По гидравлическому принципу плотинные водозаборы подразделяются на донно-решетчатые, боковые и фронтальные. Как правило, рассматриваемые речные водозаборные гидроузлы устраиваются низконапорными (до 10 м).
На каждом из участков реки можно применять водозаборы нескольких типов, близких по своим характеристикам. Поэтому окончательный выбор типа водозабора осуществляется технико-экономическим сравнением различных вариантов.
Донно-решетчатые водозаборы
Донно-решетчатые водозаборы применяются на горных участках рек, характеризующихся резкими стихийными проявлениями режима потока (см. табл. 5.1), которые создают тяжелые условия для работы водозаборных сооружений. Наиболее полно этим условиям отвечают водозаборные гидроузлы тирольского типа.
Одним из возможных вариантов такого водозабора является водозаборный гидроузел, в состав которого входят (рис. 5.7): невысокая плотина, в донный порог которой встроена водоприемная галерея, перекрытая решеткой с металлическими стержнями; промывная камера; шугосброс и водоприемник канала.
Вода, проходящая над решетчатой частью водосливной плотины, частично или полностью поступает через решетку в водоприемную галерею, из которой она попадает в промывную камеру и далее через водоприемник в канал. Промывная камера имеет нижние и верхние затворы, которые позволяют промывать отложившиеся в камере наносы в нижний бьеф плотины и, в случае необходимости, забирать воду в канал, минуя водоприемную галерею. В первом случае верхний и нижний затворы открыты, а затвор водоприемника канала закрыт. Во втором случае верхний затвор камеры и водоприемника канала открыты, а нижний затвор камеры закрыт.
Рис. 5.7. Донно-решетчатый водозабор с промывной камерой:
1 — водосбросная плотина; 2 — донная галерея, перекрытая решеткой; 3 — промывная камера; 4, 5 — нижний и верхний затворы промывной камеры; 6 — шугосброс; 7 — водоприемник; 8 — канал
В зависимости от соотношения ширины водозаборной части гидроузла Вв и ширины реки при расчетном паводке возможны три типа компоновки гидроузла: 1) водозаборная часть Вв равна ширине русла реки Вр; 2) водозаборная часть Вв составляет лишь часть ширины русла реки Вр и тогда устраивается водосбросная часть плотины шириной Вс; 3) водозаборная и водосбросная плотины составляют лишь часть суммарной ширины русла реки и затапливаемой поймы, что вызывает необходимость возведения глухой плотины из грунтовых материалов.
Рис. 5.8. Конструкция решетки галереи донно-решетчатого водозабора:
а — решетка; б — формы поперечного сечения стержней; 1 — защитная закладка; 2 — рама решетки; 3 — секция решетки (размеры в мм)
Рис. 5.9. Послойно решетчатый водозабор:
1 — донные токи; 2 — быки, затопляемые в паводок; 3 — обратное донное течение; 4 — водосбросная плотина; 5 — разделительная стенка; 6 — решетки нижнего яруса; 7 — решетки верхнего яруса; 8 — затворы; 9 — криволинейный канал (пескогравиеловка); 10 — уравнительный водослив; 11 — промывное отверстие с затвором; 12 — затворы в начале отстойника; 13 — двухкамерный отстойник; 14 — затворы в конце отстойника; 15 — магистральный канал; 16 — пульповод отстойника; 17 — водозаборная галерея; 18 — понур
Водозаборная решетка галереи выполняется из прочных стержней, способных противостоять истиранию наносами и устанавливается с наклоном в сторону нижнего бьефа. Возможная конструкция решетки и рекомендуемые формы поперечного сечения ее стержней показаны на рис. 5.8. При тяжелом режиме наносов и возможности прохождения селевых потоков устанавливаются две решетки: верхняя из толстых стержней, воспринимающих удары камней и имеющих широкие просветы (5—10 см), и нижняя с менее толстыми стержнями и мелкими просветами (5—12 мм).
Водоприемная галерея имеет переменное сечение по длине, и в ней, как правило, предусматривается безнапорный режим. Поверхности галереи рекомендуется облицовывать стальными плитами. На выходе из галереи устанавливается затвор.
Кроме описанного выше типа донно-решетчатого водозабора имеется большое количество его разновидностей [7], отличающихся устройствами для борьбы с наносами. Одним из таких усовершенствованных водозаборов является послойно-решетчатый водозабор [15] (рис. 5.9).
Решетчатая часть водосливной плотины такого водозабора представляет широкий порог, на котором устраиваются невысокие затапливаемые в паводок быки, разделяющие водоприемный фронт на ряд пролетов.
При обтекании затапливаемых в паводок быков с их лобовой стороны создается зона с повышенным давлением, вследствие чего
появляются нисходящие токи и в придонном слое потока возникает обратное донное течение, которое отжимает донные наносы к середине пролетов между быками. Поэтому водоприемные отверстия в пороге плотины размещаются на участках, примыкающих к быкам, где движения донных наносов нет. Эти водоприемные отверстия перекрываются мелкой решеткой, через которую вода подается в водоприемную галерею.
С этой же целью в боковых стенках и на верхней поверхности быков также устроены водоприемные отверстия, перекрываемые грубой решеткой, через которые в паводок вода поступает в галерею из верхних слоев потока, свободных от донных наносов и менее насыщенных взвешенными наносами.
Средние части пролетов между быками, где происходит интенсивное движение крупных донных наносов, облицовывают стальными плитами или износостойкими железобетонными плитами.
Вода, поступившая через решетки водоприемных отверстий, отводится одной или двумя водоприемными галереями в сооружения для борьбы с мелкими фракциями наносов. Такими сооружениями могут быть пескогравиеловки и отстойники, которые при тяжелом режиме наносов в реке применяются совместно.
При необходимости отвода всего расхода реки в межень в пролетах между быками устанавливаются шандоры. Для маневрирования шандорами и подъема решеток на быках располагаются служебные мостики и подъемные механизмы.
Послойно-решетчатый водозабор хорошо работает при параллельно-струйном подходе потока, что достигается устройством разделительной стенки между водосбросной и водозаборной частями плотины. Длину стенки рекомендуется принимать равной тройной длине решетчатой части плотины, а отметку ее верха — равной отметке гребня водосбросной части плотины или на 0,5—1 м выше нее. При необходимости для создания прямолинейного участка реки русло ее выпрямляют регуляционными сооружениями на длине в 5 раз большей длины решетчатой части плотины.
Створ водозабора может располагаться также радиально на изогнутом участке реки. В этом случае решетчатая часть плотины размещается у вогнутого берега, где в естественных условиях в течение ряда лет река сохраняет свое положение.
Послойно-решетчатый водозабор рекомендуется применять на горных и предгорных участках рек при их расходах от 0,2 до 500 м3/с и отводе расхода воды от 0,2 до 12 м3/с при одностороннем водозаборе и от 0,4 до 24 м3/с — при двустороннем. При этом слой воды, переливающийся через быки, не должен превышать их десятикратной высоты. Затапливаемые быки имеют ширину 2а, где а = 0,5...0,75 м, и высоту h = (0,6...1)а. Пролет между быками принимается равным 3а, и для размещения мелких донных решеток он разбивается на три равные части шириной а каждая. Крайние пролеты имеют ширину 2а и разбиваются на две равные части, на одной из которых устраивается водоприемное отверстие с мелкой решеткой.
Быки выдвигаются от начала решеток на 1,5а, радиус закругления лобовой стороны быка Ζ = 0,75а.
Секции решеток верхнего и нижнего ярусов устраиваются съемными. Решетки нижнего яруса имеют уклон i = 0,1...0,15 и коэффициент просветов Рн = 0,25...0,35; решеткам верхнего яруса придается уклон i = 0,05...0,1 и просвет Рв = 0,4...0,6.
Радиус криволинейной пескогравиеловки Rср= (2,5...4)ВК, где Зк — ее ширина. Превышение гребня водосбросной плотины над затапливаемыми быками
м. Длина бетонного крепления перед затапливаемыми быками (5...6) а.
Количество донных водоприемных галерей определяется гидравлическим расчетом. Сечение каждой галереи 1—3 м2 при ширине 1—2 м, высоте в конце галереи 1—1,5 м и средней скорости υг = 1,5...2 м/с. Уклон дна галереи iv = 0,03. В конце галереи устанавливаются затворы.
При наличии в потоке плавающих деревьев, корчей, валунов, а также при возможных селевых потоках послойно-решетчатый водозабор устраивать не следует. Его эксплуатация также затруднительна и при интенсивном шугоходе. В последнем случае должен быть предусмотрен открытый боковой водоприемник зимнего питания в верховой сопрягающей стенке.
