ВОДОЗАБОРНЫЙ ГИДРОУЗЕЛ Российский патент 2005 года по МПК E02B9/04 

Изобретение относится к водоснабжению, в частности русловым водоприемникам, обеспечивающим забор воды из рек для хозяйственно-питьевых и производственных целей, и может использоваться при средних и тяжелых условиях забора воды, связанных с воздействием внутриводного льда в предледоставный период и с угрозой промерзания реки в холодный период года на участках интенсивного водоотбора.

Известны речные водозаборы с русловыми водоприемниками, оснащенными паропроводом или трубопроводом подвода нагретой воды к сороудерживающим решеткам или оборудованными электронагревательными элементами, которые за счет обогрева решеток обеспечивают их защиту от негативного воздействия внутриводного льда - улучшение условий забора воды в предледоставный период (Тугай A.M. Расчет и конструирование водозаборных узлов. Киев.: Будiвельник, 1978, с.47-48).

Недостатком известного технического решения является низкая эффективность, связанная с большими затратами энергии на обогрев сороудерживающих решеток, а при малых глубинах воды в реке не исключается вероятность вмерзания водоприемника, что снижает надежность его работы в зимний период.

Известен способ защиты речных водоприемников от воздействия внутриводного льда (а.с. СССР №1145075, МПК⁷ Е 03 В 9/04, Бюл. №10, 1985), в котором водозабор, включающий русловой водоприемник, оснащен водонепроницаемым экраном, расположенным ниже по течению реки относительно водоприемника и заглубленным в аллювиальный водоносный горизонт, что обеспечивает повышение температуры речной воды за счет более интенсивной разгрузки в реку подземных вод с температурой 5-8°С и соответствующее снижение негативного воздействия внутриводного льда в предледоставный период на пропускную способность сороудерживающих решеток.

Недостатком известного технического решения является низкая эффективность, связанная с большими затратами и техническими сложностями строительства подземного водонепроницаемого экрана в аллювиальном водоносном горизонте в пределах русла и низкой поймы. Кроме того, не обеспечивается достаточная надежность работы руслового водоприемника при малых глубинах и возможном промерзании реки и его частичном или полном вмерзании в лед в холодный период года.

Известен речной водозабор, включающий водоприемник с сороудерживающими решетками из криофобного материала, с сетчатым колодцем, совмещенной или раздельной компоновки, оборудованный системой дамб, образующих водоприемный ковш с низовым входом (Проектирование сооружений для забора поверхностных вод. Справочное пособие к СНиП /ВНИИВОДГЕО Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1990. стр.135-136, 166, п.5.24, 5.30, 5.31, 5.91, рис. 94), обеспечивающий улучшение условий забора воды в зимний период, в частности, защиту водоприемника от воздействия внутриводного льда за счет снижения скоростей течения воды в акватории ковша, более раннего образования ледяного покрова, препятствующего переохлаждению потока, при общем увеличении глубины, предотвращающем затруднения работы водоприемника в зимний период.

Недостатком известного технического решения являются большие затраты и технические сложности при строительстве и эксплуатации водоприемного ковша.

Известен речной водозабор, включающий водоприемник с сороудерживающими решетками из криофобного материала, с сетчатым колодцем, совмещенной или раздельной компоновки, оборудованный на участке интенсивного водоотбора - перед местом расположения водоприемника запанями (Проектирование сооружений для забора поверхностных вод / ВНИИВОДГЕО Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1990. стр. 177, п.5.109, 5.112).

Недостатком известного технического решения является низкая эффективность, связанная со сложностью защиты речного водоприемника при большой глубине вовлечения внутриводного льда в поток и при длительном периоде образования ледяного покрова, а также с необходимостью ежегодного монтажа запаней перед ледоставом и демонтажа их перед ледоходом.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является речной водозаборный гидроузел, включающий водоприемник с сороудерживающими решетками из криофобного материала, водоводы, соединяющие его с сетчатым колодцем, совмещенной или раздельной компоновки, имеющий низконапорную перегораживающую дамбу с полным перекрытием русла, водосбросную плотину, промывные сооружения и берегоукрепление каменной наброской (Проектирование сооружений для забора поверхностных вод/ВНИИВОДГЕО Госстроя СССР - М.: Стройиздат, 1990, стр. 204-206, п.7.8, 7.9, рис.129). Водозабор с низконапорной плотиной, полностью перекрывающей русло, имеет высокую надежность водоотбора из рек с малыми глубинами и практически полностью исключает затруднения работы водоприемника в холодный период года.

Недостатком известного технического решения являются большие затраты и технические сложности при строительстве и эксплуатации низконапорной перегораживающей дамбы, водосбросную плотину и промывных сооружений, что оказывается неэффективным в случае необходимости улучшения условий забора воды только в холодный период года.

Задачей изобретения является создание нового водозаборного гидроузла, обеспечивающего снижение эксплуатационных затрат, повышение надежности водоотбора и упрощение эксплуатации руслового водоприемника в холодный период года за счет улучшения условий забора воды при увеличении глубин в месте водоотбора с помощью низконапорной наледной плотины и соответствующем снижении скоростей течения воды в русле, уменьшении глубины вовлечения шуги и внутриводного льда в предледоставный период, снижении вероятности обмерзания водоприемника, а в зимний период при исключении вероятности вмерзания его в лед.

Указанная задача решается следующим образом.

В известном водозаборном гидроузле, включающем русловой водоприемник с сороудерживающими решетками, самотечные или сифонные водоводы, соединяющие его с сетчатым колодцем, совмещенной или раздельной компоновки, низконапорную перегораживающую дамбу с полным перекрытием русла, причем водозаборный гидроузел оснащен теплообменником, установленным в поперечном створе переката ниже участка размещения руслового водоприемника, выполненным в виде трубчатого воздуховода, соединенного торцевыми частями с разновысокими стояками, стояк большей высоты оборудован поворотной заслонкой и имеет внешнюю теплоизоляцию, а также оснащен вертикально установленными в этом же створе анкерами.

Отличительными от прототипа признаками являются:

- водозаборный гидроузел оснащен теплообменником, установленным в поперечном створе переката ниже участка размещения руслового водоприемника;

- теплообменник выполнен в виде трубчатого воздуховода, соединенного торцевыми частями с разновысокими стояками;

- стояк большей высоты оборудован поворотной заслонкой и имеет внешнюю теплоизоляцию;

- водозаборный гидроузел оснащен вертикально установленными в этом же створе анкерами.

Водозаборный гидроузел оснащен теплообменником, установленным в поперечном створе переката ниже участка размещения руслового водоприемника, что обеспечивает при понижении температуры воздуха ниже 0°С образование в указанном створе низконапорной наледной плотины и соответствующее повышение уровня воды относительно ординара, характерного для предледоставного периода. Повышение уровня воды в реке приводит к снижению скоростей течения воды в русле и, следовательно, турбулентной активности потока и уменьшению глубины вовлечения шуги и внутриводного льда, что практически полностью исключает вероятность обмерзания водоприемника и затруднения в его работе. При наличии наледной плотины в период ледостава повышенные глубины на участке интенсивного водоотбора обеспечивают более благоприятные условия работы руслового водоприемника, исключающие вероятность его вмерзания в лед, что повышает надежность работы водозаборных сооружений, в том числе в чрезвычайных ситуациях при малой водности реки.

Теплообменник выполнен в виде трубчатого воздуховода, соединенного торцевыми частями с разновысокими стояками, что обеспечивает возможность естественного активного вентилирования в трубах теплообменника, быстрого переохлаждения донных отложений в русле реки в створе его размещения и образования низконапорной наледной плотины, перегораживающей русло реки по всей ее ширине и способствующей увеличению глубин на участке интенсивного водоотбора при исключении попадания воды в теплообменник.

Стояк большей высоты оборудован поворотной заслонкой и имеет внешнюю теплоизоляцию, что позволяет за счет положения заслонки увеличивать или уменьшать интенсивность вентилирования теплообменника и, тем самым, регулировать высоту наледной плотины при четко выраженной направленности потока воздуха в теплообменнике, поскольку в нем образуется наибольший температурный градиент между стояком меньшей высоты без теплоизоляции и стояком большей высоты с теплоизоляцией, при этом соответственно изменяется высота наледного бугра - наледной плотины над теплообменником и поддерживается необходимая глубина воды в реке на участке интенсивного водоотбора, повышается надежность работы руслового водоприемника, а «избыточный» сток сбрасывается в нижний бьеф наледной плотины.

Водозаборный гидроузел оснащен вертикально установленными в этом же створе анкерами, что обеспечивает возможность закрепления наледного бугра на дне реки в период неустойчивых температур воздуха - в предледоставный период и весной в период таяния наледи, чем предотвращается неконтролируемый размыв - снос наледного бугра и, следовательно, повышается надежность работы водозаборного гидроузла.

Таким образом обеспечивается причинно-следственная связь совокупности отличительных признаков заявляемого изобретения и достигаемого технического результата: повышение глубин реки на участке интенсивного водоотбора, улучшающих условия забора воды в предледоставный период за счет уменьшения глубины вовлечения в поток шуги и внутриводного льда, а в период ледостава исключающих вероятность вмерзания в лед элементов водоприемника при минимальных затратах на строительство и эксплуатацию водозаборного гидроузла в сложных природно-климатических условиях и чрезвычайных ситуациях.

Пример промышленной применимости изобретения.

На фиг.1 изображена схема компоновки водозаборного гидроузла в плане с полным перекрытием русла низконапорной наледной плотиной, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 при ледоставе.

Водозаборный гидроузел включает водоприемник 1, например, русловой, соединенный самотечными линиями 2 с береговым водоприемным сетчатым колодцем 3, совмещенным с насосной станцией 4, обеспечивающей подачу воды по напорным трубопроводам 5 на очистные сооружения, и трубчатый теплообменник 6, расположенный в поперечном створе перекатного участка ниже по течению реки относительно места расположения водоприемника 1. Трубчатый теплообменник 6 соединен торцевыми частями с разновысокими стояками 7, установленными на разных берегах, открытые концы стояков 7, сообщающих теплообменник 6 с атмосферой, расположены на отметках, исключающих попадание в них воды при паводковых уровнях воды в реке. Стояк 7 большей высоты имеет теплоизоляцию, выполненную из теплоизолирующего материала, например, земляной обсыпки 8, и оборудован поворотной заслонкой 9. Теплообменник 6 при понижении температуры воздуха ниже 0°С обеспечивает образование наледного бугра - наледной плотины 10 на дне реки и повышение уровня воды 11 в реке относительно ординара, который характерен для нерегулируемых условий в предледоставный период. Непосредственно вокруг трубчатого теплообменника 6 ниже отметок дна реки образуется зона промерзания 12 грунтов. В створе расположения теплообменника 6 вертикально установлены анкеры 13, заглубленные в дно реки. При повышении уровня воды 11 в реке образуется ледовый покров 14, нижняя поверхность которого располагается существенно выше отметок водоприемных отверстий водоприемника 1, оборудованных сороудерживающими решетками. Для предотвращения размыва берегов и плановых деформаций русла на размывоопасных участках выполнено крепление 15, например, в виде каменной наброски. Стрелками показано направление движения воды.

Водозаборный гидроузел работает следующим образом. В предледоставный период при понижении температуры воздуха ниже 0°С и активном внутриводном ледообразовании в реке заслонка 9, установленная на одном из стояков 7, открывается. Это обеспечивает за счет появляющегося температурного градиента вентилирование трубчатого теплообменника 6, выполненного, например, в виде двух параллельных труб, уложенных горизонтально на перекатном участке ниже по течению реки относительно места расположения водоприемника 1 на отметках на 0,05-0,10 м ниже дна реки, герметично соединенных с вертикальными стояками 7. Для обеспечения активного вентилирования стояки 7 выполняются разновысокими и стояк 7 большей высоты имеет теплоизоляцию, например, в виде земляной обсыпки 8. При этом воздух, имеющий температуру ниже 0°С, поступает в первый стояк 7 и трубы теплообменника 6, где за счет теплоотдачи охлаждает окружающий грунт в русловой части перекатного участка и с более высокой температурой проходит в стояк 7 большей высоты, имеющей теплоизоляцию 8, которая задерживает процесс охлаждения воздуха, нагретого в трубах теплообменника 6, что обеспечивает создание большего температурного градиента - разности температур воздуха в стояках 7 и, следовательно, более активное вентилирование. При переохлаждении грунта в русловой части перекатного участка в створе установки теплообменника 6 образуется «бугор» донного льда - наледная плотина 10, в которую вмерзают анкеры 13, заглубленные в дно реки. В предледоставный период при неустойчивой температуре воздуха, когда она в дневное время суток может быть выше 0°С, заслонку 9 на это время закрывают, чем прекращают вентилирование, а рост наледного бугра - наледной плотины 10 приостанавливается. Наличие анкеров 13, заглубленных в дно реки, предотвращает неконтролируемый размыв - снос наледного бугра и, следовательно, повышает надежность работы водоприемника 1. В ночное время заслонку 9 вновь открывают, и нарастание наледной плотины 10 возобновляется. Например, при глубине потока до 0,5 м при ширине русла на перекатном участке 12 м (р. Волчанка) промерзание придонного слоя грунта 12 и образование наледной плотины 10 отмечалось уже при среднесуточной температуре воздуха незначительно ниже 0°С. Опыт показывает, что нарастание высоты наледной плотины 10 проходит достаточно интенсивно и практически через сутки общий перепад уровней в верхнем и нижнем бьефах составляет более 1,2 м. Рост наледной плотины 10 обеспечивает соответствующее повышение уровня воды 11 в реке относительно ординара, характерного для предледоставного периода. Повышение уровня воды 11 в реке приводит к снижению скоростей течения и, следовательно, турбулентной активности потока. Это способствует уменьшению глубины вовлечения шуги и внутриводного льда в речной поток, что практически полностью исключает вероятность обмерзания водоприемника 1, попадания в него шуги и затруднения в работе. В период ледостава образуется поверхностный ледяной покров 14 и при наличии наледной плотины 10 повышенные глубины воды в реке на участке интенсивного водоотбора обеспечивают более благоприятные условия работы руслового водоприемника 1, исключающие вероятность его вмерзания в лед 14 (фиг.2), что повышает надежность работы водозаборных сооружений, в том числе в чрезвычайных ситуациях при малой водности реки, когда может возникать угроза снижения водоподачи, например, в систему хозяйственно-питьевого водоснабжения. При достижении уровня воды 11 в реке, достаточного для обеспечения оптимальных условий работы водоприемника 1, в частности, нижняя поверхность ледяного покрова 14 должна быть выше отметок водоприемных отверстий не менее чем на 0,3 м (общепринятые требования), дальнейшее развитие наледной плотины 10 регулируется заслонкой 9. За счет высоких скоростей потока воды непосредственно над наледной плотиной 10 поверхностный ледяной покров 14 неустойчив или вообще не образуется (фиг.2). В зависимости от температуры воздуха в зимний период и скоростей потока на этом участке может происходить и смыкание ледяного покрова 14 с ледяным бугром - наледной плотиной 10, а проток воды в ее нижний бьеф при этом осуществляется через промоины - полости, образующиеся в месте смыкания. В весенний период при повышении водности реки и глубинах, достаточных для обеспечения работы водоприемника 1 при естественном режиме уровней, заслонку 9 открывают полностью, чем способствуют интенсивному таянию наледной плотины 10. Это определяется тем, что за счет активного вентилирования теплообменника 6 теплым воздухом температура придонного слоя грунта в зоне его промерзания 12 быстро повышается, приближаясь к температуре воздуха. Интенсивное таяние наледной плотины 10 обеспечивает условия, необходимые для миграции рыбы, что важно при организации водоотбора на реках, имеющих рыбохозяйственное значение. Для предотвращения размыва и плановых деформаций русла на размывоопасных участках выполняют крепление 15 берегов, например, в виде каменной наброски или используют другие традиционные мероприятия, применяемые для этих целей.

Таким образом, повышение глубин реки на участке интенсивного водоотбора с помощью наледной плотины 10 обеспечивает улучшение условий забора воды в предледоставный период, исключая возможность обмерзания водоприемника 1, за счет уменьшения глубины вовлечения в поток шуги и внутриводного льда, а в период ледостава на протяжении зимы исключается вероятность вмерзания в лед элементов водоприемника 1. При этом затраты на строительство и эксплуатацию водозаборного гидроузла с наледной плотиной 10 в сложных природно-климатических условиях и чрезвычайных ситуациях незначительны, а соблюдение условия минимизации воздействия на природный режим водотока обеспечивает экологические требования, в частности, по рыбозащите.

Изобретение относится к водоснабжению, в частности, к русловым водоприемникам и может использоваться для водоотбора из рек при средних и тяжелых условиях забора воды, связанных с воздействием внутриводного льда в предледоставный период и с угрозой глубокого промерзания реки в холодный период года на участках интенсивного водоотбора. Гидроузел включает русловой водоприемник с сороудерживающими решетками, самотечные или сифонные водоводы, соединяющие его с береговым сетчатым колодцем, совмещенной или раздельной компоновки, низконапорную перегораживающую дамбу с полным перекрытием русла. Гидроузел оснащен теплообменником, установленным в поперечном створе переката ниже участка размещения руслового водоприемника, выполненным в виде трубчатого воздуховода, соединенного торцевыми частями с разновысокими стояками, причем стояк большей высоты оборудован поворотной заслонкой и имеет внешнюю теплоизоляцию, а также оснащен вертикально установленными в этом же створе анкерами. Изобретение повышает надежность работы водозаборных сооружений при малой водности реки, снижает экономические и трудовые затраты. 2 ил.

Водозаборный гидроузел, включающий русловой водоприемник с сороудерживающими решетками, самотечные или сифонные водоводы, соединяющие его с береговым сетчатым колодцем, совмещенной или раздельной компоновки, низконапорную перегораживающую дамбу с полным перекрытием русла, отличающийся тем, что водозаборный гидроузел оснащен теплообменником, установленным в поперечном створе переката ниже участка размещения руслового водоприемника, выполненным в виде трубчатого воздуховода, соединенного торцевыми частями с разновысокими стояками, причем стояк большей высоты оборудован поворотной заслонкой и имеет внешнюю теплоизоляцию, а также оснащен вертикально установленными в этом же створе анкерами.