ДОННЫЕ РЕШЕТЧАТЫЕ ВОДОЗАБОРЫ

Применение, условия работы и конструктивные особенности. Водозаборы с донной решетчатой галереей применяют при использовании стока высокогорных и горных участков рек. Они широко распространены на Кавказе, в Казахстане, Киргизии, Таджикистане и в других горных районах.

Забор воды на таких участках рек связан с большими затруднениями, обусловленными особенностями гидрологического режима. К этим особенностям относятся:
а) резкие колебания уровней и расходов воды в течение года, вызываемые частыми кратковременными паводками;
б) большие скорости течения, нередко превышающие 3—4 м/сек;
в) насыщенность потока в периоды паводков большим количеством взвешенных и донных наносов, включающих крупные фракции, иногда достигающие в поперечнике 0,5 м и более;
г) образование на ряде рек грязекаменных (селевых) потоков;
д) отсутствие сплошного ледостава и образование шуговых явлений, чему способствует быстрое течение и наличие большого количества перекатов и др.

Отмеченные гидрологические особенности горных рек в значительной степени затрудняют постройку водозабора обычной конструкции и создают весьма тяжелые условия для обеспечения бесперебойного забора воды в водопроводящие тракты ГЭС и оросительных систем. Поэтому на таких реках начали, применять водозаборные сооружения тирольского типа с донной решетчатой, галереей, которые забирают воду из нижних слоев потока.

Указанным особенностям гидрологического режима наиболее полно отвечает водозаборный узел, состоящий из невысокой плотины с водозаборной галереей под гребнем или порогом плотины, перекрытой решеткой. Вода, переливающаяся через водозаборную часть плотины, частично или полностью поступает через решетку в донную галерею. Из галереи вода сливается в камеру, снабженную для промыва выпавших наносов щитовыми отверстиями, откуда она через головной регулятор поступает в канал.

Решетку водозаборной галереи обычно изготовляют в виде отдельных секций из металлических стержней различной формы длиной 1 — 2 м, укладываемых по направлению течения. Водосливные грани плотины от ударов защищают прокатными профилями, затопленными в бетон.

Одним из основных недостатков решетки является засорение просветов и уменьшение пропускной способности. Засорение решетки зависит от формы поперечного сечения стержней, формы частиц донных наносов, времени года и гидравлической структуры водного потока. Исследования показали, что меньше засоряются решетки со стержнями Т-образной и трапецеидальной формы, а также со стержнями, изготовленными из узкоколейных рельсов с обрезанными полками. Ширину просветов между стержнями решетки обычно принимают от 6 до 12 мм.

В большинстве построенных сооружений забираемый расход колеблется от 0,2 до 10 м³/сек и удельный расход — от 0,1 до 0,5 м³/сек.

Основные недостатки донных решетчатых водозаборов такого типа:

а) захват в галерею 90—97% общего количества наносов размерами, меньшими, чем просветы в донных решетках;
б) засорение и обмерзание решеток, что снижает поступление воды в галерею и затрудняет эксплуатацию;
в) занос наносами начального участка донной галереи;
г) отложение наносов в нижнем бьефе при заборе значительной части расхода реки и др.

Благодаря дальнейшим работам исследователей значительная часть недостатков рассматриваемого типа водозабора в той или иной степени устранена. В этих работах особое место отводилось изучению гидравлического и наносного режимов водозабора, разработке более совершенных конструкций и улучшению эксплуатационных показателей. При этом, как и в других типах водозаборных сооружений, хорошие результаты дало использование для борьбы с донными наносами особенностей гидравлической структуры потока.

Донный решетчатый водозабор с щитовыми отверстиями на водосливном фронте. Различные схемы таких водозаборов детально изучены проф. Р. Ж. Жулаевым и кандидатом техн. наук А. И. Арыковой. В предлагаемых схемах водозабора используются два способа борьбы с наносами:
а) создание в верхнем бьефе поперечной циркуляции, при которой основная масса влекомых наносов будет сбрасываться в нижний бьеф через сбросную щитовую часть плотины, минуя решетчатую водозаборную галерею;
б) улавливание до водозаборной галереи значительной части донных наносов с помощью наносоперехватывающей траншеи.

В отличие от существующих методов поперечную циркуляцию в этом случае возбуждают путем перераспределения расхода реки по ширине русла. На водозаборном узле это достигается полной или частичной заменой водосливной плотины щитовыми отверстиями с пониженным порогом.

Ширина щитового отверстия должна быть такой, чтобы зона захвата донных струй при среднепаводковом расходе была не уже водозаборной (решетчатой) части сооружения.

Если водосливная часть плотины значительно длиннее ее водозаборной части, рекомендуется устраивать между щитовой и водосливной частью плотины раздельную стенку длиной, равной десятикратной глубине потока в подводящем русле.

Лабораторные исследования показали, что при правильном назначении ширины щитового отверстия 90—95% влекомых наносов сбрасывается в нижний бьеф, минуя водозаборную галерею.

Для повышения эффективности борьбы с наносами, кроме щитовых отверстий, рекомендуется применять и наносоперехватывающую траншею. Ее можно устроить по типу траншейной пескогравиеловки Т.А. Гегелия или же по типу щелевой пескогравиеловки Р. Ж. Жулаева и А. И. Арыковой.

Для облегчения отвода наносов к щитовому отверстию перед водозаборной частью плотины устраивают криволинейный порог.

Наносоперехватывающую траншею промывают, по предложению П. А. Понера, через трубчатые пульповоды, размещенные по всей длине решетчатой части водозабора.

По данным натурных и лабораторных исследований, захват наносов такой траншеей достигает 90—95% при сбросном расходе воды, равном 5—6% общего расхода потока, и насыщенности промывного расхода наносами до 200 кг/м³.

Мелкие наносы, поступающие из водозаборной галереи в сборную аванкамеру промываются через щелевую конусообразную промывную галерею винтообразным движением потока.

Зимние водоприемные отверстия рекомендуется располагать в береговой стенке сооружения и перекрывать их решеткой с горизонтально расположенными стержнями.

Построенные примерно по такой схеме в Казахской ССР водозаборные сооружения Панфиловской ГЭС на р. Усек (приток р. Или), Меркенской ГЭС на р. Мерке (приток р. Чу) и Верхне-Талгарской ГЭС (р. Талгар) работают удовлетворительно.

Примером донного водозабора с наносоперехватывающеи галереей может также служить конструкция, предложенная И. И. Кухианидзе.

Донный решетчатый водозабор совмещенного типа. Эта конструкция предложена канд. техн. наук Ф. С. Салаховым и испытана в гидротехнической лаборатории АзНИИГиМ.

Водозабор представляет собой водосливную плотину небольшой высоты, в теле которой размещены: водозабор с донной решеткой, гидравлический сепаратор, промывная галерея и водозаборная галерея.

Вода из реки забирается через донную решетку, устанавливаемую на гребне плотины, поступает в сепаратор. В сепараторе наносы крупнее расчетной фракции выпадают на дно и оттуда поступают в промывную галерею, которая располагается на дне сепаратора по всей длине водозаборной галереи.

По конструкции промывная галерея — это конусообразная труба со щелью по типу, предложенному И. Т. Колесниковым для порога водоприемников. Поступление воды через щель по касательной создает в промывной галерее винтообразное движение потока, что в значительной степени повышает его транспортирующую способность. Для повышения транспортирующей способности потока в начальной части промывной галереи предусматривается дополнительный подвод воды в торец галереи.

В водозаборную напорную галерею переменного сечения осветленная вода поступает из сепаратора восходящим током через грубую решетку.

Восходящую скорость при поступлении воды в галерею назначают с таким расчетом, чтобы в нее не попадали нежелательные фракции наносов. Водозаборы этого типа, построенные в Азербайджанской ССР на реках Вель-Величай и Кудиал-Чай, работают удовлетворительно.

Аналогичный по идее с водозабором Ф. С. Салахова, но отличный по конструкции водозабор совмещенного типа предложен Г. А. Джимшели на основе лабораторных исследований (ТНИИСГЭИ).

Послойно-решетчатый водозабор. Принцип работы этого водозабора основан на использовании закона обтекания преграды потоком и обхода ее донными наносами. Водозабор разработан и внедрен в производство проф. Н. Ф. Данелия (ГрузНИИГиМ).

Обтекаемой преградой в послойно-решетчатом водозаборе служат небольшие, затопляемые во время паводка полые быки, которые размещаются над водозаборной галереей, устроенной в теле водосливной плотины. При обтекании этих быков с лобовой стороны в потоке создается зона с повышенным давлением, вследствие чего появляются нисходящие токи и в нижнем слое потока образуется обратное донное течение, которое сохраняется и тогда, когда поток переливается через быки.

Обратное течение, встречаясь с основным течением потока, приобретает вращательное движение, направляет донные наносы в обход быков и сбрасывает их в нижний бьеф по средней части пролета между быками.

Вследствие возникновения указанного циркуляционного течения перед быками и вдоль их появляется полоса дна, свободная от донных наносов. В боковых частях пролетов, свободных от донных наносов, размещают частые решетки (нижний ярус) с просветами от 6 до 12 мм, через которые вода забирается при меженных расходах реки. Средние части пролетов, где движутся донные наносы, перекрывают сплошным стальным листом или железобетонными плитами. На лобовой стороне быков водоприемную решетку не устанавливают, так как она служит возбудителем поперечной циркуляции.

То же циркуляционное течение препятствует донным наносам попасть в верхний слой, проходящий над быками. Поэтому на верхней площадке затопляемых полых быков устанавливают грубые решетки (верхний ярус) с просветами от 20 до 40 мм, через которые вода забирается при паводковых расходах.

Из галереи вода поступает в криволинейный канал, в конце которого располагаются промывное устройство, уравнительный водослив и отстойник с промывным устройством.

Послойно-решетчатый водозабор рекомендуется устраивать на узком прямолинейном участке реки или же на криволинейном участке, располагая створ плотины радиально к вогнутому берегу.

На широких прямолинейных участках реки верхний бьеф выправляют регулирующими сооружениями на длине, в 4—5 раз большей длины решетчатой части.

Ширину решетчатой и водосливной части плотины устанавливают с учетом пропуска расчетного паводка; остальную часть русла перекрывают глухой земляной плотиной.

Водозаборный узел данной конструкции рекомендуется строить в основном на горных, высокогорных, а также и на предгорных участках рек.

Забираемый расход может быть при одностороннем водозаборе от 0,2 до 12 м³/сек, при двустороннем — в два раза больше.

Относительные размеры основных элементов сооружения установлены по данным лабораторных и натурных исследований.

Максимальная высота слоя воды, переливающегося через быки, не превышает десятикратную высоту быка.

Водозаборы этого типа, построенные в Грузии на р. Квирила в 1958 г. и на р. Барула в 1954 г., работают нормально, и не было случая нарушения подачи воды.

Донный решетчатый водозабор с размещением галереи на повышенных отметках. Этот тип водозабора разработан и всесторонне исследован в Киргизгипроводхозе Г. В. Соболиным и И. К. Рудаковым в нескольких вариантах и может быть выполнен по девяти схемам компоновок.

Отличительная особенность водозаборного узла состоит в том, что донная галерея располагается выше порога сбросного (щитового) отверстия плотины от 1 до 2,5 м, что сводит роль решетки, перекрывающей донную галерею, лишь к пропуску плавающих предметов.

Донные наносы промывают наряду с речным пролетом плотины, перекрываемым щитом в Меженный период, через промывное окно в теле раздельного быка. Наносы направляются к промывному окну криволинейным порогом, который в концевой части перекрывается железобетонной полкой.

По данным лабораторных и натурных исследований узлов, построенных в Киргизской ССР, такое водозаборное сооружение обеспечивает: беспрепятственный пропуск всей массы наносов через промывные устройства при сбросных расходах в пределах 10—20%; сброс внезапных паводковых расходов воды; эффективную борьбу с шугой и плавником; экономичность и надежность эксплуатации сооружения. Его рекомендуется применять при водозаборе для ГЭС и оросительных систем на участках рек с уклонами 0,005—0,05 и расходами от 5 до 1000 м³/сек. Расчетный расход донной галереи при одностороннем водозаборе может быть доведен до 40 м³/сек и при двустороннем — до 70 м³/сек.

Гидравлические расчеты водозаборной части плотины. Забор воды из донных и придонных слоев потока, обусловленный особенностями рассматриваемого типа водозабора, определяет своеобразие гидравлического режима работы водозаборной части плотины.

В подводящем русле движение потока можно рассматривать как равномерное. Непосредственно перед водозаборной галереей поток приобретает форму кривой спада. При этом глубина воды в начале решетки будет больше критической, если расчетный расход протекает по руслу в спокойном состоянии при бурном режиме потока.

В пределах решетки движение будет неравномерным, так как часть потока проваливается через просветы решетки, а другая часть протекает по стержням решетки в нижний бьеф при глубине в конце решетки.

Отдельные струйки потока поступают в галерею через просветы решетки под углом, меньшим 90°, и тем самым вызывают винтообразное движение потока в галерее.

В зависимости от количества поступающей воды через решетку и размеров самой галереи режим течения в ней может быть безнапорным, напорным и переходным.

Чтобы обеспечить безнапорное движение, устраивают более высокие галереи, чем при напорном движении, так как необходимо иметь запас в высоте между уровнем воды в галерее и нижней поверхностью решетки. Безнапорное движение происходит до тех пор, пока уровень воды в водозаборной галерее будет ниже верхней плоскости решетки.

В безнапорной галерее при падении отдельных струй, образующихся под решеткой, происходит захват значительного количества воздуха, что приводит к увеличению объема жидкости и, следовательно, размеров поперечного сечения галереи.

Водозаборную часть плотины рассчитывают на безнапорное движение воды в галерее для случая нормального режима эксплуатации водозабора при меженных расходах, то есть когда расход реки обеспечивает как водопотребление, так и сброс влекомых наносов в нижний бьеф.

Расчет водозаборной галереи. В водозаборной галерее происходит сложное неравномерное и вращательное движение воды с переменным расходом по ее длине. Такое движение потока недостаточно изучено, и в связи с этим при гидравлическом расчете галереи донного водозабора встречаются значительные трудности.

При безнапорном движении потока расчет водозаборной галереи сводится к определению размеров поперечного сечения, построению свободной поверхности, определению глубин в различных сечениях по длине и построению продольного профиля дна галереи.

Расчет выполняют по уравнению движения потока с переменным расходом вдоль пути.

При напорном движении потока в галерее расход воды в расчетных сечениях определяют по формуле. В этом случае вода в галерею по длине решетки поступает неравномерно, удельные расходы на начальных участках решетки будут меньше, чем на конечных. Это обстоятельство значительно ухудшает условие транспортирования наносов в начале галереи. Для ослабления этого явления рекомендуется дополнительно подавать воду из верхних слоев потока в торец галереи.

Волков И. М., Кононенко П. Ф., Федичкин И. К., Гидротехнические сооружения, М., Колос, 1968