Гидротехнические сооружения, Кудин - Водозаборные сооружения и отстойники

Водозаборные сооружения обеспечивают бесперебойную подачу воды в канал, туннель, ГЭС и другим водопотребителям в соответствии с установленным графиком водопотребления; преграждают доступ в канал донных насосов, шуги, льда, плавника и т. д.
По характеру забора воды их делят на водозаборные (головные) сооружения с поверхностным (открытым) и глубинным водозабором.
Поверхностные или открытые водозаборные сооружения бывают бесплотинные и плотинные. Бесплотинные применяют тогда, когда уровень и расход реки достаточны для самотечного питания канала; плотинные — когда уровень в естественном русле не обеспечивает отвод необходимого расхода воды.
Подходную часть водозабора располагают в плане так, чтобы обеспечить плавный вход воды в сооружение с минимальными потерями напора.
Комплекс водозаборных и других гидротехнических сооружений образует водозаборный гидротехнический узел.
Водозаборные сооружения располагают на вогнутом берегу, поскольку в этом случае в водозабор попадает меньше наносов. При приблизительно равных скоростях речного потока и входа в водозаборное сооружение ось отверстия водозабора направлена по касательной к оси речного потока, а линия фасада расположена под углом 110—120° к оси плотины. Перед водозаборным сооружением обычно устанавливают грубую решетку для задержания разного мусора. Просвет между прутьями решетки должен быть не более 50 мм, скорость воды в этих местах принимается 0,4—1 м/с. Отметка порога водозабора должна быть не менее чем на 1 м выше уровня предполагаемых отложений наносов перед порогом.

Рис. 52. Схема водоснабжения ТЭС с запасным водоемом:

1. — водозаборный ковш; 2 — насосная станция первого подъема; 3 — канал; 4 — насосная станция второго подъема.

Водозаборное сооружение сопрягается с каналом путем устройства обратной или ныряющей стенки, выполненной в бетоне или железобетоне. На рис. 52 представлена схема, предусматривающая подачу воды потребителю из реки, на правом берегу которой расположен водозаборный узел, насосная станция и запасной водоем. Такой водоем в известной степени гарантирует обеспечение водопотребителя водой в случаях забивки основных водозаборных сооружений шугой, льдом и т. д.
Рассматриваемая схема может успешно конкурировать со схемой дублированных водозаборов, сооружаемых в сложных эксплуатационных условиях, например, при интенсивном шугоходе. Она экономически более выгодна, чем схема с двумя водозаборами, — основным и резервным.
Выбор места расположения бесплотинного водозабора имеет решающее значение для надежной и бесперебойной работы сооружения. Бесплотинные водозаборы лучше всего располагать выше перекатов, создающих подпор, особенно заметный в меженный период. Следует избегать участков реки, расположенных ниже перекатов и порогов, на которых происходит интенсивное образование шуги и донного льда, а также участков в зоне образования зажоров и заторов (закругления рек, рукава рек, острова и т. д.).
Для уменьшения захвата наносов динамическое состояние потока перед водозабором часто изменяют (искусственная поперечная циркуляция потока) путем установки системы щитов проф. М. В. Потапова. При небольших колебаниях уровня воды и относительной устойчивости русла реки бесплотинный водозабор применяют, главным образом, для орошения и водоснабжения и реже — для деривационных гидроэлектростанций. Бесплотинный береговой водозабор, располагаемый в берегу, не выходя в русло, соединяется с ним каналом. На рис. 53 показано водозаборное сооружение берегового типа, совмещенное с насосной станцией первого подъема, на рис. 54 — береговое водозаборное сооружение раздельного типа с дополнительным русловым водоприемным устройством.

Рис. 53. Водозаборное сооружение, совмещенное с насосной станцией:
1 — решетка; 2 — пазы для затворов; 3 — электродвигатель; 4 — пропеллерный насос; 5 — водовыпускное сооружение; 6 — затвор-хлопушка.

Рис. 54. Водозаборное сооружение раздельного типа:
1 — дополнительное водоприемное устройство; 2 — уровень сработки водохранилища; 3 — хворостяной тюфяк с пригрузкой камнем; 4 — самотечная труба; 5 — бетонные плиты толщиной 25 см на двухслойном обратном фильтре; 6 — береговой колодец; 7 — береговое водозаборное сооружение; 8 — сифонный водовод; 9 — вакуум-насос; 10 — напорный водопровод.
Бесплотинные водозаборы забирают воду из реки по боковому отводу, поэтому в потоке развивается поперечная циркуляция, которая увлекает донные и взвешенные наносы в канал.
Простейшим типом бесплотинного водозабора является открытый канал, так называемый неошлюзованный водозабор — одноголовый и многоголовый.
Одноголовый водозабор состоит из канала, прорытого от реки к потребителю (орошение, гидроэнергетика, водоснабжение и др.), без дополнительных сооружений (рис. 55). Несмотря на простоту конструкции такой водозабор быстро заносится наносами, поступающими с головы канала, деформирует русло и перемещает вниз по течению голову канала. При очистке головы канала от наносов подача воды потребителю прекращается.
Когда русло реки неустойчиво и вход в канал (голова) быстро заносится наносами, устраивают многоголовый водозабор, который имеет несколько отводов, обеспечивающих бесперебойное поступление воды в канал, при заилении одного или двух отводов. Основные схемы боковых бесплотинных водозаборов с открытыми каналами приведены на рис. 56.

Рис. 55. Одноголовый водозабор: 1 — река; 2 — магистральный канал.

Рис. 56. Основные схемы боковых бесплотных водозаборов с открытыми каналами:
а и б — без головного сооружения; в и г — с головным сооружением; д и е — с отстойником и регулирующим сооружением; ж— многоголовый с перемычками у входа в каналы; з — с прокопами-отстойниками и централизованным управлением одним головным сооружением; и — то же с децентрализованным управлением и с дюкером; к — то же, с акведуками; л — с искусственным криволинейным подводящим каналом; 1 — магистральный канал; 2 — сбросный канал; 3 — головное сооружение; 4 — отстойник; 5— перемычки; 6 — прокопы-отстойники; 7 — дюкер; 8 — акведуки; 9 — криволинейный подводящий канал.
Шпорные водозаборы, в отличие от простого бесплотинного, для увеличения захвата воды и отклонения части потока от входа в канал имеют в русле реки водозаборную шпору, состоящую из продольной и поперечной стенок. Такие водозаборы применяют на реках с неустойчивыми берегами и значительными колебаниями уровней воды.
Карман, образованный продольной и поперечной стенками шпоры, промывают через холостой сброс, устраиваемый в начале продольной стенки.

При отводе 40—50% расхода воды, поступающей в шпорный карман, большая часть взвешенных и донных наносов перехватывается и сбрасывается в русло реки. Шпорные водозаборы сооружают из местных материалов (камень, хворост, дерево).
Длина поперечной стенки шпоры может быть определена по формуле проф. В. А. Шаумяна.
(64)
длина продольной стенки шпоры
(65)
где qк — расход на 1 м ширины канала в голове деривации, м³/с; qp — расход на 1 м ширины реки в створе водозабора, м³/с; b — ширина канала.
Бесплотинный водозабор трехъярусного типа конструкции проф. В. А. Шаумяна показан на рис. 57. Вода через отверстия верхнего яруса пропускается в магистральный канал, а через донные отверстия отводятся нижние слои воды, насыщенные наносами, в промывники с последующим сбросом воды в реку ниже водозабора. Отметка порога регулятора устанавливается не ниже средних отметок дна реки.

Рис. 57. Бесплотинный водозабор конструкции проф. В. А. Шаумяна с прокопами-отстойниками и централизованным управлением:
1, 2, 3 — прокопы-отстойники; 4 — разделительные стенки; 5 — отверстия нижнего яруса (промывные); 6 — отверстия верхнего яруса; 7 — головной регулятор; 8 — магистральный канал; 9 — промывной (сбросной) канал.
Если уровень реки недостаточен для самотечного поступления воды в магистральный канал, то для поднятия его до необходимой отметки сооружают плотинный водозабор, устраиваемый с боковым отводом воды. Головное сооружение в боковых водозаборах размещают на берегу реки рядом с плотиной, через отверстия которой сбрасывают наносы. Плотинный водозабор обеспечивает бесперебойную подачу воды в канал и создает благоприятные условия для борьбы с наносами, льдом и шугой.
Созданный плотиной подпор способствует промывке в нижний бьеф донных наносов, которые отложились перед порогом входа в канал. Забор воды регулируют затворами, установленными на пороге шлюза-регулятора (рис. 58).

Рис. 58. Водозабор со шлюзом-регулятором и промывным шлюзом:
1 — магистральный канал; 2 — шлюз-регулятор; 3 — промывной шлюз; 4 — водосливная плотина; 5 — глухая земляная плотина.
Для обеспечения нормальных условий подачи воды в канал число пролетов шлюза-регулятора следует принимать не менее трех, поскольку этим регулируется неравномерность подачи воды в канал во время паводков или выполнения аварийных и ремонтных работ. Подача воды только через одни пролет при наличии нескольких в значительной степени нарушает гидравлическую структуру потока, приводит к возникновению сбойного течения и размыву русла канала.
Береговой водозабор с промывным устройством в берегу оборудуют гравиеловкой, предназначенной и для периодического смыва донных наносов (рис. 59). Наносы, которые отложились перед порогом водозабора, обычно смываются через отверстия плотины.
Промывные отверстия берегового водозабора расположены в теле плотины рядом с головой водозабора и отделены от остальной части плотины стенкой. Отсек, заключенный между береговой и раздельной стенками, образует простой отстойник-карман, где оседают наносы, периодически сливаемые через промывные отверстия плотины.


Рис. 59. Плотинный поверхностный водозабор с промывным устройством:
а — в берегу; б — в плотине; 1 — плотина; 2 — порог водозабора; 3 —  гравиеловка; 4 — промывной порог; 5 — канал; в — затвор; 7 — промывник; 8 — промывной шлюз; 9 — стенка; 10 — карман.

Фронтальные водозаборы применяют на предгорных участках рек. На рис. 60 изображена схема фронтального водозабора с двумя ярусами отверстий: верхние предназначены для подачи воды криволинейным лотком в канал, нижние — для смыва донных наносов в нижний бьеф.
Горная река должна обеспечивать не только расчетное водопотребление, но и расход воды на промывку наносов, гравиеловок и песколовок, сброс шуги, снежуры и плавника.

Рис. 60. Плотинный поверхностный водозабор (фронтальный):
1 — плотина; 2 — водозабор; 3 — промывные отверстия; 4 — канал.
На горных участках рек, насыщенных наносами крупных фракций, применяют водозабор с донной решеткой, т. е. водосливной порог, расположенный поперек русла с некоторым возвышением над дном реки. На гребне водосливного порога устроена водоприемная галерея, перекрытая сверху наклонной решеткой с просветами 5—10 мм, благодаря которой крупные наносы, камни и плавающие тела сбрасываются потоком в нижний бьеф. Вода, пройдя решетку, поступает вместе с мелкими наносами в галерею, оттуда в камеру с промывными устройствами. Наносы удаляются в нижний бьеф, а осветленная вода отводится водопроводящими сооружениями (каналом, туннелем, трубопроводами) к отстойнику или к водопотребителю. Иногда перед галереей устраивают наносно-перехватывающий лоток, оборудованный решеткой с более крупными просветами (15—30 мм) для отвода основной массы наносов в нижний бьеф. Высоту водоприемной галереи в начальной части принимают 0,5—0,7 м, в концевой части — 1,8— 2,2 м; ширину — 1—2,5 м. На горных реках сброс шуги осуществляется через водослив с лотком, размещенный рядом с сифоном, устраиваемым для сброса излишней воды из сопрягающего участка в нижний бьеф.
Туннельный водозабор устраивают на глубоких водохранилищах, имеющих крутые скальные берега и обладающих большой сработкой уровня воды. Воду от берегового шахтного водозабора отводят туннелем, начальную часть которого в период строительства можно использовать для сброса строительных расходов. Забирается вода через расширенное входное отверстие — воронку горизонтального или наклонного туннеля.
Скорость воды при входе в туннель уменьшают до 0,5—1 м/с, а вход в воронку перекрывают грубой решеткой с просветами 10—20 см, чтобы избежать захват мусора и топляков.
Входное отверстие туннельного (шахтного) водозабора заглублено под уровень верхнего бьефа на величину, не допускающую засасывания воздуха и попадания в него льда, шуги и мусора. Для регулирования расходов воды через туннельный водозабор применяют затворы разных конструкций, которые устанавливают в вертикальной шахте, размещенной в начале водозабора. Верх шахты располагают на береговой площадке, выше наибольшего уровня воды в водохранилище.
Глубинный водозабор, совмещенный с крупной насосной станцией, которая заглублена на 11,5 м от поверхности земли, показан на рис. 61. Колебание уровней воды в водохранилище, из которого производится забор воды, составляет 4,5 м. Водозабор предназначен для большого расхода воды с бесперебойной подачей.

Рис. 61. Плотинный глубинный водозабор:
1 — козловой кран; 2 — решеткоочистные грабли; 3 — водоочистная вращающаяся сетка; 4 — электродвигатель насоса; 5 — вертикальный осевой поворотнолопастный насос; 6 — сороудерживающая решетка; 7 — железобетонные конструкции для затворов и решеток; 8 — напорный трубопровод.

По условиям технологического процесса производства, вода должна быть качественной, поэтому, кроме сороудерживающих решеток, устанавливают вращающиеся сетки, после прохождения через которые вода насосами большой производительности по напорным трубопроводам подается водопотребителю. Решетки очищают от мусора граблями или грейферами автоматического действия. Для производства ремонта водозабора предусмотрены пазы для перекрытия водозаборного отверстия затворами или шандорами.
Следует отметить, что при строительстве такого водозабора широко используют сборный железобетон.
Отстойники являются надежным средством защиты водопроводных сооружений (каналов, туннелей, трубопроводов) от проникновения в них наносов вместе с забираемой водой.
Для очистки воды от взвешенных наносов крупных фракций сооружают отстойники. Основной принцип действия современного отстойника, представляющего расширенный и углубленный по сравнению с каналом бассейн, заключается в уменьшении поступательной скорости течения воды при равномерном распределении ее по поперечному сечению. Отстойник от наносов очищают путем смыва водой и выпуска через специальные отверстия в отводящий канал или реку. Напор, необходимый для гидравлической промывки, создается плотиной или в бесплотинных водозаборах за счет разности уклонов деривационного канала и реки.
По числу камер различают отстойники: однокамерные, двухкамерные и многокамерные, а по характеру промывки — периодического или непрерывного действия.
На рис. 62 показан наиболее простой по устройству однокамерный отстойник с периодической промывкой. Периодическую промывку наносов следует производить во время минимального забора воды из канала при пониженных уровнях и увеличенных скоростях воды в отстойнике; подача воды в канал на это время прекращается.
При отсутствии резервуара, регулирующего расход, для обеспечения непрерывной подачи устраивают однокамерный отстойник с обводным каналом или двухкамерный (рис. 63).

Рис. 62. Однокамерный отстойник:
1 — канал; 2 — входная часть; 3 камера; 4 — донный промывник; 5 — затвор промывника; 6 — затвор шлюз а-регулятора.

Рис. 63. План двухкамерного отстойника:
1 — подводящий канал; 2—аванкамера; 3 и 6 — верховые и низовые затворы отстойника; 4 и 5 — первая и вторая камеры отстойника; 7 — регулятор; 8 — разделительная стенка; 9 — затвор; 10 — донный промывник; 11 — магистральный канал.
Воду во время промывки отстойника подают водопотребителю через обводной канал. Промывку производят в часы наименьшего водопотребления, поскольку в это время подается неосветленная вода.
Поочередная работа камер двухкамерного отстойника обеспечивает непрерывность подачи воды. Кроме гидравлической очистки отстойника, применяется механическая, производимая землесосами или землечерпательными снарядами. Скорость течения воды в отстойниках принимают 0,2—0,35 м/с.
Камера отстойника в плане бывает прямоугольной формы, ширина должна быть не более 35% ее длины; глубина в среднем — 4—5 м. Промывные устройства располагают так, чтобы исключалась возможность подтопления их высокими паводковыми водами. В голове каждой камеры устраивают быки, а между ними устанавливают грубые решетки, основные и ремонтные затворы. Низовой конец каждой камеры также оборудован затворами промывных галерей и затворами, отделяющими камеру от переходной части канала.
В многокамерных отстойниках вода в водохозяйственную систему непрерывно поступает за счет поочередной промывки камер (рис. 64).
При непрерывном промыве камеры отстойников устраивают без резервного объема с целью аккумуляции отложений наносов, поскольку поступающие наносы непрерывно смываются. Среди разработанных и действующих в настоящее время конструкций отстойников непрерывной промывки одним из наиболее совершенных является отстойник, разработанный проф. Д. Я. Соколовым (рис. 65), в котором вода с наносами поступает через щелевидные донные отверстия в поперечные вертикальные колодцы.

Рис. 64. Схема многокамерного отстойника с периодическим промывом наносов:
1—     подводящий канал; 2 — распределительный канал (аванкамера) для подвода воды к камерам отстойника и распределение ее между ними; 3 — входной порог, через который вода поступает в отстойник; 4 — устои, сопрягающие отстойник с берегами; 5 — верховой переходный участок; 6 — камеры; 7 — стенки, разделяющие отстойник на отдельные камеры; 8 — низовой переходный участок; 9— выходной порог через который вода выходит из отстойника; 10 — промывные галереи, через которые удаляются задержанные в камерах наносы; 11 — собирательный канал; 12 — магистральный (отводящий) канал, по которому осветленная вода подастся потребителю; 13 — промывной коллектор, принимающий наносы из промывных галерей; 14 — промывной или грязевой капал для отвода удаляемых из отстойника наносов в нижний бьеф головного узла или в другое место.
Рис. 65. Отстойник системы проф. Д. Я. Соколова:
1 — донные отверстия; 2 — верховой затвор отстойника; 3 — распределительная решетка; 4 — колодцы для отвода промывной воды; 5 — лоток для отвода промывной воды; 6 — низовой затвор отстойника; 7 —  сбросная промывная галерея.
В верхней части боковых и разделительных стенок расположены промывные лотки, соединяющиеся отверстиями с вертикальными колодцами и со сборной промывной галереей. Осевшие на дно камеры наносы подхватываются потоком воды и поступают в вертикальные колодцы, затем — в промывные лотки и сборную промывную галерею. Гидравлический расчет отстойника периодической промывки сводится к определению основных его размеров. Гидравлический расчет отстойника периодической промывки сводится к определению основных его размеров. Площадь живого сечения зависит от скорости воды v, обеспечивающей выпадение наносов требуемой крупности (0,3 мм и крупнее), т. е.

Таблица 11