Боковые поверхностные плотинные водозаборные гидроузлы
Под боковым понимается водозабор, при котором водоотбор из источников осуществляется под углом к оси потока реки. В боковых плотинных гидроузлах с поверхностным водоотбором головное сооружение (регулятор) обычно располагают на берегу реки рядом с плотиной или в конце криволинейного подводящего канала, трассируемого в обход плотины. Регулятор устраивают преимущественно открытого или диафрагмового типа. Ось регулятора располагают под прямым или тупым углом к направлению основного потока при подходе к гидроузлу (рис. 11.7). Считается, что угол отвода в боковом водозаборе не должен превышать 130...140°. Наносы промывают через отверстия в плотине, береговые донные промывники и устройства, отверстие в быках, промывные открытые каналы в теле плотины и др. Боковые водозаборные гидроузлы располагают на прямолинейных и криволинейных участках рек.
К водозаборным узлам, сооружаемым на горных реках, предъявляются повышенные требования: минимальное стеснение русла; подвод и отвод воды в зоне гидроузла устойчивым руслом; эффективные меры борьбы с донными наносами (гравий, галька); водосбросные плотины должны иметь хотя бы один широкий и всегда открытый пролет, способный пропустить большую часть паводкового расхода и смытые со склонов камни, деревья и т. п. Достоинство этих водозаборных гидроузлов состоит в том, что они просты по конструкции и в эксплуатации и надежно обеспечивают подачу расчетных расходов в канал. В автоматизированных водозаборных узлах все технологические операции (водоотбор, промывка ВБ гидроузла, водоподача и др.) выполняются с помощью средств автоматизации.
Определяющей характеристикой любого водозабора является применя- -емый на нем метод борьбы с наносами. Водозаборный гидроузел является, как правило, первой ступенью борьбы с наносами (донными). Для борьбы со взвешенными наносами при необходимости вводят вторую ступень — устройство отстойников, гидроциклонных осветлителей и др. (например, при водозаборе в закрытые оросительные системы с подачей к дождевальным машинам).
При боковом плотинном водозаборе для борьбы с наносами используют поперечную циркуляцию, для возбуждения которой применяют специальные конструкции: циркуляционные пороги (косонаправленные, криволинейные, ступенчатые с изломом по длине, комбинированные и др.) с промывкой через отверстия; донные наносоперехватывающие промывные галереи; быки, оборудованные промывниками и др.
По условиям промывки наносов гидроузлы с боковым водозабором могут быть с фронтальной и с боковой промывкой. Промывку можно осуществлять непрерывно (при наличии постоянных сбросных расходов), прерывисто (по мере накопления наносов до определенного уровня), комбинированно — в межень по мере накопления наносов до определенного предела, а в паводок — непрерывно.
В боковых плотинных водозаборных гидроузлах с фронтальным промывом (рис. 11.8) донные наносы перед головным регулятором, после накопления их до критического уровня (когда возникает опасность их поступления в отвод) смывают через промывные отверстия плотины. Наиболее простые по конструкции гидроузлы с глухим порогом, в которых для смыва наносов из верхнего бьефа в нижний используют ближайшие к головному регулятору отверстия плотины (рис. 11.8,а). Их недостатком является сложный режим борьбы с наносами.
Поступление наносов в магистральный канал можно значительно сократить, устроив перед головным регулятором под углом 20...300 к оси потока в реке (рис. 11.8,6) наносоперехватывающий донный порог или лоток. Для усиления борьбы с наносами в конструкцию водозаборного сооружения добавляют горизонтальный полок (плиту), опирающийся на колонны (стойки), верх которого располагается на уровне порога головного регулятора. Полок примыкает к регулятору по всей длине водозаборного фронта и входит в пролеты промывных отверстий плотины, разделяя их на два яруса, каждый из которых имеет самостоятельные затворы. Маневрирование последними производится раздельно. Борьба с наносами в этом гидроузле основана на разделении потока на поверхностное и донное течения — поверхностный слой поступает в отвод, а вода донной части вместе с наносами сбрасывается в нижний бьеф. Именно поэтому такой тип водозабора назван послойным. Однако опыт эксплуатации этих водозаборных гидроузлов показал, что они работают недостаточно эффективно и часто наносы поступают в канал. Это происходит из-за того, что горизонтальный полок не регулирует внутреннюю структуру потока. Работу этого водозабора можно несколько улучшить, устроив в полке параллельно водозаборному фронту прорезь-щель. Она позволяет уменьшить отложение наносов на полке и избежать открытия отверстий верхнего яруса промывников плотины для их смыва (особенно в период дефицита воды в реке).
Для забора небольших расходов предложен бычковый водозаборный гидроузел, в котором водозабор осуществляется через решетчатые водоприемные отверстия, расположенные в оголовках быков и устоев (рис. 11.8,в). Специальные галереи подают затем воду в сборные лотки, выходящие на берег. Водоприемные отверстия располагают на всех быках и устоях или на части их. Число этих отверстий определяется расходом воды, пропускаемым через одну галерею (до 6 м3/с). Верх отверстий располагают ниже отметки НПУ на 0,1...0,3 м, а низ — выше порога водосбросной плотины не менее чем на 1,5 м. Водоводы, идущие от отверстий, плавно сопрягаются с галереями, имеющими обычно прямоугольное сечение шириной 1,5...3 м. Скорость потока в галерее должна обеспечивать транспортирование всех наносов, поступающих в нее вместе с водой. Режим потока в галереях принимают безнапорным. Для выключения галерей из работы в их конце предусматривают плоские затворы. Из галерей вода поступаете сборные лотки. Сопряжение дна лотков с дном галерей выполняют с уступом, так как лоток имеет продольный уклон, а выходные отверстия всех галерей расположены на одинаковой отметке. Лоток выполняют сборным как несущую конструкцию и рассчитывают на все действующие нагрузки. Низ несущих балок лотка должен быть выше уровня нижнего бьефа не менее чем на 0,5...1 м.
Гидравлический расчет бычкового водозабора заключается в определении размеров входных отверстий, сечений галерей и лотков, а также потерь напора на всем пути от входа в отверстие до канала.
Галереи в быках и устоях рассчитывают по формулам равномерного движения. Скоростью в галерее задаются в пределах 1,5...2,5 м/с. Глубину воды принимают равной глубине воды на входе или больше нее. Лоток (акведук), опирающийся на быки и устои, рассчитывают также по формуле равномерного движения, принимая скорость движения воды в лотке 1,5...2 м/с. Уклон дна лотков и галерей, а также потери в них определяют обычными методами гидравлики.
Дальнейшим развитием конструкции гидроузла с боковым водозаборным сооружением явилась компоновка бокового плотинного водозаборного гидроузла с удаленными промывными отверстиями (рис. 11.8, г), где борьба с донными наносами ведется путем создания искусственной поперечной циркуляции криволинейным порогом. Водозаборный гидроузел располагается на прямолинейных участках рек и состоит из регулятора и водосбросной плотины, состоящей из трех частей. Первая часть этой плотины примыкает к регулятору водозабора и имеет порог, отметка верха которого совпадает с отметкой порога регулятора. Пролеты плотины оборудованы затворами. Вторая часть плотины отделена от первой бычком; порог пролетов второй части расположен на уровне понура. Это промывные пролеты; через них при промывке происходит сброс донных наносов из верхнего бьефа в нижний. Третья часть отделена от второй раздельным устоем и расположена за промывными пролетами. Она представляет собой нерегулируемую водосливную плотину. Раздельный устой образует карман перед водозаборными отверстиями. В криволинейном пороге размещены наносоперехватывающие галереи, выпускающие поток, насыщенный наносами, в нижний бьеф через отверстия, расположенные в бычках первого участка плотины (с повышенным порогом). При нормальной работе отверстия части плотины с повышенным порогом обычно перекрыты затворами; они бывают открыты в паводковый период, их также можно использовать для сброса плавающих тел. Отверстия второй части плотины бывают открыты лишь в тех случаях, когда в реке есть излишки воды. Сброс воды через эти отверстия и обеспечивает создание поперечной циркуляции с направлением донных токов от водозаборных отверстий. Эффективная работа этого гидроузла наблюдается в периоды, когда в реке есть излишки воды для сброса в нижний бьеф через промывные отверстия. В период дефицита борьба с донными наносами ведется с помощью наносоперехватывающей галереи, расположенной в криволинейном пороге. Боковой водозабор с удаленными промывными отверстиями, отличаясь более эффективной борьбой с наносами, имеет и ряд недостатков: значительные размеры регулятора из-за относительно малых напоров перед его отверстиями; затрудненная борьба с плавником (только полным принудительным открытием затворов плотины); потребность в больших сбросных расходах для поддержания интенсивной поперечной циркуляции.
Характерными типами таких гидроузлов являются водозаборные гидроузлы с боковыми донными или промывными галереями, расположенными под головным сооружением (регулятором) по всей ширине его фронта (рис. 11.9,а) на уровне понура. Идея применения промывных галерей в боковых водозаборах была основана на гипотезе существования слоистой схемы течения потока воды, предполагающей, что поверхностные слои, свободные от наносов, поступают в отвод, а донные и придонные, насыщенные наносами,— в отверстия промывных га- лерей.
Боковые водозаборные гидроузлы с донными промывными галереями получили широкое распространение в начальный период массового строительства ирригационных гидроузлов. Опыт проектирования и эксплуатации их показал ошибочность принятой гипотезы о слоистости течения потока в зоне водозабора. Более детальные исследования позволили установить, что донные наносы вовлекаются в боковой водоприемник циркуляционным потоком, возникающим в результате обтекания потоком экранирующих преград. Из-за этого в промывные галереи поступает неодинаковое количество наносов и их сбросом в основном загружена только верхняя (по течению) галерея. Нижние галереи сбрасывают воду практически без наносов и, кроме того, ухудшают работу верхней галереи, усиливая взмучивание потока перед фронтом водозабора.
Боковой водозаборный гидроузел с гравиеловкой (рис. 11.9,6) имеет прямолинейный входной порог 5 и криволинейный порог 7 в конце гравиеловки. Донные наносы, задерживающиеся у входного порога, периодически промывают через отверстия плотины, а наносы, поступающие в гравиеловку, смывают через промывник 9. Недостаток данной компоновки заключается в том, что возможен завал аванкамеры гравиеловки 6 наносными отложениями, с которыми не справляется промывное устройство 9.
Боковой водозаборный гидроузел с наносоперехватывающими галереями (рис. 11.10) разработан применительно к рекам с обильными донными наносами. В нем использован принцип борьбы с наносами, основанный на возбуждении искусственной поперечной циркуляции. Регулирование гидравлической структуры достигается конструктивными и эксплуатационными приемами. Ответственной частью водозаборного сооружения этого гидроузла являются наносоперехватывающие галереи. Их отличие от донных промывных галерей состоит в наличии непрерывного активного воздействия на процесс формирования гряды наносных отложений перед водозаборным сооружением.
В гидроузлах с наносоперехватывающими галереями крайние пролеты плотины, примыкающие к регулятору, в нормальных условиях работы пег крыты затворами. В потоке воды, натекающем на затворы, создается повышенное давление, в то время как во входных отверстиях наносоперехватывающих галерей имеется пониженное давление. Вследствие этого наносы при подходе к водозабору встречаются с донным реактивным течением и образуют гряду криволинейной формы, по фронту которой они концентрируются, а затем под влиянием перепада давлений поступают в галереи. Входные отверстия наносоперехватывающих галерей размещают в зоне встречи наносов с донным обратным течением. Компоновку и расчет донного водозаборного узла выполняют по рекомендациям Н. Ф. Данелии [32].
В промывных галереях предусматривают скорости 4...7 м/с. Водосбросные плотины рассчитывают обычными методами гидравлики. Они выполняются в виде низкопороговых или высокопороговых плотин, с затворами (регулируемые водосбросы) или без них (нерегулируемые водосбросы). Подробно этот вопрос рассмотрен в главах 4.1 и 7.3.
При больших коэффициентах водозабора (0,5...0,8) отметку порога плотины принимают на 1... 1,5 м выше средней бытовой отметки дна реки, чтобы избежать завала наносами водосбросных устройств со стороны НБ. Промывные отверстия плотины располагают около водоприемного сооружения. Они предназначены не только для промыва верхнего бьефа, но и для пропуска паводковых расходов, а также сброса крупных плавающих тел и шуги.
Затворы промывных отверстий размешают возможно ближе к фронту водозабора, примерно на том месте, где в обычных конструкциях устанавливают ремонтные затворы. Головное сооружение, то есть фронт водоприемных отверстий и порог, располагают в одну линию под углом а = 90...115° к оси плотины.
Ширину фронта водоприемных отверстий В устанавливают гидравлическим расчетом из условия забора расчетного расхода воды при отметке ВБ, равной отметке НПУ. Поперечное сечение наносоперехватывающих галерей рекомендуется делать прямоугольным и размещать их дно на уровне понура. Входные отверстия галерей следует располагать близко друг к другу, чтобы перед фронтом водозабора не оставались участки отложения наносов. Высоту порога определяют из условия размещения под головным сооружением промывных галерей; высоту последних в зависимости от глубины воды , а по конструктивным соображениям — не менее 1 м.
Исследования боковых водозаборов с наносоперехватывающими галереями показали, что при коэффициенте водозабора 0,45...0,74 в канал попадает лишь 1,2...1,7 % наносов, а за время прохождения паводка — не более 0,3%, причем в канал поступают только мелкие фракции наносов. Для нормальной работы гидроузла необходимо соблюдать определенные правила эксплуатации: верхний бьеф периодически необходимо промывать через отверстия плотины, примыкающие к водозабору; на время промывки верхнего бьефа водозабор отключают. Такие водозаборные гидроузлы нашли широкое применение.
Боковой водозаборный гидроузел С промывной галереей, поток в которой движется винтообразно (рис. 11.11,а), отличается тем, что в пороге водоприемника обычного открытого типа устраивают галерею 2 конусообразного вида со щелевым отверстием внизу для входа в нее нижних слоев воды, содержащей наибольшее количество донных наносов. Вода в галерее движется винтообразно благодаря сложению двух скоростей — поступательной осевой скорости потока вдоль галереи и скорости тангенциального входа воды в галерею через щель. Винтовое движение обеспечивает высокую транспортирующую способность потока. Однако наличие в потоке мусора, плавника и крупных фракций наносов может вызвать значительные затруднения при эксплуатации такого сооружения.
Боковой водозаборный гидроузел с криволинейным подводящим каналом (рис. 1.1.11,6) разработан во ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. Для борьбы с донными наносами в нем используют поперечную циркуляцию потока, возникающую при движении в криволинейном канале 3, и донное траншейное наносоперехватывающее устройство 4. Канал 3 располагают под углом 45° к оси потока и устраивают без входного порога. При выходе канала в нижний бьеф устраивают щит 6 для регулирования сбросных расходов при промывке канала. Открытый водоприемник 5 с входным порогом высотой 0,7 м размещают в нижней части криволинейного канала. Траншейное устройство перехватывает донные наносы в канале и сбрасывает их в нижний бьеф с промывным расходом до 10 % от забираемого в отвод. Этот тип водозабора недостаточно эффективен, так как наносная гряда, двигаясь из верхнего бьефа, надвигается на траншею и при значительной насыщенности потока наносами может вывести ее из работы. Неудачное расположение входа в криволинейный канал вызывает в начальной его части циркуляцию неблагоприятного направления, что также снижает эффективность этого водозабора.