§ 32—4. ПРЕДГОРНЫЕ ВОДОЗАБОРНЫЕ ГИДРОУЗЛЫ
Рис. 32—19. Боковой водозабор с донными промывниками:
1 — водозаборное сооружение; 2 — водосбросная плотина; 3 — земляная плотина;
4 — канал; 5 — донные промывники; 6 — струенаправляющие дамбы.
Предгорные участки рек характерны большими скоростями течения воды, большим количеством перемещаемых ею крупных донных наносов, значительными суточными колебаниями расходов, связанными с усиленным таянием снегов и ледников днем и слабым — ночью, наличием постоянного меженного расхода. Расходы ливневых паводков намного меньше расходов снеговых или ледниковых; реки шугоносцы. Расход водозабора обычно составляет часть меженного расхода реки. Поймы рек значительно развиты в ширину; после паводков возможны изменения положения меженного русла.
Обширную группу предгорных водозаборов можно разделить на несколько подгрупп: водозаборы с боковым отводом воды, с фронтальным отводом воды, с созданием и использованием поперечной циркуляции потока.
Боковой водозабор характерен захватом донных наносов в большей доле, чем доля отводимой в канал воды; это отрицательное свойство бокового водозабора преодолено советской гидротехникой. Трудами отечественных ученых И. С. Громеки, Η. Е. Жуковского, Л. Я. Миловича, М. В. Потапова и др., выявлена структура потока при водозаборе, что позволило в дальнейшем устранить отрицательные стороны бокового водозабора, развить и усилить его положительные свойства.
Если в плотинном водозаборе повысить входной порог и устроить в нем под водоприемником и до водоприемника донные промывники, то, как показали исследования К. Г. Липатова, Η. Ф. Данелия и А. Ф. Биркая, можно полностью перехватить дойные наносы и сбросить их в нижний бьеф1.
Развивающаяся при боковом водозаборе поперечная циркуляция потока позволяет направить донные токи к левому промывнику (рис. 32—19) при открытых трех пролетах водозаборного сооружения и при закрытых под этими пролетами промывниках.
Если работают средний и правый пролеты водозабора, то для перехвата донных наносов должны работать левый промывник и соседний с ним и т. д. (поэтому устройство четвертого справа промывника не обязательно).
Расход, пропускаемый промывниками, назначают равным 0,3—0,5 расхода водозабора, а при пропуске пика паводка — не более расхода водозабора. Промывники облицовывают против истирания сменной деревянной облицовкой или постоянной металлической.
Водозабор с накисающей решеткой, Схема гидроузла в общем соответствует рисунку 32—19. Конструкция водозаборного сооружения показана па рисунке 32—20; она состоит из открытых пролетов, впереди которых поставлена нависающая решетка из железных пластин с призерами в 5— 10 мм. Вследствие наклонного положения решетка меньше забивается гравием и мусором и легче очищается от него граблями — гребенкой пли автоматически вибратором.
Ссыпающиеся при очистке решетки гравий и мусор смываются в нижний бьеф реки донными промывниками. устраиваемыми под каждым водозаборным пролетом. Очищать решетку можно без выключения из работы водозаборного пролета.
В паводок река несет гальку, плавник; чтобы предупредить повреждение ими нависающей решетки, перед ней устанавливают, также наклонно, редкую достаточно массивную решетку (например, из специальных профилей, однотавров и др.). На зиму обе решетки убирают на склад. Водозаборы с боковым отводом и НПГ находят применение в двусторонних водозаборах, когда вода подается на оба берега реки.
Водозаборы с фронтальным отводом воды. Фронтальные водозаборы называют также послойными водозаборами.
Название это условное, так как речному потоку пе свойственна слоистая структура, и он находится в состоянии непрерывного перемешивания.
Принцип работы такого водозаборного сооружения состоит в заборе в отвод верхних слоев речной воды и в транзите по реке нижних слоев, содержащих крупные взвешенные и донные наносы. В реке вследствие большой турбулентности потока взвешенные наносы почти равномерно распределены по вертикали, часть придонных наносов также взвешена, поэтому, чтобы добиться меньшего содержания взвешенных наносов в верхних слоях воды и перевода придонных наносов в донные, уменьшают турбулентность потока путем уменьшения скоростей течения и увеличения глубин потока, что достигается постановкой невысокой плотины.
В системе послойного водозабора, показанной па рисунке 32—21, отстойники располагаются за плотиной, в нижнем бьефе, благодаря чему возможно не допускать донные наносы в отстойники, а перехватывать их донными промывниками, сделанными во входном пороге отстойника. Эта система позволяет вести борьбу с захватом шуги путем постановки шугосбросов над входным порогом отстойника с запанью перед ним.
К недостаткам этого водозабора следует отнести большую ширину входа, вследствие чего удлиняются водоводы входных промывников, неравномерно удлиняются камеры отстойника с потерей части полезной длины над промывниками. Полезно разместить донные промывники входа так, чтобы они выходили за водозаборные пролеты вверх по реке, чем обеспечивается смыв донных наносов в нижний бьеф реки и недопуск их в отстойник.
Водозаборы с активным воздействием на структуру речного потока. В водозаборе с боковым отводом (рис. 32—19) использовано свойство поперечной циркуляции потока для перехвата и удаления донных наносов в нижний бьеф через донный промывник, несколько сдвинутый вверх по течению по отношению к работающему пролету водозабора.
Профессор Д. Я. Соколов предложил создавать искусственную циркуляцию потока путем устройства криволинейной дамбы перед бесплотинным водозабором, располагаемым на вогнутом берегу против дамбы1.
Перегораживая такой дамбой пойму и ставя в конце ее плотину, получают плотинный водозабор с криволинейной дамбой (рис. 32—4). Перед головным сооружением устраивают криволинейный порог, снабжаемый для лучшего удаления наносов в нижний бьеф выносным полком (по рекомендации М. С. Вызго и И. А. Якштас)2.
Криволинейное очертание порога позволяет успешнее бороться с захватом донных наносов в паводок, сбрасывая их через плотину, т. е. в боковой отвод, а фронтально направляя воду в водозаборное сооружение; перед порогом в межень поддерживаются большие глубины.
Дальнейшее развитие ферганский водозабор получил на осуществленном гидроузле3 с забором 32 м/сек (24 м/сек на производство и 8 м/сек на промывку отстойника, устроенного на деривации) и расходом паводка с обеспеченностью 0,1% 750 м/сек. В гидроузле слева устроен водослив практического профиля с К = 100 м. длиной 90 м, сбрасывающий часть паводочного расхода и большую часть наносов; порог водослива параллелен бытовому дну (≈0,009). Ширина подводящего русла перед водосливом равна 32 м у начала водослива 30 м и у конца водослива 22 м с внутренними радиусами закругления от 130 до 100 м. Плотина имеет три пролета по 6 разделенные спереди косо срезанными бычками толщиной по 2 м, что вследствие значительного поднятия уровня у вогнутого (правого) берега (по опытам—до 1,7 м при пропуске расчетного паводка) над уровнем левого берега улучшало условия пропуска паводка через плотину (рис. 32—22). Плотина заканчивается сплошным трамплином и заглубленным зубом; сплошной трамплин проще защитить облицовкой от истирания донными наносами, чем гребенчатые трамплины.
Трапецеидальное очертание трамплина в плане создает более благоприятную структуру потока в нижнем бьефе, не угрожающую подмывом правому берегу (рис. 32—23). Со стороны верхнего бьефа плотина снабжена наклонной гранью, что, помимо некоторого увеличения коэффициента расхода по сравнению с вертикальной гранью, устраняет реактивные обратные течения (рис. 32—2) и уменьшает захват наносов в водозабор. Таким образом, реактивные течения могут быть искусственно созданы и использованы в благоприятную сторону (рис. 32—16), но они могут быть ликвидированы при другой системе водозабора, также в благоприятную сторону.
Регулятор (рис. 32—24) состоит из трех пролетов, подающих воду по трубам в канал; в зимний период вода забирается через два окна
по 1,4 м, устроенные в пороге регулятора. Порог — прямоугольной формы (не Г-образный), составленный в плаве из двух прямых, что проще в исполнении, чем криволинейный порог.
Рис. 32—25. План двустороннего водозабора.
Двусторонние водозаборы. Стремление к более полному освобождению от захвата донных наносов, перемещаемых рекой в большом количестве, и местные топографические условия (сравнительная узость створа гидроузла, извилистость русла реки) обусловливают применение ферганского водозабора, в котором отвод воды из реки производится на одном из берегов (обычно с большим водозабором) с последующим переводом части воды на другой берег. Сосредоточивая водозабор на одном берегу, можно создать лучшие условия по борьбе с захватом донных наносов.
На рисунках 32—25 и 32— 26 представлен разработанный инж. А. 11. Клочковым в Кир- гизгипроводхозе двусторонний водозабор, в который вода поступает через водослив (вогнутый) в траншею левого берега и из нее разводится по трубам па левый и правый берега. На правом берегу также устроены водослив (выпуклый) и траншея, перехватывающие в паводок донные наносы и сбрасывающие их в нижний бьеф; в период меньших расходов реки донные наносы перехватываются отверстием в начале правобережной траншеи. Необходимо предусмотреть постановку на вогнутом водосливе решетки (со служебным мостиком), предупреждающей попадание плавника в водозабор; сброс его в нижний бьеф производится через козырьки затворов плотины или он складывается на берегу.
ГрузНИИГиМ разработал двусторонний фронтальный водозабор (рис. 32—27 и 32—28), рекомендуемый на реках с обильными донными наносами, исключая селевые реки, для подпоров уровня 2—8 м. ГрузНИИГиМ дает следующие указания: перед водозаборными отверстиями устраивают небольшой карман шириной в два с лишним раза больше, чем глубина воды в нем, и длиной, достаточной для размещения водоприемных и наносоперехватывающих галерей, плюс 2—5 м на обтекание раздельной стенки кармана. Скорость в кармане назначают около 0,8—0,9 от бытовой скорости в реке (до постройки сооружения); такую же или несколько большую скорость (1,5 м/сек и более) принимают в водоприемнике. Высоту галерей назначают от 1 м до половины глубины в кармане; входные отверстия в галерее размещают симметрично относительно входной грани первого отверстия водоприемника.
По данным Η. Ф. Данелия, расход наносоперехватывающих галерей берется равным 0,2—0,25 расхода водозаборного сооружения; число галерей — не менее двух. Скорости в галерее равны 4—7 м/сек. Полная ширина отверстий наносоперехватывающих галерей составляет 0,6—1,0 ширины отверстий водоприемника.
Водозабор должен работать нормально при опущенных затворах кармана, когда в кармане создается обратно направленное донное течение, подгоняющее донные наносы к отверстиям галерей и тем препятствующее захвату их водоприемниками. Через отверстия кармана пропускают наибольшие паводки, шугу, плавник, проводят промывку верхнего бьефа, смыв наносов за галереями; в межень и в малые паводки затворы отверстий кармана опущены.
К рассматриваемым типам водозаборов относится также водозабор с плотиной, поставленной вдоль реки (рис. 32—29). Гидроузел, разработанный по предложению проф. В. В. Пославского и являющийся прототипом ферганского водозабора, расположен перед началом широкого участка поймы, где река имеет узкий створ, твердое основание (хлористые сланцы), частью прикрытое неглубоким слоем (до 5 м) галечника.
Расчетный расход реки принят равным 1500 м3/сек. В плане плотине придано круговое очертание с радиусом 167,4 м. Плотина имеет восемь пролетов по 15 м, закрываемых сегментными затворами, из которых два, примыкающие к регулятору, снабжены козырьками для сброса шуги. Быки плотины в плане сужаются с 2,6 до 1,5 м (книзу, по течению). Через плотину проложен проезжий мост. Наибольшая глубина перед плотиной 4. Поперечный разрез по плотине показан па рисунке 22—12.
Регулятор, примыкающий к левому плечу плотины, расположен поперек стрежня потока, поэтому вода протекает через плотину, как в боковом отводе. Вследствие этого перед плотиной образуется циркуляционный поток, увлекающий донные наносы через плотину, а поверхностные струи, содержащие наименьшее количество взвеси.— в регулятор, вход в который защищен еще от захвата донных наносов криволинейным порогом высотой 1,5 м. Нормальный расход регулятора 185 м3/сек, из которых 15 м3/сек подаются на правый берег дюкером диаметром 2,5 м, заложенным во флютбете плотины.
Регулятор расположен на галечнике и имеет 10 пролетов по 5 м. закрываемых шандорами и разделенных быками толщиной 1 м. Флютбет двух полупролетов и одного пролета вместе с двумя быками образует жесткую железобетонную конструкцию. За порогом регулятора устроен колодец с дном ниже порога регулятора на 3,9 м, переводящий воду (аналогично траншейному сбросу) в магистральный канал. В левом устое регулятора размещена ГЭС мощностью 230 кВт для обслуживания подъемников плотины и поселка. Правый пролет регулятора с порогом высотой 2 м питает дюкер.
В. Ф. Поярков приводит описание водозабора1 с криволинейным карманом. В водозаборе (рис. 32—30) пода поступает в карман 1, в котором вследствие энергичной поперечной циркуляции потока донные наносы отгоняются к выпуклой стенке и через устроенные в пей донные трубы 2 сбрасываются в нижний бьеф.
Размеры кармана находятся из расчета его на пропуск суммарного расхода — на водозабор и на промывку наносов. Излишние расходы и паводки сбрасываются через водослив 3 и через сбросное отверстие 4. Промывка кармана ведется через отверстие плотины .5.
Водозабор осуществляется через широкий открытый регулятор 6. впереди которого ставится высокий криволинейный порог 7; в случае необходимости подачи воды на противоположный берег за криволинейным порогом (в конце его) размещают второй водозабор 8. из которого воду проводят на другой берег под рекой дюкером 9 и далее каналом 10,
В случае больших шугоходов криволинейный канал может осложнить борьбу с шугой, она будет подгоняться поверхностными струями к водозабору. В таких случаях целесообразно устраивать прямолинейный сужающийся карман, а в стенке с донными трубами размещать до водозабора 1—2 открытых отверстия (с клапаном) и к ним направлять шугу запанью. В летнее время в кармане можно устанавливать направляющую систему М. В. Потапова.
Некоторые особенности свойственны двустороннему выводу воды при широких поймах, когда бытовой поток реки идет отдельными руслами. Устройство двух отдельных водозаборов, соединенных на пойме земляной плотиной, сопряжено с опасностью почти полного завала наносами одного из протоков, питающих водозаборы (большей частью с меньшим забираемым
расходом), и тем самым снижения величины забираемого расхода. В таких условиях возможно устройство гидротехнического узла сооружений, объединяющего в одно целое, в одном пункте оба водозабора, как это показано на рисунке 32—31.
Рис. 32—31. Двусторонний водозабор.
Трассу левобережного вывода, удаленного от берега, проектируют либо каналом по пойме за земляной плотиной в полувыемке-полунасыпи или насыпи, либо безнапорной штольней в земляной плотине, либо бетонированным каналом по низовому откосу плотины.
Если забираемые на каждый берег расходы сильно разнятся между собой, двусторонний водозабор заменяют односторонним; всю воду, и правого и левого берега, забирают на том берегу, где расход водозабора больший; малый расход переводят на другой берег дюкером или акведуком.
