Фронтальные поверхностные плотинные водозаборные гидроузлы
Под фронтальными понимают гидроузлы, в которых поступление воды в водозаборное сооружение происходит фронтально, то есть в направлении, совпадающем с направлением движения основного потока реки. Особенность фронтального водозабора — поверхностный водоотбор из верхних очищенных от донных и придонных наносов слоев речного потока и донный промыв наносов транзитом по реке. Для борьбы с донными наносами широко используют особенности гидравлической структуры потока. По условиям гидравлического промыва наносов эти водозаборные гидроузлы бывают с фронтальным и боковым промывом. Конструктивно фронтальные гидроузлы в зависимости от устройства для борьбы с наносами делятся на двухъярусные; с карманом; с наносоперехватывающими галереями; с донными промывными галереями; с устройствами для возбуждения поперечной циркуляции и др. Возможно сочетание различных устройств для борьбы с наносами в одном гидроузле.
Гидроузлы с фронтальным промывом донных наносов. Существует три основных типа таких гидроузлов. Лотковый водозабор (рис. 11.12, а) основан на использовании явления обтекания преграды, расположенной нормально к оси потока, и состоит из водосбросной плотины 1, которая имеет большие пролеты для пропуска паводковых расходов реки и несколько двухъярусных пролетов меньшего размера для забора воды. Воду забирают из верхних слоев в железобетонный лоток 3; из него она в трубу, проходящую через тело водосбросной плотины, поступает в канал 4, а через донные отверстия 2 под лотком пропускаются транзитные расходы реки с донными наносами. Дну лотка 3 придают уклон, достаточный для создания необходимой продольной скорости. От взвешенных наносов воду очищают далее в отстойниках. Лотковые водозаборные узлы применяются на предгорных участках рек и характеризуются небольшим коэффициентом водозабора.
Водозаборный гидроузел с карманом (рис. 11.12,6). Впервые такой водозабор применили в Индии, поэтому его иногда называют индийским. Водозаборные узлы с карманами возводят на прямолинейных участках рек с подачей воды на один или два берега. В последнем случае большую роль играет регулирование русла в верхнем бьефе для создания устойчивой ширины, обеспечивающей одинаковые условия водоотбора. Приемной частью водозаборного узла служит карман 6 перед головным сооружением (шлюзом-регулятором) 8, образующийся при устройстве раздельной стенки 7 (при двустороннем водозаборе карман устраивают у обоих берегов). В конце кармана по всей его ширине размещают промывные отверстия (промывни- ки), которые входят в состав водосбросного фронта плотины. Через промывные отверстия периодически смываются наносы, отложившиеся в кармане.
В период пропуска через гидроузел максимальных (паводковых) расходов промывники открывают и работают ими как составной частью водосбросной плотины. Скорости в кармане при закрытых затворах отверстий промыв- ников и открытых затворах регулятора принимают в диапазоне 0,4...0,6 м/с. В этих условиях карман работает как отстойник, поэтому и водозаборный узел такого типа иногда называют фронтальным с карманом-отстойником. Расходы реки сбрасывают через пролеты водосбросной плотины, расположенные при двустороннем водозаборе между карманами.
Эти водозаборы имеют следующие недостатки: плохая промываемость карманов; необходимость отключения канала на период промыва; тяжелое крепление нижнего бьефа.
Двухъярусный водозаборный гидроузел с криволинейными водоотводящими лотками и донными промывными галереями (тип Эльсдена) (рис. 11.12, а) применяют на равнинных и реже на предгорных участках рек при прямолинейных подводящих руслах.
Принцип работы этих гидроузлов основан на предположении вертикального расслоения потока воды горизонтальной плитой. При этом считается, что слои не перемешиваются между собой и нижние из них, насыщенные донными и придонными наносами, сбрасываются через промывные отверстия в НБ, а верхние, насыщенные преимущественно взвешенными наносами, поступают в канал по криволинейным лоткам. Благоприятным считается гидравлический режим, при котором скорости потока на вертикали примерно одинаковы, что достигается соответствующим подбором сечений промывных и водозаборных отверстий. Гидравлический режим в промывни- ках может быть напорным и безнапорным, причем предпочтительнее безнапорный, как обеспечивающий более благоприятные условия для промыва. Для регулирования расходов воды во входной части водозабора устанавливают двухъярусные затворы. В конце промывников, со стороны нижнего бьефа, полезно также предусматривать шандорные пазы на случай отключения труб промывника для осмотра и ремонта.
Существует множество конструктивных вариантов этого типа гидроузла. Недостатки этих водозаборных гидроузлов: взмучивание воды и завлечение некоторой части донных наносов в магистральный канал; значительное стеснение водосбросного фронта плотины; сложность конструкции двухъярусного сооружения с криволинейными лотками; затрудненность борьбы с ле- дошуговыми явлениями, с плавающими телами, мусором и др.
Гидроузлы с боковым промывом донных наносов. Существует несколько основных разновидностей этих гидроузлов.
Фронтальный водозаборный гидроузел с наносоперехватывающими галереями (рис. 11.13, а) основан на использовании принципа обтекания потоком вертикальной преграды. Он включает водосливную плотину; карман, примыкающий к одному из берегов реки; промывные отверстия (промывники), являющиеся составной частью водосбросного фронта плотины; регулятор (головное сооружение); дюкеры, расположенные в стенках кармана и подающие воду в каналы на оба берега; наносоперехватывающие галереи, входные отверстия которых размешены в стенках кармана и обеспечивают боковой промыв наносов. Поток реки, входя в карман, натекает на водосбросную плотину, вследствие чего образуется реактивное донное течение, направленное навстречу основному течению в кармане. На стыке этих встречных движений у фронта надвигающейся наносной гряды образуются мощное винтовое движение и область пониженного давления. Отверстия наносоперехватывающих галерей стремятся располагать именно в этой зоне.
Глубину потока в верхней части кармана (до промывных галерей) определяют по формуле
Фронтальный водозаборный гидроузел с донными промывными галереями (рис. 11.13, б) называют еще послойным с фронтальным отводом воды (европейским). Это название наиболее полно отражает его конструктивные особенности и работу, включая принципы борьбы с захватом донных наносов, основанные на предположении слоистой структуры потока. Характерная особенность этих водозаборных гидроузлов — совмещение регулятора с отстойником, располагаемым за плотиной.
Разновидностью гидроузла такого типа может служить водозабор с карманом-отстойником (рис. 11.14, о). Отличие его состоит в том, что перед входом в карман-отстойник имеется промывная галерея 2. Карман разделен на три камеры, оборудованные в начале и конце промывными галереями, позволяющими поочередно переключать камеры отстойника то на подачу осветленной воды, то на промывку наносов. В третьей камере предусмотрено промывное отверстие для промывки и сброса части паводкового расхода. Этот водозабор имеет хорошие про- тивонаносные свойства, но громоздок, требует больших непроизводительных сбросов, сложен в эксплуатации. Обычно он рекомендуется для равнинных участков рек. Недостатки его: большая ширина входа в регулятор и, как следствие этого, — удлиненные камеры отстойника; потеря части полезной длины камер для размещения про- мывников.
Во фронтальном водозаборе с криволинейным карманом (рис. 11.14, б) борьба с наносами основана на использовании поперечной циркуляции и вихревого горизонтального вальца, образованного с помощью донного уступа в конце виража. Недостатки его: проскок наносов за пределы промывного отверстия; низкий коэффициент водозабора; сложность компоновочного и конструктивного решения сооружений гидроузла; относительно сложные условия эксплуатации.
Водозаборный гидроузел с криволинейным подводящим руслом (ферганский). В ферганских водозаборных гидроузлах используется поперечная циркуляция, для возникновения которой подводящему руслу в плане придают криволинейное очертание, а его ширину принимают равной ширине устойчивого русла. Водозаборочное сооружение размещается на вогнутом берегу. В состав узла (рис. 11.15, а) входят криволинейное подводящее русло; водосбросная плотина с затворами; водоприемный порог различной конструкции, примыкающий к плотине со стороны вогнутого берега, через который идут водоотбор и последующая водоподача через регулятор в канал. Порог водоприемника должен быть расположен выше дна реки (понура) не менее чем на 1,5...2 м. Перед регулятором устанавливают открытый водоприемный Г-образный криволинейный порог, который размещают таким образом, чтобы движение донных струй вместе с наносами проходило под полкой порога с пропуском части их расхода в пролеты плотины, примыкающие к порогу.
Наиболее эффективно ферганский гидроузел работает в том случае, если одновременно с водозабором в канал вода сбрасывается в нижний бьеф через водосбросную плотину; его эффективность будет тем выше, чем меньше коэффициент водозабора. Опыт эксплуатации показал, что при коэффициенте водозабора до 0,6 в канал поступает от 1,5 до 3,5% донных наносов. Ферганский водозабор является односторонним, так как поперечная циркуляция, отгоняя наносы от вогнутого берега к выпуклому, перегружает там поток наносами и делает невозможным забор воды со стороны выпуклого берега. Для подачи воды на другой берег необходимо устройство дюкера.
Основные преимущества этих гидроузлов — простота их конструкции и надежность эксплуатации; к недостаткам их относятся неудовлетворительные гидравлические условия протекания сбросных расходов через плотину и очень плохие условия промыва узкого и криволинейного в плане верхнего бьефа от наносных отложений.
Водозаборный гидроузел с косым расположением криволинейной в плане плотины (рис. 11.15, б) применяют на тех участках рек, где узкая пойма начинает расширяться, превращаясь в широкую. Отверстия водосбросной плотины перекрываются сегментными затворами, два из которых, примыкающих к головному сооружению 2, снабжают козырьками для сброса шуги и мусора. Принятое расположение плотины по отношению к водоприемнику обеспечивает протекание воды через водосбросные отверстия как в боковом отводе. Это позволяет создать в ВБ циркуляционный поток, увлекающий донные наносы к сбросным отверстиям плотины. Вход в водоприемник защищают от захвата донных наносов криволинейным порогом 5 высотой порядка 1,5 м. При необходимости подачи воды на два берега устраивают дюкер, который в этом случае питается через правый (по течению) пролет водоприемника 2.
Двусторонний водозабор со стрельчатой плотиной (рис. 11.15, в) по принципу работы аналогичен предыдущему. Отличительным признаком последних двух схем является сокращение регулировочных работ. Однако компоновки гидроузлов, приведенных на рисунке 11.15, б, в, достаточно сложные и уступают схеме фергенского водозабора. Вследствие этого, а также по технико-экономическим соображениям они не получили широкого распространения в практике.