18.3. Гидравлика и расчет ковшей

На рис. 18.1 показан план наиболее распространенного типа ковша для борьбы с шугой. Основная масса воды в ковше движется в виде транзитной струи от входа до водозабора. В устье ковша транзитная струя из-за инерции воды наталкивается на берег ковша, и этот участок, показанный на схеме жирной линией, требует крепления. В акватории ковша будет также наблюдаться две водоворотных зоны - в начале и в конце канала.

В гидравлике ковшей различают режим деления и водообмена. Первый будет наблюдаться при отборе водоприемникам значительной части расхода реки (в межень), второй - при отборе малой доли расхода реки (в паводок). В режиме деления по всей транзитной струе вода движется в одном направлении - к водозабору. В режиме водообмена в верхней части струи вода будет двигаться к водозабору в количестве, превышающем его производительность. "Лишняя" вода, не принятая водозабором, будет двигаться от него в реку (в обратном направлении) в придонной части транзитной струи. Это течение будет выносить часть отложений из ковша в реку.

Р ис. 18.1 - Гидравлика ковша:

1 - водоприемник; 2 - транзитная струя; 3 - водоворотные зоны.

Рассмотрим расчет ковша указанного типа из условия, что он осуществляет шугозащитную функцию.

Расчёт ковшей заключается в определении следующих основных размеров:

• глубины ковша,

• поперечного сечения,

• длины.

Все эти размеры должны обеспечить следующие условия:

• забор воды при минимальном уровне в реке,

• внутриводный лед и шуга должны успеть всплыть до попадания в оголовок,

• взвешенные вещества (наносы) должны осесть (если ковш предназначен для предварительной очистки воды),

• должна быть возможность захода в ковш земснаряда для очистки дна.

Глубина ковша рассчитывается из условия размещения оголовка или окон берегового колодца (см. разд. «водоприемники», рис. 10.1). При этом следует учитывать:

• толщина слоя наносов над дном принимается 0,5-1,0 м, а низ окна должен быть на 0,5 м выше верха наносов,

• расстояние от верха окон до низа льда – не менее 0,25м,

• толщина льда в ковше на 30% больше, чем в реке.

Размеры поперечного сечения ковша определяются, исходя из его формы и скоростей движения воды. Сечение ковша обычно трапециидальное, при земляных откосах уклоны принимаются для внутренних стен – 2:1, а для наружных – 3:1. Расчет ведётся по средней скорости движения воды, которая обеспечивает всплытие шуги в нём. Эта скорость _к должна быть меньше скорости, соответствующей нижнему пределу шугоносности потока и может быть определена по формуле

, (18.1)

где k – опытный коэффициент, принимаемый в пределах от 1,2 до 3,0. Скорость должна определяться с учетом толщины расчетного слоя наносов.

В обычных условиях отметку дна ковша _д.к. назначают из расчета обеспечения требуемых глубин в нем в периоды стояния расчетных низких горизонтов воды в реке. Чаще всего это требование относится к минимальным уровням зимней межени (_м.з.у), когда в водоприемном ковше устанавливается расчетная толщина ледяного покрова. Для этого случая отметку дна ковша можно определить по формуле

, м, (18.2)

где 1,33 - коэффициент увеличения толщины льда в ковше по сравнению с толщинами льда, формирующегося в русле;

- плотность льда;

- расчетная толщина ледяного покрова в русле реки;

0,3 - заглубление верхней кромки водоприемного отверстия высотой (диаметром) D под нижнюю поверхность льда;

- высота порога приемных отверстий, назначаемая в зависимости от высоты слоя наносов в водоприемном ковше в пределах отложении 0,4...1м.

Ширину ковша по дну определяют по минимальному уровню воды в период шугохода с учетом наличия в ковше льда (_л=0,3...0,5 м) и наносов (слой ), уменьшающих глубину живого сечения до значения:

, м. (18.3)

При заданном геологическими условиями заложении откосов т ширину водоприемного ковша по дну находят по формуле

, м, (18.4)

где Q_в - производительность водозабора, м³/с;

- скорость транзитной струи, м/с, равная 0,05 - 0,15 м/с;

m=tg  ( - угол заложения откосов ковша);

h_н - высота наносов, м;

h_ж - высота живого сечения канала, м.

Значение В_д при этом принимают не меньше ширины (5...8 м), необходимой для прохода снаряда, используемого при очистке ковша от наносов. Длина ковша изменяется от 60 до 100 м и поэтому полную длину водоприемного ковша, заглубленного в берег, измеряемую по его оси от начального сечения входа до водоприемника, вычисляют по формуле

, м, (18.5)

где – длина входной части ковша, охватываемой водоворо­том на входе и засоряющейся шугой еще в начале шугохода (водоворотная зона), м:

, м, (18.6)

– длина участка ковша, на котором в течение шугохода откладываются захваченные в ковш шуга и ледяная взвесь - изменяется от 5 до 35 м в зависимости от формы и размещения ковша;

– длина рабочей части, в пределах которой к концу шугохода обеспечивается полное всплытие в транзитной струе всех скоплений кристаллов льда, имеющих гидравлическую крупностью 0,015- 0,2 м/с.

Ширину гребня дамб ковшей принимают от 4 до 5 м, ширину берм - 1,5-2,0 м, если последние не предназначены для прохода автомашин или экскаваторов.

Выше приведен ориентировочный расчет ковша. Проектные организации прибегают при конструировании ковшей к натурному моделированию, так как математическое описание реальных условий весьма затруднительно.