ⋅ ε şi că
coeficientul de contracţie ε = 1 (neexistând contracţii în galerii) se
poate considera că:
ζζ
µ
vi
0
2
+a
a
1=
∑(V.129)
286
Relaţia vitezei devine:
H2g=(t)v t0 µ
sau renunţând la indicele t:
2gH=(t)v0 µ (V.130)
Având în vedere că pe perioada deschiderii vanei ζ v este
variabil rezultă că şi coeficientul de debit este variabil. Notând cu tv
- timpul de deschidere al vanei şi cu Tu - timpul de umplere al
ecluzei, tabloul hidraulic al umplerii este cel din fig. V.64.
În figură µ 0 - este coeficientul de debit în situaţia vanei
complet deschise iar
t
t=(t)
v0µµ (V.131)
Se scrie ecuaţia de continuitate referitoare la egalitatea
volumului de apa ce trece prin sistemul de alimentare cu volumul
287
de apă cu care se umple sasul (semnul minus se datorează faptului
că H este în scădere de la H0 la zero):
µ
µ(t)
µ
µ µ
Fig. V-64
HA=t(t)va 00 dd − (V.132)
În relaţia V.132 şi următoarele se notează prin a0 secţiunea în
dreptul vanei însumată pentru galeriile de pe ambii bajoaieri ai
ecluzei.
Ecuaţia de continuitate este în variabilele H şi t care se
separă:
288
AdH=dt2gHa0 −µ
- A - suprafaţa în plan a sasului (fig.V.63)
dtA
2ga=
H
dH- 0 µ
(V.133)
Relaţia V.133 este ecuaţia diferenţială a sarcinii H sub care
funcţionează sistemul de alimentare al ecluzei.
Datorită variaţiei coeficientului de debit pentru obţinerea
timpului de umplere al ecluzei ecuaţia V.133 trebuie integrată
separat pe cele două domenii (I şi II) prezentate în figura V.64.
Domeniul I se caracterizează prin următoarele elemente:
H<H<H t<t<0 t
t=(t) v0v
v0µµ
- Hv - sarcina sistemului în momentul terminării manevrării
vanei (tv)
289
td ttA
2 ga=
H
d H- 0
t
v
00H
H
0 ∫∫µ
(V.134)
2t
tA
2ga=H2-
2
0
t
v
00
H
H
0
µ
ttA
2ga4
1-H=H 2
v
000
µ(V.135)
Relaţia V.135 reprezintă ecuaţia sarcinii sub care funcţionează
sistemul de alimentare pe domeniul I şi permite calculul debitului
din sistem cu relaţia V.96.
La limita domeniului I: t = tv şi H = Hv:
tA
2ga4
1-H=H v
000v
µ (V.136)
Domeniul II se caracterizează prin următoarele elemente:
0<H<H ; T<t<t ; constant= vuv0µ
tA
2 ga=
H
dH-t
t00H
H
vvd∫∫
µ(V.137)
t A
2ga= H 2-
t
t00
H
H
vV
µ
290
)t-(tA
2ga2
1-H=H v
00v
µ (V.138)
Relaţia V.138 este ecuaţia sarcinii sistemului de alimentare
pe domeniul II şi permite calculul debitului cu V.96.
La limita domeniului II: t = Tu şi H = 0:
)t-T(A
2ga2
1=H vu
00v
µ (V.139)
Deci:
t+2ga
H2A=T v
00
vu
µ(V.140)
Dacă se înlocuieşte rădăcina pătrată din Hv cu relaţia V.136
se obţine pentru timpul de umplere relaţia:
2t+
2ga
H2A=T
v
00
0u
µ(V.141)
291
Pentru a se putea vedea cât de important este timpul de
deschidere a vanei se consideră două ipoteze extreme:
- deschidere instantanee: tv = 0
2ga
H2A=T
00
0u
µ(V.142)
- deschiderea vanei durează cât umplerea ecluzei: tv = Tu
2ga
H4A=T
00
0u
µ(V.143)
Se vede că între cele două extreme timpul de umplere se
dublează. Formula timpului de umplere (V.141) ar fi mai uşor de
aplicat dacă s-ar folosi timpul relativ de deschidere a vanei:
T
t=Ku
v (V.144)
Această exprimare conduce la:
292
0.5K)-(12ga
H2A=T
00
0u
µ(V.145)
Valori mai obişnuite ale lui K se cuprind în intervalul 0.4-0.8
dar el se alege simultan cu asigurarea condiţiilor de staţionare a
navelor în sas şi respectiv în porturile de aşteptare.
Umplerea ecluzelor prin sisteme distribuite
Având în vedere structura unui sistem de alimentare
distribuit, acesta se aseamănă până la un punct cu sistemul de
alimentare concentrată prin galerii de ocolire a porţilor. Aceste
sisteme au comune următoarele elemente: priza de apă, traseul
galeriilor până la vanele de alimentare, vanele şi batardourile,
traseul galeriilor de la vanele de control amonte până la intrarea în
sas.
Sistemul distribuit are în plus în alcătuire: galerii de-a lungul
sasului (în bajoaieri sau în radier), orificii de ieşire a apei în sas şi
eventual galerii transversale sau cu alt traseu în radier (în scopul
realizării unei alimentări cât mai echilibrate dinamic; galerii
secundare).
293
Metoda de calcul aplicată la sistemele cu galerii de ocolire a
porţilor este deci valabilă şi la sistemele distribuite cu condiţia ca la
calculul coeficientului de debit dat de relaţia V.129 să se introducă
şi pierderile de sarcină suplimentare care apar în galeriile din
lungul sasului (pierderi longitudinale), la orificii şi eventualele
galerii secundare. Relaţia de calcul a coeficientului de debit va avea
forma generală:
longitζζζ
µ
++a
a
1=
vanăi
0
2
i
∑(V.146)
în care:
- ζ longit – coeficient de pierderi longitudinale în galeriile
sistemului de alimentare
( )( ) 2
0
2
02
2
02
0longit
1
6
1122
+
⋅−+
⋅−−⋅=
σζ
n
a
a
a
n
n
a
a
n
nn
Rc
gl (V.147)
- g - acceleraţia gravitaţională (9,8 m/s2)
- n – număr de orificii pe o galerie de alimentare
294
- R - raza hidraulică a galeriei
- c – coeficientul Chezy
- σ - aria unui orificiu de intrare a apei în sas
- a – aria ambelor galerii de alimentare în lungul sasului
- a0 - aria ambelor galerii de alimentare în dreptul
vanelor
- l0 – distanţa dintre orificiile de alimentare
Pierderile longitudinale se calculează pentru firul de curent
care parcurge drumul cel mai lung (ieşind prin orificiul cel mai
îndepărtat).
Lungimea echivalentă a sistemului de alimentare (Lech) este
compusă din lungimea echivalentă a sistemului neramificat (L'ech -
până la primul orificiu, porţiune echivalentă sistemului de
alimentare concentrată cu galerii de ocolire a porţilor) şi lungimea
echivalentă a sistemului ramificat (L''ech - partea din sistem pe care
sunt distribuite orificiile)
∑′
a
al=L
i
0iech (V.148)
în care:
295
- li - lungimea diferitelor tronsoane de galerie cu secţiune ai
- a0 - secţiunea de control a galeriei în dreptul vanei de
alimentare
aa
2
-Nl=L 0
0ech ⋅′′ 10 (V.149)
în care:
- l0 - distanţa dintre două orificii
- N0 - numărul total de orificii (pe ambele laturi ale sasului)
- a - aria galeriei în zona cu orificii
Lungimea echivalentă a sistemului de alimentare distribuit
este:
echechech LLL ′′+′= (V.150)
Observaţie:
Pentru calculul de detaliu al pierderilor de sarcină respectiv
al coeficientului de debit se va apela şi la cunoştinţele de la
disciplina "Hidraulica construcţiilor".
296
Fig. V-65
Tabloul hidraulic al umplerii ecluzei prin sistemul de
alimentare distribuită este prezentat în figura V.65.
- H(t) - curba de variaţie a sarcinii (căderii) sistemului de
alimentare
- Q(t) - curba de variaţie a debitului ce trece prin sistemul de
alimentare
- E(t) - curba de variaţie a energiei curentului de apă din
sistemul de alimentare
/s]m[ 2gHa=Q(t) 3µ (V.151)
297
[kW] 9,81QH=E(t) (V.152)
în care H se introduce în m iar Q în m3/s
5.9 Ecluze cu bazine economizoare
De câte ori problema compensării pierderilor de apă dintr-un
bief de canal este dificilă sau costisitoare (de exemplu la
alimentarea cu apă a unui bief de creastă) ecluza (ecluzele) care
delimitează acel bief va fi special dotată pentru a se economisi apa
folosită la ecluzare.
O parte din volumul de apă din sas nu va fi evacuată în bieful
aval ci în unul sau mai multe bazine situate lateral, numite
economizoare. La umplerea sasului se va introduce mai întâi apa
stocată în economizoare iar apoi, până la umplerea completă, se ia
apă din bieful amonte (cel deficitar în apă).
Economizoarele sânt construcţii de înmagazinare a apei
disponibile, executate pe o parte sau pe ambele părţi ale ecluzei.
Ele se folosesc atunci când sursele de apă pentru compensarea
pierderilor de apă (prin ecluzare şi celelalte) sunt insuficiente şi de
298
asemenea pentru economia de energie (în cazul în care bieful
deficitar ar trebui alimentat prin pompare).
Economizoarele se pot construi în două variante:
- bazine deschise situate în trepte sau pe ambele părţi ale
ecluzei
- bazine închise, etajate, separate prin planşee etanşe.
Pentru că trecerea apei din sas în economizoare şi invers să
se poată face gravitaţional căderea ecluzei (H0) se va împărţi în 2 +
n tranşe de apă (de obicei egale, n fiind numărul de bazine
economizoare care urmează să se execute. În acest fel vom avea o
tranşă (volum) de apă situată deasupra cotei primului economizor
(cel cu cota cea mai ridicată) şi o tranşă de apă situată sub cota
ultimului economizor (cel cu cota cea mai joasă).
Pentru circulaţia apei între sas şi economizoare se execută
galerii care leagă sistemul de alimentare al ecluzei de
economizoare, galerii ce sunt controlate de vane. Secţiunea
galeriilor se calculează în mod similar cu cea a galeriilor sistemului
de alimentare.
Cazul ecluzei cu un singur economizor este prezentat în
figura V.66.
299
Fig. V-66
Volumul de apă din tranşa de apă I trebuie să încapă în
economizor:
hA=hA 1100 ⋅⋅ (V.153)
În mod curent se realizează economizoare cu A1 = A0 şi
atunci rezultă:
h=h 01 şi3
H=h0
0 (V.154)
300
Operaţiile care se fac la golirea ecluzei sunt următoarele:
- trecerea tranşei de apă I (33% din volumul sasului) în
economizor (1)
- evacuarea tranşelor II şi III în bieful aval
Umplerea ecluzei decurge în felul următor:
- umplerea tranşei III cu volumul de apă reţinut în
economizor (2)
- umplerea tranşelor II şi I din bieful amonte.
Aceste operaţii pun în evidenţă economisirea unui procent de
33% din volumul de apă necesar ecluzării (cu ajutorul unui singur
economizor).
În cazul ecluzei cu două economizoare căderea H0 se împarte
în 2 + 2 tranşe de apă cu înălţimea h0 = H0 /4 (fig.V.67).
301
Fig. V-67
Operaţiile ce au loc la golirea ecluzei sunt:
- tranşa I trece în economizorul A (1) (25% din volumul
sasului)
- tranşa II trece în economizorul B (2) (25% din volumul
sasului)
- Tranşele III şi IV se evacuează în bieful aval
Umplerea necesită următoarele operaţii:
- volumul de apă din economizorul B (25% din volumul
sasului) umple tranşa IV din sas (3)
302
- volumul de apă din economizorul A (25% din volumul
sasului) umple tranşa III din sas (4)
- tranşele II şi I sunt umplute din bieful amonte
La ecluza cu două economizoare rezultă o economie de apă
de 50% din volumul sasului.
Dacă s-ar construi o ecluză cu trei economizoare căderea H0
s-ar împărţi în 2 + 3 tranşe de apă (fiecare având 20% din volumul
sasului). Reţinând în economizoare trei tranşe de apă am obţine o
economie de 60% din volumul de apă al sasului.
Executarea unor ecluze cu mai mult de trei economizoare nu
mai este rentabilă pentru că economia de apă creşte lent (în timp ce
investiţiile cresc mai rapid) iar timpul de umplere se lungeşte prea
mult ducând la reducerea capacităţii de trafic a ecluzei.
Se mai poate realiza economie de apă şi cu ajutorul ecluzelor
gemene dacă se fac galerii de legătură (controlate de vane) între
sistemele de umplere ale celor două sasuri vecine. Economia
maximă de apă (50% din volumul sasului) se poate obţine daca se
fac ecluzări simultane, cu un sas spre amonte şi cu celălalt spre aval
(fig.V.68).
303
Fig. V-68
Operaţiile ar decurge ca mai jos:
- golirea a 50% din sasul A în sasul B (pe principiul vaselor
comunicante); tranşa IA trecând în tranşa IIB (1)
- golirea tranşei IIA în aval
- umplerea tranşei IB din bieful amonte
5.10 Porţi de ecluză
Există o mare varietate de porţi de ecluză, fiecare dintre ele
având o aplicabilitate mai largă sau mai limitată.
304
Tipul de poartă este legat de soluţiile alese pentru sistemele
de alimentare (mai ales la sistemele frontale), de căderea ecluzei,
de poziţia porţii (ca poartă de serviciu sau de avarie – ca poartă
amonte sau aval), de posibilităţile de execuţie şi transport, etc.
O clasificare a porţilor de ecluză evidenţiază următoarele
tipuri principale (şi locul lor de aplicare):
a) porţi buscate (cap amonte, cap aval, cap intermediar)
b) porţi sertar sau rulante (cap aval, cap intermediar)
c) porţi plane:
- ridicătoare (cap amonte, cap aval - soluţia cu timpan)
- ridicătoare - coborâtoare (cap amonte)
- coborâtoare (cap amonte)
d) porţi segment (cap amonte)
e) porţi sector (cap amonte, cap aval, cap intermediar)
f) porţi clapetă (cap amonte)
a) Porţi buscate
Porţile buscate poartă această denumire datorită pragului
(busc) pe care reazemă şi etanşează la partea inferioară. Ele pot fi
alcătuite dintr-un singur canat sau din două canaturi.
305
Porţile într-un singur canat se comportă din punct de vedere
static asemănător cu o grindă simplu rezemată şi încărcată cu o
încărcare uniform distribuită (la fel se comportă şi porţile plane de
toate tipurile).
Pentru a se putea roti ele au partea inferioară, spre nişă
(spaţiul în care se retrage poarta când este deschisă) un dispozitiv
de rezemare cu cap semisferic, numit crapodină.
La partea superioară au un lagăr inelar de rotaţie.
Pe tot conturul, mai puţin muchia superioară, ele au
prevăzute garnituri de etanşare.
O poartă cu un canat arată ca în figura V.69.
Porţile buscate cu două canaturi se comportă din punct de
vedere static apropiat de arce, deoarece pragul buscat formează cu
bajoaierii două unghiuri θ de 20 - 22° iar ca urmare a rezemării
celor două canate pe busc, pe nişe şi reciproc între ele în structura
lor apar şi forţe axiale (N1). O poartă buscată cu două canaturi este
prezentată în figura V.70.
306
Fig. V-69
Pentru predimensionare se recomandă următoarele valori:
B0.08)(0.06=e u⋅÷ B0.11)(0.09=d u⋅÷ (V.155)
θcos⋅2
d+B=lu
p cm15)(10+l=l pn ⋅÷ (V.156)
Înălţimea porţilor situate la capul amonte şi presiunea
hidrostatică pe porţi sunt prezentate în figura V.71.
307
θ
θ
θ
Fig. V-70
ω
ωω
ω
Fig. V-71
308
Diagrama de presiune hidrostatică se împarte în n suprafeţe
egale
n2H= =....=== u
2
ii321 ⋅⋅γ
ωωωωω (V.157)
în care:
- n - numărul de antretoaze (grinzi secundare) din structura
de rezistenţă a porţii.
Se aşează câte o antretoază în dreptul centrului de greutate al
fiecărei suprafeţe ω i şi toate vor rezulta identice dimensional (iar
poarta va avea o grosime uniformă pe verticală).
Înălţimea porţii buscate amonte rezultă:
b+H+a=h up.am
în care:
- a = 0.1 - 0.15 m - înălţime de gardă
- b = 0.3 - 0.4 m - rezemare pe prag (busc)
309
Forţele care acţionează asupra unei antretoaze a porţii rezultă
încărcând-o pe aceasta cu porţiunea ω i din diagrama de presiune
hidrostatică. Forţa uniformă în lungul antretoazei va fi:
[daN/m] =l
l=q i
p
pii ω
ω ⋅(V.158)
Rezultanta Qi va fi:
i i pQ = q l⋅ (V.159)
În figura V.72. sunt prezentate forţele ce acţionează asupra
porţii.
θ
θ
θ
θ
θ
θ
Fig. V-72
310
Rezultă pentru forţe:
θθ
tgcos
⋅⋅
2
Q=H=N i
ii (V.160)
θθ sinsin ⋅⋅
⋅ 2lq
=2
Q=R=H
piiii (V.161)
Dimensionarea porţii se face folosind cunoştinţele de la
disciplina "Construcţii metalice".
Înălţimea porţilor situate la capătul aval al ecluzei şi forţele
hidrostatice care acţionează asupra lor sunt prezentate în figura
V.73.
b+H+H+a=h u0p.av
b) Porţile sertar sau rulante sunt porţi plane utilizate mai
ales la capetele aval şi intermediar ale ecluzelor, atunci când există
spaţiu suficient pe una din laturile ecluzei (deoarece nişa lor se
dezvoltă nesimetric) aşa cum se vede în figura V.74.
311
Fig. V-73
Fig. V-74
312
Poarta se deplasează cu ajutorul unor roţi pe căi de rulare
(şine) aflate pe radier.
c) Porţile plane prezintă utilizare mai ales la capul amonte al
ecluzelor dar se pot utiliza şi la ecluzele puţ amenajate cu timpan la
capul aval (fig.V.3. - variantă de poartă plană ridicătoare).
Porţile plane ridicătoare-coborâtoare sunt folosite pentru a
realiza alimentarea concentrată frontală pe sub poartă. Ele execută
în prima fază o mişcare pe verticală creând un orificiu
dreptunghiular sub poartă prin care se face alimentarea ecluzei. În a
doua fază poarta coboară în nişa existentă în radier, navele trecând
pe deasupra lor (fig.V.33).
Poarta plană ridicătoare execută, după egalarea nivelului de
apă între sas şi port, o mişcare pe verticală (în nişte nişe care se
continuă în stâlpi deasupra cotei maxime a bajoaierilor) până când
între muchia inferioară a porţii şi nivelul apei se creează un spaţiu
egal cu gabaritul de aer proiectat al căii navigabile pe care este
situată ecluza.
Navele circulă pe sub poartă (fig.V.75).
313
Fig. V-75
Poarta este acţionată cu ajutorul unor cabluri şi trolii sau cu
servomotoare cu ulei. Pentru ca să nu fim obligaţi să
supradimensionăm mecanismele de acţionare o parte din greutatea
ei va fi echilibrată cu contragreutăţi (forţa de ridicare Fr fiind
diferenţa între greutatea porţii Gp şi greutatea contragreutăţilor
utilizate Gc (fig. V.76).
314
Fig. V-76
Poarta plană coborâtoare - după egalarea nivelului de apă
între port şi sas - execută o mişcare de coborâre într-o nişă
executată în radier (navele circulă pe deasupra ei, ca şi în cazul
porţii ridicătoare - coborâtoare) - fig.V.77.
Fig. V-77
315
d) Porţile segment sunt utilizate la capul amonte al ecluzelor,
de multe ori realizând şi alimentarea concentrată frontală. În acest
caz ele execută în prima fază o rotaţie ascendentă, eliberând un
orificiu prin care se realizează alimentarea ecluzei iar apoi se rotesc
descendent şi coboară într-o nişă realizată în radier (fig.V.31-a).
Navele circulă peste poartă .
De asemenea umplerea s-ar putea realiza şi peste poartă, caz
în care ea ar trebui profilată şi calculată ca deversor (fig.V.31-b).
e) Porţile sector arată în principiu ca în figura V.78 şi se pot
folosi atât la capetele amonte ale ecluzelor cât şi la capetele
intermediare sau aval. În literatură sunt menţionate cazuri de
utilizare a acestui tip de porţi pentru realizarea alimentării frontale
(fie numai îndepărtarea lentă a porţilor fie combinat cu alte
sisteme) şi a golirii sasului.
f) Porţile clapetă sunt nişte porţi plane dar care sunt
articulate pe radier şi care pentru deschidere se culcă (prin rotire cu
90 de grade) într-o nişă realizată în radier (fig. V.79).
316
Fig. V-78
Fig. V-79
317
5.11 Vane pentru sistemul de umplere - golire al ecluzelor
Vanele împreună cu echipamentul lor de acţionare sunt
elemente importante ale echipamentului hidromecanic al ecluzelor,
fără care nu s-ar putea realiza umplerea şi golirea (exceptând
sistemele de umplere şi golire prin manevrarea porţilor).
Având în vedere intensa lor manevrare (de până la 30 ori pe
zi) şi faptul că defectarea lor ar duce la întreruperea navigaţiei,
vanele trebuie să îndeplinească în primul rând condiţia de a fi
solide şi sigure în exploatare (fiabile). Alte condiţii pentru vane ar
fi :
- etanşare cât mai bună
- funcţionare fără vibraţii, cavitaţie sau absorbţie mare de aer
- manevrabilitate sub sarcină în caz de avarie
- acces comod pentru revizii şi reparaţii
Tipul de vană şi mecanismele de acţionare influenţează
gabaritul şi construcţia capetelor ecluzelor.
Pentru a se putea interveni pentru repararea şi întreţinerea
vanelor este necesar ca acestea să poată fi izolate de circuitul
hidraulic prin batardouri situate amonte şi aval de vană (sau numai
318
amonte, în anumite cazuri la capul amonte al ecluzei) pe galeria
deservită.
Principalele tipuri de vane utilizate sunt:
a) vanele plane glisante sau rulante
b) vanele segment normale sau inverse
c) vanele cilindrice înalte sau joase
d) vanele fluture cu ax orizontal sau vertical
e) alte tipuri de vane mai rar folosite (lămâie, clapetă, ...).
a) Vanele plane glisante se deplasează pe şinele amplasate în
nişe prin alunecare. De obicei şinele se execută din oţel inoxidabil
iar patinele vanei (părţile în contact cu şina) din lemn, bronz sau
alte materiale sintetice (de exemplu lignofolul, un material rezultat
din impregnarea lemnului de mesteacăn cu răşini sintetice şi
presarea la temperaturi ridicate). Mişcarea lor este asemănătoare cu
a unor sertare.
Vanele plane glisante pot avea secţiunea transversala
verticală în formă de pană pentru a reduce frecările şi deteriorările
ghidajelor şi patinelor (figura V-80).
319
Fig. V-80
Vanele plane rulante se deplasează tot pe şine amplasate în
nişe dar în loc de patine sunt prevăzute cu roţi (role). Numărul
minim de roţi este 4 (câte două la fiecare grindă de capăt a vanei)
dar în cazul vanelor mari este bine să se amplaseze mai multe roţi
pe fiecare grindă de capăt (sau 4 cărucioare cu minim 2 roţi
fiecare).
Schema de principiu a unei vane plane, cu batardourile
aferente, este prezentată în figura V.81.
320
Fig. V-81
Vederea în plan a aceleiaşi vane este prezentată în figura
V.82.
Etanşarea la plafonul galeriei (detaliul 3 din fig. V.81) se
poate face tot cu garnitură tip P sau garnitură presată prin greutatea
vanei (ca la radierul galeriei) aşa cum se vede în figura V.83.
Acţionarea vanelor plane - ca şi a celorlalte vane - se poate
face electromecanic sau hidraulic. Acţionarea electromecanică
constă în prezenţa unui cablu de ridicare ce se strânge pe rola unui
troliu acţionat electric sau se poate realiza cu cremarieră pusă în
mişcare de o roată dinţată acţionată de un motor electric.
321
Fig. V-82
Echipamentul hidraulic constă dintr-un cilindru de presiune
care primeşte ulei sub presiune de la un grup de pompe de ulei,
cilindru ce poate executa mişcări în ambele sensuri.
322
Fig. V-83
c) Vanele segment normale (fig.V.84) sau inverse (fig.V.85) au
aceeaşi alcătuire de principiu ca şi porţile segment: aparate de
reazem (articulaţii), cadre verticale de capăt şi platelaj dublu
(două straturi de tablă între care se poate introduce lest) curbat
după un cerc.
323
Fig. V-804
Fig. V-815
324
O problemă importantă a vanelor segment normale este
antrenarea masivă de aer prin puţul vanei. Din acest motiv vanele
inverse sunt mai avantajoase (cu condiţia ca nişa batardoului, situat
aval de vană, să fie etanşată contra pătrunderii aerului).
Cu toate că puţul vanei este destul de mare se poate constata
şi un avantaj al acestor vane: nu necesită nişe laterale (etanşarea se
face cu garnituri tip P).
c) Vanele cilindrice înalte sau joase necesită o porţiune de
galerie verticală care să prezinte în plan orizontal un orificiu
circular. Vanele cilindrice înalte sunt nişte cilindri fără baze şi cu
înălţime suficient de mare ca să depăşească nivelul maxim amonte
(vanele cilindrice se pot utiliza la capul amonte şi eventual la capul
intermediar al ecluzelor şi la legătura ecluzelor cu bazinele
economizoare).
Vanele cilindrice joase sunt dotate cu baza superioară a
cilindrului şi necesită etanşare laterală pentru ca presiunea
hidrostatică să nu se exercite asupra bazei superioare.
Vanele cilindrice înalte absorb aer prin puţul vanei iar cele
joase sunt greu de controlat şi întreţinut. La căderi mari ambele
tipuri produc vibraţii şi în ultima vreme se folosesc destul de rar.
325
Schemele de principiu ale vanelor cilindrice sunt prezentate în fig.
V.86 (vană cilindrică înaltă) şi fig. V.87 (vană cilindrică joasă).
Fig. V-826
Fig. V-837
326
d) Vanele fluture cu ax vertical sau orizontal au ca schemă de
principiu imaginea din fig. V.88.
Fig. V-848
Porţiunea de galerie între secţiunile 1 şi 2 este metalică şi
include vana şi sistemul de acţionare. Ea este fixată la poziţie prin
flanşe cu şuruburi şi se poate scoate pentru reparaţii (este executată
şi montată complet în uzină).
Galeria controlată de vana fluture poate fi pătrată,
dreptunghiulară sau circulară (cea mai bună situaţie pentru motive
de etanşare).
327
Pentru a permite circulaţia apei vana se roteşte cu 90 de
grade.
Mecanismul de acţionare şi puţul vanei sunt izolate de apă,
uşor de vizitat şi de întreţinut.
La căderi mari şi deschidere parţială vanele fluture
funcţionează cu vid şi vibraţii, ceea ce reprezintă principalul lor
dezavantaj.
d) dintre tipurile de vane mai rar întâlnite se pot cita vanele clapetă
şi vanele "lămâie" (fig.V.89).
Fig. V-85
328
Cap. 6 ASCENSOARE PENTRU NAVE
Ascensoarele pentru nave sunt construcţii speciale care fac
legătura de navigaţie între două biefuri cu diferenţă de cotă mare
(începând chiar de la valori de 10 m dar până la circa 200 m).
Ca şi ecluzele, ele au porturi de aşteptare amonte şi aval.
Ascensoarele existente sau în construcţie (atât pe căile
navigabile interioare cât şi în unele porturi) pot să transporte nave
de până la 1600 t.
Deplasarea navelor se poate face pe verticală, pe plan
înclinat şi uneori chiar şi pe orizontală, realizând astfel traficul
naval între biefurile unui canal artificial sau între un canal artificial
şi un fluviu.
În alcătuirea unui ascensor de nave intră:
- o cuvă mobilă, de obicei metalică, echivalentă sasului
ecluzei (şi cu dimensiunile utile calculate în acelaşi fel);
aceasta este prevăzută la capete cu porţi etanşe
- un sistem de ridicare – coborâre a cuvei (sasului)
62
- o structură de susţinere şi ghidare (metalică sau din beton
armat)
În funcţie de sistemul de ridicare ascensoarele verticale sunt
de trei tipuri :
a) cu piston – cu acţionare hidraulică (fig. 86 – a)
b) cu plutitor – cu acţionare hidraulică (fig. 87 –b)
c) cu contragreutăţi – cu acţionare mecanică (fig. 88 –c)
Ascensoarele cu piston sunt cuplate întotdeauna câte două.
Fiecare sas este susţinut de unu sau mai multe pistoane amplasate
în cilindri, cu etanşarea corespunzătoare. Cilindrii (umpluţi cu apă)
comunică între ei prin galerii controlate de vane, circuitul hidraulic
fiind închis (etanş). Instalaţia funcţionează pe principiul balanţei
hidrostatice şi se pune în funcţiune prin adăugarea unei cantităţi
suplimentare de apă în sasul aflat în poziţia superioară.
Ascensoarele cu plutitor se pot prezenta în trei variante
constructive: cu puţ sub sas (fig. 89 –c), deasupra sasului sau cu
cameră submersibilă.
La ascensoarele cu plutitori sasul este susţinut de unu sau mai
mulţi plutitori, ridicarea, sau coborârea făcându-se prin schimbarea
greutăţii sasului (adăugarea unei cantităţi de apă).
63
Fig. 90
Sasul ascensorului cu cameră submersibilă este construit pe
principiul submarinelor. El este o incintă etanşă în care pătrunde
nava şi este dotat cu rezervoare care se pot umple cu apă (astfel
sasul coboară în puţul ascensorului până la cota biefului aval) sau
goli (sasul se ridică, prin plutire, prin puţul ascensorului până la
cota biefului amonte).
Ascensoarele mecanice au sasul metalic, acesta deplasându-se
pe nişte ghidaje verticale. Pentru ca forţa necesară ridicării să nu fie
atât de mare greutatea sasului este echilibrată de o contragreutate
64
(sau chiar de un sas identic; motorul de acţionare va trebui să
învingă doar forţele de frecare din sistem).
Există şi ascensoare mecanice cu cameră uscată, care, cu
ajutorul unui pod rulant de mare capacitate preiau nava pe o
platformă şi o mută (prin mişcări pe verticală şi orizontală) dintr-un
bief în celălalt.
O a doua categorie de ascensoare sunt cele cu plan înclinat
(fig. 91), la care sasul se deplasează longitudinal sau transversal pe
nişte căi de rulare montate pe plan înclinat (greutatea sasului va fi
contrabalansată de o contragreutate care rulează pe acelaşi plan
înclinat dar în sens opus faţă de sas sau chiar de un sas identic).
Fig. 92
65
Ascensoarele cu plan înclinat pot avea sas cu apă, platformă
uscată (pe care nava reazemă pe dispozitive speciale de cauciuc,
hidraulice etc.) sau pot să transporte un volum (sub formă de pană)
de apă pe un canal înclinat pe care se deplasează o stavilă mobilă.
Altă categorie de ascensoare este cea a ascensoarelor cu
tambur (fig. 93), alcătuite din două sasuri cilindrice montate într-un
tambur care se poate roti cu 180 grade (ele nu pot acoperi diferenţe
mari de nivel dar au capacitate mare de trafic).
Fig. 94
66
Ascensorul balanţă (fig. VI.4) are două sasuri identice fixate
prin grinzi cu zăbrele articulate într-un sistem asemănător unei
balanţe. Problema cea mai delicată a acestui sistem de ascensor este
realizarea articulaţiilor.
Fig. VI.4
67
BIBLIOGRAFIE
1 Arsenie D.I. – Curs de hidraulică, hidrologie şi hidrogeologie I.I.S. Constanţa 1981
2 Bonţideanu S.P. – Navigaţia şi manevra navelor fluviale – Ed. Tehn. Bucureşti 1958
3 Colecţia revistei Hidrotehnica4 Dan Eugen – Căi navigabile interioare – Institutul
Politehnic Traian Vuia Timişoara 19805 Dan Eugen – Îndrumător de proiect pentru căi navigabile
interioare – Institutul Politehnic TraianVuia Timişoara, 1984
6 Dan Eugen – Contribuţii la hidrodinamica ecluzelor cu alimentare frontală – Teză de doctorat, 1972
7 Hâncu Corneliu Dan – Căi Navigabile – Ovidius University Press Constanţa 1999
8 Manoliu Ion – Regularizări de râuri şi căi navigabile interioare – Ed. Tehn. Bucureşti 1959
9 Manoliu Ion – Regularizări de râuri şi căi de comunicaţie pe apă – Ed. Didactică şi Pedagogică Bucureşti, 1973
10 Manualul inginerului hidrotehnician – Ed. Tehn. Bucureşti 1970
11 Manual pentru calculul construcţiilor – Ed. Tehn. Bucureşti 1977
12 Marinescu M. – Căile navigabile în România , evoluţia şi perspectivele lor de dezvoltare – Revista transporturilor – 9/1965
13 Normativul SN 303-65 – Proiectarea ecluzelor14 Normativul VSN 3-70 – Proiectarea canalelor navigabile15 Prună F. – Exploatarea navelor maritime şi fluviale – Ed.
68
Tehn. Bucureşti 196716 Registrul Naval Român – Reguli pentru clasificarea şi
construcţia navelor – 197017 STAS 4273-61 – Clasificarea căilor navigabile18 STAS 8202-81 - Amenajări pentru transportul pe apă şi alte
activităţi nautice – Terminologie.19 STAS 11208-90- Lucrări portuare. Plan general. Prescripţii
de proiectare.20 Stere C.– Popescu R. – Nicolescu D. – Căi navigabile şi
ecluze –îndrumător de proiectare (partea I) Institutul de Construcţii Bucureşti – 1986
69
Cuprins
1. Transportul pe apă........................................................................7
1.1 Introducere .................................................................................7
1.2 Transportul pe apă în Europa şi în lume.....................................9
1.3 Caracteristicile tehnico-economice ale transportului pe apă....20
1.4 Principalii indicatori ai traficului..............................................26
2. Navele de transport şi caracteristicile lor...................................30
2.1 Generalităţi şi clasificare..........................................................30
2.2 Schema generală de alcătuire a unei nave................................33
2.3 Caracteristici geometrice, plan de forme şi capacitate de
încărcare..........................................................................................36
2.4 Echipamentul de navigaţie şi auxiliar.......................................41
2.5 Dotări interioare ale navelor.....................................................51
2.6 Calităţi nautice.........................................................................51
2.7 Formarea şi mişcarea convoaielor de nave.............................. 55
2.8 Rezistenţa la înaintare a navelor.............................................. 60
3. Calea navigabilă.........................................................................76
3.1 Definiţie şi clasificări...............................................................76
3.2 Gabarite de navigaţie................................................................79
70
3.3 Razele de curbură şi supralărgirea în curbe a căilor
navigabile........................................................................................87
3.4 Controlul şi întreţinerea gabaritelor de navigaţie.....................90
4. Amenajarea căilor navigabile ....................................................93
4.1 Metode de amenajare a cursurilor naturale pentru
navigaţie..........................................................................................93
4.2 Canale navigabile....................................................................114
5. Ecluze de navigaţie...................................................................170
5.1 Generalităţi şi clasificări………………………….…………170
5.2 Dimensiunile principale ale ecluzelor şi niveluri de calcul ale
apei…………………………………………………………….. .180
5.3 Porturi de aşteptare la ecluze................................................. 191
5.4 Operaţiile şi timpii componenţi ai procesului de ecluzare.....208
5.5 Capacitatea de trafic a ecluzei............................................... 213
5.6 Sisteme de umplere - golire a ecluzelor.................................219
5.7 Aprecierea condiţiilor de staţionare a navelor în sas şi în
porturile de aşteptare....................................................................246
5.8 Calculul hidraulic al umplerii (golirii) ecluzelor...................260
5.9 Ecluze cu bazine economizoare…………………….………291
5.10 Porţi de ecluză…………………………………………….298
71
5.11 Vane pentru sistemul de umplere - golire
al ecluzelor……………………………………...…..….…….…311
6. Ascensoare pentru nave ……………………………..……….322
Bibliografie...................................................................................324
ANEXĂ FOTO referitoare la CĂI NAVIGABILE şi PORTURI
(sub formă de foldere conţinând 531 fotografii)
72
73