18. ВОДОПРИЕМНЫЕ КОВШИ

18.1. Назначение ковшей

Ковшевой водозабор представляет собой естественный или искусственный бассейн (каналы, заливы), подводящий воду к водоприёмнику. Скорость воды в ковше меньше, чем в реке, поэтому он применяется для предварительного осветления воды и для защиты водозабора от шуги. Ковшевые водозаборы применяют для крупных ответственных водозаборов, чаще всего промышленных, производительностью до 25 м3/с (для хозяйственно-питьевых водопроводов от 100 тыс. до 1 млн. м3/сут.).

Ограждающая речная дамба ковша отклоняет от водоприёмных отверстий водозаборов плывущую по поверхности шугу. Малые скорости движения воды внутри ковша обеспечивают установление в ковше ледяного покрова раньше, чем в реке. Шуга образуется при переохлаждении воды. Наличие ледяного покрова стабилизирует температурный режим потока, и переохлаждение воды в ковше не происходит. Из- за малой скорости воды шуга всплывает и примерзает к поверхностному льду. В водозабор поступает вода, освобождённая от шуги.

Кроме основного назначения – борьба с шуголедовыми помехами – ковш выполняет следующие функции:

малые скорости способствуют выпадению взвешенных веществ, обеспечивая предварительную очистку воды от взвешенных наносов при мутности 2000…4000 мг/л;

создаются достаточные глубины (на 1-1,5 м ниже дна) для устройства береговых водоприемников при пологих берегах;

повышается отбор воды при минимальных расходах реки (до 50% минимального суточного расхода реки).

Водоприёмный ковш представляет собой искусственный залив, который образует дамба, вынесенная в русло реки, или отрытая в береге выемка. Проще и дешевле устраивать ковш в русле реки путём сооружения дамбы. Если ковш предназначен для борьбы с шугой и льдом, то верх дамбы должен быть выше уровня воды в период шугохода и ледохода. В другие периоды дамба может затапливаться. Если ковш используется для предварительного осветления воды, то дамба должна быть не затапливаемой.

Ковш не должен значительно изменять режим речного потока. Стеснение потока не должно вызывать затор льда и ухудшать существующее водопользование.

18.2. Основные типы ковшей

Использование того или иного типа ковша должно быть обосновано путём анализа гидрологических и других характеристик реки. Обычно проектированию ковша предшествует гидрологическое моделирование в лабораторных условиях. Типы ковшей и область их применения приведены в таблице.

Тип и схема устройства ковша

Область применения


Не затапливаемый с низовым входом, частично или полностью выдвинутый в реку:

1 – дамба; 2 – водоприёмное сооружение; 3 – ковш.

На шугозажорных реках с постепенно нарастающими значительными подъёмами уровней перед или в период ледостава;

На реках с тяжёлым весенним ледоходом при относительно небольших подъёмах уровней воды в русле;

При отсутствии сбросов промышленных стоков ниже места водозабора на участке берега не менее 10-кратной величины выноса внешней грани ковша в русло.


Не затапливаемый с низовым входом, частично или полностью выдвинутый в реку, с затапливаемой в половодье верховой шпорой:

1 – дамба; 2 – водоприёмное сооружение; 3 – ковш, 4 – верховая шпора.

На реках без шугозажорных режимов или особо тяжёлых условий весеннего ледохода, если количество наносов, транспортируемых рекой в половодье, не превышает 0,75 кг/м3.


Не затапливаемый с низовым входом, частично или полностью выдвинутый в реку, с затапливаемой в половодье верховой и низовой шпорами:

1 – дамба; 2 – водоприёмное сооружение; 3 – ковш, 4 – наносозащитная верховая шпора, 5 – наносозащитная низовая шпора.

На реках без шугозажорных режимов или особо тяжёлых условий весеннего ледохода, если количество наносов, транспортируемых рекой в половодье, не превышает 0,75 кг/м3.

При необходимости  сбросов промышленных стоков ниже места водозабора на участке берега не менее 10-кратной величины выноса внешней грани ковша в русло.


Затапливаемый с низовым входом, частично или полностью выдвинутым в русло реки:

1 – дамба; 2 – водоприёмное сооружение; 3 – ковш

На реках не допускающих стеснение русла реки в период паводков и половодий, при недостаточных глубинах у берега и возможности формирования береговых шугозажоров, а также при отсутствии специальных требований к предварительному осветлению воды.


Заглубленный в берег с углом отвода 1350:

1 – ковш; 2 – водоприёмник.

На реках с ограниченной интенсивностью шуголедовых явлений, русла которых изогнуты или сложены слабыми мелкозернистыми грунтами.


Частично выдвинутый в русло, частично заглубленный в берег с самопромывающимся входом:

1- дамба; 2 – водоприёмник; 3 – ковш; 4 - низовая не затапливаемая дамба; 5 - верховая затапливаемая в половодье дамба.

При необходимости поддержания у входа в ковш или подходе к нему глубин, превышающих бытовые, особенно в случаях неглубокого залегания кровли коренных пород.


С низовым входом и регуляторами:

1 – водоприёмник; 2 – ковш; 3 – речная не затапливаемая дамба.

На сильно шугоносных реках, транспортирующих в паводки большое количество взвешенных наносов.

Как видно из схем, ковши могут быть построены двумя способами: или выемкой грунта на берегу, или намывом (отсыпкой) дамбы, отделяющей акваторию ковша от реки.

Достоинство врезанных в берег ковшей состоит в том, что они не стесняют речной поток, но они дорогие и трудоемкие. Такие типы нежелательны при скальных и прочных грунтах берега. Их строительство удешевляется, если использовать такие явления рельефа, как овраги, балки, тальвеги.

Ковши, вынесенные в русло, дешевле и проще в строительстве (дамбы обычно намываются земснарядами), но стесняют поток и требуют крепления внешней стороны дамбы от размыва. Их целесообразно применять при русле из легких пород. Если ковш служит для борьбы с шугой или отбора больших количеств воды из реки, дамба может в паводок затапливаться. При защите водозабора от взвешенных веществ дамба не должна затапливаться высокими водами.

Ковши с верховым входом не рекомендуются для защиты от шуги и взвешенных наносов,

На схемах в таблице показаны ковши, где видно, что форма акватории ковша может быть изогнутой, ломаной, овальной или круглой. Ковши могут быть частично врезанными в берег, частично вынесенными в русло. Наконец, могут быть самопромывающиеся ковши, если у основания дамбы устроить перемычку с затвором, открывающимся во время паводка. Паводковые воды движутся с большой скоростью и, двигаясь транзитом через ковш будут вымывать с его дна отложения, вынося их в реку.

Чистка остальных видов ковшей должна производиться не реже раза в 2...3 года следующими способами:

земснарядами или универсальными плавучими машинами, состоящими из понтона и землесоса (при отсутствии лесосплава и топляков);

кранами-грейферами на баржах (при наличии на дне топляков);

экскаваторами-драглайнами при небольших размерах ковшей.

18.3. Гидравлика и расчет ковшей

На рис. 18.1 показан план наиболее распространенного типа ковша для борьбы с шугой. Основная масса воды в ковше движется в виде транзитной струи от входа до водозабора. В устье ковша транзитная струя из-за инерции воды наталкивается на берег ковша, и этот участок, показанный на схеме жирной линией, требует крепления. В акватории ковша будет также наблюдаться две водоворотных зоны - в начале и в конце канала.

В гидравлике ковшей различают режим деления и водообмена. Первый будет наблюдаться при отборе водоприемникам значительной части расхода реки (в межень), второй - при отборе малой доли расхода реки (в паводок). В режиме деления по всей транзитной струе вода движется в одном направлении - к водозабору. В режиме водообмена в верхней части струи вода будет двигаться к водозабору в количестве, превышающем его производительность. "Лишняя" вода, не принятая водозабором, будет двигаться от него в реку (в обратном направлении) в придонной части транзитной струи. Это течение будет выносить часть отложений из ковша в реку.


Рис. 18.1 - Гидравлика ковша:

1 - водоприемник; 2 - транзитная струя; 3 - водоворотные зоны.

Рассмотрим расчет ковша указанного типа из условия, что он осуществляет шугозащитную функцию.

Расчёт ковшей заключается в определении следующих основных размеров:

глубины ковша,

поперечного сечения,

длины.

Все эти размеры должны обеспечить следующие условия:

забор воды при минимальном уровне в реке,

внутриводный лед и шуга должны успеть всплыть до попадания в оголовок,

взвешенные вещества (наносы) должны осесть (если ковш предназначен для предварительной очистки воды),

должна быть возможность захода в ковш  земснаряда для очистки дна.

Глубина ковша рассчитывается из условия размещения оголовка или окон берегового колодца (см. разд. «водоприемники», рис. 10.1). При этом следует учитывать:

толщина слоя наносов над дном принимается 0,5-1,0 м, а низ окна должен быть на 0,5 м выше верха наносов,

расстояние от верха окон до низа льда – не менее 0,25м,

толщина льда в ковше на 30% больше, чем в реке.

Размеры поперечного сечения ковша определяются, исходя из его формы и скоростей движения воды. Сечение ковша обычно трапециидальное, при земляных откосах уклоны принимаются для внутренних стен – 2:1, а для наружных – 3:1. Расчет ведётся по средней скорости движения воды, которая обеспечивает всплытие шуги в нём. Эта скорость Jк должна быть меньше скорости, соответствующей нижнему пределу шугоносности потока и может быть определена по формуле

,                                                 (18.1)

где k – опытный коэффициент, принимаемый в пределах от 1,2 до 3,0. Скорость должна определяться с учетом толщины расчетного слоя  наносов.

В обычных условиях отметку дна ковша Ñд.к. назначают из расчета обеспечения требуемых глубин в нем в периоды стояния расчетных низких горизонтов воды в реке. Чаще всего это требование относится к минимальным уровням зимней межени (Ñм.з.у), когда в водоприемном ковше устанавливается расчетная толщина ледяного покрова. Для этого случая отметку дна ковша можно определить по формуле

, м,                      (18.2)

где 1,33 - коэффициент увеличения толщины льда в ковше по сравнению с толщинами льда, формирующегося в русле;

 - плотность льда;

 - расчетная толщина ледяного покрова в русле реки;

0,3 - заглубление верхней кромки водоприемного отверстия высотой (диаметром) D под нижнюю поверхность льда;

 - высота порога приемных отверстий, назначаемая в зависимости от высоты слоя наносов в водоприемном ковше в пределах отложении 0,4...1м.

Ширину ковша по дну определяют по минимальному уровню воды в период шугохода  с учетом наличия в ковше льда (dл=0,3...0,5 м) и наносов (слой ), уменьшающих глубину живого сечения до значения:

, м.                                           (18.3)

При заданном геологическими условиями заложении откосов т ширину водоприемного ковша по дну находят по формуле

, м,                               (18.4)

где Qв - производительность водозабора, м3/с;

 - скорость транзитной струи, м/с, равная 0,05 - 0,15 м/с;

m=tg a (a - угол заложения откосов ковша);

hн - высота наносов, м;

hж - высота живого сечения канала, м.

Значение Вд при этом принимают не меньше ширины (5...8 м), необходимой для прохода снаряда, используемого при очистке ковша от наносов. Длина ковша изменяется от 60 до 100 м и поэтому полную длину водоприемного ковша, заглубленного в берег, измеряемую по его оси от начального сечения входа до водоприемника, вычисляют по формуле

, м,                                             (18.5)

где  – длина входной части ковша, охватываемой водоворо­том на входе и засоряющейся шугой еще в начале шугохода (водоворотная зона), м:

, м,                                            (18.6)

 – длина участка ковша, на котором в течение шугохода откладываются захваченные в ковш шуга и ледяная взвесь - изменяется от 5 до 35 м в зависимости от формы и размещения ковша;

 – длина рабочей части, в пределах которой к концу шугохода обеспечивается полное всплытие в транзитной струе всех скоплений кристаллов льда, имеющих гидравлическую крупностью 0,015- 0,2 м/с.

Ширину гребня дамб ковшей принимают от 4 до 5 м, ширину берм - 1,5-2,0 м, если последние не предназначены для прохода автомашин или экскаваторов.

Выше приведен ориентировочный расчет ковша. Проектные организации прибегают при конструировании ковшей к натурному моделированию, так как математическое описание реальных условий весьма затруднительно.

Контрольные вопросы

Ковши для водозабора. Назначение.

Схемы ковшей и область применения.

Расчет ковшей.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я