Основные типы водозаборов из поверхностных источников

1.2. Основные типы водозаборов из поверхностных источников

1.2.1. Основные принципы применения водозаборов

Эффективность работы водоприемных отверстий, оборудованных сороудерживающими решетками, фильтрующими кассетами или рыбозащитными сетками, зависит от скорости втекания воды в них, их расположения относительно направления течения и поверхности уровня воды в водоисточнике, а также от наличия у отверстии козырьков, порогов, ребер и других элементов.

Наибольшее распространение получили водоприемники, водоприемные отверстия которых расположены вертикально. Применяют также водоприемники с наклонно и горизонтально расположенными отверстиями с поступлением воды сверху вниз и в обратном направлении.

В условиях мелководных зон водоемов при заборе через горизонтально расположенные отверстия с поступлением воды сверху вниз бывает трудно избавляться от появления воронок и вихрей, захвата переохлажденных в предледоставные периоды или нагретых и засоренных планктоном поверхностных слоев воды. Забор воды в вертикально расположенные отверстия, в особенности снабженные горизонтальными козырьками, лишен этих недостатков и наиболее удобен для селективного водоотбора, не нарушающего температурную стратификацию воды.

Горизонтально расположенные отверстия с поступлением воды снизу вверх усиливают забор воды из придонных слоев и создают наилучшие условия для удаления засорений с решеток.

Для вертикально расположенных водоприемных отверстий необходимо различать схемы бокового, низового (против направления течения речного потока), лобового (по направлению течения речного потока) и промежуточную схему забора воды, характеризующуюся углом отвода j; эти схемы следует рассматривать для промываемого и непромываемого порогов водоприемных отверстий.

Горизонтально расположенные в речном потоке отверстия могут быть приподнятыми над дном с поступлением воды или сверху вниз, или снизу вверх и донными, т. е. с поступлением воды только сверху вниз.

Отверстия для приема воды находятся в разных частях толщи набегающего потока. Различно ориентированные отверстия по-разному засоряются плавающим в воде сором, поверхностной и глубинной шугой и донными наносами. Это важное обстоятельство требует учета при проектировании водоприемников.

Рекомендуемые материалы

При лобовом заборе воды в водоприемники обычно водоприемные отверстия забиваются сором и глубинной шугой, а при низовом заборе с непромываемым порогом - донными наносами.

Низовой отбор с промываемым порогом оказывается наиболее эффективным, так как обеспечивает наилучшие условия для транзита по руслу шуги и наносов.

Донный забор воды, который применяют при очень малых глубинах потока, всегда оказывается вынужденным.

Наиболее распространен боковой прием воды, при котором могут быть созданы благоприятные условия для ее забора. Для обеспечения хорошего обтекания водоприемника необходимо очерчивать его лобовую грань по эллипсу с соотношением полуосей 1:(1,5-2) или выполнять ее полигональной, вписывая отдельные прямые части в тот же эллипс.

В схеме бокового забора на равномерность втекания воды в отверстие большое влияние оказывает конструкция сороудерживающей решетки. Втекание воды в отверстия оказывается весьма неравномерным в случаях установки в них решеток с круглыми вертикальными стержнями и горизонтальными стержнями любой формы. Если вертикальные стержни решетки выполнены из полос, а ширина стержней не меньше просвета между ними, решетка становится своеобразным струенаправляющим аппаратом, который создает по всей ширине водоприемного отверстия вполне равномерное втекание воды.

1.2.2. Основные типы или схемы водозаборов из поверхностных источников

Как отмечено выше, основными типами или схемами водозаборов являются:

- береговая насосная станция с береговым водоприемником (рис. 1.1)  или русловым водоприемником, вынесенными в водоисточник (криб) с самотечными (рис. 1.2)  или сифонными водоводами (рис. 1.3);

 - инфильтрационные (1.4),

 - фильтрующие,

 - с водопремным ковшом (ковшовые),

 - с открытым или огражденным подводящим каналом,

 - комбинированные и др.

В практике проектирования, строительства и эксплуатации водозаборов получили преимущество затопленные водоприемники. Одним из недостатков этих водоприемников является недоступность их обслуживания при возможной аварийной ситуации в период шуголедовых явлений в водоисточнике, засорения водоприемных отверстий и аккумуляции наносов в месте их расположения.

Верх водоприемника размещается на отметке не менее 0,2 м ниже минимальной отметки нижней поверхности льда. В случаях размещения водоприемника в пределах судового хода его конструктивная схема согласуется с судовой инспекцией.

Водоприемники с вихревой камерой, щелевые, раструбные позволяют обеспечить равномерность скоростей или удельных расходов по всей длине водоприемного фронта, резко улучшать условия селективного водоотбора, а в ряде случаев и обратную промывку сороудерживающих решеток и фильтрующих элементов.

1.2.3. Водоприемники с вихревыми камерами

В последние годы в практике проектирования разработаны типовые проекты водоприемников с вихревыми камерами и производительностью до 5 м³/c в нескольких вариантах исполнения.

Основным элементом упомянутых водоприемников является вихревая камера с переменным расходом вдоль пути, с переменным или постоянным поперечным сечением и соответственно с постоянной или переменной высотой щели.

Выбор конструктивной схемы водоприемника с вихревой камерой определяется местными условиями избранного или заданного участка водотока или водоема и его производительностью.

Железобетонные водоприемники с односторонним боковым приемом воды (рис. 1.5, а) и с двухсторонним боковым приемом воды (рис. 1.5, б) при достаточных глубинах размещаются в пределах берегозащитных покрытий или на открытой акватории водоисточника, а также в водоприемных ковшах.

1.2.4. Щелевые водоприемники

В практике проектирования, строительства и эксплуатации водозаборов тепловых и атомных электростанций (ТЭС и АЭС) широко используют щелевые водоприемники.

Щелевой водоприемник - самотечный, сифонный или всасывающий водовод, на начальном участке которого устраиваются щели. Водоприемники обычно имеют круглое или прямоугольное поперечное сечение. Они изготовляются из металла, железобетона.

В практике проектирования используют преимущественно две конструктивные схемы щелевых водоприемников:

постоянного сечения с переменной высотой щели по длине (рис. 1.6, а) и

переменного сечения по длине с постоянной высотой щели (рис. 1.6, б).

Иногда используют также водоприемники постоянного сечения по длине с постоянной высотой щели рис. (1.6, в).

Первые две схемы водоприемников позволяют обеспечить постоянство заданных или расчетных удельных расходов забираемой воды по длине водоприемного фронта.

Постоянство скоростей забираемой воды на подходе к водоприемнику обеспечивается установкой над щелью козырьков (рис. 1.7).

В зависимости от конструктивной схемы водозабора, местных условий водоема и требований, предъявляемых к воде, водоприемники устраивают с одной, двумя или тремя щелями соответственно с односторонним, двухсторонним и трехсторонним приемом воды.

1.2.5. Водоприемники веерного, раструбного и бункерного типов

В практике проектирования, строительства и эксплуатации водозаборов используются также водоприемники веерного (рис. 1.8, а), раструбного (рис. 1.8, б) и бункерного (рис. 1.8, в) типов.

Эти типы водоприемников обеспечивают равномерность скоростей отбора воды по водоприемному фронту.

1.2.6. Фильтрующие водоприемники

В водотоках и водоемах рыбохозяйствениого значения при сложных ледовых и шуголедовых условиях и их засоренности целесообразно использовать фильтрующие водоприемники. В практике проектирования, строительства и эксплуатации водозаборов используют пять основных типов фильтрующих водоприемников.

Первый тип фильтрующего водоприемника - с горизонтально расположенным фильтром и входом воды сверху вниз (рис. 1.9, а). Этот тип водоприемника используется преимущественно на реках Севера и Сибири в сложных шуголедовых условиях при малых глубинах воды под мощным ледяным покровом.

Второй тип - то же, с горизонтальным фильтром с приемом воды снизу вверх (рис. 1.9, б). Он может использоваться как на водотоках, так и на водоемах с достаточными глубинами воды в условиях ее повышенной засоренности взвешенными наносами, водной растительностью и сором.

Третий тип - с фильтром, расположенном в вертикальной плоскости с входом воды по горизонтали (рис 1.9, в). Он может использоваться при достаточных глубинах воды.

Четвертый тип - с дреной или системой дрен, уложенных на постель и покрытых фильтрующим материалом (рис. 1.10, 1). Этот тип водоприемника может использоваться в водоемах за пределами прибойной зоны при незначительной миграции наносов.

Пятый тип - подводящий канал, огражденный фильтрующими дамбами. Может использоваться на водоемах при незначительной вдольбереговой миграции наносов (рис. 1.10, 2).

Фильтрующие водоприемники трех первых типов состоят из следующих основных элементов: несущего корпуса водоприемника, водоприемного фильтра с поддерживающими его решетками и водосборного коллектора.

Корпус водоприемника должен иметь хорошо обтекаемую потоком форму, исключающую образование отрывов потока у поверхности фильтра.

Водосборный коллектор во всех типах фильтрующих водоприемников должен обеспечивать постоянство удельных расходов воды по его длине или скоростей воды на входе в фильтр. Для обеспечения этого условия используют деревянные или железобетонные галереи, металлические водоводы с постоянным или переменным сечением по длине, со щелями или отверстиями в стенах.

Фильтры для водоприемников первого типа выполняют из двух-трех и более слоев заполнителя разной крупности. Толщину трехслойного фильтра обычно принимают 0,6-0,75 м, с отдельными слоями 0,2-0,3 м. Фильтр поддерживается снизу стержневой решеткой.

Фильтр для водоприемников второго и третьего типов однослойный. В зависимости от крупности заполнителя толщину фильтра принимают 6-10-кратной величины наиболее крупной фракции фильтра. Фильтр второго типа поддерживается боковыми решетками. Фильтр может выполняться и в виде кассет из деревянных брусков и реек, пористого бетона, пороэласта или контейнеров, заполненных однородным щебнем, гравием, керамзитом, пластмассовыми или резиновыми шарами и др.

Фильтр для водоприемников четвертого и пятого типов выполняется как однослойным, так и в два-три слоя. Параметры фильтра определяются конструктивной схемой водоприемника и местными условиями водоема. Поверхностный слой фильтра должен противостоять волновой нагрузке.

В фильтрующих водоприемниках, размещаемых в шугоносных водоисточниках, скорость фильтрации на входе не должна превышать 0,05 м/с. При такой скорости практически не наблюдается остаточной кольматации каменно-набросной загрузки фильтра.

При крупности загрузки фильтра d £ 80 мм практически весь органический взвешенный сор задерживается на поверхности фильтра. При крупности загрузки более 80 мм соро- и шугозадерживающая способность фильтра снижается. Чем крупнее загрузка фильтра, тем глубже проникают в него сор и шуга.

Засорение фильтра зависит и от скорости потока на его поверхности. Оно редко снижается при скоростях течения, более чем в пять раз превышающих скорости втекания в фильтр, и значительно увеличивается при подходе потока по нормали к его поверхности.

Только импульсная промывка, создающая волновое давление, обеспечивает равномерное воздействие потока на фильтр. При незначительных скоростях обтекания фильтра потоком необходимо увеличивать расход промывной воды.

В условиях водоемов эффективную промывку фильтра можно обеспечить только при наличии волнения. В условиях водоемов вследствие вертикальной асимметрии профиля волн и соответственно орбитальных скоростей горизонтально и наклонно расположенные поверхности фильтров при верхнем приеме воды обычно декольматируются волновым потоком.

В тяжелых шуголедовых условиях используют подвод теплой воды к фильтрующей поверхности и электрообогрев металлических стержней, удерживающих фильтр, т. к. на них обычно начинается обледенение.

Одним из сдерживающих факторов широкого использования фильтрующих водоприемников на водоемах является возможность обрастания водоводов и фильтров ракушкой. Между тем, как свидетельствует опыт эксплуатации водозаборов, обрастания самотечных водоводов и дрен не наблюдается. Такое положение обусловлено весьма незначительным прониканием питательной среды (планктона) вследствие малых скоростей фильтрации воды.

1.2.7. Комбинированные водоприемники

Рекомендуем посмотреть лекцию "Вопросы для подготовки к деловой беседе".

Водоприемники (не менее двух) разного типа, работающие совместно, заменяя друг друга (в одних и тех же условиях), либо независимо один от другого (в разные гидрологические фазы) и входящие в состав одного водозабора, называют комбинированными.

Комбинированные водоприемники позволяют в наилучшей степени приспособить сооружения к местным условиям избранного створа (особенно при большом количестве наносов и шуга) и получить вполне надежное и наиболее экономичное решение.

Самыми распространенными являются водозаборы, имеющие русловой и береговой водоприемники (рис. 1.11, а), при этом береговой водоприемник работает только в паводки и половодья, когда в реке проходит наибольшее количество наносов, а русловой - только в межень и в периоды шугохода.

На реках с большой амплитудой колебания уровней воды в последнее время применяют водозаборы с береговыми и ковшовыми водоприемниками.

Применяют также комбинированные водоприемники, состоящие из нескольких фильтрующих и открытых секций (рис. 1.11, б), позволяющие в случае забивки открытых секций шугольдом переходить на фильтрующий водоотбор.

Разнообразие местных условий требует разрабатывать и применять различные схемы комбинированного приема воды.