Водозаборные сооружения на каналах

Весьма часто потребители воды находятся на значительном удалении от источников водоснабжения. В этом случае вода может транспортироваться к месту ее использования по открытым каналам, которые из-за большой протяженности и значительных размеров носят название магистральных. Для перекачки воды из водоисточника в канал, а также преодоления препятствий, встречающихся на трассе канала, сооружают насосные станции, оборудованные водоприемными сооружениями. В целом все сооружения по транспортированию воды представляют сложные гидротехнические системы.

Схема водозаборного сооружения, характерного для магистральных каналов, приведена на рис. 6.78. При подходе к насосной станции канал расширяется и образует аванкамеру. Вынесенные вперед сороудерживающие решетки образуют отдельно стоящее сооружение, которое обеспечивает нормальную работу всех насосов независимо от засорения одной из решеток. Кроме того, их обслуживание возможно в любой период. Благодаря оборудованию плоскими щитами насосы в случае необходимости позволяют осушать аванкамеры и производить их очистку от наносов и ремонтные работы. При заборе воды (менее 0,3 м³/с) из тупиковых каналов можно применять простейшее водозаборное сооружение, в котором аванкамера представляет собой ковш с откосными стенками. Всасывающие трубы насосов располагают на торцевом откосе аванкамеры. Сороудерживающие решетки делают выносными и располагают в начале аванкамеры.

Камерные водоприемники устраивают обычно при заборе воды, большем 0,3 м^э/с. Они бывают совмещенными со зданием станции и их применяют, как правило, для станций, оборудованных вертикальными или горгоонтальными центробежными и осевыми насосами; раздельные - для станций камерного и незаглубленного типов с горизонтальными центробежными насосами. Водоприемники оборудуют сороудерживающими решетками, установленными в пазы, и ремонтными затворами. Решетки устанавливают либо в вертикальном положении, либо под углом 70-80° к горизонту. В наклонном положении решетки устанавливают при малых амплитудах колебаний уровней воды в канале для станций малой и средней пропускной способности. Площадь сороудерживающей решетки определяется по допустимой скорости течения воды при подходе к ней. Допустимая скорость течения зависит от степени механизации очистки решеток и степени засоренности воды.

В случае забора воды из транзитного канала водозаборные сооружения располагают непосредственно на его берегу. В общем случае они состоят из ковша, сопрягающего канал с водоприемником, и самого водоприемника, из которого вода забирается всасывающими трубами насосов. Такие водозаборы применяют для станций малой и средней пропускной способности. Водозаборное сооружение на транзитном канале пропускной способностью 50 м³/ч (рис. 6.79) состоит из двух самостоятельно работающих секций, каждая включает в себя водоприемник 1, береговой железобетонный водоприемный колодец 3 и соединяющий их самотечный трубопровод 2. Вода из берегового колодца забирается всасывающими трубами 5 насосов и подается к потребителю. Водоприемник промывается обратным током воды по трубопроводу 4. Этот водозабор допускает амплитуду колебания воды до 2 м.

Забор воды из горных и высокомутных рек

В некоторых районах Российской Федерации источниками водоснабжения являются горные и высокомутные реки. Они характеризуются большими скоростями течения и малыми глубинами. При прохождении ливней в этих реках происходит быстрое нарастание паводка. Они транспортируют большое количество наносов как донных, так и взвешенных. В зимний период появляются шуга и донный лед. Часто возникают селевые потоки. На предгорных участках нередко наблюдается изменение русла рек. Все

это осложняет забор воды. Поэтому, когда есть возможность, забор воды в предгорных районах осуществляют из подземных источников.

Для водоснабжения небольших поселков и промышленных предприятий, расположенных на малых реках с непостоянно открытым потоком воды, при наличии подруслового потока может применяться комбинированный водозабор. Он представляет собой комбинацию водозаборного сооружения из открытого потока и водозабора подруслового типа.

В период, когда в реке транспортируется небольшое количество наносов, вода забирается из поверхностного потока. Во время паводков при большой мутности воды, а также в моменты пересыхания или перемерзания русла вода забирается из подруслового потока. Устройство таких водозаборов возможно на участках, имеющих достаточно водопроницаемые грунты мощностью 7-8 м. Их устраивают путем заполнения траншеи, разработанной по всей ширине долины реки, суглинком или забивки металлического шпунта.

На небольших горных реках с постоянным током воды (при расходах в межень до 0,5-1,0 м³/с и максимальным до 200-300 м³/с) применяют различные водозаборные гидроузлы. К ним относятся водоприемники с забором воды через донную решетку, плотинные гидроузлы с карманом, гидроузлы с криволинейным каналом (карманом) и др.

Водозабор с донной решеткой простейшего типа представляет собой водосливной порог, перегораживающий русло и возвышающийся над дном реки. В порог врезана водоприемная галерея, перекрытая сверху решетками. Вода, пройдя решетку, поступает в наклонную водоприемную галерею, откуда попадает в камеру с промывным устройством. Из камеры она отводится к отстойнику, а затем водопотребителю.

Для донных водозаборов характерны: малое стеснение русла реки; возможность забора при всех ее горизонтах; беспрепятственный пропуск максимальных паводков, плавника и крупных донных наносов. К их недостаткам следует отнести: захват большой части наносов в водопроводящий тракт; засоряемость и обледенение решеток; большие расходы воды на промывку камер и удаление наносов за пределы водозаборного узла; образование отмелей из наносных отложений перед водоприемником. Донные водозаборы находят применение при расходах воды 0,1-8 м³/с.

Надежное водоснабжение из рек с постоянным током воды можно обеспечить путем устройства плотинных водозаборов, отличающихся разнообразием решений. Усовершенствовавшая схема водозаборного сооружения представляет собой гидроузел, в котором помимо плотины имеется криволинейный канал. При движении воды по этому каналу на изгибе потока возникает поперечная циркуляция воды, которая способствует движению донных наносов, находящихся в потоке, к выпуклой части берега. Сброс наносов в нижний бьеф осуществляется наносоулавливающими траншеями. Водоприемник располагают на вогнутой стороне этого канала за наносоулавливающими траншеями.

На предгорных участках рек с максимальным расходом более 300-500 м³/с может быть применена схема водозаборных сооружений (рис. б'. ВО), разработанная СоюзводоканалНИИпроект. Гидроузел обеспечивает пропуск внезапных паводковых вод, гарантирует водозабор в межень, исключает попадание в канал крупных фракций наносов. Защита водозабора от наносов осуществляется благодаря поперечной циркуляции потока. Циркуляция возбуждается путем бокового сброса воды через водосливную плотину. Узел водозаборных сооружений состоит из двух струенаправляющих дамб, водосливной плотины, промывного и водозаборного шлюзов и струенаправляющей дамбы в нижнем бьефе. Струенаправляющие дамбы в верхнем бьефе сжимают реку до устойчивой ширины и сопрягают сооружения гидроузла с берегом поймы реки. Водосливная плотина, имеющая криволинейное очертание в плане и прямой продольный уклон гребня, соответствующий уклону реки, предназначена для сброса максимальных расходов воды и возбуждения поперечной циркуляции потока. Струенаправляющая дамба в нижнем бьефе, примыкая к устью промывного шлюза, направляет поток в основное русло реки и защищает от размыва ее левый берег. Такие водозаборные узлы рассчитаны на забор воды до 5 м³/с. Размеры всех основных элементов водозабора в соответствии с требованиями СНиПа назначают в зависимости от допустимых скоростей входа воды. Воду от водозабора подают самотеком, либо с помощью насосной станции, включенной в его состав.

В зависимости от местных условий и требуемой степени обеспеченности водоподачи применяют дублирование водозабора с несколькими водоприемниками разного типа

или в систему сооружений включают резервные емкости, содержащие запас воды на время возможного перерыва в работе.

Для высокомутных водотоков существует закономерность суточного и часового изменения содержания взвешенных частиц в десятки раз. В этих случаях для возможности обеспечения работоспособности водозаборов и облегчения процесса очистки устраивают ковши и каналы на подходах к водоприемникам, которые играют роль отстойников и непрерывно восстанавливаются. В южных районах широко применяют водозаборы плавучего типа с тонкослойными модулями.

Забор воды в районах распространения вечномерзлых грунтов

Гидрологический режим поверхностных источников водоснабжения Севера и Востока России определяется распространением мерзлоты, малым годовым количеством осадков, низкими среднегодовыми температурами, длительным ледоставом, весенними разливами, летними паводками, тяжелым шуговым режимом, возникновением заторов льда, образованием наледей. Роль многих факторов, влияющих на формирование режима поверхностных источников, полностью не изучена. Качество воды в источниках также отличается большим разнообразием. Все это чрезвычайно осложняет проблему надежного обеспечения потребителей водой. Не все реки в одинаковой степени пригодны для водоснабжения. На крупных реках забор воды возможен в любое время года без осуществления каких-либо дополнительных мероприятий по регулированию стока. Из средних рек, не перемерзающих зимой, забор воды возможен без регулирования стока, но при выполнении некоторых дополнительных мероприятий. Реки, перемерзающие на отдельных участках или на всей протяженности, могут использоваться для водоснабжения, если сохраняются круглогодичные талики и предусматриваются меры по регулированию и восполнению запасов подрусловых вод. Использование малых рек, перемерзающих вместе с подстилающим аллювием, возможно лишь при регулировании стока. Большинство непромерзающих рек имеет малые глубины под мощным ледяным покровом.

Для водоснабжения в районах мерзлоты могут использоваться специально создаваемые водохранилища с регулированием стока перемерзающих ручьев и рек; озера, как находящиеся в естественном состоянии, так и подпитываемые за счет летнего стока перемерзающих рек, а также углубленные озера.

Источники водоснабжения в условиях вечномерзлых грунтов должны удовлетворять ряду специфических требований: обеспечивать захват воды с максимальной температурой; допускать забор требуемых расходов воды при любых гидрологических режимах; позволять водоприем без сложных и дорогостоящих мероприятий по руслорегулированию; быть близко расположенными к потребителю; иметь запас воды, достаточный для водоснабжения с учетом потерь на льдообразование, испарение и т.д. Выбор источника производится на основе оценки всех факторов, определяющих условия водоснабжения. При прочих равных условиях, забор воды из природных поверхностных источников экономичнее создания водохранилищ на перемерзающих водотоках. Последнее, как правило, является вынужденным решением. Особенностью подачи воды является транспортирование ее при больших скоростях, чем в обычных условиях эксплуатации, ее подогрев в месте водозабора.

Результаты исследований режима поверхностных вод Севера и их запасов в настоящее время до конца не обобщены, что затрудняет выбор источника водоснабжения.

Относительно малое водопотребление населенных пунктов позволяет использовать подрусловые (над- и межмерзлотные) воды. Для хозяйственно-питьевого водоснабжения в первую очередь используют подрусловые надмерзлотные воды, расположенные по долинам в виде разобщенных или сплошных бассейнов в пределах пойм перемерзающих рек. Водохранилища используют при отсутствии или маломощности поверхностных и таликовых вод. При их использовании обеспечиваются высокие температуры воды (до 3-4°С) и упрощается забор воды. Однако их строительство очень дорого. Для небольших поселков в маловодных районах в качестве источника воды используют искусственно создаваемые запасы снега и льда. В Якутии и Магаданской области водоснабжение ряда населенных пунктов организуют из прудовкопаней вместимостью 300-800 тыс. м и глубиной 6-8 м. Летом в копани закачивают воду из рек, перемерзающих зимой. Их недостатком является малый полезный объем из-за потерь на льдообразование. Подмерзлотные воды в настоящее время используют мало из-за недостаточной их изученности, сложности защиты скважин от перемерзания, больших затрат на бурение. Подмерзлотные воды (пластовые, карстовые, трещинные) находятся на большой глубине (до 500 м и более). При отсутствии источника, пригодного к использованию в естественном режиме, улучшения условий водозабора достигают регулированием стока, подпиткой озер водой из близлежащих источников, пополнением запасов подземных вод и др. В условиях разнообразия забора вод типизация водозаборов затруднена. Существует большое разнообразие типов водозаборных сооружений, компоновочных схем и конструктивных решений водозаборов, а также мероприятий по обеспечению надежности водоприема. Водоприемники в условиях мерзлотных ^явлений должны обеспечивать защиту водоприемных устройств от шуги, донного льда, сора, от механического воздействия ледоходов, исключать перемерзания самотечных и сифонных линий, проходящих в береговой мерзлоте. Водоприемники рекомендуется располагать в местах, где источники не промерзают или сохраняют непромерзающий подрусловый талик; грунты остаются талыми; не образуются наледи; русло устойчиво; отсутствует влияние сооружений и коммуникаций, способных вызывать образование наледей; вероятность изменения теплового и гидрологического режима источника мала; возможно, осуществление забора несколькими способами. Береговые сооружения водозаборов целесообразно располагать на пологих берегах, где мерзлотно-грунтовые условия более благоприятны. Русловые и береговые водоприемники, используемые для забора воды из рек средних широт, в условиях мерзлоты зачастую разрушаются ледоходами, обмерзают, заносятся наносами. Надежность их работы повышают, используя вихревые камеры и фильтрующие обсыпки, размещая водоприемники под руслом, улучшая промывку, развивая фронт - водоприемника на уровне дна реки. Порог водоприемника заглубляют до дна или ниже дна реки с целью борьбы с шугой и забора воды при минимальных глубинах. Забор воды из крупных рек со значительными колебаниями уровней может осуществляться водозаборными сооружениями, оборудованными погружными насосами. Примером такого решения могут служить водозаборы с наклонным размещением насосов (рис. 6.81, а), построенные на реках Аляски и Канады. Примером другого решения являются водозаборы, в которых приемный колодец с погружными насосами размещают на затапливаемой большими водами площадке (рис. 6.81, б). При этом значительно удешевляется строительство, и сокращаются объемы работ. При больших колебаниях уровней воды и малых количествах отбираемой воды (2-5 тыс. м³/сут) целесообразно устройство водозаборов без дорогостоящих береговых сооружений. К ним можно отнести водоприемник с гидроэлеваторной (водоструйной) установкой, размещенной в русловом водоприемнике или в подрусловой фильтрующей дрене (рис. 6.81, в), и водозабор с гидроэлеватором (эрлифтом), размещенным непосредственно в затапливаемом водоприемнике (рис. 6.81, г). Напорные трубопроводы этих водозаборов защищают от промерзания теплогидроизоляцией, греющим кабелем и др. Воду из малых и перемерзающих рек можно забирать лишь при совместном заборе поверхностных и подрусловых вод. Для этих целей применяют фильтрующие и инфильтрационные водоприемники - галереи, дрены, фильтрующие траншеи. Виды их разнообразны, но общим является то, что они позволяют осуществлять прием воды летом - из открытых потоков, зимой - из подрусловых. Они находят наиболее широкое применение. Примеры комбинированных (инфильтрационно-фильтрующих) водоприемников приведены на рис. 6.82. Они обеспечивают защиту водозаборов от мусора, наносов и шуги. Гидравлический режим этих водоприемников отличается резко меняющимися параметрами поверхностных и подрусловых потоков. Методы расчета и проектирования их требуют дальнейшего совершенствования. Для исключения перемерзания водоприемников и водопроводящих систем производят их утепление и обогрев различными способами. Способы забора воды из озер и водохранилищ в районах мерзлоты относительно мало отличаются от применяемых в районах с умеренным климатом