МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

УДК 626/627

ФРОНТАЛЬНЫЙ ВОДОЗАБОР С КАРМАНОМ И СПОСОБЫ

ЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

 

Т.Ю. Хаширова – к.т.н., доцент

Кабардино-Балкарский государственный университет, г. Нальчик, Россия

 

Для стабильного забора воды из реки с минимальными последующими эксплуатационными затратами необходимо построить надежную конструкцию водозаборного сооружения. Известно из практики, чем ниже класс капитальности сооружения водозаборного сооружения, тем больше эксплуатационные затраты, и наоборот. Поэтому экономия средств на строительстве капитальных водозаборных сооружений оборачивается гораздо большими потерями при эксплуатации этих сооружений.

Фронтальные водозаборы с фронтальным промывом наносов применяют на предгорных участках рек для отвода сравнительно небольших расходов воды. Среди фронтальных водозаборов можно выделить наиболее распространенные водозаборы с карманом, называемые также "индийскими". Промывной карман перед головным сооружением образуется путем устройства раздельной стенки. В нем осаждаются крупные донные наносы и создаются благоприятные условия для смыва их в нижний бьеф при пропуске больших расходов, с большими скоростями, через специальные промывные отверстия. Особенность работы такой схемы водозабора состоит в том, что ослабляется расслоение потока перед ним, а при удельных расходах в реке, больших, чем в кармане, наносы отжимаются с части ширины входа в карман и увлекаются в пролеты плотины.

Водозаборы с карманом применялись преимущественно на предгорных участках рек при достаточных расходах воды для промыва наносов. Однако практика эксплуатации таких водозаборов, построенных на реках Средней Азии, выявила ряд недостатков [1], к которым можно отнести плохую промываемость кармана, взмучивание потока при промыве кармана и завлечение наносов в канал, необходимость прочного крепления русла в нижнем бьефе за промывными отверстиями.

Для улучшения работы фронтальных водозаборов предложены технические решения, позволяющие устранить отмеченные выше недостатки, например преобразование кармана в отстойник с периодической промывкой. Для этого в голове кармана необходимо установить шлюз-регулятор, а дно образовавшегося однокамерного отстойника с периодической промывкой запроектировать под уклоном (рис. 1). Отметка дна водозаборного шлюза-регулятора находится выше отметки дна отстойника на 1,5-2 м. Недостатком данного технического решения являются перебои в подаче воды во время промывки камеры отстойника и относительно большая длина отстойника, что отражается на стоимости сооружения. Наиболее совершенной конструкцией водозаборного сооружения являются фронтальные водозаборы с двух- и многокамерными отстойниками, с лотковым забором воды из отстойника (рис. 2).

 

Рис. 1. Фронтальный водозабор с совмещенным однокамерным отстойником:

1 – водосливная плотина; 2 – понур; 3 – водобойный колодец; 4 – устои;

5 – струенаправляющие дамбы; 6 – камера отстойника; 7 –  верхний шлюз-регулятор;

8 – нижний шлюз-регулятор; 9 –  рабочий затвор; 10 –  паз для аварийного затвора;

11 – промывиой затвор; 12 –  транзитный участок; 13 –  водосборный лоток;

14 –  водозабормый шлюз-регулятор; 15 –  затвор; 16 –  отводящей канал

 

 

Рис. 2. Фронтальный водозабор с совмещенным двухкамерным отстойником:

а) план водозабора:  1 – водосливная плотина; 2 – понур; 3 – водобойный колодец;

4 – устои; 5 – струенаправляющие дамбы; 6 – камеры отстойника; 7 – верхний шлюз-регулятор; 8 – нижний шлюз-регулятор; 9 – рабочий затвор; 10 – паз для аварийного

затвора; 11 –  промывной затвор; 12 – транзитный участок; 13 – водосборный лоток;

14 –  водозаборный шлюз-регулятор; 15 –  затвор; 16 –  отводящей канал

 

Рис. 3.  Схема промывки камеры отстойника:

1 – рабочая камера отстойника; 2 – рабочий затвор верхнего шлюза-регулятора;

3 – рабочий затвор нижнего шлюза - регулятора; 4 – струенаправляющие стенки

 

Фронтальный водозабор с совмещенным двухкамерным или многокамерным отстойником для обеспечения бесперебойности подачи воды во время промывок имеет несколько рабочих камер, а забор осветленной воды осуществляется водосборным лотком, установленным поперек направления воды, непосредственно перед промывным шлюзом-регулятором.

Фронтальный водозабор работает следующим образом. Поток воды в верхнем бьефе струенаправляющими дамбами направляется к водосливной плотине, которая, подпирая, повышает отметку воды в реке до требуемого уровня. Перед водосливной плотиной устраивается понур, который удлиняет путь фильтрации и тем самым снижает фильтрационное противодавление на водобойный колодец и фильтрационные градиенты.

Наиболее оптимальным решением конструкций струенаправляющих дамб, понура и водобоя являются гибкие конструкции.

Под действием подпора, созданного водосливной плотиной, поток воды поступает в камеры отстойника. Расчет размеров камеры отстойника ведут на расход, поступающий в отводящий канал . Расход одной камеры отстойника зависит от принятого количества камер

                                                   ,                                                                  (1)

где    п количество рабочих камер отстойника.

При средней продольной скорости 0,2-0,4 м/с во время осаждения наносов живое сечение всех камер отстойника будет

                                                  .                                                                                (2)

Для прямоугольного сечения ширина при заданной средней глубине

                                                 .                                                                     (3)

Камера отстойника имеет верхний и нижний шлюз-регулятор. Верхний шлюз-регулятор имеет паз для аварийно-ремонтного затвора и рабочий затвор, который во время работы полностью открывается. Паз для аварийно-ремонтного затвора предусматривается перед рабочим затвором и в него в период строительства или ремонта вставляются шандорные доски. Нижний шлюз-регулятор также имеет промывной затвор и паз для аварийно-ремонтного затвора, который устраивается за промывным затвором. Во время работы промывной затвор закрыт и камеры отстойника работают на заиление. Длина рабочей камеры-отстойника определяется по формуле

                                                ,                                                                (4)         

где   числовой коэффициент, принимаемый в пределах 1,3-1,5;   гидравлическая крупность расчетных фракций наносов, подлежащих осаждению.

При заданной промывной скорости 3,5-4 м/с глубина воды в камере будет определяться по формуле (см. рис. 3)

                                                    .                                                               (5)

Для глубины , вычисляем значения гидравлического радиуса , коэффициента С и по формуле Шези находим уклон дна камеры-отстойника

                                                        .                                                                      (6)

 

На основе расчетов объемов отложившихся в камере наносов определяют время ее заиления [2]. Приближенный метод расчета осаждения наносов в отстойнике состоит в замене реальной расчетной схемы фиктивной, при этом предполагается, что результаты таких расчетов будут близки к результатам, полученным по реальной схеме при использовании более точных методов расчета.

В фиктивной схеме дно камеры отстойника принимают горизонтальным с глубиной воды в ней Нср. Объем отложившихся наносов в камере к моменту ее промывки можно рассматривать как состоящий из двух частей:

объема, образовавшегося в результате отложения расчетных фракций и крупнее их, определяемого по зависимости

                                                 ,                                                         (7)

где    время осаждения наносов; суммарная объемная мутность расчетных фракций и крупнее их; расход, проходящий через камеру;

объема, образовавшегося в результате осаждения фракций меньше расчетных, определяемого по формуле

                                    ,                                    (8)

где объемная мутность отдельных фракций наносов;   глубина, с которой отдельные фракции взвешенных наносов осаждаются в камере отстойника.

Забор осветленной воды осуществляется следующим образом: вода переливается через стенки водосборного лотка и поступает в водозаборный шлюз-регулятор, в котором есть затвор для регулирования расхода воды, попадающей в отводящий канал. Устройство водосборного лотка позволяет собирать воду с верхних слоев потока воды, которая является более осветленной, и тем самым сократить длину рабочей камеры отстойника.

Отметка дна водозаборного лотка расположена выше отметки поверхности воды при промывке. Таким образом, водосборный лоток не мешает делать промывку отложившихся наносов. После заиления мертвого объема одной из камер отстойника необходима промывка, для чего приподнимается на требуемую высоту рабочий затвор и поток воды вытекает и смывает отложившиеся на дне наносы (см. рис. 3). Дно камеры отстойника запроектировано под уклоном из расчета транспортирования объема отложившихся наносов. Во время промывки промывной затвор полностью открывается. Время промывки в минутах определяется по зависимости

                                                    ,                                                    (9)

где   транспортирующая способность и мутность потока;   удельный вес наносов;  мертвый объем камеры отстойника.

Транспортирующую способность потока воды во время промывок при известных  и  можно определить по формуле Б.М. Шкундина

                                            .                                            (10)

Обычно время промывки составляет 10-20 мин. Во время промывки одной из камер отстойника вода в водосборный лоток поступает через другие камеры.

После очистки рабочей камеры отстойника рабочий затвор полностью открывается, поднимается промывной затвор и поток воды, вытекающий из-под него, протекая по транзитному участку, смывает все отложившие наносы и направляет их в нижний бьеф, в русло реки. Во время промывок водозаборный затвор закрыт, и подача воды потребителю прекращается. После промывок промывные затворы приводятся в исходное положение, и подача воды через отводящий канал возобновляется.

На территории Северного Кавказа имеется острый дефицит пресной воды, пригодной для хозяйственных нужд. Поэтому водопроводящая сеть должна быть совершенной и в ней не должно быть потерь воды. В настоящее время для решения этой проблемы стали проектировать лотковую сеть. Транспортируемая по лотковой сети вода должна быть максимально очищена от наносов, чтобы не осложнять ее эксплуатацию. Высокая степень осветления потока достигается в отстойниках с периодической промывкой, с забором воды из верхних слоев потока, как это предлагается сделать в нашем примере.

Совмещенный с водозабором отстойник позволяет не строить водосбросный тракт, совмещать одну стенку отстойника с устоем водозабора, а устройство поперечного водосборного лотка сокращает необходимую длину отстойника в 1,5-2 раза. Благодаря совмещению отстойника с водозабором значительно улучшается эксплуатация самого фронтального водозабора, так как вся осаждаемая масса наносов перед водозабором легко смывается гидравлическим способом за несколько минут.

 

Библиографический список

 

1.         Розанов Н.П., Бочкарев Я.Б., Лапшенков В.С. и др. Гидротехнические сооружения. /Под ред. Н.П. Розанова. – М.: Агропромиздат, 1985. 432 с.

2.         Журавлев Г.И. Гидротехнические сооружения. – М.: Колос, 1979.423 с.

3.         Полож. реш. по заявке №2004123913/03  МКИ Е02В 8/02, Ео2В 9/04  Фронтальный водозабор с периодической промывкой. /Ламердонов З.Г.; от 04.08.2004г.

4.         Патент Российской Федерации №2189421 МКИ Е 02 D 17/20, Е 02 В 3/12 Комбинированное крепление  откосов. /Ламердонов З.Г.; Заяв. 08.11.2000; опубл. 20.09.2002, Бюл. № 26.          

5.         Патент Российской Федерации № 2200793 МКИ Е 02 D 17/20, Е 02 В 3/12 Армобутобетонное крепление  / Ламердонов З.Г., Дышеков А.Х. ; Заяв. 16.10.2000; опубл. 20.03.2003, Бюл. №8.