|
| ||
| Бурение скважин на воду | Технология | Оборудование | Цены | Фото и видео | Техническая литература | ||
 | УСТРОЙСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ВОДОЗАБОРОВ |
|
|
Мини-станок для бурения скважин Техническая литература: Колодцы Схема гидрогеологических областей и районов СССР Словарь по гидрогеологии А-Г Словарь по гидрогеологии Д-О Словарь по гидрогеологии П-Я Гидрогеология СССР (Москва 1977г. Л. С.Язвин) Станок для бурения БУР-50:  |
ОГЛАВЛЕНИЕРусловые процессы и защита водозаборов от наносов Рис. 35. Типизация русловых процессов (по ГГИ) 1 — ленточно-грядовый тип; 2 — побочневый тип; 3 — ограниченное меандрирование; 4 — свободное меандрирование; 5 — незавершенное меандрирование; 1а — русловая многорукавность; 5а — пойменная многорукавность (стрелка указывает направление нарастания транспортирующей способности потока) Чтобы при проектировании и эксплуатации водозаборов оценить воздействие на них наносов, необходимо учитывать характер развития русла реки и поймы на выбранном участке и, следовательно, знать основные типы русловых процессов. Согласно разработанной Государственным гидрологическим институтом (ГГИ) типизации, выделяют 7 типов русловых процессов — макроформ (рис. 35): ленточно-грядовый; побочневый; ограниченное меандрирование; свободное меандрирование; незавершенное меандрирование; русловая многорукавность; пойменная многорукавность. Следует учитывать, что наряду с явно выраженными русловыми процессами могут происходить переходные или смешанные процессы: например, ограниченному меандрированию может сопутствовать побочневый тип, русловой многорукавности — ленточно-грядовый и др. Знание характера руслового процесса позволяет правильно оценить воздействие наносов на работу водозаборов и применить наиболее рациональные средства защиты. Ниже дано краткое описание основных типов русловых процессов. Ленточно-грядовый тип. Цепи гряд наносов вытянуты по ширине русла и движутся постоянно, при-останавливаясь только в период низкой межени, и тогда вершины гряд, обнажаясь, образуют отдельные осеред-ки. Расстояние между гребнями гряд (шаг гряд) в 4... 8 раз превышает ширину русла в бровках меженных берегов. Данный тип наблюдается в верховьях рек при отсутствии поймы; на других участках он может сопутствовать незавершенному (в спрямляющих протоках) или свободному меандрированию (в начальных стадиях). Побочневый тип. Ленточные гряды, перекошенные в плане, в противоположных направлениях сползают в половодье. Размываемые участки берегов прикрываются сползающими побочнями, гребни которых периодиче-ски размываются при спаде паводка и восстанавливаются в половодье. Шаг гряд превышает ширину русла. В межень побочни, а частично и гряды обнажаются, образуя песчаные отмели, за ними тянутся подводные косы, создающие затоны. Пойма выражена слабо. Ограниченное меандрирование. В результате размыва пойменных массивов излучины сползают вниз по течению без существенного изменения плановых очертаний и профиля дна. Перекаты, образующиеся на перегибах русла, размываются в межень и восстанавливаются в периоды паводков. Плесы, наоборот, размыва-ются в половодья и заносятся в межень. Пойменные процессы (намывы, размывы) протекают активно, массив поймы нарастает в высоту. При высоком половодье на пойме возможны транзитные течения. Свободное меандрирование. Излучины получают замкнутый цикл развития — от искривления русла до отторжения петли. Углы разворота потока увеличиваются, излучины сползают, вытягиваются, перешеек сужается, и наконец образуется прорыв, спрямляющий русло. Перекаты на перегибах русла представляют собой перекошенные в плане гряды, переходящие в пляж выпуклого берега нижерасположенной излучины. Русло од-норукавное. Плесовая ложбина у сильноразвитых излучин разделена перевалом. Пойма широкая с гривистым рельефом и старицами подковообразных очертаний. Незавершенное меандрирование. Излучины на промежуточной стадии развития (до получения формы петли) спрямляются протоком в результате глубокого затопления поймы и большого совпадения динамических осей потока в половодье и в межень. По спрямленному руслу протока интенсивно транспортируются наносы, в нем последовательно устанавливается побочневый, ленточно-грядовый или осередковый тип руслового процесса. В результате перемещения наносов в главное русло (ниже по течению протока) меандрирование его дополняется образованием сползающих гряд и побочней. Русловая многорукавность. Осередки и гряды интенсивно деформируются и сползают, перемещаются границы русла вследствие меандрирования протоков и интенсивного обрушения берегов (явление дей-гиша). Поток перегружен донными наносами. В песчаных руслах с большим уклоном рельеф дна может полностью изменяться в течение нескольких часов, воздействию дейгиша могут быть подвергнуты многокилометровые участки. В руслах из гравийно-галечниковых отложений деформации происходят лишь при высоких паводках, но протекают они очень интенсивно. Пойма имеет основной характер. Наблюдается русловая многору-кавность чаще всего в предгорных и устьевых участках рек. Пойменная многорукавность. Спрямление охватывает многочисленные излучины с образованием длинных пойменных протоков без четко выраженных признаков основного русла. Главные протоки соединены вторичными и создают на пойме единую водную сеть. В протоках самостоятельно развиваются различные формы русловых процессов. Пойма широкая, затапливается на большую глубину.  Рис. 36. Связь уровней воды (1) и отметок дна (2) р. Куры а — на плесе; б — на перекате При устройстве и эксплуатации водозаборов важно знать также локальные особенности перемещения нано-сов на плесах и перекатах при всех типах русловых процессов. При подъеме уровня воды в периоды паводков плесы обычно подвергаются размыву за счет более интенсивного, чем на перекатах, возрастания скорости потока. На перекатах же, наоборот, происходит отложение наносов (рис.36), могущее достигать на крупных реках, например на Волге, Дону, Днепре, 5...6 м. При всех типах руслового процесса в руслах рек образуются мелкие песчаные гряды — микроформы, при движении которых происходит периодическое изменение донного рельефа с активным перемещением наносов в придонном слое. Водозаборные сооружения, размещенные без учета этого, будут подвергаться отрицательному воздействию наносов: частичному или полному перекрытию водоприемных отверстий отложениями, снижению пропускной способности самотечных или сифонных трубопроводов, накоплению наносов в береговых колодцах и т. д., что подтверждается приведенными ниже примерами. Защитить оголовки на действующих водозаборах от воздействия наносов не менее сложно, чем от внутривод-ного льда. К тому же последствия от наносов оказываются более продолжительными и тяжелыми: наносы отлагаются в оголовках и самотечных линиях, береговых колодцах, камерах реакций и отстойниках водоочистных станций, вызывая осложнения в работе не только водозаборов, а в целом головных сооружений водопроводов. Надежность защиты водозаборов от наносов достигается при комплексном решении задач на основе глубокого изучения особенностей поверхностных источников. Примером неудачного расположения водозабора в отношении воздействия наносов может служить водоза-бор на р. Суре, построенный в 50-х годах. Еще до окончания строительства выявилась угрожающая подвижка вышерасположенного побочня, имеющего длину около 2,5 км. Из расчета размыва ухвостья побочня у водоза-бора были установлены хворостяные полузапруды, но это не дало ожидаемого эффекта. Затем в побочне была выполнена прорезь, которая быстро заносилась. На основе моделирования была построена донная струенаправ-ляющая стенка (порог) в виде свайного ростверка высотой 0,6 и длиной 40,8 м. Но только применение земснарядов позволяло поддерживать работу водозабора и то непродолжительный период. В последующем на этом водозаборе была построена струенаправляющая дамба, обеспечившая улучшение режима наносов у водоприемника. Однако в результате интенсивного размыва берега на вышерасноложенном участке в 1978 г. (рис. 37) и вызванного этим активного перемещения побочня на водозаборе вновь возникла аварийная ситуация и необходимость расчистки русла земснарядами. И только со строительством нового (приплотинного) водозабора обеспечена требуемая надежность забора воды. Особенно интенсивное перемещение наносов в виде подводных гряд происходит в нижних бьефах плотин в результате изменения руслоформирующих процессов. Например, на Волге скорость движения песчаных гряд достигает 1...3 км в год, а протяженность участков с активным перемещением наносов 200 км. Гряды крайне не-равномерно распределяются по дну реки; наибольших размеров они достигают в местах сопряжения склонов побочней и осередков с плесовыми лощинами. Отрицательное воздействие руслоформирующих процессов проявляется в отложении наносов у водоприем-ников, в повышении отметки дна реки у водоприемных окон до уровня порога и даже выше и вовлечении нано-сов внутрь водозаборных сооружений. Другим проявлением руслоформирующих процессов может быть размыв русла с подмывом водоприемников и самотечных линий, что бывает значительно реже.  Рис. 37. Размыв берега р. Сура у водозабора Пензы По мере отложения наносов у водоприемных окон могут образоваться воронки, по стенкам которых сползает песок. Равновесное состояние при этом легко нарушается, и окна оказываются частично, а нередко и полностью завалены песком. Аналогичная ситуация была в 1977 г. на Чемском водозаборе из Новосибирского водохранилища. Первоочередной мерой обеспечения подачи воды при этом должна быть расчистка водоприемника с использованием эжекторов и гидромониторов, которую выполняют водолазы. В последующем должна быть расчищена значительная часть акватории водозабора с помощью земснарядов, гидромониторных судов и др. На ковшовых водозаборах старой конструкции большая часть наносов отлагается в периоды паводков во входной части ковша, в водоворотной зоне, образуя отмель. При спаде паводка отмель обнажается, выступает из воды и перекрывает (частично или полностью) вход в ковш, создавая аварийные ситуации, имевшие место на ковшах в Рубцовске, Искитиме, Барнауле и других городах. На рис. 38 показана универсальная плавучая машина УПМ-2 на разработке отмели в ковше на р. Алей.  Рис. 38. Расчистка входа в ковш на р. Алей с использованием универсальной плавучей машины УПМ-2 В усовершенствованных, самопромывающихся ковшах А. С. Образовского, например, на р. Кубань в Армавире наносы размываются и удаляются речным потоком. Несвоевременная или неполная чистка ковша может повлечь дополнительные осложнения в период ледостава из-за перекрытия входа шуголедовой массой, что имело место ра одном из ковшей на Оби в Барнауле, где для расчистки входа в аварийной обстановке был применен взрывной метод с использованием накладных зарядов. Наиболее характерными в отношении влияния наносов на работу оголовков являются водозаборы Канска, Томска, Тары, Хабаровска, Кирова, Волгограда и др. При обследовании водолазами оголовка Канского водопровода выявлено, что примерно 50 % поверхности площади его водоприемных окон занесено песком, а самотечные линии подмыты на значительной длине. В данном случае заносу оголовка благоприятствовало неудачное размещение его в русле — ниже острова по течению реки в зоне аккумуляции наносов. Работавший в аналогичных условиях оголовок водопровода Тары (р. Иртыш) неоднократно полностью заносился песком. Работа водозабора резко осложнилась со времени зарегулирования стока вышерасположенной плотиной ГЭС, изменившей гидрологический режим потока на выбранном участке реки. Дальнейшая эксплуатация этого оголовка стала невозможной. Нарушение естественного гидрологического режима реки явилось также основной причиной осложнений в работе водозабора Томска. Выемка гравия в большом объеме для строительных целей из русла Томи ниже по течению от этого водозабора повлекла снижение уровня воды в реке на 1,4 м на участке расположения трех оголовков. Происходило ежегодное (последовательное) снижение уровней, что вызвало недопустимое уменьшение глубины речного потока у водозабора и вмерзание в ледяной покров одного из оголовков. В период весенней подвижки льда один конец этого оголовка был приподнят на 0,6 м и были сорваны верхние венцы ряжа. В летнюю межень верх оголовка стал обнажаться, у водоприемных окон образовывались водоворотные воронки, через которые подсасывался воздух и происходил срыв вакуума насосов. Вызванные этим перебои в работе водозабора были устранены установкой над водоприемными окнами плавающих щитов. Снижение уровней, вызвавшее увеличение скоростей потока у водозабора, повлекло также изменение режима наносов, в результате чего второй оголовок был полностью занесен песком и гравием. На первом и третьем оголовках происходили, кроме того, интенсивный размыв грунта со стороны примыкания самотечных линий и отложение наносов у водоприемных окон, из-за этого самотечные линии на участке длиной до 20 м оказались подмытыми. Потребовались срочные меры по защите оголовков и самотечных линий от разрушения. Ниже дан ряд примеров из опыта Сибирского управления Росводоканалналадки (И. Д. Козлов, О. Н. Дег-тярев) по защите водозаборов от наносов. Водозабор на Амуре представлен двумя русловыми оголовками с вихревыми аванкамерами и потолочным приемом воды, двумя самотечными линиями, водоприемным колодцем, совмещенным с насосной станцией I подъема. От уреза воды при ГМВ оголовки удалены соответственно на 200 и 230 м и затоплены на 7...8 м. С самого начала эксплуатации они подвергались интенсивному воздействию наносов, так как, будучи рас-положенными ниже по течению устья протоки, они оказались вблизи ухвостья осередка в зоне интенсивных руслоформирующих процессов с грядовым движением наносов. К тому же, учитывая значительное содержание донных наносов в месте расположения оголовков, высота порога водоприемных окон (1,5 м) оказалась недостаточной. Оголовки аналогичной конструкции, работающие в подобных условиях на Волге и Каме, имеют высоту порога 3...4 м и не испытывают таких осложнений отвоз-действия наносов. Помимо затруднений на водозаборе песчаные наносы на Амуре резко увеличили износ насосов станции I подъема, ухудшили технологию осветления воды.  Рис. 39. Дополнительный оголовок на водозаборе из Амура 1 — самотечный трубопровод; 2 — оголовок; 3 — патрубок; 4 — опорная рама Очистка сооружений от наносов потребовала больших трудозатрат, только из камер реакции и отстойников было удалено более 8 тыс. м3 песка. Замеры содержания наносов в речном потоке в створе водозабора и наблюдения за руслоформирующими процессами показали, что наиболее благоприятные условия в отношении наносов имеются в том же створе, но примерно на 100 м ближе к берегу. В соответствии с техническими разработками Сибирского управления Росводоканалналадки Гипрокоммун-водоканалом в кратчайшие сроки был выполнен проект нового оголовка с расчетной производительностью 125 тыс. м3/сут и площадью водоприемных окон 7,64 м2. Конструкция его (рис. 39), форма и размеры приняты исходя из следующих условий: простота изготовления, использование стандартных элементов, минимальное сопротивление потоку, максимальное возвышение над дном реки. Оголовок был установлен в феврале 1977 г. со льда с помощью автокрана. На месте установки водолазами с помощью гидромониторов был разработан котлован, на вскрытом самотечном трубопроводе d=1400 мм выполнено отверстие размером 2X0,5 м, установлен патрубок, на котором смонтирован оголовок. Для увеличения жесткости сделана опорная металлическая конструкция. После монтажа оголовка котлован был замыт местным грунтом, дно вокруг него укреплено каменной наброской, а отверстия действующего оголовка заглушены металлическими листами. С подключением нового оголовка поступление наносов в водозаборные сооружения сократилось в 2,8 раза. Вместе с тем перемещение места отбора воды положительно сказалось на фракционном составе отложений. Если раньше в наносах, отлагавшихся в водоочистных сооружениях, преобладали песчаные частицы d=0,25 мм, то после установки нового оголовка отложения в камерах реакции на 30...40 % состоят из илистых частиц, в отстойники же песчаные частицы не проникают совсем. В последующем (1978 г.) такой же оголовок был установлен на второй самотечной линии, что позволило достичь требуемой надежности работы водозабора. Экономическая эффективность от снижения затрат на очистку только отстойников и камер реакции составила 29,4 тыс. руб. Водозабор на Вятке руслового типа с тремя водоприемными оголовками, как и на Амуре, оказался в мае 1976 г. (в период спада паводка) на грани остановки. Обильное вовлечение наносов привело к снижению пропускной способности самотечных линий, к преждевременному износу запорной и регулирующей арматуры, насосов, отрицательно сказалось на работе очистных сооружений и в конечном итоге привело к снижению производительности водопровода. На расстоянии 1200 м выше по течению от водозабора сформировавшийся в русле Вятки песчаный осередок делит ее на два рукава. Ближе к водозабору русло расширяется, достигая в его створе 240...260 м, скорость потока при ГМВ снижается до 0,3...0,5 м/с, происходит обильное выпадение наносов и уменьшение глубины потока в межень до критической. Построенные в 1975 г. у противоположного от водозабора берега четыре затапливаемые при паводках полузапруды позволили увеличить глубину у оголовков, но одновременно активизировали русловый процесс — перемещение песчаных наносов в виде гряд высотой 1,2...1,5 м. Вовлекаясь в водоприемные окна, наносы эти отлагались по всему водозаборному тракту и в количестве до 10 м3/сут проникали на водоочистные сооружения. Для ликвидации аварийной обстановки все три оголовка были реконструированы с переходом от бокового приема воды к потолочному. С этой целью перед водоприемными отверстиями на всю высоту оголовка были установлены металлические короба из листового железа толщиной 3 мм, изогнутого в виде полуокружностей радиусом 1,5 м и усиленного ребрами жесткости. Крепле-лие коробов осуществлено к вбитым в дно реки сваям. Сверху короба оборудованы сороудерживающими решетками с прозорами 50 мм, что обеспечивает скорость .входа воды в водоприемные отверстия 0,2. ..0,3 м/с. Установке коробов предшествовали обследование оголовков водолазами, расчистка их от топляков и углубление дна у водоприемных окон струей гидромонитора. Благодаря такой реконструкции порог водоприемных окон был под-лят на 1,7 м и поступление наносов в оголовки прекратилось. Аналогичным образом ранее был реконструирован один из водозаборов на Волге в системе волгоградского водопровода. В отличие от предыдущего здесь короб выполнен в форме самого оголовка (но больших размеров) и затем надет на него. Изменяя порог водоприемника и осуществляя другие меры по защите водозаборов ют наносов в условиях грядового их движения, нужно учитывать параметры гряд, обеспечивая забор воды с минимальной мутностью (рис.40). При этом результаты натурных измерений, производимых, как правило, в период летней межени, необходимо уточнять теоретическими расчетами также для других сезонов года. Высоту гряд, м, установившегося профиля в межень определяют по формуле В. С. Кнороза где Н — глубина потока на участке расположения водоприемника, м; vа — средняя скорость потока, м/с; vap — неразмывающая скорость, м/с, определяемая по формуле vap = l,3Vgdlg 14,7 H/d0,15 (g — ускорение силы тяжести, м/с2; d — средний диаметр донных отложений, м). При H>1 м по формуле Б. Ф. Снищенко и 3. Д. Ко-палиани: где Fr=va/VgH — число Фруда; онр — неразмывающая скорость по В. Н. Гончарову, м/с; vap = 3(Hd/d9Q% )0,2(d+0,0014)0,3.  Рис. 40. Изменение мутности воды некоторых рек Сибири (среднемесячные показатели) При отсутствии необходимых для расчета данных высота гряд может быть определена по приближенным зависимостям Б. Ф. Снищенко при Н1 м, hг = 0,25Я, при H 1 м, hГ= (0,2...О,1)H. При прохождении половодья высота гряд h'r в полосе активного движения наносов увеличивается и достигает ориентировочно hг=2,5h'г. Длина гряд 1Т, м, установившегося профиля в межень может определяться по формулам Б. Ф. Снищенко: где С — коэффициент Шези, м0,5/с, или для приближенных расчетов lГ=4,2H, а в половодье — lг = 2,5 lг. Скорость смещения микроформ Сг, м/с, следует определять по формуле Б. Ф. Снищенко и 3. Д. Копалиани Сг = 0,019иарг3. |
|