Горные реки характерны следующими явлениями: быстро возникающими кратковременными ливневыми паводками, несущими большое количество крупных донных наносов, смытые со склонов деревья и пр., большими суточными колебаниями расходов воды, обусловленными усиленным таянием снегов и ледников днем и замедленным таянием их ночью; сравнительно малым содержанием в воде мелких наносов; относительном чистотой воды в межень. Для малых речек характерно почти полное (нередко и полное) прекращение поверхностного потока в межень, когда расход реки движется в виде потока грунтовых вод в гравелисто-галечниковом русле.
Для горных рек с развитой поймой характерна также неустойчивость, блуждание русла; после прохода паводка меженный поток может изменить направление и протекать по другому руслу. В горных реках с уклонами тальвега в несколько процентов нередко наблюдаются сели. Ледостав в горных реках южных районов — редкое явление; большие скорости течения, каскадные формы потока вызывают в горных реках образование шуги.
Отмеченные свойства горных рек определяют следующие требования к устраиваемым на них водозаборным сооружениям при низконапорных плотинах:
- транзитное движение наносов через гидроузел без допуска в водозаборное сооружение крупных наносов (гравия, гальки);
- наличие в плотине всегда открытого пролета, способного пропустить большую часть паводкового расхода;
- наличие в плотине широкого пролета, способного пропустить плывущее дерево;
- недопуск в водозаборное сооружение шуги.
Горные водозаборы сопряжены с отводом воды из очень бурных потоков, несущих в наволок камни и гальку.
Многочисленные типы таких водозаборов в своей основе забирают воду через решетки: донные, заглубленные, боковые, торцовые, и тем избавляют отводимую воду от камней, гальки и гравия.
Рассмотрим важнейшие тины горных водозаборов.
Донный или кавказский водозабор, предложенный проф. С. В. Избашем, применяется для вывода небольшого расхода воды из рек с развитой поймой, почти не имеющих в межень поверхностного течения.
Поперек реки устраивают дренажную галерею aвcd (рис. 32—6), у которой дно и верховая сторона — сквозные (дырчатые), защищенные фильтрами. На участке вс галерея перекрыта дырчатой железной (стальной, чугунной) плитой, с отверстиями диаметром 5—10 расположенными в шахматном порядке. Вместо плиты можно уложить донную решетку 4 с прорезями шириной 5 — 10 мм. Плиты (или решетки) укладывают с уклоном 5—10%.
На участках ав и cd галерея имеет сплошное перекрытие (железобетонное, бетонное), заглубленное под поверхность грунта на величину периодических смывов и намывов дна (часто около 0,5—1,0 м); на участке de прокладывается труба 5, до выхода на поверхность дна магистрального канала 6.
Через решетку возможно попадание песка и мелкого гравия, поэтому уклоны галереи и трубы 5 должны быть достаточны для развития в них скоростей, проносящих носок и мелким гравий, со сбросом излишне забираемых расходов (в наводок) из магистрали в реку.
Для направления меженного потока к плите (или решетке) устраивают невысокие направляющие дамбы 3, затопляемые в паводки.
При отсутствии поверхностного потока в реке расход водозабора грунтовых вод находят по приближенной формуле:
(32-1) где L — длина галереи авсd;
S — разность отметок уровня грунтовых вод в верхнем бьефе и уровня воды в галерее; часто она равна S по рисунку 32—6;
к — коэффициент фильтрации грунтов русла реки;
i — уклон грунтового потока, равный приблизительно уклону русла реки.
Рис. 32—7. Поперечный разрез водосливной плотины с донной решеткой: 1 — донная решетка; 2 — накосоперехватывающая галерея; 3 — трубы-пульповоды; 4 — водосбросная траншея; 5 — защитный стальной прокат; 6 — служебный мост; 7 — окно в быке; 8 — бытовое дно реки.
Точнее расход находят методом гидродинамики
В некоторых случаях отпадает надобность в устройстве участка галереи ав; тогда его можно заменить подземной плотиной в виде суглинистого зуба под поверхностью грунта русла реки.
Горным водозабор с донном решеткой. Предыдущий тип водозабора с отводом больших расходов из более мощной реки получил дальнейшее развитие на Северном Кавказе, Черноморском побережье, в Закавказье, Казахстане и Таджикистане.
Поперек русла устраивается водосливная плотина (рис. 32—7) высотой, достаточной для вывода воды на требуемую отметку и обеспечивающей хорошие условия эксплуатации гидроузла — забор заданного расхода, смыв в року захваченных с водой наносов, более спокойный подход потока к плотине; эти требования выполняются при высоте плотины 1,5—3,0 м. Донную решетку устраивают с прозорами (щелями) 8—15 мм; поэтому вместе с водой захватывается много песка и мелкого гравия, смыть которые обратно в реку не всегда удается из-за отсутствия большого избытка в расходе реки и трудностей (из-за рельефа местности), связанных с размещением в гидроузле песколовок.
Улучшение качества забираемой воды достигается, по П. А. Понеру, путем устройства перед траншеей наносоперехватывающей галереи (НИГ), также прикрытой донной горизонтальной решеткой, но со щелями, в 1,5— 2 раза более широкими, чем в решетке над водосборной траншеей.
При движении потока происходит расслоение его: донный слой поступает в НП галерею с расходом около 5—10% от расхода реки1, захватывая до 98% влекомых наносов размерами, меньшими щелей решетки; из ШТ галереи наносы по трубам диаметром, равным 4—5 ширинам щелей, непрерывно сбрасываются в нижний бьеф, с насыщенностью промывного расхода наносами до 200кг/л3; размеры ПП галереи невелики — около 0,6 X 0,6 м (рис. 32— 8). Р. Ж. Жулаев предлагает устраивать НН галерею (рис. 32—8, б), также прикрытую решеткой, с просветами в 1,5—2 раза более широкими, чем у водозаборной решетки, с непрерывной промывкой вдоль галереи безнапорным потоком (при напорном течении в НПГ она быстро заваливается наносами). Для этого в НПГ устраивают козырек, отстоящий от стенок НПГ на ширину 4 и 5 просветов решетки. Галерее придают уклон 0,1 и выводят ее через бычок в нижний бьеф; в конце ее ставят затвор, регулирующий расход галереи или отключающий ее от работы. Регулирующая способность такого затвора невелика; при значительном прикрытии отверстия затвором поток из безнапорного может быть переведен в напорный с последующим завалом НПГ наносами.
При величине промывного расхода около 15% водозабора НПГ захватывает до 70—80% донных наносов; с повышенном промывного расхода захват донных наносов увеличивается. Над траншеей устраивают две решетки: нижнюю — мелкую — из прямоугольных металлических полос (пластин) толщиной 5—10 мм и верхнюю из сильных прокатных профилей (однотавры, узкоколейные рельсы со срезанными полками и т. п.), расставленных через 25—30 см, с целью защиты нижней решетки от повреждения ее валунами (рис. 32—9).
Для улучшения эксплуатации и компактности решеток нижнюю решетку размещают внутри верхней с расстоянием между верхами решеток не менее 10 см. Обе решетки, приваренные к опорным пластинам, образуют единое звено шириной 0,75—1,0 м; звено может быть повернуто (для осмотра, ремонта) и оперто на балку служебного мостика (рис. 32—7). Решетке придают уклон 0,1—0,2, что облегчает перемещение но ней камнем и гальки, облегчает ее очистку. Плотина защищается от ударов камней прокатными профилями, затопленными в бетон но линиям элементов верхней решетки. Очистка мелких решеток от застрявшего гравия производится скребками, приводимыми в движение текущей водой или поочередной автоматической промывкой звеньев снизу (из траншеи без выключения водозабора) струей воды со скоростью 15 м/сек; проще промывается и менее засоряется решетка из клиновых элементов, образующих расширяющуюся книзу щель. Промывка решетки сверху сильной струей воды1 с выключением водозабора также дает положительные результаты.
Плановое размещение частей гидроузла зависит главным образом от местных топографических и гидрологических условий, от требований, предъявляемых к водозабору (расходы, уровни, степень очистки воды от наносов). Ширина русла и глубина потока перед гидроузлом должна обеспечивать условия нормального пропуска руслоформирующих расходов (см. главу 29); в узких створах, в которых требования к В и Н выполняются, гидроузел состоит из водосливной плотины, водозаборной плотины (рис. 32 — 10, а), зимнего отверстия, регулятора и канала, компактно размещаемых без больших выемок на берегах. Порог водосливной плотины размещают несколько выше порога водозаборной плотины (около 0,5 м) с целью обеспечения водозабора в межень, когда вследствие малости расхода реки доля отводимого из нее расхода велика (может быть 100%). Зимой вода в реке относительно чистая и нет необходимости забирать воду через донную решетку (к тому нередко обмерзающую): тогда водозабор ведут через зимнее отверстие, закрывая затворами вход на донную решетку и в ИНГ. Через это отверстие забирают воду и летом во время промывок отстойника, устраиваемого в гидроузле или на канале. В летнее время регулировку забираемого расхода ведут путем закрытия отдельных пролетов перед донной решеткой (во время высоких уровней в реке) или посредством сброса излишне захваченной воды через сифон, устраиваемый за сборной траншеей (рис. 32—11); вместо сифона устраивают также контролирующие уровень водосливы. Водосливы сбрасывают верхние, относительно чистые слои воды, сифоны — нижние, загруженные донными наносами.
В случае широкого створа необходимо создать искусственное русло перед гидроузлом (рис. 32—10, б), ввести в гидроузел водосбросную плотину, иначе русло может оказаться распластанным, но выдерживающим требуемого соотношения В и Н. В гидроузле ставят или отстойник, или песколовку системы И. К. Никитина. Общее требование к гидроузлам: необходимо избегать стеснений потока при подходе к плотинам, затрудняющих пропуск паводков, всегда быстро возникающих и переносящих большое количество камней, гальки, гравия, иногда и деревьев.
Разрезы по плотине и но сифону показаны на рисунке 32—11. В сборную галерею вода поступает через донную решетку и через окна, устраиваемые в быке и в устое (рис. 32—7); через эти окна донные наносы почти но завлекаются (рис. 32—2); все же их защищают вертикальными решетками, предупреждающими случайное засорение окон.
Рис. 32—11. Разрезы к рисунку 31—10.
Вода втекает в траншею косо направленными струйками, которые образуют в траншее винтовое течение, могущее всплесками тормозить поступление воды через донную решетку; для ослабления вращения потока устраивают по верховой стороне (иногда на дне) траншеи горизонтальную полку. Поступательные скорости в начале траншей без окон невелики; устройство окна в быке значительно выравнивает поступательные скорости в траншее, ослабляет винтовое движение и создает более спокойное протекание потока.
Гидравлический расчет траншеи. Через 1—2 года отложения наносов в верхнем бьефе достигнут порога водозаборной плотины и вода будет вступать в нее как через водослив с широким порогом. Выбор ширины отверстия водозаборной плотины должен быть увязан с высотой плотины, допускающей смыв из песколовок наносных отложений в нижний бьеф, с допускаемой отметкой подпора воды в реке, шириной и глубиной потока при пропуске руслоформирующих расходов, пропуском их через сооружения гидроузла. Многочисленность участвующих факторов заставляет эскизно проработать несколько вариантов и путем технико-экономического сравнения обосновать выбор одного из них1. Выбрав ширину отверстия плотины L (рис. 32—13), можно найти удельный расход и по нему глубину воды h1 в начале решетки (рис. 32-12):
(32—2)
1 Расчет горного водозабора с донной решеткой см. Е. А. Замарин. Проектирование гидротехнических сооружений. Сельхозгиз, М., 1961.
Если наносные отложения перед плотиной не обеспечат создания перед ней спокойного потока, и к плотине будет подходить бурный поток с глубиной Н, то глубину воды в начале решетки h, находят из уравнений установившегося неравномерного режима. Решетке придают уклон не более 0,2, такой же уклон придают порогу, начиная от затворов на таком расстоянии от начала решетки l0 (рис. 32—12), на котором струйки воды уже будут
В начале траншеи, где z малы, вода будет интенсивнее проскакивать по решетке в нижний бьеф, чем в конце траншеи, где z велики; следовательно, косина входа струй в решетку будет различна по ее длине1.
Пролет плотины с донной решеткой разделяется узкими быками с пазами для шандор, если река не несет карчей и деревьев; если рекой переносятся деревья, то на пролете вместо быков ставят две съемные стойки, с небольшими затворами или шандорами, за которыми можно производить очистку решеток. На зиму весь пролет плотины закрывают и воду забирают через зимнее отверстие, перед которым ставят запань, направляющую шугу к ближайшему пролету плотины, на котором к тому времени устанавливается лоток для сброса шуги в нижний бьеф.
Рис. 32—15. Водозабор системы И. Я. Андрейчука:
1 — водосливная плотика; 2 — горизонтальная решетка; 3 — напорный водовод;
4 — канал; 5 — затворы; 6 — промывная галерея.
В развитие решетчатого водозабора инж. И. Я. Андрейчук предложил следующую конструкцию (рис. 32—15). К водосливном плотине 1 примыкает водосбросная, с уширенными и удлиненными быками, верх передней части быка расположен на 0,7—1,5 м ниже нормального подпорного уровня верхнего бьефа и на ней уложена горизонтальная решетка 2, через которую вода поступает в напорным водовод 3 со скоростью около 1,7—2,0 м/сек. Каждый решетчатый водоприемник имеет обособленный напорный водовод (типа дюкера), выводящий воду в магистральный канал 4 и снабженный в конце затвором 5, и также обособленную промывную галерею, закрываемую затвором.
Каждая горизонтальная решетка может быть отключена от питания путем закладки шандор, для чего в начале передней, сниженной части быка устанавливается вспомогательный бык; решетка может быть отключена и от магистрали затворами 5 для промывки подрешеточного пространства. Автор указывает, что через каждую решетку можно забирать 2—5 м/сек воды.
Наличие напорных водоводов дюкерного типа осложняет эксплуатацию водозабора из-за возможной забивки их наносами.
Η. Ф. Данелия предложил послойно-решетчатый водозабор, основанный на использовании реактивных донных токов, препятствующих поступлению донных наносов в водозабор (рис. 32—16).
Рис. 32—16. Схема послойно-решетчатого водозабора.
Преградой в послойно-решетчатом водозаборе служат небольшие (затопляемые во время паводка) быки, которые размещаются над водозаборной галереей, устроенной в теле водосливной плотины.
При обтекании быков с лобовой стороны создается обратное донное течение, которое переходит во вращательное движение и направляет донные наносы в обход быков. В результате поток расслаивается — перед фронтом и вдоль быков получается полоса дна. очищенная от донных наносов.
Нижний слой потока проходит между быками винтообразным течением со сходящимися донными токами и транспортирует наносы по средней части пролета между быками (рис. 32—16). В боковых частях пролетов, свободных от движения донных наносов, у быков размещают частые решетки нижнего яруса (с зазорами от 6 до 10 мм). Средняя часть пролета, по которой движутся донные наносы, перекрывается наглухо, и потому она является холостым сбросом.
С лобовой стороны быков водоприемные решетки не устанавливают, так как эта сторона является возбудителем поперечной циркуляции. Поток с повышенным давлением и с нисходящими токами у лобовой стенки быков препятствует попаданию донных наносов в верхний слой, проходящий над быками; поэтому на быках устраивают грубые решетки верхнего яруса (с зазорами от 10 до 40 мм), через которые в галерею поступает вода без донных наносов. По бокам быков устраивают пазы, в которые закладывают шандоры во время межени.
Частая решетка (нижнего яруса) предназначена для забора воды, в основном при низких горизонтах (расчетный случай). При повышенных горизонтах быки затапливаются, и вода начинает поступать в галереи также и через решетки верхнего яруса.
Промывное устройство размещается па конце начального криволинейного (в плане) участка канала. За промывным устройством в случае необходимости на канале можно расположить боковой водослив и отстойник.
Для горных условий проф. В. Г. Айвазян предложил следующую конструкцию водозаборных сооружений (рис. 32—17). В быках и устоях плотины устраивают водоводы (ν=1,5-2,0 м/сек), вход в которые защищается от захвата гравия и гальки вертикальной решеткой; водоводы за плотиной объединяются в общий лоток, подающий воду в отстойник. Порог плотины закладывают заподлицо с дном верхнего бьефа или с небольшим возвышением над ним; глубина воды на пороге плотины должна быть достаточно большой (5 м и более), чтобы можно было разместить входные отверстия, дно которых возвышалось бы над порогом не менее 2—3 м.
Для пропуска паводка и смыва наносных отложений в отверстиях плотины ставят сегментные или плоские сдвоенные затворы. Дно лотков между быками и устоями должно возвышаться вад наибольшим уровнем не менее чем на 2,5 м; в дне лотка устраивают отверстия, закрываемые затворами, для периодической очистки лотков от крупных наносов. Такой водозабор называют бычковым.
Шторный водозабор («жалюзийный» водозабор) предложен В. И. Петровым для горных рек, несущих в паводки большое количество не только крупных наносов, но и деревьев, карчей.
Реку перегораживают плотиной с пролетами по 10—15 м (рис. 32—18), порог которой устраивают заподлицо с дном верхнего бьефа; к водосбросной плотине примыкает водосливная, а далее располагается земляная плотина. Перед головным регулятором ставят отстойник, отделяемый от верхнего бьефа шторной стенкой; в конце отстойника размещают промывной пролет с порогом па уровне дна верхнего бьефа.
Вход в водозаборное сооружение имеет небольшой порог (0,8—1,5 м) и очерчен в плане воронкообразно с целью забора воды из отстойника с малыми скоростями.
Шторную стенку на высоту 1,0—1,5 м от дна делают сплошной (из бетона или бута); на нее ставят заделанные в кладку пазовые стойки (из двутавров или швеллеров), в которые укладывают сплошь или с зазорами шандоры или жерди; стойки сверху схватывают мостиком.
Донный порог шторной стенки препятствует попаданию донных наносов в отстойник, а верхние шторки направляют плавник к водосбросной плотине.
Шторную стенку и ее мостик устраивают также из железобетона. Угол между шторками и течением реки 130—150°.
Предусмотрен забор воды в зимнее время через 2—4 донных окна в бетонной части шторной стенки, закрываемых затворами. Шугу сбрасывают через козырек затвора промывного отверстия, направляя к нему шугу запанью, или через шугосброс у входа в водозаборное сооружение.
Размеры отдельных элементов гидроузла и его общая компоновка устанавливаются исследованиями его работы на модели.
