CC BY
40
АРХИТЕКТУРА
ОБЗОР МЕРОПРИЯТИЙ ПО БОРЬБЕ С ШУГОЛЕДОВЫМИ
ЯВЛЕНИЯМИ
Аванесов А. Д.1, Болобошко Д. С.2, Ланин Е. Б.3, Огурцов Г. К.4
'Аванесов Александр Давидович / Avanesov Alexandr Davidovich — магистрант, направление: морские гидротехнические сооружения и сооружения водных путей;
2Болобошко Денис Сергеевич /Boloboshko Denis Sergeevich — магистрант, направление: инновационные методы проектирования и строительства гидротехнических сооружений, кафедра водохозяйственного и гидротехнического строительства;
3Ланин Евгений Бориславович /Lamn Evgenij Borislavovich — магистрант, направление: организация и управление инвестиционно-строительными проектами, кафедра строительства уникальных зданий и сооружений;
4Огурцов Георгий Константинович / Ogurtsov Georgiy Konstantinovich — магистрант, направление: инновационные методы проектирования и строительства гидротехнических сооружений, кафедра водохозяйственного и гидротехнического строительства, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, г. Санкт-Петербург
Аннотация: эксплуатация гидротехнических сооружений в зимний период является наиболее сложной ввиду таких гидрологических явлений как шуголедовые, которые оказывают серьезное влияние на водозабор и сильно его осложняют, иногда делая его полностью невозможным. Так как поступление воды требуется осуществлять круглогодично, проблема борьбы с шугой является крайне актуальной в настоящее время. Цель исследования в данной статье: обзор и анализ методов борьбы с шугой. Для этого решены следующие задачи: анализ и обзор процессов образования шуги и мероприятий по борьбе с ней. В результате установлено, что совместное применение нескольких способов защиты от шуги является наиболее приемлемым.
Ключевые слова: зимняя эксплуатация гидротехнических сооружений; шуга; водозаборные сооружения; конструктивные мероприятия; решение проблемы зимнего водозабора.
Введение
В периоды весеннего вскрытия льда и до образования ледостава осенью при отрицательной температуре воздуха вода в реках охлаждается и нередко становится отрицательной температуры вследствие высокой турбулентности потока [1]. Это вызывает образование внутриводного льда, представляющего собой массу беспорядочно движущихся в потоке ледяных кристаллов [2]. Наравне с внутриводным льдом, источником образования шуги является и донный лёд: вследствие притока тепла от пород русла лёд оттаивает ото дна, всплывает и образует шугу вместе с внутриводным льдом. В массе шуги помимо льда также может содержаться песок, гравий и камни [1]. Шуга, передвигаясь по течению реки, попадает к гидротехническим сооружениям. Лед обволакивает водоприёмное сооружение, намерзает на решётки и со временем уплотняется, образуя ледяной щит, что приводит к полному прекращению работы водозаборного сооружения.
Для обнаружения шуги используются специальные сигнализаторы, работающие по принципу измерения разности электропроводности льда и воды [3].
Обзор мероприятий по борьбе с шуголедовыми явлениями
Главным мероприятием по борьбе с шуголедовыми явлениями является правильный выбор типа и места расположения водозаборных сооружений. Спокойное течение воды и малые её скорости благоприятствуют всплытию шуги на поверхность, в то время как турбулизация потока и большая его скорость способствуют разбросу шуги по всей площади сечения русла. Следовательно водозаборные сооружения необходимо располагать на прямых участках русла реки, где вода движется без турбулентных вихрей и у потока нет никаких препятствий. В том случае, если строительство водозаборного сооружения на таком участке реки невозможно или таких участков не имеется, может проводится комплекс мер по спрямления потока и уменьшению скорости воды перед водозабором [3]. Согласно СНиП 2.04.02-84 при тяжёлых условиях шугохода скорость втекания воды в водоприёмник 0,05 - 0,01 м/сек. В таких условиях шуга движется по естественному природному течению, не захватываясь водозабором [4]. Настолько малые скорости воды приводят к существенному увеличению размеров
водоприёмных отверстий. Увеличивается количество окон в оголовках русловых водозаборов, либо их размеры. Это мероприятие является достаточно эффективным для водозаборов малой и средней производительности. На водозаборах большой производительности увеличение размеров водоприёмных окон может повлечь существенное увеличение общих размеров водоприёмных сооружений и, как следствие, значительное увеличение их стоимости [3]. Учитывая то, что шуголедовые явления могут наблюдаться не каждый год и до 15 дней в году, такое вложение финансовых средств можно признать неэффективным.
Для предотвращения примораживания кристаллов льда к металлу при небольшом количестве шуги и малой производительности водозаборного сооружения решётки водоприёмных отверстий покрываются жидким стеклом или делаются из гидрофобных материалов (резина, битум, каучук, эбонит, полиэтилен) [5].
Применяется струенаправляющие устройства, успокаивающие поток у водозаборов, вследствие чего шуга всплывает и смерзается [6].
Шуга отбрасывается сжатым воздухом из труб близ входных окон. Такие водовоздушные завесы были успешно испытаны на водозаборах таких рек как Тура, Иртыш, Ока, Обь. Трубы пневмозавесы крепятся у нижней части водоприёмных окон под углом к речному потоку, что позволяет сократить число обратных промывок [4].
Имеет место и более эффективная водовоздушная завеса, ограждающая акваторию водоприёмника. Завеса создается на небольшом удалении от водозаборного сооружения: прокладываются воздуховоды диаметром до 100мм с отверстиями 2 - 4мм и с шагом 25см. Сжатый воздух выходит из труб, создавая зону восходящих потоков, выносящих шугу изтолщи воды на поверхность, предотвращая попадание её на решетки водоприемника [7].
Используются плавучие ограждающие устройства - шугоотбойники в виде запаней, представляющие из себя полупогружной щит, расположенный вокруг водозабора и задерживающий, движущуюся в верхних слоях воды, лёгкую шугу [8].
Также применяются специальные фильтрующие оголовки, изготовленные из дерева и железобетона. Оголовки, доставляются буксиром на место установки, затопляются и пригружаются камнями [3].
Достоинства деревянного: простая конструкция, малая стоимость, не требует рыбозаградителей [9]. Недостатки: трудоемкий в изготовлении, труднотранспортируемый на место установки, подвержен заилению и засорению.
Достоинства железобетонного: защищает концы водоводов, позволяет производить забор воды с малыми входными скоростями, может выполняться индустриальным способом [10]. Недостатки: громоздкий, сложный в монтаже, требует установки рыбозаградителей.
При небольшом количестве и коротком сроке образования шуги довольно эффективна промывка решёток обратным током (импульсная промывка) на русловых водоприёмниках. Промывка производится по 10 - 20 мин каждые 2 - 4 часа [3].
При отсутствии или неисправности штатного шугозащитного оборудования в условиях аварийной ситуации шуга отбрасывается гребными винтами катеров [9].
При условиях среднего или большого шугохода для средней производительности водозаборного сооружения можно использовать все перечисленные выше мероприятия с дублированием водоприёмников-оголовков. Оголовки располагаются с условием исключения возможности в них одновременного прекращения забора воды [2].
При среднем количестве шуги в реке при средней или большой производительности водозабора производят обогрев стержней решёток наряду с обогревом массы воды перед водозаборным сооружением. Эти меры должны осуществляться до начала переохлаждения воды. Стержни рещёток нужно нагреть до +0,1С, что чрезвычайно энергозатратно. Например, мощность, необходимая для обогрева рещёток-реостатов водозабора средней производительности 20 тыс. м3/сут составляет около 100 тыс. кВт-ч/сут. Вариант лучше -использование решетки с индукционным обогревом. Прутья решетки представляют собой трубки и обогрев производится электрической грелкой внутри или пропуском про трубкам нагретого теплоносителя.
Также используется обогрев решёток паром или горячей водой, циркулирующей внутри полых трубок, или выпускаемой непосредственно перед входными окнами [2].
Недостатком обогрева решеток, наряду с высокими затратами энергии является невозможность предохранения их от механической забивки поверхностным льдом и комьями шуги. Для предотвращения образования льда на стенках решетки её полностью погружают в воду или утепляют выступающую часть до 0С [10].
При большом количестве шуги для большой производительности водозаборного сооружения самым эффективным средством по борьбе с шуголедовыми явлениями является водоприёмный ковш, представляющий собой специальный водопроводящий канал, гарантирующий надёжную защиту водозабора от шугохода. Акватория таких каналов на несколько дней раньше всей реки покрывается ледяным покровом, что препятствует образованию в ковше переохлаждённой воды. Поступающая в ковш переохлаждённая вода с шугой смерзается с ледяным покровом [3].
Отдельные способы, помогающие в борьбе с шугой
Ультразвуковые колебания частотой 20 кгц, возбуждаемые генератором машинного или лампового типа, передаются по кабелю на излучатели, смонтированные на буях, которые устанавливаются в обрабатываемую ультразвуком зону. Каждый излучатель крепится на буе так, чтобы плоская ультразвуковая волна распространялась параллельно поверхности воды, в ее наиболее переохлажденном верхнем слое, толщиной примерно до 20 см, причем озвучиваемое пространство ограждают.
Предлагаемый способ находит применение в различных гидротехнических сооружениях, снижает эксплуатационные затраты, прост в реализации. Выводы
Перед выбором метода устранения шуголедовых помех необходимо знать производительность водозабора и количество шуги в потоке реки.
Выделено два подхода к борьбе с шуголедовыми явлениями: предотвращение образования шуги вдали от водозабора, предотвращение взаимодействия шуги и водозаборного сооружения непосредственно у окон водозабора.
Применение отдельных мер по борьбе с шугой не гарантирует полного предотвращения шуголедовых воздействий на водозаборные сооружения. Поэтому для обеспечения бесперебойной работы водозаборов комплекс мер по защите от шуги.
Литература
1. Порядин А. Ф. Устройство и эксплуатация водозаборов. М.: Стройиздат, 1984. 183 с.
2. Мотинов А. М., Ерхов А. А., Сватеев Ю. И., Сидоров Н. Н. Объемные фильтрующие кассеты для водозаборных сооружений // Водоснабжение и санитарная техника, 2001. № 10. С. 21-24.
3. Авдеева М. А., Луферчик Я. С., Ручкинова О. И. Анализ мероприятий по борьбе с шугой // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура, 2015. № 2. С. 218-236.
4. АбрамовН. Н. Водоснабжение. М.: Стройиздат, 1982. 253 с.
5. Благодарная Г. И. Водоснабжение. Х.: Харьковиздат, 2001. 452 с.
6. Шипилов А. В. Образование шуги на горных реках при наличии аэрации потока. // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б. Е. Веденеева, 2013. Т. 268. С. 66-73.
7. Логинов Г. И. Результаты исследований зимнего режима эксплуатации водозаборных сооружений деривационных гидроэлектростанций // Наука, новые технологии и инновации, 2016. № 1. С. 38-43.
8. Ерхов А. А. Особенности предпроектных исследований ковша бордовичского водозабора г. Брянска. // Ученые заметки ТОГУ, 2015. Т. 6. № 4. С. 257-266.
9. Хецуриани Е. Д., Фесенко Л. Н., Богачёв А. Н., Мордвинцев М. М., Пурас Г. Н., Душенко А. Ю., Бечвая Р. С., Пельчер А. В. Анализ работы александровского ковшового водозабора с учётом руслового режима и рыбоводно-биологических показателей реки дон. // Инженерный вестник Дона, 2015. Т. 38. № 4 (38). С. 118.
10. Говорушко С. М. Речные льды и их влияние на хозяйственную деятельность // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов, 2007. № 2. С. 68-75.
