m1037

Необходимая глубина ковша, м, определяется по формуле

где h1 – высота водоприемного отверстия, м; h2 – высота порога водоприемных отверстий, м; h3 – заглубление верхней кромки водоприемного отверстия под нижнюю поверхность льда, м; K – коэффициент увеличения толщины льда в ковше; ρл и ρв – плотности льда и воды соответственно; hл – расчетная толщина льда, м.

Величина h2 принимается в зависимости от прогнозируемого слоя наносов в пределах 0,5–1,0 м.

Остальные параметры принимают равными: h3 = 0,2 м; K = 1,3;

ρл = 920 кг/м3; ρв = 1 000 кг/м3.

С учетом этого расчетная отметка дна ковша будет равна:

по расчетному графику (средний многолетний) колебаний уровней воды по опорному водомерному посту.

Поперечное сечение ковша чаще всего имеет трапецеидальную форму. Ширина по дну Bдн, м, принимается по формуле

где hж – глубина живого сечения потока в ковше, м:

vк – расчетная средняя скорость движения воды в ковше, м/с:

m – заложение откосов ковша, принимаемое равным 1,0–1,5; hн – толщина слоя наносов в ковше, принимаемая равной 0,5–1,0 м.

Показатель степени Kп принимают по табл. 5.1 в зависимости от скорости движения воды на ближайшем перекате.

Расчетная скорость vк увеличивается на 25–50 %, если для обогрева решеток подводится теплая вода.

Из условия производства работ ширина ковша по дну принимается не менее 8–10 м.

21

Полная глубина ковша, м:

Hк = Zmax – Zд + 1, (5.6)

где Zmax – расчетный максимальный уровень воды в ковше, м. Длина ковша по его оси от начального сечения на входе до

водоприемника должна удовлетворять двум условиям:

1)в ковше должно обеспечиваться полное всплытие шуги и других скоплений кристаллов льда с гидравлической крупностью более 0,015 м/с;

2)в ковше должны выпасть в осадок все тяжелые частицы диаметром 0,05 мм и крупнее.

Для сибирских рек важны оба условия, так как на них наблюдаются сложные шуголедовые явления, и во время паводков содержание взвешенных частиц в воде достигает величины 1,5 кг/м3.

5.2.1. Расчет длины ковша методом А.С. Образовского

А.С. Образовский в основу предлагаемой методики расчета длины водоприемного ковша, м, положил выполнение первого

где lв – длина входной части ковша в пределах первого водоворота; lш – длина участка ковша, на котором интенсивно всплывает основная масса шуги и ледяная взвесь; lр – длина рабочей части ковша, на протяжении которой всплывает оставшаяся мелкодис-

где Вв – ширина ковша по урезу воды при среднем уровне шугохода (ледохода).

22

Длина участка интенсивного всплытия (отложения) шуги lш определяется в зависимости от типа ковша. Ее принимают:

–5–10 м – для ковшей с низовым входом, выдвинутым в русло;

–25–30 м – для ковшей с верховым входом, полностью или частично выдвинутым в русло;

–15–20 м – для ковшей с низовым входом, врезанных в берег. Длину рабочей части ковша, м, определяют по формуле

А.С. Образовского [4]:

где bн – начальная ширина транзитной струи в ковше, м,

нях шугохода, м; vв – скорость входа воды в ковш, м/с; wш – гидравлическая крупность шуги, принимаемая 0,015–0,02 м/с.

Скорость входа воды в ковш принимается (0,4–0,6)vа при небольших водозаборах и (0,6–0,9)vа при больших водозаборах, где vа – скорость течения реки в прибрежной зоне.

Длину рабочей части можно определить также по формуле

где α – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения скоростей течения в ковше, принимаемый равным 1,20–

1,25.

Из двух значений lp, вычисленных по формулам (5.9) и (5.10), выбирается большее значение.

5.2.2. Расчет длины водоприемного ковша методом А.Т. Иващенко – Н.Б. Васильевой

Опыт эксплуатации и исследования гидравлики водоприемных ковшей показали, что наносы попадают в ковш вместе с донными струями прибрежной части речного потока. При этом ширина захвата донных струй ковшом практически равна ширине входа в ковш, поэтому в ковш заносится значительный объем твердых частиц. Крупные наносы (гравий, крупный и средний

23

песок), двигающиеся во влекомом состоянии, отлагаются практически в пределах первого водоворота (см. рис. 5.1). Мелкие частицы диаметром менее 0,27 мм вместе с орбитальными струями водоворотов продвигаются вглубь ковша, постепенно выпадая в осадок. Очень часто они достигают водоприемного колодца и попадают в него, что требует введения в комплекс сооружений водозабора отстойников и применения специальных ингредиентов для осаждения и удаления из воды взвешенных частиц. Поэтому длина ковша должна быть такой, чтобы обеспечить осаждение взвешенных частиц диаметром 0,05 мм и более. Это условие положено в основу методики расчета минимально необходимой длины ковша, разработанной на кафедре ГВВРиЭ СГУПСа.

Длина ковша, м, определяется по формуле

L = l + l1, (5.11)

где l – расстояние по оси ковша, в пределах которого орбитальная скорость в водоворотах достигнет величины, не превышающей гидравлической крупности частиц диаметром 0,05 мм, т.е. в ковше установится поступательное движение со скоростью, м/с:

fmin – площадь поперечного живого сечения ковша при расчетном минимальном уровне воды в нем, м2; l1 – расстояние, в пределах которого частицы диаметром 0,05 мм опустятся на дно, м.

Величина l, м, определяется по формуле

где K – коэффициент, учитывающий овальную форму водоворотов, K ≈ 1,5; b – длина водоворота, м; umax – скорость потока воды в реке у входа в ковш, м/с; w0 – гидравлическая крупность частиц диаметром 0,05 мм, м/c.

Длина второй зоны, м, определяется по формуле

Проектная длина водоприемного ковша принимается наибольшей из длин, определенных по двум методикам.

24

Ось ковша с низовым входом назначают под углом к направлению течения в русле, близким к 135°, и вход ограждается дамбами.

5.3. Рыбозащита

Под рыбозащитой подразумеваются мероприятия, исключающие или снижающие вероятность попадания рыб в водоприемник, их травмирование и гибель. Проблема рыбозащиты отпадает, если используется водоприемник фильтрующего типа. В других случаях следует выбрать один из рекомендуемых в литерату-

ре [1, 2, 8, 10, 12] способов.

5.4.Расчет берего- и дноукреплений

5.4.1.Рекомендации по выбору типа крепления

Наиболее распространенными типами крепления являются гравийные и галечные крепления, каменная наброска, бетонные плиты.

Предварительный выбор можно произвести по величине и преимуществу действующих нагрузок, типу грунта основания, заложений укрепляемых откосов.

Так, при волнах высотой до 30 см и откосах с m ≥ 4, а также скорости течения до 1,5 м/с следует принимать галечные крепления.

При 1,5 ≤ m < 4 и волнах высотой 0,3 ≤ hв ≤ 0,8 м принимают каменную наброску с крупностью камня 10–25 см. Причем каменная наброска устраивается по обратному фильтру для предотвращения суффозии.

При толщине льда более 1 м, откосах m < 1,5 и высоте волн hв > 0,8 м лучше устраивать бетонные плитные крепления, причем под всеми стыками плит должен быть уложен обратный фильтр. Если водозабор располагается в пригороде или городской черте, то большое значение придается внешнему виду его сооружений. В этом случае предпочтение отдается бетонным креплениям. Опыт проектирования и эксплуатации водозаборов показал, что они, как правило, расположены вдали от судовых ходов, поэтому судовые волны подходят потерявшими свою высоту и не превышают 0,3 м. Ветровые волны также очень редко

25

превышают эту величину, так как для этого необходимы скорость ветра более 15 м/c и длина разгона более 1 км, что бывает не часто. В акватории ковша вообще не бывает волн высотой более 0,2 м. Поэтому бетонные крепления применяют лишь в крайних случаях.

5.4.2. Определение границ дно- и берегоукреплений

Границы укрепления дна в районе водоприемников русловых водозаборов определяются параметрами воронки размывов при их обтекании, т.е. ее длиной и шириной.

Глубина закладки основания водоприемника зависит от глубины воронки размыва. Методика расчета параметров воронки представлена в [4].

При расчете береговых укреплений устанавливают прежде всего их длину и ширину. Длина участка берега, подлежащего укреплению, определяется путем анализа русловых переформирований, но во всех случаях должна быть не менее 150 м. Из них 50 м против течения от берегового или ковшового водозабора и 100 м по течению.

Ширина покрытия зависит от глубины водоема и его уровенного режима. Для ее определения береговой откос разбивается на четыре зоны (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Расчетная схема укрепления берега

26

где Hi – высота соответствующей зоны, м; mi – заложение откоса в этой зоне.

Высота четвертой зоны является запасом по высоте, зависит от класса капитальности сооружения и назначается по табл. 5.2.

где hн – высота наката волны, м; h – ветровой нагон, м. Высота наката волны, м, определяется по формуле

где Кш – коэффициент, учитывающий шероховатость и проницаемость грунта откоса или крепления; hв и λв – высота и длина ветровой (или судовой) расчетной волны соответственно.

Коэффициент Kш определяется родом грунта или материалом крепления и может быть приближенно определен по табл. 5.3.

Расчетные параметры ветровой волны hв и λв определяются по СП 38.13330.2012 [6] или приближенно могут быть приняты по табл. 5.4.

27

нилищ находится в пределах 8–12 и может быть принято равным 10.

Судовые волны можно не учитывать по причинам, перечисленным в п. 5.4.1.

Высота ветрового нагона зависит от скорости и направления ветра, глубины водоема и длины разгона и в реках не превышает

где Hmax – средний многолетний максимум уровней воды по опорному водомерному посту, м; Hmin – средний многолетний минимум уровней воды по опорному водомерному посту, м.

Если средний многолетний максимальный уровень воды выше пойменного берега, то H3 = 0 и H4 = 0. Тогда высота второй зоны

H2 = Zб – Hmin,

где Zб – высота бровки берега над нулем графика водомерного поста, м.

Высота первой зоны H1 определяется с учетом возможного местного размыва дна после укладки покрытия:

H1 = h + hразм,

где h – глубина русла в прибрежной полосе при минимальном (проектном) уровне воды; hразм – глубина местного размыва, приближенно может быть принята равной 0,5–0,1 м.

В водохранилищах высота первой зоны должна быть равна глубине размывающего действия волн, м:

28

где d – размер частиц грунта, м.

Если а < 2hв, то H1 = 2hв. Заложение откоса в пределах третьей и четвертой зон принимается независимо от типа грунта: m = 2…4.

В первой и второй зонах заложение откосов принимается согласно табл. 5.5.

5.4.3. Расчет укреплений из каменной наброски

При расчете любого типа крепления определяются его параметры (прежде всего его толщина) из условия воздействия основных нагрузок. Воздействие течения и ледохода значительно слабее волнового. Поэтому каменная наброска рассчитывается из условия воздействия волн.

Каменная наброска – проницаемое покрытие. Динамические удары волн могут нарушать устойчивость отдельных камней наброски. Кроме того, при откате волны возникает обратный ток воды, который может вызвать суффозию.

Толщина каменной наброски Tнаб, м, определяется необходимой крупностью отдельных камней D, м:

Tнаб ≥ 2,5D. (5.19)

Размер отдельных камней определяют по необходимому весу, считая камень кубом:

29

где G – вес отдельного камня, Н; γк – удельный вес камня, Н/м3. Вес отдельных камней, Н, рассчитывают из условия воздей-

ствия волн:

где K – коэффициент запаса, K = 1,5; μ – коэффициент формы камней (μ = 0,014 – для окатанных камней; μ = 0,012 – для рваного камня); γ – удельный вес воды.

По формулам (5.20), (5.21) рассчитывается каменная наброска в зоне силового воздействия волн в первой, второй и третьей зонах. В четвертой зоне проектируется облегченное крепление. В первой зоне, ниже силового воздействия волн, крупность камней подбирается из условия устойчивости от воздействия течения, т.е.

Допустимая (неразмывающая) скорость vдоп определяется по справочникам [13] или формулам [5].

Каменная наброска укладывается на обратный фильтр. Это предотвращает суффозию. При расчете фильтра решаются одновременно две задачи. Устанавливается число слоев и размер частиц в них. При этом основным условием является следующее: частицы предыдущего слоя не должны проходить через поры последующего. Крупность частиц первого под покрытием слоя фильтра определяется из условия

где dг – средний диаметр частиц укрепляемого откоса.

Толщину каждого слоя фильтра принимают 10–20 см при строительстве насухо и 20–50 см при отсыпке в воду.

30