Ежегодные вероятности Р, %, превышения расчетных максимальных расходов воды 3 страница

Рис.13.5. Конструкции отстойников с непрерывным промывом.

а – с ребристым дном; б, в – с двухсторонними скатами; г – с вертикальными промывными шахтами.

1 – камера отстойника; 2 – сборно-промывные галереи; 3 – промывные щелевые отверстия; 4 – отводящие лотки; 5 – вертикальные шахты-колодцы.

Грунтовые отстойники с механической очисткой

Бетонные или железобетонные ка­меры отстойника промывают потоком с большими скоростями. Если камеры получаются длинными (более 100 м), то имеет смысл выполнить отстойник в земляном русле. Осадок из таких от­стойников удаляют механизмами. Кон­структивно такой отстойник представ­ляет собой расширенный и углублен­ный участок магистрального канала в земляном русле длиной до 1 км и бо­лее. Такие отстойники устроены в ни­зовьях р. Амударьи.

Наиболее удобна очистка отстойни­ков земснарядами. После ориентировочного определе­ния габаритов отстойника, выбора ти­па земснарядов и их числа размеры отстойника корректируют из условия удобства работы выбранной конструк­ции земснаряда и технологической схемы очистки.

На простейших грунтовых отстой­никах нет никаких регулирующих уст­ройств и конструкций. Регулирование степени осветления потока в процессе эксплуатации осуществляется только объемом отстойника, то есть интенсив­ностью очистки его от осадка.

Отстойники с комбинированной очисткой

В таких отстойниках отложения промывают при закрытых затворах в конце камеры пропуском воды из-под щита входного отверстия отстойников. Наносы через промывную галерею смываются в сбросной колодец, откуда землесосами перекачиваются в НБ или на площадь отвала грунта.

Рис.13.6. Двухкамерный отстойник с механической очисткой наносов

1 – эстакада; 2 – камера отстойника; 3 – регулирующее сооружение; 4 – понтон; 5 – плавучий пульпопровод; 6 – земснаряд; 7 – станционный пульпопровод; 8 – гидранты для присоединения плавучего пульпопровода; 9 – сброс пульпы в реку.

Рис.13.7. Отстойник с камерами периодического действия и комбинированной системой удаления наносов

1, 3 – затворы на входном и водосливном порогах; 2 – камера периодического промывания отстойника; 4 – отводящий канал; 5 – промывная галерея; 6 – работающая камера; 7 – насос; 8 – сбросной колодец.

Озерные отстойники. Замк­нутые естественные понижения местности (впадины), соответствующим образом при­способленные для осаждения взвешенных наносов, называют озерными отстойниками. Их применяют преимущественно на второй ступени осветления воды, но не исключает­ся их использование и как головных. Суще­ственное преимущество озерных отстойни­ков заключается в отсутствии затрат на удаление наносов, поскольку в основу их работы положен принцип полного заиления.

При применении озерных отстойников, требующих небольших едино­временных затрат на устройство, снижаются эксплуатационные расхо­ды, упрощается наблюдение за работой отстойников, сокращается от­чуждение полезных сельскохозяйственных земель, а после заиления от­стойников вся площадь, занятая ими, используется в полезных целях.

Исходные данные для проектирования отстойников

Для проектирования отстойников необходимы данные:

- об уровнях в реке или канале (куда будет присоединяться отстойник);

- о рас­ходах воды;

- о мутностях потока;

- о фрак­ционном составе наносов;

- о требованиях к отстойнику в отношении необходимо­го осветления потока и режима промы­вок;

- о шуге.

Строительство отстойника не обя­зательно при мутности водотока ме­нее 0,5 кг/м³, в конкретных случаях необходимость отстойника может быть обоснована технико-экономическими расчетами.

1. Состав расчетов. При проектировании отстойников выполняют гидравлические, фильтрационные и статические расчеты. Основными расчетами, определяющими размеры отстойника и режим его работы, являются гидравлические, которые рассмотрены ниже. Расчеты филь­трационные и статические выполняют по общепринятой методике для гидротехнических сооружений.

2. Допущения при расчетах. Для расчета отстойников применяют некоторую модель с упрощениями реального движения. Основные до­пущения при таком расчете:

а) поверхность воды в камерах при осаждении наносов гори­зонтальна;

б) взвешенные наносы в потоке, поступающем в камеру, принимаются распределенными в виде прямоугольной эпюры;

в) мутность потока, входящего в головной отстойник, постоянна и равна мутности речной воды;

г) средние скорости потока в камере от­стойника при осаждении наносов одинаковы по сечению и в плане;

д) смыв отложившихся наносов, т. е. работа отстойника во втором так­те, происходит при равномерном движении;

е) размеры камер отстойника определя­ют по параметрам, отнесенным к среднему сечению.

3. Исходные данные. При расчете отстойников должны быть заданы:

1) расходы, определяемые по графику водопотребления;

2) расчетная мутность речной воды;

3) гранулометрический состав взвешенных нано­сов—дается в табличной форме или в виде интегральной кривой;

4) диа­метр частиц взвешенных наносов, подлежащих осаждению в камерах;

5) уровни верхнего бьефа плотинных гидроузлов и уровни нижнего бье­фа у устья промывного водовода.

Учитывая, что при расчете отстойников переменных величин больше, чем имеется уравнений для их определения, некоторые из этих пере­менных задают, руководствуясь нормативными указаниями и опытом проектирования. К числу задаваемых переменных величин при проектировании головных отстойников, предназначенных для осаждения крупных фракций, относятся:

1) средняя глубина воды в камерах отстойника, принимаеется в пределах 3÷5 м;

2) средняя продольная скорость потока при осажде­нии взвешенных наносов v_op, принимается в пределах 0,2÷0,4 м/с;

3) промывной расход при гидравлическом смыве наносов Q _np, прини­мается равным (1÷1,5) Q _K.

4) гидравлическая крупность частиц наносов ω_max =0,05 м/с.

Отклонение от приведенных величин при надлежащем обосновании до­пускается в обе стороны.

Движение воды в отстойнике про­исходит со скоростями, при которых турбулизирующие возмущения обладают малой энер­гией. Расчет осаждения наносов в этих условиях выполняют как при ла­минарном режиме течения.

Объем камеры отстойника в первом приближении принимается W _отст= Q _макс/ v;

где Q _макс – расход максимального водопотребления;

v - средняя продольная скорость потока при осажде­нии взвешенных наносов v_op, принимаемая в пределах 0,2÷0,4 м/с;

Ширина камеры отстойника B _отст зависит от ширины водозабора (подводящего канала), для уменьшения скорости в отстойнике принимается больше вn раз (на практике n =2-3)/

Глубина (высота) отстойника h _{ср =} W _отст / B _отст

Одна из важных характеристик от­стойника — его проточность, определя­емая отношением объема воды в от­стойной камере к расходу: t₀=W_h/Q_h,, с. Это время, в течение которого вода в камере будет полностью заменена другой и происходит отстаивание наносов.

Длину камеры отстойника определяют по расчетному наиболее крупному зерну наносов ω_max. Время для осаждения такого зерна

= vt₀

где Q – расход воды; b – ширина камеры; ω _max – гидравлическая крупность частиц, h _ср – средняя глубина камеры v – скорость потока.

Если сделать камеры длиной l _max то после небольшого времени осаждения объем ее за счет заиления уменьшается и в канал будут поступать наносы с крупностью больше ω_max.

Поэтому объем камеры обычно делают больше на величину допустимого объема заиления

L = kl _max, где k =1,2-1,5.

Степень осветления воды - отношение мутности потока на выходе из отстойника к мутности его на входе. Она зависит от требований водопотребителя.

Для деривационных каналов гидроэлектростанций вредными наносами считают песчаные фракции диаметром 0,25 мм и крупнее.

При техническом водоснабжении степень осветления воды определяется технологическим процессом. В ирригации степень осветления воды принимают исходя из транспортирующей способности каналов за отстойниками. Ирригационные отстойники предназначены для осаждения мелких фракций взвешенных наносов (диаметр которых не превышает 0,1 мм), составляющих значи­тельную долю общей мутности потока (до 70% и даже больше). В соответствии с поставленными условиями о степени осветления воды рассчитывают и размеры отстойника. Длина головных отстойни­ков, предназначенных для осаждения крупных фракций наносов, полу­чается сравнительно небольшой — около 100 м. Оросительные же от­стойники, в которых осаждаются мелкие фракции наносов с целью уменьшения мутности, имеют длину 3—4 км и более. Значительная дли­на ирригационных отстойников составляет одну из их особенностей.

Для полива мутность д.б. - не более 0,04 г/л (СНиП 2.06.03-85 "Мелиоративные системы и сооружения"). При питьевом водоснабжении требуется полная очистка воды от взвешенных наносов, для бассейнов – 2 мг/л.

ГЭС с водохранилищами сезонного и многолетнего регулирования суще­ственно меняют режим попусков в нижний бьеф в период паводков, умень­шая величины расходов, сбрасываемых в нижний бьеф, по сравнению с ес­тественным стоком. Это приводит в условиях средних и особенно маловод­ных лет к сокращению площади и длительности паводковых затоплений. В условиях многовод­ных лет в период прохождения паводков обеспечивается резкое уменьшение размеров затоплений и ущерба окружающей среде, а в условиях маловодных лет в меженный период — гарантированный санитарно-экологический по­пуск.

Последствия изменения режимов попусков в нижний бьеф в период про­хождения паводков существенно зависят от особенностей природных усло­вий.

В зонах избыточного увлажнения при сокращении площади и длительно­сти затопления при прохождении весенних паводков улучшаются условия и повышается продуктивность пойменных лугов, например на р. Обь в Запад­ной Сибири (Россия).

В регионах, для которых характерны также летние паводки, изменение ре­жимов прохождения паводков с уменьшением величины расходов может по­ложительно влиять на сельскохозяйственное использование земель, защищая пойменные земли от затопления в период вегетации растений, когда затопле­ние может привести к их гибели. Летние паводки наблюдаются на реках в За­карпатье (Украина), на Дальнем Востоке (Россия).

На многих гидроэнергетических объектах защита от наводнений долины реки ниже гидроузла является одной из важнейших функций, для чего предусматривается в полезном объеме водохранилища объем для регулирования паводков, который должен быть сработан до сезона паводков. Так, на Асуанском водохранилище (Египет) из полезного объема 134 км³ для регулирования паводков предназначено 44 км³ (33 %), а из водохранилища самой большой строящейся ГЭС "Три ущелья" (Китай) для регулирования паводков определен объем 22,2 км³ (при полном объеме 39,3 км³). Наибольшего внимания и подготовки требует пропуск паводков через сооруже­ния гидроузла (около 23 % аварий на гидроузлах связаны именно с пропуском паводков), включая:

— пропуск паводков через водосбросные сооружения гидроузла и агрега­ты ГЭС в соответствии с регламентом;

— форсировку уровня выше НПУ при работе всех водосбросных отвер­стий и агрегатов ГЭС при пропуске высоких паводков (обычно выше 1 % обеспеченности) с трансформацией их водохранилищем в соответствии с рег­ламентом, предусмотренным правилами эксплуатации.

В зависимости от топографи­ческой характеристики водохранилищ и располагаемой полезной емкости величина форсировки уровней над НПУ колеблется от 1 м (Бухтарминсий гидроузел на р. Иртыше) до 5,5 м (Вилюйский гидроузел на р. Вилюе).

Объем водохранилища над НПУ предназначается только для дополнительной срезки максимальных расходов и не используется для повышения низкого меженного стока. Поэтому после прохож­дения пика половодья необходимо произвести его сработку (на спаде половодья).

Нормативные документы, регламентирующие пропуск половодий и паводков

Пропуск половодий и паводков через гидротехнические соору­жения регламентируется следующими действующими норматив­ными документами:

Согласно Водному кодексу Российской Федерации, использование водохранилищ осуществляется в соответствии с правилами использования водных ресурсов водохранилищ и правилами технической эксплуатации и благоустройства водохранилищ.

Правилами использования водных ресурсов водохранилищ определяется режим их использования, в том числе режим наполнения и сработки водохранилищ. Правилами технической эксплуатации и благоустройства водохранилищ определяется порядок использования их дна и берегов. Установление режимов пропуска паводков, специальных попусков, наполнения и сработки водохранилищ осуществляется уполномоченным Правительством Российской Федерации федеральным органом исполнительной власти в соответствии с положениями настоящей статьи.

Ежегодные вероятности превышения расчетных максимальных расходов воды устанавливаются в соответствии со СНиП 33-01-2003 Гидротехнические сооружения. Основные положения"

┌────────────────────┬──────────────────────────────────────────────────┐

│ Расчетные случаи │ Классы сооружений │

│ │ │

├────────────────────┼────────────┬────────────┬────────────┬───────────┤

│ │ I │ II │ III │ IV │

├────────────────────┼────────────┼────────────┼────────────┼───────────┤

│Основной │ 0,1 │ 1,0 │ 3,0 │ 5,0 │

├────────────────────┼────────────┼────────────┼────────────┼───────────┤

│Поверочный │ 0,01 * | 0,1 | 0,5 | 1,0 |

├────────────────────┴────────────┴────────────┴────────────┴───────────┤

│* С учетом гарантийной поправки в соответствии с СП 33-101. │

└───────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

Исходными данными для проведения расчетов регулирования водохранилищем половодий и паводков редкой повторяемости являются: кривая объемов водохранилища в зависимости от под­порных уровней; гидрографы притока воды в водохранилище раз­личной обеспеченности; вариантно задаваемые кривые пропуск­ной способности гидротехнических сооружений.

Кривая объемов водохранилища соответствует горизонтальной поверхности воды и называется статической кривой объемов. Расчеты пропу­ска высоких вод с использованием статических кривых объемов водохранилища значительно упрощаются. Однако они допустимы только для гидроузлов, подпор которых у плотины значительно превышает подъем воды в реке при прохождении высоких поло­водий и паводков в естественных условиях. При этом негоризон­тальность водной поверхности водохранилища незначительна и неучет ее практически не оказывает влияния на точность прово­димых расчетов. В данном случае расчеты пропуска половодий и паводков будем проводить по статическим кривым объемов водо­хранилища.

Гидрографы притока воды в водохранилища рассчи­тываются и строятся в соответствии с СП 33-101-2003 «Определение основных расчетных гидрологических характеристик».

Сброс воды из водохранилища производится через отверстия, предназначаемые для пропуска полезно используемых расходов воды (гидроэлектростанция, шлюз, забор воды на водоснабжение и орошение) — Q _п и через отверстия, предназначенные для про­пуска избыточной воды (водосливы и водоспуски) — Q _Bc

Трансформация гидрографов весенне-летних половодий рас­считывается по уравнению неразрывности вида

Δ V=(Q_np - Q_сбр) Δ t

где Δ V — приращение объема водохранилища за расчетный ин­тервал времени Δ t; Q_np и Q _Cбр— соответственно средние значения приточных и сбросных расходов за рассматриваемый интервал Δ t; Q _cбp— сумма расходов через ГЭС или другие отверстия по­лезно использующих воду и расходов через водослив или водо­спуск (Q_cбp =Q_n +Q_BC).

Расчеты пропуска половодий выполняются, как правило, по срезочной схеме, которая сводится к следующему: от отметки ежегодной сработки водохранилища до отметки НПУ в зависи­мости от интенсивности наполнения водохранилища в нижний бьеф гидроузла сбрасывается расход воды либо гарантированный, либо соответствующий полной пропускной способности ГЭС. Пол­ное раскрытие водосброса предусматривается при наполнении во­дохранилища до НПУ. Однако в ряде случаев для снижения ве­личины форсировки уровней над НПУ при пропуске расчетного половодья допускается открытие водосброса при отметке ниже НПУ.

Расходы притока определяются по расчетному гидрографу. Так как приращение уровней у плотины на текущие Δ t не известно, расчет пропуска половодья осуществляется методом последовательного приближения в табличной форме в следующей последовательности: задаемся уровнем у плотины на конец периода Δ t, Z _кз, определяяем средний уровень Z _ср=(Z _н+ Z _кз)/2, по Z _ср определяем средний расход водосброса Q _ср, рассчитываем суммарный расход стока из водохранилища Q _сбр= Q _п- Q _с, разность расходов притока и сброса дает расход аккумуляции (приращение) Q _акк= Q _пр- Q _сбр, приращение объема водохранилища на конец Δ t V _к= V _п+ Δ V _акк, по Vк с кривой объемов снимаем Z _к. Если Z _к не совпадает с Z _кз, расчет повторяется до совпадения этих величин.

По результатам расчета строятся графики.

В результате расчетов пропуска половодий и паводков раз­личной обеспеченности и определения при этом максимальных за­регулированных расходов воды строятся кривые обеспеченности максимальных естественных и зарегулированных расходов в створе гидроузла.

При сооружении водохранилищ на равнинных реках, когда величина подпора у плотины соизмерима с естественным подъе­мом уровня при прохождении половодий и паводков, негоризон­тальность водной поверхности значительна. Недоучет ее может при­вести к завышению ФПУ водохранилища или количества водо­пропускных отверстий. В этом случае расчеты пропуска высоких вод производятся по динамической кривой объемов водохрани­лища. Расчет и построение кривой объемов с учетом негоризон­тальности водного зеркала является задачей речной гидравлики. Схема расчета пропуска половодий и паводков та же, что и по статической кривой объемов.

Противопаводковые водохранилища

Существует два вида противопаводковых накопителей: водохранилище регулируемого типа и водохранилище автоматического удержания паводкового сброса. В первом имеются затворы, которые закрываются, когда ниже по течению от них интенсивность паводка достигает критического уровня, а когда наводнение там прекращается, они вновь открываются. На выходе из водохранилища автоматического удержания паводка устраиваются водосбросные сооружения, которые достаточны для пропуска нормального расхода, но избыточный поток не пропускают. При паводке поток на выходе такого водохранилища постоянен, а в остальное время он меньше и зависит от притока воды.

Эффект регулирования стока половодья и паводков в целях борьбы с наводнениями:

Водохранилище Мингечайрского гидроузла на р.Куре уменьшает естественный расход 0,01% с 4270 до 3000, Зейского гидроузла с 28200 до 10800 (максимальный наблюденный 15200 19.07.2007), Красноярское 0,01% с 39000 до 20000.

Противопаводковые водосбросы в плотинах

Водосбросы — сооружения для сброса из водохранилища излишков во­ды и льда в период прохождения паводков.

При возведении гидроузлов предус­матривают пропуск воды и льда, строительных расходов, для чего устраивают временные (строи­тельные) водосбросы, которые обычно стремятся совместить с каким-либо эксплуатационным водопропускным сооружением, например с водоспуском.

Для пропуска паводков редкой по­вторяемости устраивают резервные во­досбросы типа "предохранительной пробки", включающиеся в работу толь­ко в чрезвычайных условиях повыше­ния уровня воды в верхнем бьефе.

По наличию затворов различают во­допропускные сооружения с затвора­ми— регулируемые, и без затворов — нерегулируемые (автоматические).

По условиям движения воды водопро­пускные сооружения могут быть: безна­порные — с движением воды со свободной поверхностью; напорные.

Расчетные расходы и уровни воды. Расчетные расходы воды, подлежащие пропуску в процессе эксплуатации че­рез водопропускные сооружения каж­дого конкретного гидроузла, определя­ются методами гидрологии с учетом во­дохозяйственного режима и возможно­сти использования проектируемых и действующих водохранилищ для трансформации речного стока и уменьшения ("срезки") паводкового расхода. Расчет­ные максимальные расходы воды на­значают исходя из ежегодной вероятно­сти превышения (обеспеченности), уста­навливаемой в зависимости от класса со­оружений для двух расчетных случаев — основного и поверочного.

Пропуск расхода воды, отвечающе­го основному расчетному случаю, осу­ществляется при нормальном подпор­ном уровне (НПУ) верхнего бьефа через все турбины ГЭС и через все водопро­пускные сооружения при полном их от­крытии и нормальном режиме эксплуа­тации.

Пропуск расхода воды, отвечающе­го поверочному расчетному случаю, обеспечивается при наивысшем техни­чески и экономически обоснованном форсированном подпорном уровне (ФПУ) всеми водопропускными соору­жениями, включая турбины ГЭС, водо­заборные сооружения оросительных си­стем и систем водоснабжения, судоходные шлюзы, рыбопропускные сооруже­ния и резервные водосбросы. При этом допускается уменьшение выработки электроэнергии, нарушение нормаль­ной работы водозаборных сооружений, повреждение резервных водосбросов, размыв русла и берегов в нижнем бьефе без угрозы основным сооружениям и се­литебным территориям.

Число и размеры водосбросных соо­ружений определяют исходя из условий пропуска расхода воды основного и поверочного рас­четного случая.

Движение льда в водохранилище начинается при средней скорости под­хода воды к плотине более 0,5 ÷ 1,35 м/с, при меньших скоростях лед оста­ется и тает в водохранилище. Если дви­жение льда возможно, то ширину водо­сбросного фронта назначают до 0,5 ÷ 0,6 ширины водохранилища перед пло­тиной, а ширину пролетов — не менее 10 м для рек южных районов и не менее 18 м для рек северных районов. Ширина соросбросных отверстий, как правило, не должна превышать 10 м по условиям расчистки забившегося пролета. Водосбросные сооружения по распо­ложению входного отверстия, особенно­стям работы и гидравлического расчета подразделяют на поверхностные, глубинные, донные, двухъярусные и многоярусные.

Поверхностные водосбросы:

- практического профиля – на гидроузлах с бетонными плотинами любого типа;

- с широким порогом – на низконапорных гидроузлах;

- с тонкой стенкой – на низких плотинах;

- полигональным профилем – на низконапорных гидроузлах.

Основная формула Q=mb .

Глубинные и донные:

Основная формула:

Н – действующий напор, отсчитывается от центра тяжести при свободном истечении, от верхней кромки отверстия при истечении без подтопления; от уровня воды в створе отверстия при затопленном истечении

Начальное наполнение водохранилища

Начальное наполнение водохранилища приводит к уменьшению в этот период стока реки ниже гидроузла, поэтому является ответственным этапом и про­изводится в период прохождения паводка, причем для крупных водохра­нилищ в большинстве случаев наполнение выполняется поэтапно в тече­ние нескольких лет.

При этом возможность наполнения водохранилища, скорость и режим наполнения определяются следующими основными ус­ловиями:

Условия первоначального наполнения водохранилища

• отбор воды из реки для заполнения водохранилища, проводимый в период паводков, не должен превышать допустимого уровня, исходя из обеспечения пропуска расходов в нижний бьеф, определяемых требованиями водопотребления и охраны окружающей среды;

• допустимой скоростью повышения уровня водохранилища по условиям работы гидротехнических сооружений, формирования фильтрационного ре­жима, активизации оползневых процессов, наведенной сейсмичности;

• строительной готовностью гидротехнических сооружений и мероприятий по подготовке ложа водохранилища;

• выполнением в полном объеме комплекса предусмотренных проектом за­щитных, природоохранных мероприятий, необходимых условий и мероприя­тий по переселению населения;

• работы по санитарной подготовке ложа водохранилища обычно должны завершиться за год до начала его наполнения.

Поэтапное наполнение водохранилищ и ввод мощностей характерны для большинства крупных гидроэнергетических объектов. Например, строитель­ство гидроузла Гранд Диксанс (Швейцария) с гравитационной плотиной вы­сотой 285 м и заполнение его водохранилища объемом 0,4 км³ производились в 4 этапа (очереди) соответственно на 182, 224, 254 и 284 м. Строительство Саяно-Шушенской ГЭС (Россия) с арочно-гравитационной плотиной высотой 245 м и заполнение водохранилища объемом 31,8 км³ до НПУ производили с 1980 по 1991 гг., а заполнение водохранилища Кременчугской ГЭС (Украина) с плотиной высотой 33 м — в 2 этапа.

При объеме водохранилища 13,5 км³ отбор воды на его заполнение в основном в период половодья в 1960 г. соста­вил 7,1 км³, а в 1961 г. — 6,4 км³, причем эти годы были маловодными обес­печенностью 80 %.

Дата добавления: 2014-12-23