Тема 2: Водозаборные сооружения нс.

Водозаборными сооружениями называется головная часть гидроузла НС, служащая для забора воды из источника и подвода ее к насосам.

Назначение водозаборных сооружений – обеспечивать забор воды из источника в соответствие с графиком водопотребления и не допускать попадания в гидроузел НС наносов (донных и взвешенных), плавающего мусора, льда и шуги, рыбы.

Водозаборные сооружения могут быть:

1. совмещенные со зданием НС;

2. раздельного типа;

3. русловые, располагаемые в русле реки или в удалении от берега водохранилища;

4. береговые, располагаемые на берегу или врезанные в берег;

5. затопленные, в которых верх сооружения находится ниже уровня воды в источнике;

6. затопляемые только во время высоких (при паводках) уровнях воды;

7. незатопляемые.

При проектировании водозаборных сооружений нужно знать:

- минимальные уровни воды летом и зимой;

- максимальные паводковый уровень, а также максимальные уровни воды в периоды ледовых заторов;

- максимальные и минимальные уровни воды в период ледохода.

Минимальный уровень воды определяется с учетом сгона воды ветром, а максимальный – с учетом нагона воды ветром.

Водозаборные сооружения необходимо располагать:

1. как можно ближе к орошаемой территории;

2. в пределах устойчивого участка русла криволинейного очертания, в зоне наибольших глубин реки, на участках, где в течение года наблюдается небольшой размыв, без существенных деформаций русла;

3. водозаборные сооружения не следует устраивать ниже притоков, несущих большое количество наносов, в местах скопления промысловой рыбы, в местах нагона водорослей;

4. водозаборные сооружения необходимо так запроектировать, чтобы их расположение и формы обеспечивали плавное обтекание их потоком, не вызывали стеснения русла или его переформирования.

Объем забираемой воды необходимо назначать с учетом минимальных расходов воды в реке.

Считается, что при относительном водоотборе, то есть при отношении расчетного расхода водозабора к минимальному расходу воды в реке Q_в/Q_мин.р. 0,25 – можно забирать воду из русла реки без каких-либо дополнительных мероприятий.

При 0,25 Q_в/Q_мин.р.0,75 – надежный водозабор возможен только из потоков с особо благоприятными формами и состоянием русла. В таких случаях требуется проводить руслорегулирующие работы, а также устраивать водоподъемные плотины, обеспечивающие достаточные глубины в месте водозабора.

При отсутствии достаточных глубин в реке, при наличии большого количества наносов для НС средней и большой подачи следует рассматривать возможность применения подводящих каналов.

Тема: Береговые водозаборные сооружения на реках.

Береговые водозаборные сооружения могут быть совмещенного и раздельного типа. Их следует применять во всех случаях при наличии у берега глубин, обеспечивающих нормальные условия забора воды или возможность их увеличения с помощью руслорегулирующих сооружений.

Водозаборные сооружения с малым и средним расходами на нескальном основании при средних амплитудах колебаний уровней воды в реке (до 8 м) и использовании насосов с положительной высотой всасывания устраивают большей частью раздельно от здания НС (рис. 2). Они состоят из берегового водоприемника и всасывающих трубопроводов.

Рис. 1. Схема берегового раздельного водозаборного сооружения:

1 – береговой колодец;

2 – всасывающие трубопроводы насосов;

3 – здание НС;

4 – насос;

5 – водоприемные отверстия;

6 - двигатель

Береговой водоприемник и здание НС в одном сооружении (рис. 3) целесообразно совмещать, когда применяют насосы с малой высотой всасывания при значительной амплитуде колебаний уровней воды в источнике. В этом случае упрощается обслуживание водозаборного сооружения и повышается надежность его работы.

Береговой водоприемник – это сооружение, в которое вода из реки поступает непосредственно через отверстия, перекрываемые сороудерживающими решетками с вертикально расположенными стержнями.

Водоприемник обычно выполняют прямоугольного или овального сечения из железобетона. В плане водоприемник разделен на водоприемные камеры, в каждой из которых размещается всасывающая труба диаметром D_в. Диаметр определяется по допустимой скорости, равной 1÷1,5 м/с.

Диаметр входного отверстия всасывающей трубы принимается D_вх=1,25 D_в или по допустимой скорости 0,8-1 м/с.

Рис. 2. Схема берегового совмещенного водозаборного сооружения:

1 – береговой водоприемник, 2 – здание насосной станции, 3 – насос, 4 – электродвигатель, 5 – козловой кран, 6 – водоприемные отверстия, 7 – всасывающий трубопровод насоса, 8 – напорный трубопровод насоса

Вертикальную всасывающую трубу размещают у задней стенки камеры. В этом случае заглубление входного отверстия под минимальный уровень воды h₂ = (1÷1,5) D_вх, но не менее 0,5 м. Аналогично следует заглублять верх входного отверстия горизонтальной всасывающей трубы.

При удалении вертикальной всасывающей трубы от задней стенки h₂=2D_вх.

Расстояние между входным отверстием вертикальной всасывающей трубы и дном камеры h₁=0,8D_вх.

Ширину камеры принимают b = (1,5÷2) D_вх.

Длина камеры определяется из условия, чтобы отношение объема воды в камере W_к при минимальном уровне к подаче насоса Q было W_к/Q  15÷20.

При достаточно большой амплитуде колебаний уровней воды в реке Н устраивают 2 ряда водоприемных отверстий. Верхнее отверстие работает при высоких уровнях воды, когда в нижних слоях крупные наносы.

При малой амплитуде колебаний уровней воды делают лишь нижний ряд отверстий.

Водоприемные отверстия должны быть оборудованы сороудерживающими решетками, рыбозащитными устройствами, затворами. Сороудерживающие решетки необходимы для предварительной механической очистки воды от мусора.

Площадь водоприемного отверстия следует определять по формуле:

,

где Q_p – расчетный расход 1 секции водоприемника (при числе водоприемных камер, равном числу насосов Q_p = Q_н, Q_н – подача 1 насоса), м³/с;

V_вх – средняя скорость втекания воды в водоприемные отверстия, отнесенная к отверстию в свету и принимаемая равной 0,20,6 м/с;

К – коэффициент, учитывающий стеснение отверстий стержнями решетки, К=(а+с)/а,

где а – расстояние между стержнями в свету, с – толщина стержня.

Необходимая глубина водоисточника в месте расположения водоприемных отверстий равна сумме высоты порога Р, высоты отверстия h_от, высоты заглубленной части забральной стенки h_заг.

Для борьбы с донными наносами высота порога водоприемника должна быть Р  0,5 м.

Высота заглубленной части забральной стенки должна быть h_заг  0,5, чтобы предупредить попадание сора с поверхности в отверстие.

При наличии сплошного ледяного покрова и минимальном зимнем уровне воды необходимую минимальную глубину реки в створе водоприемных отверстий Н можно определить как сумму: высоты порога Р, высоты отверстия h_от, h_заг – расстояние от верха отверстия до нижней кромки льда (не менее 0,2м), высота погруженной в воду части льда h_п:

Н = Р + h_от + h_заг + h_п

h_п  0,9 h_л, где h_л – толщина льда.

При тяжелых условиях водозабора (большое количество наносов, шуги) и расходах более 10 м³/с водоприемники береговых водозаборных сооружений могут быть расположены в водоприемных ковшах (рис. 3).

Водоприемный ковш представляет собой искусственный залив, который образует дамба, вынесенная в русло реки (рис. 3А), или специально отрытая в берегу выемка (рис. 3Б). По расположению ковши бывают полностью заглубленные в берег, частично или полностью выдвинутые в русло, верхового и низового питания.

При большом количестве наносов – с верховым питанием, при малом количестве наносов и большом количестве шуги – ковши с низовым питанием.

А

Б

Рис. 3. Схема водозаборных сооружений ковшового типа с ковшами:

А – выдвинутыми в реку; Б – полузаглубленными в берег;

а) – ковш верхового питания;

б) – ковш низового питания;

в) – ковш двустороннего питания:

1 – водозаборное сооружение, 2 – дамба, 3 – донные токи, 4 – поверхностные токи, 5 – ковши

Тема: Русловые водозаборные сооружения на реках.

Водозаборные сооружения руслового типа устраивают при пологих берегах и дне реки, когда требуемые для забора воды глубины находятся на большом расстоянии от берега.

Русловые водозаборные сооружения бывают раздельного и совмещенного типа.

Совмещенная компоновка: водоприемник и здание насосной станции объединяют в одно сооружение, которое размещают в русле реки.

Русловое раздельное водозаборное сооружение состоит:

- из оголовка, расположенного в русле;

- самотечных или сифонных водоводов, соединяющих оголовок с береговым колодцем;

- берегового колодца, из которого вода забирается насосами.

Русловые оголовки могут быть:

- затопленными (рис. 4);

- затопляемыми периодически;

- незатопляемыми.

Затопленные оголовки располагают ниже минимального уровня воды и нижней кромки ледяного покрова при ледоставе. Они бывают:

1. облегченные (стальные или железобетонные в виде косого или симметричного раструба на входе в самотечный или сифонный водовод) применяются на реках при отсутствии опасности повреждения льдом;

2. массивные (деревянные или железобетонные).

Необходимо соблюдать:

1. обтекаемость формы;

2. располагать так, чтобы в них не завлекались донные наносы, шуга и сор, а также рыба;

3. оборудовать сороудерживающими решетками, стержни решетки располагать по нормали к направлению течения с зазором в свету между стержнями 30…100 мм.

Сороудерживающие решетки располагают на боковых гранях оголовков, если большое количество наносов – на верхней грани.

Площадь водоприемных отверстий  (м²) определяется при одновременной работе всех секций водоприемника и насосов:

,

где V_вх = 0,1…0,3 м/с – для средних и тяжелых условий забора воды;

V_вх < 0,1 – для водотоков с тяжелыми шуголедовыми условиями.

При заборе воды из источников, имеющих рыбохозяйственное значение, допустимую скорость входа принимают по требованиям рыбоохраны:

V_вх  0,25 м/с при скоростях течения реки V_р > 0,4 м/с;

V_вх  0,1 м/с при скоростях течения реки V_р < 0,4 м/с.

Минимальную глубину реки в месте расположения полностью затопленного оголовка с водоприемными отверстиями при минимальном летнем уровне воды можно определить как сумму:

- высоты порога Р;

- высоты отверстия h_от;

- высоты S от верха отверстия до верха оголовка;

- высоты слоя воды h_зат над верхом оголовка.

Высота h_зат принимается h_зат0,3 м, высота S зависит от типа и конструкции оголовка и составляет 0,05…0,3 м, Р – то же, что и для береговых водоприемников.

При минимальном уровне ледостава высоту от верха оголовка до нижней кромки льда  0,2÷0,3 м.

Рис. 4. Схема защищенного оголовка:

1 – железобетонный кожух, заполненный гравием или бетоном;

2 – раструб;

3 – самотечные трубопроводы;

4 – решетки.

Затопляемые оголовки по устройству аналогичны затопленным. Отличие от последних заключается в том, что при минимальных уровнях воды верх затопляемых оголовков возвышается над водой. Это позволяет осматривать оголовки, очищать сороудерживающие решетки, заменять рыбозаградительные устройства. При этом затопляемые оголовки изменяют гидравлический режим реки, затрудняют ее использование для судоходства и лесосплава. Поэтому их применяют довольно редко.

Незатопляемые оголовки обеспечивают наибольшую надежность приема воды и бесперебойность подачи. Они наиболее удобны в эксплуатации, но дорогостоящие. Этот тип сооружений может быть рекомендован только при средней и большой подаче насосной станции в трудных природных условиях. Оголовки следует выполнять в виде пустотелого мостового быка. Стеснение русла реки сооружением не должно превышать 25% живого сечения русла. Водоприемные отверстия располагают на боковых поверхностях оголовков в два, а иногда и в три яруса. Верх оголовка должен возвышаться над максимальным уровнем воды в реке.

Самотечные безнапорные водоводы в мелиоративной практике встречаются крайне редко, для расходов более 5 м³/с, при небольших колебаниях уровней воды в источнике. Применяют водоводы круглые, прямоугольные или овальные, из сборного или монолитного железобетона, с постоянным уклоном в сторону насосной станции.

Самотечные напорные водоводы применяют для любых расходов, при любых колебаниях уровней воды в источнике, круглые, реже прямоугольные или овальные. Для насосной станции средней и большой подачи – из монолитного и сборного железобетона. Для насосной станции малой подачи – из стальных и асбестоцементных труб. Уклон не менее 0,001.

Сифонные подводящие водоводы допускается применять в водозаборных сооружениях ІІ и ІІІ категории надежности подачи, из стального водовода диаметром до 1,4м. Расчетный остаточный напор должен быть не менее 4 м.

Для самотечных водоводов допускаемые скорости V_доп = 0,7…1,5 м/с, для сифонных – до 2 м/с. Скорости должны быть проверены на незаиляемость мелкими наносами и на подвижность захватываемых в водовод влекомых наносов, крупностью d (мм).

При укладке в траншею с водоотливом водоводы изготавливают из железобетона, чугуна или асбестоцемента, при укладке под оду – из стальных труб, снаружи покрытые антикоррозийной изоляцией. Верх трубы должен быть на 0,5…1 м ниже возможной отметки размыва дна.

Объем воды в каждой секции берегового колодца при минимальном уровне воды должен быть определен из условия запуска насоса и совместной работы самотечных трубопроводов всасывающих труб. Он должен быть не менее 30-35- кратного секундного расхода воды, забираемой из секции.

Рис. 5. Схема руслового раздельного водозаборного сооружения с затопленным оголовком:

1 – затопленный оголовок; 2 – самотечные трубопроводы; 3 – береговой колодец; 4 – всасывающие трубы насоса; 5 – водоприемные отверстия

Ширина камеры всасывающей трубы: .

Форма берегового колодца может быть круглой или прямоугольной в плане.

В случае больших заглублений самотечных труб целесообразно устраивать вместо самотечных трубопроводов сифоны.

Тема: Рыбозащитные сооружения.

Для защиты рыб применяют специальные рыбозащитные сооружения. Их обязательно проектируют при заборе воды из источников, имеющих рыбохозяйственное значение.

Применяют рыбозащитные устройства трех групп:

1. механические;

2. гидравлические;

3. физиологические.

К механическим относятся плоские сетки, сетчатые барабаны, фильтрующие устройства и др.

К гидравлическим относятся струенаправляющие устройства, с помощью которых в водотоках создаются гидравлические условия для направления движения рыб в сторону от водоприемных отверстий.

К физиологическим относятся системы, служащие для задержания рыб путем создания в воде электрических, световых и звуковых полей, завес из воздушных пузырьков.

Назначение: защита попадания ценных рыб, не должно травмировать рыб, нарушать их способность ориентироваться.

При проектировании рыбозащитных сооружений нужно знать критическую скорость V_кр течения потока, которую в состоянии преодолеть рыбы с длиной тела l.

V_кр  10 l.

Чаще всего применяются механические рыбозащитные устройства:

1. рыбозащитные устройства типа сетчатого конуса (КРЗ) (рис. 6) – каркас рыбозащитного устройства и натянутое на него сетчатое полотно имеют форму усеченного конуса, поток входит в полость сетчатого заграждения, из которого рыба отводится по специальному рыбоотводящему тракту в водоисточник. Применяют на расходы до 10 м³/с и устанавливают в береговых колодцах насосной станции, в водоприемных камерах совмещенных водозаборов на реках и каналах;

Рис. 6. Схема рыбозащитного устройства с конусным рыбозаградителем:

1 – оголовок; 2 – самотечный трубопровод; 3 – рыбоотвод; 4 – рыбоподъемное устройство; 5 – насосная станция; 6 – напорный трубопровод; 7 – конусный рыбозаградитель.

2. рыбозащитное устройство типа плоской сетки – каркас рыбозащитного устройства имеет форму плоской прямоугольной рамы, на нее натянута сетка;

Рис. 7. Схема рыбозащитного устройства с плоской сеткой:

1 – подводящий канал; 2 – плоская сетка; 3 – насосная станция; Добре – напорный трубопровод; 5 - рыбоотвод

3. рыбозащитное устройство типа сетчатого барабана – каркас рыбозащитного устройства и натянутое на него сетчатое полотно имеют цилиндрическую форму. Устанавливают на затопленных оголовках, береговых водоприемниках, плавучих насосных станциях до 2 м³/с, до 4м³/с.

Применяют металлические тканые сетки из нержавеющей стали или латуни с размерами ячеек 11мм, 22мм, 44мм. Максимальная средняя скорость течения потока в ячейках V_с0,4 м/с при скорости течения в водотоке V_реки0,4 м/с.

Критерием эффективной защиты рыб является:

- для конусных рыбозаградителей; - для плоской сетки.

Скорость подхода к сетке:

,

где К_с – коэффициент, учитывающий стеснение живого сечения проволокой сетки, ,

где а – размер ячеек сетки в свету; с – толщина проволоки;

К_к – коэффициент, учитывающий стеснение живого сечения каркасом.

Тема: Подводящие каналы насосных станций.

Подводящие каналы обычно применяют при заборе воды из каналов или из водохранилищ. При большом количестве наносов в реке канал используют как отстойник. Подводящий канал желательно проектировать саморегулирующимся без водозаборного сооружения в его голове.

Подводящие каналы обычно проводят по кратчайшему пути от водоисточника до насосной станции.

Основные условия применения:

- экономичность подвода воды каналом для сокращения длины напорных трубопроводов;

- удовлетворительность геологических условий, допускающих сооружение канала без особых затрат на укрепление откосов и борьбу с фильтрацией;

- относительная осветленность воды в источнике, обеспечивающая незаиляемость канала и его бесперебойную работу;

- устойчивость берегов водоисточника;

- относительно небольшой диапазон колебаний уровней воды в источнике.

Допускаемые неразмывающие скорости V_p для связных грунтов при R=1-2м

Грунт	Vp, м/с
Супесь слабая	0,7-0,8
Супесь уплотненная	1,0
Суглинки легкие (лессовидные)	0,7-0,8
Суглинки средние	1,0
Суглинки плотные	1,1-1,2
Глины мягкие	0,7
Глины нормальные	1,2-1,4
Глины плотные	1,5-1,8
Илистые грунты	0,5

При R>5 V_p увеличить в (R/2)^0,125 раза.

Допускаемые неразмывающие скорости (м/с) для закрепленных русел

Вид крепления	Марка бетона по прочности	Глубина потока, м
	на сжатие	0,5	1,0	3,0	5,0
Бетонная облицовка	100 150 200	12,5 14,0 15,6	13,8 15,6 17,3	16 18 20	17,0 19,1 21,1
Одиночное мощение камнями	15-20 см 20-30 см	2,4 2,8	2,8 3,3	3,5 4,1	3,8 4,4

Форму поперечного сечения канала следует принимать трапецеидальной.

Коэффициенты заложения откосов

Грунты	Подводные при глубине наполнения, м			Надводные (выше
	1	1 - 2	2 - 3	бермы)
Скала Полускальный, водостойкий Галечник, гравий с песком Глина, суглинок тяжелый и средний Суглинок легкий Супесь Песок Песок мелкозернистый, пылеватый	0,1 0,5 1,5 1,0 1,5 1,5 2,0 3,0	0,25 1,0 1,5 1,5 1,5 1,5 2,0 3,0	0,25 1,0 1,5 1,5 2,0 2,0 2,5 3,5	0 0,5 1,0 1,0 1,5 1,5 2,0 2,5

Ширину каналов по дну принимают 0,8; 1,0; далее до 5 м с интервалом 0,5; при ширине более 5 м – через 1 м.

Минимальная ширина канала:

при ручной выемке – не менее 0,4 м;

при механизированной – не менее 1,5 м.

Отношение ширины канала по дну b к глубине воды в нем h рекомендуется принимать:  = b/h = 2,2-5.

Превышение берм и бровки дамб в каналах над расчетным уровнем воды, см

Расход воды в	Необлицованные	Каналы с облицовкой из бетона и ж/б
канале, м3/с	каналы	i0 < iкр	i0 > iкр
До 10 10-30 30-50 50-100	30 40 50 60	20 30 35 40	30 40 50 60
> 100	по расчету

Ширину дамб канала поверху назначают с учетом условий производства работ, но не менее 1,5 м.

При Q>100 м³/с, а для районов с сильными ветрами при Q>50 м³/с возвышение верха стен сооружений над статическим уровнем при максимальном расходе канала определяется по формуле:

Н = h_н + h + а,

где h_н – высота наката ветровой волны на откос у сооружения;

h – высота ветрового нагона воды;

а – запас, принимаемый не менее 0,1 м.

Отметка верха стен сооружений на каналах должна превышать отметку гребня дамб канала при Q  10 м³/с – на 10 см, при Q > 10 м³/с – на 25 см.

Подводящие каналы рассчитывают на равномерное течение.

Коэффициент откоса при монолитной бетонной и железобетонной облицовке - 1,5; сборный железобетон - 1,0.