Водоприемные ковши

При необходимости отбора из рек больших количеств воды в определенных условиях может оказаться экономически целесообразным и эффективным устройство водоприемных ковшей.

Водоприемный ковш представляет собой своеобразный искусственно сделанный залив, который образуется дамбой, вынесенной в русло реки  (IV.24), или специально отрытой выемкой  (IV.25).

Ковши могут иметь верховой вход (IV.24, а и IV.25, а) или низовой вход (IV.24, б и IV.25, б) по течению реки. В отдельных случаях устраивают два входа в ковш — верховой и низовой.

Вода забирается из ковшей водоприемными сооружениями В (преимущественно берегового типа), располагаемыми в конце ковшей.

Использование ковшей особенно эффективно на шугоносных реках. В ряде случаев ковш позволяет успешно бороться с затруднениями, которые возникают    при    заборе    воды в условиях образования внутриводного льда. Малые скорости движения воды в ковше (порядка 5—15 см/с в среднем по сечению ковша) обусловливают более раннее образование ледяного покрова, что исключает возможность переохлаждения воды в ковше и появления глубинного льда. Благодаря малым скоростям шуга, занесенная в ковш из реки, всплывает и смерзается с поверхностным льдом. Таким образом, условия работы водоприемника при заборе воды из ковша, а не непосредственно из шуго-носной реки значительно улучшаются.

Следует отметить, что в районах с особенно тяжелыми ледовыми условиями ковши не всегда могут обеспечить надежную защиту водоприемника; в этих случаях требуется применение дополнительных мер по борьбе с обмерзанием водоприемных устройств: обогрев решеток, сброс перед водоприемником теплой отработанной воды (в производственных водопроводах).

Водоприемные ковши используют не только для борьбы с шугой, но иногда и для частичного осветления воды, забираемой из рек, несущих большие количества взвеси.

На реках с недостаточными глубинами ковши могут устраиваться для увеличения глубины у места забора воды и для улучшения условий подвода воды из русла реки к водоприемнику. В этих случаях дно ковша располагают на 1 —1,5 м ниже дна реки, благодаря чему отпадает необходимость в возведении водоподъемной плотины.

Проще и дешевле устраивать ковши в русле реки путем сооружения дамбы (см. IV.24). Если ковш предназначен для борьбы с шугой, то отметка гребня дамбы должна быть выше отметки уровня воды в период шугохода, но в другие периоды дамба может заливаться высокими водами. В ковшах, используемых для осветления забираемой воды, дамба устраивается незаливаемой.

В тех случаях когда стеснение русла реки дамбой нежелательно, ковш отрывают в береге реки. Иногда устраивают ковши, частично вынесенные в реку и частично врезанные в берег, что может сократить объем и стоимость работ. Угол ф, образуемый осью ковша с направлением течения реки, может меняться в весьма широких пределах.

Исследованию вопросов гидравлики водоприемных ковшей и разработке теории и методов их гидравлического расчета посвящено много ценных работ советских ученых (А. Я. Милович, В. А. Альтберг, М. М. Гришин, Н. Г. Малишевский, Н. С. Макеров, А. С. Образовский,, П. Н. Белоконь и др.).

Детальный анализ работы водоприемных ковшей, а также разработка системы основных расчетных параметров приведены в одной из .последних монографий А. С. Образовского.

Гидравлический режим работы водоприемных ковшей очень сложен. Он зависит от типа и формы ковша, расположения его по отношению к руслу реки, типа входа в ковш и количества воды, отбираемой из реки. Режим работы ковша меняется при сезонных изменениях уровня и скоростей течения воды в реке.

А. С. Образовский дает подробный анализ возможных режимов отбора воды из реки в ковш.

Можно различать два основных характерных режима отбора — режим деления и режим водообмена.

Режим деления возникает при отборе из реки относительно больших количеств воды (по сравнению с расходом воды в реке). При этом в реке ниже места отбора воды глубины и скорости течения уменьшаются, т. е. в русле реки образуется кривая спада. Таким образом, при режиме деления отбор воды оказывает существенное влияние на речной поток. При входе в ковш уровень воды несколько понижается и она поступает в ковш со скоростями, равными скоростям течения воды в реке или большими их. Это создает условия, способствующие вовлечению в ковш донных наносов.

Схема токов воды на входе в ковш при режиме деления показана на IV. 26, а.

При входе в ковш образуются водоворотные зоны, занимающие значительную часть его сечения.

В ковше может быть выделена основная транзитная струя, т. е поток воды, идущий от входа в ковш до водоприемника. Расход этого потока равен количеству воды QB, забираемой водоприемником. Ширина транзитной струи значительно меньше ширины ковша, а поэтому ее скорость течения vT значительно больше средней расчетной скорости по сечению ковша v.

Режим водообмена возникает при отборе из реки относительно малых количеств воды (по сравнению с расходом воды в реке). При этом режиме на входе в ковш образуется система водоворотов, занимающих большую часть его ширины. Значительная часть воды, входящей в ковш, выходит из него обратно в русло реки. Создается своеобразная застойная зона, в которой происходит как всплывание шуги, так и выпадение взвеси. Это обеспечивает защиту ковша от занесения в него наносов и шуги.

На IV. 26, б схематически показано направление токов воды на входе в ковш при режиме водообмена.

Интенсивность водообмена зависит от угла ф, образуемого осью ковша с направлением течения реки; она будет тем больше, чем меньше угол  ф.

При режиме водообмена разница уровней воды в ковше и в реке весьма мала.

Следует отметить, что для одного и того же крвша при сезонном изменении расхода воды в реке режим отбора может существенно меняться (при постоянном количестве забираемой из ковша воды QB). Так, в межень может иметь место режим деления, а в паводки — режим водообмена. В остальное время ковш будет работать в некотором переходном режиме. Схема токов воды в ковше при переходном режиме показана на IV.27. Переходный режим характеризуется относительно малым расширением транзитной струи в ковше (на рисунке заштрихована).

Гидравлический расчет самого ковша заключается в определении его основных размеров по заданному количеству забираемой воды Q4. Однако условия гидравлического режима работы ковша довольно сложны, и принимаемые в нем скорости движения воды должны удовлетворять целому ряду требований.

Следует отметить, что точный учет действительных условий входа воды в ковш крайне затруднителен. Поэтому для столь дорогих и ответственных сооружений, как водоприемные ковши, совершенно оправданным является исследование режима работы проектируемых ковшей на моделях.

На основании обширных исследований А. С. Образовский рекомендует устраивать ковши с низовым входом с углом ср, близким к 135°. Ковши с верховым входом, согласно его исследованиям, не обеспечивают требуемого эффекта выпадения наносов и всплывания шуги. А. С. Образовский считает, что эти ковши могут быть использованы как отстойники для взвеси только при условии значительного сужения входа в них или при устройстве регулятора на входе.

Приведем примеры некоторых построенных или запроектированных ковшей.

На IV.28 показан ковш с низовым входом, частично врытый в берег и частично вынесенный в русло реки. Расчетное количество забираемой воды 10—15 м3/с. Ковш огражден незатопляемыми в паводок дамбами (отметка меженного уровня 107 м, отметка уровня высоких вод 114,5 м). В связи с ростом водопотребления объекта потребовалась реконструкция ковша.