Глaва 31
Бесплотинный водозабор
§ 31—1. УСЛОВИЯ РАБОТЫ БЕСПЛОТИННЫХ ВОДОЗАБОРОВ
Бесплотинные водозаборы широко распространены в ирригации, что может быть объяснено их простотой и относительно невысокой строительной стоимостью. Действительно, бесплотинные водозаборы обладают простой конструкцией, меньшей, по сравнению с плотинными водозаборами, стоимостью, но зато они сложны и дороги в эксплуатации; забираемые ими расходы воды сильно зависят от бытового режима реки, что существенно ограничивает их оросительную способность; качество забираемой воды невысоко (с водой захватывается много наносов).
Бесплотинные водозаборы применимы, когда расходы и уровни реки позволяют самотеком отвести из реки воду в канал, при этом отводимая доля расхода реки не всегда может удовлетворить потребности орошения. Рассмотрим случай устройства бесплотинного водозабора па реке со снеговым питанием; весной река проносит огромные массы воды и бесплотинным водозабором можно дать воду па предпосевные и первые вегетационные поливы для большой территории; летом, когда потребность в оросительной воде возрастает, река несет малые расходы, близкие или равные меженным, и отвод из реки даже большой доли се расхода может обеспечить полив намного меньшей территории, чем весной. В таких случаях для увеличения забираемого расхода прибегают к устройству коротких шпор (рис. 29—9), длинных шпор (рис. 31 — 1) или других регулировочных сооружений (рис. 29— 10), что удорожает водозабор и усложняет его эксплуатацию и все же полной гарантии в водообеспеченности не дает.
На реках со снеговым и ледниковым питанием работа бесплотинного водозабора находится в более благоприятных условиях, но полное совпадение графика водопотребления с гидрографом реки наблюдается редко.
Бесплотинные водозаборы размещают как на прямолинейных участках реки, так и па вогнутых берегах (рис. 29—5). Выбор места отвода воды на криволинейном участке реки должен обеспечить наилучшие условия забора воды без захвата или с наименьшим захватом донных наносов.
1 Строительные нормы и правила, часть II, раздел II, глава 3. Сооружения мелиоративных систем. Нормы проектирования, М. 1963.
Выбирая место для водоприемника на участке реки с большими глубинами, надо водозабор располагать от начала криволинейного участка реки па дуге с центральным углом 30—50; чем больше отношение среднего радиуса кривизны реки к ее ширине и чем больше доля отвода расхода, тем больше выбирается величина центрального угла. Другое указание к месту размещения водозабора: он должен быть поставлен там, где естественная циркуляция потока получает полное развитие, что часто наблюдается на расстоянии 0,5—0,6 длины криволинейного участка от его начала.
В створе водозаборного сооружения должны быть: прочные и устойчивые против оползней и подмывов грунты незатопляемого берега; устойчивое русло реки; отсутствие водоворотов и перекатов в русле перед сооружением; короткая холостая часть магистрали, проходящая в неглубоких выемках; неподтопляемый (самотечный) сброс из магистрали в реку.
§ 31—2. ТИПЫ БЕСПЛОТИННЫХ ВОДОЗАБОРОВ
Наиболее простым типом бесплотинного водозабора является открытый канал, прокопанный от берега реки до оросительной системы; однако простота устройства такого водозабора влечет за собой существенные неблагоприятные последствия для эксплуатации (рис. 29—4).
Основные недостатки такого водозабора: невозможность регулирования забираемого расхода воды, быстрая заносимость наносами головы канала, деформация русла и смещение вниз по реке головы канала.
В паводок в канал поступают чрезмерно большие расходы воды, к тому же повышенной мутности; при спаде наводка наносы, выпадая в голове канала, создают пробку, и может быть такой случай, что в межень, когда уровень в реке снижается, вода не сможет, из-за наличия пробки наносов, поступать в канал; вот почему исторически получил широкое применение многоголовый бесплотинный водозабор, состоящим но из одного, а из системы каналов-проколов (рис. 31—2).
В паводок работает один канал, например 1, остальные закрыты перемычками той пли иной системы; после спада паводка включают остальные каналы. Такая система водозабора позволяет, хотя и не точно, регулировать забираемый расход воды, лучше обеспечивает подачу воды на систему в межень, позволяет очистку каналов от наносов рассредоточить па осенне- зимний — ранневесенний период, а но вести ее, как это бывает при одном канале, аврально после спада паводка, т. е. в разгар поливного периода, когда небольшая задержка поливов (из-за несвоевременном или запоздалой очистки) может повести к значительному снижению урожая или даже к гибели его.
В условиях низовьев рек (Сыр-Дарьи и Аму-Дарьи), где наблюдаются зажоры льда, поднимающие перед собой уровни реки до паводковых (и даже выше), представляется возможность гидравлического смыва наносных отложений через промывной канал, если между прокопом и сбросным каналом на реке образуется зажор льда; при этом вход в холостую часть магистрального канала должен быть закрыт. В рассмотренных водозаборах имеются элементы примитивного регулирования расхода воды и гидравлического удаления наносов.
В инженерных системах водозаборных сооружений регулирование забираемого расхода воды осуществляется по графику водозабора; степень регулирования режима наносов различна.
Простейшим инженерным водозаборным сооружением будет головной регулятор (рис. 28—21), помещенный на урезе воды вогнутого берега.
Рис. 31—2. Многоголовый водозабор:
1.2, 3, 4 — головы водозабора; 5 — магистральный канал; 6 — сбросной какал; 7 — перемычки.
Очевидно, что такое размещение возможно при прочных и устойчивых против оползней и подмывов берегах, легко доступных (с небольшим объемом строительных работ) и незатопляемых, при устойчивом русло реки вблизи регулятора, при отсутствии водоворотов и перекатов; при больших глубинах воды в русле реки близ регулятора и, наконец, при относительно короткой холостой части магистрального канала, проходящей в неглубокой выемке.
Головные сооружения представляют собой комплекс конструкций, состоящих из регулятора и русловых сооружений: шпоры, речных регулирующих устройств, направляющих систем проф. М. В. Потапова и др.
При однопролетном регуляторе всякие неполадки с затвором или подъемным механизмом могут повести к выключению всей оросительной системы из работы. При двух пролетах головного регулятора возможна работа одного из них (например, в паводок), что создает неравномерным впуск воды в канал и поведет к образованию в мем сбойного течения. Поэтому не рекомендуется устраивать регулятор с одним или двумя пролетами. Лучше назначать три пролета и более; при этом указанные недостатки устраняются и, кроме того, обеспечивается большая маневренность при проведении ремонтных работ.
Борьба с вредными наносами и осложненные условия ремонта заставляют ставить в головном регуляторе два типа затворов: основные, регулирующие поступление воды в канал, и вспомогательные (шандоры или спицы). Кроме того, иногда впереди затворов ставят решетки как одну из мер борьбы против захвата крупных наносов и плавника.
В зависимости от сочетаний уровней воды перед и за регулятором его пролеты делают открытыми или снабжают сверху диафрагмой (забральной стенкой), вследствие чего истечение воды происходит не через водослив, а из-под затвора.
Во время паводка, когда горизонт воды в реке значительно повышается, избыток напора можно было бы компенсировать частичным опусканием затворов и вести забор воды из-под затвора, т. е. питать канал преимущественно из донных и придонных слоев реки. Однако это может повести к усиленному захвату вредных донных наносов. Для предотвращения захвата наносов воду забирают не из-под затвора, а через шандоры, т. е. из верхних слоев роки, менее богатых крупными наносами.
При особо высоких уровнях паводка регулятор снабжают забральной стенкой, что позволяет существенно уменьшить высоту затворов, облегчить подъемники и служебные мостики. Низ забральной стенки опускают до отметки, при которой возможен свободный забор воды в межень (рис. 31—3).
Для обслуживания затворов, шандор и решеток устраивают служебные мостики. Если регулятор будет действовать и зимой, надлежит предусмотреть конструкции, предупреждающие захват шуги и льда (забральные стенки, занали).
Компоновка форм, размеров и сочетание элементов регулятора должны удовлетворять не только указанным выше условиям проектирования его как головного сооружения, но еще и условию спокойного выхода воды в канал, но опасного для размыва канала и подмыва сооружения снизу. Для этого в флютбете устраивают водобойный колодец, водобойную стенку, искусственную шероховатость в виде различных зубцов, колонн (пирсов) и другие виды гасителей кинетической энергии протекающей воды.
Водозаборному сооружению в целом (регулятор, подходная выемка, крепление берегов) следует придавать такие конструктивные формы, которые не вызывали бы движения воды, взмучивающего наносы вблизи головного сооружения. Очертания входных стенок, порога и бычков регулятора должны быть достаточно плавными, дающими спокойный, без больших потерь панора вход воды в сооружение.
Верхние слои воды имеют меньшую мутность, поэтому необходимо предусмотреть возможность забора воды именно из этих слоев, не допуская в канал плывующий сор, камыш и т. п., задерживая его на решетках, у забральной стопки или в запани.
Примером бесплотинного водозаборного сооружения, отнесенного от бровки берега, является головное сооружение канала им. Ахунбабаева (р. Сыр-Дарья). Оно состоит из двух частей: берегового порога и трубчатого регулятора (рис. 31—4). Входная воронка начинается береговым порогом с Г-образным полком. Назначение порога — предотвращение завлекания наносов в канал. На пороге установлены фермы, служащие опорами для шандор и служебного моста. Трубчатый регулятор отстоит от бровки берега на 74 м. В плане ось шандорного порога повернута по отношению к оси головного участка канала на угол 18° 55'.
Пока еще невозможно при проектировании точно учесть влияние самого головного сооружения на изменение режима реки; поэтому при проектировании крупных ответственных головных сооружений проверяют их работу на моделях и придают им надежную устойчивость как в статическом отношении, тщательно учитывая действие всех факторов, так и от подмыва, устраивая зубья, шпунты, цементацию основания и др.
Формы элементов сооружения должны быть простыми, облегчающими производство строительных работ; при этом необходимо учитывать возможный водоотлив и устройство перемычек. Линии шпунтов должны быть прямыми, с наименьшим числом углов поворота.
Необходимо предусматривать крепление берегов и части дна перед и за сооружением.
Общую ширину регулятора назначают примерно равной ширине канала но дну или несколько больше ее, при этом упрощается сопряженно сооружения с каналом; входные скорости в отверстии невелики и почти всегда можно установить забральную стенку.
Рис. 31—4. План головного сооружения, удаленного от бровки берега.
Рис. 31—5. Сопряжение головного регулятора с магистральным каналом отбойными стенками:
1 — стройные стенки; 2 — бруски искусственное шероховатости.
Если разность уровней воды в реке перед сооружением и в канале за сооружением велика или когда канал проходит в слабых грунтах (малые скорости и малые глубины воды при большой ширине канала по дну), то ширина регулятора оказывается намного меньше ширины канала. Роспуск боковых стен в таких случаях получается настолько крутым, что поток, забираемый регулятором, не заполняет всего пространства между его стенами или вступает в канал но по всей его ширине (следовательно, со скоростями, превосходящими допускаемые); к тому же создается опасность образования сбойного течения.
Для предупреждения размыва канала поток разделяют ребрами или отбойными стенками па отдельные струи, роспуск которых должен быть достаточен для заполнения движущемся водой всего пространства (рис. 31—5).
Высоту ребер назначают равной 0,8— 1,0 нормальной глубины воды в канале.
Второй прием сопряжения узкого регулятора с широким каналом заключается в придании стенам регулятора допустимого (без отрыва от них струи) роспуска в плане 1:5—1:6 на длине, определяемой гидротехническим расчетом; за степами следует укрепленный участок канала с тем же роспуском до сопряжения с земляным руслом (рис. 31—6).
При несимметричной работе неполного числа пролетов многопролетного регулятора в канале образуется серпентинный поток, медленно переходящий в спокойное, равномерное движение. Такой поток размывает дно и подмывает откосы канала. Для устранения пли уменьшения серпентинности в водобойных частях таких регуляторов устраивают неглубокие (до 1 м) колодцы, в которых протекающая вода перемешивается, после чего идет в канал более равномерным слоем.
В колодцах полезно устраивать искусственную шероховатость, тормозящую поступательное движение воды и не препятствующую ее движению поперек колодца. Отношение удельного расхода потока, выходящего из водобойного колодца на неукрепленное русло канала, к удельному расходу канала не рекомендуется назначать более 1:2,5.
Чем плавнее сопрягаются элементы водозаборного сооружения с руслом реки и чем меньше скорость течения в реке, тем меньше водовороты у сооружения, тем слабее перемешивание и взмучивание взвешенных и донных наносов, тем меньше мутность поступающей в регулятор воды. С целью создания более спокойных условий входа воды в регулятор его иногда ставят под острым углом отвода 60—75°; при этом его конструкция (особенно при еще более острых углах) значительно усложняется. Плавность входа в головной регулятор должна обеспечиваться и формой подходной выемки, более развитой с верховой стороны и несколько обжатой с низовом; особенно удлиняется выемка с верховой стороны в случае постановки головного регулятора под острым углом отвода а (рис. 31—7). Дальнейшее развитие инженерного водозабора направлено па усиление борьбы с наносами путем постановки головного сооружения не на берегу реки, а в удалении (1—2 км и более) от берега (рис. 31—8). Участки канала между берегом и головным сооружением используются как отстойники, наносы из них удаляются отчасти путем смыва, отчасти механической очисткой. Подобное положение головного регулятора определяется не только стремлением поставить перед ним отстойники, но также необходимостью разместить головной регулятор за пределами деформации русла реки, за пределами залегания слабых грунтов берега реки — на коренных породах.
На реках с большими уклонами (0,0003 и более) представляется возможность в системе бесплотинного водозабора использовать отстойники с частичным смывом в реку отложившихся в них наносов. От реки проводятся 3—4 канала, которые собираются в одном регуляторе (рис. 31—9), или в конце каждого канала ставится отдельный регулятор. Во время паводка
магистраль питается через один канал, а другие каналы при этом не работают, вследствие чего вода в работающем канале излишне не переосветляется.
В межень, когда уровни в реке стоят низко и отвод воды становится затруднительным, работают все остальные каналы, а первый очищается от наносов механически и частично гидравлически. Для этого в него забирают максимальный расход я пропускают его через промывной канал; часть наносов из 1-го канала вследствие развития кривой спада смывается. Следует ставить струенаправляющие системы перед входом в работающие каналы и в каналах вести очередную очистку от заиления постоянно работающим парком землесосов. Надо избегать долгого простоя, без работы каналов, так как и при этом они отчасти заиляются мелкими и мельчайшими наносами: выпадая из стоячей мутной воды, они тем самым понижают ее объемный вес, отчего образуется слабый донный ток в канал. Отложения более крупных наносов и в большем количестве наблюдаются в голове каналов: очистка отложений мельчайших наносов землесосами затруднительна.
Рассмотрим три схемы бесплотинных гидроузлов с несколькими прокопами-отстойниками.
Первая схема с централизованным управлением водным потоком (рис. 31—8) предложена во ВНИИГяМ В. А. Шаумяном; она состоит из нескольких, в данном случае из трех, прокопов-отстойников, независимо друг от друга подающих воду в головной регулятор (рис. 31—9, 31—10, 31—11). Через верхний этаж головного регулятора вода подается в магистральный канал, а через нижний этаж — в сбросной канал. В паводок работает один прокоп, в межень — 2—3 прокопа.
Отложения наносов в прокопах смывают через донные отверстия регулятора в сбросной канал и далее в реку; во время промывок верхние пролеты головного регулятора закрывают и систему питают через остальные прокопы. Прокопы и сбросной канал всегда доступны для землесосов, производящих очистку от заиления.
Головы прокопов располагают в прямой зависимости от забираемого расхода на расстоянии 0,5 —1,5 км одну от другой; площадь между прокопами используют для отвалов (магазинов) наносов, удаляемых землесосами из прокопов; при этом полезно часть наносов, откладывающихся в голове прокопов, где происходит более интенсивное заиление за счет крупных фракций, не складывать на магазинажных площадках, а сбрасывать ниже в реку по лоткам-пульповодам от землесосов или по напорным трубопроводам.
Для предупреждения поступления в прокопы донных речных наносов, а также наносов, сбрасываемых в пульпе землесосов, в реке перед головами прокопов следует устанавливать системы струенаправляющих понтонов проф. М. В. Потапова.
К положительным сторонам рассматриваемой схемы надо отнести успешную борьбу с наносами путем гидравлического смыва части их в реку и недопущения в магистральный канал чрезмерного их количества; централизованное управление потоком в одной точке; малую потребность в землесосах, их равномерную работу. К недостаткам схемы относятся: 1) опасность зарастания прокопов и сбросного канала камышом, для чего особенно благоприятные условия создаются во время перерывов в работе прокопов и сбросного канала; в это же время в стоячей и теплой воде возможны выплоды малярийного комара.
Рис. 31—13. План и фасад головных регуляторов А и С.
Предупредить застой путем пропусков воды не всегда представляется возможным (из-за опасности заиления каналов при пропуске малых расходов воды через промывное отверстие и последующей недостаточной очистки от наносов воды, подаваемой на систему); 2) возможные затруднения со смывом наносов из прокопов по время высоких вод в реке, когда из-за больших потерь напора в донных промывниках (0,4—0,5 х) уровни воды в реке могут создавать подпор в прокопе и в сбросном канале; 3) опасность заиления промывного сооружения при пропуске через него малых расходов воды.
Вторая схема с децентрализованным управлением потоком, разработанная в Туркменводхозе инж. К. Любезновой и инж. И. Болтенковым, представлена на рисунке 31—12, а план и фасад головного шлюза — на рисунке 31—13. Здесь при трех прокопах один головной регулятор первой схемы заменен тремя парами открытых регуляторов А, В, С (рис. 31—12). Из регулятора А вода может непосредственно поступать в магистральный канал, из сбросного сооружения А — непосредственно в сбросной канал. Регулятор В располагается с правой стороны прокопа, регулятор С — с левой; следующие за ними каналы объединяются дюкером D, проходят под сбросным каналом и соединяются с магистралью. Сбросной регулятор В устраивают с левой стороны прокопа, сбросной регулятор С — с правой, следующие за ними каналы впадают в сбросной канал. Места слияния каналов должны быть планово оформлены и укреплены.
Достоинства этой схемы те же, что и первой, плюс меньшим подпор сбросного канала во время высоких уровней реки за счет меньших потерь напора при проходе воды через открытое сбросное сооружение.
Недостатки этой схемы тс же, что и первой, но здесь более сложно управление водой в трех точках; командная отметка за дюкером снижается из-за потерь напора в нем; дюкер необходимо устраивать многоочковым и оборудовать его затворами во избежание заиления.
Третья схема с децентрализованным управлением потоком представлена на рисунках 31—14 и 31—15. Здесь узел регуляторов N аналогичен узлам В и С во второй схеме. Узлы М и К состоят из открытого регулятора (с левой стороны прокопа), донного трубчатого сброса (с правой стороны прокопа) и акведука над ним, передающего воду от регуляторов N и М в магистраль. Качество схемы примерно то же, что и второй, с тем отличием, что гидравлические потери будут меньше при работе сбросного сооружения N и больше — при работе сбросных (промывных) сооружений М и К. Отметим возможность объединения регулятора и сбросного сооружения, что поведет к укорочению акведука, но зато обусловит удлинение трубы сбросного сооружения и увеличение гидравлических потерь в нем.
Общее свойство трех рассмотренных схем заключается в относительной медлительности смыва наносных отложений, что не должно оцениваться отрицательно; так, при медленном смыве наносов будет и малая концентрация пульпы в сбросном канале, а следовательно, и более благоприятное транспортирование ее рекой.
Шпорный водозабор устраивается в целях лучшего обеспечения забора воды, повышения уровня забираемой воды путем переноса точки забора в начало шпоры, а также в целях улучшения условий борьбы с наносами.
На рисунке 31—16 показан шпорный водозабор, построенный в 1900— 1905 гг. инж. Б. Н. Кастальским1.
Головной каменным регулятор с высотой стен над флютбетом 3,5 м имел, три пролета по 1,8 м с затворами, снабженными винтовыми подъемниками.
Перед головным регулятором была устроена сквозная свайная шпора, обсыпанная камнем разного размера с утрамбовкой. У примыкания к регулятору в шпоре имелось шесть донных отверстий (окон) для смыва наносных отложений перед регулятором. От регулятора до примыкания к магистральному каналу шла свайно-фашинная дамба; трасса канала проходила через староречья и местные понижения, использовавшиеся в качестве отстойников. Через окна в конце отстойников отложения наносов частично смывались в реку.
На рисунках 31 — 1 и 31 — 17 показан шпорный водозабор, предложенный проф. Д. Я. Соколовым.
Промывник в период влечения рекой донных наносов работает непрерывно, при этом расход подводящего русла — кармана (равный сумме расходов сброса и водозабора) должен назначаться таким, чтобы скорости в нем были достаточны для перемещения наносов по карману. В межень, когда рекой влекутся преимущественно взвешенные наносы, они могли бы осаждаться в кармане, что нежелательно; поэтому, если позволяет расход реки, следует создавать также и в это время повышенные расходы в кармане, т. с. и повышенные скорости, не допускающие осаждения в нем наносов. С этой целью входной оголовок шпоры устраивают с раструбом (воронкой), что вследствие превышения q реки над центром входа в карман способствует также отклонению донных струи от входа в вод при паводочных расходах; при этом возможны размывы русла реки из-за стеснения ее шпорой и отводом.
31-3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ГОЛОВНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ
Гидравлическим расчетом головных регуляторов, аналогично общему расчету регуляторов сети, устанавливают основные размеры сооружений, гарантирующие забор заданного расхода, а также безопасные для магистрального канала и прилегающего к сооружению участка реки условия пропуска воды при принятых конструкциях сооружения.
Рис. 31—18. Гидрографы роки и магистрального канала.
Основной частью расчета является установление ширины отверстия сооружения, существенно зависящей от абсолютных величин и от разности уровней воды в реке и в регуляторе. Вследствие некоторой условности в выборе расчетного года реки целесообразнее будет принимать уровни реки, соответствующие не ее бытовым расходам а за вычетом из них расхода, идущего в регулятор, т. е. не II1, а II2.
Так как для расчетного года известно изменение глубин (пли уровней) реки но времени, известна связь глубин и расходов Qj=(II1), то, вычитая из расходы водозабора Q, можно по указанной выше связи найти глубины Н2 за сооружением в нижнем бьефе реки.
Трассируя магистральный канал от орошаемых массивов к реке, получают в место водозабора все гидравлические элементы магистрального канала.
Далее, построив график глубин реки II2 (или уровней в ней) за время работы системы и наложив на него за тот же период времени график глубин в магистрали, приведенный к общему нулю с II2, получают данные, позволяющие рассчитать либо проверить достаточность ширины головного регулятора.
На рисунке 31—18 нанесены уровни воды в магистрали h и уровни в реке Н2. В точках А, В, и С разности уровней невелики; исходя из этих разностей, следует найти ширины регулятора b и большую из них принять в проекте.
В точке D имеется избыток напора; для этой даты при найденной ширине регулятора b следует проверить водозабор при переливе воды через шандорную стенку. Условия забора воды в середине мая (точка D) позволяют установить размеры забральной стенки и высоту стен сооружения над наибольшим уровнем в реке.
Расчет ведут по формулам, приведенным в § 4—6, а для точек А, В, С — по формулам затопленного истечения через открытое отверстие, учитывая, что выход из водобоя в канал (рис. 31—3) вызовет небольшую потерю на величину которой уровень воды в регуляторе будет выше уровня в канале за ним.
Напор от подходной скорости течения в реке учитывают, как и для регуляторов на каналах. Низ забральной стенки помещают на 10—20 см выше наибольшего уровня воды в регуляторе.
Для точки D вода забирается через шандоры и далее из-под затвора; поднимают затвор примерно па 0,6 расстояния от флютбета до низа забральной стенки, что предупреждает образование прыжка за затвором.
