Характеристики взвешенных наносов

Для расчетов осаждения наносов в отстойниках, необходимо первоначально дать определение основным характеристикам взвешенных наносов.

Гидравлическая крупность наносов – скорость осаждения взвешенных наносов в спокойной воде, ω, см/с; мм/с; реже м/с. Зависит от размеров и формы частиц, удельного веса, температуры воды.

Мутность – содержание взвешенных частиц грунта в единице объема воды.

Может быть выражена через весовую мутность ρ (кг в 1 м³), объемную мутность μ (л взвешенных наносов в 1 м³ воды).

Транспортирующая способность потока – предельное весовое количество перемещаемых потоком взвешенных наносов, ρ_тр, выражается в единицах мутности. Зависит от гидравлических характеристик потока (уклона, скорости, глубины) и состава наносов. Поток в размываемом русле насыщается наносами до величины транспортирующей способности, если мутность больше, наносы осаждаются. Критическая мутность зависит от уклона, скорости, глубины потока и состава наносов.

Взвешивающая скорость потока - вертикальная составляющая скорости в потоке, обеспечивающая перемещение твердых частиц. Наносы перемещаются вверх, если v_в>ω. При v_B<ω наносы перемещаются вниз и осаждаются на дно - происходит процесс заиления русла. Взвешивающая скорость v_в зависит от продольной скорости.

Распределение взвешенных наносов по глубине потока подчиняется определенной закономерности. При расчетах отстойников обычно применяют некоторую модель, в какой-то степени отвечающую условиям фактического распределения наносов по глубине потока. Чаще всего при расчетах отстойников часто применяют прямоугольную эпюру. Такая эпюра хотя и не всегда соответствует фактическому распределению наносов, однако позволяет значительно упростить расчеты, а для отстойников, в которых преобладают мелкие наносы, практически отвечает действительному распределению наносов по глубине потока.

Расчеты отстойников

Расчеты отстойников различных конструкций имеют свои особенности и достаточно сложны. При проектировании сооружений предварительно выполняются поверочные расчеты, цель которых определить основные габариты конструкции для осветления требуемого объема воды. Затем, с учетом выбранной конструкции проводят более детальные расчеты, ход выполнения которых можно найти в специальных справочниках по гидротехническим сооружениям.

Приведем порядок предварительных расчетов отстойников.

Исходные данные.

При расчете отстойников должны быть заданы:

1) расходы водопотребления;

2) расчетная мутность речной воды;

3) гранулометрический состав взвешенных нано­сов;

4) диаметр частиц взвешенных наносов, подлежащих осаждению в камерах;

5) уровни верхнего бьефа плотинных гидроузлов и уровни нижнего бьефа у устья промывного водовода.

Учитывая, что при расчете отстойников переменных величин больше, чем имеется уравнений для их определения, некоторые из этих пере­менных задают, руководствуясь нормативными указаниями и опытом проектирования. К числу задаваемых переменных величин при проектировании головных отстойников, предназначенных для осаждения крупных фракций, относятся:

1) средняя глубина воды в камерах отстойника, принимается в пределах 3÷5 м;

2) средняя продольная скорость потока при осаждении взвешенных наносов V, принимается в пределах 0,2÷0,4 м/с;

3) промывной расход при гидравлическом смыве наносов Q_np, принимается равным (1÷1,5) Q_K.

4) гидравлическая крупность наименьших осаждающихся частиц наносов ω_min =0,05 м/с.

Отклонение от приведенных величин при надлежащем обосновании допускается в обе стороны.

Движение воды в отстойнике происходит со скоростями, при которых турбулизирующие возмущения обладают малой энергией. Расчет осаждения наносов в этих условиях выполняют как при ламинарном режиме течения.

Объем камеры отстойника в первом приближении принимается

W_отст=Q_макс/v, м²; (3.3.17)

где Q_макс – расход максимального водопотребления;

v - средняя продольная скорость потока при осаждении взвешенных наносов v_cp, принимаемая в пределах 0,2÷0,4 м/с;

Ширина камеры отстойника B_отст зависит от ширины водозабора (подводящего канала), для уменьшения скорости в отстойнике принимается больше вn раз (на практике n =2÷3).

Глубина отстойника

h_{ср =} W_отст /B_отст, м. (3.3.18)

Одна из важных характеристик отстойника - его проточность, определя­емая отношением объема воды в отстойной камере к расходу

t₀=W_h/Q_h,, с. (3.3.19)

Это время, в течение которого вода в камере будет полностью заменена другой и происходит отстаивание наносов.

Длину камеры отстойника определяют по расчетному наиболее мелкому осаждающемуся зерну наносов ω_min. Время для осаждения такого зерна

, с; (3.3.20)

=vt₀, м. (3.3.21)

где Q – расход воды; b – ширина камеры; ω_min – гидравлическая крупность осаждающихся частиц, h_ср - средняя глубина камеры v – скорость потока.

Если сделать камеры длиной l_max то после небольшого времени осаждения объем ее за счет заиления уменьшается и в канал будут поступать наносы с крупностью больше ω_mшт.

Поэтому объем камеры обычно делают больше на величину допустимого объема заиления

L=kl_max, где k=1,2÷1,5. (3.3.22)

Степень осветления воды - отношение мутности потока на выходе из отстойника к мутности его на входе. Она зависит от требований водопотребителя. Мелиоративные отстойники предназначены для осаждения мелких фракций взвешенных наносов (диаметр которых не превышает 0,1 мм), составляющих значительную долю общей мутности потока (до 70% и даже больше). В соответствии с поставленными условиями о степени осветления воды рассчитывают и размеры отстойника. Длина головных отстойников, предназначенных для осаждения крупных фракций наносов, получается сравнительно небольшой - около 100 м. Оросительные же от­стойники, в которых осаждаются мелкие фракции наносов с целью уменьшения мутности, имеют длину 3 ÷ 4 км и более. Значительная длина ирригационных отстойников составляет одну из их особенностей.

Для полива мутность должна быть не более 0,04 г/л (СНиП 2.06.03-85 «Мелиоративные системы и сооружения»).