Боковой водозабор.
Боковой водозабор является одним из наиболее распространенных типов водозаборных сооружений, так как имеет сравнительно простую конструкцию и может применяться на всех участках при одностороннем и двустороннем отводе воды. Однако наиболее часто он применяется на предгорных и равнинных участках рек, где условия для его применения наиболее благоприятные [3].
Отвод воды в боковом водозаборе осуществляется под некоторым углом к течению реки через открытые водоприемники, к которым примыкает водосбросная плотина с низким порогом.
Недостатком такого водозабора является захват в водоприемник большого количества наносов, которое существенно превышает долю отводимого в канал расхода реки. Это является следствием возникновения циркуляционного течения при боковом отводе воды, в результате которого водоприемник питается преимущественно из донных слоев речного потока, наиболее насыщенных наносами.
Уменьшение захвата крупных фракций наносов при боковом водозаборе достигается введением в его конструкцию ряда дополнительных устройств: входных порогов, донных промывных галерей, выносных полков, наносозащитных козырьков, искусственных криволинейных подводящих русел и пр.
Наиболее перспективными являются боковые водозаборы, в которых для борьбы с наносами используется поперечная циркуляция, возникающая или искусственно создаваемая перед боковыми водоприемниками. Наиболее характерными боковыми водозаборами, основанными на использовании поперечной циркуляции, являются водозаборы с наносоперехватывающими галереями системы (рисунок 51).
Плотина состоит из глухой и водосбросной частей. Последняя, в свою очередь, состоит из водосливной плотины без затворов или с затворами на гребне и промывных отверстий с низким порогом и затворами.
К промывным отверстиям плотины примыкает водоприемник. В его пороге устраиваются наносоперехватывающие галереи, входные отверстия которых размещены выше и ниже верхней стенки водоприемника в зоне концентрации донных наносов.
II - II
III - III
I - I
1 - водоприемник; 2 - аванкамера; 3 - криволинейный порог; 4 - канал; 5 - промывник аванкамеры; 6 - наносоперехватывающие галереи; 7 - водосбросная плотина; 8 - понур; 9 - сдвоенные затворы промывных отверстий плотины; 10 - решетка водоприемника; 11 - затворы водоприемника.
Рисунок 51 - Боковой водозабор с наносоперехватывающими галереями
Непосредственно за водоприемником может располагаться пескогравиеловка в виде кривилинейного порога, в конце которого устраивается промывное отверстие с затвором.
На входе в водоприемник и в конце пескогравиеловки на входе в канал также устанавливаются затворы. Перед затворами водоприемника устанавливаются мусороудерживающие решетки.
Принцип действия водозабора основан на использовании циркуляционного течения, возникающего в результате изгиба струй при повороте потока в боковой отвод. При этом в районе верхней стенки водоприемника в потоке возникает зона с пониженным давлением, куда устремляются донные струи и влекомые ими наносы. Расположенные здесь наносоперехватывающие галереи, работая непрерывно или периодически, отводят поступающие наносы в нижний бьеф [6, 7].
Промывные отверстия водосбросной плотины в нормальных условиях эксплуатации рекомендуется держать закрытыми. В этом случае при натекании на них речного потока возбуждается циркуляционное течение, при котором возникают обратные донные струи, отжимающие основную массу донных наносов от входа в водоприемник.
Интенсивные циркуляционные течения, возникающие перед водоприемником, обеспечивая отвод основной массы донных наносов в наносоперехватывающие галереи, в то же время вызывают взмучивание части донных наносов, которые во взвешенном состоянии могут проникать в водоприемник. Прошедшие в водоприемник наносы перехватываются пескогравиеловкой и отводятся в нижний бьеф, чем достигается высокая степень осветления воды, забираемой в канал.
Водозабор с наносоперехватывающими галереями рекомендуется применять на горных и предгорных участках рек для забора в канал расхода воды от 5 до 150 м3/с при глубине потока перед фронтом водозабора Н = 2-8 м.
Отметка нормального подпорного уровня в верхнем бьефе должна обеспечивать отвод расчетного расхода воды в канал и получение необходимых промывных скоростей в галереях (4-7 м/с).
Пролеты промывных отверстий водосбросной плотины открывают при пропуске максимальных расходов воды в реке, при промыве отложившихся в верхнем бьефе наносов и при пропуске льда и шуги. С этой целью они оборудуются сдвоенными затворами, допускающими поверхностный перелив воды.
При больших относительных отводах воды в канал (50—80 %) порог промывных отверстий плотины располагается на 1-1,5 м выше уровня среднего бытового дна реки, что уменьшает опасность его завала наносами со стороны нижнего бьефа.
Затворы промывных отверстий плотины для увеличения интенсивности благоприятного циркуляционного течения рекомендуется располагать ближе к водоприемнику в створе, где обычно располагаются шандорные заграждения, которые в данном случае располагаются ниже рабочих затворов.
Ширина всех отверстий водосбросной плотины устанавливается гидравлическим расчетом и должна обеспечивать пропуск расчетных максимальных расходов воды при расчетных уровнях верхнего бьефа.
Водосливная поверхность промывных отверстий плотины и внутренние поверхности галерей облицовываются материалом, устойчивым против истирания наносами — твердыми породами камня, стальными листами, чугунными плитами и пр.
В качестве бокового водозабора, применяется ферганский водозабор преимущественно на предгорных участках рек, но может применяться и на равнинных участках. В состав сооружений водозаборного гидроузла входят криволинейное подводящее русло реки устойчивой ширины, водоприемник, водосбросная плотина с низким порогом и отводящее русло (рисунок 52) [8].
Водоприемник устраивают на вогнутом берегу. На входе в водоприемник устраивается входной порог, которому рекомендуется придавать в поперечном сечении Г-образное очертание.
В результате поперечной циркуляции, возникающей в криволинейном подводящем русле, поверхностные осветленные струи потока устремляются к вогнутому берегу и отводятся оттуда в водоприемник, а донные струи и транспортируемые ими наносы направляются к выпуклому берегу и перемещаются вдоль него в пролеты водосбросной плотины.
При значительных колебаниях расходов воды в подводящем русле в состав сооружений гидроузла дополнительно включают боковой автоматический водослив с гребнем на отметке НПУ, примыкающий к водосбросной плотине (рисунок 52).
а - без бокового водосброса; б - с боковым автоматическим водосбросом;
1 - криволинейное подводящее русло; 2 - водосбросная плотина; 3 - водобой; 4 - отводящее русло; 5 - Г-образный порог; 6 - водоприемник; 7 - криволинейный автоматический водосброс.
Рисунок 52 - Ферганский водозабор (по Гришину, 1979)
Благодаря устройству бокового водослива ширину русла у водозабора можно уменьшить, что позволяет сохранить пропускную способность русла в паводок и увеличить интенсивность благоприятной циркуляции в потоке в период межени.
Размеры криволинейного подводящего русла, водосбросных сооружений и водоприемника устанавливаются гидравлическим расчетом.
Успешная борьба с донными наносами в Ферганском водозаборе обеспечивается при коэффициенте водозабора 0,6—0,7. При более высоких значениях коэффициента водозабора для борьбы с наносами применяются дополнительные устройства (наносоперехватывающие галереи, наносоотбойные стенки и т. д.) или допускается аккумуляция наносов в верхнем бьефе с последующей их промывкой через водосбросную плотину при возрастании промывных расходов.
При двустороннем отводе воды в Ферганском водозаборе вследствие специфики его устройства вода на другой берег может подаваться дюкером, который часто устраивается в фундаментной плите водосбросной плотины.
Фронтальные водозаборы характеризуются фронтальным расположением отвода воды по отношению к оси речного потока. Они применяются на предгорных и равнинных участках рек при одностороннем и двустороннем водозаборе [13].
Могут быть две принципиальные схемы фронтальных водозаборов: основанные на вертикальном расслоении потока и на использовании искусственно создаваемой поперечной циркуляции.
В состав фронтальных водозаборов, основанных на вертикальном расслоении потока, входят устойчивое прямолинейное подводящее русло, устройство для отвода воды и борьбы с наносами, водосбросная плотина с низким порогом, отводящее русло.
Существует много разновидностей таких водозаборов (рисунок 53). При отводе небольших расходов воды применяется лотковый водозабор, в котором осветленные слои потока отводятся в лоток, расположенный между быками водосбросной плотины, и дальше в канал, а донные слои потока, насыщенные наносами, проходят в нижний бьеф через отверстия под лотком [8, 9].
I - I
I - I
I - I
а - лотковый; б - с промывными карманами; в - двухъярусный; 1 - плотина; 2 - промывные отверстия; 3 - железобетонный лоток; 4 - магистральный канал; 5 - входной порог; 6 - карман; 7 - разделительная стенка; 8 - водоприемник.
Рисунок 53 - Типы фронтальных водозаборов (по Гришину, 1979)
На предгорных участках рек при небольших коэффициентах водозабора применяются водозаборы с промывными карманами, в которых осаждающиеся наносы периодически промываются в нижний бьеф через промывные отверстия. Вода в канал отводится через водоприемник с входным порогом, примыкающий к промывным отверстиям. В водозаборе с промывным карманом происходит взмучивание донных наносов при резких изгибах потока на входе в карман и в водоприемник, и они во взвешенном состоянии проникают в канал.
Фронтальный двусторонний водозабор с боковыми наносоперехватывающими галереями (рисунок 54) основан на том же принципе, что и боковой водозабор с наносоперехватывающими галереями и имеет с ним много общих конструктивных элементов. Их отличие заключается в устройстве фронтального промывного кармана, в разделительной стенке которого располагаются водоприемные отверстия и наносоперехватывающие галереи, симметричные аналогичным береговым элементам [8].
На другой берег вода подается дюкером, расположенным в теле водосливной плотины или перед ней.
В результате строго бокового отвода воды в водоприемники и натекания потока на затворы промывных отверстий кармана в нем возникают интенсивные циркуляционные течения, которыми донные наносы направляются в лево- и правосторонние наносоперехватывающие галереи.
Донные наносы, прошедшие во взмученном состоянии в водоприемники, перехватываются пескогравиеловками, расположенными на обоих берегах перед входом в каналы.
Скорость течения в водоприемниках принимается либо равной скорости в кармане, либо несколько меньше (1,5-2 м/с).
Фронтальный водозабор с криволинейным карманом рекомендуется для применения на предгорных участках рек при одностороннем и двустороннем отводе воды при коэффициентах водозабора до 0,9.
Он состоит из водосбросной плотины с низким порогом, расположенной под углом 25-40 к основному направлению речного потока в верхнем бьефе, и фронтального криволинейного кармана с порогом на входе.
После горизонтального входного участка дно кармана понижается до отметки понура. Это понижение выполняется в виде виража, имеющего поперечный уклон в сторону выпуклого берега.
В конце виража устраивается радиально расположенный вертикальный донный уступ переменной высоты. В месте пересечения линии донного уступа с выпуклым берегом располагается отверстие промывной галереи.
I - I
II - II
III - III IV - IV
1 - водосливная плотина; 2 - наносоперехватывающие галереи; 3 - смотровые колодцы галерей; 4 - затворы в конце галерей; 5 - сдвоенные затворы промывных отверстый кармана; 6 - пазы для шандор; 7 - затвор промывника; 8 - затворы магистральных каналов; 9 - криволинейные пороги; 10 - затворы водоприемника; 11 - съемные решетки; 12 - затворы входных отверстий галерей; 13 - карман; 14 - струенаправляющая стенка; 15 - разделительная стенка; 16 - водопроводящие дюкеры.
Рисунок 54 - Фронтальный двусторонний водозабор с наносоперехватывающими галереями (по Гришину, 1979)
Ниже закругления кармана на продолжении вогнутой стенки, а при двустороннем водозаборе и на продолжении выпуклой стенки располагаются водоприемники с входными порогами. Перед водоприемником на продолжении выпуклой стенки устраивается небольшой выносной полок. Криволинейный карман заканчивается двумя промывными отверстиями, разделенными быком.
Входные отверстия промывной галереи, водоприемников и промывного устройства оборудуются затворами. В промывных отверстиях устанавливаются сдвоенные затворы, а перед затворами водоприемников — мусороудерживающие решетки.
Принцип действия водозабора основан на искусственном создании благоприятных для борьбы с наносами циркуляционных течений, как в криволинейном кармане, так и на подходе к нему. Такая циркуляция возникает перед входом в карман вследствие его фронтального расположения по отношению к речному потоку при удельных расходах в реке, превышающих удельные расходы воды в кармане, и усиливается боковым сбросом воды через плотину.
Порог на входе в карман выполняет роль дополнительной преграды для крупных донных наносов, уменьшая их поступление в карман.
Прошедшие в карман донные наносы циркуляционным течением на закруглении кармана транспортируются к входному отверстию промывной галереи у выпуклой стенки.
Конфигурация дна кармана в виде виража усиливает благоприятную поперечную циркуляцию, а устройство донного уступа в конце виража и возникающее за ним винтовое течение в сторону входного отверстия промывной галереи фиксируют место отвода наносов и гарантируют их перехват.
Ниже закругления кармана осветленная от донных наносов вода поступает в водоприемник ниже вогнутой стенки, а при двустороннем водозаборе и в симметрично расположенный водоприемник ниже выпуклой стенки. На другой берег реки вода подается по открытому железобетонному лотку, расположенному на продолжении быков водосбросной плотины.
Промывные отверстия в конце кармана выполняют вспомогательную роль, которая состоит в промывке кармана при выходе из строя промывной галереи, защите водоприемника от мусора и шуги путем поверхностного сброса воды в нижний бьеф через сдвоенные затворы.
Основные размеры фронтального водозабора с криволинейным карманом устанавливаются гидравлическим расчетом.
Водозабор обладает высокими противонаносными свойствами при значениях коэффициента водозабора до 0,9, хорошо приспособлен для борьбы с плавником и шугой, не требует регулирования подводящего русла, так как благоприятное циркуляционное течение создается в криволинейном кармане и лишь в той части речного потока, которая подлежит осветлению. Схема маневрирования затворами плотины остается неизменной при всех направлениях потока в верхнем бьефе (по мере нарастания паводка подъем затворов всегда начинается с пролетов, примыкающих к входу в карман), что облегчает эксплуатацию и автоматизацию работы затворов.
Открытый шлюз-регулятор представляет собой лоток прямоугольного сечения со стенками из Г-образных железобетонных блоков и монолитным днищем на бетонной подготовке. Входную и выходную части сооружения выполняют в виде ныряющих стенок, сопрягающихся с откосами плотины или канала с помощью крепления из железобетонных плит или каменной отмостки. Расход регулируют с помощью плоских металлических затворов с винтовыми подъемниками [20].
Шлюзы-регуляторы открытого типа используются для различных целей: на водосбросных трактах водохранилищных плотин в качестве головных сооружений; в рыбоводном хозяйстве в качестве водопропускных сооружений; как водозаборные сооружения при бесплотинном и плотинном водозаборах из источников с незначительными перепадами уровней и в случае незначительных колебаний уровня перед регулятором; как подпорные или перегораживающие сооружения на каналах для создания необходимых глубин при водозаборе; как вододелители для распределения воды между отдельными потребителями; в качестве водовыпусков в каналы младшего порядка; для пропуска плавающих тел, льда, шуги и т. д.
Открытые регуляторы удобны в эксплуатации, что особенно важно для каналов, работающих круглый год, в условиях шуговых, ледовых явлений. В конструктивном отношении в шлюзе-регуляторе (ШР) выделяют три составные части, отделяемые друг от друга деформационными швами: верховой сопрягающий участок, среднюю часть и низовой сопрягающий участок. Верховой сопрягающий участок включает в себя продольные береговые стенки и плиту понура и служит для сопряжения с каналом, используется обычно при переходе от большей ширины подводящего канала сооружения к меньшей.
Средняя, основная часть сооружения представляет собой лоток прямоугольного, иногда трапецеидального сечения. В пределах лотка размещаются бычки, пазовые конструкции, затворы, служебные мостики и проезжие мосты. Низовой сопрягающий участок служит продолжением средней части сооружения и используется для сопряжения с отводящим каналом и размещения на флютбете гасителей энергии. За низовым сопрягающим участком следует рисберма - водопроницаемая часть флютбета.
Примыкание отдельных частей шлюза-регулятора друг к другу, а также к каналам взаимоувязывается с целью обеспечения благоприятных гидравлических условий протекания потока. На каналах осушительно оросительных систем применяют в основном схемы шлюзов-регуляторов без верхового и низового сопрягающих участков.
