Бесплотинный водозабор с боковым отводом воды
1. Характер движения воды на повороте русла. Выбор местоположения бесплотинного головного водозаборного шлюза при его проектировании. В связи с неравномерностью распределения продольных осредНенных скоростей в подходном (к повороту русла) живом сечении потока в пределах поворота потока возникает винтообразное движение воды, обусловленное соответствующими силами инерции воды. В случае напорного движения на повороте образуется «парный водоворот», в случае же безнапорного движения—«одиночный водоворот» в плоскости живых сечений (намеченных в пределах поворота). Такое вторичное течение, слагаясь с поступательным движением, воды, и образует отмеченное выше винтообразное движение на повороте (рис. 25.10). При этом свободная поверхность воды в сечении 1—1 несколько искривляется: отметка воды в точке В, намеченной у вогнутого берега, оказывается несколько выше отметки воды в точке С.
Благодаря описанному движению воды на повороте реки придонные объемы воды вместе с донными наносами перемещаются от вогнутого берега В к выпуклому берегу С. Поверхностные же относительно чистые объемы воды (иногда содержащие шугу и лед) перемещаются от выпуклого берега С к вогнутому берегу В. В результате получают следующее: а) вогнутый берег В может размываться (но не заиляться); этот берег оказывается более крутым и глубины воды у него бывают относительно большие; б) выпуклый берег С может заиляться (но не размываться); этот берег оказьь вается более пологим, причем глубины у него относительно малые.
Учитывая описанный характер движения воды на повороте реки, легко видеть, что водозабор всегда желательно располагать в пределах вогнутого берега реки, поскольку в этом случае: а) можно не опасаться заиления водозабора; б) от размыва берег можно защитить соответствующим креплением; в) достаточно большие глубины у берега могут позволить устроить у водозабора порог надлежащей высоты, защищающий водозабор от попадания в него донных наносов. Располагая водозабор на повороте, стараются разместить его не выше (по течению) середины криволинейного участка, где описанная ранее циркуляция воды получила уже полное развитие. Выбирая место для водозабора, необходимо такж§ обращать внимание на устойчивость откосов берега, на его доступность и незатопляемость. При отсутствии приемлемых поворотов реки водозабор приходится располагать на прямолинейном участке реки (но не на выпуклом берегу).
2. Плановое расположение водозабора. Угол отвода. При выборе местоположения головного шлюза анализируют гидравлический режим реки в естественном состоянии и в состоянии после устройства шлюза. При этом в ответственных случаях приходится обращаться к проведению лабораторных опытов. Если режим в естественном состоянии благоприятен, то его стремятся сохранить при устройстве шлюза; в противном случае прибегают к созданию специальных регуляционных устройств в русле реки.
При заборе воды поток разбивается на две части (рис. 25.11).: одна часть потока направляется в шлюз, другая, резко расширяющаяся часть потока, остается в русле реки. Отметка уровня воды в точке В может оказаться больше, чем в точке А. При такой бифуркации потока получают некоторую поверхность раздела СВ, на таком участке потока могут возникнуть водоворотные зоны. Иногда полагают, что с помощью бокового бесплотинного водозабора практически можно отвести от реки не более 30 % расхода реки. При большей потребности в воде идут на .устройство, например, двух водозаборов, расположенных на реке последовательно.
Угол а называется углом отвода. Выбирая этот угол, стремятся получить возможно более плавное сопряжение канала с рекой, так как в противном случае в реке при наличии достаточно больших скоростей могут возникать большие водовороты, взмучивающие воду. Кроме того, в этом случае должно получитьсябольшое боковое сжатие потока, поступающего в шлюз, что уменьшает расход забираемой воды; поступление воды в отдельные отверстия шлюза получается неравномерным.
Часто для бесплотинных боковых водозаборов угол назначают 35...75°. Угол а=90° можно принимать в случае, когда головной шлюз должен забирать относительно малые расходы. Принимать угол а<35° нежелательно, так как при малом угле значительно усложняется конструкция шлюза.
3. Проектирование конструкции головного шлюза. Головной шлюз представляет собой ту же плотину с низким порогом или вовсе без порога, т. е. флютбет. Для регулирования расходов воды, поступающей из реки в канал, в шлюзе устраивают рабочие затворы; кроме того, в общем случае предусматривают также ремонтноаварийные затворы. Перед затворами иногда устанавливают решетку (для удержания плавающих тел). В случае работы шлюза в зимних условиях предусматривают особые конструкции (запони, шугосбросы), препятствующие доступу, в канал шуги и льда.
Перед шлюзом устраивают так называемую подходную выемку в грунте, соединяющую шлюз с рекой. Эта выемка должна обеспечивать плавный подход воды к отверстиям шлюза; в плане она часто оказывается несимметричной (рис. 25.12) —верховому откосу ее придают в плане более пологое очертание. Подошву подходной выемки делают или горизонтальной, или с небольшим уклоном, направленным к реке. Иногда считают, что входные скорости в шлюз должны быть не более 1,5 м/с, так как при больших скоростях в шлюз будут увлекаться крупные наносы. Входные скорости менее 0,8 м/с нежелательны, так как при таких скоростях водозаборный фронт шлюза может получиться излишне большим.
Чтобы воспрепятствовать попаданию в канал донных наносов, перед шлюзом делают порог (рис. 25.13). Высота порога зависит от крупности и количества наносов. Рекомендуют высоту порога перед шлюзом делать: а) в случае песчаных наносов 1,5...2,0 м; б)в случае гравелистогалечных 1,0... 1,5 м. Как видно, чем наносы мельче, тем высота порога должна быть больше. Для промыва наносов, отложившихся перед порогом, устраивают специальные промывные галереи 3. В некоторых случаях вместо порога в отверстиях шлюза устанавливают шандорную стенку соответствующей высоты.
При проектировании шлюза приходится решать вопрос о ширине его водосливного фронта и о разбивке этого фронта на отдельные отверстия. Обычно рекомендуют устраивать в шлюзе не менее трех отдельных отверстий: в случае одного отверстия (одного пролета) при ремонте затворов шлюз, а следовательно, и канал должны вовсе выключаться из работы; в случае двух отверстий при ремонте одного затвора получается неравномерная (одно сторонняя) подача воды в канал (через второе отверстие). Число отверстий в шлюзе должно устанавливаться на основании техникоэкономического сопоставления соответствующих вариантов.
Общую ширину шлюза назначают обычно равной ширине кана ла но дну или немного больше, при этом упрощается сопряжение канала со шлюзом. В отдельных случаях, когда напор на шлюзе достаточно большой, ширина шлюза можег оказаться меньше, чем ширина канала по дну (рис. 25.14). При такой конструкции шлюза, с тем чтобы добиться расширения потока на сравнительно небольшой его длине, устраивают специальные раздельные стенки 3. Работают не все отверстия, в канал из шлюза может поступать вода в виде отдельных сосредоточенных струй. Чтобы смешивать эти струи и выпускать воду в канал равномерно по его ширине, поперек водобоя устраивают смесительный колодец 4.
Конструктивнее оформление головного шлюза может быть са мым различным.
Головной шлюз с забралом (без входного порога). Железобе тонное забрало (рис. 25.15) устраивают с целью уменьшения высо. ты затворов. Наличие забрала несколько облегчает сооружение моста. Толщину забрала в первом приближении назначают (1/5...1/10) и до (1/15). Отметку низа забрала намечают с расчетом, чтобы при полностью открытом отверстии шлюз работал как водослив с широким порогом. Верх стен шлюза располагают на 0,5...1,0 м над самым высоким уровнем воды в реке.
При наличии шлюза такой конструкции при открытии затвора получают истечение изпод цатвора. При этом вода в канал поступает из придонных слоев реки, обогащенных наносами. Имея шлюз без забрала (а в некоторых случаях и с забралом), в верховых пазах ремонтных затворов шлюза устанавливают невысокую шандорную стенку; в этом случае вода в канал поступает, переливаясь через эту стенку, и содержит относительно мало наносов, так как забирают ее их поверхностных слоев реки.
Компоновка шлюза. На рис. 25.16...25.18 показаны три схемы шлюза в плане (при различных углах отводаа). Иногда при большой ширине шлюза его входной порог в плане намёчают криволинейным. Проектируя формы шлюза в плане, обращают внимание на возможность возникновения водоворотных областей (что нежелательно); стремятся к тому, чтобы при подходе к шлюзу не отлагались наносы, а также чтобы во все отверстия поступали одинаковые расходы. В ответственных случаях компоновку шлюза в плане, так же как и форму подходной выемки, проверяют на моделях шлюза в лаборатории.
Дополнительное замечание. При неблагоприятных топографических и геологических условиях шлюз 5 (рис. 25.19) иногда приходится располагать не вблизи уреза, а вдали от реки. В этом случае шлюз соединяют с рекой прокопами 2, 3, 4, причем иногда прокопы делают большого поперечного сечения, чтобы они могли выполнять роль как бы отстойников.
Имеется несколько схем водозаборов с боковым отводом воды:
1) на схеме рис. 25.5, а, г показан нешлюзованный водозабор;2) на схеме рис. 25.5, ж изображен головной шлюз 3, поступление воды в который улучшено путем устройства специальной направляющей дамбы 4 3) на схеме рис. 25.5, и показан забор воды в канале с помощью устройства трех подходных каналов, в начале каждого из которых устроено особое наносонаправляющее сооружение; 4) на схеме рис. 25.5, к изображен водозабор, работа которого улучшена путем устройства специального вспомогательного канала 6; 5) на рис. 25.5, б, в, д, е, з показаны некоторые дополнительные возможные схемы водозаборов.
4. Замечание о гидравлическом расчете головного бесплотинного водозаборного шлюза. При выполнении гидравлического расчета шлюза строят прежде всего две следующие кривые: а) кривую, выражающую зависимость отметки VK уровня воды, в канале непосредственно за шлюзом от времени VK=M0‘> ЭТУ кривую 1 (рис. 25.20) легко получить, рассчитав магистральный канал на равномерное движение воды с учетом графика водопотребления (т. е. с учетом того, как во времени должны изменяться в канале расходы Qu воды, направляемой потребителю); б) кривую 2, выражающую зависимость отметок уровня воды в реке перед шлюзом для расчетного года от времени Vp построении этой кривой пользуются имеющейся для рассматриваемого створа реки кривой связи V=f(QP); при этом в качестве расхода принимают Qp = QP—QKT где Qp— расход воды в реке в естественном ее состоянии в данный момент времени. Здесь мы полагаем, что уровень воды в реке отвечает (в рассматриваемый момент времени) не створу реки перед шлюзом, а створу реки, намеченному несколько ниже (по течению) входного отверстия шлюза (где имеется расход Qp).
Разность ординат двух построенных на рис. 25.20 кривых 1 и 2 будет давать нам перепад Z на шлюзе в некоторые моменты времени. Эти перепады будут различны для различных моментов времени. Расход QK воды, поступающей в канал при этих перепадах Z, также должен изменяться во времени (согласно графику водопотребления).
Рассматривая отдельные моменты времени t, характеризующиеся определенным сочетанием Z и QK, и намечая среди этих сочетаний наиболее тяжелые для работы шлюза (когда Z сравнительно мал, a QK — сравнительно велик), определяют по соответствующей водосливной формуле ширины b водосливного фронта шлюза, отвечающие указанным тяжелым сочетаниям Z и QK.
Среди найденных значений b остановимся на наибольшем. При сочетании Z и QK, отвечающих этому, затворы шлюза должны быть полностью открыты. При остальных сочетаниях Z й QK отверстия шлюза принятой ширины должны прикрываться затворами.
5. Наносонаправляющие (или струенаправляющие) лопасти системы М. В. Потапова. Это весьма простое устройство, которое легко позволяет создать перед водозаборным отверстием головного шлюза весьма выгодную картину движения воды в реке, при котором в боковое водозаборное отверстие шлюза, устроенного на прямолинейном участке реки, поступает вода из поверхностных слоев реки (т. е. вода относительно чистая). Это устройство (рис. 25.21) представляет собой раму АВ, удерживаемую на плаву тросами в определенном положении. Рама плавает в реке на понтонах 1 в виде стальных сегментов. Размеры рамы и параметры, определяющие ее расположение по отношению к водозаборному от 248
С помощью понтонов, выполняющих одновременно роль направляющих лопастей, искусственно на прямолинейном участке реки создаем винтообразное движение: поверхностные струи (см. сплошные линии на рис. 25.21) оказываются направленными в отверстие шлюза; донные же струи, обогащенные относительно крупными наносами (см. пунктирные линии на рис. 25.21), оказываются направленными от шлюза.
Практика показала, что система струенаправляющих лопастей М. В. Потапова дает значительный эффект: объем наносов, отлагающихся в канале при применении этой системы, уменьшается иногда в 2...3 раза: