CC BY
16
стоимость. Мобильные способы полива в наибольшей степени отвечают условиям периодического орошения при быстрой смене дождливых периодов засушливыми, сокращают затраты ручного и машинного труда.
Полив с помощью мобильных оросительных систем направлен не только на увеличение сельскохозяйственной продукции, но и на сохранение и улучшение плодородия почв, обеспечение благоприятных режимов химической трансформации почвенных и поро-вых растворов зоны аэрации и грунтовых вод. Режимы увлажнения в условиях орошения мобильными оросительными системами обеспечивают благоприятные условия жизнедеятельности бактерий, гумусооб-разования, высокую продуктивность и стабильность, как в формировании урожая, так и благоприятного гидрогеохимического режима орошаемых и прилегающих к ним земель.
В процессе формирования водных ресурсов особое место занимает водосборная территория того или иного бассейна. В зависимости от хозяйственной деятельности и формируемых ими загрязнений водосборные территории подразделяются на четыре типа [1], к одному из которых относятся урбанизированные территории.
Урбанизированные территории являются мощным фактором, влияющим на качественные показатели водных ресурсов. Малоэффективные инженерные системы защиты водных объектов от загрязнения поверхностным стоком с урбанизированных территорий или их отсутствие приводят к значительному загрязнению, а в отдельных случаях, и деградации речных систем в районах больших городов и промышленных предприятий. Создание новых или совершенствование существующих инженерных систем для отвода поверхностных вод с рельефных участков урбанизированных территорий служат целям предотвращения эрозионных процессов на незакрепленных участках земной поверхности, заиления продуктами эрозии водоприемников, подтопленных застроенных территорий и населенных пунктов. Проектирование таких систем особенно актуально в
Литература
1. Федоренко В.Ф., Буклагин Д.С., Аронов Э.Л. Тенденции развития мирового сельского хозяйства в начале XXI века: Аналитический обзор. М., 2004.
2. Щедрин В.Н. Орошение сегодня: проблемы и перспективы. М., 2004.
3. Вопросы контроля технического состояния и безопасности гидротехнических сооружений / В.Н. Щедрин, Ю.М. Косиченко, Г.А. Сенчуков // Современные проблемы мелиорации земель, пути и методы их решения: Сб. науч. тр. ФГНУ «РосНИИПМ»: В 2 ч. / Под ред. В.Н. Щедрина. Новочеркасск, 2003. Ч.1. С. 207 - 220.
4. Оценка состояния элементов гидромеханического и электротехнического оборудования насосных станций ОС Ростовской области / В.Н. Щедрин, Ю.Ф. Снипич, Г.А. Сенчуков: Сб. науч. тр. ГУ «ВолжНИИГиМ». М., 2001. С. 82-88.
5. Мелиорация и водное хозяйство. Орошение: Справочник / Под ред. Б.Б. Шумакова. М., 1990.
г.
населенных пунктах; промышленных зонах; на склонах, прилегающих к инженерным коммуникациям (дорогам, путепроводам, трубопроводам и т.п.), пляжам, рекам; а также на косогорных участках местности, используемых для сельскохозяйственного производства.
Далеко не все известные технические системы для водозабора или отвода поверхностных вод имеют специальные сооружения и устройства перехвата, задержания и удаления наносов и мусора от попадания их в закрытую водоотводящую или водопроводя-щую сеть.
Значительную роль в обеспечении надежной работы таких систем играют их гидротехнические сооружения, и, в первую очередь, водоприемники.
Анализ конструкций водоприемных сооружений для забора и отвода поверхностных вод, патентного поиска показал, что большинство из них не защищают водоотводящие системы от попадания в них мусора и наносов, засоряются и заиляются, имеют небольшую пропускную способность.
В результате анализа за основу для дальнейших разработок были приняты конструкции водоприемников, приведенные на рис. 1[2] и 2 [3].
Новочеркасская государственная мелиоративная академия 24 февраля 2005
УДК 625.745.4
ПОВЫШЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ СООРУЖЕНИЙ ВОДООТВОДНЫХ И ВОДОЗАБОРНЫХ СИСТЕМ
© 2005 г. Т.Е. Попова, В.Л. Бондаренко
Рис. 1. Дождеприемный колодец: 1 - решетка; 2 - направляющая решетчатая пластина; 3 - вертикальная камера; 4 - водоотводная труба; 5 - сливное отверстие; 6 - отстойная камера; 7 - грязесборник; 8 - приемное отверстие
Рис. 2. Водоприемник облегченного горного водозабора с донной решеткой и решетчатой плотиной: 1 - водозаборная галерея; 2 - решетчатая плотина; 3- отводящий туннель; 4 - русло; 5 - решетка
Наряду с изучением существующих конструкций водоприемных сооружений рассмотрены конструктивные решения и гидравлические расчеты их впускных отверстий, в том числе сороудерживающих решеток. Эти решетки должны быть съемными. Существующие конструкции решеток разнообразны как по форме в плане, так и направлению их стержней. Наиболее простыми в изготовлении, менее забиваемыми мусором и обладающие относительно большой пропускной способностью являются сороудерживающие решетки с продольным расположением стержней по отношению к направлению движения водного потока и с длиной до 2 м [4].
Гидравлический расчет впускных отверстий с решетками заключается в определении их пропускной способности с учетом сквозности.
По данным исследований, проведенных в Московском автодорожном институте (МАДИ), пропускная способность решеток в значительной степени зависит от расположения водоприемных сооружений: находятся ли они на участках затяжных спусков с проскоком части воды вниз по течению или же распо-
лагаются в пониженных местах при полном заборе всего объема стока воды (в конце спуска, на местности с пересеченным рельефом и др.).
В проведенных нами исследованиях уделено внимание второму случаю, т.е. расположению сооружений в пониженных местах.
В соответствии с техническими условиями [5], для второго случая при неполном покрытии решетки слоем воды ее пропускная способность определяется зависимостью для водослива с широким порогом
Q p = ml v4lgHl
3/2
(1)
где т - коэффициент расхода, т = 0,35; Но = Н + а¥2 /(2g) - динамичный напор; Н - глубина воды в водопроводящем лотке; V - скорость воды в лотке; /р - длина той части периметра решетки, из которой происходит прием водного потока.
Натурные обследования, находящихся в эксплуатации водоприемных сооружений ливневых систем [4] позволили оценить условия их работы, достоинства и недостатки конструктивных решений.
В результате проведенных исследований разработана новая конструкция донного водоприемного сооружения (патент РФ № 2095525), приведенная на рис. 3.
11 План 2 9 5 6
10
Рис. 3. Дождеприемный колодец
Изобретение относится к отстойникам, ливневым, водозаборным и другим устройствам, предназначенным для отвода или забора поверхностных вод. Конструкция водоприемника, приведенная на рис. 3, характеризуется большей пропускной способностью, эффективной защитой подземной системы от наносов и мусора, гашением избыточной энергии по принципу многоступенчатого перепада, многофункциональностью и простотой.
Водоприемное сооружение работает следующим образом. Поступающий по лотку 11 к сооружению 1 поверхностный сток, проходя сквозь решетку 2, стекает по наклонной плите 3 в отстойную камеру 6, увлекая за собой наносы средних и мелких фракций. Крупные фракции остаются в решетке или перекатываются по ней в мусороотводной лоток 10. Размеры отстойной камеры, глубина в ней, а также гидравлический режим протекания воды должны способствовать осаждению значительной части наносов в грязе-сборнике 8. Расход воды, очищенной от наносов, через сливное отверстие 7 в разделительной стенке 4 поступает в водоприемную камеру 5 и далее по отводной трубе 9 в подземную часть водоотводящей или водозаборной системы.
С целью обеспечения прочности новой конструкции водоприемного сооружения выполнены расчеты силового воздействия потока на его элементы.
В результате теоретических расчетов получены следующие зависимости для определения гидродинамического воздействия потока на основные элементы водоприемного сооружения новой конструкции: - на наклонную плиту 3
а oVС 2
Fc = 2ю с-^
zg
Yc
где о>1 и Юг, V и У2 - площади живого сечения и скорости в каждом направлении соответственно; - на донную плиту водоприемной камеры
F = 2ю,
а o (Vм siw)2 2g
■Y» + G,
где О - вес воды в водоприемной камере.
С целью исследования условий прохождения водного потока через сооружение было выполнено гидравлическое моделирование по числу Фруда с проверкой на адекватность по числу Рейнольдса:
V2
Fr =-= idem;
gh
Re ^ Rед •
где ю с - площадь живого сечения струи в месте падения, юс = Ьркс; кс - глубина воды в сжатом сечении; Ьр - ширина решетки, которая принимается равной ширине водоприемного сооружения; Ус -
вертикальная составляющая скорости в точке падения; у Ю - удельный вес воды;
- на вертикальную стенку отстойной камеры
а п (КсоБб)2 Л
где юк = Ьркк; кк - глубина воды в точке падения
потока в отстойной камере;
- на вертикальные стенки водоприемной камеры:
а V2 ^ = 2Ю] г-^ ^ю , 2 Я
а 0V2 F2 = 2ю Yc
2g
Принят масштаб модели 1:5 натурной величины.
Для оценки работы отстойной камеры выполнено моделирование наносов по рекомендациям И.И. Леви, Д. Шарпа, М. Ялина и других.
В связи с тем что в исследуемых гидравлических процессах рассматривались такие физические явления, как движение наносов в водопроводящем лотке, их осаждение в отстойной камере сооружения, а также для качественной и количественной оценки работы отстойной камеры был принят широкий спектр размеров частиц (от П, 14 до 10 мм на модели) и их плотности (рх от 1,30 до 2,65 т/м3).
В процессе разработки методики проведения исследований установлены основные факторы, влияющие на условия протекания воды в водоприемном сооружении: уклон водопроводящего лотка (/п=П,ПП5; П,П1;П,П2 и 0,03); уклон плиты сооружения (/'р1=П,ПП; П,П3 и 0,06); тип сороудерживающей решетки (разреженная типа Р-1 и рекомендуемая типа Р-2, приведенные на рис. 4); расход воды (в пересчете на натуру 00=0,05; 0,10; 0,15; 0,2; 0,3; 0,4 и 0,5 м3/с); глубина воды в водоприемной камере (к4 от 0 до 1,5 диаметра водоотводящей трубы).
При гидравлических исследованиях рассмотрены следующие фрагменты сооружения: конечный участок водопроводящего лотка, входная часть сооружения, отстойная и водоприемная камеры. Учитывая сложность гидравлических режимов и значительные отличия условий протекания потока в сооружении, анализ и получение зависимостей для расчета параметров течений для каждого из фрагментов сооружения выполнены отдельно.
Одной из основных гидравлических характеристик, определяющих условия работы сооружения, является глубина воды на входе в него кП. Для определения кП в зависимости от геодезического перепада к, расхода 0^, конструкции решетки, силы тяжести я, плотности воды рЮ, динамической вязкости ц, абсолютной шероховатости лотка А, протяженности кривой спада на конечном участке лотка I, составлена функциональная зависимость
к П = Ф (( кг, Рю , g, А Ц 0 0 ).
(32) (32) b=(24,8) /=(7,2)
(16)(16) b=(8,8) /=(7,2) ■f Jf — --f^-
m
80 80 b=44 —.
/=36
/р=1600 (320) б
Рис. 4. Конструкции сороудерживающих решеток: а - решетка типа Р-1; б - решетка типа Р-2 (в скобках приведены модельные размеры)
Используя п-теорему, получили критериальное уравнение в виде
Г , Г~,--Л
П
h ~h
= Ф
i 0' f,
VB CL
'l'ViÄ
здесь / = А /1! - относительная шероховатость.
После преобразования и ввода значения
F aVB
Fr =- получаем
gli
h п ^2
.2 ,4
= Ф
2
i 0, f, Fr CB l1
ярЮТ
Окончательно принимая обозначения
(2)
P =
h п ^ 2
g P Ci i4
CO,
Х = i 0; Y = f; Z = Fr^L,
11
уравнение (2) записываем в виде произведения отдельных функций независимых переменных
Р = ф1( х); ф2( j); фз( z )•
(3)
Уравнение (3) относится к общему соотношению второго класса, допускающему применение факторных экспериментов. В связи с этим проведен сбалансированный эксперимент, в котором X, У, Z приняты на четырех уровнях, и вопрос получения расчетной зависимости решен с помощью латинского квадрата.
В результате обработки данных экспериментальных исследований получена математическая модель в виде
Р = -6,32• 10-12 -1,38-10-ш X +1,55-10-8 У + +7,08-10 -12 Z + 3,51-10 -7 ХУ +1,55-10 -10 XZ --1,80-10 -8 УZ - 3,93 -10 -7 XУZ.
При планировании экспериментов установлено, что все переменные X, У, Z являются независимыми и значимы для уровня значимости а = 0,05(95 %) . Определены доверительные границы искомой величины Р при X, У, Z в зависимости от /-критерия Стьюдента.
Для коэффициента вязкости воды V = ц / я =
= 1,01-10 -6 м 2/с получена зависимость по определению кП в виде
Р14
h П =
1,04 • 10
-13
Величину кП можно определить по графикам, полученным в результате экспериментальных исследований и приведенным на рис. 5. Здесь В - ширина лотка, V - скорость воды в лотке.
(кП/В)-1Г2
Frf10-
к (XV
Рис. 5. Графики — = / (/ 0, Рг =-, наличия решетки).
В 1 яВ
Сплошная линия - решетка отсутствует; пунктир - решетка Р-2 есть; 1-10 = 0,005; 2-10 = 0,01; 3-10 = 0,02; 4-10 = 0,05
При расчете пропускной способности на входном участке за основу принята известная зависимость (1) с введением в неё опытных значений коэффициента расхода т, подсчитываемого по эмпирической зависимости, полученной на основании экспериментальных
а
исследований при глубинах воды в лотке Н до 0,4 м, уклонах дна лотка /0 от 0,005 до 0,03 и отсутствии сороудерживающей решетки (4). Учет сопротивления решетки осуществляется введением в формулу (1) коэффициента сопротивления решетки в р = С, р , который можно определить по формуле (5)
-28,36гп .
m = 0,435е" ß р = 0,932е
0,594г 0
(4)
(5)
Для зависимостей (4) и (5) произведены вероятностно-статические оценки соответствия опытным значениям. Производилась проверка на адекватность по критерию Фишера Еа при уровне значимости а = 5 %.
Окончательно зависимость для определения пропускной способности водоприемного сооружения принимает вид
Q 0 =вр тЬ р^Н ¿,5.
Одним из основных элементов сооружения является его водоприемная часть. В исследуемой конструкции на этом участке имеет место свободное падение струи и безпрыжковое сопряжение (рис. 6). Основными гидравлическими характеристиками здесь являются: глубина воды на входе в водоприемник с решеткой кп , удельная энергия потока Т0, длина
отлета струи 12, сжатая глубина к с, столб воды под струёй и глубина воды на входе в отстойную камеру к1.
00
Рис. 6. Схема к расчету гидравлических характеристик потока на плите водоприемного сооружения при отсутствии водобойной стенки
Для определения 12 воспользовались уравнением падения струи. В результате ряда преобразований получены зависимости:
- при отсутствии доступа воздуха под падающую струю:
12 =
2ß p mH ^ (
Pn + 0,5h
hn^Pn + 0,5hnp - ha
- при доступе воздуха под струю
12 =
2ß p mH 0,y Pn + 0,5hn p
(6)
(7)
Расстояние от стенки падения до сжатого сечения I с, будет равно
I с = 12 +1,5 к с. (8)
Расстояние от сжатой глубины до грани падения потока в отстойную камеру 10 при длине водоприемной части I равно:
10 = I - I с.
Задаваясь длиной водоприемной части I и, соответственно, длиной Iс, можно определить глубину воды на входе в отстойную камеру одним из существующих способов интегрирования
неравномерного движения воды в призматическом русле с прямым уклоном плиты (/): по методам
Н.Н. Павловского, М.Д. Чертоусова, Б. А. Бахметьева и др.
В связи с расширением области применения исследуемой конструкции водоприемника (в случае проектирования ее в качестве перепадов и водозаборов) она была усовершенствована путем устройства в конце плиты водобойной стенки (рис. 7 ).
Q
Рис. 7. Схема к расчету гидравлических характеристик потока на плите водоприемного сооружения при наличии водобойной стенки
При расчете варианта плиты с водобойной стенкой следует использовать формулы (6) - (8).
Длина плиты, а следовательно, и водоприемной камеры равна
I = I с + I п ,
где I п - длина прыжка.
В работе выполнены соответствующие расчеты по определению I и высоты стенки к ст. Графическая интерпретация полученных зависимостей в виде
графиков Ь- = /(0,рг 1) и Ь- = /1 (0,рг\)
(XV
показана на рис. 8, где ¥гх =- и Рп /Ь р = 0,25.
gЬ р
Исследование влияния уклона плиты /р1
водоприемной части на гидравлические режимы потока в отстойной камере было сведено к определению длины отлета струи 14.
p
p
h
n
p
Установлено, что оптимальным можно считать уклон I р1 = 0,06. Для уменьшения величины отлета
струи 14 рекомендуется проектировать водобойную стенку высотой 0,1 м. В этом случае 14 уменьшается почти в два раза
0 5 10 15 20 25 Fq40-2
■•10 -10 8 6 4
✓
1 2 / 3 „ \4
/
/ / у'
/ / Л /
/ / / У
/ / /
/
0 5 10 15 20 25 Fq40-
25 Fq40-2
Рис. 9. Графики к3 / к6 = / (г 0, Иг наличия водобойной стенки) при г р1 = 0,06 и решетке типа Р-2. Сплошная линия -с водобойной стенкой с (кст /Ьр = 0,0625 ); пунктир -при отсутствии водобойной стенки; 1 и 5 - г 0 = 0,005;
2 и 6 - г0 = 0,01; 3 и 7 - г0 = 0,02; 4 и 8 - г0 = 0,03
h 4 ~d
1,2
Рис. 8. Графики зависимости относительных длин водоприемной части I /Ьр и водобойной стенки кст /Ьр от
уклона лотка г0, параметра Ип при доступе воздуха под
струю и Рп/Ьр = 0,25: а - график I/Ьр = /(г0,Игг),
б - график кст/Ьр = /1((0,Иг 1); 1 - г0 = 0,005 ; 2 - г0 = 0,01; 3 - г0 = 0,02; 4 - г0 = 0,03
0
Fq40-2
Рис. 10. Графики к4 /<< = /(г0,г „гст,1) при решетке Р-2:
Ь1
р
О - 1р1 = 0,06 ;0 - гр1 = 0,03 ; Д - г р1 = 0,00 при г0 = 0,005
и стенки нет; Д - гр1 = 0,06 при кст/Ьр = 0,0625 и г0 = 0,005; □ - г0 = 0,01; О - г0 = 0,02; • - г0 = 0,03; при гр1 = 0,06 .
1 - г0 = 0,005; 2 - г0 = 0,01; 3 - г0 = 0,02; 4 - г0 = 0,03
Исследование гидравлического режима в водоприемной камере сводится к установлению глубины воды к3 на разделительной стенке и глубины воды в этой камере к4. Получены графики к3/к6=/(г0, ¥п, наличия водобойной стенки) при гр1 =0,06 и решетке типа Р-2, приведенные на рис. 9. Здесь к6 -высота переливного отверстия.
Глубина воды в водоприемной камере к4 зависит от пропускаемых расходов Q0 и площади поперечного сечения водоотводящей трубы (диаметра <).
На рис. 10 показаны опытные данные и графики зависимости относительной глубины в водоприемной камере к 4/ < от уклона лотка, уклона плиты, относительной высоты стенки к ст / Ь параметра ^ ,
при решетке типа Р-2 и относительном пороге сооружения Рп / Ь р = 0,25.
Во всем диапазоне уклонов дна г0 водотока и расходов Q0 через модельную установку пропускались наносы от пылеватых до величины 8 мм. В результате исследований установлено, что при расходе Q0, меньше или равном расчетному Q 0р происходит эффективное осаждение наносов размером 0,14 мм и более, что в натурных условиях соответствует наносам величиной 0,3 мм и более. Рекомендуемая конструкция водоприемного сооружения позволяет задержать более 90 % взвешенных и влекомых наносов при мутности потока до 1 кг/м3.
Установлено, что при работе сооружения отмечается самоочищение наклонной плиты как без водобойной стенки, так и при ее наличии.
Задерживаемые наносы и мусор на сороудержи-вающей решетке практически не влияют на ее пропускную способность, так как длина решетки большая и
а
p
б
поток проскакивает эти наносы и мусор. Очищение решетки следует производить механически или гидравлическим смывом в мусороотводный лоток. Удаление наносов из съемного грязесборника отстойной камеры необходимо производить по мере его заполнения не реже одного раза в квартал автокраном грузоподъемностью до 3-5 тс (30-50 кН).
Выводы
1. Разработана надежная и эффективная конструкция многофункционального водоприемного сооружения для забора воды из неглубоких высокоскоростных открытых водотоков, содержащих высокие концентрации мусора, влекомых и взвешенных наносов, представляющая собой двухкамерный донный решетчатый водоприемник (Патент РФ №2095525). Конструкция водоприемника рекомендуемых размеров обеспечивает забор необходимого количества поверхностного стока (до 0,3 м3/с); перехват, аккумулирование и условия для удаления наносов и мусора.
2. Теоретическими и экспериментальными исследованиями получены необходимые данные и расчетные зависимости для определения пропускной способности донного решетчатого водоприемника; параметров потока на входе в водоприемное отверстие, на внутренней наклонной наносотранспортирующей плите, в отстойной (наносоприемной) в водоприемной камерах.
3. Теоретическими исследованиями получена система расчетных зависимостей для определения значений
силового воздействия водного потока на основные железобетонные элементы водоприемного сооружения (наклонную плиту, стенку отстойной камеры), позволяющие выполнить их прочностные расчеты.
Литература
1. Дальков М.П., Рыбаков Ю.С. Россия: социально-
экономические водные проблемы / РосНИИВХ. Екатеринбург, 1999. С. 214-222.
2. А.С. 1158705 СССР МКИ 4Е 03Е/14. Дождеприемный колодец /Горьковский инженерно-строительный инсти-тут.-№3478106/23-26; заяв.17.06.82; Опубл. 30.05.85. Бюл. № 8.
3. Чавтораев А.И. Облегченные водозаборные сооружения на горных реках. М., 1958.
4. Попова Т.Е. Донное водоприемное сооружение для забора воды из неглубоких поверхностных водотоков с высокой концентрацией наносов и мусора: Дис. ... канд. техн. наук: 05.23.07 и 05.23.16. Защищена 23.06.2000. Утв. 08.12.2000. Новочеркасск, 2000.
5. Технические условия по проектированию и строительству дождевой канализации / М-во жил.-коммун. хоз-ва РСФСР. Акад. коммун. хоз-ва им. К. Д. Панфилова. М., 1985.
Новочеркасская государственная мелиоративная академия 26 июня 2005 г.
