Примеры расчета
Примеры расчета водозаборных сооружений
Пример 1. Определить размеры водозаборного сооружения на
реке для оросительной насосной станции с максимальной подачей 0,8 м3/сИсходные данные: четыре центробежных насоса марки Д800-57 с подачей Qн = О,2м3/с каждый; тип здания станции — наземный (отметка оси насоса 15,2 м). Насосная станция относится к III категории надежности по подаче воды. Исходные данные по водоисточнику: максимальный расчетный уровень воды в реке 13 м (5%-й обеспеченности), минимальный уровень воды из условия обеспечения водозабора 10 м (90%-й обеспеченности); русло реки устойчивое, количество взвешенных наносов до 0,5 кг/м3; наблюдается умеренный ледостав; минимальный (меженный) расход воды в реке не менее 25 м3/с, минимальные скорости течения воды 0,5 м/с; русло реки имеет неширокую затапливаемую в паводок пойму с противоположного от водозабора берега, со стороны насосной станции берег достаточно крутой (уклон 0,25…0,35); глубины в реке при минимальном уровне воды 2…2,5 м; грунты, слагающие берега и дно реки, — разнозернистые пески с несущей способностью, достаточной для устройства стационарных сооружений.Порядок расчета. 1. Выбираем береговой тип водозаборного сооружения, раздельный со зданием станции, — береговой колодец с двухъярусным расположением водоприемных отверстий (см. рис. 2.2). Береговой колодец располагают у уреза воды при минимальном уровне. Стеснение русла береговым колодцем не превышает 8 %. Колодец в плане принимают прямоугольным, разделенным на четыре секции (камеры) по числу всасывающих труб насосов. Водоприемные отверстия делают в передней стенке колодца — по два отверстия в каждой камере: нижнее и верхнее.
2. Определяем диаметр, м, входного отверстия всасывающей трубы по скорости входа Vвх = 0,8,..1 м/с
принимаем DRX= 0,6 м.
- Принимаем ширину камерыb кам= ЗDвх = 1,8 м. При расположении всасывающей (вертикальной) трубы у задней стенки камеры расстояние ее входного отверстия от дна h1= 0,8Dвх== 0,8 ■ 0,6 = 0,48 м, а заглубление входного отверстия под минимальный уровень воды s= (l…l,5)Dвх~ (1…1,5)0,6 = 0,6…0,9 м, принимаем s= 0,8 м. Глубина воды в камере у всасывающей трубы составляет hкам = h1 + s— 0,48 + 0,8 — 1,28 м. Дну камеры придают уклон 0,05 в сторону передней стенки.
- Находим длину камеры из условия создания в ней минимального объема Vкам> (15…20)Qн = (15…20)0,2 - 3…4 м3. Объем камеры Vкам= hкам Ь кам 1 кам, Т0ГДа Длина, м, камеры /кам > Vкам/(hкам bкам) = 4/(1,28 ■ 1,8)= 1,74 м. Конструктивно длина камеры должна быть достаточной для размещения оборудования — дискового затвора, вертикальной всасывающей трубы и обеспечения проходов шириной не менее 1 м. Из этого условия длина камеры /кам = /пет + /зат + lпрох + Dвх + 0,2 = 0,4 + 0,45 + 1 + 0,2 = 2,05 м. Принимаем длину камеры 2,1 м.
- Вычисляем площадь, м2, водоприемного отверстия (окна)
где Vотв принимаем 0,4 м/с.
Принимаем круглую форму нижнего отверстия, чтобы использовать в качестве ремонтного затвора стандартный дисковый затвор. Диаметр отверстия Dотв= 0,98м, принимаем Dотв= 1 м. Дисковый затвор (марка 32 с 908 р) устанавливаем внутри камеры и закрепляем на фланце стального патрубка длиной 0,4 м и диаметром 1 м. Патрубок заделываем в стенку камеры. Длина затвора 0,45 м. Принятая ширина камеры 1,8 м достаточна для размещения дискового затвора. Каждое водоприемное отверстие оборудуем съемной вертикально расположенной сороудерживаю-щей решеткой, выполненной из стержней — полосовой стали шириной 50 мм, толщиной 6 мм, просвет между стержнями 30 мм. Решетки устанавливаем в пазах. Очищаем решетки вручную при подъеме их на верх колодца. Верх нижнего отверстия заглубляем под минимальный уровень воды в реке на hзаг = 0,5 м. Для уменьшения поступления донных наносов в отверстия устраиваем порог высотой hn= 0,5 м. Таким образом, необходимая минимальная глубина воды в реке у берегового колодца составит hр = h3ar+ Dотв + hп = 0,5 + 1 + 0,5 = 2 м. Для создания этой глубины у колодца делаем небольшую расчистку. Отметка дна 8,00 м, отметка порога 8,50 м.
Верхнее водоприемное отверстие устраиваем прямоугольным — шириной 1 м и высотой 0,8 м. Оборудование отверстия — плоский ремонтный затвор 1,0 х 0,8 м и сороудерживающую решетку — устанавливаем по очереди в один паз. Отметка порога верхнего отверстия 10,4 м.
6. Назначаем отметку верха берегового колодца 13,8 м, что выше максимального уровня воды на 0,8 м. На этой отметке устанавливаем колонки для управления дисковыми затворами [10]. Сороудерживающие решетки и плоские ремонтные затворы поднимаем вручную с помощью тали с механизмом передвижения грузоподъ
емностью 2 т.
7. Делаем приямок у передней стенки глубиной 0,5 м для сбора наносов в каждой водоприемной камере. Наносы удаляем гидроэлеватором, принцип подбора которого изложен в [10].
8. Предусматриваем для защиты берегового колодца от подмыва по его периметру шпунтовое ограждение на глубину 2,5 м, дно реки вокруг колодца закрепляем каменной наброской.
9. Располагаем здание насосной станции на незатопляемых от метках примерно в 25 м от берегового колодца. Вода к насосам под водится всасывающими трубами диаметром 0,45 м.
Рыбозащитные устройства предназначены для предупреждения попадания рыбы в водоприемные отверстия берегового колодца. В данном случае для этого целесообразно использовать сетчатые струереактивные барабаны, так как вода в береговой колодец поступает из транзитного потока. Струереактивные барабаны устанавливают в пазы берегового колодца вместо сороудерживающих решеток на период ската рыбной молоди (см. рис. 2.8).
Исходные данные: минимальная длина тела защищаемых рыб 15 мм, вид рыб — полупроходные (лещ, судак, сазан и др.), сносяЩая скорость v = 0,15…0,25 м/с [32], размер ячейки сетчатого экрана принимают! х 2 мм (или 1,5×1,5 мм), сетка латунная или из нержавеющей стали.
Необходимую площадь брутто сетчатого полотна вычисляем по Формуле (2.6)
здесь принято Кс = 1,56; Кк= 1,2.
Диаметр сетчатого барабана принимаем D= 1,25 м, длину l=0,45 м. Для промывки сетки внутри барабана располагаем промывное устройство — трубку диаметром 50 мм с просверленными отверстиями вдоль нее и изогнутую в форме прямоугольника. Воду на промывку подаем от основного насоса станции Д600-57. Промывной расход 5 л/с, напор, развиваемый насосом (#= 60 м), достаточен для проведения промывки. Для защиты сетчатых барабанов от повреждения крупными плавающими предметами вдоль берегового колодца можно установить наплавную запань.
Пример 2. Определить размеры водозаборного сооружения на реке для оросительной насосной станции, оборудованной четырьмя осевыми насосами марки ОпВ2-87 с подачей 3 м3/с (см. рис. 5.6). Здание станции блочного типа (отметка оси насоса 48,00 м). Насосная станция относится к III категории надежности по подаче воды.
Исходные данные по водоисточнику (реке): отметка максимального уровня воды 54,00 м (5%-й обеспеченности); отметка УВ 50,00 м (90%-й обеспеченности); русло реки устойчивое с небольшими сезонными деформациями до 0,2 м; количество взвешенных наносов до 0,6 кг/м3; умеренный ледостав; минимальный расход воды в реке не менее 100 мус; минимальные скорости течения в межень 0,8 м/с. Русло реки одноярусное. Берег со стороны насосной станции крутой (уклоны 0,25…0,35), глубины воды у берега З…4м при минимальных уровнях воды; противоположный берег пологий. Грунты, слагающие берега и дно реки, — разнозернистые пески с достаточной несущей способностью для строительства насосной станции.
Порядок расчета. 1. Выбираем береговой тип водозаборного сооружения, совмещенный со зданием насосной станции, с одноярусным расположением водоприемных отверстий и порогом (см. рис. 5.6). Одноярусное расположение отверстий принято, так как условия для забора воды достаточно благоприятные, амплитуда колебаний уровней воды небольшая (ДЯ= 4 м), устройство же верхнего ряда отверстий значительно усложнит конструкцию водозабора, не увеличивая существенно надежность забора воды. Здание станции с водоприемником располагают у уреза воды при минимальном уровне. Стеснение живого сечения русла при таком расположении сооружения не превышает 10 %. Водоприемную часть сооружения разделяем быкаминачетыре камеры по числу насосов на станции.
2. Определяем площадь водоприемного отверстия по формуле
гле <2Н - расчетная подача насоса, м3/с, QH= 3 м3/с; Кр- коэффициент, учитывающий стеснение отверстий стержнями решетки, Кр= 1,15; v0Tfl принимаем 0,6 м.
Форма отверстия — прямоугольная, с шириной, равной ширине водоприемной камеры: ЬКйМ= /ос — 6б, где /ос — расстояние в осях между насосами ОпВ2-87, /ос = 4,2 м; Ь6— толщина быка, Ь6= 1,2 м; £, = 4,2 — 1,2 = 3 м. Высота отверстия Лотв = соотв/6кам = 7,2/3 = 2,4 м. Принимаем Аотв = 2,5 м. Отметка дна водоприемной камеры 46,5 м получена как разность отметки оси рабочего колеса (48,0 м) и высоты всасывающей трубы Лвслр= l,73Z)pK= = 1,73-0,87 = 1,5м, где DpK— диаметр рабочего колеса насоса, равный 0,87 м.
3. Оборудуем каждое водоприемное отверстие съемной сороудерживающей решеткой, выполненной из стержней — полосовой стали шириной 60 мм и толщиной 6 мм, шаг стержней 50 мм. Решетку устанавливаем вертикально в пазы глубиной
0,2 м и шириной 0,4 м. Сверху водоприемное отверстие ограничено забральной стенкой, заглубленной под минимальный уровень воды в реке на 1,1 м. Для очистки решеткой от сора используем решеткоочистную машину тельферного типа РТ с размером ковша 3 м, шаг грабель ковша 50 мм [10]. Для опускания ковша в быках перед сороудерживающей решеткой (на расстоянии 0,3 м) устраиваем пазы шириной 0,3 м и глубиной 0,15 м.
Машину навешиваем на козловой кран, обслуживающий водозаборное сооружение.
4. Предусматриваем на входе в каждую подводящую (всасывающую) трубу насоса плоский ремонтный затвор (колесный) размером 3 ■ 2 м. Затвор перемещается в пазах шириной 0,4 м и глубиной 0,3 м. Для подъема затвора предусмотрен козловой кран грузоподъемностью 5 т.
5. Проверяем заглубление входного отверстия всасывающей трубы по формуле
здесь bвх = 3Dрк = 3 *0,87 = 2,6 м (где Dрк — диаметр рабочего колеса насоса ОпВ2-87, Dрк= 0,87 м); hвх =1,5Dрк = 1,5 * 0,87 = 1,3 м.
Фактическое заглубление входного отверстия всасывающей трубы 1,5 м, что больше требуемого.6. Определяем длину водоприемника от оголовка быка до стенки здания станции
где /кам = h+ l2+ h+ U+l5 + k= 0,8 + 0,3 + 0,3 + 0,4 + 1,0 + 0,4 = 3,2 м, /, - длина оголовка быка, принимаем 1Х= ЬБ/2 + 0,2 = 0,6 + 0,2 = 0,6 м; U— ширина паза ковша РОМ, !2~ 0,3м; lj—расстояние между пазами ковша РОМ и решетки, /3 = О,Зм; /4 — ширина паза решетки, /4 = 0,4 м; /5 — расстояние между пазами решетки и ремонтного затвора, /5 =1 м; /6 — ширина паза ремонтного затвора, l6- 0,4 м; /7 — расстояние от паза затвора до рельса козлового крана, /7= 0,35 м; /8 — расстояние от рельса до стены здания, /g = 1,05 м.
7. Устраиваем порог высотой 0,8м для уменьшения поступления донных наносов в водоприемные отверстия. Требуемая минимальная глубина воды в реке
Для обеспечения этой глубины перед водоприемником делаем небольшую расчистку. Отметка дна реки перед порогом 45,7 м, отметка порога 46,5 м.
8. Принимаем отметку верха водоприемника 55,00 м, что на 1 м выше максимального уровня воды. Для защиты водоприемника от подмыва по его периметру предусматриваем шпунтовое ограждение на глубину 3 м, дно рекийокруг сооружения закрепляем каменной наброской.
Рыбозащитные устройства (РЗУ) для предупреждения попадания в водоприемные отверстия рыб в данном случае можно применить двух типов:
плавучую запань в сочетании с воздушно-пузырьковой завесой, которые отгораживают водозаборное сооружение от водотока и препятствуют попаданию рыб в сооружение (рис. 2.10);
сетчатые конусные однополосные рыбозаградители устанавливаем в каждой водоприемной камере с промывным устройством и рыбоотводом (см. рис. 2.7).
Первый вариант более простой, так как в этом случае нужно: изготовить плавучую запань — понтоны с вертикально закрепленными на них щитами, погруженными в воду на 1 м, установить два компрессора и уложить по дну реки вдоль водозаборного сооружения два воздуховода из стальных оцинкованных труб с просверленными в них отверстиями для выпуска воздуха (см. рис. 2.10). О.бщая протяженность воздушно-пузырьковой завесы составляет примерно 4 = 50 м; длина запани 40 м. Запань устанавливаем так, чтобы пузырьки воздуха достигли поверхности воды непосредственно перед вертикальным щитом запани с учетом поступательных скоростей течения к водоприемным отверстиям насосной станции и средних скоростей подъема пузырьков, равных 0,4…0,6 м/с. Запань располагаем на расстоянии не менее 3 м от водоприемника. Рекомендуем принимать: диаметр отверстия в воздуховоде для выпуска воздуха oq= 0,3…0,8 мм; начальную скорость выхода пузырьков воздуха щ = 2…4 м/с; шаг отверстий а = (20…40)^0; число рядов отверстий от 3 до 6. Расход воздуха через одно отверстие
= 0,62 ■ 3 ■ 0,785 ■ 0,00052 = 3,65 - 10″7 м3/с
где ц — коэффициент расхода, равный 0,6…0,64, принимаем ц = 0,62; ш0 — площадь л(/о/4, Jt/4 = O,7S5. Принимаем d0= 0,5мм, щ~ 3м/с.
Рис. 2.10. Схема комбинированного рыбоза-щитного устройства:
i —плавучая запань с рыбоотводящей забральной стенкой (вертикальные щиты); 2 — воздуховоды; ■3— компрессорная станция; 4— водозабор насосной станции
При четырехрядном расположении отверстий и шаге отверстий а = 30 dn= 15 мм = 0,015,м расход воздуха
Расход компрессора Qком= KзQвозд= 1,4 * 17,64 = 24,7 м3/ч, диаметр воздуховода
Для более равномерного выхода воздуха по длине трубы ее делаем составной: начальный участок D1= 50 мм (длина 16 м), второй участок D2 = 40мм (длина 16 м), последний участок ^ = 25 мм (длина 18 м). Воздуховоды укладываем на расстоянии 0,2 м один от другого. Давление компрессора ^комп должно быть достаточным, чтобы преодолеть давление столба воды в месте укладки воздуховода и потери напора в нем. При максимальной глубине воды h= = 9м/>комп = рg(h + hдл) = 0,9 + 0,3 = 1,2 кгс/см2 = 0,12 МПа (потери напора по длине воздуховода приняты hдл= 3 м). Принимаем два компрессора — рабочий и резервный. Компрессоры можно установить в отдельном помещении, а можно и в здании станции.
По второму варианту размещаем по одному горизонтальному сетчатому конусу в каждой из водоприемных камер между соро-удерживающей решеткой и ремонтным затвором (см. рис. 2.7). Конусы вращаются вокруг горизонтальной оси от специального привода. Площадь сетчатого полотна (с ячейкой 2 х 1. мм1 кпнчсл
где Qн— подача насоса ОпВ2-87, м3/с; Кс= 1,56; Кк= 1,1; vp — сносящая скорость для рыб длиной 15 мм, vp = 0,15 м/с.
Принимаем: диаметр большего основания конуса 2,9 м, меньшего основания —0,3 м; центральный угол конусности 30°. В этом случае длина конуса составит 4,9 м. Для размещения конуса с диаметром основания 2,9 м в водоприемной камере шириной 3 м ее ширину увеличивают до 3,2 м за счет уменьшения толщины быка с />б = 1,2 м до bQ= 1 м в месте установки конуса. Промываем конус от промывного устройства — неподвижной трубы с отверстиями диаметром 12 мм через 40 мм. Воду на промывку конуса подаем центробежным насосом с подачей 80 л/с и напором 30 м. Для отвода рыбы устраиваем рыбоотвод, снабженный водоструйным насосом. Расход рыбоотвода 100 л/с.
Для размещения конуса длиной 4,9 м увеличиваем длину водоприемной камеры на 7…8 м (без РЗУ длина камеры 4,6 м), что повышает стоимость и усложняет водозаборное сооружение. Для выбора оптимальной конструкции РЗУ выполняем техникоэкологическое сравнение рассмотренных вариантов.
