Водозаборные сооружения для отбора воды из поверхностных и подземных источников

Конструкцию берегоукрепительной одежды выбирают в зависимости от ряда факторов: скорости течения при максимальном расходе воды 10%ой обеспеченности х_maxp; средней глубины потока при расчетном максимальном уровне; условий крепления (выше или ниже меженного уровня воды) и наличие местных материалов. В таблицах 6 - 16 приложения VIII приведены значения неразмывающей скорости потока для разных типов грунтов и варианты крепления, на рисунках - некоторые варианты крепления.

Регулирование местной эрозии дна русла может осуществляться путем воздействия на поперечную циркуляцию потока сооружениями конструкций разных авторов, таких как А. И. Лосиевский и М. В. Потапов.

Метод А. И. Лосиевского заключается в воздействии на донные течения стенками, устанавливаемыми на дно реки под углом 15 - 20^о к течению и представляющими собой донные косые водосливы с тонкой стенкой высотой над дном 0,5 - 0,8м глубины потока (рис. 2.1а), т.е. гребень водослива снижается от корня А к голове стенки В. Благодаря этой наносоуправляющей стенке поверхностные струи отклоняются вправо по течению, а донные - идут влево. Непосредственно за стенкой донные струи вовлекаются в винтовое движение, образуемое за водосливом и направленное вдоль стенки к левому берегу. В результате частицы наносов ниже стенки выносятся к левому берегу в зону АС, глубины у стержня, таким образом, увеличиваются.

Метод М. В. Потапова заключается в воздействии на режим поперечной циркуляции особыми направляющими щитами - плавучими или стационарными, поверхностными или донными, или, одновременно с поверхностными и с донными с тем, чтобы изменить ее характер, где она будет полезна для борьбы с размывом русла или отложениями наносов (рис.2.1б).

Простейшая конструкция щитов показана на рисунке 2.1 в.

Сущность действия щитов М. В. Потапова заключается в том, что если в русло под углом к оси потока верхние щиты направить в одну сторону, а нижние в другую, то в русле будет создано винтовое движение (поперечная циркуляция). Так как поверхностные струи направлены к правому берегу, то у этого берега вскоре происходят углубления и размыв, а у левого - намыв, отложение наносов.

Для достижения того же эффекта достаточно одних поверхностных (плавучих) или одних донных щитов, первые на практике удобнее.

С помощью щитов М. В. Потапова можно защищать размываемые участки берега, устанавливая щиты так, чтобы поверхностные струи направлялись к неразрываемому берегу, а донные - к размываемому, у которого будут накапливаться отложения, смывать отложения в местах где они скопились и нежелательны (например, вблизи водозаборных устройств), для чего к этим местам должны направляться поверхностные воды.

В устойчивых руслах можно ограничиться устройством береговой опояски у водозабора и укреплением гребня переката на лежащем ниже плесе. Крепление устойчивого берега осуществляется на протяжении 50 - 100м вверх и вниз от оси береговых сооружений.

При расположении водозаборного сооружения на вогнутом берегу, сложенном из легко размываемых грунтов, крепление должно быть осуществлено на всем участке вогнутого берега, выше водозаборного сооружения до места, где берег из вогнутого переходит в выпуклый, а вниз по течению - не менее чем на 50 - 100м (по одному из вариантов, приведенных на рисунке 1 приложения VIII).

В недостаточно устойчивых руслах необходимо не только защищать от размыва берега плеса, на котором расположен водоприемник, но и закреплять опоясками берега смежных плесов.

В ряде случаев возникает необходимость закрепления песков и побочней, которые могут надвинуться на плесы и ухудшить условия работы водозаборов. В общем случае, однозначная схема решения этих вопросов отсутствует, но чаще всего подобное закрепление достигается посадками растительности, в кардинальном случае, можно использовать наносорегулирующие конструкции. На рисунках 2 и 3 приложения VIII приведены варианты комплексного крепления берега в районе расположения водозаборного сооружения.

3. РЫБОЗАЩИТНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ И УСТРОЙСТВА

Серьезное внимание вопросам охраны окружающей среды, растительного и животного мира предусматривает, согласно положению “Об охране рыбных запасов и о регулировании рыболовства в водоемах”, забор воды из рыбохозяйственных водоемов для нужд населения, предприятий и орошения производить только по согласованию с органами рыбоохраны, с обязательной установкой специальных приспособлений для предотвращения попадания рыбы в водозаборное сооружение.

Поэтому любой водозабор, в настоящее время, являясь технологическим элементом системы водоснабжении и отвечающим требованиям степени надежности водоподачи, должен работать и как природоохранный объект, т.е. рыбозащитные устройства должны рассматриваться как неотьемленый элемент водозабора.

Рыбозащитным называется сооружение, предназначенное для защиты рыб от источника опасности путем предотвращения их попадания на опасные участки и отвода от этих участков в рыбоприемные водоемы с обеспечением выживаемости отведенной рыбы,

Использование одного из вариантов рыбозащитного устройства обеспечивающего наиболее эффективную защиту рыб от попадания ее в водозаборное сооружение требует необходимых знаний экологии рыб - биологических параметров, связанных не только с длиной рыб, но и знаний особенностей поведения и реакции рыбы в данном водотоке или водоеме на различные скорости потоков воды и их физиологическое состояние в течение суток и времени года, а также мест нерестилищ и массовой миграции рыб.

При проведении необходимых рыбозащитных мероприятий руководствуются тремя основными принципами защиты рыб от попадания их в водозаборные сооружения - физический, экологический и поведенческий.

Физический принцип защиты заключается в использовании физических явлений при условии обеспечения жизнеспособности рыб (разности плотности воды и тела рыб, температуры воды в различных слоях и т. п.), но этот принцип не нашел своего применения из-за малой изученности использования этих явлений в процессе водоотбора.

Экологический принцип защиты заключается в использовании закономерностей связанных с образом жизни рыб (распределение в потоке, времени и пути ее миграции) и особенностей их попадания в водозаборные сооружения, от чего зависит правильность отбора места расположения водозаборного сооружения и конструкции РЗУ в основу эффективной работы которых положены знание биологических закономерностей обитания рыб. К таким сооружениям относятся:

- рыбозаградительные сооружения, это загоны, неподвижные (стационарные) плоские сетки, вращающиеся секционные сетки или перемещающиеся ограждения, зонтичные или барабанные РЗУ глубинных или поверхностных оголовков водозаборов, заграждение из камыша, хвороста, щебня и другие, создающие механические преграды на пути следования рыбы и относятся они по способу воздействия на изменение поведения рыб у водозаборного сооружения к сооружениям механического воздействия (механические устройства);

- рыбоотводящие сооружения, это сооружения основопологающиеся на защиту рыб с использованием воздействия продольных, поперечных, горизонтальных и вертикальных течений на сносимую молодь путем изменения гидравлических условий, способствующих отводу рыбы из зоны отбора воды. К таким сооружениям относятся отбойные козырьки, воздушно - пузырьковые завесы (ВПЗ), являющиеся сооружениями по способу воздействия на изменение поведения рыб у водозаборных сооружений гидравлического воздействия (гидравлические устройства);

- устройства физиологического воздействия, это устройства, воздействующие на различные рецепторы рыб, тем самым способствующие изменению поведения рыб перед водозаборным сооружением и их ухода от мест отбора воды. При этом способе защиты может быть использованы электрический ток, звук и т.п.

Выбор типа водозаборного устройства зависит также и от конструкции и места расположения водозаборного сооружения и поэтому варианты их установки весьма разнообразны. Они могут устанавливаться либо на входе в оголовок, ковши и подводящие колонны, либо в самих водозаборных сооружениях - в самотечных водоводах, камерах, береговых колодцах, подводящих каналах и отводящих водотоках.

Рыбу, задержанную рыбозащитным устройством, выводят обратно в водоем или водоток через специальные рыбоотводы.

В приложении IХ приведены материалы классификации водозаборных сооружении по месту расположения входной части (оголовка) относительно берега, независимо от их назначения, типов рыбозащитных устройств используемых на этих водозаборных сооружениях и некоторые, часто используемые конструкции рыбозащитных устройств.

При компоновке рыбозащитного сооружения положение и размер зоны ограждения выбираются от скорости течения в сфере ограждения при работе водозабора и от глубины водотока или водоема в месте устройства водозабора, а конструктивные параметры РЗУ определяются расчетами.

4. ЗОНЫ САНИТАРНОЙ ОХРАНЫ

Для каждого запроектированного водозаборного сооружения отбирающего воду на хозяйственно - питьевые нужды в обязательном порядке должны быть установлены зоны санитарной охраны (ЗСО).

Основной целью создания и обеспечения режима в ЗСО является санитарная охрана от загрязнения источников водоснабжения и водопроводных сооружений, а так же территории, на которых они расположены.

ЗСО организуется в составе трех поясов:

1. Первый пояс (строгого режима) включает территорию расположения водозаборов, площадок расположения всех водопроводных сооружений и водопроводящего канала. Его назначение - защита места водозабора и водозаборных сооружений от случайного или умышленного загрязнения и повреждения.

2. Второй и третий пояса (пояса ограничений) включают территорию, предназначенную для предупреждения загрязнения источников водоснабжения.

Санитарная охрана водоводов обеспечивается санитарно - защитной полосой.

В каждом из трех поясов, а так же в пределах санитарно - защитной полосы, соответственно их назначению, устанавливают специальный режим и определяется комплекс мероприятий, направленных на предупреждение ухудшения качества воды.

Организации ЗСО должна предшествовать разработки ее проекта, в который включается:

- определение границ зоны и составляющих ее поясов;

- план мероприятий по улучшению санитарного состояния территории ЗСО и предупреждению загрязнения источника;

- правила и режим хозяйственного использования территории трех поясов ЗСО.

Определение границ ЗСО и разработка комплекса необходимых организационных, технических, гигиенических и противоэпидемических мероприятий находятся в зависимости от вида источников водоснабжения (подземных или поверхностных), проектируемых или используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, от степени их естественной защищенного и возможного микробного и химического загрязнения.

В состав курсового проекта по теме ЗСО должны входить текстовые и графические материалы.

Текстовая часть должна содержать:

- определение границ первого, второго и третьего поясов ЗСО с соответствующим обоснованием и перечень мероприятий, проводимых в этих зонах,

- правила и режим хозяйственного использования территорий входящих в зоны санитарной охраны всех поясов.

Графическая часть должна быть представлена в следующем объеме:

- ситуационный план запроектированного водозаборного сооружения с нанесенными границами поясов ЗСО,

- гидрогеологические профили по характерным направлениям в пределах области питания водозабора - при подземном или поверхностном источниках водоснабжения.

5. РАСЧЕТ ВОДОЗАБОРНЫХ СООРУЖЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ

Проектирование водозаборных сооружений всех типов сопровождается гидравлическими расчетами его элементов и расчетами по подбору гидромеханического, энергетического и грузоподъемного оборудования, а также расчетами на устойчивость отдельных элементов сооружения и самого сооружения на всплывание и опрокидывание от воздействия на них потоков воды водоисточника. В проект также входят разделы с расчетами по обоснованию необходимых мероприятий на возведение сооружений и устройств по рыбозащите, дно - и берегоукреплению, зон санитарной охраны, технико - экономических показателей работы водозаборных сооружении и насосных станций, правила эксплуатации сооружений и правила техники безопасности.

Такие расчеты состоят из определения:

- требуемого расхода воды на нужды населения и собственные нужды станций и очистных сооружений;

- размеров и количества входных отверстий (окон) водоприемного оголовка или водозаборного колодца русловых или береговых водозаборных сооружений;

- размеров грубых сороудерживающих решеток, типа и размеров фильтровальных сеток и фильтрующих кассет;

- гидравлических характеристик самотечных и сифонных водоводов и их диаметров;

- гидравлических характеристик промывных линий и устройств с подбором необходимого оборудования;

- гидравлических характеристик всасывающих и напорных линий;

- отметок уровней воды в водоприемных и всасывающих камерах береговых колодцев;

- потерь напора на линии от водоприемного отверстия водоприемного оголовка до накопительной емкости очистных сооружений;

- требуемого напора подачи;

-типа насосов и марки электродвигателей;

- компоновочной схемы водозаборного сооружения и насосной станции;

- отметок машинного зала и его размеров;

- энергетического оборудования и электрической схемы подсоединения оборудования к ЛЭП;

- грузоподъемного оборудования;

- оборудование для промывки фильтровальных сеток и фильтрующих элементов, для отвода дренажных вод, для откачки взвесей из водозаборных колодцев;

- устойчивости сооружений или его конструктивных элементов на всплывание и опрокидывание от воздействия на них потока воды источника;

- дно - и берегоукрепительных сооружений и конструкций;

- рыбозащитных устройств и конструкции;

- зон санитарной охраны водозаборного сооружения;

- технико - экономических показателей работы водозаборного сооружения.

5.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРЕБУЕМОГО РАСХОДА

Расчеты водозаборных сооружений основываются, главным образом, на знании объемов потребления воды различными потребителями, промышленными предприятиями и предприятиями сельского хозяйства, хозяйственно - питьевое и противопожарное водоснабжение населенных пунктов, потребление воды на собственные нужды насосной станции и нужды очистных сооружений и т.п.

В данном курсовом проекте вода подается на хозяйственно - питьевые и противопожарные нужды населения, а также на собственные нужды НС - 1 и очистных сооружений. Исходя из этих статей водопотребления и проводится расчет по определению соответствующего расхода воды, которая отбирается из поверхностного водоисточника водозаборным сооружением, а в дальнейшем и геометрических его параметров.

Как правило, на водозаборных, как и на водопроводных насосных станциях, устанавливаемые насосы должны быть одинаково типоразмера, что облегчает их техническое обслуживание и эксплуатацию. Производительность и число рабочих насосов зависит от величины суточной подачи насосной станцией. Так, при Q_сут до 20 тыс. м³/сут ориентировочно можно принять один рабочий насос, при Q_сут до 50 тыс. м³/сут - два насоса и при Q_сут больше 50 тыс. м³/сут - - три рабочих насосов работающих на один водовод.

В зависимости от категории надежности водоподачи насосной станции определяется количество резервных насосов (см. приложение X).

В связи с тем, что насосные станции первого подъема, как правило, работают в равномерном режиме подачи воды потребителю в течение суток, то процентная часовая подача за сутки будет равна:

(5.1.1)

где Т - время работы насосной станции в сутки, ч, Т = 24 ч; 100 - общая суточная подача воды потребителю, %.

Полученная процентная подача и принимается в дальнейших расчетах как максимальная процентная суточная подача Q_{max сут.}

Тогда расчетная почасовая объемная подача насосной станцией определяется по формуле:

,м³/ч, (5.1.2)

где Q_сут - суточная производительность станции, м³/сут и определяется:

,м³/сут, (5.1.3)

где С_н - затраты воды на собственные нужды водозабора и насосной станции, а также на нужды очистных сооружений водопровода в процентах от расхода водопотребления населения, С_н = 3 - 12 %; Q_вн - расход воды в сутки наибольшего водопотребления, указан в задании в м³/с, надо перевести в м³/ч.

Расчетная подача одним рабочим насосом составит:

, м³/ч, (5.1.4)

где n_н - количество рабочих насосов.

5.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ВХОДНЫХ ОТВЕРСТИЙ ВОДОПРИЕМНОГО ОГОЛОВКА И БЕРЕГОВОГО ВОДОЗАБОРА

Гидравлические расчеты всех типов водозаборов производятся на два возможных эксплуатационных режима - нормального и форсированного.

Под нормальным условием подразумевается одновременная работа всех секций водозабора.

При аварийных (форсированных) условиях эксплуатации одна из секций предполагается выключенной (на ремонт, очистку и т.п.)

Размеры основных элементов водозаборных сооружений должны определяться гидравлическими расчетами для нормального режима работы.

Расчетный расход воды для каждой секции при нормальном режиме определяется по формуле:

,м³/ч, (5.2.1)

где n_c - количество секций, как правило, принимают не менее двух секции, можно и больше - это при больших расходах.

Расчетный расход воды при форсированном (аварийном) режиме работы сооружения распределяется поровну по всем оставшимся в работе секциям и определяется:

,м³/ч, (5.2.2)

где k - коэффициент допустимого времени снижения количества воды подаваемой потребителям, принимается в пределах 0,7 - 1,0

При нормальном режиме работы водозабора определяют:

- площади водоприемных отверстий, решеток, фильтрующих элементов, водоочистных сеток, диаметры трубопроводов и т.д.;

- потери напора в элементах водозабора, отметки уровней воды в отделениях берегового колодца или водоприемника.

При форсированном режиме определяют потери напора в элементах водозабора отметки наинизших уровней воды в отделениях и высшую отметку насоса.

Размер водоприемных отверстий (окон) определяют по средней скорости втекании воды в отверстия (в свету) сороудерживающих решеток, сеток или в поры фильтров с учетом требований рыбозащиты.

Требуемая площадь водоприемного отверстия одной секции определяется по формуле:

,м², (5.2.3)

где k₁ - коэффициент, учитывающий уменьшение живого сечения отверстий за счет загрязнения и принимается равным,k₁ = 1,25; k₂ - коэффициент, учитвающий стеснение отверстий стержнями решеток или сеток; х_вт - скорость втекания воды в водозаборные сооружения, принимается в зависимости от особенностей водоема (мутности, шугоносности, требований рыбозащиты, доступности и оснащенности водоприемных отверстий, от величины забираемого расхода, м/c; Q/х_вт- потребная площадь отверстий “нетто” в свету, м

При определении площади решеток коэффициент k определяется по формуле:

k= (a+D)a, (5.2.4)

где а - расстояние между стержнями решеток в свету, принимается 5 - 10см в труднодоступных отверстиях и 5см во всех других случаях; D - диаметр стержня или толщина полосы стали, и принимается равным 0,6 - 1,0см.

Размеры входных отверстий при конструировании водоприемного оголовка, в зависимости от найденного значения площади одной секции и глубины водотока или водоема в месте забора воды, согласно схеме, приведенной на рисунке 5.1, определяются для двух условий: а - в зимний период, б - в летний, и принимаются размеры для худших условий. Высота окна в зимних и летних условиях определяется по формулам:

Н=Н0,9h0,7, м; (5.2.5)

Н=Нh0,8, м, (5.2.6)

где Н- глубина источника в месте расположения водоприемного оголовка, м; h- расчетная толщина льда, м; h- расчетная высота полуволны, м.

Горизонтальный размер входного окна (отверстия) принимается равным из соотношения:

Н/В = 1,21,5 (5.2.7)

Выбор размеров решеток осуществляется исходя из размеров входного отверстия по приложению IV, таблица 1, с учетом того, что эти отверстия перекрываются рабочей плоскостью решетки вычисленной по формуле (5.2.3). Схема решетки представлена на рисунках 1.1 и 1.2 данных методических указаний.

Площадь водоприемных фильтров также определяется по формуле (5.2.3)

k=1/р, (5.2.8)

где р- пористость фильтра, принимается для гравийно - щебеночных фильтров 0,3 - 0,5 и пороэластовых 0,25 - 0,35.

Скорость протекания воды в порах фильтра должна быть меньше критической х_кр плавания защищаемой молодь рыб, имеющей длину L которая определяется по формуле:

10L,м/с. (5.2.9)

Скорость втекания воды в фильтрующий элемент водоприемника может быть назначена из условия:

,м/с. (5.2.10)

Схема фильтрующего элемента приведена на рисунке 1.8.

Площадь входной щели в трубчатой вихревой камере и вихревом патрубке определяется исходя из средней скорости в самотечном водоводе по формуле:

,м, (5.2.11)

где Q- расход воды проходящей через одну камеру, м/с;х_с.тр.- скорость воды в самотечном водоводе, м/с (см. приложение XI)

Наибольший диаметр в конце трубчатой вихревой камеры составляет:

,м, (5.2.12)

гдех_max- наибольшая скорость течения в конце камеры принимается равной 0,75 - 1,0 м/с, что всегда меньше скорости в самотечной трубе.

Длина камеры составляет:

,м. (5.2.13)

Схема водоприемного оголовка в виде вихревой камеры представлена на рисунке 5.2

5.3 РАСЧЕТ САМОТЕЧНЫХ И СИФОННЫХ ВОДОВОДОВ

Гидравлический расчет самотечных водоводов ведется для двух случаев:

- для двух одновременно работающих линий при разных уровнях воды (УНВ) в водотоке (водоеме);

- для одной работающей линии в паводковый период (при УВВ) с целью уменьшения заиления труб в период максимальной наносонасыщенности водотока

Независимо от условий работы самотечных труб, расчетный пропуск расходов через них, должен всегда осуществляется при скоростях, не допускающих заиление труб.

Диаметр самотечных труб и сифонных водоводов, а также всасывающих трубопроводов определяется при УНВ по расходу при нормальном режиме работы водозабора и по скорости движения воды в них, от 0,7 до 2,0 м/с (см. таблицы приложения XI) по формуле:

,м. (5.3.1)

Большие величины скоростей принимаются при больших требуемых расходах, значительном количестве наносов и малой длине труб.

Скорость движения воды в самотечных трубах принимается не менее скорости течения реки х_р при уровне низких вод, в противном случае увеличение скорости можно добиться изменением уклонов их прокладки в грунте.

Скорости в самотечных трубах должны быть проверены:

- на незаиляемость транспортируемыми по трубе наносами;

- на подвижность захватываемых в трубу, влекомых речным потоком, наносов

Незаиляющая скорость находится по формуле А.С. Образовского:

,м, (5.3.2)

Где p- количество наносов в потоке, кг/м(задается); g - ускорение свободного падения, м/с²; g = 9.8 м/с²; щ - средневзвешенная гидравлическая крупность наносов, м/с; (см. приложение XIV, таблицы 7 и 8); U - скорость выпадения частиц взвеси в потоке, м/с и определяется по формуле:

U = 0,07,м/с. (5.3.3)

Скорость трогания частиц, влекомых потоком, определяется:

,м/с (5.3.4)

где d- крупность влекомых наносов (частиц взвеси), м; А - некоторый параметр, принимаемый равным 7,5 - 10,0.

Значение минимальной (критической) незаиляющей скорости можно определить (проверить) либо по таблицам 912 приложения XI, либо по формуле А.М.Курганова:

м/с, (5.3.5)

Где л- коэффициент гидравлического трения, определяется по формуле или по таблицам 9 - 12 приложения XIV:

(5.3.6)

где С - коэффициент, определяется для труб по формуле или по таблице 1 приложения XI:

С=,м/с, (5.3.7)

где n - коэффициент шероховатости трубы, зависящий от состояния ее стенок и колеблющийся от 0,01 до 0,017 (см таблицу 4 приложения XI); y - переменный показатель степени, зависящий от гидравлического радиуса R и определяется по формулам:

y =1.5 при R < 1м;

y =1.3 при R > 1м, (5.3.8)

где R - гидравлический радиус и равен:

R =0,25D_тр,м (5.3.9)

Несмотря на некоторую сложность в устройстве и эксплуатации водозаборов с сифонными линиями, по сравнению с самотечными, из-за установки дополнительного оборудования, как то вакуумных насосов для зарядки сифонов и необходимость удаления газов, выделяющихся из воды, они имеют практическое применение. Эти линии могут устраиваться в русловых водозаборах при производстве работ в сильноводоносных грунтах или, наоборот, в очень твердых породах.

Сифонные водоводы допускается применять в водозаборах II и III категории надежности подачи воды потребителю, для водозаборных сооружений первой категории их применение должно быть обоснованно.

Подъем воды в сифонный трубопровод выше уровня в источнике, происходит под действием атмосферного давления (над водоисточником) и разряжения в трубопроводе, созданного при запуске системы вакуум-насосом. Высотное положение сифонных трубопроводов (рис5.3) устанавливается исходя из обеспечения их работы при низком уровне в источнике (уровень А) и максимальном заборе воды.

Участок сифона от водоприемника до верхней точки сифона (АБ) называется восходящим (или всасывающим), а участок БВ - нисходящим (или напорным). Наибольшая величина вакуума должна создаваться в верхней точке (Б) сифона, в которой устанавливается воздухосборник, соединенный с вакуум -- насосом обеспечивающего зарядку сифона.

Диаметр водозаборов определяется по расходу при нормальном режиме работы сооружения и по скорости движения воды в них по формуле:

D,м (5.3.10)

где х_сиф - скорость движения воды в сифоном водоводе, м/с, принимается равной 0,7 - 1,2 м/с.

Допускаемая высота сифона (точка Б) над расчетным уровнем в источнике определяется для аварийного (форсированного) режима работы водозаборного сооружения по формуле:

,м, (5.3.11)

где - допустимый вакуум в высшей точке сифона, принимается равным 0, 6- 0,7 МПа; - потери напора (коэффициент сопротивления) по длине сифонного водовода от руслового водоприемника до воздухосборника, (?_АБ) м; ?ж_м- сумма коэффициентов местных сопротивлений в сифоне от руслового водоприемника до воздухосборника, м. Значения коэффициентов принимаются по табл. 16 приложения XI; h_вак- потери напора в восходящей ветви сифона, состоящих из местных потерь и потерь по длине водовода, м; л- коэффициент гидравлического сопротивления трубы сифонного водовода; L_сифАБ - длина сифонной линии, м; D_сиф- диаметр сифонного водовода, м; с- плотность перекачиваемой жидкости, кг/м³, для воды с=1000 кг/м³; g - ускорение свободного падения, м/с², g = 9,81 м/с²; х_сиф - скорость потока в сифонном водоводе, м/с; з - коэффициент, учитывающий приток воздуха в сифон через неплотности соединения, принимаются равным 1,1 - 1,2.

Расчетная схема сифона приведена на рисунке 5.3.

Потери напора в восходящей ветви находится по формуле:

, м, (5.3.12)

где S₀ - удельное сопротивление трубы, принятой в расчетах, c²/м⁵.

Производительность вакуум-насоса для зарядки сифона определяется по формуле:

, м³/с, (5.3.13)

где W_сиф - объем воздуха в сифоне до зарядки, м³; t₃ - продолжительность зарядки, принимается равной 0,3 - 0,5 мин; H_а- высота столба воды, соответствующая барометрическому давлению в рассматриваемый момент времени, т.е. в момент запуска вакуумнасоса, м; з - коэффициент, учитывающий приток воздуха в сифон через неплотности соединения, принимается равным 1,1- 1,2.

Несмотря на то, что скорость в самотечных водоводах назначается больше незаиляющей, в самотечных линиях по тем или иным причинам образуются осадки, причем довольно плотного состояния, которые необходимо периодически удалять.

Промывка самотечной линии может быть прямой - при движении промывной воды от оголовка к колодцу, и обратной, когда движение промывной воды осуществляется от колодца к оголовку (см.рис.2 приложения XЙ).

Прямая промывка самотечного трубопровода (рис.1а) осуществляется обычно при высоких горизонтах воды в водоисточнике в весенний или осенний паводки. Для этого самотечный водовод выключают из работы закрытием задвижки, затем из водоприёмного отсека камеры, работающего на данный водовод, откачивают воду “досуха”. После этого, открывают задвижку на самотечном водоводе и вода по трубе с большой скоростью, устремляется в водоприёмную камеру колодца, вынося с собой отложившиеся в трубе наносы. Этот процесс повторяют несколько раз до полного очищения трубопровода. Очевидно, что чем больше разница между отметками уровня воды в источнике и осью самотечной трубы, тем с большей скоростью вода будет двигаться по водоводу.

Для осуществления данного вида промывки самотечной линии (одного водовода) необходимо соблюсти условие:

, м/с, (5.3.14)

где H_пр - высота столба воды от отметки УВВ до оси самотечной линии на выходном участке в водоприемный колодец с учетом потерь напора по длине h_? и местных потерь и определяется по формуле:

,м, (5.3.15)

где Z_УВВ - отметка уровня высоких вод в источнике, м; h_в- потери напора по длине трубопровода, м.

Обратная промывка самотечных водоводов осуществляется несколькими способами. Это промывка от напорного водовода (рис.2б) соединенного с самотечными линиями, промывка с помощью волнового давления массы воды из вакуумной колонны (рис.2в) соединенной с самотечными линиями, и с помощью водовоздушного импульса (рис.2г).

Наиболее часто применяемым способом очистки самотечных труб, является промывка их обратным током воды. Промываемая самотечная линия выключается из работы и в неё подаётся вода от напорных водоводов. В это время самотечная линия или все остальные, если их несколько, продолжают работать.

Устройство переключения между водоводами, позволяющее осуществлять промывку, показано на рисунке 2б. Вода для промывки подаётся по обводной трубе 9, соединяющей напорный водовод 8 с самотечной линией 6, при этом задвижки 10 и 11 закрываются, а задвижки 12 и 13 открываются.

Для достижения требуемого эффекта промывки необходимо создать в самотечной линии такие скорости, которые обеспечивали бы взмучивание отложившегося на дне трубы осадка и его вынос. “Взмучивающая” скорость зависит от средневзвешенного диаметра осевших частиц d и внутреннего диаметра труб промываемой линии D и может быть определена по формуле:

, м/с, (5.3.16)

где А - коэффициент, принимаемый в пределах 7,5 - 10.

Большие значения А коэффициента обеспечивают более высокий эффект промывки, но требует большего расхода промывной воды.

Для создания требуемой скорости промывки обычно приходится подавать в самотечную линию расходы, значительно превосходящие её нормальную пропускную способность. Это можно обеспечить обратным пуском воды по напорному водоводу из бака, куда подаётся промывная вода, находящегося достаточно высоко.

Промывка с помощью волнового импульса массы воды производится с помощью специальной установки. Установка (рис.2в) состоит из вакуумной колонны диаметром больше диаметра самой трубы в 1,5 - 3,0 раза, с установленным наверху вакуум-насосом создающего разряжение воздуха в колонне, отчего вода в нее поступает до уровня соответствующей степени разряжения. При срыве вакуума в колонне, находящаяся в ней вода устремляется в самотечную линию и обратным потоком промывает ее и отверстия оголовка, освобожденного от фильтровальной сетки или кассет, кроме решеток. Создаваемый импульс массы воды, заключенной в самотечном трубопроводе и колонне, как правило, действуя с одинаковой силой по всей площади поперечного сечения водоприемного оголовка, освобождает его от шуги и сора независимо от степени засорения.

Этот процесс повторяется до тех пор, пока самотечная линия и оголовок не будут освобождены от отложений. Производят промывку при низких горизонтах воды в водоисточнике.

Обратная промывка самотечной линии (рис.2в) осуществляется расходом, определяемым по требуемой величине промывной скорости, принимаемой больше скорости захватываемых в трубу наносов в пределах 2- 3 м/с.

Расход для промывки одного самотечного водовода (другой или другие находятся в работе) определяется по формуле:

, м³/с, (5.3.17)

где х_тр - скорость потока воды в самотечном трубопроводе при его промывке с учетом смыва наносов диаметром и определяется по формуле (5.3.4).

Диаметр трубопровода для промывки самотечной линии определяется по формуле:

, м, (5.3.18)

Наименьшую промывную скорость можно принять по В.П.Сироткину:

=(1,25ч1,5), м/с, (5.3.19)

При этом виде промывки необходимо провести расчет допустимой высоты поднятия воды в промывной колонне вакуумнасосом по формуле (5.3.11) с подбором марки насосов.

Промывка самотечных линий с помощью водовоздушного импульса (рис.2г) может производиться путем подачи в них сжатого воздуха из напорной колонны 21. Для этого на колонне, подключённой к самотечной лини, устанавливается специальный быстрозакрывающийся вентиль 14. Если в напорную колонну закачать сжатый воздух, а затем быстро открыть вентиль 14, то при закрытом затворе 10 вода и воздух по самотечной линии устремляются к оголовку. При этом скорость водовоздушной смеси настолько велика, что отложившиеся в трубопроводе взвеси хорошо взмучиваются и выносятся через водоприемное отверстие за пределы оголовка в водоисточник.

Высокий эффект промывки самотечных линий достигается тем, что сжатый воздух в них играет роль промывного мяча или шара. Причем движение это носит импульсивный характер и способствует увеличению самоочищающей способности линии.

В результате такой промывки одновременно очищаются решетки, кассеты и фильтрующие обсыпки водоприемных оголовков сооружений.

Для промывки горизонтальных отверстий, принимающих воду сверху, можно подавать сжатый воздух в количестве 12 - 18 л/с·м² - на водотоках и 18 - 25 л/с·м² - на водоемах.

При таком способе промывки самотечных линий заполнение воздухом, как правило, составляет 60 - 70% объема трубы.

Для создания рабочего давления в пневмоколоннах, обычно выполняемых из стальных труб диаметром 500 - 600мм используют компрессор с предельным давлением 0,7 МПа.

Водовоздушная промывка самотечных линий при незначительном их заполнении, в связи с использованием фильтровальных кассет на входных отверстиях оголовков, осуществляются не более одной минуты. Тогда общий расход воздуха определится по формуле:

(0,6ч0,7), м³, (5.3.20)

где (0,6 - 0,7) - процентное содержание воздуха в самотечной линии, при таком способе промывки, содержание воды составляет 30 - 40%;х_возд- скорость прохождения воздуха по самотечной линии во время промывки, м/с, при сжатии воздуха в пневмоколонне до 0,125 МПа, для преодоления противодавления столба воды высотой 2метра в водоисточнике и потерь напора в самотечной линии, скорость воздуха будет составлять 3 м/с; t_пр - время промывки самотечной линии, сек, принимается не более 1 мин (60 сек.).

При использовании компрессоров создающих давление до 0,7МПа можно определить объем воздуха для такого сжатия и он уменьшится в 5 - 6 раз от объема полученного для давления 0,125 МПа и составит:

5-6, м³, (5.3.21)

Исходя из этого объема(W'_возд), можно определить и размеры пневмоколонны, которые будут меньше чем пневмоколонны для давления 0,125 МПа.

Промывка самотечных линий водовоздушным способом предопределяет выполнение проверки этих линий на всплывание, т.к. на две трети объема трубы заполнены воздухом. Поэтому необходимо выполнить условие:

, (5.3.22)

где Р_вспл - подъемная сила воздуха, заполнившего трубопровод, Н; G_с.тр- сила тяжести трубопровода, Н.

Подъемная сила определяется по формуле:

, Н, (5.3.23)

где Р_? - процентное содержание воздуха в самотечной трубе, (1% = 0,01);

щ_с.тр - площадь поперечного сечения трубопровода, м².

Сила тяжести трубопровода:

, Н, (5.3.24)

где m_тр - масса стальной трубы, берется для отрезка трубы длиной 1м.

Если это условие не выполняется, то необходимо произвести пригрузку этих линий.

Расчет промыва водоприёмных отверстий обратным током воды выполняется для определения:

- расхода промывной воды;

- напора, обеспечивающего промывку;

- промывной скорости в отверстии.

При определении промывного расхода необходимо различать следующие промывные отверстия:

- с сороудерживающими решётками, фильтрами значительной толщины и крупностью фильтрующей фракции;

- с рыбозаградительными фильтрующими кассетами и консольными фильтрами второго типа.

Расчетные расходы Q_пр для промывки решеток фильтрующих водоприемников и кассет определяются по данным лабораторных исследований ВИИИГ имени Б.Е.Веденеева и ВИИИ ВОДГЕО [36,37], можно принять следующие значения Q_пр:

- для ряжевых фильтрующих водоприемников:

(1,5ч2,0), м³/с; (5.3.25)

- для фильтров с приемом воды снизу вверх:

, м³/с; (5.3.26)

- для отверстий, расположенных в вертикальной плоскости и огражденных сороудерживающими решетками:

, м³/с; (5.3.27)

- для фильтрующих рыбозаградительных кассет, установленных в вертикальной плоскости:

, м³/с. (5.3.28)

Решётки и кассеты, установленные на горизонтальных отверстиях, требуют для промыва дополнительного подвода сжатого воздуха в количестве 16 - 20 л/с·м² - в потоках и 20 - 25 л/с·м² - в водоёмах. В большинстве водозаборов вода для обратной промывки отводится из напорных водоводов при некотором временном ограничении подачи ее в сеть или при использовании резервных насосов. Вследствие этого промывной расход Q_пр всегда ограничен, а имеющийся в водоводах напор всегда превышает требуемый для промывки.

По значению промывного расхода рассчитывают пьезометрические высоты способом последовательного подсчёта и суммирования местных и линейных потерь напора по формулам:

, м, (5.3.29)

И

, м, (5.3.30)

где - наивысшая отметка оси насоса, м; - отметка наинизшего уровня воды в реке, м; h_вс - допустимая высота всасывания насосов, м; ?h_f - сумма всех потерь напора от входа в водоприемник до насоса, м; h_х- скоростной напор при входе воды в насос, м; h_f - местные потери напора.

Здесь скорости течения определяют по наибольшему расходу в одной из секций водозабора при следующих поверочных условиях:

м³/с, (5.3.31)

м/с, (5.3.32)

где m = 0,7 - 1,0.

Коэффициенты местного сопротивления ж принимают по справочным данным (см. табл.16 приложение XI). Потери напора во входных решётках принимают, по практическим данным, равными 0,06 - 0,03м, а в сетках - - 0, 1- 0,3м.

В отдельных случаях забора воды из рек с тяжёлыми шуголедовыми условиями, когда возможна закупорка шугой водоприёмных отверстий или чрезмерное кольматирование рыбозаградительных фильтров, целесообразно применять в запас возможное дополнительное понижение уровня воды в береговом водоприёмном колодце до одного метра.

Большим затруднением при обратной промывке водоприёмных отверстий всех видов является свойство струй промывной воды вытекать в водоём через не засоренные части отверстий, при этом промывная вода расходуется бесполезно. Поэтому, для обеспечения более равномерной промывки обратным током воды необходимо, во всех случаях, предусматривать специальные водоподводящие и струенаправляющие устройства, без которых промыв всей площади водоприёмных отверстий оказывается невозможным.

Схемы струенаправляющих устройств, для обратной промывки водоприемных отверстий русловых водозаборов, приведены на рисунке 3 приложения XI.

В водоприёмниках бункерного типа таким устройством может быть конус над отверстием самотечной трубы (рис. 3а); в водоприемниках раструбного типа - наклонная плоскость перед порогом водоприёмных отверстий (рис. 3б); в водоприемниках с вихревыми камерами, которые имеют непрерывную щель, такая же наклонная плоскость и струенаправляющие диафрагмы в щели (рис. 3в); в водоприемниках с вихревыми камерами имеющими прерывную щель, дополнительно вводится поворот струй, обуславливающий расширение их по ширине отдельных панелей (рис. 3г); в фильтрующих водоприемниках применяют подвод промывных струй под углом (рис. 3д) и др. Во всех этих случаях достаточно широкие промывные струи подводятся к плоскости отверстия не по нормали к ней, а под углами, равными или меньшими 45^о. Промывные сосредоточенные струи до подхода к отверстию необходимо с помощью специальных мер предварительно расширить до величины всего пролета панелей, что можно сделать лишь в результате дополнительного поворота их на угол указанной величины.

Другим существенным затруднением при обратной промывке являются малые средние скорости в промываемом отверстии, поскольку, забиравшийся ранее и промывной расходы примерно одинаковы. Для преодоления этого затруднения промывные струи необходимо подводить к отверстию после выпуска их из узких щелей (как в вихревых камерах) или под углом, большим или равным 45^о, на направляющие плоскости. Последние, вдоль своих образующих формируют контурные струи, легко расширяющиеся при последующих резких поворотах направляющей на углы, меньшие или равные 45^о.

Подход струй к плоскостям отверстий должен осуществляться только под острыми углами указанной величины. При этом, скорости подхода будут состоять из нормальной и тангенциальной составляющих. Последняя, обеспечивает распределение промывного расхода по площади отверстия, а первая формирует пульсации с промывающими отверстия скоростями, существенно превышающими их среднее значение. Наличие водоворотов в камерах, сопровождающих контурные струи не является недостатком, поскольку благодаря им, усиливается пульсация промывных струек, делающая их более эффективными. Указанным путем наибольшие скорости пульсации в струйках, промывающих отверстия могут быть доведены до 50 - 60% скорости, созданной в щели или в контурной струе.

При выпуске из щелей трубчатых вихревых камер средние скорости у выхода из щели длинной ? и шириной b равны:

м/с. (5.3.33)

Эпюра скоростей струй, вытекающих из щели, имеет форму трапеции, меньшая сторона которой получается у сопряжения с самотечной трубой, а большая - у конца камеры. В отверстиях щели вихревой камеры устраивают струенаправляющие диафрагмы (по две на каждую панель, не считая бортов). Промывные скорости в отверстии, огражденном фильтрующей кассетой, составляет 60% скорости у выхода струй из щели.

Удаление наносов из водоприемной камеры берегового колодца осуществляется либо гидроэлеватором (водоструйный насос), либо центробежным насосом (песковым).

Гидроэлеваторы для откачки ила, отложений или взвеси из водоприемных камер, подбирают по их расчетной производительности и напору.

Производительность элеватора определяется по формуле:

, м³/ч, (5.3.34)

Где Т - продолжительность работы гидроэлеватора в сутки, время равно продолжительности одной смены, Т=8 часов; m_взв - масса взвеси, выпадающей в водоприемных камерах за сутки и определяется по формуле:

, кг/сут, (5.3.35)

где с_взв - содержание взвеси в воде источника в отдельные периоды года, берется в паводковый период из ЕГС по таблице для принятого гидроство ра, мг/л; з_взв - содержание транспортируемых потоком взвешенных частиц определенной крупности в %, чем больше крупность влекомых частиц, тем меньший процент их попадания в водоприемную камеру. Так, для частиц крупностью от 2 до 2,2мм, в камеру поступает от 8 до 10%, крупностью от 2,2 до 2,5мм поступает 4 - 6% (1% = 0,01 в расчетах).

Масса взвеси для одной секции:

, кг (5.3.36)

При концентрации взвеси в пульпе з_п, обычно принимаемой равной 5 - 10% от общего расхода гидроэлеватора, расход откачиваемой воды составит:

, м³/ч, (5.3.37)

где з_п - концентрация взвеси, %.

Тогда рабочие расходы воды и смеси составят:

- расход воды рабочего потока:

, м³/ч; (5.3.38)

- расход смеси:

, м³/ч, (5.3.39)

где q - отношение расхода откачиваемой элеватором жидкости Q_э к расходу воды рабочего потока Q_р, принимается обычно равным - 0,3 - 0,6.

Напор рабочего потока воды в гидроэлеваторе должен быть не меньше:

м, (5.3.40)

где s - отношение площади поперечного сечения камеры смешения гидроэлеватора щ_к к площади струи рабочего потока щ_р и принимается в пределах 2,5 - 5,0; з_э - коэффициент полезного действия гидроэлеватора, з_э= 0,2 - - 0,3; H_э - необходимый напор гидроэлеватора определяемый по формуле:

м, (5.3.41)

где Z_УЗ - отметка уровня земли в месте складирования пульпы, подбирается согласно плановой схемы расположения водозаборов, м; Z_УВв.к - отметка уровня воды в водоприемной камере, м; h_п- потери напора в пульпопроводе, принимается равным 5 - 10 м.

После определения рабочего напора гидроэлеватора необходимо сравнить его значение с напором подобранных рабочих насосов станции. Если H_р < H_тр, то подачу воды в гидроэлеватор можно осуществлять рабочим насосом, если жеH_р > H_тр, то для подачи воды в гидроэлеватор требуется по добрать другой насос.

Схемы и типоразмеры гидроэлеваторов приведены в приложении VI.

5.4 РАСЧЕТ ПЛОСКИХ И ВРАЩАЮЩИХСЯ СЕТОК

Расчет плоских сеток, которые устанавливаются только в сеточных камерах береговых колодцев и водозаборах, а также вращающихся сеток, производится аналогично расчету решеток. Для этого также определяют общую площадь входных отверстий (или одной секции) по формуле (5.2.3), где коэффициент определяется по формуле:

, (5.4.1)

где а_с - размер ячеи сетки в свету, принимается для плоских сеток - 0,2; 0,35 и 0,45см и для вращающихся сеток - 0,2 - 0,3см. Размеры ячеи сеток можно подобрать по таблице 4 приложения IV. D_c- диаметр проволоки сетки, принимается равным 0,1 - 0,12см.

Допустимые скорости течения в сетках не являющихся рыбозаградительными, принимаются равными 0,2 - 0,4 м/с для плоских сеток и 0,8 - - 1,2м/с - для вращающихся сеток.

Глубина погружения вращающихся сеток под расчетный минимальный уровень воды в приемной камере (рис. 5.4) определяется по формулам:

- для сеток с внешним (внутренним) двухсторонним подводом воды:

, м; (5.4.2)

- для сеток с лобовым подводом:

, м. (5.4.3)

где Щ_вр - расчетная площадь вращающейся сетки, м²; определяется по формуле (5.2.3); В - ширина полотна сетки, принимается в зависимости от площади сетки находящейся под водой, м; ширина сетки берется из стандартного ряда: 1500; 1750; 2000; 2250; 2500; 2750; 3000 и 3500мм; R - радиус закругления сетки (звездочки), принимается в соотношении R_в.з/R_н.з= 2, либо R_в.з = R_н.з; как правило D_в.з = 0,75 => D_н.з = 1,5 м или D_в.з = D_н.з = 0,75; 1,0; 1,5м; h_р - потери напора в решетках для береговых водозаборов принимаются равными - 0,1м.

Определив глубину погружения сетки под расчетный уровень, а также, имея величину заданного для данного водоисточника колебания уровней воды, можно определить общую высоту вращающейся сетки (расстояние между центрами звездочек см.рис.5.4), относительно приемной камеры по формуле:

, м, (5.4.4)

где h - глубина погружения вращающейся сетки под уровень, м; h₁- колебания уровней воды в водоприемной камере с учетом потерь напора на сороудерживающих решетках и определяется по формуле:

, м, (5.4.5)

где h_УВВ - глубина воды в водоисточнике, перед водозаборным сооружением при уровне высоких вод, м; h_УНВ - глубина воды в водоисточнике перед водозаборным сооружением при уровне низких вод, м; h₂- расстояние от оси верхней звездочки до пола, на котором устанавливается приводной механизм сетки, м, принимается равным 0,8 - 1,2м в зависимости от типа сетки; h₃ - расстояние от максимального уровня в водоприемной камере до нижней отметки пола сооружения, принимается равным 1,0; 0,8 и 0,5м для водозаборов соответственно I, II и III категорий; t- толщина железобетонного перекрытия водозабора, принимается равной толщине железобетонных плит, = 0,2 - 0,3м.

Длина сеточного полотна вращающейся сетки определяется по формуле:

, м, (5.4.6)

где R₁ и R₂ - соответственно радиусы ведущих и ведомых, принятых в расчетах, звездочек вращающих сетку, м.

Исходя из найденного значения глубины погружения рабочей части вращающейся сетки, можно, задаваясь значениями высот полотен сетки из стандартного ряда (от 250 до 600мм через 50мм) определить высоту одного полотна сетки h_c, соответственно, руководствуясь диаметром звездочек. Тогда число звеньев вращающейся сетки из расчета, что высота каждого звена составляет определится по формуле:

, м. (5.4.7)

Вся рабочая часть полотна принятой, вращающейся сетки, должна располагаться ниже наименьшего расчетного уровня воды в водоприемной или всасывающей камерах берегового колодца.

Промывка вращающейся сетки производится либо непрерывно, либо в автоматическом режиме по достижении соответствующей степени загрязнения. Непрерывный режим промывки осуществляется в паводковый период, когда в водоприемную камеру идет интенсивное поступление взвешенных наносов.

Для этого могут быть использованы или рабочие насосы станции первого подъема, если расход на промывку будет составлять не более 2,5% от общего расхода, или дополнительно установленный насос, если расход воды на промывку сеток составит более 2,5% производительности удовлетворяющей потребности в воде на промывку.