Тема: водозаборы подземных вод

Лекция №20

1.Условия работы водозабора. Водозабор из свободной реки может быть поверхностным самотечным, когда вода забирается открытым ка­налом, и глубинным самотечным или с механической подачей воды, когда последняя забирается в глубинных слоях потока или водоема. Всякий существенный отъем воды из реки изменяет ее гидравлический режим: распределение скоростей течения, их направление, движение наносов, льда. Задача проектирования водозабора заключается в со­здании такого режима входа воды в водозабор, при котором в водовод не допускаются донные наносы, лед, шуга, плавающий сор и обеспечи­вается поступление воды в отвод в соответствии с запросами водопотребителей при всех изменениях уровня воды в реке в период забора ее и при возможных деформациях речного русла.

Существуют два вида поверхностного водозабора: береговой и шпорный; в первом случае водозаборные устройства располагаются в берегу и в русло не выходят, во втором—в русло выдвигается дамба или шпора, облегчающая отвод нужного количества воды.

2. Особенности режима реки в районе водозабора. При отводе части потока в канал происходит, как правило, поворот или изгиб его. В свя­зи с этим в потоке возникает или изменяется, если она существовала, так называемая поперечная циркуляция струй. Поперечная циркуляция в потоках наиболее полно изучена отечественными учеными (Н. С. Ле-лявским, А. Я. Миловичем, М. В. Потаповым, А. И. Лосиевским и др.).

Поперечная циркуляция может возникать в потоке под влиянием различных причин: ускорения вращения земли, центробежных сил (на изгибе потока), случайных причин (местных препятствий), наличия соо­ружений. В прямолинейном потоке часто развиваются две циркуляции (а иногда и четыре), приводящие частицы воды в винтовые движения, при которых частицы вблизи поверхности потока движутся под некоторым углом к середине русла (рис. 27—1 ,а — сплошные линии), а у дна направлены от середины русла к берегам (пунктирные линии). В ре­зультате в середине русла дно размывается, а продукты размыва пере-

носятся придонными струя­ми к берегам. На изгибе русла под воздействием центробежных сил возника­ет такая циркуляция (рис. 27—1,6), при которой по­верхностные струи отклоня­ются к вогнутому берегу, размывая его, а донные, поднимаясь к выпуклому берегу, теряют часть своей энергии и относят к нему продукты размыва.

При отводе в канал расхода воды Q_K (рис.27—2) из реки шириной В_р с рас­ходом Q_p захватывается часть ширины потока повер­ху В _п и по дну Вд; у входа в канал образуются водоворотные течения у точек А и С. Характерно, что придонная часть пото­ка В_д шире поверхностной В_п, а удельное насыщение наносами потока, идущего в канал, больше, чем в реке. Последние исследования показа­ли, что размеры полосы отвода (В_п и В_л) практически не зависят от угла отвода ф, изменяются лишь потери энергии на изгиб потока, идуще­го в канал. Под влиянием изгиба в отводимом потоке возникает поперечная циркуляция такого же характера, как и при изгибе русла вообще (рис. 27—1,6). Вход в канал (рис. 27—3,а) оказывается как бы на выпуклом берегу и часть донных наносов откладывается у входа, главным образом в зоне верхового вальца А (рис. 27—2).

изменяются лишь потери энергии на изгиб потока, идуще­го в канал. Под влиянием изгиба в отводимом потоке возникает поперечная циркуляция такого же характера, как и при изгибе русла вообще (рис. 27—1,6). Вход в канал (рис. 27—3,а) оказывается как бы на выпуклом берегу и часть донных наносов откладывается у входа, главным образом в зоне верхового вальца А (рис. 27—2).

Уменьшение количества поступающих в канал наносов и даже пре­кращение их поступления возможны в тех случаях, когда в русле реки уже существует поперечная циркуляция, но противоположного направ­ления. Это наблюдается при расположении отвода на вогнутом берегу реки (рис. 27—3,6), где донные струи направлены от вогнутого берега в

сторону выпуклого. Наоборот, расположение входа в канал на выпуклом берегу (рис. 27—3,г) обрекает устье канала на быстрый и безусловный завал донными наносами; при компоновке входа в канал по рис. 27— 3,д он также интенсивно заносится.

При шпорном заборе воды с сооружением в реке продольной дамбы (АБ на рис. 27—3,в) если расход водозабора Q_K<Q'_p (Q'_p — расход во­ды, идущий в реке на ширине В '_p, равной ширине водозабора), то разви­вается циркуляция струй, благоприятная для режима отвода. Вследствие неравенства Q_K<Q'_p часть струй речного потока должна отклониться от берега в реку, создавая на входе условия вогнутого берега и отклоняя донные наносы от входа в канал.

Условия поступления в канал льда, шуги и сора, которые движутся в поверхностных слоях потока, противоположны условиям поступления донных наносов; в случаях бив (рис. 27—3) шуга, лед и сор свободно направляются в отвод вместе с верхними слоями воды, а в случаях г и д в канал почти не попадают поверхностная ледяная взвесь и сор.

3. Поверхностный береговой водозабор. Место для отвода канала на реках, влекущих донные наносы, надо выбирать на вогнутом берегу реки (несколько ниже вершины кривой берега). Поскольку такие участ­ки берега подвержены подмыву, следует укрепить их от размывов одеж­дами (§ 138). При расположении водозабора на прямом участке следует принять меры к искусственному созданию нужной циркуляции у входа в канал (§ 135).

На входе в канал располагается головное сооружение, иногда назы­ваемое регулятором, представляющее собой водослив с низким порогом, оборудованный затворами (§ 103), и предназначенное для регулирова­ния расходов воды, поступающих в канал, или прекращения забора воды. Расположение фронта головного сооружения должно быть по возможности нормальным к направлениям всех струй, подходящих к нему в общем случае под разными углами (рис. 27—4,а). Чтобы избе­жать образования водоворотов в зоне входящего угла А, снижающих пропускную способность регулятора, последний заглубляют в канал (рис. 27—4,6); подход струй к нему в этом случае нормален, но зато в подходе к регулятору будут откладываться донные наносы, которые приходится удалять гидравлическим или механическим путем.

Поверхностный водозабор чаще всего устраивается для целей оро­шения и зимой не работает; поэтому никаких мероприятий по борьбе с попаданием льда в водозабор не требуется. Этот тип водозабора при­меняется на реках с небольшими колебаниями уровня воды и относительно устойчивым руслом.

В случае неустойчи­вого русла реки и бы­строго занесения входа в канал устраивают так на­зываемый многоголовый водозабор (рис. 27—4,в), смысл которого заключа­ется в обеспечении бесперебойности поступления воды в канал. Если по

ступление воды через первую голову прекращается вследствие завала наносами или обрушения берега, отхода реки от данного места и других причин, открывают вторую голову 2, вход в которую был временно пе­рекрыт перемычкой; затем, если нужно, — третью 3 и т. д. Регулятор располагается в устойчивом месте берега Р. Такие водозаборы приме­няются на неустойчивых реках Средней Азии для оросительных ка­налов.

4. Шпорный водозабор. В схему его входят (рис. 27—5): захватная дамба, или шпора ABCD, выдвигаемая в русло, чтобы обеспечить забор в канал нужного расхода воды; водосливы В и С без затворов на гребне для сброса излишне забранной воды и водослив Е с затворами (на не­котором расстоянии от берега) для более точного регулирования пода­ваемого в канал расхода. В случае деформации русла реки и уменьше­ния поступающего в канал расхода воды головную часть дамбы АВ можно нарастить, а ее направление изменить так, чтобы обеспечить забор необходимого расхода (см. АА). Дамба обычно представляет собой простое хворостяно-каменное, каменно-набросное, сипайное или габионное сооружение, возводимое без перемычек; сбросный во­дослив в берегу Е делается более фундаментальным. Шпорный водоза­бор устраивается на реках с неустойчивым руслом, в частности на гор­ных реках.

5. Ковшевой водозабор для целей водоснабжения. Характерным от­личием ковшевого водозабора, обеспечивающего подачу воды круглый год, является устройство в голове широкого бассейна — ковша, в кото­ром вода движется с малыми скоростями, вследствие чего взвешенные речные наносы в значительной мере оседают на дно и по мере накопле­ния удаляются землечерпанием. Дальнейшая подача воды производится насосной станцией по трубам. На реках со слабыми льдошуговыми явле­ниями вход в ковш располагается навстречу течения для облегчения борьбы с донными наносами. На шугоносных реках целесообразен ковш с низовым питанием или с верховым и низовым входами, работающими попеременно в зависимости от того, с чем приходится бороться — с на­носами или льдом. Есть и специальные типы водозаборов.

6. Глубинный водозабор. Этот водозабор также применяется глав­ным образом для целей водоснабжения и иногда для ирригации в тех случаях, когда забираемый расход воды невелик вообще или по сравне­нию с расходом реки, а берег имеет значительную высоту, что привело бы при устройстве открытого канала к необходимости выполнения боль­ших объемов земляных работ. Забор воды производится по самотечным трубам или галереям, уложенным на дне реки в месте с достаточной глу­биной (2—2,5 м). Если достаточные глубины в реке находятся вблизи берега, забор воды совершается через глубинные отверстия (окна) бе­регового водозаборного сооружения — насосной станции. При больших колебаниях уровня воды в реке и высоких и неустойчивых берегах водо­забор осуществляется плавучей насосной станцией.

7. Область применения бесплотинного водозабора. Бесплотинный водозабор является самым дешевым способом отвода воды из реки, по­этому при благоприятных природных условиях он преимущественно при­меняется и в водоснабжении, и в ирригации: в первом случае — -ввиду малости забираемых расходов, во втором — ввиду сезонности потребле­ния воды, когда зимние затруднения отсутствуют. Применению беспло­тинного водозабора для гидроэнергетических установок препятствуют возможные и недопустимые перебои в подаче воды вследствие неустой­чивости речного русла и трудности борьбы с завлечением в канал нано­сов. Неустойчивое речное русло может блуждать в районе входа в ка­нал и обойти водозабор; уровни воды могут понижаться со временем, а подаваемые в канал расходы воды уменьшаться.