Річковий водозабірний вузол

Річковий водозабірний вузол

Міністерство освіти і науки України

Національний університет водного господарства та природокористування

Кафедра гідротехнічних споруд

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

на тему: "Річковий водозабірний вузол"

Виконав:

Антимонюк С.М.

Перевірив :

Щодро О.Є.

Рівне - 2010р.

Зміст

1.       Гідравлічний розрахунок бокового водозабору з наносоперехоплюючими галереями

1.1 Компоновка і конструкція водозабору

.2 Робота водозабору

.3 Гідравлічний розрахунок водозабору

2.       Гідравлічний розрахунок комбінованої водозливної греблі

2.1 Гідравлічний розрахунок щитової водозливної греблі

.1.1 Основний розрахунковий випадок

.1.2 Перевірочний розрахунковий випадок

.2 Гідравлічний розрахунок автоматичної водозливної греблі

.2.1 Основний розрахунковий випадок

.2.2 Перевірочний розрахунковий випадок

3.       Гідравлічний розрахунок відстійника з періодичним промивом наносів

3.1 Компоновка і основні елементи відстійника та їх призначення

.2 Визначення основних розмірів відстійника з періодичним промивом

.3 Розрахунок відстійника на замулення

Список використаної літератури

Вступ

Водозабірні споруди влаштовуються з метою забору води з джерела живлення і подачі її в канал або водоводи для транспортування в зрошувальну, обводнювальну, гідросилову та інші системи. Оскільки ці споруди розташовуються в голові водогосподарської системи, то інколи вони називаються головними.

Головні споруди, що влаштовуються для забору води з річки, повинні відповідати таким вимогам:

1)      забезпечувати безперебійний забір води у водогосподарську систему згідно з графіком споживання;

2)      захищати канали від надходження в них донних наносів, шуги, льоду і плавника;

3)      мати прості і економічні конструкції;

4)      бути зручними в експлуатації і для автоматизації;

)        мати стійкі і надійні водомірні властивості.

Головні споруди проектуються, як правило, сумісно з іншими гідротехнічними спорудами і загальний комплекс цих споруд називається водозабірним вузлом.

Для боротьби з наносами у водозаборах широко використовуються особливості гідравлічної структури потоку: поперечну циркуляцію, гвинтовий рух і явище обтікання потоком перешкод.

1. Гідравлічний розрахунок бокового водозабору з наносоперехоплюючими галереями

Річковий гребельний водозабір до свого складу включає:

водозабірну греблю (водозабірний шлюз або водоприймач);

водопідйомну греблю (земляну глуху);

магістральний канал;

відстійники;

комбіновану (щитову і автоматичну) водозливну греблю.

Інколи безпосередньо за водоприймачем влаштовується споруда, яка називається вузол регуляторів, який розподіляє воду на другорядні канали.

.1 Компоновка і конструкція водозабору

План гребельного фронтального водозабору зображений на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Типи фронтальних водозаборів: а - лотковий; б - з промивними кишенями; в - двох'ярусний; 1 - гребля; 2 - промивні отвори; 3 - залізобетонний лоток; 4 - магістральний канал; 5 - вхідний поріг, 6 - кишеня; 7 - роздільна стінка; 8 - водоприймач.

1.2 Робота водозабору

Фронтальні водозабори характеризуються фронтальним розташуванням відводу води по відношенні до осі річкового потоку. Вони застосовуються на передгірних і рівнинних ділянках рік при одно- і двосторонньому водозаборі.

Можуть бути дві принципові схеми фронтальних водозаборів: засновані на вертикальному розшаруванні потоку й на використанні штучно створюваної поперечної циркуляції.

До складу фронтальних водозаборів, заснованих на вертикальному розшаруванні потоку, входять стійке прямолінійне русло, що підводить, пристрій для відводу води й боротьби з наносами, водоскидна гребля з низьким порогом, що відводить русло.

.3 Гідравлічний розрахунок водозабору

Водоприймач фронтального водозабору влаштовується у вигляді водозливу з широким порогом. В його нижньому ярусі розташовані донні промивні галереї.

Схема для гідравлічного розрахунку водоприймача показана на рис. 1.2.

Призначаємо напір води hст на порозі водозабору при відомій відмітці НПР, погоджуючи його зі стандартним значенням висоти потоку. Попередньо hст вибираємо орієнтовно в залежності від величини Q_IV-IX.

Оскільки Q_IV-IX = 13,0 м³/с, то приймаємо hст = 1,25 м.

Визначаємо відмітку порогу за формулою:

↓1 = ↓НПР - hст = 695,00 - 1,25 = 693,75 м. (1.1)

Приймаємо різницю рівнів Z, яка необхідна для забезпечення забору води Q_IV-IX і попередньо приймаємо Z = 0,25…0,35 м, тоді глибина води на порозі водозабору буде рівною:

hп = hст - Z = 1,25 - 0,25 = 1,00 м. (1.2)

Водозабірний прогін працює як водозлив з широким порогом.

Визначаємо ширину водозабірного прогону попередньо визначивши критерій підтопленості за формулою:

 (1.3)

Оскільки , то вважаємо що водозлив працює в підтопленому режимі тоді використовуємо формулу:

, (1.4)

де δ - коефіцієнт, який враховує втрати напору на боковий відвід і залежить від кута відводу води α. Для фронтальноговодозабору (α = 180º) значення δ = 1,00;

ε - коефіцієнт бокового стиснення, який попередньо приймається 0,9…0,95, а потім перевіряється за формулою Е.А. Замарина, приймаємо ε = 0,95;

Значення φ приймаємо виходячи із того, що у водоприймачі прямокутний гладкий поріг, тому φ = 0,84. Тоді:

Одержана повна ширина водозабірних прогонів розбиваємо на окремі прогони стандартної ширини. Ширину прогону приймаємо, узгодивши з стандартними ширинами, найближчу більшу. Із умов експлуатації бажано приймати непарне число прогонів, щоб уникнути збійних течій. Приймаємо 3 прогони по 2,50 м.

Уточнюємо коефіцієнт стиснення за формулою:

, (1.5)

де a - коефіцієнт, що для оголовка проміжного бика трикутної форми рівний а = 0,11.

Перевіряємо пропускну спроможність водозабірної споруди за формулою 1.4, підставивши стандартні розміри прогонів і уточнене значення ε. Тоді:

.

Різниця між отриманою і необхідною пропускними спроможностями становить:

. (1.6)

Оскільки різниця між отриманою і необхідною пропускними спроможностями водоприймача менша 5%, тому перерахунок здійснювати не потрібно.

Таким чином повна ширина входу з урахуванням ширини биків рівна:

, (1.7)

де d_Б - товщина бика, що визначається за формулою:

. (1.8)

Донні промивні галереї розраховуються як трубчасті споруди за формулою:

, (1.9)

де μ - коефіцієнт витрати, що визначається нижче;

b_ГАЛ - ширина промивної галереї;

h_ГАЛ - довжина промивної галереї;

Z₀ - різниця рівнів води ВБ і НБ з врахуванням швидкості підходу, що визначається за формулою:

, (1.10)

де ↓РВНБ_МАХ - рівень води в НБ при Q = Q_1%=300,0 м³/с, тоді ↓РВНБ_МАХ=691,0м;

↓ФПР - форсований підпірний рівень, що дорівнює значенню:

; (1.11)

V - швидкість руху води в галереї, що становить 4…6 м/с, приймаємо V = 5 м/с.

Тоді: .

Розміри галерей визначаються із двох умов:

1. , де d_mах - максимальний розмір каменю приведеного до шару. Приймаємо d_mах = 0,25 м.

.

Приймаємо такі габаритні розміри наносоперехоплюючої галереї:

b_ГАЛ = 1,00 м, h_ГАЛ = 1,00м.

Визначаємо коефіцієнт витрати за формулою:

, (1.12)

де ζ_вх - коефіцієнт опору на вході в галерею, який приймається згідно з [2, ст.234], приймаємо ζ_вх = 0,3;

λ_R - коефіцієнт опору по довжині, значення якого визначається за формулою:

, (1.13)

d_СР - приймається в межах (0,08…0,10) м, приймаємо d_СР = 0,08 м;

l_ГАЛ - довжина наносоперехоплюючої галереї, що визначається з плану і рівна 50 м;

R - гідравлічний радіус, що визначається за формулою:

. (1.14)

Тоді:

Число галерей визначається із таких умов:

На основі аналізу наведених вище умов, оскільки розміри галерей не повинні перевищувати розмірів 1,0×1,0 м, то приймаємо 3 промивних галереї з розмірами 1,0×1,0 м з витратою 6,19 м³/с кожна.

Визначаємо дійсну швидкість руху води в галереї за формулою:

. (1.15)

Перевіряємо чи отримана швидкість задовольняє умови руху води в галереї:

Оскільки усі умови виконуються, то геометричні розміри промивних галерей підібрані правильно.

2. Гідравлічний розрахунок комбінованої водозливної греблі

При влаштуванні водозаборів до складу їх споруд обов'язково входять водоскидні споруди. В якості таких споруд можуть влаштовуватися щитова водозливна гребля або комбінована водозливна гребля, яка включає щитову і автоматичну водозливну греблю.

Щитова гребля призначена для скидання частини паводкової води в НБ, здійснення скидання донних наносів від водозабірних прогонів, здійснення корисних пропусків в НБ.

Автоматична водозливна гребля забезпечує скид другої частини паводкової витрати, скид шуги, плаваючих предметів.

.1 Гідравлічний розрахунок щитової водозливної греблі

Щитова водозливна гребля представляє собою низьконапірну бетонну плиту, яка виступає над дном річки на 1,5…2,0 м і поріг такого водозливу влаштовується на відмітці дна наносоперехоплюючих галерей водозабору або нижче їх.

2.1.1 Основний розрахунковий випадок

Визначаємо відмітку порогу водозливу за формулою:

. (2.1)

Прогони водозливних гребель (щитової і автоматичної) розраховуємо на спільний пропуск паводкової витрати. Для водозаборів які в основному відносяться до споруд IV класу капітальності ймовірність паводкової витрати для основного розрахункового випадку становить 5% і згідно вихідних даних рівна 200 м³/с. Частина витрати, яка пропускається через щитову греблю рівна:

.

Визначаємо ширину водозливного фронту щитової греблі за формулою:

, (2.2)

де  - коефіцієнт підтоплення;

 - максимальний напір над водозливом, що визначається за формулою:

, (2.3)

, (2.4)

, (2.5)

 - глибина води в НБ;

ε - коефіцієнт бокового стиснення потоку, що лежить в межах 0,96…0,98, приймаємо ε = 0,97;

m - коефіцієнт витрати, який залежить від форми вхідного порогу і для гладкого прямого порогу дорівнює m = 0,32.

Тоді:

.

Приймаємо 2 прогони по 3,50 м, тоді фактична витрата буде рівною:

, (2.6)

.1.2 Перевірочний розрахунковий випадок

Прогони водозливних гребель (щитової і автоматичної) розраховуємо на спільний пропуск паводкової витрати. Для водозаборів які в основному відносяться до споруд IV класу капітальності ймовірність паводкової витрати для перевірочного розрахункового випадку становить 1% і згідно вихідних даних рівна 300 м³/с. Частина витрати, яка пропускається через щитову греблю рівна:

.

Визначаємо ширину водозливного фронту щитової греблі за формулою:

, (2.7)

де  - коефіцієнт підтоплення;

 - максимальний напір над водозливом, що визначається за формулою:

, (2.8)

 - глибина підтоплення водозливу, що визначається за формулою:

, (2.9)

, (2.10)

 - глибина води в НБ;

ε - коефіцієнт бокового стиснення потоку, що лежить в межах 0,96…0,98, приймаємо ε = 0,97;

m - коефіцієнт витрати, який залежить від форми вхідного порогу і для гладкого прямого порогу дорівнює m = 0,32.

Тоді:

.

Приймаємо 2 прогони по 5,00 м, тоді фактична витрата буде рівною:

, (2.11)

Перевірочний розрахунковий випадок показав, що ширину двох водозливних отворів щитової греблі необхідно збільшити до 5 м кожний.

.2 Гідравлічний розрахунок автоматичної водозливної греблі

.2.1 Основний розрахунковий випадок

Решта повеневої витрати 5% забезпеченості буде скидатись через автоматичну водозливну греблю з врахуванням, що частина води повинна подаватись в галереї для промивки наносів, тому:

, (2.12)

Довжина водозливного фронту автоматичної водозливної греблі визначається із умови підтримання необхідного рівня води в ВБ необхідного для забору води в канал і забезпечення пропуску частини паводкової витрати в НБ. Розрахунок ведеться при спільному вирішенні двох формул знаходячи ширину прогону (В) і висоту автоматичної водозливної греблі:

, (2.13)

де М - коефіцієнт витрати другого роду, беремо М₁ = 2,1, М₂ = 1,8;

Н_МАХ - глибина води в ВБ при максимальному рівні води.

Тоді:

На основі проведених розрахунків приймаємо 1 прогін шириною 16,0 м. При скиданні льоду над порогом автоматичної греблі повинен бути забезпечений напір, величина якого визначається за формулою:

, (2.14)

, (2.15)

де δ - товщина льоду, приймаємо δ = 0,25 м.

Отже автоматична гребля спроможна пропускати лід товщиною 25 см.

2.2.2 Перевірочний розрахунковий випадок

Решта повеневої витрати 1% забезпеченості буде скидатись через автоматичну водозливну греблю з врахуванням, що частина води повинна подаватись в галереї для промивки наносів, тому:

, (2.16)

Тоді довжина водозливного фронту автоматичної водозливної греблі для перевірочного розрахункового випадку буде рівна:

На основі проведених розрахунків приймаємо 2 прогони шириною 18,0 м. При скиданні льоду над порогом автоматичної греблі повинен бути забезпечений напір, величина якого визначається за формулою:

, (2.17)

, (2.18)

де δ - товщина льоду, приймаємо δ = 0,25 м.

Отже автоматична гребля спроможна пропускати лід товщиною 25 см.

Остаточно приймаємо 2 прогони по 18,00 м.

3. Гідравлічний розрахунок відстійника з періодичним промивом наносів

Відстійник - це гідротехнічна споруда призначена для затримування зважених або завислих наносів з розрахунковим і більшим діаметром наносів. Розрахунковий діаметр наносів залежить від мети, яку ставить водоспоживач, так для гідроенергетики необхідно забезпечити осідання наносів діаметром більше 1,00 мм, а для цілей зрошення більше 0,25 мм.

Відстійник влаштовують безпосередньо з водозабором або на каналі. За конструкцією вони представляють собою розширений і заглиблений басейн із бетону чи залізобетону з верховою і низовою головою на яких розміщуються затвори. В нижній голові відстійника в нижньому ярусі влаштовуються наносовідвідні галереї, які об'єднуються в колектор - збірну наносовідвідні галерею.

У відстійниках з періодичним промивом видалення наносів з з камер відстійника відбувається через 12, 24, 36 або 48 годин. Час промивки становить 20…25 хвилин.

.1 Компоновка і основні елементи відстійника та їх призначення

3.2 Визначення основних розмірів відстійника з періодичним промивом

Згідно технічних умов і норм проектування відстійників енергетичних об'єктів (ГЕС) швидкість руху води в камерах відстійника для частинок з розрахунковим діаметром d_P = 0,2…0,25 мм приймається рівною V_Р = 0,2…0,25 м/с. Для розрахункового діаметра частинок d_Р = 0,2 мм, швидкість рівна V_Р = 0,2 м/с.

З досвіду проектування відстійників середня глибина в їх камерах лежить в межах 3,0…6,0 м. Приймаємо Н_СР = 5,0 м.

З умов експлуатації число камер відстійника повинно бути не менше двох при цьому витрата однієї камери приймається не більшою 10 м³/с. Промивна витрата складає 0,5…1,0 від витрати води в камері відстійника.

Приймаємо відстійник з двома камерами, тоді:

, (3.1)

, (3.2)

, (3.3)

де  - швидкість руху води в камері згідно технічних умов і норм проектування відстійника енергетичних об'єктів (ГЕС).

Приймаємо стандартне значення ширини камери , тоді визначаємо дійсне значення глибини в камері:

. (3.4)

Довжину камери відстійника з періодичним промивом визначаємо із умови випадання в камері відстійника наносів з розрахунковим діаметром за такою формулою:

, (3.5)

де К - коефіцієнт запасу, який враховує резервний об'єм для накопичення наносів і знаходиться у межах К = 1,2…1,5. Приймаємо К = 1,3;

W - гідравлічна крупність наносів (швидкість осідання наносів в стоячій воді) з розрахунковим діаметром. При d_P = 0,25 значення W_Р = 2,43 см/с = 0,0243 м/с.

Тоді:

Приймаємо камеру довжиною 70,00 м. З досвіду проектування бажано, щоб виконувалась умова . Умова виконується.

В подальшому довжину камери відстійника уточнюємо розрахунком його замулення. Для визначення швидкості води необхідної для змивання наносів використовуємо таблицю 34 [1, с.310], в якій ,

де q_ПР - питома промивна витрата, що визначається за формулою:

; (3.6)

Р - транспортуюча здатність потоку.

Найбільш економічно доцільною швидкістю для промивання наносів є така, яка забезпечує транспортуючу здатність потоку в Р = 80…140 кг/м³.

З таблиці 34 [1, с.310] визначаємо промивну швидкість і транспортуючу спроможність потоку по питомій витраті . Приймаємо V_ПР = 3,00 м/с,

Р = 10 %. Тоді визначаємо наступні параметри:

промивна висота: ; (3.7)

площа живого перерізу: ; (3.8)

змочений периметр: ; (3.9)

гідравлічний радіус: ; (3.10)

Гідравлічні елементи промивного потоку визначаємо при коефіцієнті шорсткості n = 0,016 коефіцієнт Шезі рівний 54,8 згідно додатку 5 [2, с.243]. Похил обчислюємо за формулою:

. (3.11)

Отримане значення похилу задовольняє умову 0,01 > i > 0,005.

Дно камери відстійника на початку вище дна в кінці камери на величину:

. (3.12)

Тоді глибини на початку і в кінці камери відповідно рівні:

, (3.13)

. (3.14)

Визначаємо швидкість руху води на початку і в кінці камери відстійника:

 .

.3 Розрахунок відстійника на замулення

Попередньо запроектований відстійник перевіряють на замулення. Розрахунок замулення з метою спрощення розрахункової схеми прийнято вести за окремими інтервалами часу при відповідній глибині на початку і в кінці камери відстійника, враховуючи їх зменшення внаслідок відкладання шару наносів. Інтервал накопичення наносів год. Період накопичення наносів в камерах відстійника коливається від 12 до 48 годин, тобто промивка може виконуватися не більше двох разів на добу і не рідше одного разу на дві доби.

Гідромеханічна лабораторія подає гранулометричний склад наносів виражений у крупній фракції. Для розрахунку замулення необхідно мати наноси виражені в наступній фракції (при d_P = 0,25 мм: > 0,5 мм; 0,5…0,35 мм; 0,35…0,25 мм; 0,25…0,15 мм; 0,15…0,1 мм; 0,1…0,05 мм; <0,05 мм), для цього будують криву механічного складу наносів у % для кожної фракції наносів, при цьому визначаємо для кожної фракції вагову (ρ_і) і об'ємну (μ_і) мутність для кожної фракції.

Вагова мутність (ρ_і) - кількість наносів виражених у вагових одиницях в одиниці об'єму води і визначається за формулою:

, (3.15)

де Р_і (%) - відсотковий вміст даної фракції в загальній кількості наносів;

ρ₀ - загальна вагова мутність потоку (вихідні дані).

Об'ємна мутність (μ_і) - кількість наносів в об'ємних одиницях в одиниці об'єму води і визначається за формулою:

, (3.16)

де ρ_і - вагова мутність потоку;

γ_Н - об'ємна вага наносів, γ_Н = (1,0…1,3) т/м³.

Гідравлічна крупність наносів (W) - це швидкість осідання наносів в стоячій воді. У КР визначається за табл. В.М. Гончарові для води при t = 15°C.

Розрахунок кривої механічного складу ведуть в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1.

На основі таблиці 3.1. будуємо криву механічного складу наносів.

У камері відстійника будуть випадати наноси з більшим і меншим діаметром за розрахунковий.

Товщина шару наносних відкладень для кожної з груп фракцій наносів, діаметр яких більший за розрахунковий, визначається за залежністю:

, (3.17)

де L - дальність відльоту частинок наносів даної фракції, яку визначаємо для всіх інтервалів за формулою Замарина;

 - об’ємна мутність потоку відповідної фракції;

- питома витрата води камери відстійника;

год.

Визначаємо довжину відльоту кожної з груп фракцій:

, (3.18)

де - питома витрата води камери, = 1,3 м/с;

Wi - гідравлічна крупність даної фракції наносів;

- глибина води відповідно на початку і в кінці відстійника;

V₁ - швидкість течії на початку камери.

Наноси, діаметр яких менший за розрахунковий, повністю не випадають у відстійнику, частина їх виноситься у відвідний канал.

Об'єм цих наносів, які затримуються в камері буде залежити від відношення ,

де h₁ - глибина води, при якій ще можливе осідання дрібних наносів з діаметром меншим за розрахунковий і визначається за формулою:

, (3.19)

W_<0,2 - гідравлічна крупність фракцій діаметром менше розрахункового;

V₁, V₂ - швидкість течії відповідно на початку і в кінці камери, що рівна:

, (3.20)

, (3.21)

Товщина шару відкладання наносів з діаметром меншим розрахункового обчислюється за формулою:

, (3.22)

Для зручності розрахунок проводимо в табличній формі (таблиця 3.1.).

Таблиця 3.1.

Спочатку записуємо всі дані для першого інтервалу часу в таблиці 3.1, за допомогою яких визначаємо довжину відльоту частинок і товщину шару всіх груп фракцій для цього ж інтервалу і заносимо їх в таблицю 3.2.

Сума товщин шарів усіх фракцій  дозволяє визначити на скільки зменшилась глибина на початку камери на кінець 1-го інтервалу часу. Виходячи з цього глибина на початку камери у другому інтервалі , в третьому  і т.д.

По всій довжині камери випадають лише наноси діаметром меншим за розрахунковий, тому глибина в кінці камери змінюється на суму товщин шарів дрібних частинок: у другому інтервалі, в третьому .

Таблиця 3.2.

Оскільки зі зменшенням глибини в камері швидкість руху води збільшується, тому і збільшується дальність відльоту частинок всіх фракцій. При цьому наступає момент, коли довжина відльоту частинок L розрахункового діаметра становить більше довжини камери, тобто ці частинки починають попадати в канал, що не допускається. Це означає, що відстійник заповнений наносами і його необхідно промити. Розрахунки закінчуються також тоді, коли швидкість на початку відстійника вийде більшою допустимої розвиваючої для наносних відкладень . Із таблиці 3.2 видно, що наноси розрахункових фракцій в четвертому інтервалі частково будуть надходити в канал. Тривалість міжпромивного періоду визначають за формулою:

, (3.23)

де  - тривалість одного інтервалу;

N - число інтервалів.

Якщо тривалість міжпромивного періоду виявиться меншим 12 год або більше 48 год, розміри камери рахуються вибраними невдало, і їх необхідно змінити. Отже міжпромивний період приймаємо 12 годин. Довжину камери відстійника не змінюємо і вона становить 70,00 м.

водозабор відстійник насос гребля

Список використаної літератури

1.         Волков И.М., Кононенко П.Ф. и др. «Проектирование гидротехнических сооружений». М. «Колос», 1977 - 384 с.;

.           Кириенко И.И., Химерик Ю.А. «Гидротехнические сооружения. проектирование и расчет». К. «Вища школа», 1987 - 253 с.