Специфика систем водоснабжения в условиях Севера

Важнейшим фактором, определяющим специфику водоснабжения на Севере, является мерзлотно-климатический. Он подлежит обязательному учету при проектировании водопроводных сооружений и диктует необходимость модернизации существующих и разработки новых решений, технологий и конструкций.

Основными принципами проектирования водоснабжения в зоне вечной мерзлоты являются:

— учет и всесторонняя оценка факторов, определяющих особые требования к устройству и эксплуатации систем водоснабжения на Севере: вечномерзлые грунты, их льдистость, суровый резко континентальный климат, своеобразный гидрологический режим водоисточников, снегозаносы и др.;

— технически обоснованные и экономически оправданные мероприятия по защите от воздействия вечной мерзлоты и холода всей системы водоснабжения: от источника до потребителя;

— реализация резервов удешевления строительства водопроводных сооружений и снижения затрат на их эксплуатацию: снижение металлоемкости, компактность и блокировка сооружений, сокращение доли привозных материалов, конструкций, реагентов, рационализация технологий и сооружений;

— максимальное внедрение эффективных конструктивных решений и технологий (укрупнение узлов и элементов заводского изготовления, домонтажная теплогидроизоляция труб; блочно-пакетные поставки оборудования), методов производства работ (со­здание специализированных монтажно-наладочных организаций, централизация произ­водства укрупненных узлов, серийный выпуск специальной арматуры) и т.д.;

— широкое использование местных строительных материалов (дерево, камень, местные фильтрующие материалы, теплоизоляционные композиции из местных вермикулитов, диопсидов и пр.);

— обязательный учет и использование опыта водоснабжения и водоотведения в северной строительно-климатической зоне, оценка результатов научных исследований и конструкторских проработок (любое, даже эффективное решение может оказаться неприемлемым в иных мерзлотно-гидрологических условиях).

— необходимость учета реальной, постоянно существующей угрозы перемерзания любых элементов систем водоснабжения и водоотведения, которые независимо от их мощности, типа и конструкций большую часть года находятся в среде низких отрицательных температур. Нужны определенные меры по выполнению тепловых потерь со­оружениями и трубопроводами соответственно условиям теплового баланса транспортируемой или сохраняемой воды от водоисточника до потребителя (циркуляция и подо­грев, соответствующая арматура, теплоизоляция, электрообогрев сетей и сооружений и др.);

— обеспечение постоянного контроля и поддерживание оптимального теплового режима всех элементов систем водоснабжения, особенно при малых расходах.

При проектировании водоснабжения на Севере должны также учитываться дороговизна и дефицит электроэнергии, малая обеспеченность кадрами; неустойчивые транс­портные связи, характер производства, застройка поселений, мощность предприятий, условия водоотведения, мощность и особенности режима источников, уклад жизни на­селения и т.д.

Системы водоснабжения специальных очистных сооружений обязательно имеют тепловые пункты (котельные, бойлерные и др.), задачей которых является обеспечение требуемых тепловых режимов сетей и сооружений за счет подогрева воды непосредственно на водозаборе, в пунктах хранения и обработки воды, «тепловое сопровождение» водопроводов и др.

Инженерные изыскания дают не только исходные материалы для проектирования, но и являются его составной частью, влияя непосредственно на качество и сроки проектирования, выбор схем и типов сооружений, их экономичность, надежность и долговеч­ность. Важно правильно оценить геокриологические (инженерно-мерзлотные) свойства и особенности грунтов с прогнозом их изменения в зависимости от принятого принци­па строительства сооружений. Последний должен быть определен уже на стадии инже­нерных изысканий.

Принцип сохранения мерзлого состояния грунтов оснований на весь период стро­ительства и эксплуатации сооружений назначается при слое мерзлоты более 10 м, ее устойчивом температурном режиме, малых габаритах и незначительных тепловыделени­ях сооружений.

Целесообразен принцип приспособления конструкций сооружений к неравномер­ным осадкам оснований при их оттаивании в процессе эксплуатации объектов водо­снабжения, если ожидаются большие тепловыделения, неустойчив температурный ре­жим мерзлоты и относительно малы равномерно распределенные в грунтах ледовые включения.

Подобные мерзлотные условия вызывают при оттаивании небольшие осадки грун­тов, исключающих их разжижение и выдавливание из-под сооружений. Это особо важ­но при создании водохранилищ, прудов, резервуаров и т.п., когда под объектом сложно сохранить мерзлоту, а предварительное оттаивание грунтов дорого. Необходима осторожность, если противофильтрационные элементы выполняются из полимерных пленочных экранов, легко разрывающихся при осадках оттаявших грунтов в основаниях.

Принцип пред построечного оттаивания грунтов оснований применим, если нельзя сохранить их мерзлыми, при высокой льдонасыщенности, неравномерной в плане и профиле, т.е. если реальна большая и неравномерная осадка грунтов при общем их слое до 10 м. Это наблюдается при крупноскелетных грунтах (возможно и на мелкозернис­тых) при естественном их дренировании. Наиболее реальная технология инженерной подготовки площадок по этому принципу – пред построечное оттаивание основания и одновременный намыв грунта средствами гидромеханизации.

Выбор принципа использования мерзлоты в качестве оснований водопроводных сооружений — ответственная задача.

Для целей водоснабжения важной частью инженерных изысканий является геокриологическая съемка, в задачи которой входят выявление генезиса, криогенной текстуры и физических свойств грунтов, специальное изучение оснований (наличие термокарста, солифлюкций, трещин, заполненных льдом, пучения, таликов, наледей и т.д.). Геокрио­логическая съемка сопровождается геофизической разведкой, бурением скважин, про­ходкой шурфов с отбором проб грунтов и воды на исследования. Глубины скважин за­висят от мощности мерзлоты: до 30 м она вскрывается скважинами полностью для на­хождения верхней (под деятельным слоем) и нижней границы вечномерзлой толщи, а при мощности более 30 м скважины проходят до 20-26 м от подошвы деятельного слоя. К сожалению, эти требования на практике выполняются редко.

Важнейшая характеристика мерзлоты — ее температурный режим, изучаемый сетью специальных режимных скважин (термических), в том числе в акваториях водоисточников и близ сооружений, позволяющих оценить влияние сооружений (водоемов) на грун­ты. Правила оборудования таких скважин изложены в инструктивной литературе. При мерзлотно-геологическом изучении грунтов под объекты водоснабжения важен учет опыта изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации подобных сооруже­ний на соседних участках (районах) со сходными условиями.

Объем мерзлотно-геологических исследований зависит от сложности, мощности проектируемых водопроводных объектов, стадии проектирования, района Севера (характер мерзлоты, мощность, термический режим, устойчивость во времени, виды и мас­штаб мерзлотных явлений и процессов, географическая зона — северная, центральная или южная). Северная зона — районы сплошного распространения вечной мерзлоты — за­нимает территорию выше геоизотермы -5°С. Центральная зона (между геоизотермами -5(-1)°С определяется прерывистым расположением вечной мерзлоты. Южная зона рас­полагается между геоизотермами 0(-1)°С; для нее характерно островное распростране­ние вечномерзлых толщ.

При изысканиях под объекты водоснабжения выявляются геокриологические особенности мерзлоты в полевых условиях: генезис, литология мерзлых толщ, их мощность и площадь распространения, криогенная текстура, льдистость, формы ледяных включений, мощность и состав пород деятельного слоя, наличие и типы подземных вод, их состав и др. Кроме того, в полевых условиях определяют физические, теплофизические и механические свойства вечномерзлых грунтов.

При наличии схем водоснабжения в зоне мерзлоты следует учитывать:

— мерзлотио-гидрологические, гидрогеологические условия организации водоснабжения и прогноз их изменения; мерзлотно-гидрологические характеристики водоисточ­ников и т.д.;

— преимущественное использование подземных или подрусловых вод, особенно для первоочередного строительства. Создание водохранилищ при невозможности получе­ния воды из естественных поверхностных источников правомерно лишь при соответст­вующих технико-экономических обоснованиях;

— максимальное использование существующих сооружений, их реконструкцию и интенсификацию (прокладка дополнительных водопроводов, замена традиционных технологий более прогрессивными, интенсификация работы сооружений и др.);

— возможность развития водопроводов и сооружений с обеспечением наиболее эффективного использования капиталовложений без перебоев подачи воды при выполне­нии реконструкции и расширении систем;

— наиболее целесообразную при минимизации затрат энергии на защиту элементов системы от перемерзания компоновку сооружений в плановом и высотном отношениях, обеспечивающую на основе технико-экономических сравнений наиболее экономичные решения;

— все технологические (количество водопотребителей, объемы и режимы водоподачи, требуемые напоры, качество воды и пр.) и местные мерзлотно-климатические и ги­дрологические условия, диктующие выбор источников, способы и конструкции прокла­док водопроводов, степень обработки и подогрева воды и др.;

— требование приближения источников водоснабжения и энергообеспечения к потребителям.

Схемы водоснабжения и отдельные элементы на Севере могут быть весьма различными в зависимости от мерзлотно-климатических условий и технико-экономических соображений. Основополагающими при этом являются водоисточник, его расположе­ние относительно потребителя, хозяйственно-строительные возможности водообеспечеиия. Мощность и режим водоисточников определяют не только схему водоснабжения, но и конструкции всех сооружений, условия и стоимость их строительства и эксплуата­ции. Правильный выбор схем водоснабжения дает значительные резервы экономики ка­питаловложений, материальных и трудовых затрат.

Для поселений целесообразнее добыча подрусловых вод, а также фильтрационных вод из водохранилищ на перемерзающих реках. Сложнее получить поверхностные во­ды незарегулированных источников. В настоящее время все более увеличивается ориен­тация на специально создаваемые водохранилища, пруды и водоемы-копани. При выбо­ре воды из любых источников должны учитываться возможность резкого сокращения их глубин и расходов, высокая вероятность перемерзания. Наиболее надежны схемы, бази­рующиеся на комбинированных водозаборах с приемом и поверхностных и подрусло­вых вод. Эти схемы и наиболее экономичны, так как упрощается водоочистка и можно широко использовать более доступные поверхностные источники, несмотря на необхо­димость в ряде случаев их регулирования.

Различия схем водоснабжения обусловлены надежностью водоисточников, набо­ром сооружений, степенью соответствия условиям эксплуатации, сложностью обеспе­чения теплового режима элементов системы. Схемы водоснабжения из перемерзающих рек с забором воды из подрусловых отложений или из искусственно созданных фильт­рующих слов с регулированием поверхностного и подруслового стока наиболее распро­странены и перспективны на Севере для относительно малых объектов (рис. 3.8). Водо­хранилища здесь не только аккумулируют поверхностный сток, но и обводняют подрусловые водовмещающие отложения, улучшая гидротерметику отбора и очистки воды. Эти схемы испытаны временем, некоторые из них эксплуатируются свыше 40 лет.

За счет подрусловых вод надежно решается водоснабжение даже крупных городов в различных зонах Севера (Якутск, Алдан, Тында и др.);

Примеры организации водоснабжения в условиях ограниченных водных ресурсов и крайней их неравномерности распределения в году иллюстрируют схемы рис. 3.8.

Схема 3.8, а достаточно типична при водоснабжении объектов равнинно- тундро­вой зоны. Создание запасов воды на бессточный период (ноябрь-май) обеспечивается устройством пруда — копани, оборудованного системой фильтрующих сооружений для очистки забираемой воды, и ледохранилища в качестве резервного источника. Водоза­бор в течение года осуществляется из пруда, вода из ледохранилища отбирается при расплавлении льда с помощью пара, теплой воды или электрокабелей.

Широко распространены на Северо-Востоке схемы организации водоснабжения крупных предприятий и поселков из водохранилищ на перемерзающей реке. В качестве дополнительного источника создают водоемы — копани, из которых подпитывают основные водохранилища. Создание водохранилищ часто нецелесообразно из-за неблагопри­ятных мерзлотно-гидрологических условий. Водозаборы чаще всего выполняются в ви­де фильтрующих ряжей. Забираемая вода очищается и обеззараживается на очистных станциях, сблокированных с насосами станциями II подъема, тепловыми пунктами и резервуарами, очищенная вода подается лишь на хозяйственно-питьевые нужды; на тех­нологические цели вода от фильтрующих водозаборов идет без очистки.

Рис. 3.8. Схемы водоснабжения из перемерзающих водотоков с регулированием под русло­вых вод:

а — фильтрующей плотиной: 1 — ручей, 2 — водоприемный колодец; 3 — фильтр; 4 — фильтрую­щая дамба; 5 — самотечно-всасывающие трубы (250 мм); 6 — санитарная зона; 7 — насосная стан­ция; 8 — тепловой пункт; 9 — водопровод с теплосетями; 10 — водоводы; 11 — поселок; 12 — резер­вуар, 1000 м³; б- глухой плотиной: 1 — река; 2- водозабор-насосная; 3 — водоводы (219 мм); 4 — поселок; 5 — ручей; 6 — резервуар, 300 м^З; 7 — резервуар, 1000 м^З; 8 — острова; 9 — глухая пло­тина; 10 — водосборная дрена; 11 — ограда; в — мерзлотной завесой: 1 — шпора; 2 — река; 3 — мерзлотная завеса; 4 — замораживающие устройства; 5 — дрена; 6 — насосная станция; 7- во­довод; 8 — колодцы; 9 — пожарный резервуар, 300 м^З; 10 — противопожарная станция; 11 — ко­тельная; 12 — дублирующий водовод; 13 — фильтр; 14 — дублирующая водозабор; 15- островной массив; 16 — жилая зона; 17 — разводящая сеть; 18 — промзона.

Схема водоснабжения поселков в бассейне р. Индигирка (рис. 3.8, б) показывает невозможность получения воды из основной реки с достаточным расходом. Необходи­мый запас воды приходится создавать устройством на перемерзающем ручье подпорной дамбы и обвалований от подтопления основной реки. Указанные на рис. 3.9 схемы перспективны для водоснабжения предприятий и пионерных поселков при правильном учете особенностей местности и режима водоисточников. В практике применяются и другие схемы, отличающиеся набором сооружений, степенью надежности и гибкостью функционирования. Преобладание на Севере комплексных промышленно — хозяйственно-питьевых водопроводов предполагает резкую сезонную неравномерность водопотребления. Поэтому целесообразно подавать большие расходы воды на технологические нуж­ды (промывочные и обогатительные установки, горные предприятия) летом по сборно-разборным трубопроводам больших диаметров из полимеров, легких сплавов и пр. Се­зонные поверхностные водопроводы существенно упрощают и удешевляют водообеспечение крупных объектов.

Рис. 3.9. Схемы водоснабжения подрусловыми водами крупных рек:

а — из скважин; 6 — из подрусловых галерей: 1 — скважины; 2 — резервуары; 3 — река; 4 — остров; 5 — водоводы; 6 — циркуляционная насосная стан­ция; 7 — гидроциклоны; 8 — водоразборные колонки; 9 — границы объекта; 10 — водобудки; 11 — тупико­вые участки; 12 — пожарный резервуар; 13 — дюкер; 14 — кольцевой водопровод; 15 — подземные напор­ные емкости (по 1500 мЗ); 16 — озеро; 17 — летний водозабор; 18 — летний водопровод; 19 — рабочая га­лерея; 20 — дублирующий водозабор.

Суровый климат, вечная мерзлота, особенности мерзлотно-гидрологического и ги­дрогеологического режима водоисточников позволяют создавать ресурсосберегающие технологии. Возможными путями рационального использования сурового климата и мерзлотных факторов являются:

1. Использование льда для теплоизоляции сооружений и водопроводов в холодный период года. Высокие теплоизоляционные свойства льда, наносимого на наружные поверхности сооружений и трубопроводов, позволяют ограничиться их минимально необходимой стационарной теплоизоляцией, т.е. снизить их термическое сопротивление и стоимость. Доказано, что обледенение внутренних поверхностей водонапорных башен и резервуаров обеспечивает защиту от перемерзания всей воды в емкостях. Использует­ся в качестве меры теплозащиты внутритрубное оледенение водоводов, получившее со­лидное теоретическое обоснование и аппаратурное обеспечение.

Рис. 3.10. Схемы водоснабжения при ограниченных водозапасах;

а — из пруда-копани; б — из водоема: 1 — водоток; 2 — пески; 3 — плотина; 4 — водосброс; 5 — фильтрующая траншея; 6 — водоем; 7 — фильтрующая дамба; 8 — фильтр; 9 – фильтрующий колодец; 10 — насосная-котельная; 11 — подача воды на намораживание; 12 — водосборная шахта;13 — льдохранилище; 14 — объект; 15 — циркуляционная насосная; 16 — водовод; 17 — скала;18 – резервуары

В последние годы разработаны теоретические основы и технические средства получения пористого льда для теплозащиты больших площадей (акваторий водозаборов, подрусловых береговых отложений и пр.) и создание больших массивов льда. Отрабо­тана технология ускоренного наморажимания льда методами дальнострунного дождева­ния. На базе серийных насосных станций СНП -50/80 (СНП-75/100) в Сибирском НИИ гидротехники и мелиорации разработана установка для ускоренного намораживания льда различной плотности. Плотность фирнового льда обеспечивается от 0,2-0,3 до 0,6-0,75 г/ см³.

2. Создание ледовых подпорных сооружений для водоснабжения, обводнения (плотины, дамбы, льдохранилища и пр.) и накопления запасов воды практически апробиро­вано в сельских районах Якутии в 1984 — 1985 гг.. Глухая ледовая плотина с напором до 6,0 м изо льда плотностью 0,6-0,7 г/см³ с предотвращением фильтрации через ее тело имеет полимерный пленочный экран. Без дополнительных мероприятий по теплоизоляции ледовая плотина устойчиво работала 2025 суток, обеспечив заполнение паводковы­ми водами ближайших озер и стариц, обводнение прилегающих пастбищ.

3. Регулирование русел водотоков и их насосного режима в зимнее время. Оно предусматривает управление подледным потоком, защиту берегов и островов от размыва, регулирование наносов и пр. с помощью струенаправляющих дамб и шпор, возводимых изо льда за счет естественного холода, струенаправляющих элементов, устанавливае­мых на поверхности льда, и др.

4. Использование естественного холода вечномерзлых недр и атмосферы при строительстве водопроводных сооружений: укрепление оснований сооружений заморажива­ющими установками- термосифонами, промораживание таликов и плывунов, вымороз­ка котлованов под водозаборы и береговые колодцы, создание противофильтрационных мерзлотных завес и др. Широкое распространение получили в практике северного стро­ительства замораживающие установки Гапеева СИ., применяемые и для решения задач водоснабжения.

5. Создание в вечномерзлых массивах полостей (емкостей) для хранения запасов хозяйственно-питьевых вод, консервации сточных вод и жидких отходов, хранения реагентов и т.д. Горные выработки, образуемые, как правило, средствами гидромеханиза­ции, достигают значительных объемов. Существуют методики теплотехнического рас­чета таких полостей при различных наполнениях водой, а также условий замерзания водных масс или поддержания их в жидком состоянии.

6. Охлаждение оборотных и циркуляционных вод с использованием ресурсов холо­да вечномерзлых толщ.

Эти способы должны получить развитие в практике водоснабжения Севера.

Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М.

“Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений”