Типы русловых водоприемников, схемы их устройства и условия применения

Русловые водоприемники могут быть затопленными и незатопленными. Для водозаборов малой и средней производительностей наиболее широко применяются затопленные водоприемники. Место расположения водоприемника в русле реки должно отвечать общим требованиям к месту расположения водозабора (см. п. 2. 1).

По конструкции затопленные водоприемники могут быть раструбные, трубчатые, ряжевые, свайные, бетонные, железобетонные, фильтрующие, зонтичные и усовершенствованные комбинированные. Выбор типа водоприемника производится в зависимости от наличия на реке судоходства и лесосплава (особенно сплава плотами), от производительности водозабора, шуголедовых условий и рыбозащиты и требуемой надежности.

Металлические и деревянные водоприемники на судоходных и лесосплавных реках (при сплаве леса плотами) могут быть повреждены спущенными якорями судов или тормозными волокушами плотов. На таких реках устраиваются массивные защищенные бетонные или железобетонные водоприемники.

Независимо от типа затопленного водоприемника на входном конце самотечной или сифонной трубы устраивается воронка в виде раструба для уменьшения входных скоростей, захвата донных примесей и подсоса шуги к отверстиям решеток. На шугоносных реках для защиты от шуги водоприемники выполняют с сильно развитыми площадями входных окон, принимая скорости втекания воды в них 0,05-0,1 м/с.

Рис.5. Раструбные водоприемники:

а – косой; б – косой с наклонной решеткой:

1 – раструбная воронка; 2 – самотечный водовод; 3 – решетка; 4 – упор

Водоприемник раструбного типа (рис. 5) выполняется из металла (труб, листового железа), устроен в виде раструбной воронки на конце самотечного или сифонного водовода. Во входном окне раструба устанавливают грубую решетку. Водоприемник применяется для забора воды из глубоких рек или глубоких плесов (6-10 м), не заполняемых шугой в период ледостава, и из рек, на которых нет ни судоходства, ни лесосплава в месте водозабора. Косой раструбный водоприемник (см. рис. 5, а) хорошо обтекается потоком. Втекание воды в водоприемник достаточно равномерное, но с некоторым подсосом донных течений. Область питания лежит во всем слое потока, который набегает на раструб. Выход промывной воды при обратной промывке самотечной линии и решетки равномерный по сечению. Промывная вода хорошо относится от водоприемника.

Косой раструбный водоприемник с наклонной решеткой (см. рис. 5, б). Донные и придонные слои потока полностью обтекают такой водоприемник, поэтому захват шуги и наносов в него может быть исключен. Для этого требуется большое заглубление и определенный угол наклона решетки (5° к вертикали). При обратной промывке вода выходит у верхового борта.

Рис.6. Трубчатый односекционный водоприемник с вихревой камерой

Трубчатый односекционный водоприемник с вихревой камерой (рис. 6) состоит из приемной камеры 1 с решеткой 2 в верхней части и вихревой камеры 3. Приемная камера устроена по схеме раструба. К торцу водоприемника присоединен самотечный водовод 5 с помощью раструбного приемного патрубка 4. Поток забираемой из водоема воды, пройдя решетку, направляется с увеличивающейся скоростью в низ приемной камеры, где он поворачивает и входит в вихревую камеру, в которой формируется сложное винтовое течение. Входящий в вихревую камеру поток стремится двигаться по внешнему контуру ее поперечного сечения. В центре камеры образуется область с движением потока вдоль ее оси к приемному патрубку. Давление по контуру вихревой камеры соответствует давлению в приемной камере, давление в центре определяется условиями входа в приемный патрубок самотечного водовода. Разность между давлениями на периферии и в центре мало изменяется по длине водоприемного фронта, в результате чего обеспечиваются условия для равномерного входа воды по всей площади решетки. С целью создания условий для равномерного вытекания воды и очистки решетки при промывке самотечного водовода приемный патрубок присоединяется к водоприемнику так, чтобы ось обратного потока не совпала с осью центральной области, а образовала с ней угол b ³ 20°.

Вихревая камера (см. рис. 6) имеет продольную входную щель постоянной высоты, переменные площади поперечных сечений по длине, увеличивающиеся в направлении течения, тангенциальную скорость втекания w в плоскости какого-либо поперечного сечения, большую средней скорости u в нем не менее чем в 1,15 раза. Такая камера называется щелевой.

Применение в водоприемниках вихревых камер, обеспечивающих равномерность забора воды, позволяет устраивать водозаборы с большой площадью и длиной приемных окон, т. е. уменьшать входные скорости до 0,03 - 0,1 м/с для защиты от шуги и предотвращения захвата рыбы. Поэтому водоприемники с вихревыми камерами по гидравлическим условиям и равномерности входа воды в приемные окна большой площади и промывки решеток являются наиболее совершенными.

Трубчатые водоприемники выполняются из металла (см. рис. 6) или железобетона. Металлические трубчатые водоприемники применяются для забора воды из рек и водохранилищ при отсутствии судоходства, лесосплава и донного льда, железобетонные - из судоходных и лесосплавных рек. Водоприемники могут быть расположены вдоль или поперек потока (на эстакаде). Площадь приемных окон водоприемника до 15 - 20 м². Расположение решеток окон может быть наклонным или горизонтальным. На шугоносных реках, если наблюдается подныривание шуги под лед при ледоставе, горизонтальное расположение решеток не рекомендуется.

Рис.7. Ряжевый водоприемник с наклонной решеткой

Ряжевый водоприемник (рис. 7). Ряж представляет собой сруб (ящик) из бревен. В ряже укрепляют раструбы самотечных труб. Обычно ряж рубится на берегу и подводится на плаву к месту установки. В дне реки перед установкой водоприемника устраивается выемка. Для погружения в воду на дно ряжа насыпается камень. Дно устраивается из пластин на втором венце бревен от низа. Водоприемник выполняется с боковым или наклонным расположениями металлических или деревянных решеток.

В практике водоснабжения ряжевые водоприемники ранее имели широкое распространение. Для хозяйственно-питьевых водозаборов в настоящее время их применяют реже, так как в период половодья в щелях ряжа застревают корни растений, солома и другие загрязнения, подверженные гниению и влияющие на бактериологические показатели качества воды.

Применяются ряжевые водоприемники на реках при молевом сплаве леса (россыпью) и шугоносных реках, особенно в условиях донного льдообразования. Считают, что ряж является хорошим средством борьбы с шугой при входных скоростях менее 0,05 м/с.

Для забора воды из шугоносных рек предложен к применению в производственных водопроводах комбинированный водоприемник ряжевого типа. Он состоит из фильтрующих секций и секций обычного ряжевого водоприемника (открытых секций). Фильтрующие секции выполнены из ряжей, рубленных с просветами. Внутри ряжей располагаются коллекторы, которые при помощи самотечных труб соединяются с береговым колодцем. Полости между наружными стенками ряжей и коллектора засыпаны крупным камнем. Прием воды осуществляется через щели ряжа и загрузку с малыми скоростями (0,03-0,05м/с).

Фильтрующие секции включаются в работу в осенне-зимний период, когда в реке образуется внутриводный лед. Открытые секции работают в периоды отсутствия шуги. Очистка фильтрующих секций от наносов производится путем их промывки обратным током воды. Для предотвращения примерзания донного льда к каменной насыпи фильтрующих секций подводится отработавшая теплая вода, выпуск которой осуществляется выше водоприемника по течению реки.

Свайный водоприемник состоит из ряда свай, забиваемых с просветами по такому же контуру, как и в ряжевых водоприемниках. В сваях укрепляются концы самотечных труб с решетками. В местах прохода самотечных труб сваи спиливаются, промежутки выше труб забираются горизонтальными бревнами. Пространство внутри свайных рядов засыпается крупным камнем. Дно вокруг водоприемника укрепляется фашинным тюфяком с пригрузкой камнем. Условия применения те же, что и ряжевых водоприемников.

Бетонный водоприемник. Для его выполнения изготовляется на берегу металлический кожух, в котором укрепляют концы самотечных труб. Кожух доставляется к месту установки на плаву или по льду и опускается путем затопления на подготовленное основание. Заполнение кожуха бетоном производится по методу вертикально перемещающейся трубы. Кожух может быть с дном или без дна для связи бетона с основанием (скальным грунтом или свайным ростверком). Водоприемники могут устраиваться односекционными, т. е. отдельными для каждой самотечной линии (рис. 8) и двухсекционными - для двух линий (рис. 9).

Железобетонный водоприемник. Для его изготовления устраивается железобетонная коробка (корпус) в виде баржи, в которую заделывают концы самотечных труб. Коробка доставляется к месту установки и затопляется путем загрузки в нее камня.

Для забора воды из шугоносных рек рекомендуется к применению водоприемник с двухсторонним приемом воды конструкции А. С. Образовского (ВНИИВОДГЕО), схема устройства которого приведена на рис. 10. Он представляет собой железобетонную баржу 1, разделенную перегородкой на две длинные аванкамеры 2 вихревые камеры переменного сечения, которые в отличие от щелевых называются упрощенными или открытыми. К торцам камер присоединены самотечные трубы 4 с приемными патрубками 5 в виде раструба, верх которого располагается не выше порога водоприемных окон. Вместо раструба вход воды из вихревой камеры в самотечную трубу может быть оформлен в виде вихревого патрубка. Камеры имеют большую площадь приемных окон. Решетки 6 устроены из вертикальных стержней прямоугольного сечения, установленных под углом 135° к направлению течения потока, в результате чего решетка приобретает свойство самоочищаемости. В водоприемнике предусмотрена возможность очистки решеток при промывке самотечных труб. Верховая часть водоприемника выполнена в форме ледореза 3, укрепленного железобетонными плитами.

Достоинства водоприемника: 1) наличие аванкамер, позволяющих увеличить площадь приемных окон и уменьшить скорости входа воды в них для уменьшения подсоса шуги;

2) независимо действующие приемные окна, исключающие перетекание воды с одной стороны водоприемника в другую в случае косого обтекания его потоком; 3) простое устройство открытых вихревых камер.

Недостатком открытых вихревых камер является некоторая неравномерность распределения расходов воды по площади приемных окон. Для обеспечения равномерности распределения входящего и обратного (при промывке) потоков воды по площади окон применяют вихревые камеры другой конструкции. На рис. 11 показан железобетонный (может быть бетонным) водоприемник с более совершенными цилиндрическими щелевыми вихревыми камерами.

Схемы конструкции водоприемников приведены в [2, рис. 4.16].

Фильтрующий водоприемник состоит из трех основных элементов: несущего каркаса или корпуса, водоприемного фильтра с поддерживающими его решетками и водосборной части, сопрягающейся с самотечной трубой [5]. Применяется на всех реках, кроме горных, при отсутствии лесосплава плотами. Водоприемник может использоваться в качестве рыбозащитного устройства или в качестве фильтрующих секций в составе комбинированного водоприемника (рис. 12). Корпус водоприемника чаще всего выполняется в виде ряжа из дерева, в редких случаях изготовляется из железобетона или бетона.

Водоприемные фильтры подразделяются на три типа: I - с горизонтальным расположением фильтрующей загрузки на решетке и входом воды сверху вниз (рис. 13, а), применяется на реках с тяжелыми шуголедовым и наносным режимами и малой глубиной подо льдом; II - с горизонтальным расположением загрузки и входом воды снизу вверх (рис. 13, б), применяется на реках с достаточными глубинами, в основном для рыбозащиты и одновременного предотвращения захвата сора и наносов; III - с расположением фильтра в вертикальной плоскости и входом воды по горизонтали (см. рис. 12), применяется для предотвращения захвата транзитной шуги, а также для рыбозащиты. В качестве фильтрующей загрузки используют гальку и щебень. Крупность и размер слоя фильтров всех типов принимают по рекомендациям [5].

Водосборная часть водоприемника устраивается в виде щелевой вихревой камеры, дырчатой трубы, бункера, открытой вихревой камеры из деревянных брусьев, укрепленных с просветами, или деревянной галереи с постоянной площадью поперечного сечения по длине и со щелевыми отверстиями в стенках.

Забор воды осуществляется через фильтрующую загрузку в водосборную часть водоприемника, из которой отводится вихревыми камерами в самотечные водоводы.

На реках со сложным шуголедовым режимом предусматривается обогрев водоприемника теплой водой.

Усовершенствованный комбинированный водоприемник (см. рис. 12) представляет собой водоприемник ряжевого типа с открытыми и фильтрующими секциями. Усовершенствование заключается в применении вихревых камер (открытых или щелевых). На рис. 12 показан водоприемник с цилиндрическими вихревыми камерами переменного сечения, имеющими продольные входные щели постоянной высоты. На производительность до

1 м³/с в каждой секции водоприемника цилиндрические камеры устраиваются двухзвенными, на большую производительность - трехзвенными.

Фильтрующие секции включаются в работу в период образования внутриводного льда, а также в период ската рыбной молоди. В остальное время, особенно при увеличении количества наносов, работают открытые секции.

Промывка секций от наносов осуществляется поочередно обратным током воды. Для обратной промывки самотечной линии, открытой секции, а также решетки предусматривается подача расхода воды в 1,25 раза больше забираемого секцией. Особенно эффективным для очистки решеток является воздействие волны давлений при импульсной промывке. Расход воды для промывки загрузки фильтрующих секций принимается в зависимости от типа фильтра по данным [5].

Водоприемник рекомендуется к применению на равнинных реках, в верховьях водохранилищ, на водоемах рыбохозяйственного значения, а также в водозаборах, устраиваемых по схемам б и в при глубине русла не менее 3,0 м и при отсутствии судоходства и лесосплава плотами в месте забора воды.

Затопленные водоприемники устраивают с заостренной формой лобовой грани на шугоносных реках и с лобовой гранью, очерченной по эллипсу (отношение полуосей 1 : 1,5 - 1: 1,7), - на реках, несущих наносы.

Основания водоприемников всех типов заглубляют на 1,0-1,5 м ниже дна. Низ приемных окон должен располагаться над дном реки (высота порога) на высоте не менее 0,6 м. Расстояние между верхом водоприемника и нижней кромкой льда при расчетном низком уровне ледостава принимается равным 0,2-0,3 м.

Незатопленный водоприемник применяется на больших реках с крутыми высокими берегами и на реках со значительными колебаниями уровней (более 10 м) для водоснабжения крупных объектов с расходом воды 5-8 м³/с.