Глава 32
Плотинный водозабор
§ 32—1. ВЫБОР СТВОРА ГИДРОУЗЛА
Плотинные водозаборы устраивают, когда бытовые уровни реки недостаточны для самотечной подачи воды, т. е. когда необходимо уровень реки поднять устройством плотины (например, Кзыл-Ординская плотина на р. Сыр-Дарье, Баграм-Тапинская плотина на р. Аракс).
Плотины иногда ставят и в тех случаях, когда уровни реки обеспечивают бесплотинный водозабор:
- когда экономически выгодно сократить длину холостой части магистрального канала в орошении;
- при двустороннем заборе воды с обоих берегов реки (для орошения, ГЭС и других целей), особенно при больших долях отводимых из реки расходов, когда взаимное влияние двусторонних бесплотинных водозаборов друг на друга и на реку настолько велико, что может значительно понизить водомерные свойства и осложнить эксплуатацию сооружений. Подпором воды у плотины создается более спокойный и мощный (по размерам) верхний бьеф реки, при котором устраняются или значительно ослабляются указанные недостатки;
- при одностороннем водозаборе, когда, например, река используется как водный путь и большие доли отводимого расхода могут ухудшить условия судоходства в районе водозаборного сооружения; постановкой плотины и судоходного шлюза можно добиться лучших условий для судоходства;
- при обеспеченных уровнях бесплотинного водозабора, когда выше водозаборного регулятора на реке имеются быстрины, пороги, являющиеся очагами шугообразования: перекрытие порогов подпором от плотины улучшит условия забора воды зимой (Волховская ГЭС). За порогами мутность воды реки в ее бытовом состоянии всегда несколько повышена из-за перемешивания донных и придонных наносов: перекрытие порогов подпором будет способствовать меньшему захвату наносов регулятором вследствие устранения перемешивания наносов и уменьшения взвеси;
- при плотинном водозаборе значительно повышается качество забираемой воды. Малые скорости течения в верхнем, подпорном бьефе обусловливают осаждение перед регулятором части наносов, а созданная плотиной разность уровней позволяет смывать их током воды в нижний бьеф, вследствие чего количество накосов, забираемых вместе с водой регулятором, уменьшается.
Указанные цели достигаются обычно низконапорными плотинами. Увеличение площади орошения, а следовательно, и командного уровня магистрали достигается устройством средненапорных плотин, которыми до известном степени уже можно регулировать сток реки при достаточных по емкости водохранилищах.
Рис. 32—1. К выбору створа водозаборного гидроузла:
I — бесплотинного; 2 и 3 — плотинного; 4 — машинного; 5 — магистральный канал; 6 — холостая часть канала; 7 — плотины.
На маловодных в вегетационный период реках устраивают высоконапорные (водохранилищные) плотины, предназначенные для регулирования стока реки, при этом можно увеличить орошаемую площадь, использовать полученный напор на ГЭС (например, Кайрак-Кумская плотина и ГЭС па р. Сыр-Дарье позволяют значительно увеличить площадь орошения в Голодной степи).
Выбор створа плотины рассмотрим на рисунке 32—1. Магистраль можно протрассировать к пункту 1 на роке; если уровни в реке здесь достаточны для самотечного входа воды в регулятор, берега и русло реки устойчивы и общие гидрологические условия благоприятны, то возможен бесплотинный водозабор. Если береговые террасы близко подходят к реке, то при высоких коренных берегах, во избежание глубоких выемок, магистраль приходится вести вдоль реки; встречаемые при этом на трассе магистрали саи и овраги придется пересекать большими, а следовательно, дорогими и, вероятно, многочисленными дюкерами, акведуками, лотками. Кроме того, часть магистрали будет проходить но косогорным участкам, что также будет связано с дополнительными работами; в результате может оказаться, что экономичнее будет вместо бесплотинного варианта перейти к плотинному с водозабором в пункте 2.
Так как уклоны рек в средних и верхних участках их течения обычно значительно превосходят уклоны каналов, то в пункте 2 уровень воды в регуляторе будет ниже, чем в пункте 7, за счет гидравлических потерь на участке магистрали 1—2, по выше уровня реки у пункта 2; поэтому недостающий для водозабора напор необходимо получить за счет плотины. Несмотря па дополнительные расходы па постройку плотины в пункте 2, этот вариант может оказаться экономичнее первого и по строительной стоимости, и по эксплуатационным расходам.
В самом деле, но второму варианту длина магистрали сокращается в наиболее ее дорогой по стоимости и эксплуатационным расходам части, создаются более благоприятные условия для забора воды и для борьбы с захватом наносов в магистраль: кроме того, забираемый из реки в пункте 2 расход несколько меньше, чем в пункте 1, на величину фильтрационных потерь на участке магистрали 1—2.
Хотя низконапорные плотины и менее требовательны к основанию, чем средненапорные, тем не менее створ 2 может оказаться мало подходящим для устройства плотины из-за слабых грунтов основания, широкой поймы, конфигурации русла (выпуклый берег у регулятора) и других обстоятельств, поэтому необходимо обследовать реку и в других створах.
При заборе воды ниже по реке, в пункте 3, длина холостой части магистрали еще более сокращается, уменьшается расход за счет потерь на участке магистрали 2—3, но зато плотина здесь будет выше, чем в пункте 2. Технико-экономическое сравнение вариантов водозабора в пункте 2 и 3 должно обосновать выбор одного из них.
Однако при заборе небольших расходов предпочтительным может оказаться механический подъем воды в пункте 4, с наиболее короткой холостой частью магистрали, с меньшим расходом (за счет фильтрационных потерь на участке магистрали 3—4), с меньшей отметкой уровня в напорном бассейне (за счет гидравлических потерь на участке магистрали 3—4), но с большими эксплуатационными расходами на подъем воды насосами.
§ 32—2. ОБЩИЕ УСЛОВИЯ КОМПОНОВКИ ВОДОЗАБОРОВ
Борьба за качество воды, сводящаяся главным образом к удалению из псе вредных наносов, осуществляется последовательно на ряде сооружений.
Для гидроэлектростанций плотинные водозаборы не должны допускать в деривацию донные наносы; отстойные бассейны (сокращенно — отстойники), устраиваемые в гидроузле, должны задерживать крупные взвешенные наносы, осветляя воду так, чтобы транспортирующая способность деривации была достаточна, чтобы не допустить заиление ее оставшимися в воде наносами; далее вода поступает в ГЭС и от нее обратно в реку.
Для ирригации требуется более сильное осветление воды от наносов. Задачи водозабора и отстойника в гидроузле здесь те же, что и в случае подачи воды в ГЭС. Поток, очищенный в водозаборе и первичном отстойнике от донных и крупных взвешенных наносов, далее поступает в магистральный канал и свободно транспортирует содержащиеся в нем средние и мелкие взвешенные наносы до точек выдела воды в распределительные каналы. Распределительные каналы, как более мелкие, по сравнению с магистральным. обладают меньшей транспортирующей способностью; к тому же в них повышается концентрация взвешенных наносов вследствие потерь воды на фильтрацию. Так, например, если мутность потока при выходе из первичного отстойника была 2,6 кг/м3, а потери воды на фильтрацию в магистрали и в распределителе составляли 10%, то мутность воды в распределителе будет по 2,6 кг/м3, а больше, т. е. — 2,9 кг/м3. По мере дальнейшего деления воды по более мелким каналам уменьшается их транспортирующая способность, возрастают потери на фильтрацию, повышается концентрация взвешенных наносов (часть их может переходить в донные) и каналы могут заилиться.
Очистка от заиления таких небольших каналов, размещенных на большой территории, затруднительна и нс экономична. Стремление повысить степень осветления воды в первичном отстойнике так, чтобы не заилились
Постановка широкого быка или преграды — стенки, поставленной поперек течения, создает перед ней резко очерченную зону, в которой донные токи направлены против общего течения и которые не только но позволяют донным наносам откладываться перед стенкой, но отгоняют их в стороны, образуя яму перед стенкой. Повышенно уровня воды у стенки примерно равно скоростному напору потока.
Создание благоприятной для водозабора структуры речного потока при заданных природных условиях гидроузла и заданных требованиях подачи воды может быть выполнено различными конструкциями сооружений, которые будут рассмотрены в дальнейшем.
Рис. 32—2. Обтекание: а — быка; б — преграды.
Использование свойств бокового отвода в компоновке плотинного водозабора показано на рисунке 32—3, когда гидроузел ставится на прямом участке русла. Широкое русло реки преграждается земляной плотиной, и расходы реки пропускаются через бетонную (или железобетонную) плотину, к которой поток организованно подводится через устойчивое искусственное прямолинейное русло между правым берегом и дамбой.
Ширина такого искусственного русла должна удовлетворять зависимостям (27—29) и (27—30). Искусственное русло должно быть проверено па неразмывающую скорость с учетом естественной отмостки.
В зоне концентрации донных токов у оси вихря (аналогично зоне а на рис. 29—2) в пороге водозаборного сооружения устраивается донный промывник, который полностью перехватит донные наносы и сбросит их в нижний бьеф реки. Так как водозабор имеет несколько пролетов и в процессе эксплуатации часть из них может быть выключена, то донные промывники устраивают и под ними, кроме ближайшего к плотине, где смыв наносов может быть выполнен пролетом плотины при пропуске воды из-под затвора. Таким образом, неблагоприятное свойство бокового отвода (большой захват донных наносов) здесь использовано в положительную сторону — для недопущения наносов в магистраль.
Использование естественной поперечной циркуляции па криволинейных участках реки усиливается приданием криволинейных форм искусственному руслу, направлением реки по боковому отводу и устройством фронтального водозабора. Такой водозабор (называемый ферганским) показан на рисунке 32—4; правый берег слегка срезается у водозабора, против него устраивают криволинейную дамбу, порог у водозабора устраивают также криволинейным с вынесенным вперед полком.
Реактивное донное течение используется во фронтальных водозаборах (рис. 32—5), в которых при закрытых нижних пролетах карманы через верхние пролеты забирают воду па систему. Отверстия нижнего этажа пропускают воду в нижний бьеф преимущественно во время пика расчетного паводка, помогая тем самым работе плотинных пролетов.
Если устроить, но предложению Η. Ф. Данелия, перед водозабором небольшой карман, то при закрытых дойных промывниках наблюдается подъем уровня в кармане (из-за потери скоростного напора). Вследствие этого происходит интенсивный отгон донных наносов от порога водозабора в реку, откуда они могут быть удалены через ближайший к карману пролет плотины при небольшом поднятии затвора или через донные отверстия, устраиваемые у начала раздельной стенки кармана (рис. 32—5) (уширяемой для этого книзу) или в береговой стенке кармана.
Для правильного выбора тина водозаборного гидроузла необходимо всесторонне изучить природные условия реки, требования водоподачи на гидросиловую, оросительную или другую систему, условия эксплуатации сооружений.
Проектируя в заданных условиях водозаборные гидроузлы, необходимо установить возможные 2—3 варианта решений, эскизно разработать их, определить по укрупненным измерителям их стоимости, способы и сроки строительства, оцепить их эксплуатационные качества и выбрать вариант, наилучшим образом отвечающий заданию на проектирование.
Еще далеко не все в работе плотинного гидроузла может быть рассчитано, поэтому часто бывает необходимо выбранный вариант гидроузла испытать в лаборатории на модели.
Речные плотинные водозаборные узлы, весьма разнообразные по компоновке. форме и конструкциям, трудно классифицировать по какому-либо основному признаку. Поэтому далее водозаборные узлы рассматриваются применительно к месту их расположения на участках рек.
