2.2. Назначение размеров отстойного пруда

Пруд предназначен для осветления и неполной очистки промстоков, поступающих в составе пульпы.

В нем аккумулируются атмосферные осадки, выпадающие на поверхность пруда, пляжа и бортов чаши накопителя, а в отдельных случаях также поверхностный сток с прилегающей территории и дополнительные технологические сбросы, учтенные в водном балансе и при назначении объема емкости.

Объем и размеры пруда должны обеспечивать заданную степень осветления и очистки промстоков, удовлетворяющую технологическим параметрам и природоохранным требованиям. При полной экологической безопасности сооружения все стоки, сбрасываемые из пруда по водосбросным сооружениям, и фильтрационные утечки должны быть возвращены в систему оборотного водоснабжения для гидротранспорта отходов и других технических нужд.

Для расчета и назначения размеров пруда должены быть известены гранулометрический состав складируемого материала, плотность и гидравлическая крупность частиц отходов, расход, скорость и концентрация потока пульпы на входе в пруд, а также скорость осаждения U₀, зависящая от свойств гидросмеси и осаждающихся частиц. Для хвостохранилищ длину пруда, обеспечивающую необходимое осветление в нем пульпы, определяют по следующей эмпирической зависимости

, (2.3)

где , м³/ч; в – ширина активной зоны пруда, м; – глубина пруда, м; – объемная консистенция пульпы ( ); – объем твердой фазы, – объем воды; t – время, необходимое для обмена воды в пруде ; – гидравлическая крупность частиц отходов с действующим диаметром d₆₀ ; f – коэффициент, зависящий от крупности отходов, намываемых в пляжной зоне (f = 2; 1,5 и 1,25 соответственно, для крупнозернистых, среднезернистых и мелкозернистых отходов). По мере накопления опытных данных о процессе осаждения частиц складируемых материалов корректируется как методика расчета осветления, так и входящие в нее параметры. Ширина пруда обычно назначается равной 0,5L, а глубина , где – толщина ледяного покрова, м. Данные по гидравлической крупности хвостов приведены в [ ] и в Приложении.

2.3. Водоотводящие сооружения

Водосбросные сооружения устраивают в накопителях для обеспечения необходимых пропусков осветленной воды, а в некоторых случаях для возможности полного опорожнения емкости.

Приемущественно используют шахтные колодцы, береговые или сифонные водосбросы, соединенные с отводящим коллектором, уложенным по дну накопителя или бортам. Сифонный водосброс целесообразно использовать в районах с суровыми климатическими условиями.

Конструкцию и размеры водосбросных сооружений определяют расчетом, исходя из обеспечения требуемой пропускной способности при различных отметках поверхности воды в накопителе, изменяющихся в процессе эксплуатации. Высоту водосбросного колодца рекомендуется принимать не свыше 20 м. Расстояние от водосбросных колодцев до мест выпуска пульпы определяется требуемой степенью осветления (обычно его принимают не менее 2500 м).

Конструкция колодца зависит от его назначения. При повторном использовании осветленной воды в водообороте конструкция колодца должна обеспечивать равномерный расход. В этом случае применяют колодец стоечно-шандорного типа, представляющий собой в плане квадрат, образованный четырьмя стойками из металла или железобетона. В пазы стоек опускают шандоры. Находят применение также колодцы из железобетонных колец с отверстиями, расположенными в разных местах по высоте и закрываемыми заглушками.

Коллекторы водосбросных сооружений выполняют из металла или сборного железобетона, обеспечивая водонепроницаемость стыков и предотвращающея попадание в коллектор шламов. Рекомендуется укладывать коллектор на уплотненное основание.

Статический расчет водосбросных колодцев проводят на действие льда и волновой нагрузки при полностью заполненном накопителе.

Водосбросные сооружения должны обеспечивать забор воды при различных глубинах пруда и отметках гребня дамбы с учетом динамики заполнения и наращивания накопителя.

Поверхностный сток, не учтенный в балансе накопителя, направляется в обход его по обводным и нагорным каналам.

Шахтный водосбросной колодец (рис. 2.1, 2.2) позволяет регулировать уровень воды в пруде и расход сбрасываемой осветленной воды путем подъема или опускания шандорных затворов.

Рис. 2.1 Водосбросной колодец (вид спереди)

Рис. 2.2 Водосбросной колодец (разрез по оси)

Расход воды м³/с, переливающейся через шандоры, определяют по формуле

, (2.4)

где m – коэффициент расхода (m=0,4); l – ширина водосливного фронта, м; H – высота переливающегося слоя, м.

Количество колодцев назначают, исходя из расхода сбрасываемой осветленной воды. В овражно-балочных накопителях основной сбросной коллектор обычно прокладывают по дну балки, а дополнительные коллекторы - на ее склонах. По мере заполнения емкости и наращивания дамбы система "коллектор – колодцы" развивается вверх по склону; постепенно для каждого нового яруса наращивания оборудуется и вводится в эксплуатацию соответствующий ярус колодцев. Если расположение колодцев не препятствует намыву придамбового пляжа и наращиванию дамбы, то производится многоярусное наращивание колодцев по высоте, наиболее характерное для равнинных, пойменных и карьерных накопителей.

Количество колодцев определяется их производительностью, устанавливаемой по формуле (2.4), расходами пульпы и сбрасываемой воды. При известных размерах пруда и количестве колодцев определяют диаметр общего сбросного коллектора. Полагая, что напор в колодце над коллектором , находят площадь его поперечного сечения по формуле

, (2.5)

где – суммарный расход группы колодцев, объединенных коллектором, м³; µ – коэффициент расхода, равный при выпуске под уровень бассейна осветленной воды.

, (2.6)

где λ – коэффициент потерь в трубах больших диаметров (λ = 0,019); D, L_K – диаметр и длина коллектора, м; – сумма потерь в трубе на трение, вход и выход (обычно принимается равной 1).

Шандорные водопереливные колодцы с подземными водосбросными коллекторами являются наиболее распространенными техническими решениями по отбору осветленной воды на накопителях [14, 35]; они являются важнейшими элементами системы гидротранспорта и оборотного водоснабжения предприятия. Но этим сооружениям свойственны известные недостатки:

• засорение пульпой и химическое зарастание, особенно при складировании высококальциевых зол и шламов;

• чувствительность к ледовым воздействиям (врастание в ледяной покров, смещение, опрокидывание и выдергивание при подвижках ледяного поля);

• необратимые деформации при осадках сильносжимаемых и намывных оснований и термопросадках оттаивающей мерзлоты;

• невозможность намыва пляжа на участках расположения колодцев;

• невозможность маневрирования вслед за изменением глубины слоя осветленной воды и перемещением отстойного пруда по площади чаши накопителя;

• невозможность контроля состояния, сложность очистки и ремонта подводных частей колодцев и коллекторов;

• сложность наращивания колодцев и продления коллекторов при наращивании очередного яруса накопителя.

Указанные недостатки могут быть исключены при использовании некоторых относительно новых технических решений. Одним из них является плавучий сифонный водозабор [35], конструкция которого показана на рис. 2.3 – 2.5.

Каждая из двух сифонных линий состоит из плавучего водоприемника, сифонного водовода и вакуум-установки. Минимальное расстояние между линиями следует принимать не менее 300 м, чтобы исключить ухудшение качества осветления воды в зоне действия одной линии при работе пульповыпусков и намыва пляжа в створе другой линии. Каждая линия питает насосную станцию оборотной воды, обычно располагаемую у подошвы ограждающей дамбы. Соответственно длина одной сифонной линии может достигать 500-1000 м. Сифонные водоводы, укладываемые по пляжу, гребню, низовому откосу и далее вдоль подошвы дамбы, подключаются к всасывающему коллектору насосной станции или заводятся под уровень бассейна осветленной воды.

Плавучая часть водовода на участке от водоприемника до пляжа или до гребня, если пляж еще не намыт, прокладывается на понтонах. Для обеспечения гибкости и свободного перемещения водовода при маневрировании расположением водоприемника в зависимости от процесса намыва отходов, глубины пруда и колебаний уровня воды соединение звеньев подвижного участка водовода осуществляется на шарнирах, выполненных из автопокрышек. Аналогичная конструкция шарнира-компенсатора применяется и на неподвижных участках водоводов осветленной воды и пульпопроводов для вос-

Рис. 2.3 Плавучий водозабор осветленной воды

1 – плавучий водоприемник; 2, 3 – понтоны; 4 – шарниры; 5 – грунтовая шпора; 6 – вакуумная установка; 7 – пляж; 8 – дамбы наращивания; 9 – первичная дамба; 10 – нисходящая ветвь сифонного водовода; 11, 12 – водоводы и насосная станция

Рис. 2.4 Плавучий водоприемник

1 – палуба; 2 – низ палубы; 3 – кожух; 4 – греющий кабель; 5 – всасывающий раструб; 6 – водоприемная камера; 7 – водосливная грань; 8 – донный затвор; 9 – сороудерживающая решетка; 10 – ограждение; 11 – пенопласт; 12 – стойки

Рис. 2.5 Шарнир

1 – автопокрышка; 2 – фланец; 3 – болт; 4 – гайка; 5 – внешнее прижимное кольцо; 6 – труба

приятия продольных температурных деформаций и неравномерных осадок и смещений опор, в частности, при сезонном промерзании-оттаивании, морозном пучении и трещинообразовании, обычно сопровождающих эксплуатацию этих сооружений в условиях Сибири.

Плавучий водоприемник отличается простотой исполнения, обеспечивает отбор верхнего слоя наиболее осветленной воды, обладает достаточной непотопляемостью и имеет минимальную осадку. Последнее очень важно, так как от осадки зависит длина плавучего участка водовода на мелководной зоне подводного пляжа. Конструкция водоприемника исключает его вмерзание в ледяной покров, для чего может быть предусмотрен электрообогрев греющим кабелем. Но даже при отсутствии такого обогрева водоприемник надежно работает при среднемесячной температуре наиболее холодного периода года (январь) до минус 45° С при беспрерывном водоотборе, а также при периодическом отключении не более чем на 3 часа.

Водоприемник в плане имеет форму шестиугольника и состоит из пустотелой палубы, водоприемной камеры под палубой и всасывающего раструба в центре палубы. Полость палубы заполнена гидрофобным пенопластом, что обеспечивает плавучесть водоприемника и теплоизоляцию водоприемной камеры и раструба. Удельная масса водоприемника обычно не превышает 400 кг/м²; при этом нижняя поверхность палубы погружается в воду примерно на 0,3–0,4 м. Верхняя поверхность палубы должна возвы шаться над уровнем воды на 0,6 м; следовательно, толщина палубы должна назначаться равной 0,9–1,0 м. Открытые борта водоприемной камеры работают как водослив с тонкой стенкой. Его удельная пропускная способность (м³/с на 1 пог.м длины водосливного фронта) определяется по формуле

, (2.7)

где 0,42 – коэффициент расхода; g – ускорение силы тяжести (g = 9,81 м/с²); h – напор на водосливе, равный высоте отбираемого слоя воды, м. Из опыта эксплуатации величина h не должна превышать 0,3 м; в расчетах следует принимать h = 0,15–0,2 м. В табл. 2.1 приведены значения q, вычисляемые по формуле (2.7).

Заглубление водосливной кромки водоприемной камеры под уровень воды в пруде назначается равным 1,25h для обеспечения работы водослива в режиме подтопления.

Длина водосливной кромки водоприемника (м) должна обеспечивать пропуск расчетного расхода Q:

. (2.8)

По величине L назначают конструктивные размеры водоприемника в плане.

Скорость горизонтального течения воды в камере не должна превышать скорость вертикального потока на входе в раструб; поэтому зазор между днищем палубы и днищем водоприемной камеры принимают равным 0,25–0,3 D_вх. Рекомендуемое соотношение между диаметром входа в раструб D_вх, высотой раструба h_р и диаметром водовода D_в дано в табл. 2.2.

Таблица 2.1.

Значения q = f(h)

h, м	q, м3/с
0,05	0,0208
0,1	0,058
0,15	0,106
0,2	0,166
0,3	0,330

Таблица 2.2.

Рекомендуемые соотношения D_вх, D_в, h_р

Dв, мм
100–350	1,90	1,15
400–600	1,80	1,10
800–1200	1,75	1,05

Расчетная производительность насосной станции осветленной воды должна обеспечиваться при работе минимум двух сифонных линий. Поэтому при отключении одной другая линия должна обеспечивать не менее 70% производительности насосной станции; этим условием определяется расчетный расход одной линии сифонного водовода. Для его стабильной работы диаметр труб D_в подбирается также по скорости, обеспечивающей вынос водой нерастворенного воздуха. Рекомендуемые значения минимальных скоростей воды, при которых не происходят отключения сифонных линий из-за скопления воздуха в командной точке на гребне дамбы, даны в табл. 2.3.

Превышение командной точки сифонного водовода над уровнем воды в пруде определяется величиной критического вакуума с учетом гидравлических потерь на участке от водоприемника до командной точки:

, (2.9)

где – абсолютная отметка гребня дамбы в командной точке,м; – давление насыщенных паров, зависящее от температуры воды, м. вод. ст.; при t_в = 20 С = 0,24 м. Из практики следует, что указанное превышение должно быть ≤ 6–7 м. В командной точке водовода устраивается штуцер для подключения передвижной вакуум-установки.

Таблица 2.3.

Рекомендуемые значения V

Dв, мм	V, м/с
0,1	0,87
0,2	1,22
0,3	1,50
0,4	1,73
0,5	1,94
0,6	2,12
0,7	2,29
0,8	2,45
0,9	2,60
1,0	2,74

Минимальный перепад между уровнем воды в пруде и всасывающим коллектором насосной станции осветленной воды в начальный период эксплуатации должен превышать сумму гидравлических потерь (местных и по длине) наиболее протяженной сифонной линии.

Начальный запуск сифона выполняется достаточно мощными вакуумными насосами; при значительном объеме откачиваемого воздуха фактическое время первичного запуска может превысить регламентируемое для зарядки всасывающих линий насосов. В действующей системе оборотного водоснабжения зарядка сифонов производится обратным перепуском воды из напорных водоводов, а вакуумная установка используется для дозарядки и автоматического поддержания вакуума.

В суровых климатических условиях предусматривается теплоизоляция сифонных водоводов.

Контрольные вопросы.

1. Назовите составляющие водного баланса накопителя.

2. Как назначить размеры отстойного пруда?

3. Назовите конструктивно-технологические особенности стационарного водосбросного колодца?

4. работает плавучий сифонный водосброс?