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:
Бурение скважин
 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Методы и средства шуголедовой защиты водозаборов

На многих действующих водозаборах отсутствуют средства защиты от шуголедового воздействия, что сви-детельствует о недооценке этого фактора как при проектировании, так и при эксплуатации. Поскольку полно-стью предотвратить влияние шуги на водозаборы пока не удается, заслуживают внимания практический опыт шугозащиты и способы, нашедшие применение на некоторых водозаборах. Общеизвестные способы: подача пара и нагретой воды к водоприемным окнам, обратная их промывка, электрообогрев сороудерживающих решеток, обколка льда с устройством майны над оголовками и удаление шуголедовой массы с плавсредств, специальных мостков и трапов — направлены на устранение шуголедовых помех непосредственно у водоприемных окон и составляют первую группу способов. Ко второй группе относятся методы и средства, направленные на обеспечение раннего (с момента устойчивого похолодания) ледостава и предотвращения за счет этого проникания шуги в акваторию водоприемных устройств. Ниже кратко описан опыт применения различных способов на действующих водозаборах.
Непосредственно у водоприемных окон речных водозаборов борьба с шугой ведется с давних пор. Наиболее распространенным способом является обратная промывка сороудерживающих решеток. Длительное применение этого способа на водозаборах Кемерово, Омска, Барнаула, Томска и других городов показало, что он не всегда дает нужный эффект. Кроме того, при интенсивном шу-гоходе периодичность обратной промывки достигает иногда 2...3 ч, в результате чего возрастает расход воды на собственные нужды водопроводов, что сопровождается значительным снижением подачи ее потребителям. Эффективность обратной промывки может быть повышена за счет создания импульсных токов воды в самотечных линиях. Для импульсной промывки достаточно установить в береговом колодце, на концах самотечных линий, стояки того же диаметра, что и самотечные линии, и присоединить их к вакуум-насосу. Нашедшие немалое распространение способы: электрообогрев, гуммирование стержней решеток, установка деревянных решеток на период шугохода, — предотвращая решетки от обмерзания, не защищают все же водоприемные отверстия от закупорки, шугой. К тому же электрообогрев не может остановить уже начавшийся процесс обмерзания, в связи с чем система обогрева должна включаться заблаговременно, до ожидаемого переохлаждения воды. При исправной работе системы электрообогрева решеток на водозаборах нередко создаются критические ситуации: уровень воды в водоприемных камерах береговых колодцев снижается настолько, что происходят срыв вакуума насосов и остановка насосных станций. Единственной мерой борьбы с шугой в таких ситуациях остается механическая очистка решеток баграми. Насколько это трудоемко (и не безопасно!), подтверждает опыт эксплуатации водозабора ТЭЦ Горь-ковского автозавода. В периоды шугохода на оголовке здесь круглосуточно работала бригада из 20...25 чел. В критических ситуациях нередко использовали, кроме того, водолазов.
В литературе можно встретить рекомендации по прочистке сороудерживающих решеток на оголовках механическими граблями с гидродомкратом, устанавливаемым внутри оголовка, а на береговых водоприемниках и крибах — граблями с электроприводом. Эти устройства сложны и не получили распространения в коммунальном водоснабжении. Они могут применяться для очистки решеток от мусора, но не от шуголедовых отложений, с которыми чаще приходится иметь дело.
Для повышения надежности указанные способы целесообразно применять в сочетании с другими, проверенными на практике, предотвращающими проникание шуги к водоприемным окнам. Это в основном следующие: снижение скорости входа воды в водоприемные окна; сброс нагретой воды вблизи водоприемных окон; создание во-довоздушных завес.

Шуголедовая обстановка
Рис. 52. Шуголедовая обстановка на Оби у водозабора Барнаула (ноябрь 1972 г.)
1 — водоприемный оголовок; 2 — береговой колодец
Рис. 53. Графики изменения температуры воздуха (I) и производительности Барнаульского водозабора (2) (ноябрь 1972 г.)

Снижение скорости применяется на водозаборе Барнаула (Обь). Водозабор Барнаульского водопровода представлен русловым оголовком бункерного типа с двусторонним входом воды. Двумя самотечными линиями диаметром 1200 мм и длиной 81 м оголовок соединяется с береговым колодцем (рис. 52). Для обратной промыв-ки самотечные линии соединены с напорными трубопроводами. Водозабор ежегодно в течение 15...20 сут в но-ябре испытывает влияние шуги. В начале периода устойчивого похолодания на участке расположения водо-забора, как показано на рис. 52, образуются забереги, которые из-за большой скорости течения нарастают очень медленно и долго не доходят до оголовка. По мере подсоса шуги к водоприемным отверстиям уровень воды в береговом колодце начинает резко снижаться. Проведенные ранее на этом водозаборе испытания обратной промывки не дали положительных результатов. При обратном потоке воды происходит локальный прорыв шу-гового массива у водоприемных окон, а большая часть площади водоприемных отверстий не освобождается от шуги, в связи с чем от обратной промывки пришлось отказаться. Сейчас при угрожающем (в отношении устойчивой работы насосов) снижении уровня воды в береговом колодце выключается из работы один из насосных агрегатов, тем самым снижается производительность водозабора и, следовательно, уменьшается скорость входа воды в водоприемные отверстия. Затем под воздействием руслового потока шуговой припай отрывается от оголовка, улучшая доступ воды в водоприемник. В связи с этим уровень воды в береговом колодце повышается, а насос снова включается в работу. При последующих снижениях уровня процесс повторяется. На графиках (рис. 53) показано изменение температуры воздуха и производительности водозабора в период осеннего шугохода 1972 г. Как видно, в отдельные сутки снижение производительности достигает 50 % расчетной. Безусловно, данный способ не отвечает требованиям бесперебойности водо-снабжения и применим лишь как крайняя мера предотвращения полной остановки водозабора. Задача предо-твращения влияния шуги путем снижения входных скоростей успешно решается применением фильтрующих оголовков.
Сброс нагретой воды у водоприемных окон практикуется на одном из водозаборов Норильска (Норилка) и Рубцовска (Алей). В особо суровых климатических условиях Норильска (среднегодовая температура воздуха — 8,4 °С, средняя продолжительность периода отрицательных температур 252 дня в году) подогрев воды ока-зался единственно надежным способом защиты водозабора. Нагретая вода к водозабору подается от ТЭЦ по трубопроводу диаметром 500 мм и сбрасывается в подводящий канал в непосредственной близости от водо-приемных окон. При этом одновременно решаются две задачи: защита решеток от шугольда и предотвращение перемерзания наружных трубопроводов, выполненных поверхностной прокладкой. Подача тепла к водозабору регулируется исходя из того, что температура воды в контрольной точке на сети не должна быть ниже 0,007... 0,01 °С. В аварийных случаях, когда тепла от ТЭЦ недостаточно, осуществляют дополнительный подогрев подаваемой в сеть воды установленными на водозаборе электроподогревателями.
На водозаборе Рубцовска в ноябре 1971 г. водоподводлщая галерея и водоприемная камера берегового колодца были почти полностью забиты тугой. Вода в водоприемную камеру в небольшом количестве поступала лишь через низкий проход под слоем шуги в водоподводящей галерее (рис. 54). При этом плоские сетки быстро забивались шугой. Поскольку специальных мер защиты водозабора от шуги не было предусмотрено, остановка его оказалась неизбежной. В возникшей ситуации прежде всего были приподняты сетки до нижнего уровня шуги в водоприемной камере (сетки стали выполнять роль шугоотбойных щитов). Одновременно в результате срочно принятых мер была обеспечена подача нагретой воды и сжатого воздуха к водоприемным окнам. За счет таяния шуги высота прохода для воды в галерее увеличилась, и водозабор был введен в работу. В течение нескольких суток удалось таким способом полностью освободить от шуги галерею и водоприемную камеру. К этому времени перед плотиной образовался устойчивый ледяной покров, в результате чего транзит шуги к водозабору прекратился.

Водозабор
Рис. 54. Водозабор на р. Алей
1 — водоприемник в теле плотины; 2 — водоподводящая галерея; 3 — водоприемная камера; 4 — камера всасывания; 5 — плоская сетка; 6 — всасывающий трубопровод

Аналогичная шуголедовая ситуация на этом водозаборе повторилась весной 1972 г., когда после вскрытия реки и последующего резкого снижения температуры воздуха на реке образовался интенсивный шуго-ход. Благодаря наличию ранее испытанных средств и опыта борьбы с шугой на этот раз удалось предотвратить остановку водозабора. Для борьбы с шугой на ковшовых водозаборах некоторыми проектами предусматривался сброс отработанной теплой воды в реку выше по течению (водозаборы на реках Томь, Ангара и др.). Опыт эксплуатации показал нецелесообразность такого метода, так как большая часть теплой воды при этом из-за поперечных циркуляции на входе в ковш отдает тепло речному потоку, не входящему в ковш. Теплую воду рекомендуется сбрасывать во входную часть ковша или непосредственно у водоприемных окон. Но, поскольку данное средство, предотвращая образование внутриводного льда, не исключает все же забивания ковша шугой (например, при щугозажорах), более целесообразным средством шуго-защиты считают ускорение ледостава в ковшах. Водовоздушпые завесы для борьбы с шугой на оголовках испытаны на водозаборах Тюмени (р. Тура), Павлодара (р. Иртыш) и др. Воздух от компрессора подводится с берега к оголовку по трубопроводу или по шлангу и выходит через дырчатую трубу в виде сплошной завесы. Труба закрепляется у нижней грани водо-приемных окон под углом к речному потоку. Применение данного способа позволило значительно сократить число обратных промывок. Аналогичный способ защиты испытан на водохранилищном водозаборе в Челябинске. В 1972 — 1976гг. способ пневмозащиты оголовков был испытан на водозаборах из Оки в Рязани и Горьком и из Оби в Барнауле и Новосибирске. Надо отметить, что попытки применить этот способ предпринимались и ранее, но теоретическое и практическое обоснование, данное В. В. Одинцовым и Т. В. Колесниковой [20], позволило расширить масштабы его применения. Сущность способа заключается в создании водовоздушной завесы, ограждающей акваторию водоприемника (рис. 55). Для этого по дну реки на некотором удалении от водоприемных сооружений укладывают перфорированные воздухопроводы диаметром 50...100 мм с отверстиями 2...4 мм и с шагом примерно 25 см. Конструктивные и технологические параметры системы пневмозащиты принимаются на основе соответствующих расчетов. Сжатый воздух, выходя из перфорированных труб, создает зону восходящих потоков, которые выносят шуголедовые массы на поверхность воды, предотвращая их вовлечение в водоприемные окна. При этом вертикальная составляющая скорости потока в реке (U) должна быть больше ее горизонтальной составляющей (va) и должно выполняться соотношение U>Kva (где К — опытный коэффициент, зависящий от скорости и ледонасыщенности потока).

Водоприемный оголовок
Рис. 55. Водоприемный оголовок с системой пневмозащиты от шуголе-дового воздействия
1 — воздуховоды перфорированные; 2 — понтон из стальных труб; 3 — самотечная галерея; 4,5 — водоприемный оголовок

Согласно натурным наблюдениям на Оке, при средней скорости течения уа = 0,5 м/с и глубине потока Н = = 3,5 м хороший эффект шугозащиты достигается при расходе воздуха qB=l м3/мин на 1 м, при этом К=1,54. На границе зоны распространения водовоздушных потоков смерзшиеся массы шуги легко разрушаются и от-клоняются при движении в стороны от водоприемника. Применение этого способа даже на крупных водозаборах (QB до 14 м3/с) обеспечивает бесперебойную ра-боту водоприемных устройств. Система пневмозащиты не представляет особой сложности, монтаж ее не требует остановки водозаборов и не препятствует судоходству. Благодаря этому способ пневмозащиты широко применим не только на вновь проектируемых, но и на действующих водозаборах. И все же, если описанные выше способы по каким-либо причинам неприменимы или ни один из них не дает положительного результата и закупорка водоприемных окон оказывается неизбежной, как это было в Омске, Павлодаре, Новосибирске, вынужденно приходится прибегать к расчистке решеток вручную, с помощью водолазов. В некоторых случаях (Тюмень, Павлодар, Новосибирск) для этой цели успешно применялись речные суда, винтами которых шуга отгонялась от водоприемных окон.
Известный из литературы способ борьбы с шугой с помощью коробов, устанавливаемых над водоприемными окнами, не получил на практике большого распространения.

Шугоотбойная запань
Рис. 56. Шугоотбойная запань на водозаборе Омска (р. Иртыш)
1 — запань; 2 — деревянные погружные щиты; 3 — стальные трубы; 4 — водоприемные оголовки; 5 — береговой колодец; 6 — насосные станции; 7 — фи-ксирующие железобетонные якоря; 8 — тросы крепления

Анализ используемых средств борьбы с шугой в непосредственной близости от водоприемных окон и опыта их применения показывает, что эти средства не обеспечивают требуемой бесперебойности водоснабжения. Это заставляет отдавать предпочтение способам борьбы на дальних подступах к водозаборам. Эта задача успешно решается за счет раннего ледостава в акватории расположения водоприемников. Известно, что ранний ледостав надежно обеспечен на ковшовых водозаборах. Дополнительное ускорение ледостава в ковшах достигается установкой шугоотбойных запаней. Запани из брусьев успешно применяются, например, в ковше Кемеровской ТЭЦ на Томи. Следует заметить, что запань, установленная непосредственно на входе в ковш, не исключает подсос шуги в него. Намерзая при этом на нижней поверхности льда в начале ковша, шуга стесняет поток и может повлечь резкий спад уровня воды у водоприемника. В этом отношении более надежным является строительство шугоотбойных шпор, исследованных А. С. Образовским. Такие шпоры успешно действуют на ковшах в Новокузнецке, Междуреченске (Томь), Осинниках (Кондома), Новосибирске (Обь). Наблюдения на новосибирском ковше показали, что ледостав за шпорами образуется при первых заморозках, причем припай льда вдается в русло реки на 30...40 м, надежно защищая вход в ковш от проникания шуги (рис. 49).
Значительно сложнее осуществить ускорение ледостава в руслах рек на водоприемных оголовках. Поэтому большинство действующих оголовков практически остается незащищенным от шуги. Вместе с тем из практики известны факты применения шугоотбойных запаней не только в ковшах, но и на оголовках. Например, ранее запани применялись, по данным Н. С. Макерова, на русловых водозаборах некоторых промышленных предприятий Барнаула (Обь), Семипалатинска (Иртыш), Иркутска (Ангара).

Шуголедовая обстановка Рис. 57. Шуголедовая обстановка на р. Томь у водозабора Кемерово (а — ноябрь 1971; б — ноябрь 1972 г.)
1 — водоприемный оголовок; 2 — береговой колодец, совмещенный с насосной станцией; 3 — хлысты деревьев; 4 — запань; 5 — опора; 6 — тросы крепления

На водозаборе Волгоградского тракторного завода была испытана запань, выполненная из листов железа, загнутых в виде полуцилиндра. При этом установлено, что даже при больших колебаниях уровня воды в ниж-нем бьефе ГЭС запань (после конструктивного усовершенствования ее) может значительно облегчить работу водозабора. Длительное время запани применялись также на Омском водозаборе для защиты от шуги русловых оголовков. Устройство и принцип действия этих запаней описаны М. Р. Каиповым и В. И. Рабиновичем и видны из рис. 56. В 1971 г. этот же способ защиты был применен на водозаборе в Кемерово (Томь). Запань здесь не имела глубинных щитов, как в Омске, а представляла собой плавающую плеть длиной 50 м из деревянных брусьев. На прицепе к катеру плеть выводили в русло и закрепляли тросами на обоих берегах реки. Наличие запани обеспечивало ранний ледостав в прибрежной части русла. Проведенные наблюдения показали, что кромка льда, вдающаяся в русловый поток, полностью оттесняет шугу. К сожалению, эта кромка не доходила до оголовка и водоприемные окна интенсивно забивались шугой. Как противоаварийная мера с кромки льда в поток выдвигали на 8...10 м хлысты деревьев, которые в течение суток обеспечивали образование ледяного покрова толщиной 10...15 см последовательно на полосах I — IV (рис. 57, а). Таким образом за 4 сут удалось нарастить кромку льда примерно в 35 м и полностью оттеснить шуговой поток от оголовка. Благодаря этому за две недели до полного ледостава на реке влияние шуги на водозабор было исключено. Для сравнения можно отметить, что расположенный в аналогичных условиях в нескольких километрах ниже по течению реки другой оголовок, не защищенный запанью, в то же самое время интенсивно забивался шугой и в связи с этим его приходилось промывать обратным током до 4...5 раз в сутки. Неудачный опыт 1971 г. был учтен, и в последующем, устанавливая запань под углом 135 ° к потоку (рис. 57,6), исключили влияние шуги, хотя шуголедовая обстановка на реке была не менее тяжелой.

плоты
Рис. 58. Применение плотов для ускорения ледостава на малых реках
1 — крепежный трос; 2 — береговые якоря; 3 — легкие плоты из досок, хвороста и др.; 4 — зона раннего ледостава в акватории водоприемника; 5 — водоприемный оголовок

Этот же способ был испытан на городском водопроводе Барнаула и на одном из водозаборов г. Горького. В отличие от рассмотренного выше запани в г. Горьком устанавливали ниже оголовков по течению реки, они представляют собой однорядную цепь бревен без забральной стенки. Одним концом запань крепится на берегу ниже оголовка, а вторым — в русле реки. В начале периода ледообразования, когда шуга находится на по-верхности потока, она улавливается запанью и быстро смерзается, образуя сплошной ледяной покров.

Шуголедовая обстановка
Рис. 59. Шуголедовая обстановка на р. Леонидовка у водозабора Поронайска
1 — береговой водоприемник; 2 — плетни; 3 — запань

Во всех случаях шугоотбойная запань готовится на берегу и устанавливается на место в предледоставный период. При этом транспортирование ее к месту установки на крупных реках может осуществляться катером, а на мелких — трактором с противоположного берега. С образованием устойчивого ледостава на реке лед во-круг запани обкалывают и она вытаскивается на берег. В аварийных ситуациях в качестве шугоотбойных средств применяли также речные суда (лихтеры), которые устанавливали под углом к потоку выше оголовков по течению реки (рис. 48) и обеспечивали тем самым ранний ледостав. Эта задача может быть решена также путем применения облегченных плотов (рис. 58).
На мелководных реках шугоотбой может осуществляться более простыми средствами. Например, на о-ве Сахалин некоторые водозаборы успешно защищают плетнями из хвороста, выставляемыми в русле реки нака-нуне щугохода. Плетни располагают под углом к потоку, как показано на рис. 59, а. На одном из этих водозаборов построена стационарная шугоотбойная железобетонная запань (рис.59, б). На береговых водоприемниках в качестве шугоотбойных устройств могут применяться также шпоры из каменной наброски, возвышающиеся на 0,5...1 м над минимальным горизонтом шугохода.
Для предотвращения непредвиденных шуголедовых осложнений на водозаборах, способных повлечь большой материальный ущерб, следует предусматривать сомест-ное применение нескольких способов, например шугоотбойные запани на оголовках совместно с электрообогревом и обратной промывкой сороудерживающих решеток. Окончательное решение задачи защиты водозаборов от шугольда может быть достигнуто на основе дальнейших исследований наиболее совершенных способов борьбы с шугой в сочетании с применением усовершенствованных конструкций водоприемников (фильтрующие оголовки, оголовки с вихревыми аванкамерами и др.).

* * *

Важным средством повышения надежности водоснабжения в целом является объединение нескольких водо-заборов, в том числе ранее построенных и вновь строящихся, в единую водохозяйственную систему города. Из-вестно, что во многих городах, расположенных на крупных реках (Волга, Кама, Днепр, Дон, Обь, Томь и др.) и имеющих большую протяженность вдоль этих рек, действует несколько, иногда до 20, водозаборов комму-нального и промышленного назначения. Водоприемники на них, построенные в разное время, как правило, представлены всевозможными конструкциями, имеют различную производительность. Располагаются водоза-боры нередко по обоим берегам реки и работают в отличающихся гидрологических условиях. Иногда один во-дозабор расположен в непосредственной близости (300... 500 м) от другого, но работают они по-разному — один устойчиво, а второй с частыми перебоями (например, в Хабаровске, Перми и других городах), и, будучи различной ведомственной принадлежности, каждый из них эксплуатируется обособленно. Очевидно, что надежность водоснабжения может быть существенно повышена взаимным резервированием таких водозаборов. При этом даже простейший водоприемник (в виде трубчатого оголовка) может предотвращать крупные осложнения в водоснабжении.
Наряду с повышением надежности водоснабжения целесообразность объединения водозаборов диктуется также единством источника для многих, иногда всех, во-допотребителей того или иного города и общей задачей — бесперебойным водоснабжением и рациональным использованием водных ресурсов. Практикой эксплуатации водозаборов, например, в Волгограде, Перми, Красноярске и других городах уже проверена возможность и доказана целесообразность объединения и совместного использования водозаборов различной ведомственной принадлежности. Построенные между водозаборами соединительные трубопроводы обеспечили взаимное их резервирование и уже не один раз предотвращали прекращение подачи воды в аварийных ситуациях. Затраты на строительство соединительных трубопроводов несравнимо малы относительно размера ущерба от остановки водозаборов.
Создание объединенных систем водопользования требует также совершенствования управления ими. В Ульяновске, Калуге, Пскове и других городах в последние годы построены водозаборы общепромышленного назначения, переданные в эксплуатацию городским управлениям водопроводно-канализационного хозяйства. Этот опыт заслуживает более широкого распространения. Осуществляется развитие систем централизованного технического водоснабжения для многих предприятий Москвы. С этой целью к 1990 г. намечено построить дополнительно 15 крупных водозаборов общепромышленного назначения на р. Москве и довести их производительность до 2,5 млн. м3/сут. Однако создание таких систем не должно исключать локального водоснабжения предприятий с большим водопотреблением. Взаимное резервирование водозаборов дает возможность повысить надежность не только подачи, но и обеспечения требуемого качества воды, особенно при непредвиденном загрязнении водоисточников. Безусловно и то, что взаимное резервирование водозаборов целесообразно и экономически, так как оно дает возможность уменьшить количество резервного оборудования на отдельных водозаборах и исключить строительство некоторых сооружений.