Русловые водозаборные сооружения
Водозаборы руслового типа применяют при пологом береге, когда требуемые для забора воды глубины находятся на большом расстоянии от берега. Как и водозаборы берегового типа, они могут быть совмещенными с насосной станцией и раздельными. Русловые водозаборы раздельного типа встречаются чаще, так как разлив воды в паводок при пологих берегах достигает значительных размеров, поэтому насосную станцию I подъема размещают вне зоны затопления, отнеся ее на некоторое расстояние от берега.
На рисунке ниже представлен русловой водозабор раздельного типа, который включает оголовки 1 с решетками 2, самотечные линии 3 (или сифонными линиями, которые могут применяться вместо самотечных для уменьшения заглубления трубопроводов), береговой колодец 4 с сетками для процеживания воды 5. Из берегового колодца вода через всасывающие трубопроводы 6 насосной станции 7, оборудованной насосами 8, подается на очистные сооружения по напорным водоводам.
Сифонные водоводы допускается применять в водозаборах II и III категорий, а применение их в водозаборах I категории должно быть обосновано.
Русловое водозаборное сооружение раздельного типа
1 — оголовки; 2 — решетки; 3 — самотечные линии 4 — береговой колодец; 5 — сетки; 6 — всасывающие трубопроводы; 7 — насосная станция; 8 — насосы с электродвигателями
На водозаборах I и II категорий могут предусматриваться системы подачи горячей воды, воздуха, хлора или медного купороса для предотвращения обрастания и закупорки решеток водоприемника шугой. Для предотвращения обрастаний рекомендуется доза хлора на 2 мг/л более хлорпоглощаемости воды, но не менее 5 мг/л, а доза медного купороса 1-1,5 мг/л (считая по меди). Продолжительность и периодичность хлорирования принимают при хлорпоглощаемости воды: до 3 мг/л — осенью и весной в течение 7—10 дней; свыше 3 мг/л — с мая по октябрь в те дни, когда среднесуточная температура воздуха выше +10 °С. Периодичность и продолжительность купоросования назначают через каждые 2 суток по 1 часу.
Схема водозаборных сооружений упрощается при совмещении берегового колодца и насосной станции в одном здании. Такое совмещение необходимо при применении насосов с малой высотой всасывания и амплитуде колебания уровней воды в реке более 6-8 м, а также, как правило, при оборудовании водозаборных сооружений вращающимися сетками.
Одним из ответственных элементов русловых водозаборов является водоприемник, обеспечивающий надежный прием воды, а также защиту самотечных, сифонных и всасывающих водоводов. Русловые водоприемники в зависимости от категории водоподачи и условий забора воды подразделяются на затопленные, затапливаемые высокими водами и незатапливаемые.
В системах хозяйственно-питьевого и производственного водоснабжения наиболее широко применяют затопленные водоприемники, имеющие невысокую стоимость. Однако невозможность осмотра и очистки сороудерживающих решеток водоприемных отверстий при высоком уровне воды, шуго- и ледоходе делает их недостаточно надежными для обеспечения бесперебойного снабжения водой потребителей. Их необходимо оборудовать средствами для наблюдений за их работой, для промывки сороудерживающих решеток, борьбы с обледенением и обрастанием, а также средствами защиты рыб от травмирования и попадания в водоприемник.
По конструкции затопленные водоприемники делятся на незащищенные (деревянные, стальные, тонкостенные, железобетонные) и защищенные, выполняемые из бетона и железобетона. Водоприемники располагают, как правило, ниже минимального расчетного уровня воды не менее чем на 0,3 м и на 0,2 м ниже нижней кромки льда. Водоприемник должен иметь обтекаемую форму и в наименьшей степени стеснять сечение потока во избежание возможного переформирования русла реки у водозаборных сооружений.
Конструкция затопленного водоприемника определяется многими факторами, главные из которых: расход воды (пропускная способность водозабора), глубина воды (минимальная) в выбранном для расположения водоприемника месте и устойчивость русла; геологические и гидротермические (шуголедовые) условия; наличие в речном потоке сора, хвороста, топляков, карчей и т.п.; характеристика водохозяйственного использования реки — судоходство, лесосплав и т.д. Конструкцию водоприемника в значительной степени определяет и принятый способ его строительства.
Незащищенные водоприемники применяют при достаточной глубине и легких условиях забора воды, т.е. при заборе воды из несудоходных и нелесосплавных рек. Для уменьшения засорения входные отверстия закрывают решетками и поворачивают по течению воды. При заборе воды из судоходных и лесосплавных рек и при значительном количестве наносов, т.е. при средних и тяжелых условиях забора воды, применяют водоприемники защищенного типа. Они также могут быть фильтрующими, при этом не требуются дополнительные меры по рыбозащите и защите от внутриводного льда и шуги.
Оголовки для русловых водозаборов
а — незащищенного типа; б — защищенного типа; в, г — фильтрующие; 1 — решетка; 2 — раструб; 3 — стояк; 4 — железобетонная плита (камера); 5 — самотечный водовод; 6 — обсыпка крупным камнем; 7 — загрузка (камень, гравий, щебень); 8— подфильтровая камера; 9 — струенаправляющая камера
В затапливаемых высокими водами водоприемниках в отличие от описанных ранее при минимальных и меженных уровнях имеется доступ к сороудерживающим решеткам и рыбозащитным устройствам. Однако они затрудняют использование реки для судоходства и лесосплава и могут приводить к переформированию гидравлического режима реки.
Незатапливаемые русловые водоприемники применяют в водозаборах средней и большой производительности с целью обеспечения высокой надежности подачи воды в тяжелых природных условиях. Они удобны в эксплуатации, но очень дороги.
Незатопляемый оголовок руслового водозабора
1 - входные окна с решетками; 2— самотечная галерея; 3 — система удаления осадка
Водоводы прокладывают в траншее на глубине не менее 0,5 м до верха с тем, чтобы они не были подмыты потоком воды и повреждены якорями судов и плотов. Сверху траншеи, в которых уложены трубопроводы, засыпают каменной наброской или укрывают железобетонными плитами. Как правило, самотечные линии выполняют из стальных труб. СНиП допускает также применение железобетонных и пластмассовых труб.
Диаметры самотечных и сифонных водоводов определяют по расходу в одной секции водоприемника при нормальном эксплуатационном режиме. Скорость движения воды в них принимается 0,7— 1,5 м/с, но не менее скорости воды в реке. Кроме того, проверяют пропускную способность при аварийном режиме.
В процессе эксплуатации самотечные и сифонные линии, а также сороудерживающие решетки затопленных водоприемников засоряются, Промывка решеток от сора и глубинной шуги осуществляется, как правило, обратным током воды, Для этого на водозаборах предусматривают присоединение самотечных и сифонных водоводов к напорным линиям насосной станции I подъема и возможность включения в работу резервных насосов на период промывки при некотором снижении подачи воды потребителю.
Для промывки решеток и сеток обычно требуются меньшие расходы воды, чем для промывки водоводов от насосов.
Для промывки сороудерживающих решеток, фильтров и рыбозащитных кассет водоприемников необходим расход воды, равный (0,5-2) Qв, где Qв — расход воды, забираемый через водоприемник при нормальном режиме водопотребления. При сильном засорении сеток и решеток целесообразно использование импульсного промыва, предложенного А.С. Образовским.
Импульсный промыв предполагает, что колебания массы воды, находящейся в самотечной трубе и в установленной на ней перед задвижкой колонне, вызываются с помощью срыва вакуума, который ранее был создан в колонне вакуум-насосами. Волновой импульс действует с равной силой на всю площадь водоприемного отверстия и освобождает его от шуги и сора независимо от степени загрязнения.
Для обеспечения эффективности импульсной промывки требуется практически совершенная герметичность всего водопроводящего тракта, расположенного между колонной и водоприемными отверстиями. Этот вид промывки недостаточно эффективен для промыва горизонтальных отверстий, принимающих воду сверху. В этом случае используется гидропневматический способ промывки с помощью подачи в водный поток сжатого воздуха в количестве 15-25 л/с на м2.
Схема импульсной промывки сороудерживающих решеток (а) и график изменения уровня воды в колонне (б)
1 — колонна на самотечном водоводе; 2 — патрубок с затвором для впуска воздуха; 3 — вакуум-насос; 4 — трубопровод для промывки решеток обратным током воды; 5 — самотечная линия; 6 — оголовок водозаборного сооружения; 7 — столб воды, поднятой за счет вакуума (разряжения); 8 — продолжительность промывки
Промыв самотечных водоводов от отложившихся в них наносов в основном осуществляется прямым током воды путем увеличения скоростей ее движения в трубах в результате форсированного режима работы насосов и поочередного отключения одного водовода (в двухсекционном водозаборе) и пропуске всего потребного расхода воды по второму. Такой же режим желателен в паводки и половодье при высокой мутности воды.
Возможно применение гидропневматического промыва, который осуществляется подачей сжатого воздуха в поток воды и эффективен при наличии сильного загрязнения и коррозионных отложений. Промывка может производиться в четырех режимах движения воздуха: пузырчатом, расслоенном, волновом (или пробковом) и в виде пленки воды по периметру трубопровода и воздушного потока в середине трубы. Для промывки наносов в лотке трубы наиболее удачным следует признать гидропневматическую промывку волнового типа, при которой разрыхление и вынос наносов из трубы в водоток осуществляется ударным воздействием воздушных волн на песок или ил и значительным увеличением скорости водяного потока. В отдельных случаях водоводы можно очищать протаскиванием через них совков и рыхлителей.
Береговые сеточные колодцы устраивают во всех водозаборных сооружениях, если существует необходимость установки сеток для процеживания воды с целью защиты насосов от закупорки сором и обеспечения очистки воды. Поэтому применение берегового колодца, оборудованного водоочистными сетками, в составе водозаборных сооружений I и II категорий обязательно. Для береговых колодцев наиболее часто применяют плоские съемные водоочистные сетки. Недопустима замена съемных сеток приемными сетками или приемными клапанами на концах всасывающих водоводов, так как из-за сложности их очистки возможны перерывы в подаче воды потребителю. В водоприемные камеры вода поступает по самотечным или сифонным трубопроводам, для чего водоприемные камеры устраивают заглубленными.
Насосы с сеточными колодцами соединяются всасывающими трубопроводами. Наличие в схеме водозабора колодца с сеткой позволяет сократить длину всасывающих трубопроводов насосов,, вследствие чего улучшается работа насосов в период пуска и остановки. Колодец, как правило, располагают так, чтобы передняя стенка размещалась на незатапливаемой отметке. Вокруг колодца устраивают обсыпку шириной 4-6 м. Размеры колодца определяют из условия компоновки оборудования, при этом объем каждой секции колодца должен быть достаточен для пуска насосов. Он принимается не менее 30-35-кратного секундного расхода воды, забираемой из секции одним насосом при минимальном расчетном уровне.
Минимальный уровень воды в береговом колодце определяют гидравлическим расчетом при минимальном уровне воды в водоисточнике, выключении одной из секций водоприемника и других возможных неблагоприятных условиях (засорение решеток, обрастание водоводов и др.).
Отметку днища берегового колодца определяют из условия расположения под минимальным расчетным уровнем воды в колодце водоочистных сеток необходимой площади. Вместе с тем высота слоя воды в береговом колодце должна быть достаточной для расположения под минимальным расчетным уровнем водоприемных воронок всасывающих водоводов. Вертикальные всасывающие водоводы диаметром d с приемными воронками диаметром D =(1,3/2)d и длиной L = (1,3/1,8)(D—d) должны иметь заглубление входного отверстия не менее (1,5/2)D с расстоянием от отверстия до дна не менее 0,8D.
Верх водоочистных сеток целесообразно располагать в колодце значительно выше минимального уровня воды, например на уровне высокой межени, для того чтобы большую часть года процеживание воды через сетку происходило с меньшими скоростями течения воды в ячейках сетки. Такое решение позволяет обеспечить не только более высокое качество очистки воды на сетках, но и повышает надежность действия сеток в случае поступления шути через водоприемник и водоводы в береговой колодец. Над колодцем устраивают павильон, создающий нормальные температурные условия работы оборудования.
При значительных колебаниях воды в источнике и достаточно пологом береге возможно использование комбинированных водозаборов, В состав комбинированного водозабора входят русловой затопленный водоприемник и водоприемные окна, размещаемые на передней стенке берегового колодца.
Русловой водоприемник используют в течение всего года, а береговой — при высоких уровнях воды в реке, когда обслуживание руслового водоприемника затруднено, а в наиболее глубокой части русла передвигается основная масса донных и крупных взвешенных наносов.
К специальным водозаборным сооружениям могут быть отнесены водоприемные ковши, плавучие и передвижные водозаборы.