7.4.Водоприемные ковши

При необходимости отбора из рек больших количеств воды в определенных условиях может оказаться экономически целесообразным и эффективным устройство водоприемных ковшей. Водоприемный ковш представляет собой своеобразный искусственно сделанный залив, который образуется дамбой, вынесенной в русло реки (рис. IV.24), или специально отрытой выемкой (рис. IV.25). Ковши могут иметь верховой вход (рис. IV.24, а и IV.25, а) или низовой вход (рис. IV.24, б и IV.25, б) по течению реки. В отдельных

случаях устраивают два входа в ковш — верховой и низовой. Вода забирается из ковшей водоприемными сооружениями В (преимущественно берегового типа), располагаемыми в конце ковшей. Использование ковшей особенно эффективно на шугоносных реках. В ряде случаев ковш позволяет успешно бороться с затруднениями, которые возникают при заборе воды в условиях образования внутриводного льда'. Малые скорости движения воды в ковше (поряд­ка 5—15 см/с в среднем по сечению ковша) обусловливают более ран­нее образование ледяного покрова, что исключает возможность пере­охлаждения воды в ковше и появления глубинного льда. Благодаря малым скоростям шуга, занесенная в ковш из реки, всплывает и смер­зается с поверхностным льдом. Таким образом, условия работы водо­приемника при заборе воды из ковша, а не непосредственно из шугоносной реки значительно улучшаются.

Следует отметить, что в районах с особенно тяжелыми ледовыми условиями ковши не всегда могут обеспечить надежную защиту водо­приемника; в этих случаях требуется применение дополнительных мер по борьбе с обмерзанием водоприемных устройств: обогрев решеток, сброс перед водоприемником теплой отработанной воды (в производ­ственных водопроводах).

Водоприемные ковши используют не только для борьбы с шугой, но иногда и для частичного осветления воды, забираемой из рек, несу­щих большие количества взвеси.

На реках с недостаточными глубинами ковши могут устраиваться для увеличения глубины у места забора воды и для улучшения усло­вий подвода воды из русла реки к водоприемнику. В этих случаях дно ковша располагают на 1—1,5 м ниже дна реки, благодаря чему отпа­дает необходимость в возведении водоподъемной плотины.

Проще и дешевле устраивать ковши в русле реки путем сооружения дамбы (см. рис. IV.24). Если ковш предназначен для борьбы с шугой, то отметка гребня дамбы должна быть выше отметки уровня воды в период шугохода, но в другие периоды дамба может заливаться высокими водами. В ковшах, используемых для осветления забираемой воды, дамба устраивается незаливаемой. В тех случаях когда стеснение русла реки дамбой нежелательно, ковш отрывают в береге реки. Иногда устраивают ковши, частично вынесенные в реку и частично врезанные в берег, что может сократить объем и стоимость работ. Угол ф, образуемый осью ковша с направлением течения реки, может меняться в весьма широких пределах. Детальный анализ работы водоприемных ковшей, а также разработка системы основных расчетных параметров приведены в одной из

.последних монографий А. С. Образовского Гидравлический режим работы водоприемных ковшей очень сложен. Он зависит от типа и формы ковша, расположения его по отношению к руслу реки, типа входа в ковш и количества воды, отбираемой из реки. Режим работы ковша меняется при сезонных изменениях уровня

и скоростей течения воды в реке. А. С. Образовский дает подробный анализ возможных режимов отбора

воды из реки в ковш. Можно различать два основных характерных режима отбора — режим деления и режим водообмена.

Режим деления возникает при отборе из реки относительно больших количеств воды (по сравнению с расходом воды в реке). При этом в реке ниже места отбора воды глубины и скорости течения уменьшаются,

т. е. в русле реки образуется кривая спада. Таким образом, при режиме деления отбор воды оказывает существенное влияние на речной поток. При входе в ковш уровень воды несколько понижается и она

поступает в ковш со скоростями, равными скоростям течения воды в реке или большими их. Это создает условия, способствующие вовлечению в ковш донных наносов. Схема токов воды на входе в ковш при режиме деления показана на рис. IV. 26, а. При входе в ковш образуются водоворотные зоны, занимающие

значительную часть его сечения. В ковше может быть выделена основная транзитная струя, т. е поток

воды, идущий от входа в ковш до водоприемника. Расход этого потока равен количеству воды QB, забираемой водоприемником. Ширина транзитной струи значительно меньше ширины ковша, а поэтому ее скорость течения vT значительно больше средней расчетной скорости по сечению ковша v.

Режим водообмена возникает при отборе из реки относительно малых количеств воды (по сравнению с расходом воды в реке). При этом режиме на входе в ковш образуется система водоворотов, занимающих большую часть его ширины. Значительная часть воды, входящей в ковш, выходит из него обратно в русло реки. Создается своеобразная застойная зона, в которой происходит как всплывание шуги, так и выпадение взвеси. Это обеспечивает защиту ковша от занесения в него наносов и шуги. На рис. IV. 26, б схематически показано направление токов воды на входе в ковш при режиме водообмена. Интенсивность водообмена зависит от угла ф, образуемого осью ковша с направлением течения реки; она будет тем больше, чем меньше угол ф. При режиме водообмена разница уровней воды в ковше и в реке весьма мала.

В качестве численного критерия для определения режима отбора А. Я. Миловичем и А. С. Образовским предложено использовать величи­ну отношения М=V/V_p? где V— средняя скорость движения воды в ковше; Vp — скорость течения воды в реке.

Для ковшей, врезанных в берег при угле , режим водооб­мена будет иметь место, если

М 0,044. При других значениях угла ф (от 150 до 30°) численный критерий М меняется соответственно от 0,042 до 0,081.

Режим деления будет иметь место (для ковшей, врезанных в берег при угле ф=135°) при М 0,132. Для других значений угла ф (от 150 до 30°) численный критерий М будет меняться в пределах от 0,125 до 0,242.

Следует отметить, что для одного и того же ковша при сезонном из­менении расхода воды в реке режим отбора может существенно менять­ся (при постоянном количестве забираемой из ковша воды Q_B). Так, в межень может иметь место режим деления, а в паводки — режим во­дообмена. В остальное время ковш будет работать в некотором пере­ходном режиме. Схема токов воды в ковше при переходном режиме по­казана на рис. IV.27. Переходный режим характеризуется относительно малым расширением транзитной струи в ковше (на рисунке заштрихо­вана).

Гидравлический расчет самого ковша заключается в определении его основных размеров по заданному количеству забираемой воды Qв. Однако условия гидравлического режима работы ковша довольно сложны, и принимаемые в нем скорости движения воды должны удов­летворять целому ряду требований.

Прежде всего средняя скорость v движения воды в ковше, предназ­наченном для борьбы с шуголедовыми явлениями, должна обеспечивать всплывание шуги в нем. Скорость v должна быть меньше так называе-

мой первой критериальной скорости V_k-1 соответствующей нижнему пределу шугоносности потока. В соответствии с наблюдаемыми разме­рами кристаллов внутриводного льда величина V_k-1 принимается рав­ной 0,5 м/с. А. С. Образовский рекомендует принимать средние расчет­ные скорости движения воды в ковше не более 60% указанной критери­альной скорости, т. е.

V

Нижний предел значений V обычно принимают равным 0,05 м/с.

Имея заданное расчетное количество забираемой воды Q_в приняв (в соответствии с приведенными выше соображениями) скорость дви­жения воды в ковше V, можно определить его длину l и ширину В.

Для определения длины ковша l, обеспечивающей всплытие за­несенной в него шуги, могут служить формулы, по которым производит­ся расчет отстойников. В общем виде

l= H V/u_ш

где а. — коэффициент, учитывающий увеличение местных скоростей из-за неполноты использования сечения ковша (а иногда и некоторый запас);

Н — глубина воды в ковше;

V — средняя расчетная скорость движения воды в ковше;

u _ш— скорость всплывания шуги.

Точность расчета по этой формуле зависит, очевидно, от точности используемых в ней значений v и u_ш Ранее в качестве V принимали среднюю по сечению скорость, вводя в формулу соответствующие поп­равочные коэффициенты.