Фронтальные водозаборы характеризуются фронтальным расположением отвода воды по отношению к оси речного потока. Они применяются на предгорных и равнинных участках рек при одностороннем и двустороннем водозаборе.
Могут быть две принципиальные схемы фронтальных водозаборов: основанные на вертикальном расслоении потока и на использовании искусственно создаваемой поперечной циркуляции.
В состав фронтальных водозаборов, основанных на вертикальном расслоении потока, входят устойчивое прямолинейное подводящее русло, устройство для отвода воды и борьбы с наносами, водосбросная плотина с низким порогом, отводящее русло.
Существует много разновидностей таких водозаборов (рис. 5.12). При отводе небольших расходов воды применяется лотковый водозабор, в котором осветленные слои потока отводятся в лоток, расположенный между быками водосбросной плотины, и дальше в канал, а донные слои потока, насыщенные наносами, проходят в нижний бьеф через отверстия под лотком.
На предгорных участках рек при небольших коэффициентах водозабора применяются водозаборы с промывными карманами, в которых осаждающиеся наносы периодически промываются в нижний бьеф через промывные отверстия. Вода в канал отводится через водоприемник с входным порогом, примыкающий к промывным отверстиям. В водозаборе с промывным карманом происходит взмучивание донных наносов при резких изгибах потока на входе в карман и в водоприемник, и они во взвешенном состоянии проникают в канал.
Рис. 5.12. Типы фронтальных водозаборов:
а — лотковый; б — с промывными карманами; в — двухъярусный; 1 — плотина; 2 — промывные отверстия; 3 — железобетонный лоток; 4 — магистральный канал; 5 — входной порог. 6 — карман; 7 — разделительная стенка; 8 — водоприемник
На равнинных участках рек применяются фронтальные двухъярусные водозаборы, в которых вода в канал отводится по криволинейному лотку с разделительными стенками, а донные наносы промываются в нижний бьеф через прямолинейные донные промывные галереи большого сечения.
В этом типе водозабора также имеет место взмучивание наносов на входе в водоприемный лоток и проникновение их в канал. Поэтому в водозаборах последних двух типов устанавливаются дополнительные устройства, улучшающие их противонаносные свойства (наносозащитные козырьки, решетчатые полки и т. д.), что, однако, влечет за собой дальнейшее усложнение конструкций водозабора.
Так же, как и в рассмотренных ранее других типах водозаборов, улучшить работу фронтального водозабора можно при использовании для борьбы с донными наносами искусственно создаваемой поперечной циркуляции. Характерными типами водозаборных сооружений, основанными на этом принципе, являются фронтальный водозабор с боковыми наносоперехватывающими галереями системы проф. Η. Ф. Данелия [15] и фронтальный водозабор с криволинейным карманом системы И. И. Кириенко [21].
Фронтальный двусторонний водозабор с боковыми наносоперехватывающими галереями (рис. 5.13) основан на том же принципе, что и боковой водозабор с наносоперехватывающими галереями (см. рис. 5.10) и имеет с ним много общих конструктивных элементов. Их отличие заключается в устройстве фронтального промывного кармана, в разделительной стенке которого располагаются водоприемные отверстия и наносоперехватывающие галереи, симметричные аналогичным береговым элементам.
На другой берег вода подается дюкером, расположенным в теле водосливной плотины или перед ней.
В результате строго бокового отвода воды в водоприемники и натекания потока на затворы промывных отверстий кармана в нем возникают интенсивные циркуляционные течения (рис. 5.13), которыми донные наносы направляются в лево- и правосторонние наносоперехватывающие галереи.
Донные наносы, прошедшие во взмученном состоянии в водоприемники, перехватываются пескогравиеловками, расположенными на обоих берегах перед входом в каналы.
Скорость течения в водоприемниках принимается либо равной скорости в кармане, либо несколько меньше (1,5—2 м/с).
Число наносоперехватывающих галерей с каждой из сторон не должно быть меньше двух, а их высота hr = (0,15...0,5) Н, где Н — глубина воды перед промывными отверстиями кармана.
Фронтальный водозабор с криволинейным карманом рекомендуется для применения на предгорных участках рек при одностороннем и двустороннем отводе воды при коэффициентах водозабора до 0,9.
Он состоит (рис. 5.14) из водосбросной плотины с низким порогом, расположенной под углом 25—40 к основному направлению речного потока в верхнем бьефе, и фронтального криволинейного кармана с порогом на входе.
Рис. 5.13. Фронтальный двусторонний водозабор с наносоперехватывающими галереями:
1 — водосливная плотина; 2 — наносоперехватывающие галереи; 3 — смотровые колодцы галерей; 4 — затворы в конце галерей; 5 — сдвоенные затворы промывных отверстий кармана; 6 — пазы для шандор; 7 — затвор промывника; 8 — затворы магистральных каналов; 9 — криволинейные пороги; 10 — затворы водоприемника; 11 — съемные решетки; 12 — затворы входных отверстий галерей; 13 — карман; 14 — струенаправляющая стенка; 15 — разделительная стенка; 16 — водопроводящие дюкеры
После горизонтального входного участка дно кармана понижается до отметки понура. Это понижение выполняется в виде виража, имеющего поперечный уклон в сторону выпуклого берега.
В конце виража устраивается радиально расположенный вертикальный донный уступ переменной высоты. В месте пересечения линии донного уступа с выпуклым берегом располагается отверстие промывной галереи.
Ниже закругления кармана на продолжении вогнутой стенки, а при двустороннем водозаборе и на продолжении выпуклой стенки располагаются водоприемники с входными порогами. Перед водоприемником на продолжении выпуклой стенки устраивается небольшой выносной полок.
Рис. 5.14. Двусторонний фронтальный водозабор с криволинейным карманом:
1 — водосбросная плотина; 2 — фронтальный криволинейный карман; 3 — входной донный порог; 4 — промывной полок водоприемника; 5 — водопроводящий лоток; 6 — промывные отверстия со сдвоенными затворами; 7 — вираж; 8 — вертикальный донный уступ переменной высоты; 9 — донное промывное отверстие с затвором на входе; 10 — промывная галерея; 11 — водоприемники
Криволинейный карман заканчивается двумя промывными отверстиями, разделенными быком.
Входные отверстия промывной галереи, водоприемников и промывного устройства оборудуются затворами. В промывных отверстиях устанавливаются сдвоенные затворы, а перед затворами водоприемников — мусороудерживающие решетки.
Принцип действия водозабора основан на искусственном создании благоприятных для борьбы с наносами циркуляционных течений как в криволинейном кармане, так и на подходе к нему. Такая циркуляция возникает перед входом в карман вследствие его фронтального расположения по отношению к речному потоку при удельных расходах в реке, превышающих удельные расходы воды в кармане, и усиливается боковым сбросом воды через плотину.
Порог на входе в карман выполняет роль дополнительной преграды для крупных донных наносов, уменьшая их поступление в карман.
Прошедшие в карман донные наносы циркуляционным течением на закруглении кармана транспортируются ко входному отверстию промывной галереи у выпуклой стенки.
Конфигурация дна кармана в виде виража усиливает благоприятную поперечную циркуляцию, а устройство донного уступа в конце виража и возникающее за ним винтовое течение в сторону входного отверстия промывной галереи фиксируют место отвода наносов и гарантируют их перехват.
Ниже закругления кармана осветленная от донных наносов вода поступает в водоприемник ниже вогнутой стенки, а при двустороннем водозаборе — и в симметрично расположенный водоприемник ниже выпуклой стенки. На другой берег реки вода подается
по открытому железобетонному лотку, расположенному на продолжении быков водосбросной плотины.
Промывные отверстия в конце кармана выполняют вспомогательную роль, которая состоит в промывке кармана при выходе из строя промывной галереи, защите водоприемника от мусора и шуги путем поверхностного сброса воды в нижний бьеф через сдвоенные затворы.
Основные размеры фронтального водозабора с криволинейным карманом устанавливаются гидравлическим расчетом.
Как показали лабораторные исследования [21], водозабор обладает высокими противонаносными свойствами при значениях коэффициента водозабора до 0,9, хорошо приспособлен для борьбы с плавником и шугой, не требует регулирования подводящего русла, так как благоприятное циркуляционное течение создается в криволинейном кармане и лишь в той части речного потока, которая подлежит осветлению. Схема маневрирования затворами плотины остается неизменной при всех направлениях потока в верхнем бьефе (по мере нарастания паводка подъем затворов всегда начинается с пролетов, примыкающих к входу в карман), что облегчает эксплуатацию и автоматизацию работы затворов.
Установлено также, что в криволинейном кармане кроме донных наносов перехватывается также до 20 % взвешенных наносов крупных фракций (примерно 90 % с d > 0,25 мм и 30 % с d = 0,1...0,25 мм), которые вызывают наибольшие эксплуатационные затруднения и для улавливания которых устраиваются отстойники. Это в некоторых случаях позволяет отказаться от устройства отстойника, что может дать заметный экономический эффект.
