Русловые водозаборные сооружения

Водозаборные сооружения руслового типа устраивают при по­логих берегах и дне реки, когда требуемые для забора воды глуби­ны находятся на большом расстоянии от берега, или при наличии затапливаемой поймы. Компоновка этих сооружений может быть раздельной или совмещенной. Русловое раздельное водоза­борное сооружение состоит из водоприемного оголовка, распо­ложенного непосредственно в русле; водопроводящего сооруже­ния — самотечного или сифонного, соединяющего оголовок с береговым колодцем, из которого воду забирают насосы (см. рис. 5.9).
При русловой совмещенной компоновке водоприемный оголо­вок совмещен со зданием насосной станции, расположенным в рус­ле реки (см. [9], с. 267). В этом случае отсутствуют береговой коло­дец и самотечные водоводы. Для таких сооружений характерны вы­сокая стоимость строительства и сложность эксплуатации, поэтому такую компоновку применяют редко.
Русловые водоприемные оголовки могут быть затопленными, затопляемыми периодически и незатопляемыми.
Затопленные оголовки располагают ниже мини­мального уровня воды и нижней кромки ледяного покрова при ле­доставе. Эти оголовки, как правило, бывают двух типов: облегчен­ные — стальные, выполненные в виде раструба на входе в самотеч­ный водовод, которые применяют на реках с легкими природными условиями при отсутствии опасности повреждения льдом, топляка­ми, якорями судов; массивные — защищенные, выполненные из железобетона (рис. 2.4).
Для нормальной работы водозаборных сооружений затоплен­ным оголовкам желательно придавать обтекаемую форму.

Рис. 2.4. Схема защищенного водоприемного оголовка:
1 — железобетонный кожух, заполняемый гравием или бетоном; 2— самотечные водоводы; 3-сороудерживающие решетки; 4 — раструб; b^ и hon— ширина и высота водоприемногоотверстия; hn— высота порога

Водоприемные отверстия оголовков располагают так, чтобы в них не завлекались донные наносы, шуга, сор, рыба.
Отверстия у вытянутых в плане оголовков обычно устраива­ют на боковых поверхностях, их оборудуют сороудерживающи-ми решетками. Стержни решеток должны быть изготовлены из полосовой стали и установлены по нормали, а еще лучше под уг­лом 135° к направлению течения воды в реке, что облегчает смыв сора при прекращении забора воды и ускоряет процесс их очистки обратным током воды. Зазор в свету между стержнями 30…100 мм. Для предотвращения попадания донных наносов во входные отверстия затопленных оголовков устраивают порог высотой не менее 0,5 м. Отверстия рекомендуют делать на боко­вых поверхностях вытянутых в плане оголовков, это наиболее распространенный способ размещения водоприемных отверстий. При наличии в водоисточнике большого количества донных нано­сов водоприемные отверстия устраивают на верхней грани ого­ловка.
Площадь водоприемных отверстий определяют при одновре­менной работе всех секций водоприемника и насосов, кроме резер-вных, по формуле (2.2). Значение скорости входа воды в отверстие Для нормальных условий работы принимают в зависимости от осо­бенностей режима водотока, в частности от его мутности, шугонос-ности, требований рыбозащиты, доступности водоприемных отвер­гни, а также от забираемого расхода: без учета требований рыбозащиты для средних и тяжелых усло­вии забора воды рекомендуемые скорости входа для русловых затопленных оголовков 0,1…0,3 м/с, меньшие скорости принимают для водотоков с очень тяжелыми условиями;
при заборе воды из источников, имеющих рыбохозяйственное значение, допустимую скорость входа принимают по требованиям рыбоохраны в зависимости от типа применяемых рыбозагради-тельных устройств. Согласно этим требованиям скорость течения в отверстиях рыбозащитных сеток должна быть не более 0,25 м/с при скоростях течения реки больше 0,4 м/с и 0,1 м/с при меньших скоростях течения. На реках со скоростями течения более 0,4 м/с скорости входа могут быть увеличены до 0,4 м/с лишь для водо­приемных отверстий, размещаемых в береговых и плавучих соору­жениях;
при заборе воды затопленными оголовками из рек со скоростя­ми течения, в два — четыре раза и более превышающими скорость входа в отверстие, специальные рыбозаградительные устройства на водоприемных отверстиях можно не предусматривать. Обычно на реках в периоды ската рыбной молоди меженные скорости те­чения превышают 0,4 м/с, поэтому при заборе воды со скоростями входа около 0,1 м/с водоприемные отверстия затопленных оголов­ков могут быть оборудованы только сороудерживающими решет­ками.
Необходимая минимальная глубина реки в месте расположения полностью затопленного оголовка с водоприемными отверстиями при минимальном летнем уровне воды равна сумме высоты порога йп, высоты отверстия hотв, высоты sот верха отверстия до верха ого­ловка, которая зависит от конструкции оголовка и составляет 0,05.-0,3 м (при ледоставе высоту от верха оголовка до нижней кромки льда принимают не менее 0,2 м), высоты слоя воды h зат над верхом оголовка. Последнюю принимают не менее 0,3 м.
Конструкции затопленных оголовков разнообразны и применя­ют их главным образом для систем водоснабжения [ 17].
Затопляемые оголовки (рис. 2.5) по устройству ана­логичны затопленным. От последних отличаются тем, что при ми­нимальных уровнях воды верх затопляемых оголовков возвышается над водой. Это позволяет осматривать оголовки, очищать сороудерживающие решетки, заменять рыбозаградительные устройства. При этом надежность работы сооружений существенно не повышается, они труднее вписываются в русло реки, затрудняют ее исполь­зование для судоходства и лесосплава, изменяют гидравлический режим реки, поэтому их применяют довольно редко.

Незатопляем ые оголовки представляют собой же­лезобетонное сооружение в форме пустотелого мостового быка, возвышающееся над максимальным уровнем воды в реке (см. [9], с. 292). Оголовки этого типа по сравнению с затопленными и затопляемыми обеспечивают наибольшую надежность забора воды. Кроме того, они наиболее удобны в эксплуатации, но представляют собой массивные дорогостоящие сооружения. Этот тип сооружений может быть рекомендо­ван только при средней и боль­шой подаче насосной станции в трудных природных условиях, когда устройство берегового сооружения или невозможно, или экономически нецелесообразно. Внешние очертания сооружения и его расположение в русле должны обеспечивать благоприятные условия для обтека­ния потоком и защиты от ледохода. Водоприемные отверстия располагают на боковых поверхностях оголовков в два, а иногда и в три яруса. Это позво­ляет забирать воду наилучшего качества, что особенно важно для водоснабжения.

Рис. 2.5. Схема периодически затопляе­мого водоприемного оголовка:
1— шпунтовое ограждение; 2, 5— пазы для решеток и ремонтных затворов; 3 — оголовок; 4— самотечный водоводБолее подробные сведения о незатопляемых оголовках при­ведены в [9], [13].

Водоподводящие сооружения служат для транс­порта воды от водоприемных оголовков к береговым колодцам. Они могут быть самотечными (напорными и безнапорными) и си­фонными.
Самотечные напорные водоводы можно применять при любых расходах и любых колебаниях уровней воды в источнике. Форма поперечного сечения водоводов, как правило, бывает круглой и реже при небольших напорах прямоугольной. Для насосных стан­ций средней и большой подачи эти водоводы обычно выполняют из монолитного или сборного железобетона. Для станций малой пода­чи иногда применяют водоводы из стальных и асбестоцементных труб. Для станций большой и иногда средней подачи устраивают многоочковые подводящие водоводы, число отверстий которых мо­жет быть равно числу насосов или меньше его. Самотечные напор­ные водоводы можно укладывать горизонтально, с прямым или об­ратным уклоном. При этом они должны пропускать необходимый расход воды при любых режимах работы насосной станции и любых уровнях воды в реке. Выходное отверстие самотечного водовода (расположено в береговом колодце) должно быть заглублено под минимальный уровень воды в колодце на (4…5) Vвых / 2gПри этом уровни воды в колодце всегда ниже соответствующих уровней воды в реке на значение потерь напора в водоприемном оголовке и са­мотечных водоводах.

Самотечные безнапорные водоводы в мелиоративной практике встречаются крайне редко. Их допускается применять при расходах более 5 м3/с и небольших колебаниях уровней воды в источнике (ДЯ < 0,5 м). Форма сечения водовода может быть круглой, прямоу­гольной или овальной. Рекомендуемые материалы — сборный и монолитный железобетон. Самотечные безнапорные водоводы ук­ладывают с постоянным уклоном в сторону насосной станции. При любых режимах эксплуатации расстояние между возможным уров­нем воды и верхней точкой свода водовода должно быть не менее 0,2 м.
Сифонные подводящие водоводы применяют в водозаборных сооружениях II и III категории надежности подачи в том случае, если установка всех других водоводов неэкономична. Сифонные водово­ды проектируют стальными, диаметром до 1,4 м. Сифонные водо­воды укладывают с непрерывным подъемом от водоисточника к бе­реговому колодцу (уклон не менее 0,001).
Выходное отверстие сифона должно быть заглублено под уро­вень воды в береговом колодце. Вакуум в сифоне не должен превышать 50…60 кПа. Заряжают сифон при помощи вакуумной системы, подключенной к наиболее высокой точке сифонного водовода. В процессе работы сифонного водовода выделяющийся из воды воздух удаляют.
Диаметры любых водоводов рассчитывают по допустимым ско­ростям для условий нормального режима работы сооружения. Для самотечных водоводов допустимые скорости v = 1…1,5 м/с, а для сифонных водоводов их можно увеличивать до 2 м/с.
Скорости в самотечных водоводах проверяют:
на незаиляемость транспортируемыми по водоводам наносами по формуле А. С. Образовского
(2.3)

где р — мутность речной воды, кг/м3; w— средневзвешенная гидравлическая круп­ность наносов, м/с; С — коэффициент Шези, м°>5/с; g— ускорение свободного па­дения, м/с2; v — расчетная скорость течения воды в водоводе, м/с; D— диаметр во­довода, м;
на подвижность захватываемых в водовод влекомых наносов
(2.4)

где А — параметр, принимаемый равным 10; d— диаметр влекомых наносов, м.
При определении отметки оси насоса учитывают потери напора в самотечных водоводах. Если возможно биологическое обрастание водоводов, то их диаметры и потери напора в них рассчитывают при коэффициенте шероховатости 0,02…0,04.
Диаметр водовода, определенный из условия его незаиляемости, должен быть проверен на работу при неустановившемся режиме движения воды, возникающем при запуске насосов (с нуля), с уче­том инерции воды, находящейся в береговом колодце и самотечных или сифонных водоводах, а также во всасывающих трубопроводах. Неустановившееся движение воды со скоростью v в цилиндричес­ких трубах характеризуется уравнением

(2.5)

где Н— перепад уровней воды 8 реке и водоприемной камере, м; X— коэффициент гидравлического трения труб; /и D— длина и диаметр водовода, м; 2£ — сумма ко­эффициентов местных гидравлических сопротивлений.
Первый член правой части уравнения — перепад уровней при равномерном течении. Последний член — инерционный напор hhнеобходимый для преодоления инерции воды в самотечном или си­фонном водоводе. Например, для системы русловой оголовок — са­мотечный водовод (/= 150 м) — береговой колодец потери напора, а следовательно, и перепад уровней воды равен 0,5 м при равномер­ном движении воды со скоростью v = 1,2 м/с. Инерционный напор при продолжительности открытия задвижки у насоса 80 с и равно­мерном ускорении движения воды до момента полного открытия задвижки hi=(l/g)(dv/dt) = (150/9,81)0,2/80) = 0,23 м.
При увеличении длины самотечного или сифонного водовода инерционный напор повышается, становясь соизмеримым с перепа­дом уровней воды при равномерном движении воды. При этом мо­жет значительно понизиться уровень воды в береговом колодце и прорваться воздух в насос, что нарушит работу насоса. Это указывает на необходимость учета неустановившегося режима работы системы.
Опыт эксплуатации водозаборных сооружений с сифонными и самотечными водоводами, затопленными оголовками и сороудерживающими решетками на них показывает, что их необходимо про­мывать от наносов.
Промывка самотечных водоводов обратным или прямым током воды эффективна для относительно небольших диаметров. Само­течные водоводы большого диаметра иногда невозможно промыть указанными выше способами. На таких водоводах для наблюдений за их заиляемостью и очистки через 75…100 м устраивают смотро­вые колодцы. Осадок из труб удаляют, протаскивая через трубы спе­циальные устройства — совки и скребковые рыхлители.
Самотечные водоводы укладывают в траншеи с водоотливом или под воду. В зависимости от способа укладки самотечные водо­воды устраивают: при укладке в траншею с водоотливом — из же­лезобетонных, чугунных или асбестоцементных труб; при укладке Под воду — из стальных труб. Последние снаружи покрывают ан­тикоррозионной изоляцией и защищают деревянными рейками, а внутри в зависимости от химических свойств воды — цементным или другим покрытием, не снижающим пропускную способность. Для этих целей рекомендуют использовать некорродирующие по­лимерные материалы.
Самотечные водоводы укладывают в плане и в вертикальной плоскости без резких поворотов, вызывающих отложение наносов и затрудняющих их промывку. Верх трубы должен быть на 0,5..Л м ниже возможной отметки размыва дна. Водоводы укладывают на надежное основание, исключающее возможность просадки.
Береговой колодец руслового раздельного водоза­борного сооружения (см. [9]) по устройству аналогичен колодцу берегового водозаборного сооружения (см. раздел 2.2), однако имеет более сложное оборудование. Он может быть выполнен раздельно от здания, станции или совмещен с ним. Условия совмещения или разделения этих сооружений аналогичны береговым водозаборным сооружениям. По условиям надежности забора воды такой берего­вой колодец делят на приемное отделение, число секций которого должно быть равно числу самотечных водоводов; в другой части ко­лодца располагают водозаборные камеры, из которых воду забира­ют всасывающими или подводящими трубами насосов. Самотеч­ные или сифонные водоводы в колодце оснащают запорной арматурой. Колодец также оборудуют устройствами для промывки само­течных водоводов и сороудерживающих решеток затопленных оголовков, зарядки сифонов. Если воду подают в системы водо­снабжения, то в береговом колодце устанавливают также мелкие сетки — плоские или вращающиеся. Объем воды в каждой секции берегового колодца при минимальном уровне воды должен быть определен из условия запуска насоса и совместной работы самотечных водоводов. Этот объем должен быть не менее 30…35 секундных подач одного насоса.

Строительство и эксплуатация русловых раздельных водозаборных сооружений гораздо сложнее, чем береговых, а надежность забора воды меньше, так как русловой оголовок и решетки, расположенные в нем, труднодоступны для осмотра и очистки, са­мотечные водоводы могут заиляться. Поэтому сооружения этого типа применяют обычно для насосных станций малой и средней подачи.