Защита плотинных водозаборов от наносов

7.19. Для разработки оптимальной системы управления наносами необходимо определить основные параметры влекомых фракций. Наиболее обоснованные характеристики могут быть получены в результате натурных изысканий. В случае отсутствия таковых фракционный состав пойменных и русловых отложений может быть определен по аналогам, справочным данным или по нижеследующим формулам.

7.20. На неселевых участках рек горно-предгорной зоны при i = 0,1-0,002 d _отл рассчитывается по формуле

,                                                           (234)

где i - средний продольный уклон по тальвегу русла; 1,6 - коэффициент расхода и неоднородности влекомых наносов.

7.21. Средневзвешенный диаметр пойменных отложений определяют по формуле

d _п = Kd _отл,                                                                              (235)

где К - коэффициент, зависящий от участка реки, для горных участков К» 0,5-0,7; для предгорных участков К» 0,3-0,5; для равнинных участков К» 0,1-0,3.

7.22. Средневзвешенный диаметр влекомых наносов ориентировочно рассчитывается по формуле

,                                                      (236)

где Q - бытовой расход воды; Q ₀ - расход, соответствующий началу движения влекомых наносов для горно-предгорной зоны, Q ₀ = (0,1-0,2) Q _p.

7.23. Максимальный диаметр влекомых наносов и русловых отложений определяют по формуле

d _max = K ₁ d _cp,                                                                           (237)

где K ₁ = 4,5 - для влекомых наносов и K ₁ = 3,2 - для русловых отложений применительно к горно-предгорной зоне рек.

7.24. Расход влекомых наносов для горно-предгорной зоны определяют с помощью графиков, представленных на рис. 140, 141, пределы применения которых соответствуют зависимостям B / H > 10 и H / d _отл £ 30. На графиках u¢ - средняя скорость, при которой прекращается движение влекомых наносов диаметром d _cp.

Рис. 140. График для определения расхода влекомых наносов применительно к условиям  и

Рис. 141. График для определения расхода влекомых наносов применительно к условиям  и при u¢₁ = 1; u¢₂ = 1,4; u¢₃ = 1,8; u¢₄ = 2,2; u¢₅ = 3 м/с

Для заданных d _cp, т, r_н, r_с в зависимости от Н определяется u¢ по формуле

,                                         (238)

где m - показатель, изменяющийся от 3,5 до 5,5 в зависимости от H / d _отл. При H / d _отл = 3 m = 3,5, а при H / d _отл = 30 m = 5,5. Промежуточные значения m определяются интерполяцией.

Затем, используя графики (см. рис. 140, 141), определяют значение и по нему подсчитывают . Найденное значение  следует разделить на величину ab. Полученный результат и есть искомое значение Q _н.

Коэффициент b для первой волны паводка равен 2, для второй - 1, для последующих - 0,4, для стабильных расходов - 1 и на спаде паводка - 0,4. Коэффициент a определяется по табл. 25.

Таблица 25

Р, %	20	15	10	5	1
a	0,06	0,07	0,10	0,12	0,15

7.25. Для условий В / Н > 10 и H / d _отл > 30 Q _н определяется с помощью графиков, представленных на рис. 142-145. По заданным d _cp и Н рис. 143 определяют u¢, затем исходя из u¢, u и Н по рис. 144, 145 определяют параметр Q _н/ K ¢ Q (d _cp/ H)^1/4, после чего для заданных Q, d _cp и H с учетом величины K ¢, определяемой по рис. 142, подсчитывают искомый расход наносов Q _н.

Рис. 142. Зависимость

Рис. 143. Зависимость  для условий  и

Рис. 144. Зависимость Q _н/ Q = f (u; H) для условий  и

1 - u¢ = 0,2; 2 - u¢ = 0,4; 3 - u¢ = 0,6; 4 - u¢ = 0,8 м/с

Рис. 145. Зависимость Q _н/ Q = f (u; H) для условий  и

1 - u¢ = 0,2; 2 - u¢ = 0,4; 3 - u¢ = 0,6; 4 - u¢ = 0,8 м/с

7.26. В условиях, когда В / Н < 10 и H / d _отл >1, а расход воды в реке превышает среднемноголетние максимальные, Q _н определяют по формуле

,                                           (239)

где К ₂ = 0,023 при d _cp > 0,001;

r - плотность наносов, кг/м³;

,                                                 (240)

где r_с - плотность смеси воды и наносов, кг/м³.

Ниже приведены методики расчетов конструкций, используемых для борьбы с наносами, применительно к условиям хозяйственно-питьевого водозабора.

7.27. Плановое очертание наносоперехватывающих галерей НПГ, а также их расположение относительно водоприемника и плотинных промывных отверстий приведены на рис. 135 и 139. Гидравлический расчет НПГ сводится к определению ее транспортирующей способности по пп. 7.19-7.26 и сопоставлению Q _нру с расходом влекомых наносов Q _р, транспортируемым потоком из верхнего бьефа к галерее.

Расчет ведется подбором до получения неравенства вида Q _нру > Q _р. Расход наносов, пропускаемых через галерею, определяют по формуле

,                                                     (241)

где Q _p - твердый сток реки, определяемый по пп. 7.24-7.26, кг/c; Q _в - расход водозабора, м³/с; Q - расход воды в реке, м³/с; К _н - коэффициент захвата наносов, при боковом подходе К _н = 1,5 ¸ 2, при фронтальном подходе К _н = 1; Q _пг - расход воды в напорной галерее

;                                                        (242)

;                                                     (243)

z_вх = 0,5; l _R = 0,003 + l/16 (2lg2 R / d + l,74)²,

d - средний расчетный диаметр донных наносов.

Скорости потока в НПГ назначаются в диапазоне 4-7 м/с и проверяют расчетом по формуле , м/с.

Высоту НПГ принимают в зависимости от глубины воды в верхнем бьефе h _нпг = (1/3 - 1/4) Н.

Расход воды в каждой галерее равен:

Q ¢_нпг = (0,2-0,25) Q _в.                                                                         (244)

Полученные расчетом ширину и высоту НПГ округляют до ближайшего значения, соответствующего стандарту.

Работа НПГ может быть запроектирована в безнапорном и полунапорном режимах движения. Для первого варианта пропускную способность галереи рассчитывают по формуле свободного истечения через водослив с широким порогом, а для второго варианта - по схеме истечения из-под щита. Далее рассчитывают гидравлические элементы галереи R, l _R, i по формулам:

;                                                                      (245)

,                                              (246)

где d - средневзвешенный диаметр влекомых наносов.

7.28. Длину промывного кармана определяют по формуле l _к = (1,3-1,5) В _в, где В _в - ширина водоприемника.

Ширина кармана – В _к = Q _к/u_к × h _к, где Q _к- расчетный расход кармана, м³/с. По длине кармана должна обеспечиваться скорость движения потока u_к, величина которой равна или больше скорости трогания максимальных фракций, отложившихся в верхнем бьефе наносов.

Промывную скорость u_пр, м/с, в кармане для мелкопесчаных наносов при w_г £ 0,003 м/с следует определять по формуле

,                                                                    (247)

где r - задаваемая мутность потока (2-20), кг/м³; w_г - средняя гидравлическая крупность, м/с.

Уклон в кармане, необходимый для промывки, определяют по формуле

.                                                                     (248)

Расход воды, обеспечивающий промыв отложений в кармане,

Q_пр = u_пр В _к h _к,                                                                                    (249)

где h _к - средняя глубина в кармане до начала промывки (с учетом величину отложений наносов на дне кармана).

Промыв кармана проводится периодически. Уровень воды в верхнем бьефе может быть постоянным, а водоподача к потребителю не прекращается и во время промывки.

Если график водоподачи потребителя позволяет периодическое отключение водозабора, промыв кармана осуществляется со снижением уровней в верхнем бьефе.

7.29. Компоновка водозаборного узла с применением криволинейного промывного кармана, выполненная по рис. 146, позволяет использовать образующуюся на изгибе потока поперечную циркуляцию потока для эффективного отделения наносов из воды и их сброса через галереи или траншеи в нижний бьеф.

Рис. 146. Водозабор с промывным карманом

1 - водозабор; 2 - гравиеловка; 3 - порог; 4 - водопроводящий тракт; 5 - промывник; 6 - сороудерживающие решетки; 7 - промывные отверстия; 8 - водосбросная плотина; 9 - карман

7.30. Габариты водоприемных отверстий бычкового водозабора (рис. 147) назначают в зависимости от величины входной скорости, пропускаемого расхода и от характеристик местных сопротивлений. Ширину отверстия можно определять по формуле

,                                                                         (250)

где u_вх - скорость на входе, м/с, u_вх = 0,2 ¸ 0,6 м/с; Н _вх - высота водоприемника, м; s - расстояние между стержнями решетки; t - толщина стержня решетки.

Рис. 147. Горный бычковый водозабор

1 - водоприемное отверстие; 2 - шандорный паз; 3 - паз затвора; 4 - паз затвора водоприемной галереи; 5 - водоприемная галерея; 6 - лоток; 7 - гравиеловка

В качестве коллектора могут быть использованы галереи или трубопроводы, поперечное сечение и уклоны которых должны обеспечивать транспорт наносов, поскольку их частичное попадание в водоприемник возможно на водотоках с обильными влекомыми наносами.

Коэффициент расхода водоприемника

,                                                                           (251)

где a - коэффициент кинетической энергии, определяемый по табл. 26.

Таблица 26

С	10	15	20	25	30	40	50	60	70	80
a	1,25	1,2	1,15	1,12	1,1	1,07	1,05	1,04	1,03	1,02

; Sz - суммарный коэффициент местных сопротивлений.

Потери напора, обусловленные входом потока в водоприемник

,                                                                        (252)

где Q _г, b _г, h _г - расход, ширина и высота галереи.

Требуемый уклон галереи определяют по формуле

.                                                                           (253)

7.31. Наносонаправляющие пороги как средство управления донными наносами используют в сочетании с водоприемником или в качестве автономной конструкции. Оптимальное его расположение в плане - 30-50° к направлению потока. Ориентировочно высота порога назначается равной (0,2-0,4) Н, где Н - глубина потока в месте установки порога. Усилению эффекта самопромыва порога и его наносонаправляющих свойств способствуют устройство порога переменной высоты и криволинейное плановое очертание.

7.32. Для низконапорных гидроузлов целесообразно применение разборчатых плотин с низким порогом и затворами, открываемыми в паводок, которые обеспечивают эффективный промыв отложений наносов в верхнем бьефе.

7.33. Пропуск шуги на плотинных гидроузлах осуществляется с помощью сдвоенных или клапанных затворов путем сработки верхних, заполненных шугой слоев воды. Количество затворов, оборудованных для пропуска шуги, определяют компоновкой гидроузла и расположением водоприемника водозабора.

7.34. Водоприемник должен ограждаться запанью, отклоняющей шугу к шугосбросным отверстиям. В зависимости от степени шугоносности реки над верхней кромкой окна водоприемника должна обеспечиваться глубина 0,6-1 м. Просвет между нижней кромкой льда и верхом водоприемных окон не должен быть менее 0,3 м.

7.35. Улучшение процесса пропуска шуги достигается комплексом эксплуатационных мероприятий (маневрирование затворами плотин, промывных пролетов, затворов НПГ и т. д.).