Водозаборные сооружения для отбора воды из поверхностных и подземных источников

Если же водозабор или его элементы сооружаются опускным способом, их устойчивость к всплытию определяется на начало монтажных работ, т.е. без учета нагрузки от оборудования.

Расчеты на всплытие в курсовом проекте следует провести на нахождение критического состояния сооружения, т.е. определить максимальное количество опорожненных секций, при которых сооружение может всплыть.

При водовоздушной промывке самотечных линий руслового водозабора в результате подачи в них воздуха (две третьи объема трубы заполнены воздухом) нарушается статическая устойчивость самотечных линий. Если не принять соответствующих мер, эти линии могут всплыть. Это может произойти также при опорожнении линии в период их ремонта или профилактического осмотра. Поэтому самотечные линии следует проверить на устойчивость к всплытию по условию:

, (5.12.17)

Или

(5.12.18)

где G - сила тяжести трубы длиной 1м с учетом гидроизоляции, Н; с_в - плотность воды,; К_вспл - коэффициент устойчивости сооружения (трубы) к всплытию, принимают равным 1.1 - 1.3; щ - площадь поперечного сечения трубы самотечной линии по наружному диаметру,; d_с.л - наружный диаметр трубы самотечной линии, м.

Необходимо выполнение ещё одного условия:

, (5.12.19)

где Р_вспл - подъемная сила воздуха, заполнившего трубопровод, Н, и определяется по формуле:

, H, (5.12.20)

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

Сила тяжести трубопровода определяется по формуле:

, H, (5.12.21)

где m_тр - масса стальной трубы, принимаемая для отрезка трубы длиной 1.0м.

Если эти условия не выполняются, то необходимо произвести пригрузку самотечных линий.

5. 13 МЕРОПРИЯТИЯ ПО БОРЬБЕ С МУСОРОМ, НАНОСАМИ И БИООБРАСТАНИЕМ

В процессе забора воды из источника водоприемные сооружения (оголовки, колодцы, водоводы) могут закупориваться всевозможным мусором, мусором механического, растительного и животного происхождения, взвешенными и влекомыми наносами, шугой и внутриводным льдом.

К мусору механического происхождения можно отнести мусор от хозяйственной деятельности человека - бытовой мусор, сучья и ветки деревьев и кустарников, деревья и их обломки, пни и карчи. Мусором растительного происхождения могут быть, в большом многообразии водоросли и водные растения. К мусору животного происхождения относятся одноклеточные и многоклеточные организмы, губки, кишечнополостные, черви, насекомые, моллюски, их яйца и личинки.

Со всеми этими видами “мусора” (загрязнителей) или продуктами их распада (разложения) на каждом этапе процесса водозабор - водопотребление производятся соответствующие мероприятия по их уничтожению, обеззараживанию или недопущению попадания их в водозаборные сооружения. Предотвращение попадания такого мусора в водозабор осуществляется путем проведения ряда специальных, для каждого водоисточника и схемы водоотбора, мероприятий, таких как: устройство различного рода струенаправляющих сооружений (дамб или бонов с козырьками); водобойных стенок; в малошугоходных реках - запаней для удержания шуги и плавающего на поверхности мусора; наносорегулирующих устройств в реках с небольшим содержанием наносов (щиты М. В. Потапова и наносоуправляющих стенок А. И. Лосиевского); на водозаборах, из рек с большим содержанием наносов, перед сооружением предусматривается устройство специальных промывных карманов и отверстий; каналов, для удаления осевших наносов; водозаборных ковшей в разнообразном компоновочном исполнении, в том числе и самопромывающихся (на входном участке ковша сооружаются одновременно затапливаемые в половодье верховые дамбы или шпоры и не затапливаемые низовые).

Во всех руслах рек, без исключения, происходят постоянные руслоформирующие процессы, одним из которых является перемещение наносов (песка) как по дну, так и в придонном слое, в результате чего образуются песчаные, постепенно перемещающиеся при движении, гряды, изменяющие тем самым донный рельеф и осаждающиеся в благоприятных по руслоформирующим показателям местах.

От осаждения наносов перед водоприемными окнами или же в камерах водозаборных сооружений, а также в самотечных и сифонных водоводах происходит снижение подачи воды потребителю или же ее полного прекращения.

Поэтому, защита водоприемных оголовков русловых водозаборов или входных отверстий береговых водозаборных сооружений крайне необходима, хотя она не менее сложна, чем защита этих же сооружений от шуги и внутриводного льда. К тому же, ущерб от наносов оказывается более тяжелым, ибо они отлагаются не только в вышеуказанных элементах водозаборного сооружения, но и в камерах реакции и отстойниках очистных сооружений, тем самым, осложняя работу головных сооружений водопровода в целом.

Надежная защита водозаборов от наносов достигается при комплексном решении задач на основе всестороннего изучения особенностей водоисточника.

Помимо отложений наносов в районе водозаборных сооружений, осложняющих его работу, может проявляться другой отрицательный процесс, оказывающий негативное влияние на работу сооружения - руслоформирующий процесс под названием размыв русла. Ради справедливости следует отметить, что размыв русла в районе расположения водоприемного оголовка руслового водозабора или водоприемного колодца берегового водозабора случается значительно реже.

Для определения вероятности заноса водоприемного отверстия донными грядами необходимо провести расчеты по определению их размеров. Расчетная схема гряд представлена на рисунке 5.13.

Высота гряд h_г установившегося профиля в межень определяется по формуле В. С. Кнороза:

, м, (5.13.1)

где H - глубина потока на участке расположения водоприемника, м; х_р - средняя скорость потока, м/с; х_н.р - неразмывающая скорость, м/с, определяется по формуле:

, м/с, (5.13.2)

или по формуле Б. И. Студенчикова:

, м/с, (5.13.3)

где d - средний диаметр донных отложений (или каменного крепления), м; d₁₀ - диаметр частиц грунтов дна, содержащихся в смеси не более 10%, м, p - мутность от руслоформирующих фракций, ; б - корректив живой силы, вводимый на неравномерное распределение и пульсацию скоростей, равный 1,1 - 1,25.

Мутность от руслоформирующих фракций твердого стока в аллювиальном русле равна:

, (5.13.4)

где х₀ - неразмывающая скорость при нулевой мутности, м/с.

Мутность, вычисленную по формуле (5.13.4), можно рассматривать как критическую. Иными словами, при наличии избыточной мутности в потоке неизбежно выпадение взвешенных наносов в осадок, а при ее недостаточности - размыв дна и взмыв взвешенных частиц.

Приближенно при Н < 1м можно принять h_г = 0,25м, а при Н > м - -h_г =(0,2 - 0,1)Н.

При прохождении половодья высота гряд в этот период h_г.п в полосе активного движения наносов увеличивается до h_г.п = 0,25 h_г

Длину гряд ?_г установившегося профиля в межень можно определить по формуле Б. Ф. Онищенко:

, м, (5.13.5)

где С - коэффициент Шези.

Скорость смещения микроформ С_г (м/с) следует определять по формуле:

, (5.13.6)

где Fr - число Фруда, определяемое по формуле:

, (5.13.7)

Оптимальный вариант расположения водоприемников (или водоприемных отверстий) т.е. их расположение, с учетом динамики руслового потока и закономерностей транспортировки наносов, позволит не только предотвратить перебои в работе водозаборов, но и обеспечит получение воды с минимальным содержанием взвеси и планктонов.

Так, для малых водозаборов с раструбными оголовками заметное уменьшение мутности забираемой воды (особенно на горных реках) достигается при расположении водозаборных отверстий против течения воды в реке (угол отвода речного потока б = 0). По данным А. Е. Белана, при б = 0количество наносов, вовлекаемых в самотечные водоводы, уменьшается на 40 % по сравнению с их количеством при расположении окон перпендикулярно потоку (б = 90). Правда, обязательным условием при этом, да и во всех других случаях, является превышение скорости речного потока х_р над входной скоростью водоприемника х_в (х_в < х_р)_.

Уменьшить количество взвеси из забираемой из источника воды можно: применением (использованием) специальных водоприемников, выделяющих часть взвешенных веществ при непосредственном отборе воды (сифонные водоприемники); фильтрированием воды на водоприемниках; осаждением взвеси перед водозаборным сооружением (водозаборные ковши, шлюзы - отстойники, водоприемники - осветлители).

Помимо решения проблем с уменьшением степени насыщенности воды, забираемой из источника, взвешенными и донными наносами, зачастую приходится вести борьбу с биообрастанием водозаборных сооружений или самого источника (водорослями).

Водоприемные окна с сороудерживающими решетками, самотечные, сифонные, всасывающие и напорные водоводы на водозаборах (особенно на зарегулированных источниках) подвержены внутреннему биообрастанию гидробионтами, среди которых наибольшее распространение получили моллюски дрейесены (размеры которых доходят до 50мм). Обрастания эти бывают довольно значительными и нередко приводят к большим потерям напора.

Поселения дрейесены, как правило, сосредотачиваются на подводных частях железобетонных конструкций оголовков, колодцев, облицовке ковшей и т. п., слой которых может достигать 7 - 10см, а масса обрастания до 7 кг/м², что чревато, особенно в трубопроводах, либо уменьшением объемов забора воды и подачи ее потребителю, либо полной их закупорки, что, конечно же, недопустимо. Поэтому, борьба с их распространением,крайне необходима и осуществляется она несколькими способами: размещением водоприемных окон на разных глубинах, варьируя их работой по сезонам года (используя общие закономерности обитания и развития дрейесены); хлорированием воды; подачей воды с температурой выше 45⁰ (в течение 10 минут все водные организмы гибнут); купоросованием воды; нанесением на поверхности конструкций специальных красок и разных покрытий.

Одним из наиболее эффективных способов защиты водозаборных сооружений является хлорирование воды перед водоприемными отверстиями. Схема установки для хлорирования представлена на рисунке 5.14.

Хлорирование осуществляется обычно с периодичностью 2 - 3 раза в год в теплое время года - в период максимального развития дрейсины. Хлор вводят в поток на расстоянии 30 - 40см перед сороудерживающими решетками дозами, устанавливаемыми в зависимости от вида гидробионтов в той или иной географической зоне. Обычно обрастание водозаборных сооружений предотвращается уже при остаточном содержании хлора до 0,3 мг/л. Предварительное хлорирование на водозаборах использоваться для борьбы не только с гидробионтами, но и для улучшения качества воды и с целью рыбозащиты.

Борьба с зарастанием водоисточников, особенно водозаборных ковшей и каналов, вода в которых прогревается из-за небольших скоростей в них, что способствует интенсивному росту растительности, осуществляется несколькими методами. Это химические, но только для водозаборов промышленно - производственного потребления; разведением пород рыб, поедающих соответствующую произрастающую растительность и механический способ - это выкашивание полей растительности и сбор, например, сине - зеленых водорослей с поверхности водоема.

5.14 МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЗАЩИТЕ ВОДОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ ОТ ШУГИ И ОБМЕРЗАНИЯ

При наличии шуги в воде, главным условием, обеспечивающим надежный прием воды источника, является, опять-таки, как и при наличии негативных элементов руслоформирования, правильный выбор места расположения водозаборных сооружений, типа водозабора и его конструктивных элементов.

Для борьбы с обледенением решеток, самотечных или сифонных водоводов и их закупоркой шугой во время шугохода применяют электрообогрев, подвод теплой воды к решеткам или продув перед решетками подогретым воздухом или паром, подачу сжатого воздуха перед решетками (водовоздушная завеса), обратная промывка и т. д.

Достаточно надежным общим средством защиты водозаборных сооружений от шуги является обеспечение очень малых скоростей поступления воды в водоприемные устройства. При этом, чем интенсивнее шугообразование в речной воде, тем меньше должна быть скорость ее поступления (0,05 - - 0,01 м/с). Однако не всегда можно увеличивать площадь входных отверстий настолько, чтобы обеспечить указанные скорости.

При малом количестве шуги в реке и небольшой производительности водозабора, достаточно надежными средствами могут быть: сороудерживающие решетки из гидрофобных материалов (каучука, эбонита, дерева, резины) или из металлических стержней с гидрофобным покрытием (каучуком, резиной, битумом, асфальтом и т. д.); специальные водоприемные устройства (оголовки) типа фильтрующих, деревянных ряжевых; плавающие ограждающие устройства (шугоотбойники) в виде запаней в сочетании с небольшими скоростями поступления воды в водоприемные устройства.

При среднем количестве шуги в реке, небольшой и средней производительности водозаборов, помимо перечисленных средств, следует предусматривать дублирование водоприемных устройств (оголовков), располагать их друг от друга на расстоянии, исключающем возможность одновременного перерыва забора воды.

Для водозаборов средней и большой производительности в этих условиях следует использовать электрообогрев стержней сороудерживающих решеток или подогрев воды либо избыточным паром, либо теплой водой непосредственно перед входными отверстиями или на некотором (небольшом) удалении от них.

Обогрев решетки осуществляется на водозаборах берегового типа, и практически не применяют этот способ в русловых водозаборах из-за недоступности их входных отверстий в зимнее время.

Русловые водозаборы должны быть оборудованы промывными устройствами, позволяющими в любое время освободить самотечные или сифонные водоводы и решетки оголовков от шуги и сора.

При большом количестве шуги в реке и небольшой или средней производительности водозаборов могут применяться те же способы защиты, что и при среднем количестве шуги, но с условием забора воды в двух створах, расположенных на расстоянии друг от друга, исключающее одновременный перерыв в подаче воды. Производительность каждого из таких водозаборов должна приниматься для первой категории надежности 75% расчетного расхода, а для второй - 50%.

При большой и средней производительности водозабора целесообразно устраивать водоприемные ковши, гарантирующие надежную защиту от шуги и донного льда.

Применение электрообогрева решеток в качестве нагревательного элемента используют сами решетки или электрический ток пропускается по проложенным в полых стержнях проводникам. Для этого к их стержням подводят требуемое по расчету напряжение (обычно 50 - 150 В). Проходящий по стержням ток подогревает решетку и закупорка шугой исключается.

Установлено, что подводное льдообразование начинается при переохлаждении воды до температуры минус 0,03⁰С. Чтобы предотвратить прилипание льда к стержням решетки, их температуру и температуру воды необходимо повысить минимум до t_р = 0,01⁰С. Значит, подогрев решеток и воды требуется произвести минимум на ?t = 0,04⁰С. При часовой производительности водозабора Q_в (м³/ч) потребное количество теплоты (Дж/ч) на подогрев воды составит:

, (15.14.1)

где С_в - удельная теплоемкость воды, Дж/кг⁰С.

Часовой расход электроэнергии:

, кВтч/м³, (5.14.2)

где Э_в - удельные затраты энергии на подогрев воды до указанной выше температуры, Э_в = 3,5 - 8 кВтч/м₃.

Подводимая к решеткам мощность, необходимая на обогрев всей площади поверхности решетки, может быть определена по формуле:

, кВт, (5.14.3)

где Щ_реш - площадь поверхностей всех стержней решетки, м²; t_в - температура на поверхности решетки, необходимая для свободного прохождения через них шуги, ⁰С; k_зап - коэффициент запаса, принимаемый равным 1,2 - 2,0; 00116 - коэффициент перехода от ккал/ч к кВт (0,000116 = 427/3600102); - коэффициент теплопередачи от решетки к воде.

Если электрический ток пропускается непосредственно по стержням решетки, то коэффициент теплопередачи определяется по формулам:

- для стержней цилиндрического сечения или прямоугольного сечения с полукруглым оголовком:

; (5.14.4)

- для стержней прямоугольного сечения:

, (5.14.5)

где х_реш - скорость втекания воды в решетку, м/с; d_ст - диаметр стержня или диаметр закругления прямоугольного стержня, м.

Ток и напряжение для обогрева решеток составит:

, В, (5.14.6)

где R - омическое сопротивление решетки, определяется по формуле:

, (5.14.7)

где 8 - коэффициент увеличения сопротивления решетки при питании ее переменным стоком; с_м - удельное сопротивление материала стержней решетки, для стальных стержней с_м = 9,8Ч10⁹ОмЧм; H_реш - высота или длина стержней, м; n - число стержней решетки; щ_ст - площадь поперечного сечения стержней,м².

Следует отметить, что общий расход электроэнергии на обогревание решеток достаточно велик и составляет 2 - 4,5 кВт на каждый квадратный метр (1м²) площади перекрываемого отверстия или до 4 - 8 кВт на 1м³ перекачиваемой воды.

Следует отметить ещё один немаловажный факт - электрообогрев не может остановить уже начавшийся процесс обмерзания, поэтому система обогрева должна включаться заблаговременно до ожидаемого переохлаждения воды. При неисправной работе системы электрообогрева решеток уровень воды в водоприемных камерах колодцев может снизиться настолько, что может привести к срыву вакуума насосов, находящихся выше уровня воды в колодце, и, в конечном счете, к остановке насосной станции.

Конструкция решетки с электрообогревом представлена на рисун ке 1.2.

При использовании пара для подогрева воды (продувка воды перед решетками) расход его можно определить по формуле:

м³/ч; , м³/ч, (5.14.8)

где Q_нс - подача насосной станции, м3/ч; t_в - температура подогреваемой воды, принимается равной 0,015 - 0,04 0С; i - удельная энтальпия пара, принимается равной 2720 Дж/кг.

Ориентировочно, расход пара для обогревания решеток составляет 0,15 - 0,20 кг на 1м³ подогреваемой воды.

Пневмозащита водоприемных колодцев (оголовков) от шуги осуществляется за счет создания водовоздушных завес перед сооружением (рис. 5.15). Для этого, по дну реки, на некотором расстоянии от водоприемника укладываются перфорированные трубопроводы диаметром 50 - 100мм с отверстиями 2 - 4мм и с шагом 20 - 25см. Сжатый воздух, подаваемый в эти трубы компрессором, выходя из них, создает зону восходящего водовоздушного потока, который разрушая на границе подъема смерзшиеся массы шуги, выносит их на поверхность и отклоняет в сторону от водоприемника, тем самым предотвращая попадание шуги в водозабор. При этом скорость восходящего водовоздушного потока U должна быть больше скорости потока реки х_р и должно выполняться условие:

, (5.14.9)

где k - коэффициент, учитывающий превышение вертикальной составляющей скорости потока U над горизонтальной х_р и принимается равным 1,54.

Так при средней скорости реки х_р = 0.5 м/с и глубине потока в месте расположения водоприемного устройства Н = 3,5м хороший эффект шугозащиты достигается при расходе воздуха q_в = 1м³/мин на 1 пог. м. трубопровода.

Защиту водозаборов от шуги можно обеспечить также за счет раннего ледостава в акватории расположения водоприемника предотвращающего попадание шуги в эту акваторию. Ускорение ледостава в ковшах и в руслах рек у водоприемных оголовков достигается установкой шугоотбойных запаней и бонов (рис. 5.16) или шугоотбойных шпор (рис. 1 приложения V).

На береговаых водоприемниках в качестве шугоотбойных устройств могут применяться шпоры из каменной наброски, возвышающиеся на 0,5 - - 1,0м над минимальным горизонтом шугохода.

5.15 МЕРОПРИЯТИЯ ПО ДНО - И БЕРЕГОУКРЕПЛЕНИЮ

Берегоукрепление в составе узла водозаборных сооружений предназначено: для защиты береговых сооружений от подмыва течением и волнением водных масс; для сохранения благоприятных форм русла рек или побрежья водохранилищ, обеспечивающих транзитное движение донных наносов, шуголедовых масс и сора в месте расположения водоприемных устройств; для закрепления русла реки и сохранения необходимых глубин у водозаборного сооружения.

Границы берегоукрепления на реках назначают на основании изучения процессов формирования русла, его размываемости и регуляционных работ, проводимых на прилегающих участках реки, особенно выше по течению, и составление прогноза его деформации на период срока службы водозаборных сооружений. В отдельных случаях при неблагоприятных условиях (изменчивое русло) может потребоваться проведение регулирования русла одновременно со строительством водозаборных сооружений.

При расположении водозаборного сооружения на вогнутом берегу, сложенном из легко размываемых грунтов, крепление должно быть осуществлено на всем участке вогнутого берега выше водозаборных сооружений до места, где берег из вогнутого переходит в выпуклый, а вниз по течению - на участке, гарантирующем от существенных переформирований берега в пределах расположения всего комплекса водозаборных сооружений, протяженностью не менее 50 - 100м.

Крепление устойчивого берега нередко осуществляется на протяжении 50 - 100м. вверх и вниз от оси береговых сооружений, но, конечно, в зависимости от места расположения сооружений на речной излучине. При этом предусматривают наблюдения за берегоукреплением и размываемостью берега, и в случае необходимости, берегоукрепление расширяют. Разрушение берегоукрепления обычно начинается с верховой по течению реки стороны, где его следует врезать в берег достаточно глубокой шпорой.

Берегоукреплению необходимо придавать плавные очертания в плане без выступов и резких переломов, особенно в местах сопряжения с неукрепленным участком берега.

Крепление берегов осуществляется: ниже уровня воды в период строительства, выполняемое под водой: выше этого уровня, осуществляемое насухо и за пределами воздействия водных масс реки или водохранилища.

Крепления двух первых видов, в свою очередь, делятся на основное, подверженное воздействию ударов волн, льда и ледяного покрова при его деформациях, и облегченное, расположенное ниже основного и работающего в более легких условиях.

Так, крепление следует выбирать на основе технико - экономического сравнения вариантов с учетом геологических и гидрогеологических условий, волнения, глубины воды, режима наносов, ледовых условий, наличия местных строительных материалов и условий строительства.

Верхняя граница берегоукрепления определяется максимальным расчетным уровнем воды, который устанавливают отдельно для участка площадки береговых сооружений (по классу капитальных водозаборных сооружений) и собственно берегоукрепления (класс на единицу ниже). Если в первом случае недоучет наката волн на откос приводит к воздействию волн на наземную часть насосной станции и вызывает осложнения в ее эксплуатации, то во втором, ущерб сооружению будет значительно меньше. При определении верхней границы крепления в первом случае необходимо учитывать повышение уровня воды вследствие ветрового нагона.

Верхнюю границу основного крепления принимают на высоте наката волн 5%ной обеспеченности (h_H50?) при высоте волн в системе 1%ной обеспеченности. Параметры волн определяют для румбов, составляющих не менее 30⁰ с линией уреза воды. При расчете учитывают волны тех направлений, которые оказывают наибольшее силовое воздействие на крепление откоса.

Нижняя граница основного крепления не должна быть выше нижней кромки припая ледяного покрова к покрытию и должна приниматься на глубине, равной двойной высоте волны 1%ной обеспеченности при минимальном уровне воды в водоеме.

Нижняя граница облегченного крепления определяется из условия неразмываемости грунта берега донными волновыми скоростями при высоте волн 5%ной обеспеченности, при низких эксплуатационных уровнях в водоеме, при открытой его поверхности с учетом продольной скорости (вдольберегового течения или стокового). Донные волновые скорости находят по формуле, предложенной М. Е. Плакида:

, м/с, (5.15.1)

где r - коэффициент отражения волн, h и л - соответственно высота и длина волны, м.

По исследованиям В. Н. Авдеевой [31] при 10 ? л/H ? 20:

n = 0.04 (/Н) + 0,2, (5.15.2)

где Н - глубина воды на нижней границе крепления, м.

Коэффициент отражения волн определяется:

r = k_ш(h_оmр/h) (5.15.3)

где k_ш - коэффициент шероховатости и проницаемости покрытия, равный для бетонных плит - 0,9, для каменной наброски - 0,55.

Зависимость r от заложения откоса и крутизны волны приведена на рисунке 5.17а.

Начальные волновые скорости трогания и перемещения частиц грунта можно определить по рисунку 5.17б.

Крепление берега состоит из фильтровой подготовки, покрытия и упоров. Покрытия обычно устраивают из камня или железобетонных плит (монолитных или сборных).

Крепление укладывают по спланированному основанию, выполненному путем срезки грунта. В крайнем случае, допускается подсыпка песчаного грунта с доведением его плотности до плотности грунта на смежных участках, во избежание неравномерности просадок. В подводной части основание должно быть протралено и спланировано, посторонние предметы удалены, а ямы засыпаны. Основание из глинистых и мелкозернистых песчаных или разжижающихся при динамических нагрузках грунтах защищают песчаной пригрузкой, толщину которой устанавливают на основании специальных исследований.

В курсовом проекте эту толщину можно принимать равной 0,2 - 0,3м.

Пучинистые грунты должны быть дренированы и защищены от промерзания слоем непучащегося грунта.

Фильтровая подготовка предназначена для защиты основания от суффозии из него мелких частиц и устраивается по типу обратного фильтра. Она может быть выполнена из одного слоя разнозернистого песчано - гравийного грунта и из двух или трех слоев различных по крупности материалов в соответствии с “Инструкцией по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений” ВСН 02 - 65/ГПКЭ и Э СССР.

Покрытие из каменной наброски, выполняют из рваного камня плотных изверженных, осадочных и метаморфических пород, не трещиноватых, без признаков выветривания, морозо - и водостойких пород, отвечающих требованиям СНиП 1- В.8-62. Покрытие следует делать из несортированного камня - горной массы, в которой камни с массой более расчетной составляют не менее 50% всего объема, а коэффициент неоднородности, k₆₀ = d₆₀/d₁₀ =

= 3 - 15. Применение горной массы упрощает устройство фильтровой подготовки.

Возможно устройство покрытия из наброски сортированного камня. Применение неполномерного камня по массе при этом допускается в количестве не более 25% общего объема наброски при условии равномерного распределения по откосу при минимальной массе отдельных камней не менее половины массы расчетного камня.

Средний диаметр камня наброски Б. И. Студенчиков [32] рекомендует определять по формуле:

, м, (5.15.4)

где В = 8,5,2 - соответственно, доля камня вполне однородного, неоднородного и горной массы; х и H - местная скорость, м/с и глубина потока над зоной крепления, м.

Расчетную скорость течения воды над креплением следует увеличить на 10 - 20% для получения необходимого гарантированного запаса.

Расчетная масса отдельных камней наброски для откосов 2 ? m ? 5, подвергающихся воздействию волн, находится по формуле:

, т, (5.15.5)

где h и л - высота и длина волны, м; м - коэффициент, учитывающий форму камня, принимается равным 0,025; с_k и с - плотность камня и воды, т/м³,

m - заложение откоса; г_к - объемная масса камня, т/м³; k - коэффициент запаса, равный 1,5 для сортированного камня и 2 - для горной массы.

Диаметр камня, приведенный к диаметру шара D_ш, допускается определять по формуле:

, м. (5.15.6)

Толщину каменной наброски принимают равной 3D_ш.

В месте ожидаемого подмыва наброски и деформации крепления, каменную наброску следует укладывать на фашинный или хворостяной тюфяк или же на сварную сетку из арматурной гладкой стали (см. приложение VIII рис. 1).

При креплении береговых откосов железобетонными плитами расчет их рекомендуется производить на волновые нагрузки по СН 92 - 60 и СН 288 - 64. Волновые нагрузки на плиты, рассматриваемые как лежащие на упругом основании, следует производить в двух направлениях - вдоль откоса и вдоль уреза воды.

По условиям устойчивости толщину плит или карт с открытыми швами для откосов с заложением m = 2 - 5 рекомендуется определять по формуле:

, м, (5.15.7)

где L - длина ребра плиты или карт вдоль откоса, м; з - коэффициент, принимаемый равным для монолитных плит - 1, для сборных - 1,1; m - заложение откоса, с_п и с_в - плотность, соответственно плиты и воды, т/м³.

Толщина плиты конструктивно не должна быть меньше 120мм.

Размеры карт покрытий из сборных омоноличенных плит принимают вдоль уреза воды - до 30м, а вдоль откоса - до 20м.

Горизонтальные швы покрытий следует располагать вне зоны максимальных волновых воздействий.

Плотность грунтов откоса должна быть доведена до состояния исключающего опасные и неравномерные просадки.

Размеры открытых швов в покрытиях должны назначаться минимальными, соответствующими гранулометрическому составу фильтра. Вертикальные открытые швы рекомендуется располагать вразбежку (с перевязкой швов).

Плиты размером до 8 Ч 8м следует укладывать на сплошной фильтровой подготовке, а бульших размеров, на ленточных фильтрах под швами шириной 0,6 - 1,0м по низу.

Крепление из сборных железобетонных плит осуществляется с омоналичиванием уложенных на откосе плит в укрупненные карты.

При надлежащем обосновании допускается крепление из омоноличенных плит с открытыми швами на сплошной фильтровой подготовке. Такие плиты рекомендуется укладывать в креплениях, которые могут подвергаться значительными деформациям.

Упоры в основании покрытия выполняют из армобетонных массивов (монолитных или сборных). Размеры их назначаются в зависимости от заложения и высоты откоса и коэффициента трения покрытия по грунту откоса с учетом взвешивания покрытия при волновом воздействии.

Отдельные плиты в картах до омоноличивания соединяют между собой сваркой их арматуры. Между картами следует предусматривать деформационные швы, заполняемые асфальтобетоном, с шарнирным соединением стальной арматуры плит.

Откосы выше верхней границы основного крепления осуществляются по типу облегченного крепления из слоя гравия или щебня толщиной 0,2м или же путем укладки дерна, травяных ковров [33], а также покрытия растительным грунтом толщиной 0,3м. с посевом трав.

На рисунках 2 и 3 приложения VIII показаны примеры крепления берега у водозаборных сооружений с различным покрытием.

Расчеты плит на устойчивость показывают, что при одних и тех же параметрах волн при увеличении ширины б (по урезу воды) и длины плиты в (по откосу) толщина плиты уменьшается, а при расчете на прочность увеличивается. А.Д.Шабановым [34] предложена номограмма для определения толщины плиты hпл = f(в,h) при различных значениях высоты волны при модуле деформации фильтровой подготовки Е₀ = 40 МПа, марке бетона 300 и заложении откоса, равном 3 (см. рис. 5.19). Кривые 1- 4 показывают изменение толщины плит в зависимости от размера плиты (а = в) по условию обеспечения устойчивости, а кривые 5 - 11 - прочности. Оптимальное решение дают точки пересечения этих кривых.

На вырывающее воздействие примерзшего к плите льда следует рассчитывать при толщине ледяного покрова более 0,5м.

5.16 ВЫБОР МЕСТА РАСПОЛОЖЕНИЯ ВОДОПРИЕМНОГО КОВША И ЕГО РАСЧЕТ

5.16.1 РАСРОЛОЖЕНИЕ И УСЛОВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ КОВША

Водоприемные ковши устривают для борьбы с шуголедовыми помехами на речных, чаще всего, промышленных водозаборов производительностью неболее 20 - 25 м³/ч.

Иногда, при соответствующем заглублении дна и последующих очистках водоприемные ковши могут быть использованы в целях увеличения глубин у места приема воды, а также относительной величины расхода, отводимого из русла в период минимума стока, и предварительного частичного осветления воды от взвешенных наносов (см. приложение II).

Бассейны водоприемных ковшей должны покрываться ледяным покровом на два - три дня раньше речного.

Установление ледяного покрова в ковше весьма значительно снижает теплоотдачу в атмосферу и, кроме того, обеспечивает по нижней кромке льда поддержание постоянной нулевой температуры. Поэтому поступающая из реки в ковш переохлажденная вода с заключенными в ней кристаллами ледяной взвеси теряет переохлаждение и иногда даже несколько нагревается, до 0 - 1⁰С за счет теплоты, выделяющейся в процессе внутриводной кристаллизайии, быстро затухающей в водоприемном ковше.

Бассейны водоприемных ковшей должны обладать длиной и скоростями течения, обеспечивающими всплывание к поверхности всех кристаллов ледяной взвеси, имеющей гидравлическую крупность щ ? 0,015 - - 0,02 м/c. Отделению ледяной взвеси должно обеспечиваться как в области водоворотных или циркуляционных зон, так и в пределах транзитной струи, обладающей скоростями в сечении, и не только в начальный период шугохода, но и к моменту установления ледяного покрова в основном русле, когда часть бассейна ковша занята отложениями ледяной взвеси.

При отводе воды из реки в ковш не должны захватываться поверхностные массы шуги. У ковша должны обеспечиваться благоприятные условия для транзита шуги по руслу реки с тем чтобы входная часть ковша не оказалась закупоренной шугозажором.

В обычных условиях водоприемный ковш не должен сколько - нибудь значительно изменять бытовой режим речного потока. Стеснение последнего не должно приводить к возникновению заторов льда или ухудшению существующего водопользования.

При решении вопроса о размещении сооружений водоприемного ковша следует учитывать, как внешние условия работы ковша, а именно: обтекание его речным потоком, обеспеченность нормального транзита по руслу реки шуги, наносов и льда; внутренний режим работы ковша - расположение транзитной струи в нем, отложение шуги, наносов и других характеристик, а также индивидуальные особенности места расположения водозабора. Учитывая все выше перечисленные условия, необходимо стремиться к наименьшему изменению бытового режима речного потока.

При наличии, в месте расположения водозаборного ковша, малых глубин у берега, нежелательных форм береговой линии, сооружение следует располагать таким образом, чтобы эти недостатки были устранены или смягчены без применения специальных выправительных сооружений.

В обычных условиях внешним элементом водоприемного ковша следует придавать достаточно плавные формы, хорошо обтекаемые потоком.

Вблизи ковша, в особенности несколько ниже его, не допускаются отмели, скальные выступы в дне русла (так называемые заборы), остатки подводных сооружений и вообще всякие препятствия, которые могут послужить причиной образования русловых или береговых деформаций или шугозажоров у водоприемного ковша.

Считается недопустимым крутой поворот русла реки, если он расположен непосредственно ниже входа в ковш.

На ближайшем, расположенном ниже, перекате желательно иметь глубины на гребне, по крайней мере, не меньше, чем глубины на ближайшем перекате, лежащем выше.

Все имеющиеся недостатки в русле реки у места расположения ковша должны устраняться соответствующими углублениями или расчистками русла реки.

Для незаливаемых водоприемных ковшей с низовым входом, полностью или частично выдвинутых в русло реки в условиях относительно крутых берегов русла оси речной дамбы, как правило, располагаются параллельно бровке берега, а верховой криволинейной части дамбы придают очертание близкое к элептическому (рис. 3а,б,в). За меньшую полуось s в этом случае принимают величину выноса внешней грани ковша в русло, а бо?льшую полуось назначают в пределах (1,5 - 2,0)s.

Если меженное русло у берега будет иметь малые глубины, то для преодоления полосы мелководья устраивают прорезь на подходе к водоприемному ковшу. При этом ось прорези назначают под углом ц ? 135⁰ к направлению течения в русле.

Когда глубина этой прорези у входа в ковш больше или равна 2м, у оголовка речной дамбы ковша целесообразно устраивать верховую шпору, угол между осью шпоры и направлением течения в реке может быть около 135⁰, отметка гребня - примерно равной отметкам уровней при шугоходе обеспеченностью 25?, а длина по оси равна пяти - шести высотам шпоры, отсчитываемой от уровня дна прорези (рис. 3г).

Незаливаемые водоприемные ковши с низовым входом полностью или частично выдвинутые в русло реки, в условиях относительно высоких берегов, в отдельных случаях могут располагаться под углом ц = 160 - 170⁰ к направлению потока (рис. 3б). И в этом случае, в зависимости от особенностей местных условий, могут устраиваться прорези на подходе, а также верховые шпоры (рис. 3д).

В условиях, допускающих отказ от устройств незаливаемых речных дамб, применяют низовые ковши с заливаемыми в паводки дамбами. Расположение ковша в этом случае может быть принято аналогичным расположению ковша с незаливаемыми дамбами (рис. 3е) при условии более значительного развития в ширину гребня корневой части дамбы.

При действующих ниже места расположения ковша сброса промышленных стоков, удаленных от входа в ковш на расстояние, меньше 8 - 10кратной величины выдвинутости его в русло В_к, подходы к ковшу снизу должны ограждаться соответствующими дамбами или шпорами. Последние лучше всего располагать выше сброса промышленных стоков.

При относительно близком расположении сброса теплой отработавшей воды водоприемные ковши приходиться ограждать низовыми дамбами. В этих случаях голову низовой дамбы выдвигают в русло примерно на такую же величину, как и голову речной дамбы.

Если же незатопляемая низовая дамба будет иметь меньшую величину выноса, чем указано выше, то у оголовка ее устраивают низовую затопляемую шпору (рис. 3в).

Водоприемные ковши, заглубленные в берег русла, проектируются с углом отвода ц = 135 - 150⁰. Эту величину угла отвода следует выдерживать хотя бы на входе, если ось остальной части ковша почему-либо необходимо задать в другом направлении. Ширину входа в ковш, заглубленный в берег, принимают на 20 - 35?меньше ширины ковша (рис. 3ж).

При необходимости устройства и поддержания подходной прорези у ковша, заглубленного в берег и расположенного на прямолинейном участке русла, рекомендуется устраивать верховую заливаемую шпору (рис. 3з).

При компоновке сооружений водоприемного ковша и подбора всех размеров и форм необходимо стремиться к наиболее благоприятным внутренним очертаниям ковша, обеспечивающим:

- невозможность образования в половодье только одного водоворота, распространяющегося на всю акваторию ковша;

- практически неустранимому водовороту на входе в ковш следует стремиться придать наименьшие размеры, причем лучшее решение получается в том случае, когда акватория меженного водоворота окажется промываемой в период половодья и паводков;

- создание условий для двухстороннего расширения в плане транзитной струи;

-ослабление интенсивности циркуляции.

При этом необходимо иметь в виду следующее:

- транзитные струи на входе в ковш всегда прижаты к низовому борту входа и направляются плоскостями этого борта, поэтому режим в ковше всегда зависит от положения откосов низового борта входа по отношению к направлению обтекающего потока;

- точке (или области) раздела потоков реки и ковша, всегда размещается на плоскостях низового борта, уровень воды оказывается более высоким, чем в реке или ковше. Это местное повышение уровня воды усиливает интенсивность циркуляции в ковшах, заглубленных в берег реки, и в ковшах с низовыми незаливаемыми дамбами.

Учитывая это, целесообразно плоскость низового борта входа задавать таким образом, чтобы транзитная струя уже во входной части получила направление к оголовку речной дамбы. При этом акватория входного водоворота оказывается наименьшей. При наличии угрозы повышенной заносимости ковша взвешенными наносами следует устраивать бортовые струенаправляющие стенки, изолирующие область повышенных давлений и обеспечивающие формирование на входе водоворота малых размеров (рис. 3и). Бортовая стенка изменяет течение широких транзитных потоков и контурных струй при ее длине, равной 2/3 величины полного заложения откоса низовой дамбы или низового борта входа, считая по уровню воды. Верх ее не должен затапливаться в периоды уровней стояния высоких вод и может быть выполнен ступенчатым для сохранения примерно одинаково высоты ее над поверхностью откоса.

В целях уменьшения избыточной заносимости ковша крупными взвешенными наносами можно использовать верховые затопляемые в паводок шпоры, располагаемые у оголовка речной дамбы. Действие этих шпор - от входа в ковш отбрасываются придонные массы речного потока влекущие и донные наносы и наиболее крупные фракции взвешенных наносов. Возникающая за шпорой акватория меженного входного водоворота, в котором задерживаются взвешенные наносы, топляки и т.п., в половодье промываются самим потоком.

Верховые шпоры в таких случаях необходимо примыкать к конической части оголовков речных дамб, располагая их в соответствии с рис. 3г.

На реках с большой мутностью воды (более 2 кг/м³) устанавливают входные шлюзы - регуляторы облегченных полусборных конструкций (рис. 3к). Отверстие такого шлюза - регулятора имеет площадь равную 50 - 60? площади живого сечения ковша в период шугохода, а все остальные части полного сечения ковша перекрываются забральной стенкой.

При необходимости поддержания у входа в ковш или на подходе к нему глубин, превышающих бытовые, особенно в случаях неглубокого залегания кровли коренных пород, рекомендуются водоприемные ковши с самопромывающимся входом (рис. 3л), которые могут быть использованы и как своеобразные выправительные сооружения.

При использовании теплой отработавшей воды для повышения надежности работы ковша в зимний период место ее выпуска назначают в соответствии со следующими соображениями:

- если ковш работает в области относительно малых водоотборов (Q_в < Q_в.пр) и расположен на реке, характеризующейся резкими и значительными безрасходными колебаниями уровней при шугоходе, то выпуск теплой воды осуществляется в центр входного водоворота;

- если ковш работает в области больших водоотборов (Q_в > Q_в.пр), то выпуск теплой воды устраивается у низового борта входа. В этом случае, теплая вода вводится в начальные сечения транзитной струи и с помощью специальных приспособлений (рассеивающий водовыпуск), можно равномернее распределить по поперечному сечению;

- если ковш устроен на реке, характеризующейся резкими и значительными колебаниями уровней воды при шугоходе, и, кроме того, работает в области больших водоворотов (Q_в > Q_в.пр), то выпуск теплой воды производят в береговую часть русла реки, выше входа в водоприемный ковш.

5.16.2 РАСЧЕТ ВОДОПРИЕМНОГО КОВША

Отметку дна ковша ?_д.к назначают из расчета обеспечения требуемых глубин в нем в период стояния расчетных низких горизонтов воды в реке. В большинстве случаев это требование относится к минимальным уровням зимней межени (?_з.м.у), когда в водоприемном ковше устанавливается расчетная толщина ледяного покрова. Для этого случая отметку дна можно определить по формуле:

?_д.к = ?_з.м.у - 1,33с_лд_л - 0,3 - D - h_п, м, (5.16.1)

где 1,33 - коэффициент увеличения толщины льда в ковше по сравнению с толщинами льда, формирующегося в русле; с_л - плотность льда, принимается в среднем равной 0,92 т/м³; д_л - расчетная толщина ледяного покрова в русле реки, м; 0,3 - заглубление верхней кромки водоприемного отверстия высотой Н (диаметром D) под нижнюю поверхность льда, м; h_п - высота порога водоприемных отверстий водозабора, назначаемая в зависимости от высоты слоя отложений наносов в водоприемном ковше в пределах 0,5 - - 1,0м.

В зависимости от местных условий, вычисленная глубина ковша может быть увеличена в пределах 1,0м, если это увеличение не повлечет выемки в коренных скальных грунтах.

Понижение уровня дна ковша оказывается необходимым и при использовании ковша в роли отстойника взвешенных наносов. В этом случае высота поверхности осаждаемых отложений наносов не должна приводить к нарушению питания ковша при установлении меженных уровней воды в реке.

Ширина водоприемного ковша по дну (расчетная схема представлена на рис. 5.19) назначается в расчете на быстрое установление в нем ледяного покрова при работе в тяжелой внешней шуголедовой обстановке.

Ширина ковша по дну, удовлетворяющая этому условию, может быть определена при обеспечении в нем условной средней скорости х_к. При работе водоприемного ковша без подвода в него теплой воды условная средняя скорость в ковше х_к может быть определена по формуле:

х_к = 0,3е-^0,6k, м/с (5.16.2)

где k - параметр, принимаемый по таблице 5.16.1; е - Неперово число.

Указанные средние скорости могут быть увеличены на 25 - 50?, если к водоприемному ковшу будет подведена теплая отработавшая вода. Подвод теплой воды осуществляется при заборе воды для нужд ТЭЦ, ГРЭС, АЭС или промышленных предприятий.

Ширину ковша по дну определяют по минимальному уровню воды в период шугохода ?_м._у.ш с учетом наличия в ковше льда (д_л = 0,3 - 0,5м) и наносов (слой _hн), уменьшающих глубину живого сечения до величины:

h_ж = ?_м.у.ш - ?_д.к - д_л - h_н, м. (5.16.3)

При заданном геологическими условиями заложении откосов m ширину водоприемного ковша по дну можно определить по формуле:

В_д = (Q_в/h_жх_к) - m (2h_н + h_ж), м, (5.16.4)

где Q_в - расход водозаборного сооружения, м³/c.

Таблица 5.16.1

Значения условных средних скоростей в ковше

Скорость воды в русле (на пере кате) хп, м/с	k	Усредненные значения скорости в ковше хк, м/с
0,6	1,2	0,146
0,8	1,6	0,115
1,0	2,0	0,09
1,25	2,5	0,082
1,50	3,0	0,05

При малых значениях В_д ширину ковша назначают конструктивнр от 5 до 8м для возможности прохода землесосно - рефулерного снаряда, применяемого для очистки ковша от наносов.

Полную длину водоприемного ковша, заглубленного в берег, измеряют по его оси от начального сечения входа до водоприемника, вычисляют по формуле:

L = ?_вх + ?_ш + ?_р, (5.16.5)

где ?_вх - длина входной части ковша, охватываемая водоворотом на входе и засоряющаяся еще в начале шугохода, м; ?_ш - длина участка интенсивных отложений шуги и ледяной взвеси под ледяным покровом захватываемых за весь период шугохода, м; ?_р - длина рабочей части ковша в пределах которой к концу шугохода обеспечивается полное всплывание в транзитной струе всех скоплений кристаллов льда, имеющих гидравлическую крупность щ₀ ? ? 0,015 - 0,02 м/с.

Длина входной части ковша занятой водоворотом определяется:

?_вх = (1,0 - 1,5)В_в, м, (5.16.6)

где В_в - ширина ковша на входе по урезу воды при минимальном уровне шугохода, м.

Длину участка отложений шуги в ковше за период шугохода при малых водоотборах (Q_в < Q_в.пр) устанавливают приближенно. В зависимости от водоприемного ковша и режима его работы ?_ш бывает равной:

- для ковша с низовым входом, выдвинутым в русло реки и не имеющего низовых дамб, принимается равной ?_ш = 5 - 10м;

- для ковша заглубленного в берег принимается равной, ?_ш = 15 - 20м;

- для ковша с верховым входом, полностью или частично выдвинутым в русло реки принимается равной ?_ш = 20 - 35м.

Для больших водоотборов необходимо приведенные значения увеличить в 1,25 - 1,5 раза. При этом к большим водоотборам (Q_в > Q_в.пр) относят расходы, превышающие следующие значения:

- для ковшей, заглубленных в берег или с низовым входом, но с низовыми дамбами:

Q_в.пр = 0,046В_вхх_а, м3/с; (5.16.7)

- для ковшей с низовым входом, выдвинутым в русло реки на величину В_к:

Q_в.пр = 0,137ВкНх_а,м3/с, (5.16.8)

где Q_в.пр - характерная величина водоотбора, превышение которой обуславливает возникновение всех известных особенностей режима деления потока; х_а - средняя скорость течения в прибрежной зоне речного потока, определенная при среднем горизонте шугохода, м/с; Н - глубина воды на входе в ковш, м; В_вх - ширина входной части ковша, измеренная по урезу среднего горизонта воды при шугоходе, м; В_к - ширина водоворота, возникающего в русле реки, обычно меньше величины выноса головы рабочей дамбы ковша, измеренная от формирующейся ниже ковша линии уреза воды при среднем горизонте шугохода, м; 0,046 и 0,137 - поправочные коэффициенты, учитывающие характер расположения ковшей, причем значение коэффициента в формуле 5.16.6, по мнению М.А.Михалева, может быть увеличено до 0,082.

Длина рабочей части ковша определяется по формуле:

?_р = 28,7 v(в_н² + 0,105Q_в)/(щ - в_н), м, (5.16.9)

где щ - расчетная гидравлическая крупность наиболее мелких скоплений кристаллов внутриводного льда, принимается равной 0,015 - 0,020 м/с; в_н - - начальная ширина транзитной струи на входе (рис. 5.19 а,б),м, определяет ся по формуле:

в_н = Qв/Нхвх, м, (5.16.10)

где Н - глубина воды в ковше при минимальном уровне шугохода, м; х_вх -- скорость потока на входе в ковш, определяется по формулам: