Гідравлічний розрахунок головної споруди

Гідравлічними розрахунками встановлюються основні розміри головної споруди, які гарантують забір заданої витрати і безпечні для магістрального каналу і прилеглої до споруди ділянки річки умови пропуску води при прийнятих конструкціях.

Розрахунком визначається ширина отвору головної споруди, перевіряється режим спряження б'єфів і встановлюються висотні розміри споруди.

Для виконання гідравлічних розрахунків необхідно мати:

а) графік природних глибин річки (або рівнів) для розрахункового року Н ₁ = f (t)за час роботи системи і криву зв'язку глибин і витрат Q = f (Н ₁);

б) графік глибин (або рівнів) магістрального каналу h = f (t)за час роботи системи та криву зв'язку глибин і витрат Q = f (h), що забираються;

в) відмітки дна і розміри поперечного перерізу річки біля місця відводу і каналу біля головної споруди;

г) кут відводу води в канал;

д) конструктивне оформлення головної споруди.

При визначенні ширини отвору головної споруди рівні річки доцільно приймати відповідними не побутовим витратам Q _1, а за вирахуванням з них витрати Q, що забирається, тобто не Н ₁,а Н ₂. Оскільки для річки відомі Н ₁ = f (t)і Q = f (Н ₁), а для каналу h = f (t) і Q = f (h),то, вирахувавши з Q ₁, витрату водозабору Q, можна знайти витрату Q ₂ і глибини Н ₂в створі річки біля нижнього краю водозливу. Після побудови графіка глибин (або рівнів) в річці Н ₂= f (t)за час роботи системи і накладання на нього за той же період часу графіка глибин магістрального каналу, приведеного до загального нуля з Н _2,отримують дані, які дозволяють визначити ширину головної споруди (рис. 11.3).

Ширина отвору головної споруди залежить від величини витрати, що забирається, і перевищення рівня води в річці над рівнем води в каналі. Якщо такого перевищення немає, то в даний період часу рівень води в річці при безгребельному водозаборі не дозволяє забирати потрібну витрату.

Для визначення ширини отвору попередньо вибираються з графіка критичні моменти водозабору (наприклад, точки 1, 2, 3) з малою різницею рівнів води Z ₁, Z ₂, Z ₃.Оскільки в моменти, що розглядаються, в канал забираються різні витрати, то невідомо, яка з них буде розрахункова. Тому ширина отвору визначається для всіх вибраних випадків і приймається найбільше значення. Значення ширини отвору в визначається за формулою витрати бокового затопленого водозливу з широким порогом

(11.1)

де δ - коефіцієнт, який враховує втрати напору на боковий відвід; ε - коефіцієнт бокового стиснення потоку; φ - коефіцієнт швидкості; h - глибина на порозі водозливу; Z ₀ - різниця рівнів з врахуванням швидкості підходу.

Отвори великих споруд ділять на прогони (не менше трьох). Крім того, прийнята ширина отвору повинна відповідати вимозі, згідно якої питомі витрати води в отворі головної споруди повинні бути в 1,5-2,0 рази менші витрат води в річці в створі споруду в період інтенсивного руху донних наносів [2].

Рис.11.3. Суміщені графіки рівнів води в річці і

магістральному каналі за період роботи системи

 

Тема 12. Гребельні водозабори

Бокові гребельні водозабори

В бокових водозаборах головна споруда розташовується, як правило, на березі річки поруч греблею або в кінці криволінійного каналу, що влаштовується в обхід греблі. Наноси вилучаються через прогони греблі, берегові донні промивники або пристрої в межах криволінійного підвідного каналу.

Бокові водозабори з фронтальним промивом наносів крізь отвори греблі (рис. 12.1). Найбільш прості за конструкцією бокові водозабори з глухим порогом, в яких для змиву наносів в нижній б'єф користуються найближчим до головної споруди отвором греблі (рис. 12.1 а).Вхідні пороги, які застосовуються для боротьби з донними наносами, майже не впливають на режим наносів. Верхній б'єф, а потім і вхідний поріг, швидко замулюються і у відвід починає надходити велика кількість донних наносів. Крім того, при промиві наносів через прогони в греблі відбувається змутнення води і частина донних наносів потрапляє в магістральний канал. Тому при промиві наносів, що відклалися перед водозабором, необхідно припиняти забір води в магістральний канал.

Для покращання роботи такого водозабору потрібно влаштувати на відмітці порогу горизонтальний поміст, за допомогою якого потік розділяється на поверхневу і донну течії (рис. 12.1 б), при цьому поверхневий шар відводиться у водоприймач, а донний шар води разом з наносами скидається в нижній б'єф. Однак, такий поріг недостатньо ефективний,тому що при обтіканні помосту відбувається відрив потоку, який супроводжується підвищенням рівня турбулентності, що призводить до зважування частини донних наносів і надходження їх в магістральний канал.

Для забору невеликих витрат використовують водозабір вертикальними решітчастими водоприймальними отворами, які розташовані в оголовках биків і стоянів (бичковий водозабір, рис. 12.1 в)

Рис. 12.1. Бокові водозабори з фронтальним промивом наносів:

1 – головна споруда; 2 – вихідний поріг; 3 – гребля; 4 – промивні отвори; 5 – канал; 6 – решітки; 7 – затвор водоводів; 8 – акведук; 9 – горизонтальний поміст

Бокові водозабори з боковим промивом наносів крізь берегові пристрої. Широко розповсюджена бокова водозабірна споруда з боковими донними або промивними галереями, розташованими під головною спорудою по всій її ширині (рис. 12.2 а). Принцип роботи такого водозабору грунтується на заборі верхніх освітлених шарів потоку і пропуску транзитом донних наносів крізь промивні галереї. Однак, такий тип водозабору не можна вважати цілком досконалим. При такій компоновці в промивні галереї надходить неоднакова кількість наносів.

Донні промивні галереї розраховують за формулою

, (12.1)

де μ – коефіцієнт витрати; в_г і h_г – відповідно ширина і висота галереї; Z ₀ – різниця рівнів води в б'єфах з врахуванням швидкості підходу.

Кількість галерей визначається розрахунком і коливається в межах від 2до 4. Поперечний переріз галереї рекомендується робити прямокутним з розміщенням її дна на рівні понура.

Рис. 12.2. Бокові водозабори з боковим промивом наносів:

1 – головна споруда; 2 – канал; 3 – донні галереї; 4 – гребля; 5 - вхідний поріг; 6 – аванкамера; 7 – поріг аванкамери; 8 – затвор водоприймача; 9 – затвор промивника; 10 – промивник

Боковий водозабір з гравієловкою (рис, 12.2 6) має прямолінійний вхідний поріг 5 і криволінійний поріг 7 в кінці гравієловки. Донні наноси, що затримуються перед вхідним порогом, періодично промиваються крізь отвори греблі, а наноси, які надходять в гравієловку, змиваються в промивник 10.

Боковий водозабір з промивною галереєю, в якій має місце гвинтовий рух води, (рис. 12.3) [2]. В порозі водоприймача, як правило, відкритого типу влаштовується галерея 2конусоподібної форми з щільовим отвором внизу для входу в неї нижніх шарів води, які вміщують найбільшу кількість наносів..

Рис.12.3. Боковий водозабір з промивною галереєю:1 – гребля; 2 – конусоподібна галерея з щільовим входом; 3 – затвор промивної галереї; 4 – водоприймач

12.2. Фронтальні гребельні водозабори

У водозаборах з фронтальним (лобовим) підходом води вона забирається з верхніх шарів річкового потоку, а нижні шари, насичені крупними зваженими і донними наносами, транзитом проходять по річці.

Фронтальні водозабори з фронтальним проминем донних наносів. Лотоковий водозабір (рис. 12.4 а) застосовується на передгірських ділянках річок для відводу порівняно невеликих витрат води. Такі водозабори, що базуються на використанні явища обтікання потоком перешкоди, працюють задовільно. Водозабір складається з водопідпірної греблі 1, що включає великі прогони, крізь які пропускаються повеневі витрати, і декількох двохярусних прогонів менших розмірів для забору води в систему. Верхні чисті шари води надходять в лотік 3 і далі крізь трубу магістральний канал 4. Дно лотока і труба виконуються з поздовжнім уклоном для створення необхідної швидкості, яка забезпечує транспортування донних наносів.

Рисунок12.4

Водозабір з карманом (рис. 12.4 б), який також має назву індійського,. Такі водозабори застосовувались переважно на передгірських ділянках річок при достатніх витратах води для промиву наносів.

Особливість роботи такого водозабору полягає в тому, що роздільна стінка, забезпечуючи фронтальний вхід води в карман, послаблює розшарування потоку перед ним, а при питомих витратах в річці, більших, ніж в кармані, наноси віджимаються від частини ширини входу в карман затягуються в прогони греблі. Недоліком такої схеми є недостатня очистка карману, замулення потоку при його промиванні і попадання наносів в канал, а також необхідність посиленого кріплення дна нижнього б'єфа за промивними отворами.

Двох'ярусний водозабір з криволінійними водовідвідними лотоками і донними промивними галереями (тип Ельсдена) влаштовується в річці поруч з греблею (рис. 12.4 в) і застосовується на рівнинних і передгірських ділянках річок. Принцип роботи водозабору базується на заборі верхніх чистих шарів води в лотік 3 і в магістральний канал, а донні струмини, що транспортують донні наноси, транзитом крізь промивні отвори 2 скидаються в нижній б'єф.

Фронтальні водозабори з боковим промивом донних наносів. Водозабір з штучним криволінійним підвідним руслом (рис. 12.5 а) (ферганський тип), розроблений для передгірських ділянок річок з великим відбором води.

Принцип роботи водозабору базується на створенні поперечної циркуляції потоку в криволінійному руслі, при якій чисті поверхневі шари води відхиляються до ввігнутого берега, де розташований водозабір, а донні струмини, які транспортують доні наноси, відхиляються до опуклого берега і крізь отвори в греблі скидаються з наносами в нижній б'єф.

Фронтальний водозабір із кісним розташуванням кривоінійної греблі в плані (рис. 12.5 б) Водозабір рекомендується влаштовувати на вузьких ділянках річок перед початком широкої заплави. При такому розташуванні греблі по відношенню до водоприймача протікає крізь неї як в боковому відводі і, внаслідок цього, у верхньому б'єфі утворюється циркуляційний потік, який затягує донні наноси до скидних отворів греблі. Для захисту водоприймача від донних наносів влаштовується криволінійний поріг 5 висотою 1,5 м. На протилежний берег вода транспортується за допомогою дюкера 6, влаштованого в тілі греблі. Вода в дюкер надходить крізь крайній правий прогін водоприймача 2.

Рис.12.5. Фронтальні водозабори з боковим промивом наносів:

1 – гребля; 2 – головна споруда; 3 – канал; 4 – Г-подібний криволінійний поріг; 5 – звичайний глухий криволінійний поріг; 6 - дюкер; 7 – струмененапрямна дамба; 8 – водобійний колодязь

 

Фронтальний водозабір з бічними наносоперехоплюючими галереями системи професора М. Ф. Данелія призначений як для двостороннього, так і для одностороннього забору води з річок, які несуть велику кількість донних наносів (рис. 12.6) [2]. При двосторонньому заборі вода подається на один берег відкритим каналом, а на другий - за допомогою дюкера 14, розміщеного в тілі греблі 1. У відвідних каналах влаштовані криволінійні в плані пороги 8 заввишки 1 м, які направляють наноси до промивних отворів 6.

Принцип роботи водозабору полягає в наступному. При закритих промивних отворах греблі 5 виникає зворотній рух донних шарів потоку, які зустрічаючись з донною течією, що переміщує донні наноси, призупиняють їх пересування біля вхідних отворів промивних галерей 11. На межі зустрічних потоків виникає потужний гвинтовий рух, спрямований до отворів промивних галерей, який затягує донні наноси в галереї і в нижній б'єф річки.

Рисунок 12.6

Рис.12.6. Фронтальний двосторонній водозабір з наносоперехоплюючими галереями: 1 – водозливна гребля; 2 – наносоперехоплюючі галереї; 3 – оглядові колодязі галереї; 4 – щити біля виходу з галерей; 5 – здвоєні щити промивних отворів карману; 6 – щити промивника; 7 – щити магістральних каналів; 8 – криволінійні пороги; 9 – щити водоприймача; 10 – зйомці решітки; 11 – щити вхідних отворів галерей; 12 - струмененапрямна стінка; 13 – розподільна стінка; 14 – водопровідні дюкери

 

Компоновка і визначення основних розмірів споруди виконується за за рекомендаціями професора М. Ф. Данелія. Ширина кармана В_кар визначається в залежності від сумарної ширини водоприймальних отворів В_пр і В_лів

(12.2)

Крім того, ширина карману перевіряється по співвідношенню В_кар * q_кар ≤ В_кар * q_річки проходження повеневих витрат річки. Середня швидкість в кармані дорівнює V_кар (0,8 0,9) V_річки. Витрата води в кармані визначається як сума витрат водозабору і промивних галерей:

Глибина потоку у верхній частині карману до промивних галерей визначається за формулою

(12.3)

Глибина, що дорівнює Н — h, зменшується за рахунок донних наносів, які потрапили в канал (H - глибина потоку перед промивними щитами кармаyу при НПР).

Швидкість течії у водоприймачі приймається такою ж як і швидкість в кармані або трохи меншою - від 1,5 до 2,0 м/с. Кількість галерей не менше двох, висота галереї h_г = (0,15 - 0,50) Н.

Такни тип водозабору застосовується як на передгірських, так і на рівнинних ділянках річок, витрата води - від 10 до 200 м³/с при глибині потоку Н = 2,5...8,0 м.

Водозабір з карманом - відстійником (рис. 10.13) системи професора В. А. Шаумяна [2]. Особливість такого водозабору полягає в тому, що перед входом в карман – відстійник є промивна галерея 2, яка безперервно перехоплює донні наноси і скидає їх в нижній б'єф завдяки гвинтовому руху води.

 

Рис. 12.7. Водозабір з карманом – відстійником:

1 – гребля; 2 – головний наскрізний донний лотік або галерея; 3 - роздільні стінки; 4 – камери кармана – відстійника; 5 – донні галереї для перехоплення і скидання наносів; 6 – головний регулятор; 7 – канал; 8 – промивний отвір; 9 – щити донних галерей

 

 

Карман розділений на три камери, які мають донні галереї, розташовані в середині і в кінці камер. Це дозволяє по черзі переключати камери відстійника то на подачу води в магістральний канал, то на промив наносів в нижній б'єф греблі. в третій камері передбачений промивний отвір 8 як для промивки, так і для пропуску частини витрат.

Тема 13. Гірські водозабори

Донні решітчасті водозабори

Водозабори з донною решітчастою галереєю застосовуються при використанні стоку високогірських і гірських ділянок річок. Забір води на таких ділянках пов'язаний з великими ускладненнями, обумовленими особливостями гідрологічного режиму. До цих особливостей відносяться: а) різкі коливання рівнів і витрат води протягом року, які викликані частими нетривалими наводками; б) великі швидкості течії, які нерідко перевищують 3...4 м/с; в) насиченість потоку в періоди повеней великою кількістю завислих і донних наносів;.

Вказаним особливостям гідрологічного режиму річок найбільш повно відповідає водозабірний вузол, зображений на рис. 13.1. Вода, яка надходить у водозабірну частину греблі, забирається повністю або частково крізь решітку в донну галерею 2. З галереї вода надходить в камеру 3, обладнану для змиву наносів, що осіли, щитовими отворами 4 та 5, і далі крізь водоприймач 7 транспортується в канал.

В залежності від відношення природної ширини річки В_річки до розрахункової ширини В_розр, необхідної для пропуску максимальної витрати річки, існують три схеми компоновки водозабірного вузла.

Перша схема застосовується у випадку вузьких ділянок річок, що не розмиваються, коли ширина річки В_річки дорівнює ширині водозабірної частини В_в і розрахунковій ширині В_розр, тобто В_річки = В_розр = В_в.

Друга схема застосовується при більш широких руслах, коли В_річки = В_розр = В_в + В_с, тобто гребля складається з водозабірної частини шириною В_в і скидної В_с, повеневі витрати пропускаються крізь обидві частини греблі.

Третя схема доцільна при широкій заплаві, коли В_річки > В_розр = В_в + В_с. Гребля в цьому випадку складається з трьох частин. Ширина водозабірної і скидної частин греблі встановлюється з врахуванням пропуску розрахункової повені, а решта ширини заплави перекривається глухою земляною греблею.

Решітка водозабірної галереї виготовляється, як правило, у вигляді окремих секцій з металевих стержнів різної форми завдовжки 1...2 м, які мають уклон 0,1-0,2 у напрямку течії. Ширина просвітку між стержнями решітки має бути від 6 до 12 мм.

Основні недоліки донних решітчастих водозаборів такого типу:

а) захоплення а галереях 90-97% загальної кількості наносів розмірами меншими за просвіт в донних решітках;

б) засмічення і обмерзання решітки;

в) занесення наносами початкової ділянки донної галереї;

г) відкладання наносів у нижньому б'єфі при заборі значної частини витрати річки.

Донний решітчастий водозабір з щитовими отворами на водозливному фронті (рис. 13.2). В схемах водозабору, що пропонуються, використовують, два способи боротьби з наносами [3]:

а) створення у верхньому б'єфі поперечної циркуляції, при якій основна маса тягнених наносів буде скидатися в нижній б'єф крізь скидну щитову частину греблі, обминаючи решітчасту водозабірну галерею;

б) уловлювання до водозабірної галереї значної частини донних наносів за допомогою наносоперехоплюючої галереї.

Поперечна циркуляція створюється за рахунок перерозподілу витрати річки по ширині русла шляхом повної або часткової заміни водозливної греблі 3 щитовими отворами 2 з пониженим порогом. При цьому ширина щитового отвору повинна бути такою, щоб зона захоплення донних струмин при середньоповеневій витраті була не меншою, ніж водозабірна частина споруди.

Якщо довжина водозливної частини греблі 3 значно більша за довжину водозабірної частини 5, то необхідно відділити водозливну частину греблі від щитової за допомогою роздільної стінки 4, довжина якої дорівнює десятикратній глибині потоку в підвідному руслі.

Для відхилення донних наносів в напрямку щитової греблі влаштовується криволінійний поріг 7. Діаметр трубчастих пульпопроводів призначається в межах (3-5)S, де S - просвіт решітки наносоперехоплюючої галереї. Відстань між трубами назначається рівною (1,6-2,0) h_тр, де h_тр - висота траншеї, яка приймається в межах 0,6...0,8 м.

Дрібні наноси, що надходять із водозабірної галереї 5 в аванкамеру 9, вилучаються крізь конусоподібну галерею 13 в нижній б'єф.

Взимку вода в систему забирається через зимовий регулятор, отвори якого перекриваються решіткою 8 з горизонтальними стержнями. Побудовані за такою схемою водозабори в Казахстані працюють задовільно.

 

Рис.13.1. Донний решітчастий водозабір з промивною камерою:

1 – водозливна або щитова гребля; 2 – донна галерея, перекрита решіткою; 3 – промивна камера; 4,5 – нижній і верхній затвори промивної камери; 6 – шугоскид; 7 – водоприймач; 8 – канал

Донний решітчастий водозабір суміщеного типу [14]. Водозабір (рис. 13.13) складається з водозливної греблі 1, в тілі якої розміщені: водозабір з донною решіткою 2, гідравлічний сепаратор 5, промивна галерея 6 і водозабірна галерея 3. Сходжувальна швидкість при надходженні води в галерею назначається з таким розрахунком, щоб в галерею не потрапляли, небажані фракції наносів. Для цього рекомендується розрахункову середню величину швидкості сходжувального потоку V_розр визначити з умови V_розр = 0,9 ω_розр, де ω_розр — гідравлічна крупність, розрахункової фракції наносів.

Рис. 13.2. Донний решітчастий водозабір з щитовим отвором і наносоперехоплюючою траншеєю: 1 – трубчасті пульповоди; 2 – щитові отвори; 3 – водозливна частина греблі; 4 – роздільна стінка; 5 – водозабірна галерея; 6 - нанососперехоплююча галерея; 7 – криволінійний донний поріг; 8 – решітка зимового регулятора; 9 – аванкамера; 10 – затвор вихідного отвору водозабірної галереї; 11 – водозлив; 12 – затвор головного регулятора; 13 – промивна галерея

Водозабори такого типу, побудовані в Азербайджані на річках Вель-Величай і Куднал – Чай, працюють задовільно.

Крім розглянутих типів водозаборів є пошарове-решітчастий водозабір, принцип роботи базується на використанні закону обтікання перешкоди потоком і обходу її донними наносами, а також донний решітчастий водозабір з розташуванням галереї на підвищених відмітках [6, 8].

Рис.13.3. Донний решітчастий водозабір суміщеного типу:

1 – водозливна гребля; 2 – донна решітка на гребені греблі; 3 - водозабірна галерея; 4 – решітка водозабірної галереї; 5 – сепаратор; 6 – промивна галерея; 7 – водозливна частина греблі; 8 – додатковий підвід води на початок промивної галереї