Проектирование сооружения для забора поверхностных вод

С учётом всех вышеперечисленных условий я отмечаю ориентировочное место расположения водозаборного сооружения на плане местности. Примерное расстояние от крайней границы города до водозабора составляет 800 м.

 

3. Выбор схемы водозабора

Тип водоприёмных устройств принимается, во-первых, в зависимости от строения берега и глубины водоисточника, а во-вторых – от условий забора воды и категории водозабора.

Из построенного по исходным данным профилю берега и русла реки видно, что берега источника водоснабжения – пологие, пойма – широкая, затопленная. Достаточные глубины у берега отсутствуют. Исходя из данной характеристики и согласно табл. 7.4 [3], принимаем русловой водозабор раздельного типа с самотечными линиями.

Относительно условий забора воды и категории водозабора примерный тип водоприёмных устройств определяется по табл. 13 [1].

Принимаем схему водозабора в одном створе. Средним условиям забора воды и II категории забора соответствуют затопленные водоприемники всех типов, удаленные от берега, практически недоступные в отдельные периоды года.

Затопленные водоприёмники располагают ниже минимального расчётного уровня воды и нижней кромки ледового покрова при ледоставе.

 Выбору  руслового водозабора отвечает  также и амплитуда колебаний уровней воды в водоисточнике (2,5 м), и малая производительность водозабора.

В состав водозаборного сооружения руслового типа входят:

• русловой водоприёмный оголовок;
• самотечные линии;
• береговой сеточный колодец;
• всасывающие трубопроводы;
• насосная станция I-го подъёма;
• камера предохранительных приборов.

Вода, проходя сквозь сороудерживающую решётку, от водоприёмного оголовка по самотечным водоводам направляется к приёмному отделению берегового колодца. Между приёмным и всасывающим отделениями колодца располагаются сороудерживающие сетки. Вода, проходя через эти сетки, попадет во всасывающее отделение колодца, откуда по всасывающим трубопроводам направляется на насосы I-го подъёма, а затем на водоочистительную станцию.

Разберём каждый из элементов схемы водозабора по отдельности.

Водоприёмный оголовок подбираем по табл. 7.5 [3].

Основные требования к водоприёмному оголовку следующие:

• Оголовок может быть использован на реках со средними условиями забора воды;
• Оголовок может быть использован при малой производительности водозабора;
• Оголовок должен иметь обтекаемую форму, чтобы не нарушать движения водного потока и донных наносов;
• Предпочтительное расположение приёмного патрубка – перпендикулярно течению реки для предотвращения быстрого засорения решёток водоприёмника крупным сором и шугой.

Всем вышеуказанным требованиям отвечает простейший раструбный свайный незащищённый оголовок с боковым приёмом воды.

Недостатками данного типа оголовка являются:

• Оголовок вносит возмущения в поток;
• Труднодоступен и боится ударов;
• Требует установки рыбозаградителей.

Размеры водоприёмных окон оголовка принимаются в соответствии с расчётной площадью сечения. Основание водоприёмника заглубляют на     1,0 м ниже дна реки для защиты от подмыва.

Для обеспечения бесперебойной подачи воды населению города принимаем два водоприёмных оголовка.

При выборе места расположения оголовка намечаем его на профиле в точке, удовлетворяющей приведенным выше условиям.

Самотечные водоводы укладываются в плане в вертикальной плоскости без резких поворотов, вызывающих отложение наносов. Высотное положение водоводов определяется только необходимостью их заглубления под дно реки ориентировочно на 0,5 м (т.к. река несудоходная)  для защиты от подмыва и истирания песком. Трубопроводы укладываются на естественное ненарушенное основание. Траншея с уложенными водоводами засыпается грунтом, который сверху укрепляется каменной наброской. В месте примыкания самотечных линий к береговому колодцу вследствие большой глубины траншеи принимают бестраншейную укладку труб методом прокола, продавливания или горизонтального бурения.

Исходя из надежности работы водозабора, принимают не менее двух самотечных линий, проложенных с обратным уклоном к береговому колодцу. Расстояние между водоводами принимается от 0,7 до 1,5 м. 

Водоводы изготавливаются из стальных электросварных труб. Стальные трубы хорошо сопротивляются ударам плавающих предметов и не разрушаются при образовании под ними местных временных промоин.

В береговой колодец водоводы вводятся с помощью сальникового устройства.

Для промывки водоводов к береговому колодцу подводят воду от насосной станции (в колодце труба подсоединяется к водоводам).

Береговой колодец располагается на участке берега, который располагается на 1,5 м выше отметки УВВ расчётной обеспеченности с учётом высоты волны.

Для обеспечения надёжности подачи воды и бесперебойной работы водозабора каждое из отделений колодца делится на 2 секции.

Глубина приёмного отделения ниже концов самотечных линий должна соответствовать ёмкости, в которой поместился бы весь выпавший из воды песок (для малых колодцев 0,5-0,8 м).

Глубина всасывающего отделения принимается на 0,2-0,5 м меньше, чем в приёмном для уменьшения поступления песка к всасывающим трубопроводам. Соответственно, и размеры всасывающего отделения оказываются меньше размеров приёмного отделения.

К основному оборудованию береговых колодцев относят:

• Затворы, задвижки и колонки управления ими;
• Устройства для очистки и промывки сеток, удаления осадка, подъёма решёток и сеток;
• Лестницы для обслуживания;
• Насосные агрегаты и электроустройства.

 

 

4. Гидравлический расчёт сооружений водозабора.

Гидравлический расчёт водозабора выполняется для определения: размеров водоприёмных отверстий и водоочистных сеток, диаметров трубопроводов, размеров других элементов водозабора в зависимости от их конструкции, потерь напора, отметок уровней воды в отделениях берегового колодца.

Размеры основных элементов водозабора определяются для двух характерных случаев:

1) нормальная  работа, когда работают все секции, кроме резервных;

2) аварийные  условия работы, когда работает  только одна секция водозабора, через которую проходит весь  необходимый расход воды.

Для обоих режимов определяются потери напора в элементах водозабора и отметки уровней воды в отделениях берегового колодца, проводятся расчеты HC-I.

 

1. Расчёт площади водоприёмных отверстий.                       Подбор решёток.

Водоприёмными отверстиями являются входные окна с решётками.

Площадь входных отверстий (брутто) водоприемников определяем согласно п. 5.95 [1] по формуле:

Ωвр = (1,25 * Кст * Qс) / Ѵвт, м2;

где 1,25 - коэффициент, учитывающий засорение отверстий;

       Qс – расчётный расход одной секции, м3/с; Qс = 0,08 м3/с;

       Кст - коэффициент, учитывающий стеснение отверстий стержнями решетки;

К = (а + c) / а,

где а - расстояние между стернями в свету; а = 10 см, т.к. оголовок труднодоступен для осмотра и очистки;

      с - толщина стержней; с = 1 см.

       Кст = (10 + 1) / 10 = 1,1. 

       Ѵвт – скорость входа воды в водоприёмные отверстия; согласно [1] с учётом требований рыбозащиты в водотоках со скоростями течения свыше 0,4 м/с Ѵвт = 0,25 м/с.

 Таким  образом, получаем: Ωвр = = 0,44 м2.

Подбираем стандартную сороудерживающую решётку с размерами   600 * 800 мм (Ωвр = 0,48 м2).

Выбор конфигурации решёток осуществляется с учетом требований рыбозащитных мероприятий, мероприятий по защите водоприемных устройств от шуги, обмерзания и обрастаний, условий эксплуатации.

Принимаем съёмные решётки, которые представляют собой металлическую раму, сваренную из угловой стали с металлическими стержнями из круглой стали, расположенными вертикально с прозорами в свету 100 мм.

2. Расчёт площади сеток.

Водоочистные сетки предназначены для предварительной механической очистки воды от взвесей и планктонных образований, прошедших через решётки сороудерживающих решёток.

Исходя из малой производительности водозабора (0,16 м3/с < 1 м3/с) и средних условий забора воды из водоисточника, принимаем плоские съёмные сетки, выполненные из нержавеющей проволоки диаметром 0,1 см.

Основным недостатком плоских сеток является то, что они требуют ручной промывки.

Площадь водоочистных сеток рассчитывается по той же формуле, что и площадь решёток.

При этом коэффициент стеснения определяется по следующей формуле:

Кст = |(а + d) / а|2,

где а – размеры ячеек сетки в свету; принимаем а = 0,2 см;

      d – диаметр проволоки сетки; принимаем d = 0,1 см.

Получаем: Кст = |(0,2 + 0,1) / 0,2|2 = 1,5.

Скорость воды в ячейках плоских сеток принимается от 0,2 до 0,4 м/с; примем Ѵвт = 0,2 м/с.

 Рассчитываем  площадь сетки:

Ωсет =  = 0,75 м2.

По получившейся площади подбираем стандартные размеры плоской сетки – 800 * 1000 (Ωсет =  0,8 м2).

 

 

3. Расчёт самотечных линий.

Диаметр самотечных линий определяется из условия обеспечения в них незаиляющих скоростей движения воды в зависимости от длины водоводов и категории надёжности водозабора.

Ориентировочную длину водоводов определим, исходя из того, что ширина реки при самом высоком уровне воды равна 71,1 м, а площадка для берегового колодца должна быть выбрана на 1,5 м выше отметки УВВ расчётной обеспеченности с учётом высоты волны.

Т.к. пойма реки очень широкая, а берег пологий, береговой колодец для защиты от подтопления в случае крупного паводка расположим в 50 м от берега колодца (расстояние берётся при высоком уровне вод). Тогда, общая длина самотечных водоводов ориентировочно может быть рассчитана как сумма половины ширины реки и расстояния до берегового колодца, т.е.      Lсл =  71,1 / 2 + 50 = 85,55 м ≈ 100 м.

По ориентировочной длине самотечных линий согласно табл. 7.17 [3] для водозабора II категории надёжности принимаем первоначальную скорость течения воды в водоводах. Эта скорость должна быть не меньше скорости течения реки при УНВ, т.е. не менее 0,5 м/с. Принимаем:              Ѵсл = 1,1 м/с.

Диаметр самотечных линий подбираем по [5].

При расходе воды Qс = 0,08 м3/с = 80 л/с для стальных электросварных труб (ГОСТ 10704-91 и ГОСТ 8696-74) оптимальное значение скорости Ѵ = 1,05 м/с, диаметр d = 300 мм, а потери напора 1000i = 5,53.

Полученная скорость должна быть не меньше незаиляющей скорости, которая рассчитывается по формуле:

Ѵн = ,

где ρ – концентрация взвеси в воде; согласно заданию на проектирование ρ = 70 мг/дм3 = 0,07 кг/м3;

       ω – средневзвешенная гидравлическая крупность взвешенных частиц в воде; принимаем согласно заданию на проектирование ω = 2,5 мм/с = 0,0025 м/с;

       g – ускорение свободного падения; g = 9,81 м/с2;

       U – скорость выпадения частиц  в потоке; U = 0.07 * Ѵcл = 0,07 * 1,05 = 0,0735 м/с.

Произведём расчёт: Ѵн = = =  0,1758 м/с.

Ѵсл > Ѵн, значит условие незаиляемости самотечных труб наносами соблюдается.

Проверим скорость в самотечных водоводах в случае аварии на одной из секций водозабора:

Ѵав = 4Qcав / dсл2 * π, где Qcав – расход по рабочей секции водозабора при аварии, Qcав = 0,112 м3/с.

Ѵав = 4 * 0,112 / 0,32 * 3,14 = 1,6 м/с.

4. Расчёт всасывающих трубопроводов.

Всасывающие трубопроводы соединяют береговой колодец с насосной станцией I подъёма. Их количество должно быть также как и для самотечных водоводов не менее 2.

Диаметр всасывающих трубопроводов определяется по расчётному расходу при нормальном режиме работы водозабора на основании табл. 33 п. 7.9. [1].

Для диаметра труб 250 мм и более скорость движения воды во всасывающих трубопроводах должна быть 0,8-1,5 м/с.

По [5] подбираем для расхода 80 л/с оптимальный диаметр труб и оптимальную скорость течения воды в трубопроводе: d = 300 мм,                   Ѵ = 1,05 м/с, 1000i = 5,53.

5. Определение отметок уровней воды в береговом колодце.

Расчётные отметки воды определяют в зависимости от уровня воды в источнике и потерь напора при разных режимах работы самотечных труб при УНВ, УВВ, при аварии.

Отметки в приёмном отделении:

При нормальном режиме работы:

Zmax = ZВУВ – Σh, м;

Zmin = ZНУВ – Σh, м;

Σh = hp + Σhв + Σh^, м,

где hp – потери напора в решётке, м; принимаем hp = 0,05 м;

       Σhв – потери напора на элементах водоприёмника, кроме решёток; принимаем Σhв = 0, т.к. водоприёмник не оснащён фильтрами, кассетами и т.д.;

Σh^ - суммарные потери напора по длине и местные потери напора.

Σh^ = Σhl + Σhм, где Σhl – потери напора по длине, Σhм – местные потери напора.

Σhl = i * Lсл, где i – потери напора (из таблиц Шевелёва); принимаем для d = 300 мм 1000i = 5,53; Lсл – длина самотечной линии; Lсл = 100 м = 0,1 км.

Σhl = 5,53 * 0,1 = 0,55 м.

Σhм = Σζ * Ѵсл2 / 2g, где Σζ – сумма коэффициентов местных сопротивлений; принимаем Σζ = 1,5 м/с; Ѵсл – скорость течения воды в самотечных линиях; Ѵсл = 1,05 м/с; g – ускорение свободного падения;           g = 9,81 м/с2.

Σhм = 1,5 * 1,052 / 2 * 9,81 = 0,08 м.

Σh^ = 0,55 + 0,08 = 0,63 м.

Σh = 0,05 + 0 + 0,63 = 0,68 м.

Zmax = 6,0 – 0,68 = 5,32 м.

Zmin = 3,5 – 0,68 = 2,82 м.

При аварийном режиме работы:

Zmax ав = ZВУВ – Σhав, м;

Zmin ав = ZНУВ – Σhав, м;

Σh = hp.ав + Σhв.ав + Σh^ав, м.

hp.ав и Σhв.ав принимаем такими же, как и при нормальном режиме работы водозабора, т.е. hp.ав = 0,05 м, Σhв.ав = 0 м.

Σh^ав рассчитываем с учетом изменения скорости и расхода воды при аварийном движении воды по самотечным трубам: Σh^ав = Σhl ав + Σhм.ав.

Σhl = i * Lсл, где i – потери напора (из таблиц Шевелёва); принимаем для d = 300 мм и Qс.ав = 0,112 м3/с 1000i = 10,6; Lсл – длина самотечной линии; Lсл = 100 м = 0,1 км.