Решетчатые плотинные водозаборные гидроузлы
Под решетчатым понимают такой водозабор, при котором забор воды, отводимый в канал, происходит с определенной глубины (например, с дна реки) через решетку, располагаемую на входе в водоприемник. Такие гидроузлы применяют преимущественно на горных участках рек, их иногда называют горными. Компоновка решетчатых водозаборных гидроузлов наиболее приспособлена к особенностям горных рек, характеризующихся специфическими (присущими только этим рекам) гидрогеологическими условиями.
По гидравлическим условиям работы их можно разделить на две большие группы: с донным водоотбором и водоотводом; с поверхностным водоотбором и донным водоотводом. По конструктивным признакам выделяют следующие их виды: с донными решетками или донно-решетчатые; послойнорешетчатые; с решетками на повышенных отметках и с устройствами для возбуждения поперечной циркуляции; с открытой аванкамерой и устройствами для возбуждения поперечной циркуляции и для управления структурой речного потока.
Решетчатые водозаборные гидроузлы используют как для односторонней, так и для двусторонней водоподачи. Водоотборная часть может занимать весь водосбросной фронт или часть его.
Донно-решетчатые водозаборные гидроузлы. Особенность их состоит в том, что водоотбор и водоподача обеспечиваются самой плотиной, причем, как правило, из бурных потоков, несущих в паводок камни и гальку. Забор воды в них — донный через решетки.
Главный элемент донно-решетчатого водозаборного гидроузла — водосливная плотина с донной галереей, перекрытой решеткой размещаемой по всему водосливному фронту плотины или на части его (рис. 11.16).
Основная цель решетчатого водозабора— не допускать крупные наносы в канал и задерживать их решетками, расположенными заподлицо с поверхностью водосливной грани, на входе в донные водозаборные галереи. Задержанные наносы сбрасываются в НБ, а более мелкие фракции наносов, попадающие через просветы решетки в галерею, с водой направляются в канал. Учитывая это обстоятельство, в состав гидроузлов, как правило, вводят вторую ступень борьбы с наносами — отстойники (рис. 11.16), промывные камеры, пескогравиеловки и др.
В гидроузле с промывной камерой (рис. 11.17) плотина состоит из трех частей: решетчатой, водосбросной и промывной (промывной камеры). Вода, переливающаяся через водозаборную (решетчатую) часть плотины, частично или полностью, в зависимости от расхода реки, поступает через решетку в донную водозаборную галерею 2. Из галереи вода сливается в камеру 3, снабженную для промыва выпавших в камере наносов, а также для промывки верхнего бьефа отверстиями с затворами 4 и 5. Из камеры через головной регулятор 7 вода поступает в канал 8. Пролет водосбросной части, примыкающей к решетчатой части, рекомендуется устраивать с наклонным порогом на низких отметках, так как в ВБ вследствие перераспределения удельных расходов возникает поперечная циркуляция. Высоту плотины принимают 1,5...3 м. Скорости в галерее должны обеспечивать транспортирование наносов (как донных, так и взвешенных), поступивших через решетку.
Расчет донной (водозаборной) галереи сводится к определению площади ее поперечного сечения. Движение воды в галерее происходит с переменной массой, что следует учитывать при расчетах. Движение в траншее — безнапорное, обеспечивающее наиболее благоприятные условия для транспорта наносов. При расчете галереи ее удельный расход принимают с учетом форсирования.
Недостаток донно-решетчатого водозаборного гидроузла — поступление большого количества наносов в галерею. Один из эффективных способов борьбы с донными наносами заключается в размещении перед водозаборной галереей параллельно ей наносоперехватывающей траншеи. Сечение траншеи принимают 0,6X0,6 м, сверху ее перекрывают крупной решеткой, с зазорами между стержнями, в 1,5...2 раза большими, чем у водозаборной галереи.
Поступление донных наносов в водозаборную галерею можно значительно уменьшить, применив решетку другой конструкции, например ребристую.
Решетчатые водозаборные гидроузлы с устройствами по возбуждению искусственной поперечной циркуляции. Эффективность борьбы с наносами можно повысить, используя метод возбуждения поперечной циркуляции. В качестве примера на рисунке 11.19 приведена типовая схема решетчатого водозаборного гидроузла с косонаправленным ступенчатым циркуляционным порогом Г. В. Соболина (называемым также донным циркуляционным нано- соуловителем). Отличительная особенность рассматриваемого типа водозаборного гидроузла состоит в том, что водоприемную галерею 1 располагают на 1...2 м выше порога сбросного отверстия плотины, что сводит роль решетки, перекрывающей водоприемную галерею, лишь к защите от плавника.
Как и при обычном донном решетчатом водозаборе, русло реки перегорожено плотиной. Водозаборная (решетчатая) часть ее расположена у берега, но перед ней в отличие от ранее рассмотренных донно-решетчатых гидроузлов устроен косонаправленный ступенчатый циркуляционный порог, который одной стороной примыкает к выдвинутому в сторону ВБ бычку, устроенному в конце водозаборного пролета, а другой стороной упирается в берег. Толщину порога принимают 15...30 см, а высоту — переменную по длине: меньшую в примыкании к бычку и большую в примыкании к берегу. Отношение высот. Угол между порогом и осью потока принимают в пределах 15...30°. Повышенную ступень порога выполняют с продольным уклоном 0,01...0,3 бытового уклона дна, а пониженный участок— криволинейным с радиусом г== = (0,4...0,8)ВР, где Вр — общая ширина водозаборного фронта порога. При движении потока вдоль косонаправленного порога донные струи отклоняются в сторону русла реки. При подходе к бычку наносы поступают в про- мывник, расположенный в его теле (размеры промывника назначают в пределах 1X1 — 1X1.25 м), и сбрасываются в НБ. Вода переливается через косонаправленный порог, а затем поступает через решетку в донную галерею; излишки воды сбрасываются также через отверстие низкопороговой водосливной плотины.
Послойно-решетчатые водозаборные гидроузлы. Принцип работы таких гидроузлов основан на использовании реактивных донных токов, препятствующих поступлению дойных наносов в канал. Отличительная особенность этих водозаборов состоит в том, что борьба с донными наносами ведется не в месте непосредственного забора воды, а на подходе к нему с использованием явления обтекания вертикальной преграды [69].
Преградой в послойно-решетчатом водозаборном гидроузле служат небольшие (затопляемые во время паводка) полые быки 2, которые размещаются над водозаборной галереей 17, устроенной в теле плотины (рис.11. 20). При обтекании этих быков с лобовой стороны в потоке создается зона с повышенным давлением, вследствие чего возникает обратное донное течение 3, которое сохраняется и во время затопления преграды. Обратное течение, встречаясь с основным, переходит на некотором расстоянии от преграды во вращательное приостанавливающее движение донных наносов в основном потоке и направляющее их в обход преграды. В результате возле боковых поверхностей преграды образуется полоса, свободная от наносов.
В боковых частях пролетов, свободных от донных наносов, размещают частые решетки 6 (нижний ярус), с просветами от 6 до 12 мм, через которые вода проходит в галерею. В паводок вода поступает в галерею и через затопляемые в это время полые быки, верх которых перекрыт грубыми решетками 7. По бокам быков устраивают пазы для установки шандор в межень. В средней части пролетов между быками галерея перекрыта сплошными плитами. На этом участке проходит насыщенный наносами поток, сбрасываемый в НБ гидроузла. Вода, поступившая в галерею 17, отводится из нее по криволинейному каналу 9 и дальше в магистральный канал, а в необходимых случаях — в отстойник для осаждения взвешенных наносов. В конце криволинейного канала расположены промывное устройство 11, боковой (автоматический) водослив холостого сброса 10 и промывное устройство 16.
Послойно-решетчатый водозаборный гидроузел целесообразно устраивать на узком прямолинейном участке реки или же на криволинейном, располагая створ плотины радиально к вогнутому берегу. На широких прямолинейных участках реки ВБ выправляют регулирующими сооружениями на длине в 4...5 раз большей, чем длина решетчатой части плотины. Водозабор может быть односторонний или двусторонний. Двусторонняя подача воды решается легко и существенно не влияет на режим донных наносов.
Ширину решетчатой и водосливной частей плотины устанавливают с учетом пропуска расчетного паводка; остальную часть перекрывают глухой земляной плотиной.
Послойно-решетчатые водозаборные гидроузлы рекомендуется сооружать в основном на горных, высокогорных участках рек, но их можно с успехом применять и на предгорных участках при расходах реки.
Гидравлический расчет водоприемных отверстий (решеток) и галерей в послойно-решетчатом водозаборном гидроузле выполняют так же, как и в донных решетчатых водозаборных гидроузлах.
Бычковый водозабор с горизонтальной решеткой (рис. 11.21) относится к водозаборам совмещенного типа, так как его водоприемные отверстия расположены в быках и устоях водосбросной плотины.
Быки и устои здесь выдвигаются в ВБ относительно водосбросной плотины. Горизонтальную поверхность их располагают на 0,75...1,5 м ниже НПУ. Выдвинутая часть быков и устоев представляет собой полую конструкцию, образующую камеру (колодец), перекрытую сверху решеткой. В головной части быков и устоев на всю ширину их ставят стенки с радиальным очертанием со стороны ВБ. При обтекании потоком этих преград возникает циркуляционное течение, отклоняющее донные наносы к середине пролета и тем самым исключающее их поступление в камеру. В боковых поверхностях этих стенок устраивают пазы для шандор, располагающихся вдоль быка, по его краям. Шандоры используют для отключения водозаборных колодцев из работы. Каждая камера имеет свой водовод (по типу дюкера), по которому вода попадает в канал или отстойник, если он предусмотрен в составе гидроузла. Подачу воды в канал регулируют затворами, размещенными в выходных сечениях водоводов. Наносы, отложившиеся в камерах (колодцах), смывают через промывные галереи, прокладываемые посредине водозаборных быков и устоев. Галереи работают периодически. Для регулирования промывных расходов в конце галерей размещают затворы. Каждый бык может забрать 2...5 м3/с, а устой — 0,7 этого расхода. Входные скорости в камерах назначают в пределах 0,3... 0,5 м/с, а в напорных водоводах — 1... 2 м/с; при этом обязательна проверка транспортирующей способности потока в них. Площадь входного отверстия камеры определяют из формулы;
К недостаткам этого водозаборного гидроузла относятся сложность его конструкции и эксплуатации, низкий коэффициент водозабора, большое число затворов и т. д. Наличие донных напорных водоемов дюкерного типа также осложняет эксплуатацию водозаборного гидроузла из-за возможной забивки их наносами.