CC BY
13Водозаборное сооружение на горных и предгорных реках для малых гидроэлектростанций
Абилов Рашад Саффан оглы
докторант, научной сотрудник, лаборатория «Источники альтернативной энергии и малые электрические станции», Азербайджанский научно-исследовательский и проектно-изыска-тельный институт энергетики, rashad.abilov@azerenerji.gov.az
С учетом специфики рельефа Азербайджана, во многих населенных пунктах для хозяйственных и питьевых целей здесь используется вода из подземных источников. Качество и чистота воды здесь достаточно высоки, поэтому проводить ее дополнительную интенсивную очистку, как правило, не требуется. Но там, где имеются горные реки и отсутствуют другие доступные источники этого важного ресурса, приходится использовать такие водные потоки. Еще в середине XX века здесь были возведены гидротехнические сооружения, которые эксплуатируются в достаточно сложных условиях. При этом, их эффективность зачастую находится на низком уровне, как с точки зрения эксплуатации и износа узлов, так и качества получаемой воды. Все это говорит о том, что необходимо разрабатывать новые гидротехнические сооружения, которые могли бы обеспечить население хозяйственно-питьевым ресурсом. При этом, на этапе проектирования, в узлах и основных конструктивных особенностях подобных сооружений должны быть учтены - сезонные колебания уровней воды, большое количество наносных элементов, взвеси и прочих чужеродных компонентов, которые повышают мутность до показателя в 10.000 мг/л. В ходе исследования представлена наиболее оптимальная конструкция гидротехнического сооружения, которая позволяет учесть все ключевые особенности горных реках и климатических условий функционирования.
Ключевые слова: Верхние участки горных рек, плотинные водозаборное сооружения, донные наносы, взвешенные вещества, предварительная очистка речных потоков, паводок, регулирование речного потока, верхний и нижний бьеф.
Цель исследования: Выявление недостатков конструктивных решений водоприемных сооружений для разработки правил проектирования и дальнейшего обеспечения условий их нормального функционирования.
Результаты: проектирование универсального водозаборного сооружений на горных реках для систем водоснабжения населенных пунктов не регламентируется специальными нормами и правилами. На основании анализа существующий по этой проблеме литературы и опыта эксплуатации разработана общая схема водозаборного узла на горных реках. Предложенную схему целесообразно принимать для плотинных водозаборов на верхних участках горных рек, по разработанной схеме регулируется речной поток, поступающий на водоприемный бассейн и на сооружение предварительной очистки воды, что способствует эффективной предварительной очистки воды и повышению надежности работы систем водоснабжения в целом.
Введение. Строительство сооружений, обеспечивающих водой населенные пункты в горной местности, проходит без должного регламентирования. Это обусловлено тем, что этап проектирования водозаборных конструкций и сооружений полноценно не обеспечен всей необходимой совокупностью технических правил и норм. Как результат, функционирование большинства подобных систем, особенно располагающихся в высокогорных регионах Азербайджана, демонстрирует ненадежную работу.
Хотя, если говорить о перечне тех требований, которые должны удовлетворяться подобными конструкциями, то они являются достаточно четко очерченными. И, если их формулировать и перечислять, то можно предложить следующий список:
• На протяжении всего года подобная конструкция должна обеспечивать бесперебойный забор воды в необходимом количестве.
• Качество воды должно соответствовать установленным нормам независимо от сезонной особенности (ухудшение состава во время весенних паводков или наоборот - пересыхания в летние температурные пики).
• Конструкция должна быть выполнена таким образом, чтобы обеспечивать забор в водоприемник без втягивания в основную массу воды наносов со дна реки, плавника и подобных иных осадочных пород, а также шуги (внутриводного льда).
• Та часть осадка, которая является неотъемлемой частью технологического цикла, должна проходить предварительный этап очистки в специально сконструированных отстойниках. Важно, чтобы коэффициент осветленности соответствовал установленным требованиям и нормам.
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м «
м см о см
сч
о ш т
X
<
т о х
X
• Степень очищения зависит от назначения отбираемой воды. Наиболее высокие показатели достигаются для забора питьевой воды.
Водозаборная конструкция по своим техническим и технологическим особенностям должна демонстрировать - простоту в обращении (эксплуатации) и ремонте, надежность функционирования, высокий уровень экономичности [1, 3, 4].
Не менее важным фактором является непосредственная локация конструкции. Как правило, высота ее расположения напрямую связана с производительностью. Так, чем выше находится населенный пункт или подобное водозаборное сооружение на горных реках, тем меньшее количество воды требуется получать на выходе, что существенно влияет на конструктивные особенности.
Исходя из всей совокупности вышеперечисленных особенностей и требований, к процессу проектирования водозаборов плотинного типа необходимо подходить таким образом, чтобы были удовлетворены следующие условия:
• Поток воды, который будет подходить, как к водозаборным элементам, так и к той части, где происходит сброс воды, должен иметь устойчивый и при этом плавный ток. Причем, это требование должно быть выполнено независимо от того, каковы особенности расхода воды в реке в любой период года. Достигаются такие устойчивые показатели за счет регулирования русла реки [1, 2, 5]. А получаемые преимущества от реализации подобных условий - отсечение всех видов примесей, начиная от наносных пород и водного льда, заканчивая специфическими биоорганизмами, попадание которых в водоприемник не должно происходить с основной отбираемой массой воды.
• В районе сброса воды конструкция должна располагаться нормально (перпендикулярно) по отношению к оси основного русла горного участка реки. При этом, не должно обнаруживаться стеснение, формируемого за счета сужения естественного русла (потока) реки. Что касается особенностей расположения водосбросного фронта в предгорных районных, то здесь он конструктивно должен сужаться в сравнении с подходящим потоком. Это позволяет исключить возникновение такого эффекта, как «блуждание потока» и формирование отмелей.
К тому же следует учитывать особенности гористого региона, так как здесь в период таяния снежных шапок периодически формируется увеличивающийся по мощности и объемам поток воды. Поэтому конструктивно в подобном сооружении должен быть продуман водосбросный фронт, который позволит нивелировать неожиданно нарастающую массу. Достигается это за счет открытых водосливов. Что же касается непосредственно водоприемника, то чаще всего его компонуют одним из следующих способов:
• Воедино с элементами плотины, установленной непосредственно в русле.
• В виде примыкающего узла, который позволяет реализовывать принцип конструкции «лобовой водозабор - паводочный сброс» или иной (полностью противоположный) принцип «боковой забор - прямой лобовой сброс».
Если подобное сооружение располагается на небольших горных реках с умеренным или малым объемом потока и такой же незначительной глубиной, то
чаще всего водозабор выполняют, как встроенный узел наряду с остальными элементами плотины, устанавливая его непосредственно в течение русла [5, 6].
Еще один важный вопрос, который необходимо учесть на этапе проектирования подобного сооружения - это непосредственно борьба с наносами. Для того, чтобы исключить большое количество примесей в основном объеме воды и добиться необходимых показателей мутности, реализуют следующие меры:
1. Первоначально стараются предотвратить втягивание большей части всех видов наносов, как донных, так и придонных, чтобы исключить их попадание в водоприемник. Достигают этого одновременно и процессом регулирования расхода потока, и созданием конструктивов в виде порогов и галерей (они сдерживают любые виды наносов). Чтобы пороги выполняли полноценно свою функцию, их выстраивают в русле реки до того, как основная водная часть подходит к водозаборным элементам. Особенно этот вид конструкции эффективен при большом количестве донных отложений.
2. На втором шаге очищения основных загрязняющих элементов необходимо в конструкции воплотить следующую идею. В водоприемной части бассейна устанавливаю такие элементы, как пеко- и гравиеловки. После этого вода попадает в отстойники, откуда происходит сброс ненужной части в нижний бьеф.
Учитывая также особенности функционирования горных рек, водозаборные конструкции здесь должны иметь специфические элементы. К ним можно отнести забральные стенки; устройства, которые будут препятствовать попаданию в основной отбираемый объем шуги и льда; специальные козырьки, которые устанавливаются на конструкциях, оснащенных открытыми водосбросами.
Как видно из всего выше представленного, горные реки имеют свои специфические особенности с точки зрения функционирования. Так же к их особенностям можно отнести - климатическую специфику высокогорного региона, существенное усиление тока воды во время таяния горных вершин и прочие моменты. И все они в совокупности накладывают свой отпечаток на конструктивные особенности такого гидротехнического сооружения.
Но, технологические и технические расчеиы и проектирование такого узла, основанные на всех вышеперечисленных особенностях речного потока, выполняемые с учетом климатических, гидрологических и иных специфических моментов - это далеко не все, что проектировщику, и в дальнейшем строителю, необходимо учесть для успешной реализации всего проекта. Важно принять во внимание также и используемые материалы. И всегда следует учитывать, что для построения любых типов гидросооружений на горных реках, независимо от количества забираемой воды из основного русла, типовые решения здесь не подходят.
Принимая во внимание все ключевые особенности, предъявляемые характеристики и иные специфические моменты, выставляемые к подобным гидротехническим сооружениям, а также основываясь на экспериментальных и научных выкладках и других литературных данных, с учетом эксплуатационного опыта - представлена общая схема водоприемного узла на горных реках. Если описывать специфику конструктива, то следует упомянуть следующие ключевые моменты:
1. Отстойник в поперечнике имеет прямоугольную форму по верхней кромке. По мере продвижения вниз -
его актрисы изменяются и приобретают трапециевидный вид.
2. Ширина этого элемента может быть как постоянной, так и переменной.
Для того, чтобы плотина работала бесперебойно, на этапе проектирования, в ходе данной работы, предлагается соблюсти ряд следующих условий:
• На моменте подхода к забору, ток воды должен быть плавным и устойчивым.
• Эти же условия должны быть соблюдены и в точке водосброса. Причем, два этих условия соблюдаются вне зависимости от того, каков на данный момент расход воды в реке.
• По структуре водного потока должны быть обеспечены условия отвлечения основной массы льда, наносов и биоорганизмов.
• Также необходимо добиться того, чтобы во время поводков был обеспечен свободный пропуск воды. И одновременно с этим удалось получить промывные расходы.
Результаты работы и обсуждение итогов. Когда необходимо обеспечить хозяйственные и питьевые нужды населения, которое "питается" за счет горной реки, крайне важно обеспечить регулировку ее русла. Что касается вопроса длины такого контролируемого участка, то он оценивается из пропорции в 4...6В. при этом, параметр «В» - это ширина русла в устойчивый период тока, рассчитанная по урезу воды. В точке нижнего бьефа этот размер берется не меньше, чем 2В. Эти параметры отражены на рисунке 1.
Что касается непосредственно водосбросного фронта, то он располагается перпендикулярно к ключевому току реки. Его конструктив не дает стеснение для обычного потока. Если конструкция будет устраиваться непосредственно на предгорных участках, то водосбросный фронт снижают по его ширине, в сравнении с вышеописанным случаем. Что касается других конструктивных особенностей водосбросного фронта, то они заключаются в следующем:
• Здесь должен присутствовать открытый водослив. Именно он помогает справиться с нарастающими во время поводков потоками.
• Важно правильно расположить водоприемник. В некоторых случаях его объединяют с другими узлами плотины, размещаемыми в русле. Или выполняют в качестве примыкающего элемента. Такой конструктив обеспечивает забор воды под острым углом.
• Если горная река отличается небольшой глубиной, а также малым расходом, то здесь делают встроенный по конструктиву водозабор
Во время этапа конструирования важно предусмотреть всю совокупность мер, которая позволяет осуществлять борьбу с наносами. Применяемые технологические методики здесь должны полностью перекликаться с тем качеством воды, которое необходимо получить в итоге. Поэтому, реализацию этого действа можно разбить на 2 этапа:
• Сначала надо постараться отсечь максимум наносных элементов из общего отбираемого потока еще на этапе попадания в отстойник. Это целый комплекс мероприятий, которые реализуют путем регулировки водного потока, выполнением специальных порогов и галерей. Самое главное, чего удается добиться таким планированием подводящего участка реки к плотине -
отсечь наибольшую часть наносных инородных элементов. А их будет особенно много в тех реках, где поток по своему объему и интенсивности колеблется в несколько раз по отношению к умеренному течению.
»1
Plan
L
D , с
LI
14
1С
Л
ш
/
■J.
J.
17
16
А-А
10
15
13
в-в
э-о
1_^ 17
15
-
Рис.1. План и разрезы водозаборного сооружения; бьеф по верхней части потока-1; стенки, организующие русло в нужном направлении-2; водослив, функционирующий в автоматическом режиме - 3; отверстие с затвором для сброса - 4; панур - 5; бьеф нижней части - 6; водобойный колодец - 7; затвор отстойника, располагаемый в начальной части конструкции - 8; затвор в окончании отстойника - 9; камера для отстаивания -10; порог -11; траншея гравиоловки -12; дно камерной части -13; боковые плоскости - 14; железобетонные плиты -15; затвор для водозабора 16; каналы деривационного назначения - 17.
О
ГО >
■С
го m
о
ю
2 О
К)
со
fO CS
0
CS
CS
01
о ш m
X
<
m о x
X
• На втором этапе конструирования важно предусмотреть те элементы и узлы, которые дадут возможность отсечь уже те инородные наносы, которые не удалось устранить на первом этапе. Сюда можно отнести гравиеловки, песколовки, другие захватывающие устройства, а также разные по конструкции отстойники, в которых предусмотрен сброс вниз по руслу реки.
• Еще один инородный элемент, который может попадать в отбираемую часть воды в определенный климатический сезон - это шуга то есть подводный лед. Для его отсечения ставят специальные забральные стенки, которые иногда называют плавниками или козырьки.
Все эти меры позволяют достаточно эффективно бороться с наносами, как в реках с горным руслом, так и в предгорных областях. А исключение наносных элементов дает возможность работать водозаборной станции бесперебойно. Ведь любой мусор, попадающий в систему, приводит к ее заилению, уменьшению пропускной способности, а иногда и повреждению или снижению срока работы турбин. Учитывая все эти особенности, в исследовании предлагается такая конструкция, которая имеет фронтальный водозабор. Этот узел подходит для того, чтобы обеспечить хозяйственные нужды населения достаточно качественной водой.
Если описывать ключевые особенности фронтального водозабора, то они заключаются в следующем:
• Отстойник снабжен затворными створками.
• Верхний бьеф имеет дамбы со струенаправите-лями.
• Перед первым затвором отстойника располагается порог, обустроенный обязательной траншейной канавой, в которой устраивают гравиеловку.
• Водосбросные отверстия также имеют затворы
[7].
Все эти конструктивные узлы позволяют отсекать любые виды наносных и донных вкраплении, снижая их количество, скапливаемое в отстойнике. Но те части, которые все-таки попадают сюда, скапливаются на дне. После этого осуществляется их транспортировка к выходной части затвора. В результате получается осветленная вода, которая устремляется вверх. Она оказывается у края железобетонной плиты, по которой проходит в правую секцию водоприемника. И уже отсюда она поступает непосредственно в деривационные трубы.
Такой конструктив образует естественную преграду крупным наностным элементам, снижая их количество в основной части водозабора. Это позволяет не только продлить срок работы всего сооружения, но и снижает такие негативные моменты, как поломки, вызванные трением или износом инородных элементов.
Данное водозаборное сооружение имеет входные и выходные заглушки, обустроенно специальной камерой отстойником, гравиеловками. Здесь также имеются промывные затворы. Они работают поперек направления потока. А сама водозаборная полиэтиленовая труба со всеми необходимыми конструктивными отверстиями осуществляет водосборную функцию.
Среди ключевых преимуществ у фронтальной конструкции водозабора можно выделить:
• Удается удерживать существенную часть гравия и наносного песка за счет правильно сконструированного отстойника и установленных траншей.
• Весь наносной объем транспортируется к выходной части затвора, в результате чего получается добиться предельно осветленной воды, которая далее
транспортируется по полиэтиленовым трубам со всеми необходимыми технологическими отверстиями.
Plan
<Г
L
> ts
16 с
'У q
,13
,14
12
,9 ^20
f\
"J.
4 Ja
10
17
В-В
"16 "
<> L"
С-С
Рис.2. План и разрезы водозаборное сооружение для горной рек с отстойника периодическим промывом: бьеф верхний -1; направляющие основной поток стенки - 2; затвор, располагаемый на входной части - 3; траншей гравиоловки - 4; порог - 5; основная «чаша» отстойника - 6; боковые стенки - 7; закрепительный елемент - 8; швеллер из стали - 9; конструктивные типы отверстий - 10; полиетелиновые трубы - 11; хомут -12; затвор - 13; деривационные каналы - 14; затвор в конце отстойника - 15; нижний бьеф - 16; автоматический водослив - 17; промывные затворы -18.
А если говорить о технических параметрах такого сооружения, то оно рассчитано на производительность воды необходимого количества с мутностью не превышающей показатель в 1500 мг/л. Этот параметр является достаточным для питьевой воды. А если сравнивать данное число с неочищенной водой, которая может быть напрямую отобрана из реки, то здесь этот показатель достигает 50000-60000 мг/л.
Производительность можно определить ниже представленными формулами.
Во = 2 — + b;
0 tga
(1)
Где с - высота отстойника в трапециевидной его части;
А - угол наклона стенок в этой части отстойника (а=450);
Ь - ширина промывной галереи.
(2)
Где Н0 - глубина скапливаемой жидкости в отстойнике.
Усредненный показатель прохода воды в средней части отстойника:
_ 0р+0,50пр. ,,
— ВпНп--;
и и и tga '
(3)
Длина отстойника определяется выражением:
¿п — К .
0 w„ ср BnWn
(4)
где - гидравлическая крупность самых малых включений оседаемых в отстойнике; к - коэффициент объемного использования этой части гидроузла (к=1,2-1,5).
При расчетах промывной части галереи принимают во внимание скорость потока в разных ее частях. Фактически, с учетом формы и содержания поперечного сечения, а также угла наклона нижней донной части этого элемента.
Условия промывки отстойника можно проверить формулой:
Н0 +гн + кд + гк <г; (5)
Где гн - естественное снижение интенсивности напорной струи, только попадающей в галерею; 11д - потери в эффективности напора, рассчитываемые в каждой точке средней части по длине всей галереи; Zк - потери напора в моменты вывода промывной воды из конструкции галереи; z - перепад высот водной массы, которая скапливается в отстойнике, а также с учетом сброса промывной части воды обратно в русло.
Если подобная конструкция будет эксплуатироваться с учетом ее конструктивных особенностей и будет проходить регулярное техническое обслуживание, то благодаря продуманности основных узлов и их расположения с принятием во внимание особенностей горных рек - срывы в функционировании исключаются. Если возникает необходимость выполнять дополнительную очистку, то она может быть воплощена путем организации предварительных этапов очисток воды. Достигается это реализацией горизонтальных отстойников.
Заключение. Общая совокупность гидротехнических сооружений в виде водозаборных конструкций, которые функционирую на территории Азербайджана, были возведены еще в середине XX века. В связи с техническим износом, на сегодняшний день их состояние требует как минимум реконструирования. К тому же, стоит обеспечить такие сооружения современными устройствами (узлами), которые обеспечат высокое качество воды, а также бесперебойность. Учитывая все эти особенности в данном исследовании предложена наиболее оптимальная конструкция, позволяющая осуществлять водозабор на горных реках Азербайджана. Проект подтвержден всеми теоретическими выкладками, расчетами, чертежами. Исследование проводилось на гидравлических моделях тех сооружений, которые функционировали с учетом современных технологических достижений.
Литература
1. Алтунин С.Т. Регулирование русел рек при водозаборе / М.: Селхозгиз, 1950. - 248 с.
2. Алтунин С.Т. Регулирование русел рек / М.: Селхозгиз, 1962, 352 с.
3. Бондарь Ф.И.,Ереснов Н.В.,Семенов С.И.,Сугов И.Е. Специальные водозаборное сооружения / М.: ГИЛСА. - 362c.
4. Васильева И.А.,Журавлев Г.И.,Корюкин С.Н.,Гид-ротехнические сооружения / М.:Стройиздать, 1978. -647с.
5. Волков И.М., Кононенко П.Ф., Федичкин И.К.,Гид-ротехнические сооружения / М.: Колос, 1968. - 464 с.
6. Гришин М.М. Гидротехнические сооружения / М.: Высшая школа, 1968. - 615 с.
7. Абилов Р.С. Фронтальный водозаборное сооружения, Полезное модель, Патент №u20170014, Бюлле-тен № 7, Промышленная собственность изобретения и полезное модели, Баку, 2019 - с.15
8. Абилов Р.С. Фронтальный водозаборное сооружения, Полезное модель, Патент №u20180002, Бюлле-тен № 2, Промышленная собственность изобретения и полезное модели , Баку, 2020 - с.10
Intake facilites for reseiving water from mountain foothill rivers for small
hydroelectric power plants Abilov R.S.
Azerbaijan Scientific-Research and Design Institute of Surveying Energy JEL classification: L61, L74, R53
Taking into account the specifics of the relief of Azerbaijan, in many settlements, water from underground sources is used here for household and drinking purposes. The quality and purity of the water here are quite high, so its additional intensive purification, as a rule, is not required. But where there are mountain rivers and there are no other available sources of this important resource, such water flows have to be used. Back in the middle of the 20th century, hydraulic structures were erected here, which are operated in rather difficult conditions. At the same time, their efficiency is often at a low level, both in terms of operation and wear of components, and the quality of the water received. All this suggests that it is necessary to develop new hydraulic structures that could provide the population with a household and drinking resource. At the same time, at the design stage, in the nodes and the main design features of such structures, seasonal fluctuations in water levels, a large number of alluvial elements, suspended matter and other foreign components that increase turbidity up to 10,000 mg / l should be taken into account. In the course of the study, the most optimal design of a hydraulic structure is presented, which allows taking into account all the key features of mountain rivers and climatic conditions of operation. Keywords: headwater arca, damintakes, bedsediment, suspend particles, desilting of rivers, river flow control, urstream, downstream, retaining wall. References
1. Altunin S.T., Regulation of riverbeds during water intake / M.: Selkhozgiz,
1950. - 248 p.
2. Altunin S.T., Regulation of riverbeds / M.: Selkhozgiz, 1962, 352 p.
3. Bondar F.I., Eresnov N.V., Semenov S.I., Sugov I.E. Special water intake
facilities / M.: GILSA. - 362c.
4. Vasilyeva I.A., Zhuravlev G.I., Koryukin S.N., Hydraulic structures / M.:
Stroyizdat, 1978. - 647p.
5. Volkov I.M., Kononenko P.F., Fedichkin I.K., Hydraulic structures / M.:
Kolos, 1968. - 464 p.
6. Grishin M.M., Hydraulic structures / M.: Higher school, 1968. - 615 p.
7. Abilov R.S. Frontal water intake structure, Utility model, Patent No.
u20170014, Bulletin No. 7, Industrial property of the invention and utility model, Baku, 2019 - p.15
8. Abilov R.S. Frontal water intake structure, Utility model, Patent No.
u20180002, Bulletin No. 2, Industrial property of the invention and utility model, Baku, 2020 - p.10
X X
о
го А с.
X
го m
о
2 О
м
CJ
