Основные виды и конструктивные особенности лесозадерживающих сооружений

Наплавные лесозадерживающие сооружения, назначение и конструктивные особенности. Эти сооружения предназначены для временного задержания и хранения на определенных участках реки леса, сплавляемого молью или в пучках. Потребность в установке запаней возникает в разных случаях: в устьях притоков лесосплавных рек с молевым лесосплавом - для концентрации плывущего леса при групповом способе организации молевого лесосплава; в среднем течении реки - для передержки сплавляемого леса до наступления благоприятных условий лесосплава на нижних участках; в конечных пунктах молевого лесосплава в связи с переходом его к другому виду - для навигационной сплотки, выгрузки или погрузки в суда.
Акватория реки, используемая для приема и временного хранения лесоматериалов или пучков перед запанью, называется лесохранилищем. Скопление в лесохранилище лесоматериалов называют запанным пыжом.
Запани классифицируют: по назначению, сроку службы, характеру расположения в русле и конструктивным особенностям.
По назначению запани разделяют на коренные, промежуточные и вспомогательные.
Коренные запани устанавливают в конечных пунктах молевого лесосплава или лесосплава пучков. Они предназначены для задержания и хранения лесоматериалов, которые подлежат сортировке, сплотке, выгрузке на берег или погрузке в суда.
Промежуточные запани устанавливают с целью регулирования подачи леса в коренные запани или для временного задержания плывущего леса в пути, когда по каким-либо причинам на данном участке реки ниже запани лесосплав в течение определенного периода проводить нецелесообразно или нельзя.
Вспомогательные запани применяют для хранения необходимого объема леса в местах сортировки, выгрузки на берег или погрузки в суда. Такие запани устанавливают ниже коренной запани в пределах рейдов.
В практике строительства встречаются случаи применения запаней для каких-либо других целей, например, для приема и удержания леса со льдом. Такие запани получили название лесоледозадерживающих.
По расположению в русле реки различают запани:
- поперечные, перекрывающие реку по всей ее ширине, но оставляющие в живом сечении проход для рыбы;
- продольные, устанавливаемые у одного из берегов реки и перекрывающие только часть ее живого сечения по ширине.
Поперечные запани применяют на несудоходных и временно судоходных реках, на которых судоходство прекращается до установки запани или когда местом размещения запани является несудоходный рукав реки.
Продольные запани применяют в случаях, когда часть реки необходимо оставлять свободной для прохода судов или проплава плотов. В экологическом отношении эти запани предпочтительнее, так как обеспечивают свободный проход рыбы и меньше нарушают гидрологический характер водоемов.
Места размещения запаней на судоходных и временно судоходных реках должны быть согласованы с бассейновыми управлениями водных путей.
Запани являются инженерными сооружениями; в проектнорасчетном отношении по ГОСТу относятся к следующим классам капитальности гидротехнических сооружений:
- коренные и промежуточные запани при объеме максимального переходящего остатка хранения в размере 200 тыс. м3 и более - к NI классу; при объеме хранения менее 200 тыс. м3 - к IV классу;
- вспомогательные запани - к V классу.
По значимости все запани III класса, а также запани IV класса капитальности, устанавливаемые на судоходных реках или в устьях протоков судоходных рек, а также в непосредственной близости от нижерасположенных крупных сооружений - мостов, гидростанций и т. п., относят к I категории сооружений; все остальные запани - ко II категории.
Для каждой запани обязательно должен быть составлен проект по материалам проводимых для этого изыскательских работ. Целью проекта является установление технической возможности и экономической целесообразности строительства запани на данном участке реки, обоснование выбора ее типа, расчет прочности частей сооружения, определение стоимости строительства и др.
Потребность в применении запаней обосновывается в разработке транспортно-технологических схем лесосплава в бассейне.
Поперечные запани. Их устанавливают: поперек реки, перпендикулярно к направлению речного потока (рис. 39а); наклонно, под углом к потоку (рис. 39б); в форме шатра в плане, с русловой опорой и разделением потока (рис. 39в); поперек реки на многих русловых опорах нормально направлению течения.
К основным конструктивным элементам поперечных запаней относят: металлические канаты (лежни) - от одного до нескольких по расчету, воспринимающие нагрузки от давления пыжа на запань; плитки-поплавки и опоры - береговые и русловые.
По конструктивным особенностям поперечные запани бывают: лежневого типа - с расположением канатов запани (лежня) в одной связке над водой; лежнево-сетчатые - с расположением канатов запани в надводной части (верхняя ветвь лежня) и под водой (нижней ветви), удерживаемой на определенной глубине потока на подвесках из цепей или канатов.

Лежни запаней из одного или нескольких металлических канатов диаметром от 25 до 65 мм подбирают по воспринимаемой ими нагрузке по соответствующим ГОСТам на канаты. Канаты передают нагрузку на береговые (или русловые) опоры.
Плитки-поплавки являются наплавной частью запани и служат для удержания лежня в рабочем положении и передачи на них давления пыжа и потока. Тип и конструкцию плиток-поплавков для запани подбирают в зависимости от скорости течения и других расчетных факторов (рис. 40, 41, 42 и 43). В большинстве случаев плитки-поплавки делают деревянными (из круглого леса), в случаях больших нагрузок на запань их изготовляют металлическими в виде понтонов специальной конструкции.

Положение лежня на плитках-понтонах определяется конструкцией плиток и фиксируется соответствующим закреплением лежня против его соскальзывания при наклонах плиток в сторону пыжа.
В лежневых запанях с расположением лежня над водой при скорости течения до 0,8 м/с и ширине реки до 100 м применяют однорядные плитки (см. рис. 40), а при скорости течения до 1,25 м/с и ширине реки до 200 м - двухрядные (см. рис. 41).
В лежнево-сетчатых запанях при скорости течения до 2 м/с и ширине реки до 200 м применяют двухрядные, а при скоростях до 2,75 м/с -трехрядные плитки (см. рис. 42). В лежнево-сетчатых запанях с длительным сроком эксплуатации применяют металлические понтоны (см. рис. 43).
Поперечные запани закрепляют в расчетных створах реки обычно за береговые опоры специальных конструкций. Запани шатрового типа удерживаются в заданном положении с помощью русловой опоры - ряжа, винтового якоря и т. п..
Лежень, плитки-поплавки и опоры образуют надежную систему запани как гидротехнического сооружения специального назначения, рассчитанного на действие больших давлений от пыжа и потока. Кроме названных основных элементов запани, в сооружение могут входить некоторые второстепенные или вспомогательные устройства, например: свайные кусты для разделения канатов лежня по опорам, прижимные гравитационные опоры и др. Для пропуска леса из запаней в них устраивают лесопропускные ворота (рис. 44) с мостиками над ними для рабочих и монтажа дополнительных приспособлений.

Продольные запани. В экологическом отношении этот вид запаней предпочтительнее по сравнению с поперечными. Схемы их возможного размещения в русле реки показаны на рис. 45.
Продольная запань состоит из двух основных частей: поперечной, сопрягающейся с берегом, и продольной, сопрягающейся с поперечной (в общей русловой опоре). Последняя укреплена в русле реки (параллельно берегу) в границах проектируемого лесохранилища на опорах. В зависимости от местных - гидрологических, экологических и производственных -условий ширина (лесохранилища) продольных запаней колеблется в пределах от 40 до 80 м, но не более 0,5 ширины русла реки. Продольная часть монтируется из отдельных звеньев длиной 50...200 м. Общая длина их определяется исходя из потребной длины лесохранилища.
Основными конструктивными элементами продольных запаней являются: канаты (лежни) поперечной и продольной частей запани, плитки-поплавки поперечной и продольной частей, наплавные опорные точки (узлы) и опоры (береговые и русловые).

Лежни (канаты) и плитки-поплавки поперечной части продольной запани выбирают, исходя из тех же условий, что и в поперечных запанях. В качестве поплавков продольной части запани применяют плитки однорядные и двухрядные из разного количества бревен (до 10), пучки (7- и 10-бревенные) - в зависимости от скорости течения и давления на них со стороны пыжа.
Поперечная часть конструктивно ничем не отличается от обычной поперечной запани. Она примыкает к берегу, и канаты ее лежня крепятся одним концом за береговые опоры, а другим - за русловую (пятовую) опору, общую с продольной частью.
Продольная часть продольной запани состоит из гибких или жестких секций длиной от 50 до 200 м, закрепленных на наплавных опорных узлах.
Гибкие секции представляют собой поплавки - бревенные плитки, пучки или звенья бонов. Они закреплены на стальном канате (секционном лежне), запассованном на верхнем (по течению) и нижнем опорных узлах.
В продольных запанях временного типа вместо гибких секций устанавливают звенья бревенного (однорядного или двухрядного) бона.
Наплавные опорные узлы продольной части запани выполняют в виде бревенных массивов (многорядных плиток) специальной конструкции (рис. 46).

Наплавные опорные узлы служат для соединения звеньев запани: пятовой - для соединения продольной и поперечной частей; головной -верхняя по течению плитка; средний (их несколько) - для удержания продольной части запани на заданном расстоянии от берега с помощью берегового выноса (каната) или посредством руслового крепления.
В гибких продольных запанях рабочим органом, воспринимающим распорное давление пыжа на звено, служит звеньевой (секционный) лежень (канат) необходимой прочности.
В отличие от поперечных, продольные запани крепятся при помощи многих опор - береговых и русловых, рассчитываемых на соответствующую нагрузку от закрепляемых на них канатов.
Типы и конструкции береговых опор не отличаются от конструкций поперечных запаней.
В качестве русловых опор в продольных запанях применяют разные типы якорей - металлические и железобетонные - и стационарные гравитационные опоры - из каменной кладки, ряжевые и др..
Выбор места под запань. Место выбирают с учетом гидрологических, экологических и производственных условий. По традиции для этой цели назначается комиссия из представителей заинтересованных организаций.
При определении пригодности того или иного участка реки для строительства запани руководствуются следующими положениями:
а) в пределах акватории для размещения пыжа в русле реки не должно быть отмелей, песчаных кос, перекатов и других препятствий, которые могут привести к обсушке сплавляемого леса;
б) поперечные запани целесообразно располагать на глубоких, сужающихся участках реки, за крутыми поворотами - для уменьшения давления пыжа на запань;
в) продольные запани рекомендуется устанавливать на глубоких плесовых участках реки преимущественно у вогнутого берега;
г) берега в месте расположения опор запаней должны быть достаточно высокими, не затопляемыми при максимальных паводках, а грунт берегов - устойчивым и трудно размываемым;
д) при наличии разветвленного русла поперечные запани целесообразно располагать в удобной протоке;
е) при выборе места под запань рейда должны учитываться условия размещения ниже запани проектируемых рейдовых сооружений и устройств;
ж) на нерестовых реках выбор места под запань и ее тип - поперечная, продольная - согласовывают с органами рыбоохраны.
Окончательный выбор места под запань производится при разработке проекта запани на основании данных проведенных изысканий.
Изыскательские работы выполняют с целью получения материалов - гидрологических, топографических, геологических и др., необходимых для разработки проекта запани.
При определении внешних нагрузок для расчета прочности запаней, показателя расчетной обеспеченности наибольших расходов, уровней и скоростей течения воды за период работы сооружений принимают согласно ТУ на проектирование, а именно:
- для коренных и промежуточных запаней NI класса капитальности и I класса сооружений - 2 %;
- для IV класса капитальности и I класса сооружений - 5 %;
- для вспомогательных запаней - 10 %.
Формирование запанных пыжей. Запани служат для приема и временного хранения лесоматериалов в виде моли или сортиментных пучков, образующих пыж.
Пыж из лесоматериалов, поступающих молевым лесосплавом, формируется под влиянием следующих условий: тип запани, скорость течения, глубина потока, длина пыжа, форма русла и др. Процесс формирования пыжа занимает некоторое время и поэтому его форма и размеры меняются (рис. 47). В поперечных запанях при скорости течения 0,3...0,5 м/с пыж формируется однорядный по толщине, а при увеличении скорости течения происходит его утолщение, особенно значительное в головной части (ближе к запани).

Скорость течения, при которой происходит утолщение пыжа, называется критической. Ее значение определяется по формуле

где t — толщина бревен, м;
g - ускорение силы тяжести, м/с2;
К - опытный коэффициент, который имеет следующие значения в зависимости от плотности древесины р.

При большом стеснении пыжом живого сечения реки скорость течения в створе запани возрастает, и здесь происходит размыв ложа реки, а также и берегов. Продукты размыва течением относятся в нижележащие участки реки с малыми скоростями, где выпадают и образуют мели. Размыв берегов может сопровождаться разрушением береговых опор, против чего возводят берегоукрепительные сооружения.
Непременным условием формирования в лесохранилище пыжа из пучков является недопущение нарушения однорядности их расположения при возрастании скорости течения до критической, определяемой по формуле

Эта формула справедлива при tп/h0=0,1...0,4 для рек, характеризующихся коэффициентом Шези С > 30.
Подпор уровней от пыжа. Пыж создает стеснение живого сечения потока и вызывает подпор уровней воды (см. рис. 47, а) выше створа запани - ΔZ, равный

Для определения наивысших отметок прибрежных земель, затапливаемых при образовании подпора от пыжа, возникает необходимость в определении величины подпора и длины его распространения. Ввиду сложности гидродинамических явлений, происходящих при обтекании пыжа потоком, для расчета подпора применен упрощенный вариант расчета на основе уравнения Бернулли для двух смежных сечений в таком виде:

означает изменение кинетической энергии потока на рассматриваемом участке; второй член hw - величина гидравлического сопротивления в потоке (в процессе протекания через пыж и по шероховатому руслу). Пренебрегая первым членом уравнения, что дает ошибку в пределах от 2 до 5 %, можно считать, что δZ = hw.
При заполнении русла пыжом сопротивление на стенках русла по сравнению с сопротивлением пыжа составляет малую величину и поэтому допущение, что hw есть потеря напора на преодоление сопротивления пыжа, справедливо. И тогда можно записать