8429

11

4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

Гидравлические расчеты водозаборов всех типов выполняют для определения:

размеров водоприемных отверстий, диаметров трубопроводов, водоочистных сеток и других конструктивных элементов водозабора;

потерь напора, отметок минимального уровня воды в береговом колодце и его глубины, допустимой отметки оси насосов и т.д.;

гидравлических характеристик режима работы водозабора.

4.1.Выбор типа оголовка, определение размеров входных окон, подбор решеток

Выбор типа оголовка зависит от условий забора воды и категории надежности водоподачи.

Оголовки подразделяются на 3 основные группы:

постоянно затопленные;

затопляемые высокими водами;

незатопляемые.

Всилу небольшой трудоемкости и низкой стоимости при строительстве наиболее широкое распространение получили постоянно затопленные оголовки. К основным недостатком оголовков такого типа следует отнести невозможность их осмотра при высоком уровне воды в реке, шугоходе и ледоставе. Оголовки должны проектироваться и строиться таким образом, чтобы в них не вовлекались донные наносы, шуга, сор (трава, листья), рыба. Постоянно затопленные оголовки применяют обычно при малых и средних (до 1-З м3/с) производительностях станций.

Оголовки, затопляемые высокими водами, по конструктивному оформлению не отличаются от ранее описанных. Преимуществом последних является доступность их осмотра и прочистка при минимальном и меженном уровнях воды в реке. Основным недостатком таких оголовков является переформирование гидравлического режима реки, они являются помехой для судоходства, поэтому применяются очень редко.

При больших производительностях и для обеспечения бесперебойной подачи воды применяются незатапливаемые оголовки. Основной недостаток состоит в том, что они требуют больших капитальных затрат при строительстве. Достоинством таких сооружений является наличие двух или трех ярусов водоприемных отверстий, что позволяет забирать воду из источника наиболее высокого качества в данное время года. Для выбора конструкции затопленного оголовка в зависимости от условий забора воды, характеристик режима реки рекомендуется пользоваться типовыми проектами.

Размеры водоприемных отверстий водозабора, которые перекрываются сороудерживающими решетками, определяются при одновременной работе всех его секций (за исключением резервных) по формуле:

13

приемные окна следует снижать до 0,06 м/с.

4.2. Определение минимальной глубины в месте расположения оголовка

Назначая число и определяя размеры решеток, следует учитывать глубину воды в месте расположения водоприемника и его конструкцию. Для исключения попадания донных наносов в водоприемник высота порога, т.е. высота расположения входных окон над дном водоема, зависящая от количества и крупности взвешенных наносов, глубины, величины забираемого расхода, должна быть не менее 0,5 м. С целью обеспечения устойчивости оголовка от подмыва и динамических воздействий обтекающим потоком предусматривается устройство заглубленного основания на 1-3,5 м под уровень дна и крепление ложа водотока вокруг него.

Для обеспечения нормальных условий забора воды, предупреждения попадания в решетки плавающих предметов, сора, шуги, предотвращения подсоса воздуха от верха решетки до минимального расчетного уровня воды в водоисточнике должна быть соблюдена определенная высота Z, называемая забралом. На равнинных реках величину забрала рекомендуется принимать лне менее 0,5-0,7 м.

Чтобы исключить возможность вмерзания решеток и оголовка в ледяной покров, их верх должен располагаться от нижней кромки льда на величину не менее 0,2 м.

Минимальная глубина воды в реке (рис.4) для размещения затопленного водоприемника составит:

- для летнего периода, Нл, м:

где р - порог водоприемных отверстий, м; Нок - высота водоприемного отверстия, м;

Z - забрало, расстояние от верха водоприемного отверстия до минимального уровня воды, м;

- для зимнего перида, Нз м:

где ɑ- конструктивный размер от верха решетки до верха оголовка, (0,2-0,Зм); ∂л - наибольшая толщина льда в водоисточнике, м.

Рассчитанные минимальные глубины увязываются с расчетными горизонтами воды для соответствующего периода по зависимостям:

где Zдp - максимальная допустимая отметка дна реки в месте расположения оголовка, принимаемая большей из определенных, м;

14

НУВ - низший уровень воды летом, м; НУВ3 - низший уровень воды зимой, м.

В случаях размещения водоприемника в пределах судового хода его конструктивная схема согласуется с судовой инспекцией, место расположения оголовка ограждается бакеном «знак, стоящий на опасности» с освещением.

При отсутствии требуемой глубины в водоисточнике следует рассмотреть возможность устройства водоприемников с забором воды через горизонтальные или близкие к ним по расположению (потолочные) водоприемные отверстия или ее увеличения путем регулирования русла.

4.3. Определение длины самотечных, сифонных линий, их расчет

Сифонные и самотечные водоводы, как правило, следует принимать из стальных труб с качественной противокоррозионной изоляцией. Допускается применение пластмассовых и железобетонных труб.

Протяженность их принимается в соответствии с условиями забора, профилем дна реки и качеством воды в створе водозабора, рассчитанной минимальной глубиной в месте расположения оголовка и площадкой строительства берегового колодца (рис.5).

Рис. 4. Схема определения минимальной глубины в месте расположения оголовка

15

Рис. 5. Расчетная схема для определения дины самотечных линий

Планировочные отметки площадок водозаборных сооружений должны приниматься не менее чем на 0,5 м выше максимального уровня воды расчетной обеспеченности с учетом ветрового нагона волны. В практике проектирования это превышение обычно составляет 0,85-1,Зм.

Расчет трубопроводов водозабора производится по величинам допускаемых скоростей при нормальном режиме работы.

Ориентировочные скорости движения воды в самотечных и сифонных водоводах рекомендуется принимать по табл.2.

Таблица 2

Большие величины скоростей принимают при больших расходах и малой длине труб, однако следует учитывать, что пропускная способность водоводов в период эксплуатации снижается иногда до 30-50% вследствие коррозии и обрастаний с соответствующим увеличением потерь напора. Подбор диаметров трубопроводов рекомендуется производить по [5].

Самотечные водоводы укладывают без резких поворотов, вызывающих

16

отложение наносов, льда, шуги и увеличивающих потери напора в трубах, и, как следствие, заглубление берегового колодца.

Трубопроводы в реке должны быть защищены от подмыва речным потоком, истирания донными наносами и повреждения якорями. С этой целью их заглубляют ниже дна реки на судоходных реках на 0,8 - 1,5 м, на несудоходных - не менее 0,5 м. Траншея, в которую уложены трубопроводы, сверху укрепляется каменной наброской.

Скорости V, м/с, в самотечных трубах проверяются:

- на незаиляемость транспортируемыми по трубе диаметром D, м, мелкими наносами в количестве р, кг/м3 , имеющими средневзвешенную гидравлическую крупность w, м/с, - по формуле А.С.Образовского

где Vнз - незаиляющая скорость, м/с;

u(g / С) V 0,07 V , м/с ; С - коэффициент Шези;

-на подвижность захватываемых в трубу влекомых наносов крупностью dн

,м, - по формуле:

Возможна корректировка подобранных диаметров в зависимости от результатов выполнения данной проверки.

Потери напора в трубопроводах (самотечных, сифонных) складываются из

где Σξ - сумма коэффициентов местных гидравлических сопротивлений (сужение потока при входе в оголовок, повороты трубопровода, сужения, тройник, задвижки, выход из трубы в резервуар и др.), принимаемые согласно

17

табл.1.4 [6] и справочной литературе;

V- скорость движения воды в трубопроводах, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с2.

Потери напора во входных решетках принимаются по практическим данным с учетом частичного засорения, и, как правило, для инженерных расчетов составляют hp = 0,03 - 0,06 м [6]. Для оголовков фильтрующего типа и других конструкций потери напора определяются в соответствии с методиками, приведенными в [6,7].

Самотечные линии рассчитывают для двух случаев:

-пропуск нормального расчетного расхода;

-пропуск аварийного расхода, когда одна из самотечных линий отключена, а по другой пропускают расход, равный 70% полного расчетного для II и III категорий надежности и 100% - для I.

Сифонные линии допускается применять в водозаборах II и III категории надежности водоподачи, их устраивают в русловых водозаборах при необходимости уменьшения глубины укладки труб. Это особенно важно при производстве работ в сильноводоносных грунтах или, наоборот, в очень твердых (скальных) породах Строительство сифонных линий дешевле, однако они несколько сложнее в эксплуатации.

На практике при расчете сифонных линий определяют превышение самой высокой точки сифона (точки перелома) над НУВ в водоёме при аварийном режиме работы hсиф , м, по зависимости:

по табл.3, выраженное в м вод. ст.

hнn - давление насыщенных водяных паров, м вод.ст., при самой высокой температуре воды в источнике, принимаемое по табл. 4.

- коэффициент, учитывающий возможность попадания воздуха внутрь сифонного трубопровода через неплотности в соединениях труб и стыках ар-

матуры ( = 1,1 ÷ 1,2).

Σh- сумма потерь напора (линейных и местных) в сифонной линии от оголовка до самой высокой точки сифона, м;

Vав - скорость воды в сифонном водоводе при аварийном режиме работы,

м/с.

Атмосферное давление Нат в зависимости от высоты над уровнем моря

Таблица 3

18

м вод. ст.

Давление насыщенных водяных паров (м вод. ст.) в зависимости от температуры воды

Подъем воды в сифонный трубопровод выше уровня воды в источнике происходит под действием атмосферного давления и разрежения в трубопроводе, создаваемого вакуумной установкой.

Производительность вакуум-насоса, м3/мин, для зарядки сифона вычисляют по формуле:

где Wc - объем воздуха в сифоне до зарядки, м ;

t - продолжительность зарядки, принимаемая 0,3 ÷ 0,5 мин;

Нат - высота столба воды, соответствующая барометрическому давлению,

м;

Чтобы вместе с воздухом в вакуум - насос не попала вода, в высшей точке сифона предусматривают вакуум - котел. Точка перелома должна находиться ниже глубины промерзания грунта.

4.4. Расчет и подбор сеток

Окна в разделяющих стенках между водоприемным и всасывающим отделениями перекрывают съемными плоскими или стационарными вращающимися сетками. Выбор типа сеток для предварительной очистки воды производят с учетом особенностей водоема и производительности водозабора. Вра-

щающиеся сетки следует применять в средних, тяжелых и очень тяжелых

условиях загрязненности источника согласно п.8.86 [1], а также при производительности водозабора более 1 м3/с. Основное назначение сеток - предварительная механическая очистка воды источника от взвеси и планктонных образований, прошедших через решетки. Размер ячеек сеток принимается в зависимости от исходного качества воды и требований к нему после водозабора.

Плоская съёмная сетка состоит из металлической рамы, натянутой на неё подложки (крупноячеистая сетка из проволоки диаметром 2 - 3 мм с ячейками 20 х 20 или 25 х 25 см в свету) и рабочей фильтровальной сетки, выполненной из цветного металла или нержавеющей стали. Подложка служит опорой для

19

фильтровальной сетки и предохраняет её от прорыва во время работы. Площадь плоских сеток вычисляют используя зависимость (5), однако ко-

эффициент К при этом определяется по формуле:

где а = 2 ÷ 5 мм - размер ячеек в свету; с =1 ÷ 1,5 мм - диаметр проволоки.

Допускаемые скорости течения воды в ячейках сеток принимают 0,2-0,4 м/с для плоских и 0,6-1,0 м/с для вращающихся сеток.

Размеры сеток принимают согласно табл. 1.3.[4], имея в виду, что в каждой секции колодца предусматривается не менее одного отверстия, перекрываемого сеткой. При назначении количества и размеров сеток следует рассмотреть целесообразность установки двух сеток с меньшей высотой в секции, при этом возможно достижение экономии средств за счет уменьшения глубины колодца. Чтобы процеживание воды через сетку не прекращалось на время её промывки или ремонта, перед каждым сеточным отверстием предусматривается второй ряд направляющих швеллеров, в пазы которых, перед подъемом рабочих, опускаются резервные сетки.

Определение погруженной в воду площади полотна вращающихся сеток выполняется аналогично, их подбор и технические характеристики приведены

в[4].

4.5.Проектирование водоприемных ковшей

При наличии тяжелых условий забора воды на реках с большим количеством внутриводного льда (шуги) или наносов, а в отдельных случаях на реках с малыми глубинами и недостаточными расходами в межень целесообразно применение водоприемных ковшей. Так как ковши предназначены в основном для улучшения забора воды при шугоходе, то геодезическую отметку дна ковша Zдк ,м, рассчитывают исходя из минимального уровня зимней межени по зависимости

где НУВ3 - отметка самого низкого уровня воды зимой, м; 1,33 - коэффициент увеличения толщины льда в ковше по сравнению с

толщиной льда, формирующегося в русле; ∂л - толщина ледяного покрова в русле реки, м;

0,2м - заглубление верха входных окон (или верха водоприемника) под нижнюю кромку льда;

Нок - высота (диаметр) входных окон водозаборного сооружения, м; р - высота порога водоприемных отверстий, принимаемая в пределах 0,5-

20

1м в зависимости от предполагаемой высоты слоя отложений наносов в ковше.

В водоприемном ковше за счет отложения наносов возможно уменьшение глубины живого сечения hж, м, определяемое по зависимости

где НУШ - отметка низшего уровня воды в период шугохода, м;лш - толщина льда в ковше в период шугохода, принимаемая 0,3-0,5м; hн - высота отложения наносов в ковше, м.

Ширину дна ковша Вд, м, определяют из условий работы в тяжелой шуголедовой обстановке с учетом уменьшения глубины живого сечения, принятом заложении откосов ковша, зависящих от вида грунта, по формуле:

где Qв - производительность водозабора, м3/ с;

VK - скорость движения воды в ковше, м/с, принимаемая по табл.5 в зависимости от скорости течения реки;

т - коэффициент заложения откосов дамб ковша.

Зависимость средних условных скоростей в ковше от скорости потока в реке

Крутизну откосов каналов при их высоте не более 10 м допускается принимать по табл. 6.

Для прохода земснаряда, применяемого при очистке ковша от наносов, ширина ковша по дну принимается не менее 5 - 8 м.

Общая длина водоприемного ковша L, м, состоит из входной Ьв, шугозахватной Lш и рабочей части Lp

ная водоворотная зонах интенсивным засорением шугой в самом начале шугохода ориентировочно можно определить по зависимости: