Щелевые водоприемники*

* Методика расчета щелевых водоприемников разработана канд. техн. наук М. П. Омельченко.

4.60. В практике проектирования, строительства и эксплуатации водозаборов тепловых и атомных электростанций (ТЭС и АЭС) широко используют щелевые водоприемники.

Щелевой водоприемник — самотечный, сифонный или всасывающий водовод, на начальном участке которого устраиваются щели. Водоприемники обычно имеют круглое или прямоугольное поперечное сечение. Они изготовляются из металла, железобетона или древесины.

4.61. В практике проектирования используют преимущественно две конструктивные схемы щелевых водоприемников: постоянного сечения с переменной высотой щели по длине (рис. 63, а) и переменного сечения по длине с постоянной высотой щели (рис. 63, б).

Иногда используют также водоприемники постоянного сечения по длине с постоянной высотой щели (рис. 63, в).

Рис. 63. Конструктивные схемы щелевых водоприемников

а — водоприемник постоянного сечения с двумя щелями переменной высоты по длине (с открытым или закрытым торцом); 1 — водоприемные отверстиям (щели); 2 — перемычки; 3 — постель; б — водоприемник переменного сечения по длине о двумя щелями постоянного сечения; в — водоприемник постоянного сечения с двумя щелями постоянного сечения (с закрытым или открытым торцом); г — расчетная схема щелевого водоприемника

Первые две схемы водоприемников позволяют обеспечить постоянство заданных или расчетных удельных расходов забираемой воды по длине водоприемного фронта.

Постоянство скоростей забираемой воды на подходе к водоприемнику обеспечивается установкой над щелью козырьков (рис. 64 и 65).

Рис. 64. Конструктивная схема круглого щелевого водоприемника с двухсторонним приемом воды и козырьком

Рис. 65. Конструктивная схема прямоугольного водоприемника с односторонним приемом воды и козырьком

В зависимости от конструктивной схемы водозабора, местных условий водоема и требований, предъявляемых к воде, водоприемники устраивают с одной, двумя или тремя щелями соответственно с односторонним, двухсторонним и трехсторонним приемом воды (рис. 66).

Рис. 66. Схема водоприемника с двумя щелевыми камерами

1 — водоприемные окна; 2 — щелевые камеры постоянного сечения с переменной высотой (шириной) щели по длине, отводящие забираемую воду в противоположном направлении; 3 — самотечные или сифонные водоводы; 4 — постель; 5 — водоприемные окна с рыбозащитными кассетами

В практике проектирования используют водоприемники с открытым или закрытым торцом.

4.62. Для условий селективного забора воды для всех типов щелевых водоприемников за оптимальную высоту водоприемного отверстия принимают расстояние от постели до козырька (см. рис. 63, г), а при отсутствии козырька — начальную (максимальную) высоту щели или входа в водоприемное отверстие (см. рис. 66).

Оптимальную высоту водоприемного отверстия определяют по формуле

, (126)

где h₂ — глубина нижнего слоя, из которого производится водоотбор; h_кр — критическая глубина нижнего слоя.

4.63. Критическую глубину определяют по формуле

, (127)

где e = (r₂ — r₁)/r₂.

4.64. Для практических расчетов оптимальную высоту можно определять по формуле

h₀ = K₁h_кр, (128)

где K₁ — опытный коэффициент, изменяющийся в пределах от 0,75 до 1, примем K₁ = 0,8.

4.65. Оптимальный удельный расход определяют по формуле

(129)

или

(130)

Соответственно оптимальные скорости отбора воды при известной температурной стратификации

(131)

или

. (132)

4.66. Высоту щели при постоянном поперечном сечении водовода для водоприемников с п количеством щелей при открытом торце определяют по формуле

. (133)

Пренебрегая потерями напора на трение по длине и принимая m₁ » m » 0,7; получим

h_x = w/A + nx, (134)

где w — площадь сечения водоприемника, м²; А = Q_н/q = w/h_н — начальная длина щели за счет торцового отверстия, м; Q_н — расход, поступающий через торцовое отверстие, м³/с; q — удельный расход, поступающий на единицу длины каждой щели, м²/с; h_н — начальная высота щели, равная h₀. При наличии козырька h_н < h₀ принимается исходя из конструктивных соображений; п — количество боковых щелей; х — расстояние до расчетного сечения.

4.67. Длину щели определяют по формуле

l = 1/n (Q/q — A), (135)

где Q — суммарный расход водоприемника.

4.68. Для водоприемников с n количеством боковых щелей и закрытым торцом на начальном участке не обеспечивается заданный удельный расход. Длину этого участка определяют по формуле

, (136)

где h_н — высота щели, которую принимают постоянной на начальном участке. .

4.69. Удельный расход на начальном участке каждой щели определяют по формуле

, (137)

где q — заданый удельный расход за начальным участком щели; е = 2,718 — основание натурального логарифма; х’ — расстояние от начала щели до расчетного сечения (х изменяется от 0 до l_н).

4.70. Суммарный расход, поступающий на начальном участке щели, определяется по формуле

Q_н = 0,632ql_н. (138)

4.71. Высоту щели за пределами начального участка водоприемника определяют по формуле

h_x = w/(A₁ + пх), (139)

где A₁ = 0,632l_нn.

4.72. Длину щели основного участка (с переменной высотой щели) определяют по формуле

l = (Q/qn) — A₁. (140)

4.73. Щелевые водоприемники переменного сечения по длине с постоянной высотой щели при открытом и закрытом торце подразделяют на:

прямоугольный водоприемник с постоянной высотой и переменной шириной;

прямоугольный водоприемник с переменной высотой и шириной;

водоприемник круглого сечения переменного по длине.

4.74. Для прямоугольного водоприемника постоянной высоты и переменной ширины с одной боковой щелью и открытым торцом ее длина до рассматриваемого сечения определяется по формуле

, (141)

где b — ширина водоприемника в расчетном сечении; b_н — ширина щели в начале водоприемника; h — высота водоприемника; h₀ — высота щели;

А = Q_н/q = b_нh/h₀. (142)

Полную длину щели водоприемника определяют по формуле

l = Q/q — A. (143)

Расстояние по оси водоприемника от начала щели до расчетного сечения определяют по формуле

. (144)

Расчет конструктивных элементов водоприемника целесообразно вести в следующей последовательности:

по заданным удельному расходу, начальной ширине и высоте водоприемника, а также высоте щели по (143) определяют полную длину щели;

зная общую длину щели из (142) определяют b_н в конце щели, затем задаются величиной b в промежутке между b и b_н и определяют расстояние l_х и х соответственно по (141) и (144);

по нескольким заданным величинам b и рассчитанным b_н и l очерчивают ширину водоприемника по его длине.

4.75. Для водоприемников квадратного или круглого поперечного сечения с открытым торцом длину щели до рассматриваемого сечения определяют соответственно по формуле

(145)

или

, (146).

где А = Q_н/q = w_н/h_0.

Для квадратного водоприемника ; для круглого ; r — радиус в расчетном сечении; r_н — начальный радиус водоприемника при х = 0.

Расстояние по оси водоприемника от начала щели до рассматриваемого сечения определяется по формуле (144). Для круглого водоприемника вместо b и b_н подставляют r и r_н.

4.76. При закрытом торце в приведенных расчетных методиках величину А принимают равной нулю.

4.77. При постоянных поперечном сечении водоприемника и высоте щели не обеспечивается постоянство удельных расходов по его длине.

Расход воды в водоприемнике на расстоянии х от начала щели при п количестве щелей постоянной высоты определяется по формуле

. (147)

Удельный расход вдоль каждой щели определяется по формуле

, (148)

где .

Коэффициент неравномерности, который равен отношению расхода или скорости в рассматриваемом сечении к расходу или скорости в среднем сечении водоприемника, определяют по формуле

. (149)

Максимальная величина коэффициента неравномерности будет в концевой части водоприемника (х = l)

. (150)

Если в некоторых практических случаях можно допустить неравномерность распределения расхода вдоль щели, то для определения размеров щели для заданного коэффициента неравномерности можно воспользоваться формулой

. (151)

В последнем уравнении два неизвестных — длина и высота щели. Задаваясь одной из них, находим другую величину для заданного коэффициента неравномерности.

4.78. В практике проектирования, строительства и эксплуатации водозаборов используются также водоприемники веерного (рис. 67), раструбного (рис. 68) и бункерного (рис. 69) типов. Эти типы водоприемников обеспечивают лопаточную равномерность скоростей отбора воды по водоприемному фронту.

Рис. 67. Водоприемник веерного типа

Рис. 68. Водоприемник раструбного типа

Рис. 69. Спаренный водоприемник бункерного типа

Фильтрующие водоприемники

4.79. В водотоках и водоемах рыбохозяйствениого значения при сложных ледовых и шуголедовых условиях и их засоренности целесообразно использовать фильтрующие водоприемники.

4.80. В практике проектирования, строительства и эксплуатации водозаборов используют пять основных типов фильтрующих водоприемников.

Первый тип фильтрующего водоприемника — с горизонтально расположенным фильтром и входом воды сверху вниз. Этот тип водоприемника используется преимущественно на реках Севера и Сибири в сложных шуголедовых условиях при малых глубинах воды под мощным ледяным покровом (рис. 70).

Рис. 70. Конструктивные схемы водоприемников при сложных шуголедовых условиях и чрезмерно малых глубинах воды

а — водоприемник с конической вихревой камерой или водоводом постоянного сечения с переменной шириной щели; б — водоприемник с водосборной дреной постоянного или конического сечения с отверстиями, пропилами или щелями соответственно с переменным или постоянным шагом или шириной щели; 1 — слой воды в источнике (водотоке); 2 — фильтрующий материал; 3 — отмостка; 4 — самотечный водовод; 5 — водосборный водовод; 6 — корпус водоприемника или фильтрующая призма; 7 — поддерживающая решетка; 8 — водоприемная камера

Второй тип — то же, с горизонтальным фильтром с приемом воды снизу вверх. Он может использоваться как на водотоках, так и на водоемах с достаточными глубинами воды в условиях ее повышенной засоренности взвешенными наносами, водной растительностью и сором (рис. 60 и 71).

Рис. 71. Схема водоприемника зонтичного типа с щелевыми камерами

1 — щелевые камеры; 2 — перекрытие; 3 — фильтрующие кассеты; 4 — самотечные или сифонные водоводы и опорные стойки; 5 — опоры; 6 — крепление

Третий тип-с фильтром, расположенном в вертикальной плоскости с входом воды по горизонтали. Он может использоваться при достаточных глубинах воды (см. рис. 56).

Четвертый тип — с дреной или системой дрен, уложенных на постель и покрытых фильтрующим материалом (рис. 72). Этот тип водоприемника может использоваться в водоемах за пределами прибойной зоны при незначительной миграции наносов. Его разновидностью можно считать инфильтрационный водоприемник, верхняя поверхность которого укладывается на уровне ложа водоема (рис. 73).

Рис. 72. Конструктивные схемы фильтрующих водоприемников

а и б — действующие водозаборы на Черном море и Каховском водохранилище; в и г — строящиеся водозаборы на Азовском море и Каховском водохранилище

Рис. 73. Схема инфильтрационного водоприемника, размещенного на устойчивом прибрежном склоне, сложенном из гравийно-галечных грунтов

1 — с отверстиями или пропилами по нижней поверхности, обеспечивающими постоянство удельных расходов по се длине; 2 — обратный фильтр

Пятый тип — подводящий канал, огражденный фильтрующими дамбами. Может использоваться на водоемах при незначительной вдольбереговой миграции наносов (рис. 74).

Рис. 74. Фильтрующий водозабор производительностью 10 м/с

а — план сооружения: 1 — подводящий канал; 2 — насосная станция;
б — ограждающие дамбы: 1 — кладка из бетонных массивов массой 8 т; 2 — наброска из бетонных массивов массой 8 т; 3 — наброска из камня массой ~300 кг; 4 — наброска из несортированного камня; 5 — кладка из бетонных массивов массой 4 т; 6 — наброска из бетонных массивов массой 1т;

4.81. Фильтрующие водоприемники трех первых типов состоят из следующих основных элементов: несущего корпуса водоприемника, водоприемного фильтра с поддерживающими его решетками и водосборного коллектора.

4.82. Корпус водоприемника должен иметь хорошо обтекаемую потоком форму, исключающую образование отрывов потока у поверхности фильтра.

4.83. Водосборный коллектор во всех типах фильтрующих водоприемников должен обеспечивать постоянство удельных расходов воды по его длине или скоростей воды на входе в фильтр. Для обеспечения этого условия используют деревянные или железобетонные галереи, металлические водоводы с постоянным или переменным сечением по длине, со щелями или отверстиями в стенах.

4.84. Фильтры для водоприемников первого типа выполняют из двух-трех и более слоев заполнителя разной крупности. Толщину трехслойного фильтра обычно принимают 0,6-0,75 м, с отдельными слоями 0,2-0,3 м. Фильтр поддерживается снизу стержневой решеткой.

Фильтр для водоприемников второго и третьего типов однослойный. В зависимости от крупности заполнителя толщину фильтра принимают 6-10-кратной величины наиболее крупной фракции фильтра. Фильтр второго типа поддерживается боковыми решетками.

Фильтр может выполняться и в виде кассет из деревянных брусков и реек, пористого бетона, пороэласта или контейнеров, заполненных однородным щебнем, гравием, керамзитом, пластмассовыми или резиновыми шарами и др.

Фильтр для водоприемников четвертого и пятого типов выполняется как однослойным, так и в два-три слоя. Параметры фильтра определяются конструктивной схемой водоприемника и местными условиями водоема. Поверхностный слой фильтра должен противостоять волновой нагрузке.

4.85. В фильтрующих водоприемниках, размещаемых в шугонос-ных водоисточниках, скорость фильтрации на входе не должна превышать 0,05 м/с. При такой скорости практически не наблюдается остаточной кольматации каменно-набросной загрузки фильтра.

4.86. При крупности загрузки фильтра d £ 80 мм практически весь органический взвешенный сор задерживается на поверхности фильтра. При крупности загрузки более 80 мм соро- и шугозадерживающая способность фильтра снижается. Чем крупнее загрузка фильтра, тем глубже проникают в него сор и шуга.

4.87. Засорение фильтра зависит и от скорости потока на его поверхности. Оно редко снижается при скоростях течения, более чем в пять раз превышающих скорости втекания в фильтр и значительно увеличивается при подходе потока по нормали к его поверхности.

4.88. Только импульсная промывка, создающая волновое давление, обеспечивает равномерное воздействие потока на фильтр. При незначительных скоростях обтекания фильтра потоком необходимо увеличивать расход промывной воды. В условиях водоемов эффективную промывку фильтра можно обеспечить только при наличии волнения

4.89. В условиях водоемов вследствие вертикальной асимметрии профиля волн и соответственно орбитальных скоростей горизонтально и наклонно расположенные поверхности фильтров при верхнем приеме воды обычно декольматируются волновым потоком.

4.90. В тяжелых шуголедовых условиях используют подвод теплой воды к фильтрующей поверхности и электрообогрев металлических стержней, удерживающих фильтр, обычно служащих затравкой для обледенения. При отсутствии возможности подвода теплой воды для обогрева фильтра насосы насосной станции следует устанавливать под залив.

4.91. Коэффициент фильтрации в фильтре, изготовленном из гравия, гальки или щебня, определяется по формуле

, (152)

где р — коэффициент пористости для гравия и гальки принимается равным 0,4, для щебня — 0,5; d — диаметр фильтрующего материала, см.

Коэффициент фильтрации в фильтре из камня определяется по формуле

, (153)

где s = 20-14/d. Для камня округленной формы р = 0,4.

4.92. Скорость фильтрации воды в фильтре при турбулентном режиме определяется по формуле

, (154)

где J — пьезометрический уклон.

При ламинарном режиме фильтрации — по формуле

. (155)

4.93. Потери напора в фильтре определяются по формуле

, (156)

где d — толщина одного слоя фильтра.

4.94. Скорость входа или подхода воды к фильтру должна определяться местными условиями в водоисточнике и требованиями рыбоохраны.

Скорость подхода воды к фильтру при известной его пористости и заданной или принятой скорости фильтрации определяется по формуле

. (157)

4.95. Одним из сдерживающих факторов широкого использования фильтрующих водоприемников на водоемах является возможность обрастания водоводов и фильтров ракушкой. Между тем, как свидетельствует опыт эксплуатации водозаборов, обрастания самотечных водоводов и дрен, даже при весьма повышенной биологической активности обрастателей, не наблюдается. Предполагают, что такое положение обусловлено отсутствием или весьма незначительным прониканием питательной среды (планктона) вследствие весьма малых скоростей фильтрации воды.