CC BY
21Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2 (2015 8) 232-237
УДК 628.15.12
Design Intake Structuressiberian Region
Anatoly I. Matushenko*
Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia
Received 18.11.2014, received in revised form 10.12.2014, accepted 20.01.2015
The article deals with certain subterranean and surface water inlet springs' designing particularities applying to Siberia.
Keywords: designing and calculation of water intake, hydraulic and hydrological dependence sustainable section line of the river-water source.
Проектирование водозаборных сооружений сибирских регионов
А.И. Матюшенко
Сибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, Свободный, 79
Изложены некоторые особенности проектирования водозаборных сооружений в Сибири из подземных и поверхностных источников.
Ключевые слова: проектирование и расчет водозаборов, гидравлико-гидрологические зависимости устойчивого створа реки-водоисточника.
Проектированию и расчету водозаборов предшествует комплекс гидрологических изысканий, связанных с выбором устойчивого створа реки-водоисточника [1]. По данным изысканий определяют элементы гидравлики потока и морфометрии русла, например, связь относительной ширины и формы сечения по расходу, другие гидравлико-гидрологические зависимости. Выполненные в Сибирском федеральном университете исследования показали, что для коэффициента шероховатости связь с расходом, как правило, обратно пропорциональна, когда малым наполнениям русла соответствуют большие значения его и наоборот. Коэффициент Шези изменяется асинхронно коэффициенту шероховатости, имея тенденцию к стабилизации своего значения на средних и высоких горизонтах, о чем уже упоминается в
© Siberian Federal University. All rights reserved
* Corresponding author E-mail address: [email protected]
специальной литературе (Г.В. Железняков, И.Ф. Карасев и др.). Коэффициент гидравлическо -го сопротивления или трения, по Дарси, ведет себя при повышении расхода подобно изменению коэффициента шероховатости, т.е. вначале на малых глубинах резко убывает, а затем на средних и больших уровнях уменьшается более плавно. Для многих потоков зафиксированы величины расходов и относительной ширины, когда гидравлическое сопротивление минимально [2]. Объясняется это тем, что с ростом расхода убывающее на средних и вышесредних горизонтах сопротивление возрастает из-за того, что поток (до выхода на пойму) начинает затапливать свои русловые макро- и мезоформы - косы, побочни, осередки, другие неровности дна и берегов, не задействованные во время межени, хотя относительная ширина при этом продолжает монотонно убывать до самого пика гидрографа. Поэтому две функции - гидравлическое сопротивление и относительная ширина - в зависимости от расхода равнонаправле-ны, а их связь между собой при разработанной потоком форме сечения имеет минимум. Имея прямую пропорциональность с расходом, гидравлический уклон, принимаемый по уклону свободной поверхности как для равномерного режима, при больших наполнениях русла начинает стабилизироваться. Его связь со средней скоростью или со скоростным напором носит параболический характер и подлежит дальнейшему исследованию и обобщению для разных типов русел разной водности. С коэффициентом шероховатости и относительной шириной гидравлический уклон связан в обратной пропорции, и это станет понятным, если учесть, что, например, большим уклонам соответствуют и большие расходы, а большим расходам сопутствуют малые величины коэффициента шероховатости. При увеличении относительной ширины уклон снижается - на малых расходах потери капора у потока также невелики, когда он с минимальной затратой энергии течет в широком русле с большой относительной шириной. Поскольку связи расхода с уклоном, с одной стороны, и расхода с относительной шириной и формой русла - с другой, на графиках этих характеристик разнонаправлены, то обратная пропорциональность между уклоном и относительной шириной фиксирует то обстоятельство, что меженные потоки с малыми уклонами имеют и широкие (т.е. с большой относительной шириной) русла. Мутность от взвешенных наносов, включая ее наибольшую концентрацию во время паводков (например, 1000 г/м3), на изменение гидравлического сопротивления, оцениваемого коэффициентом трения по Дарси, практически не влияет [1].
В рамках оборотных систем водоснабжения необходимо решать вопросы подпитки систем водой. В этой связи достаточно актуальной является разработка надежного узла водозабора. Предложенные конструкции отвечают ряду новых требований по рыбозащите, но при этом не имеют движущихся узлов или узлов, подверженных засорению и требующих периодической промывки (сетки, фильтрующий материал и т.д.). Водоприемник для неглубоких водоемов представляет собой вихревую камеру щелевого типа с рыбоотгораживающим коробом. Забор воды производится из нижних слоев воды, при этом не затрагиваются верхние и средний слои воды, где наблюдается максимальная концентрация молоди рыб. Водоприемник имеет небольшие размеры по высоте, что позволяет использовать его в неглубоких водоемах. Вторая конструкция - это модификация водозабора фуникулерного типа. На платформе установлено зонтичное рыбозащитное устройство круглой или прямоугольной в плане формы. Напорные трубы могут перемещаться по направляющим вместе с платформой. Положительной стороной в предложенной конструкции выступает работа её весь сезон в
одном положении и относительно низкая стоимость. Для обеспечения работы конструкции в одном положении необходимо обеспечить 12 ё установкп под мини мальный уровень коды в водоёме.
Бурный рост развития производственных сил Восточной Сибори требует решения задачи по интенсификации систем водоснабже ния и повапннния их производительност и [3]. Одной их тффективных систем водоснабжения, позволяющих получаоь (питьевую) воду без применения еложных в строительстве и дорогостоящих I! эксплуотации очистных сооружений, служит применение инфпльтрациониых водозаборов. Особоннтстью эксплуатации инфильорациозоных тодоздбсров яоляется снижение в о времени е го дебита вследствие коль-мотации рпссзтннго еллювия 15 зоне активннго влияиия сооружений Наиболее точ1сый р асчет производительности доноого видт соооужзний можно быть позучен т0Л1еК0 за сче т прив лечения двух- или трехмерной постановки задочи о процессах кольмптации с учетом начальных и ироничнв1х утловий [0. (Система неоинейных уравнбний, описывающня это т процесс при гидрогеологических расчттах ио,.црс5>1:;.л:о:о$1.схз днфильтрвционных водозаборов, в зелучае двухмерной задачи имеет следующий вид:
1) уравнтния движения (хддродинсмического дсвнения):
—]+—!=°, дхV дх ) сУУ ду )
К
где у = —-к. К -коэффициенты проницаемости; /- - коэффиционт динсмической вязкости;
а-1 (1-р)
р - концентрация взвешеннвих наносо вези 60 - гидродинамический напор;
2) уравнение нероарывности (конвектииного массоперенота[:
(1-РР + - 1
дт т§ (1 - р)
др др дХ ' су
дт
где т0 - началоная пористо сть руслового аллювия; <;х Ц] - уделхный росход по направлениям (г) и (у) соответственно; <.- насыщен ность русловозп аллютия взвешенными наносами в процессе кольматации; е - пористость осевшей массы наносов; т - время;
3) уравнение кинетики процесса кольматации (массообмена) [4]:
где
Р)р,-) = -
Р-
\
Со-С,
где рРО - максимальная (предельная) насыщенность; X, а0, С,— постоянные коэффициенты. Начальные и граничные условия системы могут быть:
#(0,т) = 0, Н(^^,т) = Н1(т);
) р |0,х >0 р(х,0)=\ (пр 0;
[адо )х = о
ДОтЬДг) С(х,о) = о
при
д =- • с^г£1с1ППи.
/-0
Теоретически и экспериментально-натурным подтверждением выявлено приближенное постоянство фактических и фиктивных раехсдов (К, фиктивный расход - произведение ширины потока В нв максимальную глубину в сечкнии Н и нвсбольшс ю поверхноснну ю екорость и)), имеющее ряд практических приложений.
Определение расходе по саиболее доступным для измеркния элементам его фиктивного значения К = КЗНУ требкет минимальной натурной информсции, т.е. не нужно определение иамеренис пкощади живого сечения, наибольеиую поверхностную скорогть измеряют поплав-ккми, а ерафические действия аппрокеимирсют линейной функцией.
Интерт и экстраполироеать расход в отновном русле, на пойме и в каньонном створе с вертикальными берегами необходимо в последник двух случаях при изломе связи расхода с его фиктивным значесием. Так, для пойм линейный график с вязи фактичгских (ординхтв) и фиктивных (аСсцисса) расхвдов имеет излом по абсцисее. Для малоизученных или совсем неизученных потоков наиболее простым споообом экстраполяции здесь является метод аналогий, где ка основу принимается движение в пойменном створе е приблизительно одинаковыми природныо и условиями. Для р. Кисе (Большого Каса) с Малого Каса в между -ртчье Оби и Енисея, тапример, угол излома связи фактилеских и фиктивных расходов на соотве тствующих графиках приблизите льно равен 20° [3]. Возможно рассматривать это постоянство как констадту гидравлического подобия при натурном моделировании открытых потоков, например канала, отводимого от реки-источника. Гидравлическое подобие при натурном моделировании будет соб людено, если К для естественного аналога (реки) и нового искусственного потока (канала) имеет одинаковую величину. Коэффициент формы русла при этом для канала должен быть равен таковому для аналога при расходе последнего, равном для канала. Аналог подразумевается с устойчивыми формами русла, источником информации служат натурные данные гидрологических ежегодников по бассейнам, где пройдет трасса канала.
Международный стандарт по измерению расхода в открытых потоках методами исследования поля скоростей ИСО 748-73 основой для измерения считает произведение скорости на площадь, т.е. Q = ЕПДю, где и - произвольная точечная скорость на элементарной площадке Дю живого сечения т.
Учитывая это, можно представить следующие варианты приближенного определения расхода, включая известные зависимости с коэффициентами К1 и К2 отношениями средней скорости по сечению (и) к средней скорости на поверхности (ииов) и средней по сечению к наибольшей по поверхности (У), где: ВН - фиктивная площадь сечения (в м2), ЗУ - величина с размерностью удельного расхода hv = К/В в м2/с и НУ - величина, пропорциональная удельному расходу
0 =
К1аогпсв, К1 = ипов
К2 = и/У
К3ВНУ, Кз у Я/ВНУ
К4ВН, К4 =ваавн
КН5ВН, К 5
К6НУ, К 6 = 0/НУ
"Числовые значения размерных коэффициентов в этих формулах подлежат определению для конкретных типовых случаев рек и ручьев. Так, для верхних плесов Енисея и его протоков с галечно-гравелистым у малоразмываемым руслом К4 = ]т50 м/с, К5 = 4,0 м, К6 = 16,7 м. Последние три зависимосту по определению расхода удобно распространять на правильные русла до выхода потока на пойму. Погрешность вычислений
Д0 =
0еж _ 0к 0е
1 _
Л
100%
V неж у
( 05
100%
0е
¿еж у
где Кеж - ртвтсды, приводимые в Гидрологических ежегодниках и принимаемые за контроль-н ые величине) ЯЯт - рас ходы, вычисленные по пртдлагаемым здесь формулам при среднеарифметических значениях коэффициентов К я индексеми 3,4, 5 и 6.
Роас водопотреб ления и развитие промышленности в Краснояреком крае [3] потребовали решения проблемы отыскания рационтльных способов забора ооды из повероностных источников. В эеой связи тктуальна задача совершенствования известных ртшений и разработка принципиально новых конструкций водоприемников для условий шугоносных сибирских рек. Одним из методов повышения надежностих в чястнооти борьбы с шуголедовыми осложнениями, а тасже обеспечение надежной рыбоеащиты стляе тся снижение малых схоростей на входе в водоприемнике, вплоть до 0,1-0,05 м/с. Необходимом является и создание равномерности распредотения удельных расходов вдоль развитого водоприемного фронта в режимах забора и промывки обратным током. Это ставит вопрос о целесообразносеи применения на реках Сибири водоприемников с различными вихревыми камерами и водоприемными отверстиями, оборудованными фильтрующими рыбозащитными устройствами, удовлетворяющих эти требования. Действующие типовые проекты пока ограничены производительностью водозабора 1,5 м3/с на одну самотечную трубу, а суммарная длина водоприемника при этом достигает 5065 м, что не всегда приемлемо для местных условий водоема.
В Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете сотрудниками кафедры водоснабжения были предложены оголовки с увеличенной площадью водоприема при малых габаритах водозабора, что дает возможность использования новых решений при реконструкции. Отличие разработанных конструкций от известных заключается главным образом в конфигурации входных устройств, которым придается объемная сегментная форма. Съемные фильтрующие кассеты, выдвинутые в поток цилиндрической или колоидальной поверхностью, устанавливаемой вдоль или поперек направления потека, позво-
ляют увеличить площадь водоприемных окон до 2-2,5 раза. Предлагаемые водоприемники с открытыми вихревыми камерами, с сегментными фильтрами на входе (заполнение керамзи-тобетоном, тополимербетоном) имеют достаточно широкие пределы применения и допускают различные конструктивные исполнения для любых гидрологических условий, диапазонов производительностей. Забор воды из рек с недостаточными глубинами с малыми скоростями течения в меженный период года, в т.ч. водоемов (u<0,1 м/с, Н = 3-4 м), осуществляется объемными фильтрами с цилиндрической поверхностью, ограниченной сверху и снизу сегментными козырьками, позволяющими селективно отбирать воду из средних слоев потока. При увеличенных скоростях 0,1<u<0,40,1 м/с, во избежание появления зон повышенного давления с верховой по течению стороны выпуклых в поток кассет, регулирование распределения удельных расходов бокового притока осуществляется переменной степенью выпуклости кассет по длине камеры. Следует отметить, что более равномерное втекание достигается поворотом водоприемной грани к направлению транзитного течения (у^-15°), при этом предпочтителен односторонний забор, не «реагирующий» в отличие от двухстороннего на несимметричное обтекание. Для обеспечения надежной эксплуатации при наличии поверхностной шуги входные устройства целесообразнее выполнять с коноидальной водопроницаемой поверхностью, скошенной под острым углом к потоку и ограниченной сверху козырьком. Для более полного использования фильтрующей поверхности рекомендуется блок кассет, устанавливаемый вдоль потока по всей длине камеры, разделенной на отдельные панели ребрами жесткости. Конструкция с двухсторонним забором воды обеспечивает равномерность втекания по длине фронта практически при любых скоростных режимах, но требует более значительных глубин, строгой ориентации водоприемной грани в потоке, а также нашивки клинообразного элемента при и>0,15 м/с со стороны верхового бокового козырька.
Результаты детальных лабораторных исследований предлагаемых конструкций используются при разработке типового проекта «Затопленные водоприемники с рыбозащитными устройствами производительностью 1-3 м3/с». Рекомендации по проектированию и расчету вихревых водозаборных камер увеличенной производительности использованы в проекте реконструкции внеплощадочного водоснабжения Ирша-Бородинского угольного разреза в Красноярском крае.
Таким образом, проведенное исследование позволило разработать методы проектирования водозаборных сооружений меньшей трудоемкости без привлечения результатов дорогостоящих натурных измерений.
Список литературы
[1] Турутин Б.Ф. Проектирование и расчет водозаборных сооружений из подземных источников / ред. В.А. Кулагин, В.М. Журавлев. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004. 223 с.
[2] Матюшенко А.И., Турутин Б.Ф. Водозаборы подземных вод / ред. В.А. Кулагин, В.М. Журавлев. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. 248 с.
[3] Матюшенко А.И., Турутин Б.Ф., ЛютовА.В. Комплексное использование водных ресурсов (Восточно-Сибирские регионы) / ред. Б.Ф. Турутин. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2003. 300 с.
[4] Турутин Б.Ф., Матюшенко А.И. Термика инфильтрационных сооружений. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. 208 с.
