Водозаборные сооружения поверхностных вод — Водоснабжение и водоотведение

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение Для дачи

Водоприемные ковши

5.24. Водоприемные ковши
устраивают для борьбы с шуголедовыми помехами на водотоках, чаще всего для
промышленных водозаборов производительностью обычно не более 20-25 м3/с.

Иногда при соответствующем
заглублении дна и последующих очистках водоприемные ковши могут быть
использованы для увеличения глубины у места приема воды.

5.25. Бассейны водоприемных ковшей
должны покрываться ледяным покровом на два-три дня раньше речного потока и
обладать длиной и скоростями течения, обеспечивающими всплывание к поверхности
всех кристаллов ледяной взвеси, имеющей гидравлическую крупность w ш ³ 0,015-0,02 м/с.

При отводе воды из водотока в
ковш не должны захватываться поверхностные массы шуги. В ковше должны
обеспечиваться достаточно благоприятные условия для транзита шуги по руслу с
тем, чтобы входная часть ковша не оказалась закупоренной шугозажором.

5.26. Водоприемный ковш необходимо
своевременно освобождать от отлагающихся в нем наносов. Кроме того, следует
принимать меры к поддержанию необходимых глубин на входе в ковш, так как
непрерывный и достаточный отвод воды из реки должен поддерживаться в различные
сезоны и годы при любом возможном сочетании неблагоприятных условий в русле
реки.

5.27. В обычных условиях
водоприемный ковш не должен сколько-нибудь значительно изменять бытовой режим
речного потока. Стеснение последнего не должно приводить к возникновению
заторов льда или ухудшению существующего водопользования.

5.28. В обычных условиях очистка
воды от взвешенных наносов должна рассматриваться как попутная, а иногда и
второстепенная задача. Устройство ковшей специально для отстаивания взвешенных
наносов в отдельных случаях целесообразно, но требует особых обоснований.

5.29. Использование водоприемного
ковша как места стоянки судов, понтонов и устройств из них вызывает
неблагоприятные изменения режима течений и отложения наносов в ковше, а также
приводит к засорению водной поверхности бассейна ковша.

5.30. При выборе места
расположения ковша на шугоносных реках следует выбирать плесы малой кривизны ( R ³ 4-5 В), а место
водозабора назначать в пределах третьей четверти длины плеса (вниз по течению).

В условиях средних и малых
разветвленных рек ковш необходимо располагать ниже слияния проток или в протоке
с обеспеченным минимальным стоком. На больших реках с интенсивным шугозажорным
режимом для расположения водозабора и ковша могут быть использованы обходные
протоки.

5.31. На шугоносных реках наиболее
надежная защита водозабора от шуголедовых помех достигается в результате применения
ковша с низовым входом, частично или полностью выдвинутым в русло реки ( рис. 94, а).

Рис. 94. Типы незатопляемых водоприемных ковшей (а-в)

1 —
наносозащитная шпора верховая; 2 — то же, низовая; 3 — бортовая
струенаправляющая стенка

Водоприемный ковш с низовым
входом, полностью или частично выдвинутый в русло реки, образованный
незаливаемой речной дамбой и имеющий свободный подход воды снизу, обычно
применяют в условиях:

шугозажорных рек,
характеризующихся постепенно нарастающими значительными подъемами уровней перед
установлением ледостава и при установлении его;

тяжелого весеннего ледохода,
возникающего при относительно небольших подъемах уровня воды в русле рек;

отсутствия сбросов
промышленных стоков ниже места водозабора на участке берега, не меньше
10-кратной величины выноса внешней грани ковша в русло.

5.32. Водоприемный ковш с низовым
входом, образованный незаливаемой речной дамбой, может применяться и на реках,
не характеризующихся шугозажорным режимом или особо тяжелыми условиями
весеннего ледохода, если количество наносов, транспортируемых рекой в
половодье, не превышает 0,75 кг/м3.

В этих случаях для борьбы с
заносимостью водоприемного ковша взвешенными наносами у оголовка речной, дамбы
может устраиваться заливаемая в половодье верховая шпора; гребень ее не должен
затопляться в периоды хода шуги, а угол между осью гребня и направлением
течения в реке должен составлять около 135° ( рис.
94, б).

В тех же условиях, но при
необходимости сброса промышленных стоков ниже ковша на расстояние меньше
8-10-кратной величины выноса внешней грани речной дамбы в русло, целесообразно
применять ковш, снабженный низовой незаливаемой в половодье дамбой.

В этом случае для борьбы с
избыточной заносимостью ковша взвешенными наносами можно устроить верховую и
низовую шпоры, а также бортовую струенаправляющую стенку у низового борта входа
в ковш ( рис. 94, в).

5.33. Для уменьшения стеснения русла
реки в периоды паводков и половодий при недостаточных глубинах у берега в
межень и возможности формирования береговых шугозажоров водоприемный ковш с
низовым входом, полностью или частично выдвинутый в русло реки, может быть
образован заливаемой в половодье речной дамбой, гребень которой не должен
затопляться при уровнях воды в реке в периоды шугохода ( рис. 95, а) до 25 %-ной обеспеченности.

Рис. 95. Типы водоприемных ковшей (а -г)

1 —
вербовая затопляемая в половодья дамба; 2 — низовая незатопляемая дамба;
3 — регуляторы; 4 — речная незатопляемая дамба; 5 —
насосная станция; 6 — радиальные отстойники

5.34. На реках с ограниченной
интенсивностью шуголедовых явлений, русла которых изогнуты или сложены слабыми
и мелкозернистыми грунтами, предпочтительней ковши, заглубленные в берег,
имеющие угол отвода около 135° ( рис. 95, б).

5.35. Использование ковша для
предварительного частичного отстаивания взвешенных наносов целесообразно лишь
на реках с большой мутностью воды ( ³ 2-4 кг/м3) при
наличии устройств, обеспечивающих своевременное удаление отложений.

При значительной мутности
воды в реке (> 1 кг/м2) и наличии специальных требований к
предварительному осветлению воды в ковшах, заглубленных в берег, целесообразно
устраивать бортовые стенки, регуляторы на входе или другие сооружения,
снижающие избыточную заносимость ковша.

5.36. При необходимости
поддержания у входа в ковш или на подходе к нему глубин, превышающих бытовые,
особенно в случаях неглубокого залегания кровли коренных пород, рекомендуются
водоприемные ковши с самопромывающимся входом ( рис.

5.37. В отдельных случаях на
сильно шугоносных реках, в паводки транспортирующих чрезвычайно большие
количества мелких взвешенных наносов, водоприемный ковш с низовым входом,
выдвинутый в русло реки, может устраиваться только на период шугохода.

В этом
случае перед водозабором параллельно берегу и на расстоянии от него, равном
требуемой ширине ковша, необходимо устроить дамбу (или бычок), а в пролете
между дамбой и берегом — регуляторы со щитовыми заграждениями, устанавливаемыми
только на период шугохода и создающими при этом ковш, выдвинутый в русло реки ( рис. 95, г).

5.38. При выборе схемы водозабора
следует иметь в виду, что в периоды минимального стока относительный водоотбор
в ковши из открытого русла может быть в 2-3 раза больше, чем в водоприемники
других типов.

Величина предельного отбора
воды в водоприемные ковши определяется особенностями шуголедовых условий.

В ковш с пониженным дном (на
1-2 м ниже дна реки) с достаточной гарантией может быть отведен расход, составляющий
50-60 % минимального среднесуточного расхода воды в открытом русле реки. Но в
периоды шугохода предельную величину отвода в ковш целесообразно принимать в
зависимости от расхода шуги Q ш , транспортируемой потоком,
не превышая значений

Q в / q = 1 – 4 ( Q ш / q ),                                                   (187)

где Q — наименьший расход воды в
русле реки, транспортирующий по руслу в период шугохода шугу Q ш ;.

5.39. Отметку дна ковша Ñ дк
рекомендуется назначать из расчета обеспечения требуемых глубин в нем в периоды
низких уровней воды в реке. В большинстве случаев это требование относится к
минимальным уровням зимней межени ( Ñ м.з.у ), когда в водоприемном ковше
устанавливается расчетная толщина ледяного покрова. Для этого случая отметку
дна ковша можно определить по формуле

Ñ дк = Ñ м.з.у — 1,33 d л — 0,3 – D – h п ,                                          (188)

где 1,33 — коэффициент увеличения толщины льда в
ковше по сравнению с толщиной льда, формирующегося в русле; d л —
расчетная толщина ледяного покрова в русле реки; 0,3 — заглубление верхней
кромки водоприемного отверстия высотой D под нижнюю поверхность льда,
h п — высота порога приемных отверстий, назначаемая в
зависимости от высоты слоя отложений наносов в водоприемном ковше в пределах
0,4-1 м.

Определенная по формуле (188) отметка дна ковша в
отдельных случаях может уточняться в соответствии с местными условиями. Она
может быть увеличена (в пределах 1 м), если это увеличение исключает выемки в
коренных скальных породах, залегающих у дна.

Понижение уровня дна ковша
оказывается необходимым и при использовании ковша для отстаивания взвешенных
наносов. В этом случае высота поверхности ожидаемых отложений наносов не должна
приводить к нарушению питания ковша при установлении меженных уровней воды в
реке.

Ширина водоприемного ковша по
дну назначается в расчете на быстрое установление в нем ледяного покрова при
работе ковша в тяжелой внешней шуголедовой обстановке.

Ширина ковша по дну,
удовлетворяющая этому требованию, может быть определена при обеспечении в
водоприемном ковше условной средней скорости течения u к ,
назначаемой в зависимости от скоростей течения на перекатах в русле в период
щугохода u п .

Если водоприемный ковш
работает без подвода теплой воды, условная средняя скорость в ковше u к
принимается по табл. 22.

Таблица 22

u п , м/с

u к , м/с

u п , м/с

u к , м/с

0,6

0,146

1,25

0,082

0,8

0,115

1,5

0,05

1

0,09

Указанные условные средние
скорости могут быть увеличены на 25-50 %, если к водоприемному ковшу будет
подведена теплая отработанная вода.

Ширину ковша по дну определяют
по минимальному уровню воды в период шугохода Ñ м.у.ш с учетом наличия в ковше
льда ( d л = 0,3-0,5 м) и наносов (слой
h н ), уменьшающих глубину живого сечения до величины

h ж = Ñ м.у.ш — Ñ дк
— d л — h н .                                                                               
(189)

При заданном заложении
откосов ширину водоприемного ковша по дну находят по формуле

в д = Q в /( h ж u к —
m (2/ h н h ж ).                                             (190)

Величина Вд
при этом принимается не меньше ширины (5-8 м), необходимой для прохода снаряда,
применяемого при очистке ковша от наносов.

Полную длину водоприемного
ковша, заглубленного в берег, измеряемую по его оси от начального сечения входа
до водоприемника, вычисляют по формуле

L = l в l ш lp,                                                            (191)

где l в — длина входной части ковша,
охватываемой водоворотом на входе и засоряющейся шугой еще в начале шугохода; l ш — длина участка ковша, на
котором откладываются в течение шугохода захваченные в ковш шуга и ледяная
взвесь; l р — длина рабочей части ковша, в пределах которой к
концу шугохода обеспечивается полное всплывание в транзитной струе всех
скоплений кристаллов льда, имеющих гидравлическую крупность w ш ³ 0,015-0,02 м/с.

По формуле (191) определяют также длину ковша с низовым
входом, полностью или частично выдвинутым в русло реки, и имеющего низовые
ограждающие дамбы. При отсутствии низовых дамб длина этого ковша может также
определяться по формуле (191), но
при l в = 0, так как водоворот в этом случае располагается
вне акватории ковша.

Длину входной части l в водоприемного ковша можно
приближенно найти по формуле

l в = (1-1,5)Вв,                                                        (192)

где Вв — ширина входа ковша,
измеренная по урезу воды при среднем уровне воды в период шугохода.

Длину участка отложений шуги
в ковше за период шугохода при малых водоотборах (Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ) устанавливают приближенно на основе наблюдений за работой водоприемных
ковшей в натуре. В зависимости от типа водоприемного ковша и режима его работы l ш
бывает
равной:

5-10 м — для ковша с низовым
входом, выдвинутым в русло реки и не имеющего низовых дамб;

15-20 м — для ковша,
заглубленного в берег;

20-35 м — для ковша с
верховым входом, полностью или частично выдвинутым в русло реки.

Для больших водоотборов
необходимо приведенные значения увеличить в 1,25-1,5 раза. При этом к большим
водоотборам (Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ) относят расходы:

для ковшей, заглубленных в
берег или с низовым входом, но с низовыми дамбами

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ;                                                     (193)

для ковшей с низовым входом,
выдвинутым в русло реки на величину Вк

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ;                                                     (194)

В формулах (194), (195) введены следующие обозначения:

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение  — характерная величина водоотбора, превышение
которой обусловливает возникновение всех известных особенностей режима деления
потока; Вв — ширина входной части ковша, измеренная по урезу
среднего горизонта воды при шугоходе; u а — средняя скорость течения в
прибрежной зоне речного потока, определенная при среднем уровне шугохода; Н
глубина на входе в ковш; Вк ширина водоворота,
возникающего ниже ковша, выдвинутого в русло реки, обычно меньше величины
выноса головы рабочей дамбы ковша, измеренная от формирующейся ниже ковша линии
уреза воды при среднем горизонте шугохода.

Длину рабочей части
водоприемного ковша l р , в пределах которой
скопления кристаллов льда полностью всплывают к поверхности потока, определяют
по формуле

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение .                                      (195)

где Q в — расход воды, забираемой из
ковша; w г — гидравлическая крупность
наиболее мелких скоплений кристаллов внутриводного льда, равная 0,015-0,02 м/с.

Начальная ширина транзитной
струи в ковше равна:

B н = Q в /( H u в ),                                                      (196)

где Н — глубина на входе в ковш при средних
горизонтах в реке в период шугохода; u в — скорость входа в ковш.

Если Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение , то u в = (0,4-0,6) u a , если Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение , то u в = (0,6-0,9) u a .

При выборе отметок гребня
руководствуются следующим:

отметки гребня ограждающих
незаливаемых дамб ковша принимают на 0,5-1 м большими отметок расчетного
максимального горизонта воды в реке;

отметки гребня верховых
заливаемых дамб ковша принимают равными отметкам уровней шугохода, имеющих
обеспеченность 25 %;

отметки гребня низовых дамб
ковша всегда назначают большими отметок гребня верховых заливаемых дамб;

речные заливаемые дамбы ковша,
устраиваемые на реках с относительно низкими горизонтами весеннего ледохода,
могут иметь отметки гребня равными отметкам расчетных максимальных горизонтов
ледохода.

Ширину гребня дамб ковшей
принимают в пределах 4-5 м, а ширину берм — 1,5-2 м, если последние не
предназначены для прохода автомашин и экскаваторов.

5.40. Незаливаемые водоприемные
ковши с низовым входом, полностью или частично выдвинутые в русло реки, в
условиях относительно крутых берегов русла имеют ось речной дамбы, параллельную
бровке берега (см. рис. 94). При этом
верховой криволинейной части дамбы придают очертание, близкое к эллиптическому.

Если в указанных условиях
меженное русло у берега будет иметь малые глубины, то для преодоления полосы
мелководья устраивают русловую прорезь на подходе к водоприемному ковшу. При
этом ось прорези назначают под углом j ³ 135° к направлению течения в русле.

Когда глубина этой прорези у
входа в ковш больше или равна 2 м, у оголовка речной дамбы ковша целесообразно
устраивать верховую шпору, угол между осью шпоры и направлением течения в реке
должен быть не больше 135°, отметка гребня — примерно равной отметкам уровней
при шугоходе обеспеченностью 25 %, а длина по оси равна пяти — семи высотам
шпоры, отсчитываемым от уровня дна прорези ( рис.
96, а).

Рис. 96. Некоторые случаи расположения ковшей

а — с
подходной русловой прорезью; б — с незатопляемой косой ограждающей
дамбой; в — при отсутствии бортовой стенки; г — при наличии
бортовой стенки; д — с регулятором на входе; 1 — подходная
прорезь;

5.41. Незаливаемые водоприемные
ковши с низовым входом, полностью или частично выдвинутые в русло реки, в
условиях относительно невысоких берегов в отдельных случаях могут располагаться
под углом j = 160-170° к направлению
потока ( рис.

5.42. В условиях, допускающих
отказ от устройства незаливаемых речных дамб, применяют низовые ковши с
заливаемыми в паводки дамбами. Расположение ковша в этом случае может быть
принято аналогичным расположению ковша с незаливаемыми дамбами ( рис. 95, а) при условии более значительного
развития в ширину гребня корневой части дамбы.

Если незатопляемая низовая
дамба будет иметь малую величину выноса, то у оголовка ее устраивают низовую
затопляемую шпору ( рис. 94, в).

5.43. Водоприемные ковши,
заглубленные в берег русла, проектируют с углами отвода j
= 135-150°. Эту величину угла отвода следует выдерживать хотя бы на входе, если
ось остальной части ковша почему-либо необходимо задать в другом направлении.
Ширину входа в ковш, заглубленной в берег, принимают на 20-35 % меньше ширины
ковша ( рис. 96, б).

5.44. При необходимости устройства
и поддержания подходной прорези у ковша, заглубленного в берег и расположенного
на прямолинейном участке русла, рекомендуется устраивать верховую заливаемую
шпору ( рис. 96, в).

Целесообразно плоскость
низового борта входа задавать таким образом, чтобы транзитная струя уже во
входной части получила направление к оголовку речной дамбы. При этом акватория
входного водоворота окажется наименьшей. Если есть угроза повышенной
заносимости ковша взвешенными наносами, следует устраивать бортовые
струенаправляющие стенки, изолирующие область повышенных давлений и
обеспечивающие формирование на входе водоворота малых размеров ( рис.

96, г). Бортовая стенка изменяет
течение нешироких транзитных и контурных струй при ее длине, равной 2/3
величины полного заложения откоса низовой дамбы или низового борта входа,
считая по уровню воды. Верх ее не должен затопляться в периоды стояния уровней
высоких вод и может быть выполнен ступенчатым для сохранения примерно
одинаковой высоты ее под поверхностью откоса.

В целях уменьшения избыточной
заносимости ковша крупными взвешенными наносами в последние годы применяют
верховые затопляемые в паводок шпоры, располагаемые у оголовков речных дамб.

Шпоры отбрасывают от входа в
ковш придонные массы речного потока, влекущие и донные наносы, и наиболее
крупные фракции взвешенных наносов. Возникающая за шпорой акватория меженного
входного водоворота, в которой задерживаются взвешенные наносы, топляки и т.
п., в половодье промываются самим потоком.

5.45. На реках с большой мутностью
воды ( ³ 2 кг/м3)
устраивают входные шлюзы-регуляторы облегченных полусборных конструкций ( рис. 96, д). Отверстие такого
шлюза-регулятора имеет площадь, равную 50-65 % площади живого сечения ковша в
период шугохода, а вся остальная часть полного сечения ковша перекрывается
забральной стенкой.

5.46. При использовании теплой
отработавшей воды для повышения надежности работы ковша место ее выпуска
выбирают в соответствии со следующими соображениями:

если ковш работает в области
относительно малых водоотборов (Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ) и расположен на реке, характеризующейся резкими и
значительными безрасходными колебаниями уровней при шугоходе, выпуск теплой
воды осуществляется в центр входного водоворота; если ковш работает в области
больших водоотборов (Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ), выпуск теплой воды устраивается у низового борта входа. В
этом случае теплая вода вводится в начальные сечения транзитной струи и с
помощью специальных приспособлений равномернее распределяется по поперечному
сечению; если ковш устроен на реке,
характеризующейся резкими и значительными колебаниями уровней воды при шугоходе
и, кроме того, работает в области больших водоотборов (Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ), выпуск теплой воды производят в береговую часть русла
реки, выше входа в водоприемный ковш.

5.47. Безнапорные дамбы
водоприемных ковшей рекомендуется проектировать из материалов, позволяющих
устраивать крутые откосы.

Береговая крутизна откосов
зависит от свойств грунтов, слагающих берег. Выходы грунтовых вод должны быть
дренированы.

Крепление надводной части
откосов внутри ковша рассчитывается, главным образом, на воздействие
атмосферных влияний (ливни). В большинстве действующих ковшей надводная часть
откосов заилена и покрыта густой травяной, а в некоторых случаях и
кустарниковой растительностью.

Внутренние откосы, ковша
(надводные и подводные) в пределах зоны циркуляции на входе требуют креплений
облегченного типа.

Подводные крепления внешних
откосов дамб и берега в большинстве случаев могут быть выполнены из каменной
наброски крупностью d ³ 0,006Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение , где Н — глубина над креплением, u а
максимальная скорость течения в береговой части русла. Такие крепления исправно
работают на действующих ковшах.

При неглубоком залегании
коренных пород у всех интенсивно обтекаемых элементов ковша подводные крепления
целесообразно опускать до кровли этих пород.

Внешние откосы ограждающих
дамб, которые могут подвергаться воздействию высоких шугозажоров или ледяных
заторов при их подвижках, следует выполнять из ряжей или крупных бетонных
блоков.

Местные деформации речного дна

2.46. Местные деформации речного
дна у различных гидротехнических сооружений, у затопленных речных
водоприемников, у незатопленных насосных станций, у устоев и бычков моста, у
различных отклоняющих поток стенок имеют одну и ту же особенность — размыв дна
при подходе к ним и в створе оконечности стенок и отложение вымытого грунта за
сооружением.

Повышенная размывающая способность потока перед сооружением
вызвана, во-первых, образованием местного подпора уровня воды,
трансформирующимся в винтовое, часто нестационарное, течение, во-вторых, тем,
что донные токи винта всегда относят наносы в сторону от основного направления
течения и тем самым создают условия для местного углубления дна.

Как известно,
в русловом потоке соблюдается принцип замещаемости вымытых и унесенных потоком
твердых частиц поступающими наносами с верхних створов. При одном и том же
количестве тех и других деформаций русла не происходит. Если же поступление
наносов с верхних створов уменьшается или поступающие наносы удаляются винтовым
течением в сторону, то возникают благоприятные условия для понижения дна, в
частности для местного размыва у сооружений.

Поэтому экспериментаторы и
проектировщики при желании иметь местные углубления русла стремятся найти такие
очертания основных сооружений или устроить перед ними открылки, буны или
системы из последовательно расположенных низких и высоких стенок, чтобы,
создавая местный подпор уровня, с наибольшим эффектом отклонить донные течения
в сторону.

Когда этого местного углубления оказывается недостаточно по
протяженности, прибегают к устройству повторных открылков. Те и другие
используют имеющуюся кинетическую энергию потока. Если при небольшой скорости
течения кинетическая энергия потока недостаточна, прибегают к искусственному ее
увеличению, подавая воду для промыва через систему уложенных по дну труб с
внешними изогнутыми насадками.

2.47. Одним из эффективных
способов создания местного углубления является устройство затопленных V -образных
порогов.

Течение за порогом
приобретает сложный пространственно-винтовой характер с элементами
нестационарности. Подходя к V-образному порогу, поток претерпевает
заметное изменение. Его поверхностные линии тока изгибаются в сторону порога, а
глубинные линии тока, проходящие на уровне его гребня, подходят к косому порогу
почти нормально.

Этим поток приобретает начальную закрутку, которая за порогом
заметно усиливается и приобретает характер винтового движения. Его донные линии
тока устремляются вбок, в сторону оконечности порога, вымывая частицы грунта из
района осевой линии MN и переоткладывая их в
сторону, в образующуюся за порогом продольную косу ( рис. 21).

Рис. 21. Общий вид линий токов у затопленной V-образной преграды

Генерируемый донным порогом
винт имеет поперечные составляющие скоростей (по Потапову), равные:

u = u m sin ( p y/b ) cos ( p z/ а );                                                (50)

w = wm
cos ( p y/b ) sin ( p z/ а ),                                                (51)

где а и b — поперечные размеры винта.

Максимальные значения u m и wm близки к четверти продольной составляющей скорости на подходе к порогу u ¥ .

Из теории винтовых течений
известно, что наибольшую интенсивность они приобретают в том случае, когда их
поперечные размеры (высота а и ширина b ) равны между собой, т.е.
когда их внешние образующие вписываются в сечение, имеющее форму квадрата.

Из приведенного в табл. 3 соотношения между а и b в
зависимости от угла a видно, что a
= (60-75°).

Таблица 3

a

В = 2 b

h = a

Отношение

Примечание

B / d

b

45

3,1

1

1,55

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение

Среднее отношение b = 1,1

60

3,9

1

1,95

75

4,4

0,9

2,2

90

5

1

2,5

120

6,1

1

3,05

1,52

Приведенными данными по
интенсивности винтов определяется высота выступа порогов над дном, обычно
принимаемая равной 1/3 глубины воды при среднем многолетнем минимальном уровне
в реке.

2.48. Проведенные во ВНИИ ВОДГЕО
опыты (1985 г.) по назначению оптимального центрального угла при его изменении
от 45° до 120° показали:

ширина ямы размыва
коррелирует с раствором центрального угла и длиной порогов L и
составляет

B = 2,4L sin a /2;                                                      (52)

глубина ямы размыва hm при всех углах остается одинаковой и составляет l ,5 h 0 ;

длина ямы размыва в пределах
от порога до бытовой глубины русла равна:

C = 2,5b cos a /2.                                                      (53)

2.49. Нестационарность течения за V-образным
порогом заметно усиливает его размывающую способность и часто определяет его
геометрические соотношения. По периодическим взмывным течениям, достигающим
свободной поверхности, можно судить о повторяющихся срывах потока с гребня
донного порога и о частоте этих срывов.

Можно предположить, что эти срывы
сопровождаются мгновенными сжатиями потока в вертикальной плоскости с
образованием в сжатом сечении повышенных скоростей u с .
Если принять, как обычно, эпюру скоростей подходного равномерного потока
изменяющейся по вертикали по степенному закону (31), то на уровне гребня потока получим скорость,
меньшую поверхностной и даже меньшую средней по глубине u ср .

Однако при обтекании порога и возникновении за ним процесса нестационарного
гидравлического сжатия мгновенная скорость увеличивается и может даже
приблизиться к поверхностной скорости u п . Их соотношение определяется
высотой возвышающегося над дном порога и в каждом случае может находиться
аналитически.

2.50. Деформации дна V-образным
порогом имеют ограниченную длину, часто недостаточную для обеспечения фронта
размыва у водоприемников большой протяженности. В этом случае прибегают к
установке струенаправляющих открылков ( рис.
22).

Рис. 22. Схема установки наносозащитных открылков на водоприемнике

Струенаправляющие открылки
представляют собой трапецеидальные щиты размером 1,5 ´ 4 м, установленные по обеим сторонам водоприемника под углом 15° к
горизонтальной плоскости. Удаление донных наносов от водоприемного фронта
достигается за счет появления за ними индуцированных скоростей, направленных у
дна в сторону от боковой грани водоприемника.

Экспериментально установлено, что
при транзитных скоростях потока более 1 м/с струенаправляющие открылки
позволяют создать устойчивую промоину вдоль водоприемного фронта, удаляя наносы
в сторону от водоприемных окон на расстояние большее, чем ширина открылков.

При длине водоприемника до
12-15 м рекомендуется устанавливать только два передних открылка, расположенных
на расстоянии 3 м от лобовой грани водоприемника. Открылки устанавливаются по
обоим бортам даже в случае одностороннего водоотбора. При длине водоприемника
от 15 до 30 м необходимо устанавливать вторую пару открылков (см. рис. 22). Задняя кромка открылка
располагается на уровне нижней границы окон на расстоянии 0,5-0,8 м от дна.

С целью защиты от подмыва дно
вокруг водоприемника на расстоянии не менее 2 м от его бортов закрепляется
щебнем крупностью не менее 100-150 мм.

2.51. Боковой отвод воды является
одним из самых распространенных прикладных фрагментов в системах водозабора и в
настоящее время считается относительно изученным. В то же время он включает в
себя сложные элементы, такие, как поворот части потока, отрыв от обтекаемого
внутреннего угла, неплавная изменяемость течения в отводе с резким нарушением
гидростатического распределения давления по сечениям, значительное изменение
свободной поверхности, возникновение в процессе отвода поперечной циркуляции.

Каждый из перечисленных
элементов течения может являться самостоятельным предметом изучения, все же
вместе они создают сложный пространственный поток, требующий при практическом
использовании ряда упрощений. К ним относятся иногда применяющееся
отождествление течения в отводе со входом воды на водослив с широким порогом,
неучет условий неплавной изменяемости потока и изменения кривизны свободной
поверхности одновременно в плане и в профиле, отождествление поступления
наносов в отвод с величиной захвата донных струй из основного русла, неучет
элементов возникающего винтового течения. При такой стилизации потока многие
особенности течения на входе в отвод не учитываются.

В настоящее время
установлено, что захват боковым отводом донных наносов связан не столько с
общим поворотом потока в отвод, сколько с отрывом его от входного угла и
образованием за ним области с пониженной свободной поверхностью и дефицитом
давления.

2.52. При боковом отводе воды
происходит отрыв потока в самом отводе и в основном русле ниже отвода ( рис. 23). Несмотря на различие внешних
причин отрыва (обтекание входной кромки в первом случае и внезапный отъем
жидкости во втором) оба отрыва имеют общую черту: возмущение гидродинамических
факторов турбулентного потока. К ним относятся гидродинамические давления, в
частности изменение значений 1/ r дР/дх, имеющих размерность ускорения
в м/с2, и неплавное (в гидравлическом понимании) изменение уклонов д z /дs свободной поверхности, в
частности значений gi , также имеющих размерность в
м/с2. Опускание и подъем сво бодной поверхности будем, следуя А. С. Образовскому,
считать как проявление остановившейся волны перемещения. При этом прохождение
через эту остановившуюся волну потока жидкости может рассматриваться как
возмущение свободной поверхности, имеющее длину волны l 1 , период Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение  и частоту Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение , где Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение  скорость
распространения волны на мелководье.

Рис . 23. Боковой отвод воды с образованием зон отрыва в
отводе и в основном русле

Возмущение гидромеханического
давления может рассматриваться как обычное низкочастотное возмущение турбулентного
состояния потока, имеющее длину волны l 2 , период Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение  и частотуВодозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение , где Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение  скорость
распространения крупномасштабных турбулентных образований в открытом потоке,
близкая к средней скорости потока u ср . Значение l 2 принимается равным b 1 2 p H .

Из равенства указанных частот
получим выражение для относительной длины волны перемещения, l 0 / H в зоне отрыва, вычисленное
при b 1 = 0,37,

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение .                                                        (54)

В табл. 4 приведено сравнение расчетных а опытных, значений l /Н в отрывном течении за
входной кромкой отвода.

Таблица 4

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение

Отношение l 0 /Н

по расчету

по опытным данным

0,1

10

24

23,9

0,15

6,67

16,01

15,8

0,2

5

12

10,2

0,4

2,5

6

6,2

0,6

1,67

4,01

4,15

0,8

1,25

3

3,75

Принятая динамическая схема
взаимодействия возмущений от двух динамических, факторов может быть
использована и для определения максимального поперечного размера отрыва G из
уравнения

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение                                                    (55)

в зависимости от глубины Н, где h 1
близко к 0,45, и из уравнения

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение                                                           (56)

в зависимости от ширины В, где h 2 =
0,05.

В табл. 5 приведено сравнение расчетных и опытных значений (55) в отрывном течении в створе
наибольшего сжатия потока.

Таблица 5

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение

Отношение ( G /Н) max

по расчету

по опытным данным

0,12

8,4

3,8

4,08

0,2

5

2,25

2,05

0,3

3,3

1,5

1,41

0,4

2,5

1,1

1,1 8

0,7

1,42

0,65

0,7

2.53. Рассмотрение потока в отводе
как изменяющегося в плане плоского неплавноизменяющегося течения допускает
расчет его по уравнениям (37), (39) и построение по точкам внешней
границы, совпадающей с очертанием водоворота.

При этом начало отсчета
координаты х и ширины потока b принимается в точке 0
низового входного угла в отвод, в котором имеет место исходная начальная
скорость u 0 . По мере сжатия потока эта
скорость увеличивается на величину u 1 , а затем на такое же значение
уменьшается.

В створе максимального значения скорости ширина потока минимальна.
Глубина в отводе Н0 считается заданной и в первом приближении
принимается средней по сечению с уточнением после построения гипсометрии
свободной поверхности потока.

2.54. В табл. 6 приводится пример расчета отрыва потока применительно к следующим
исходным данным. Ширина отвода b 0 0,7 м, глубина 0,11 м; расход
воды в отводе Q = 0,172 м3/с;
коэффициент Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение  = 0,44. Скорость в
начале отвода u 0 = 0,225 м/с; коэффициент водозабора K в = 0,31, расстояние x 0 = 0,3 м. При этих данных
ширина максимального отрыва получена равной 0,283 м, что составляет 40,4 %
полной ширины потока.

Таблица 6

№ п.п.

x

S x

u

u 0
u

Значения b ,
м

по расчету

по опыту

1

0

0

0

0

0

0

2

0,024

0,024

0,012

0,237

0,08

0,1

3

0,05

0,074

0,023

0,248

0,136

0,145

4

0,077

0,151

0,032

0,257

0,173

0,185

5

0,106

0,267

0,264

0,262

0,202

0,19

6

0,166

0,423

0,051

0,276

0,241

0,23

7

0,288

0,711

0,063

0,288

0,277

0,26

8

0,435

1,146

0,065

0,29

0,283

0,275

9

0,723

1,869

0,061

0,289

0,155

10

0,837

2,706

0,054

0,279

0,136

11

1,375

4,051

0,044

0,269

0,115

2.55 . Приведенный в п. 2.54 расчет и построение плоского
транзитного неплавноизменяющегося потока в отводе не отражают наблюдающийся в
опытах пространственный характер течения. Его можно получить, если
дополнительно наложить на полученный поток винтовое течение с поперечными
составляющими скоростей, определяемыми по зависимостям (50) и (51).

В них а и b — высота винтового течения, равная глубине потока, и
ширина, равная b 0 , u x
— продольная составляющая скорость потока. В данном случае ей отвечает
переменная по длине скорость неплавноизменяющегося течения, равная по
предыдущему u 0 u x .

Неизвестными в уравнениях (50) и (51) являются максимальные составляющие скоростей u m и w m , в том числе в начальном створе потока. В каждом
отдельном случае они определяются характером рассматриваемого течения. В данном
случае они максимальны в начальном створе, далее по длине потока уменьшаются по
гиперболической закономерности.

На рис. 23 приводится построение поверхностных (пунктир) и
донных линий токов, выполненное в предположении, что значение u m в начальном створе равно 0,3
u 0 .

2.56. Для учета двойной кривизны в
плане и в профиле свободной поверхности потока в зоне отвода применяется
система уравнений Высоцкого, позволяющая при ряде обоснованных упрощений
охватить все пространственное течение в целом. Она позволяет рассчитать
гипсометрию свободной поверхности, выявляя превышение уровня воды над
статической плоскостью в зоне отвода и попутно кривизу линий токов в каждой
точке потока.

Разность уровней на концах
поперечника при небольшой его длине можно приближенно оценивать по уравнению

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ,                                                         (57)

в которое входят радиусы кривизны: в плане R и в
профиле r и скорость потока u x .
Оба радиуса можно находить аналитически раздельно в плане и профиле,
рассматривая движение как неплавноизменяющееся с применением графической
зависимости (см. рис. 13).

Пример расчета

Исходные данные: скорость потока u 0 =
0,5 м/с, ширина отвода b 0 = 0,7 м; глубина H 0 = 0,11 м; Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение  = 2,011/с2.

Определив по графикам рис. 13 минимальный радиус кривизны,
отвечающий крайней линии тока застойной зоны равным R = 0,3м, по известной
зависимости

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение                                                          (58)

находим другие радиусы кривизны через промежутки D y , в нашем случае равные:

где п — число участков.

Радиусы кривизны в плане и
профиле равны:

R 1 = 0,3 м; R 2 = 0,58 м; R 3 = 1,34 м; R 4 = 16,38 м; r 1 =3,9 м; r 2 = 5,8 м; r 3 = 13,4 м; r 4 = 163,8 м.

Затем по зависимости (57) определяем значения D z для каж дого створа

D z 1 = 0,0052 м.

D z 2 = 0,0035м; D z 3 = 0,0015 м; D z 4 = 0,00012 м.

Просуммировав значения
перепадов по всему створу, получим S D zi = 0,0103 м.

2.57. Величина захвата
поверхностных и донных струй из основного русла при заданной интенсивности
поперечной циркуляции (при поперечных составляющих скоростей u m и wm в зависимости от исходной скорости потока, например при u m = 0,3 u 0 )
находится графоаналитическим построением линий токов ( рис. 24).

Рис. 24. К построению поверхностной и донной линий токов до отвода

Для предварительной оценки
ширины захвата донных и поверхностных струй можно пользоваться формулами
Образовского и Шаумяна:

S д = (1,65K в 0,04)B;                                                      (59)

S п = 1,15( K в 0,35) B .                                                      (60)

где В — ширина основного русла; Кв
— отношение расходов воды в отводе и основном русле.

Сороудерживающие устройства

8.25. При необходимости для
предварительной грубой механической очистки воды от относительно крупного мусора
водоприемные отверстия оборудуют решетками.

Решетки обычно представляют
собой металлическую раму, сваренную из уголковой стали или швеллера с
металлическими стержнями из полосовой (50 ´ 60 мм) или круглой (8-12 мм)
стали. Расстояние между стержнями решетки чаще всего принимают 50-100 мм ( рис.

Таблица 28

Размеры, мм

Масса решетки, кг

водоприемного окна

решетки

Н

Н 1

Н,

h

A .

L

L,

400 ´ 600

840

700

600

50

40

500

400

20

600 ´ 800

1040

900

800

50

40

700

600

33

800 ´ 1000

1255

1130

1000

65

50

930

800

52

1000 ´ 1200

1620

1320

1200

80

50

1100

1080

90

1200 ´ 1400

1820

1520

1400

80

50

1300

1280

120

1260 ´ 2000

2600

2200

1986

120

60

1424

1404

253

1250 ´ 2500

3100

2700

2486

120

60

1424

1404

300

Рис. 161 Сороудерживающая решетка и схема установки устройства в потоке

а —
сороудерживающая решетка; б — сечение и размеры стержней решетки; в
— расположение решетки с наклоном; г — косое расположение решетки; д
— график зависимости z реш = f ( j )

8.26. В зависимости от схемы
водоприемника и условий эксплуатации сороудерживающие решетки можно
устанавливать вертикально или наклонно.

8.27. В зависимости от характера
засорения решетки (попадания на нее бревен, топляков, торфа, сучьев, водорослей
и т. п.) применяют различные очистные механизмы и устройства: грейферы, ковши,
механические, свободные и направляемые грабли, специальные тралы, которыми
можно перемещать сор вдоль забральной стенки водоприемника.

8.28. Потери напора в решетках
определяют по формуле

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ,                                                      (266)

где z реш — коэффициент сопротивления
в решетках; u — средняя скорость перед
решеткой

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ,                               (267)

где К =0,504-для прямоугольных стержней; К =
0,318 — для прямоугольных стержней с закругленными входными кромками; К =
0,182 для клинообразных стержней с закругленными кромками; t и l
— соответственно
толщина и ширина стержней ( рис.

Для круглых сечений

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение .                                               (268)

При косом расположении
решетки ( рис. 161, г)
коэффициент z реш для прямоугольных стержней
сечением 10 ´ 70 мм в зависимости от
величины угла j набегания потока на решетку
определяется по графику рис. 161, д.

8.29. Для борьбы с обмерзанием
решеток применяют покрытие стержней решеток гидрофобными материалами (каучуком,
эбонитом, резиной, деревом) или изготовляют их из этих материалов.

Для борьбы с обмерзанием
решеток применяют обогрев ее элементов.

Обогрев решеток в окнах
водоприемника является эффективной мерой, предотвращающей кристаллизацию
переохлажденной воды на стержнях решеток, а также прилипание к ним
внутриводного льда. Поэтому обогрев должен осуществляться заблаговременно, до
начала переохлаждения воды.

Обогрев не может предохранить
решетку от механической забивки комьями шуги и поверхностным льдом.

Для исключения образования на
стержнях решеток поверхностного льда надо погрузить решетку в воду или утеплить
выступающую из воды часть решетки таким образом, чтобы ее температура была не
ниже 0 ° С.

Для исключения кристаллизации
переохлажденной воды на стержнях решеток необходимо, чтобы все части
поверхности решетки, которые подлежат защите от обмерзания, имели температуру
несколько более высокую, чем температура кристаллизации воды.

Температура поверхности
стержней решетки t р определяется по формуле

t р = t в Р/ a ,                                                             (269)

где t р , t в — соответственно температура
поверхности стержней решетки и воды, °С; Р — мощность, подводимая к
стержням решетки, кВт/м2; a — коэффициент теплоотдачи на
границе «вода — поверхность стержня».

Расчетные значения a
определяют по формулам:

а) для круглых стержней, с
учетом физических параметров воды нулевой температуры

a = 1000 u 0,6 / d 0,4 ,                                                       (270)

где u — скорость воды в решетке; d
— диаметр стержня.

Наличие шуги повышает значение
коэффициента теплоотдачи примерно на 10 %

d ш = 1100 u 0,6 / d 0,4 .                                                      (27 1 )

Максимальное местное
локальное значение коэффициента теплоотдачи повышает среднее значение
приблизительно на 80 %;

б) для прямоугольных стержней

d = 2200 u 0,8 / b 0,2 .                                                        (272)

где b — длина пути обтекания стержня
(половина длины периметра) с учетом влияния шуги в потоке

d ш = 2420 u 0,8 / b 0,2 .                                                      (273)

При обогреве решеток
электрический ток пропускают непосредственно по стержням или, если последние
представляют полые трубки, обогрев их производят, закладывая внутрь каждого
электрическую грелку или пропуская по трубам нагретый теплоноситель (воду,
трансформаторное масло и др.).

При равномерном обогреве в
расчет принимают максимальное местное (локальное) значение коэффициента
теплоотдачи. При стержнях цилиндрического или прямоугольного сечения с
полукруглым оголовком расчетное значение мощности определяют по зависимости

Р = 0,2 u 0,6 (tp — t в )/d0,4.                                                  (274)

где Р — мощность, кВт на 1 м2
поверхности стержней, а не решетки. Мощность обогрева стержней прямоугольного
сечения определяют по формуле

Р = 7,7 u 0,8 (tp — t в ).                                                     (275)

Для облегчения пользования
формулами приводятся графики рис. 162, а,
б.

Рис. 162. График для определения необходимой мощности обогрева стержней

а — круглого сечения ( t p — t в ) = 0,01 ° С;
б — прямоугольного сечения

При отсутствии точных данных
о переохлаждении воды можно принимать температуру воды, равной t в = -0,04…-0,05 °С на
водотоках с большими глубинными и малыми скоростями и t в = -0,06- -0,08 °С — на
водотоках с малыми глубинными и большими скоростями течения.

При равномерном способе
обогрева поверхность стержней оказывается нагретой неравномерно. Если мощность
выбрана исходя из среднего значения коэффициента теплоотдачи, то часть
поверхности стержня, на которой a x
больше среднего значения, остается недогретой, а остальная часть стержня,
напротив, перегрета.

Одним из возможных способов обеспечения
равномерного обогрева стержней решетки является покрытие их теплоизоляцией
различной толщины d x a x
= const . Теплоизоляционным покрытием могут быть резина, смеси битума с
парафином и канифоли с битумом.

Применение покрытий исключает
потери энергии, возникающие от утечек тока через воду, и уменьшает опасность
коротких замыканий. При обогреве решеток источником тепла, помещенным внутри
полого стержня (горячей водой, паром, электрической грелкой), методы
выравнивания температуры могут быть иными.

Мощность обогрева,
предохраняющего решетку от обмерзания, с неполностью погруженными в воду
стержнями окажется достаточной, если все выступающие из воды части решетки
окажутся нагретыми до 0 °С.

Для этого должно быть
соблюдено условие

Pz ³ a 1 (- t ° ),                                                           (276)

где Р z — мощность обогрева 1 м2
поверхности стержня; a 1 — коэффициент теплоотдачи от стержня к воздуху; t ° — температура воздуха, °С.

Для стержней цилиндрического
сечения

a 1 = 3,7 w 0,6 /d0,4,                                                         (277)

где w — скорость ветра,
м/с.

Для стержней прямоугольного
сечения

a 1 = 7,1 w 0,8 / p 0,2 ,                                                         (278)

где р — длина периметра поперечного сечения.

8.30. Покрытие поверхности решеток
криофобными материалами, уменьшающими адгезию льда, является перспективным, но
пока находится в стадии разработки.

В табл. 29 приведены результаты определения силы сцепления
льда с различными поверхностями.

Таблица 29

Материал

Условия испытания

сдвиг

сдвиг

сдвиг

отрыв

отрыв

сдвиг

При температуре воздуха, ° С

-8 0

-20

-1

-10

-4

-10

Железо

5,3

2,9

5,8

20

3,4-8,1

Дюраль

6,2

7,6

2,3

6,2

Стекло

5

8,5

19

4,5

Дерево

6

4,4

Полистирол

1,9

2,2

Полиэтилен

2,5

0,7

Винипласт

2,2

1,9

Бетон

9

16,2

Резина

2 ,8

1,2

1,4-3,5

Плексиглас

3,6

4,4

2,8

Метилполисилоксан на дюрали

0,7

0,14-2,1

Полисилоксан на железе

2,1

1,8

СКТ на железе

5,5

КЛС на железе

0,5-1,5

Герметик на железе

1,1

СКТ на бетоне

3,6

Эпоксидная смола на бетоне

3,7

Наиболее опасным диапазоном
температур с точки зрения максимальных значений силы сцепления является
диапазон -4°…-12 °С. При более низких температурах эта величина существенно
падает. При увеличении солености льда сила сцепления несколько уменьшается.

8.31. Для борьбы с образованием
льда на решетках может быть использован сброс теплой воды. Расход теплой воды,
сбрасываемой в реку выше по течению, определяют по формуле

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ,                                                       (279)

где a — коэффициент, учитывающий полноту
плавления шуги при сосредоточенном сбросе теплой воды, a
=0,75-0,80; при подводе теплой воды к решеткам и равномерном распределении ее
по поверхности стержней a = 0,90; b
— коэффициент, учитывающий содержание шуги в речной воде и равный 0,1-0,4 в зависимости
от балльности шугохода;

K — скрытая теплота плавления
льда; Q — расход воды, поступающей в водоприемник; t 1 — температура речной воды,
равная в периоды шугохода — 0,05 °С; t — температура воды,
поступающей в водоприемник, равная » 1 °С; t h — температура теплой воды,
сбрасываемой выше водоприемника; h — коэффициент, зависящий от
условий смешения и равный для рек в зависимости от полноты смешения 0,4-0,6.

8.32. В ряде случаев по
возможности воду для предупреждения обмерзания решеток подогревают паром.
Расход пара G , кг/ч, определяют по формуле

G = l,5Qt3,                                                           (280)

где Q — расчетный расход водозабора,
м3/ч; t 3 — температура подогрева воды, обычно принимается равной
0,015-0,04 °С.

8.33. Для защиты водоприемников от механической забивки ледошуговыми образованиями
при достаточном обосновании возможно применение пневмозащиты. Расчет параметров
пневмозащиты следует вести в следующей последовательности.

Для работоспособности
пневмоустановки необходимо, чтобы в активной зоне действия водовоздушного
восходящего потока вертикальные составляющие превышали их горизонтальные
составляющие в К. раз

u > K u ,                                                                 (281)

где и, u — вертикальные и
горизонтальные составляющие абсолютных скоростей w ( рис. 163); К — опытный коэффициент, зависящий от
скорости и ледонасыщенности реки.

Рис. 163. Схема водовоздушной струи в сносящем речном потоке

01 — точка истечения воздуха в речной поток; a
— угол наклона траектории струи к горизонтальной плоскости; х1,
у1, z 1 — текущие координаты; х, 0,
у — дополнительные координаты; 0х — касательные к
траекториям; 0 A — траектория струи

Длина активной зоны равна
протяженности укладываемых труб, а ширина В — сумме проекций полутолщин
внешней и внутренней сторон струи на ось х, взятая по половине
максимальной вертикальной составляющей скорости на траектории струи

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ,                                                      (282) где Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение   полутолщины внешней и
внутренней сторон струи, взятые по половине максимальной вертикальной
составляющей скорости на траектории струи.

Натурные исследования,
проведенные при работе пневмозащиты, используемой в качестве шугозащитного
мероприятия, показали, что для максимальных скоростей течения реки u т =
0,5 м/с — 0,55 м/с для европейской части Советского Союза коэффициент К.
можно принимать равным 1,5.

Профили абсолютных скоростей
в безразмерных координатах строятся по зависимости

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ,                                                       (283)

где w — значение абсолютной скорости
в рассматриваемой точке; w m — максимальная
скорость в рассматриваемом сечении на траектории струи; у — координата
рассматриваемой точки; ус — расстояние от оси струи до точки
с абсолютной скоростью: у c = f ( w m — u d )

/2 для внешней стороны
струи; у c = f ( w m /2) — для внутренней стороны
струи; u d = u т cos a — для внешней стороны струи;
u d = 0 — для внутренней стороны струи; u т — скорость речного потока; a
— угол наклона траектории струи к горизонтальной плоскости.

Максимальную вертикальную
составляющую скорости на траектории водовоздушной струи umax в
определяют по зависимости

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ,                                                    (284)

где q 0 — расход воздуха на 1 м
перфорированного трубопровода, отнесенный к нормальному давлению; g
— ускорение
силы тяжести; um — вертикальная составляющая скорости
на оси струи при условии, если скорости в реке отсутствуют;

Вертикальную составляющую
скорости на оси водовоздушной струи определяют по зависимости

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ,                           (285)

где Н0 — глубина погружения
перфорированных труб, м; g w- объемный вес воды; P 0 — абсолютное давление.

Горизонтальные составляющие
на траектории струи определяют по зависимости

u = um/tg a .                                                          (286)

Для создания потока с равномерно
распределенными вертикальными составляющими скоростей в активной зоне действия
восходящего потока расстояние между отверстиями перфорации соседних труб не
должно превышать величину l . Угол наклона траектории
струи к горизонтальной плоскости a следует брать в сечении
струи, где восходящий поток переходит в плановый растекания.

Координаты траектории струи
можно определить по графику, приведенному на рис.
164. Этим графиком можно пользоваться до глубины погружения перфорированных
труб H = 5 м.

Рис. 164. Траектории водовоздушных струй 1 — q 0 = 0,0256; 2 — q 0 = 0,0233; 3 — q 0
= 0,0216; 4
— q 0 = 0,0198; 5 — q 0 = 0,0120; 6 — q 0
= 0,00835

Ширину активной зоны следует
определять при L = H 0 /6 по зависимостям

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ;                                               (287)Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение ,                                                    (288)

где L — расстояние от точки
истечения до рассматриваемого сечения; х1, у1 —
координаты плоскости х101у1;

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

В Пособии использованы
следующие буквенные обозначения:

Q cp ;
Qmin , Qmax и др. — средний,
минимальный, максимальный и другие расходы воды или наносов, м3/с;

q — удельный расход воды или
наносов, м2/с ;

u н p ; u 0 ; u ср ;
u п ; u д и
др. — неразмывающая, начальная, средняя, поверхностная, придонная и другие
скорости потока, м/с;

u п — текущая переменная по
вертикали скорость, м/с;

ux — динамическая скорость;

c п ; c г ; c б ; c в ; с a — скорости перемещения побочня, гряды, береговой линии, излучины, волны
и др., м/сут, м/с;

H ; Н кр ; H ¢ кр ; H пл — глубина или напор воды,
критическая глубина волны, критическая глубина волны под ложбиной, в плесе, м;

h 1% ; hi ; ` h ; h ¢ пр ; h кр ; h гр ; h пб ; h лг ; h 0 и др. — высота волн
соответственно 1 % и i -той обеспеченности, средней,
на глубокой воде, предельно возможной в точке расчета, критической, гребня
волны, песчаной гряды, побочня, ленточной гряды, высота конструктивного
элемента и др., м;

t ; ` t ; t пр
и др. — период и средний период волн, перемещения песчаных гряд и др., c ;

l ; ` l ; l лг ;
l пб ; l н и
др. — длина, средняя длина волны, шаг ленточной гряды, побочня, излучины и др.,
м;

Вр; Впр — ширина
реки, прибойной зоны, м;

t ° — начальная температура воды,
воздуха, °С;

t , D t — время, интервал времени, c ;

g — удельный вес, т/м3;

g — ускорение свободного
падения;

r — мутность и плотность воды
или воздуха, мг/л, т/м3;

w г — гидравлическая крупность,
см/ c , м/с;

w — скорость ветра, м/с;

R — гидравлический радиус, м;

I — гидравлический или
пьезометрический уклон;

L — длина участка реки и
разгона волн, м;

a ° — угол, образованный между
лучом волнения в открытом водоеме и нормалью к берегу, или между избранной осью
и направлением потока, град;

b ° — угол наклона поверхности
откоса или прибрежного склона к горизонту, град;

m = ctg b ° — заложение откоса или
прибрежного склона;

w — площадь сечения потока, м2;

d ; ` d — диаметр и средний диаметр
частиц грунта, мм;

l — длина конструктивного
элемента, мм, м;

b
— ширина           »                   »         мм,
м;

d —
толщина          »                   »         мм, м;

D — диаметр          »                   »
        мм, м;

s
— площадь          »                   »
        мм2, м2;

h — относительная глубина
потока;

z — глубина потока от
поверхности воды или от ложа источника, м;

D z — местное повышение уровня воды, м;

х, у — текущие координаты, м;

m — коэффициент расхода;

р — коэффициент пористости;

S в — обобщенный коэффициент, учитывающий потери волновой
энергии на возбуждение вдольберегового течения и рефракцию волн)

С — коэффициент Шези;

К з- коэффициент засорения конструктивного
элемента;

К т —          »            турбулентной
фильтрации;

К н —          »            потери напора;

К то —         »            теплообмена
между водой и атмосферой (м2 × к);

Kt 1
–         »            теплоотдачи;

Kt –          »            теплопроводности;

К р –         »            рефракции
волн;

K u –         »            учитывающий
изменение скорости потока при плановых деформациях ложа реки;

К п — обобщенный коэффициент потерь и перестроения волн;

Ki — коэффициент, зависящий от условий
волнообразования;

К тр —          »             трансформации
или потери высот волн в процессе первого и последующего разрушений;

К d —           »             зависящий от крупности наносов;

К b —          »             уклона
поверхности потока;

К ш –         »             шероховатости
конструктивного элемента;

К l —          »             горизонтальной
асимметрии профиля волны;

Ks — обобщенный коэффициент
потерь в процессе разрушения волн;

Водозаборные сооружения поверхностных вод - Водоснабжение и водоотведение  — коэффициент в неплавно
изменяющихся течениях;

r — радиус кривизны неплавно
изменяющегося потока;

K = 2 p / l
— волновое число, рад/м.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение . 1

1. Общие вопросы использования поверхностных вод для
водоснабжения
. 3

Общие положения . 3

Общие требования к источнику водоснабжения и
водозаборным сооружениям .. 4

Требования к материалам инженерных изысканий . 5

2. Условия забора воды из водотоков (рек).
Характеристика гидрологического режима
. 8

Гидрологические данные . 8

Русловые деформации . 9

Оценка деформаций речного русла . 11

Гидравлическая структура течений . 15

Местные деформации речного дна . 24

Классификация условий отбора воды .. 29

3. Условия забора воды из водоемов . 30

Основные особенности водоемов . 30

Элементы волн в прибрежной зоне . 31

Пример расчета элементов ветровых волн . 36

Течения в водоемах . 37

Миграция наносов и мутность воды .. 41

Гидротермика водоемов . 47

Взаимодействие течений с сооружениями . 48

Классификация условий забора воды .. 51

4. Сооружения для забора поверхностных вод . 54

Классификация, категории и требования, предъявляемые к
водозаборам .. 54

Основные типы водоприемных устройств . 56

Затопленные водоприемники и водоводы .. 57

Водоприемники с вихревыми камерами . 60

Щелевые водоприемники . 66

Фильтрующие водоприемники . 72

Комбинированные водоприемники . 75

Промывка водоприемников . 78

Гидравлическое наносозащитное устройство . 81

5. Водозаборные сооружения на водотоках . 87

Выбор места расположения, типа и конструктивной схемы
водозаборных сооружений . 87

Водозаборные сооружения с русловыми водоприемниками . 90

Водозаборные сооружения берегового типа . 91

Водоприемные ковши . 92

Нестационарные водозаборные сооружения . 102

Водозаборные сооружения на водотоках с неустойчивыми
руслами . 104

Водозаборные сооружения в районах распространения
вечномерзлых грунтов . 105

Водозаборные сооружения в нижних бьефах гидроузлов и
устьевых участках водотоков, впадающих в водоемы .. 108

Русловые сооружения для забора воды из водотоков с
малыми глубинами . 110

Самопромывающиеся ковши . 113

Мероприятия по защите водозаборных сооружений от шуги . 119

6. Водозаборные сооружения на водоемах, выбор места
расположения, типа и компоновки водозаборных сооружений
. 120

Общие требования к водозаборам .. 120

Водозаборы с самотечными или сифонными водоводами . 121

Водозаборы берегового типа . 125

Водозаборные сооружения с подводящим огражденным
каналом .. 127

Водозаборы островного типа . 131

Комбинированные водозаборы .. 131

Водозаборные сооружения в условиях стратифицированного
водоема . 132

Мероприятия по защите водозаборных сооружений от
наносов, мусора, планктона и шугольда . 134

7. Водозаборные плотинные гидроузлы .. 135

Назначение плотин, сооружаемых для целей водоснабжения . 135

Гидроузлы на равнинных водотоках . 136

Гидроузлы на предгорных и горных участках рек . 140

Защита плотинных водозаборов от наносов . 144

8. Рыбозащитные, сороудерживающие и водоочистные
устройства водозаборов
. 151

Условия выбора рыбозащитных устройств (РЗУ) 151

Рыбозащитные устройства . 153

Мероприятия по рыбоотведению .. 163

Сороудерживающие устройства . 166

Оцените статью
Дача-забор
Добавить комментарий