Русловые сооружения для забора воды из водотоков с малыми глубинами

5.85. При расположении водозаборного участка на относительно малых глубинах в руслах водотоков прежде всего следует рассмотреть возможность устройства водоприемников с забором воды через горизонтальные или близкие к ним по расположению (потолочные) водоприемные отверстия.

5.86. В условиях достаточно устойчивых русел возможно искусственное углубление дна реки у места расположения водоприемника. Искусственное углубление следует предусматривать с учетом возможностей естественной промывки паводочными расходами и в объеме, достаточном для поддержания выемки в течение длительного периода отложения наносов.

5.87. При трассировке прорезей (подводных каналов) следует соблюдать следующие условия:

начало прорези следует намечать из условия привлечения в нее наибольшего расхода воды;

направление прорези должно способствовать развитию в потоке прорези поперечной циркуляции, благоприятствующей транзитному движению наносов;

прорези необходимо делать сквозными и возможно короткими с кривизной лишь в одном направлении и располагать под небольшим углом к направлению течения потока (не более 10-17°);

при определении направления прорези следует учитывать направленность потока в межень и паводки.

5.88. Для поддержания глубин в выемках и прорезях у водоприемников возможна установка специальных струенаправляющих устройств, создающих в речном потоке поперечную циркуляцию, способствующую транзитному продвижению наносов или отводу их в сторону. К таким устройствам относятся:

две донные расходящиеся направляющие (рис. 103). Ширина винтового течения на протяжении направляющих равна проекции последних на нормаль к движению потока;

Рис. 103. Защита водоприемников от заноса влекомыми наносами

1 - водоприемник; 2 - донные пороги; 3 - направление донных скоростей

при соотношении l /Н = 5 и угле между направлением течения и направляющих a = 13°30¢ винтовое движение устойчиво на большой длине за направляющими, а при меньшем соотношении оно разбивается на ряд более узких. Максимальная продольная донная скорость винтового движения находится на его оси и равна средней скорости по вертикали; максимальная поперечная скорость на дне на оси винта определяется по формуле

u_у.д.max = u_пр.ср tg j_max,                                                                           (210)

где u_пр.ср - средняя по сечению продольная скорость движения воды; j_max - максимальный угол между направлением донной скорости и потока, определяемых по графику (рис. 104), за направляющими происходит затухание поперечных скоростей по закону u_у = u_у.се^-сх, где u_у.с = 0,2 (l / H); u_пр.ср - начальная поперечная скорость у низового конца направляющих; с = 0,6-0,7 по опытам; х - текущая координата по направлению течения воды.

Рис. 104. Зависимость tg j_max f (l / H)

Для большей эффективности направляющие следует продолжать до середины водоприемника. Угол между донными направляющими принимают 2a = 36°, высоту направляющих над дном реки равной примерно 1/3 глубины воды при среднем многолетнем минимальном уровне;

плавучая поверхностная направляющая система, состоящая из ряда щитов-понтонов (рис. 105), соединенных сверху фермой в жесткую систему. Понтоны изготовляют из листовой стали толщиной 4 мм, усиленной в горизонтальной и вертикальной плоскостях каркасом из стальных элементов. Понтоны в плане имеют форму кругового сегмента со стрелой 0,76 м.

Рис. 105. Схема установки щитов М. В. Потапова у водоприемника (лабораторная модель)

Понтоны погружают на 1/3-1/4 глубины воды и регулируют, заполняя их балластом (чаще водой). Длину щитов принимают l _щ = (0,35-1) Н /sin a,

где Н - средняя глубина в пределах направляющей системы для периода среднего многолетнего паводка, a - угол между направляющей плоскостью щита и направлением течения потока, обычно принимаемый в пределах 16-22°.

Длина щита не должна быть меньше 1,2 Н, при большом значении l _щ щиты делают длиной l ¢_щ = 0,415 l _щ и устанавливают в два ряда с просветом между рядами не более 0,4 l _щ. Щиты низового ряда располагают под большим углом к направлению потока, а их верховой конец находится на линии, лежащей в плоскости направляющей поверхности верховых щитов. Расстояние между соседними щитами в ряду определяется из условия l ₁ < l _щ (sin a/sin b),

где b - угол, образуемый осью системы с направлением течения.

Направляющая система обычно собирается из звеньев по четыре щита, соединенных шарнирно.

Понтоны в плане имеют форму сегмента со стрелой не более 1/4-1/5 l _щ или l ¢_щ.

5.89. Для защиты затопленных водоприемников, вынесенных в русло в плесовую область, рекомендуется устраивать на них системы струенаправляющих открылков.

При установке струенаправляющих открылков на русловых водоприемниках следует руководствоваться следующим:

струенаправляющие открылки представляют собой трапецеидальные щиты, установленные по обеим сторонам водоприемника под углом 15° к горизонтальной плоскости. Удаление донных наносов от водоприемного фронта достигается появлением за щитами индуцированных скоростей, направленных у дна в сторону от боковой грани водоприемника;

при средних скоростях потока в русле 1 м/с наносозащитные щиты позволяют создать устойчивую промоину вдоль водоприемного фронта при прохождении песчаных гряд высотой до 1,5 м, удаляя наносы при этом в сторону от водоприемных окон на расстояние, большее, чем ширина щита;

конструкция и компоновка щитов на водоприемнике показана на рис. 106. При длине водоприемника до 12-15 м рекомендуется устанавливать только два передних щита, расположенных на расстоянии 3 м от лобовой грани водоприемника. Щиты устанавливают по обоим бортам даже в случае одностороннего водоотбора. При длине водоприемника от 15 до 30 м необходимо устанавливать вторую пару щитов, как показано на рисунке. Задняя кромка щита располагается на уровне нижней границы окон (0,5-0,8 м от дна);

Рис. 106. Конструктивная схема установки струенаправляющих щитов на водоприемнике

щиты выполняют съемными из дерева или металла. На стороне, прилегающей к борту водоприёмника крепят специальные пальцы, а на балках между окнами - петли, с помощью которых щиты навешивают на борта. Желательно, чтобы зазор между щитом и бортом водоприемника был минимально возможным. Этого можно достичь, установив по краю щита резиновое уплотнение. Для предотвращения срыва щитов пальцы необходимо законтрить шпильками;

с целью защиты от подмыва дно вокруг водоприемника на расстоянии не менее 2 м от его бортов должно быть закреплено щебнем крупностью не менее 100-150 мм.

5.90. В условиях рек с недостаточными глубинами и устойчивым руслом целесообразно применять затопляемые ковшовые водоприемники. При возможности стеснения русла шпорами рекомендуется применять самопромывающийся ковш.

Самопромывающиеся ковши

5.91. Самопромывающиеся ковши (СПК) на реках с малыми или недостаточными глубинами рекомендуется применять для поддержания у водоприемников глубин, которые необходимы для бесперебойного отбора воды в системы водоснабжения. При этом СПК выполняют все функции по защите водоприемников от наносных, шуголедовых и других помех. Такие водоприемники по строительным нормам разрешается считать обладающими первой степенью надежности забора воды.

5.92. Створ водозабора следует располагать на вогнутых прижимных, в крайнем.случае прямолинейных участках берега. На несудоходных реках СПК рекомендуется выдвигать в поток. В случаях когда сооружения СПК, по требованию водного транспорта, располагают за пределами минимального расчетного сечения потока, рекомендуется лабораторное моделирование.

5.93. При устройстве в составе водозабора СПК более детальному изучению подлежат:

режим колебания уровней воды в различное время;

режим прибрежных течений в русле выше створа в межень и паводки;

особенности перемещения в прибрежной зоне донных наносов, шуги и льда;

литологическое строение русла в пределах расположения всех сооружений СПК.

5.94. При выполнении сооружений в натуре следует считать недопустимыми разного рода недоделки, в том числе неубранные из русла части вспомогательных сооружений, скопление разного рода отвалов, сора и т. п.; при эксплуатации необходимо периодически очищать от зарастания кустарниковой растительностью подходы к головным сооружениям СПК.

5.95. Основные схемы СПК классифицируют по следующим признакам:

СПК, огражденные двумя разной высоты заливаемыми дамбами, выдвинутыми или вынесенными в русло, со стенкой-отражателем между ними и водоотбором в затопленные водоприемники (рис. 107, а);

Рис. 107. Основные элементы узла сооружений

а - русловой СПК; 1 - затопленный водоприемник; 2 - дамба ВО; 3 - низовая дамба; 4 - СПК; 5 - отражатель; б и в - СПК, огражденные выдвинутыми в русло короткими заливаемыми дамбами; б - одной, в - двумя

СПК, огражденные одной, выдвинутой в русло заливаемой дамбой, с отбором из ковша короткими открытыми каналами (рис. 107, б) или затопленными водоприемниками;

СПК, огражденные двумя разной высоты и длины заливаемыми дамбами, выдвинутыми в русло, с водоотбором из ковша в короткие открытые каналы (рис. 107, а);

водоприемные ковши или каналы, врезанные в берег, с развернутым вдоль русла уширенным самопромывающимся входом, у которого верховым ограждением является срезанный до уровней межени берег, а отражателем - откосный незатопляемый в паводки выступ низового борта ковша (рис. 108, а);

Рис. 108. Самопромывающиеся ковши

а - врезанный в берег, с самопромывающимся входом; 1 - наносонаправляющие; 2 - бортовые стенки;
б - устроенный в местном уширении русла с частичной срезкой берега на подходе; 1 - отражатель; 2 - струеформирующий карман

СПК, размещаемый в местном уширении русла у прижимного берега реки, который на подходе срезан до уровней межени и оформлен в виде постепенно уширяющейся бермы, выполняющей роль верхового ограждения; косые нисходящие, струеформирующий карман и отражатель с вертикальной гранью (рис. 108, б);

СПК, стенка ВО и отражатель которого выполнен из железобетонных стенок, а заглубленный наклонный, уширяющийся книзу пол струеформирующего кармана обеспечивает обтекание затопленного водоприемника с одно- или двухсторонним фильтрующим водоотбором (рис. 109, а);

Рис. 109. Самопромывающиеся ковши

а - с усовершенствованными струеформирующими сооружениями; 1 - затопленный водоприемник; 2 - ковш (мастное углубление); 3 - струеформирующий карман; 4 - верховая ограждающая дамба; 5 - отражатель; б - с индивидуальной конструктивно-компоновочной схемой

СПК с индивидуальными конструктивно-компоновочными схемами:

в нижних бьефах ГЭС и в верховьях водохранилищ;

на участках местного стеснения русел и выхода в берег и дно коренных пород (рис. 109, б).

Для всех типов СПК существуют три характерных гидравлических режима: межени, паводков, половодий.

5.96. К режиму межени следует условно относить режимы у СПК, при которых уровень воды устанавливается равным или меньшим уровня гребня стенки ВО (рис. 110, а). К режиму паводков следует условно относить все режимы, уровни воды которых равны или меньше уровня верха отражателя (рис. 110, б), а к режиму половодий - режимы, уровень воды при которых выше уровня верха отражателя.

Рис. 110. Структурные схемы двух основных режимов работы СПК

а - в межень; б - в паводок сеч. 1 - зона подпора; сеч. 2 - разделяющая зона; сеч. 3 - зона наибольшего сжатия

Влияние бокового стеснения потока, создаваемого выдвинутостью верхового ограждения СПК в меженное русло на величину d, распространяется с разной интенсивностью на ширину 3 d £ B £ 20 d.

5.97. В СПК следует применять преимущественно типовые затопленные водоприемники с вихревыми и открытыми камерами и развитой площадью водоприемных отверстий, перекрываемых различными объемными фильтрами.

5.98. Наносозащита при устройстве СПК решается в основном путем направления влекомых наносов в обход места приема воды стенкой или дамбой ВО. Ее наносозащитное действие по мере возрастания угрозы завала ковша наносами может последовательно усиливаться либо устройством второй, т. е. низовой дамбы, либо добавлением к ним отражателя, работающего в струеформирующем кармане (СФК).

5.99. Мероприятия по шугозащите места затопленного водоприема назначаются в зависимости от особенностей шуголедового режима реки на участке водозабора. Обеспечение условий для транзита шуги в обход водозабора является обязательным. На равнинных реках средней полосы европейской части Союза, которые протекают в песчаных руслах, под коврами шуги по всей глубине потока часто перемещаются облака утяжеленного песком внутриводного льда. В этих случаях высота верховых ограждающих дамб может приниматься меньшей, т. е. не исключающей транзита шуголедовых ковров через акваторию СПК, однако полностью преграждающей поступление в ковш облаков утяжеленной песком шуги.

5.100. СПК с вертикальными стенками рекомендуются для применения на реках средней полосы европейской части Союза, обладающих устойчивым руслом, сложенным рыхлыми породами. Эта конструкция лучше других приспосабливается к особенностям частных местных природных условий.

Конструктивно-компоновочная схема СПК для двух вариантов затопленных водоприемников с односторонним и двухсторонним водоотбором представлена на рис. 111.

Рис. 111. Рекомендуемые схемы СПК с вертикальными стенками

а - с двухсторонним водоприемом; б - с односторонним водоприемом; 1 - затопленный водоприемник; 2 - ковш заглубления; 3 - стенка верхового ограждения; 4 - отражатель; 5 - наклонное струенаправляющее дно; 6 - низовая стенка

СПК содержит следующие элементы:

стенки верхового ограждения (ВО) - для защиты местного углубления ковша от завала наносами и забивки его шугольдом и сором;

стенку отражателя - для отбора массы и кинетической энергии потока на промыв путем отражения набегающих струй ко дну;

наклонное дно СФК, направляющее отраженные струи к местному углублению у водоприемника, для исключения его завала донными наносами;

низовую струенаправляющую стенку, направляющую обратные струи водоворота, которые несут сор и наносы в обход места приема воды.

Перечисленные сооружения могут быть дополнены такими устройствами, улучшающими условия эксплуатации водозабора, как, например, песколовка перед стенкой ВО, выпуски напорных струй для улучшения гидравлических условий у водоприемных отверстий при рыбозащите и др.

5.101. Располагать вертикальные стенки СПК, устраиваемые у затопленного водоприемника, рекомендуется по рис. 112.

Рис. 112. Конструктивно-компоновочные схемы для разных величин водоотбора и постоянных значении углов атаки j = 35°; j₁ = 70°; j₂ = 35°; j₃ =15°;  -ширина кармана при разных значениях п, равных 2; 1, 74; 1, 5 соответственно;

а - для двухстороннего водоотбора; б - для одностороннего водоотбора

Для разбивки сооружений используется система разбивочных координат, представленная: продольной осью S, полюсом разбивки 0 и углами с осью j. Система разбивочных координат должна удовлетворять следующим условиям:

продольная ось системы S выбирается параллельной как направлению набегающего потока, так и геометрической оси местного углубления русла у водоприемника;

при двухстороннем водоотборе продольная ось S совмещается с геометрической осью ковша углубления и внешней линией водоприемника; при одностороннем водоотборе внешняя линия водоприемника удаляется от оси S на расстояние полуширины дна ковша углубления, а продольные оси разбивки S и середины дна прорези - совмещаются, как и в предыдущем случае;

разбивочный полюс 0 на продольной оси выбирается на пересечении с ней перпендикуляра, опущенного из верховой точки лобовой части водоприемника в любом из его вариантов.

5.102. Разбивка стенок струеформирующего (СФ) кармана выполняется в выбранной системе следующим образом:

из полюса 0 в сторону берега задается линия расположения верховой ограждающей грани так, чтобы угол между ней и продольной осью S был равен j = 35° в любом из его вариантов;

от полюса 0 по продольной оси навстречу набегающему потоку откладывается расстояние s = nb, где п - параметр, определяемый расчетом; b - ширина по дну ковша углубления; найденная точка соответствует точке излома внутренней грани стенки ВО, из этой точки задаются две линии:

в сторону берега под углом к продольной оси j₁ = 2j = 70°, определяющей положение верхового звена ограждения;

в сторону русла под углом j₂ = j = 35° с продольной осью, определяющей положение низового звена.

Точка излома отражающей грани отражателя в схеме с двухсторонним водоотбором отстоит от основного полюса на расстоянии

l = 0,87 b + 4,6 м.                                                                          (211)

Протяженность низового звена отражателя принимается равной 10 м, а угол поворота j₃ = 15°. Аналогичная точка в варианте с односторонним отбором определяется линией, проведенной из внешнего верхового угла водоприемника к продольной оси под углом 15°.

5.103. Ширина струеформирующего кармана b _к должна быть равна длине перпендикуляра, опущенного из точки излома верхового ограждения на линию отражателя, т. е.

b _к = nb sin j = 0,574 nb.                                                                  (212)

(При значении параметра n = 1/0,574 = 1,74, b _к = b; при значениях n = 1,5 и n = 2 значения b _к/ b = 0,88 и 1,15 соответственно).

Выражение (212) дает серию подобных контуров струеформирующего кармана разного размера в плане, еще не учитывающих требований высотной компоновки сооружений СПК.

5.104. Отметки верха отражателя и верхового ограждения должны назначаться с учетом местных природных особенностей створа СПК и принимаемого способа шугозащиты.

Если требуется, чтобы шуговые ковры обходили верховое ограждение транзитом, то отметка верха его назначается более высокой, однако не выше наибольшего уровня шугохода обеспеченностью 25 %

Ñ_вс £ D_ш25.                                                                             (213)

Если допускается осуществлять транзит шуговых ковров над водоприемником, то отметка верховой ограждающей стенки назначается меньшей, однако не ниже той, при которой толщина слоя воды до верха водоприемника составит величину не меньше 1,5 м.

Отметку верха отражателя Ñ_от в зависимости от местных потребностей самопромыва и особенностей кривой расходов воды рекомендуется назначать 1,25-3 м большей отметки гребня верховой стенки Ñ_вс, т. е.

Ñ_от -Ñ_вс = 1,25-3 м.                                                                   (214)

При этом меньшие разности следует принимать для СПК у водоприемников малой производительности до 2 м³/с. При производительности 6 м³/с разность принимается равной до 3 м.

5.105. Наклонное струенаправляющее дно является и дном струеформирующего кармана, ограниченного верховой ограждающей стенкой и отражателем. Образующие линии этого дна должны быть нормальными к поверхности верхового звена отражателя. Отметки низа дна СФК должны быть равны отметкам дна ковша, а отметки верха его Ñ_дн рекомендуется задавать на 1-1,5 м ниже отметок гребня Ñ_вс верхового ограждения, так что

Ñ_дк = Ñ_вс - (1 - 1,5)» Ñ_вс - 1,25.                                                               (215)

5.106. При выборе варианта компоновки сооружений в плане рекомендуется прежде всего установить величину коэффициента п, определяющего координату угла верхового ограждения, а также ширину струеформирующего кармана b _к.

Коэффициент п подбором приближенно определяется по формуле

,                                            (216)

где К _u - принимается в пределах 0,4-0,6; h _к - глубина в выходном сечении определяется по продольному профилю СФК с учетом выражения (215):

h _к = Ñ_вс - Ñ_дв.                                                                               (217)

Ñ_дв - отметка поверхности наклонного дна кармана в сечении у излома отражающей грани.

5.107. В конструкциях стенок СПК необходимо обеспечивать правильное исполнение отдельных деталей. В частности, по рис. 112, а:

на верховой (отражающей) грани отражателя должны быть исключены всякие горизонтальные ребра и полки типа направляющих для шпунта. Их наличие затруднит возникновение и работу нисходящих течений, а следовательно, и снизит эффективность работы самопромыва;

сопряжение верховой и отражающей стенок лучше всего осуществлять изломом верховой (на длине 2-3 м, считая по гребню) и присоединением ее по нормали к отражателю. К создаваемой таким образом вставке должно быть присоединено верхнее ребро наклонного струенаправляющего дна СФК;

за стенкой отражателя и по нормали к ней примерно на середине длины ее гребня, в виде контрфорса, должна быть отведена неглубоко заложенная стенка длиною 10-15 м с гребнем на уровне гребня отражателя; ее назначение-создание наносоотводящего в сторону берега порога и уменьшение засорений ковша углубления при переливах в периоды половодий;

в необходимых по особым условиям рыбозащиты случаях на низовом звене верховой ограждающей стенки могут устраиваться 1-2 уступа суммарной высотой до 1-1,5 м, которые должны быть ограничены только низовым звеном этой стенки;

на речном откосе местного углубления русла, располагаемого у линии минимального уреза воды в реке, не должны допускаться какие-либо отвалы грунта; следует считать более целесообразным понижение бровки этого подводного откоса и выравнивание поверхности дна русла на всем протяжении местного углубления дна у водоприемника;

низовая струенаправляющая стенка, устраиваемая у водоприемника с односторонним водоотбором, может примыкать к его низовому оголовку под углом j £ 45° и иметь Ñ гребня на 1-1,5 м, меньшую отметки гребня верхового ограждения;

низовая струенаправляющая стенка, устраиваемая у водоприемника с двухсторонним водоотбором, отводится от берега под углом j» 45° к обратным контурным токам водоворота и доводится до линии углубления дна в створе, расположенном на 10-12 м ниже низового оголовка водоприемника; отметка верха стенки назначается не менее чем на 2 м ниже отметки верха отражателя и не может превышать Ñ гребня стенки верхового ограждения.

5.108. Намеченную конструктивно-компоновочную схему СПК рекомендуется проверить модельными экспериментальными исследованиями с возможным уточнением этой схемы в зависимости от особенностей местной гидравлической структуры потока.