Водозаборные сооружения

1. Краткая характеристика источника водоснабжения и условия приема воды.

1. Производительность водозаборного сооружения – 2.8 м³/с.
2. Грунты, слагающие берег реки:

- до 3 м. – супесь;

- от 3 до 6 м. – супесь;

-более 6м. – супесь.

3.Гидрологические параметры реки:

• Расход реки:

-максимальный - 350 м³/с;

-минимальный - 270 м³/с.

• Скорость движения воды в реке:

-максимальная – 0.9 м /с;

-минимальная – 0.6 м /с.

• Уровень воды в реке:

-летний -103 м;

-зимний -102 м;

-в паводок -106 м.

• Максимальная мутность воды –9 мг/м³.
• Гидравлическая крупность наносов – 0,2 см/с.
• Толщина льда – 1.2 м.
• Высота волны – h_ВОЛН=0.7 м.

7. Расстояние от водозабора до очистной станции - 550 км.

8. Отметка земли у очистной станции – 111,4 м.
9. Свободный напор у очистной станции –10 м

 

2.Обоснование схемы водозаборных сооружений, типа и конструкций.

На прилагаемом к заданию  плане реки выбираем створ водозабора и по данному створу строим профиль  дна и берега реки и наносим  уровни воды (летний, зимний, верхний (паводковый)). Профиль строим при одинаковых горизонтальном и вертикальном масштабах 1:500.

Выбор типа водозаборного сооружения зависит от размера берега, от геологических и гидрологических условий , а так же с учетом возможности его расширения в будущем.

Так как данный водозабор предназначен для нужд хозяйственно-питьевого водоснабжения, то он располагается выше населенного пункта и выше сброса сточных вод с условием организации зон санитарной охраны.

Далее рассмотрим возможность устройства в данном месте реки различных типов водозаборов и выберем наиболее приемлемый из них.

1. Русловой водоприемник с самотечными линиями.

 

 

 

 

 

 

Рис.1.

Данная река имеет пологий берег, и, следовательно, отсутствуют достаточные глубины у берега для размещения водоприемных окон, что является условием для применения данного типа водозабора. Вследствие небольшой величины сезонного колебания уровней воды в реке (Z_вув-Z_зув=4м.) и небольшой длине самотечных линий (75 м) потребуется небольшое заглубление самотечных линий. Данный тип водозаборного сооружения наиболее удобно применять в данных геологических условиях, т.к. геологические условия в районе строительства водозабора позволяют производить выработку грунта (при помощи земснарядов, плавучих кранов и др.).

2. Русловой водоприемник с сифонными линиями.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.

 Данный тип водоприемного сооружения применять экономически не целесообразно, т.к. необходимо применять вакуумные насосы для нормальной работы сифонных трубопроводов.

3. Водоприемники берегового типа.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3.

Такой тип применить невозможно из-за отсутствия высокого крутого берега и наличия у берега глубин, обеспечивающих нормальное положение водоприемных окон.

4) Применение передвижных и плавучих  водоприемников нежелательно,  т.  к. данное водозаборное сооружение  проектируется как постоянный  источник водоснабжения, а передвижные и плавучие водоприемники в основном используются для целей временного водоснабжения (поливка, водоснабжение пионерлагерей).

Следовательно, из рассмотренных выше типов водозаборных сооружений наиболее приемлем и экономически выгоден русловой водоприемник с самотечными линиями.

Далее по СНиП [2] (табл.13) определяем категорию  надежности подачи воды водозаборным сооружением в зависимости от условий забора воды. Для данного  водозабора по СНиП [2] определяется, что  условия забора воды являются очень тяжелыми, т. к. содержание взвешенных наносов равно 9 мг/м³, следовательно, по СНиП [2] для затопленных водоприемников всех типов, удаленных от берега, практически недоступных в отдельные периоды года в одном створе при нескольких водоприемниках при тяжелых природных условиях забора воды предусматривается 2-я категория надежности водозаборных сооружений.

3.Расчет элементов  водоприемного сооружения.

Согласно выбранному типу руслового  водоприемника производим его расчет.

Всё водозаборное сооружение разбивается  на две части.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4.

Обе части в случае аварии должны пропустить расчетный расход, который составляет 6 м³/с. В нормальном режиме работы каждая часть водозаборного сооружения пропускает 50% расчетного расхода, т.е. 3 м³/с.

3.1.Расчет  самотечных линий.

Самотечные трубопроводы, как правило, следует принимать из стальных труб.

Из условия надежности количество самотечных линий принимается не менее 2-х.

Принимая 2 самотечных водовода, находим  наименьшую – незаиливающую скорость движения воды в водоводах, которая определяется по формуле:

V_н=V₁+3,65r^2/15w^4/15Q^1/15,

w- гидравлическая крупность наносов,  для данного объекта, w=0,002 м/с.

V₁ – скорость, V₁ =0,2-0,3 м/с.

r-максимальная мутность воды, для данной реки r= 9мг/м³=0,009 г/м³.

Q – расход мутной воды  при нормальной работе сооружения.

Q=Q_общ/2 =6/2 =3 м³/с.

Пусть в нормальном режиме работы сооружений требуемый расход 3 м³/с, пропускают два водовода, тогда:

Q=1,5 л/с.

V_н=0,2+3,65*0,009^0,13*0,002^0,27*1,5^0,07=0,57 м/с.

Диаметр одного водовода определяется по формуле:

d=1830мм>1400мм - наибольший по сортаменту  стальных труб. Следовательно, необходимо увеличивать число водоводов до 4-х.

Q=0,75 л/с.

V_н=0,2+3,65*0,005^0,13*0,002^0,27*0,75^0,07=0,52 м/с.

Диаметр одного водовода определяется из формулы:

 

1355 мм<1400 мм. СНиП [2] рекомендует в пределах русла водотока самотечные водоводы защищать снаружи от истирания донными наносами путем заглубления водоводов под дно не менее чем на 0,5 м или обсыпать грунтом с укреплением его от размыва. Кроме того, самотечные водоводы должны устраиваться с противокоррозионной оклеечной изоляцией.

По таблицам [6] с учетом требований СНиП [2] для устройства самотечных линий (ориентировочные скорости движения воды в самотечных водоводах при нормальном режиме работы водозаборных сооружений V_max=2 м/с – для водоводов d>800 мм) подбираем стальные электросварные трубы ГОСТ 10704 - 76. Диаметр труб подбираем меньше расчетного, для того чтобы скорость движения воды в трубах увеличилась и была больше наименьшей не заиливающей.

Тогда для нормального режима работы сооружений по таблицам [6] для расхода Q=0,75 м³/c подбираем трубы d=800 мм, со скоростью движения воды в них V=1,48 м/с и гидравлическим уклоном i =0,0031, для аварийного режима работы сооружений по таблицам [6] для расхода Q=1,5 м³/ и труб d=800 мм скорость движения воды будет равна V=2,95 м/с.

Сечение водовода, принятое по допустимой скорости, проверяем на незаилевание по формуле А. С. Образовского.

r £ 0,11(1 -s /u)^4,3V³/gs d,

 r- мутность речной воды, равная 9 мг/м³;

s- средневзвешенная гидравлическая крупность взвеси, равная 0,002 м/с;

u- скорость выпадения частиц взвеси, определяемая по формуле:

V_р-скорость движения воды в трубопроводе при нормальном режиме работы сооружений, равная 1,48 м/с;

С - коэффициент Шези, зависящий от гидравлического радиуса (Rr) и определяемый по формуле:

Для круглых напорных труб Rr=d/4=0,8/4=0,2 м. Нормальный коэффициент шероховатости n=0,013 – для стальных сварных труб.

у—показатель степени, у=2,5*n^1/2-0,13-0,75*Rr^1/2(n^1/2-0,1)

у=2,5*0,013^1/2-0,13-0,75*0,2^1/2(0,013^1/2-0,1)=0,15

 

  Тогда U=1,48*3,13/60,42=0,077 м/с

d - диаметр трубопровода, d=800 мм;

V - скорость движения воды в  трубопроводе, равная 1,48 м/с.

0,11*(1–0,002/0,077)^4,3*1,48³/9,81*0,002*0,8=20>9

Данное неравенство  не нарушается, следовательно, предусматривать систему промывки самотечной линии не надо, т.к. принятая скорость обеспечивает не заиливание трубопровода.

3.2.Расчет  напорных водоводов.

Количество напорных водоводов  от насосной станции 2-ой категории  должно быть не менее 2-х.

Принимаем три напорных водовода, определим их диаметр:

Q=2 м³/с, V=2 м/с (согласно СНиП [2])

(S_o=0,0005651)

В случае аварии необходимо обеспечить 100%-ую подачу, следовательно необходимо проложить резервные водоводы, их количество, исходя из условий надежности, будет равно количеству рабочих водоводов.

В нашем случае необходимо воду из водозаборного сооружения перекачать на очистные сооружения, при этом требуемый расход составляет Q=6 м³/с, требуемый напор у очистных сооружений составляет:

Н_тр=(z_{оч.соор}-z_нас.ст.)+Н_СВОБ+ h_l,

(z_{оч.соор}-z_нас.ст.)—разность геодезических отметок земли у очистных

                           сооружений и у насосной станции  первого подъема;

z_{оч.соор}=111,4 м;

z_нас.ст.=107,4 м.

Н_СВОБ— свободный напор у очистной станции, Н_СВОБ=10 м.

h_l – сумма потерь в напорных трубопроводах на трение:

h_l=l*S_o*Q²

l—длина напорных водоводов, l=4000 м;

S_o—удельное сопротивление;

Q—расход который необходимо  пропустить по данному трубопроводу.

Расчетный расход, возможно, пропустить только по 3-м напорным трубопроводам.

D=1200 мм при V=1,76 м/с и i=0,00262.

S_o=0,0005651 и Q=2 м³/с

Тогда h_l=4000*0,0005651*2²=9 м.

Н_тр=(111,4-107,4)+10+9=23 м.

3.3. Обоснование количества работающих  и резервных насосов из условий надежности и экономичности и их расчет.

При выборе типа насосных агрегатов надлежит обеспечивать минимальную величину избыточных напоров, развиваемых насосами при всех режимах работы, за счет регулирования числа оборотов, изменения числа и типов насосов, обрезки или замены рабочих колес в соответствии с изменением условий их работы в течение расчетного срока.

Выбор типа насосов и количества рабочих агрегатов надлежит производить на основании расчетов совместной работы насосов и водоводов.

Количество резервных насосов  определяется в зависимости от категории надежности насосной станции.

По требуемому расходу и напору подбираем 3 рабочих насоса типа Д2000-23 и 1 резервный насос типа Д2000-23.

Основные технические данные насоса Д2000-23 (по каталогу [3]):

• Подача—2000 м³/ч;
• Напор—23 м;
• Частота вращения—980 об/мин;
• Максимальная потребляемая мощность—133 кВт;
• Диаметр всасывающего патрубка—500 мм;
• Диаметр напорного патрубка—400 мм;
• Габаритные размеры агрегата:

• Длина—3036 мм;
• Ширина—1200 мм;
• Высота—1430 мм;

• Двигатель:

• Тип—АИР355S6У3;
• Мощность—160 кВт;
• Напряжение—380/660 В;

• Масса—3095 кг.

Построим характеристику совместной работы 3-х рабочих насосов и 3-х  напорных водоводов (см. прил. №1).

Q=2 м³/с;l=4000 м ; S_o=0,0005651 ; H=14 м, d=1200 мм, V=1,76 м/с.

3.4.Расчет  оголовка.

По литературе [1,5] подбираем тип и конструкцию оголовка в зависимости от природных и гидрологических условий, а также в зависимости от производительности водозаборного сооружения.

Для данного водозаборного  сооружения выбираем сборный фильтрующий водоприемник (рис. 5), который применяется на реках со средними и тяжелыми условиями с большим количеством донных наносов и средней и большой производительностью водозаборов.

 

Рис.5.Схема сборного фильтрующего водоприемника

Достоинствами данного водоприемника являются следующие характеристики:

• надежный в работе при тяжелых шуголедовых условиях;
• не требует устройства рыбозащиты;
• может изготовляться в заводских условиях.

Недостатком данного  водоприемника является то, что он сложный в монтаже и требует достаточно больших напоров для промывки.