ГЛАВА IV. ШУГОЛЕДОВЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАБОТУ ВОДОЗАБОРОВ И БОРЬБА С НИМИ

В середине февраля было произведено обследование участка реки протяженностью около 30 км выше водозабора. Замеры стока в двух створах, отстоящих один от другого на 28 км, показали, что расход в первом (вышерасположенном по течению) створе равен 0,97 м³/с, а во втором (у водозабора) — 0,35 м³/с. Уменьшение рас­хода воды по течению реки и отсутствие других водозаборов на участке между выбранными створами свидетельствовали о наличии потерь воды. Детальное обследование этого участка с бурением льда позволило выявить отсутствие в отдельных местах воды подо льдом в русле и большие масштабы наледеобразований. Толщина коренного льда достигала 1,3 м, а наледей на отдельных участках — более 2 м. На плесах глубина воды подо льдом достигала 2 м, в то время как на перекатах наблюдалось полное перемерзание потока. Ледяной покров состоял из нескольких слоев. Ранее такого промер­зания на данном участке Алея не наблюдалось.

На протяжении 17 км вверх по течению от водозабора явных потерь воды не было выявлено. Далее на участке 17...26 км почти сплошь распространялись наледи с выходом воды на пойму. Этот участок и являлся основным очагом потерь воды из реки. Из прору­бей, пробуренных во льду выше участка, вода с напором выходила на поверхность. Бурение льда позволило установить, кроме того, что наряду с потерями воды на ледообразование имеют место также по­тери на насыщение снега на урезе воды в реке.

Из-за обильных снегопадов при первых заморозках осенью от­ложившаяся по берегам толща снега предотвратила дальнейшее намораживание льда у берегов. Промеры показали, что на некото­рых участках реки толща льда от середины русла к берегам сущест­венно уменьшается, а непосредст­венно на урезе ледяной покров от­сутствует (рис. 47) и снег насыщен водой. На участках выше перекатов такому насыщению спо­собствовало возникновение напора воды подо льдом вследствие пере-мерзания и вызванного этим пе­рекрытия русла реки. Увеличение притока воды к водозабору было достигнуто устройством прорезей во льду на всю ширину реки, ко­торые позволили перехватить наледный поток и ввести его в основ­ное русло, предотвратив тем самым дальнейший рост наледей. Осо­бенно эффективно было устройство прорези у верхнего переката на обследованном участке, где она обеспечила увеличение расхода во­ды в реке у водозабора до 0,7...0,8 м³/с.

Анализ выполненных мероприятий показывает, что борьба с наледями путем устройства только поперечных прорезей эффективна в условиях, когда наледи формируются в пределах основного русла реки. Когда же наледи выходят на пойму, надо дополнительно вы­полнять продольные прорези с расчисткой дна на перекатах. Для предотвращения повторных осложнений прорези следует утеплять снегом.

Улучшение водоснабжения в подобных случаях; мо­жет быть достигнуто наряду с увеличением поверхност­ного стока реки также за счет использования подрусловых вод. Этому благоприятствует то, что режим подрус­ловых вод в значительно меньшей степени, чем поверх­ностных, подвержен влиянию шуголедовых факторов. Для совместного отбора поверхностных и подрусловых вод целесообразно применять комбинированные водоза­боры [29].

2. Характерные ситуации и шуголедовые осложнения на водозаборах
Шуголедовые явления на реках по-прежнему созда­ют наиболее серьезные затруднения в работе водозабо­ров, сопровождающиеся иногда полным прекращением подачи воды потребителям. Отрицательному влиянию подвержены водозаборы как в северных, так и в южных районах нашей страны. В последние годы по этой при­чине были крупные осложнения на водозаборах ряда го­родов, сопровождавшиеся перебоями в водоснабжении.

Это подтверждает, что шуголедовые осложнения обусловливаются в меньшей мере географическим поло­жением водозаборов и в большей — природно-климати­ческими особенностями местности. Вопросы шугообразо-вания и воздействия шуги на работу водозаборов изуче­ны достаточно глубоко, поэтому здесь не рассматривают­ся теоретические аспекты проблемы, а главное внимание уделено натурным факторам и методам защиты водоза­боров от шугольда.

Степень влияния шуги не остается постоянной, а из­меняется из года в год и иногда проявляется совершен­но неожиданно.

Так, в 1970 г. на Новосибирском водопроводе водоприемник в ковше оказался полностью забитым шугой. При длине ковша более 900 м, наличии шугоотбойных шпор и расположении входа в ковш под оптимальным углом к речному потоку такое явление трудно было предвидеть. Решающим фактором в данном случае оказалось ветровое воздействие. При определенном направлении ветров до на­ступления ледостава шуга нагоняется в ковш, к тому же в самом ковше вода интенсивно переохлаждается и шуголедовая масса пол­ностью забивает живое сечение потока.

Нередко отрицательное влияние шуги является след­ствием нарушения естественного теплового режима рек. Такое влияние испытывают водозаборы на участках ни­же плотин ГЭС (Новосибирск, Волгоград, Лениногорск), ниже сбросов отработанных теплых вод (Новокузнецк). На водозаборе Ростова в 1972 г. интенсивный шугоход в марте был вызван преднамеренным нарушением ледо­вого покрова на Дону с целью ускорения судоходства. Последующее неожиданное похолодание повлекло пере­охлаждение воды с характерными для таких случаев по­следствиями.

Отрицательное воздействие шуголедовых факторов на работу водозаборов сопутствует развитию централизо­ванного водоснабжения на всем его протяжении. Еще в 1894 г. возникали угрожающие ситуации от воздействия шуги на водозаборе из Невы в Петербурге, повторяю­щиеся затем в 1914-м, 1916-м и в последующих годах, что послужило толчком к изучению шуголедовых про­цессов применительно к устройству и эксплуатации во­дозаборных сооружений, наложило отпечаток на конст­руктивные и технологические решения водоприемных устройств.

Рис. 48. Шуголедовая обстановка на русловом водозаборе из Оби в предледо-ставный период (ноябрь 1975 г.) 1 — зоны устойчивого ледостава; 2 — шуговые ковры; 3 — основной водопри­емник; 4 — дополнительные водоприемные отверстия; 5 — система пневмозащи-ты; 6 — наплавные буны; 7 — лихтер; 8 — тросы; ---------- поверхностные тече­ния; ---------глубинные течения

Рис. 49. Шуголедовая обстановка на ковшовом водозаборе из Оби в пред-ледоставный период (ноябрь 1975 г.) 1, 2 — соответственно дамбы и, шпоры ковша; 3 — зона устойчивого ледоста­ва; 4 — шуговые ковры
Поскольку шуголедовые процессы нередко развивают­ся очень быстро, с различной интенсивностью образования внутриводного льда и неустойчивой динамикой его перемещения, на водозаборах создаются непредвиденные аварийные ситуации, приводящие к сокращению и даже полному прекращению подачи воды. По этой причине шуголедовые факторы, особенно в суровых климатиче­ских условиях, являются чаще всего определяющими при размещении, выборе типа водозабора и технологии его работы.

С точки зрения эксплуатации важно прогнозировать ситуацию, которая может сложиться на водозаборе в предледоставный период, и своевременно предпринять меры при той или иной шуголедовой обстановке. При благоприятных погодных условиях (устойчивое похоло­дание, отсутствие ветра, малые скорости течения и ста­бильный уровень воды в реке) ледостав происходит в те­чение короткого промежутка времени и образовавшийся береговой припой льда оттесняет шугу от водоприемни­ка. На рис. 48 и 49 показаны характерные для этого слу­чая ситуации.

На береговых водозаборах зона раннего ледостава может распространяться сразу на акваторию водопри-

емника и, если шуга не подныривает под кромку льда, водоприемник работает устойчиво. На ковшовых водоза­борах ранний ледостав охватывает прежде всего вход­ную часть и акваторию ковша, а также прилегающий к ковшу участок берега. Описанные ситуации являются ис­ключительными, крайне редкими.

На практике почти повсеместно наблюдаются более сложные ситуации, вызываемые неустойчивым похолода­нием, ветрами и др., которые влекут разрушение ранне­го ледостава, перемещение ледовых масс, образование внутриводного льда и шуги. Шуголедовая ситуация мо­жет изменяться в течение суток и даже часов.

В конце ноября 1979 г. на Северной Двине у Архангельска на­блюдался интенсивный ледоход, несвойственный для данного перио­да года. В начале ноября при сильных заморозках река покрылась льдом толщинол до 0,3 . м. Наступившее затем потепление вызвало подвижку льда и резко ухудшило шуголедовую обстановку на реке. Осложнений в работе водозаборов в данном случае не возникло лишь благодаря большому (до 10 м) заглублению водоприемных устройств.

В конце января 1978 г. аварийная ситуация возникла на водо­заборах Ростова-на-Дону. Сильный ветер со снегопадом и интен­сивным волнообразованием осложнил процесс ледостава, водозабо­ры оказались в голове образовавшейся при этом полыньи. Поло­жение усугубилось сопутствующим понижением уровня воды в реке. Русловой водоприемник при этом был закупорен шуголедовой мас­сой, и поступление воды прекратилось.

На водохранилищных и озерных водозаборах слож­ные шуголедовые ситуации возникают чаще всего под воздействием вдольбереговых течений. Ранее счита­лось, что водозаборы на водохранилищах менее, чем на реках, подвержены воздействию шуголедовых факторов или вовсе не подвержены им.

Практика эксплуатации подтверждает, что справед­ливо это только для малых водоемов, на крупных же во­дохранилищах и на озерах создаются шуголедовые ситу­ации не менее сложные, чем на реках, могущие приво­дить к полной остановке водозаборов. Характерными в этом отношении являются водозаборы на Волгоградском, Боткинском водохранилищах и Онежском озере, где не­редко возникают интенсивные вдольбереговые течения с размывом берегов и образованием внутриводного льда, осложняющего работу водоприемников даже на глуби­не 15... 18 м.

Теоретические представления о воздействии шуголе­довых факторов на водозаборы не всегда соответствуют действительности. Нередко предполагают, что воздейст­вие это заключается только в обмерзании прутьев соро-удерживающих решеток и в закупоривании водоприем­ных отверстий внутриводным льдом, исходя из чего до­статочным средством предотвращения шуголедового воз­действия считают электрообогрев решеток и обратную промывку водоприемных окон. Аварийные ситуации на многих водозаборах, результаты обследования оголовков водолазами показывают, что в действительности обста­новка гораздо сложнее и в особенности тогда, когда во­дозабор оказывается в зоне формирования шугозажоров и шуга забивает если не все, то большую часть сечения речного потока. Выделяют два типа шугозажоров: глу­бинные, при которых шуга вовлекается на глубину до 5...7 м, но шуголедовый массив охватывает сравнитель­но небольшой участок реки (1...2 км, реже до 5 км); по­верхностные, когда шугозажоры распределяются на уча­сток реки 10...15 км при сравнительно малой глубине погружения шуги (до 2,5 м). Знание характера шугоза­жоров на том или ином участке реки позволяет прогно­зировать шуголедовую обстановку и своевременно при­нимать меры по обеспечению устойчивой работы водоза­боров.

Детальное обследование водоприемных оголовков на Оби в Но­восибирске показало, что внутриводный лед обволакивает не только водоприемные окна, но и весь оголовок, образуя подводный массив из насыщенной водой ледяной массы. Водолазы в таких условиях не могут даже приблизиться к водоприемным окнам. Работа ослож­няется тем, что при шугоходе под водой практически отсутствует видимость. К тому же поток воды насыщен внутриводным льдом, а ледяной массив на оголовках постоянно нарастает.

Аналогичная ситуация имела место на одном из водозаборов Барнаула. Три водоприемных оголовка этого водозабора, оказав­шиеся у кромки берегового припая льда в зоне транзита шуги, соз­дали преграду продвижению ее по руслу, что привело к образова­нию локального шугозажора и закупорке водоприемных отверстий.

Рис. 50. Структура шуголедовой массы на водоприемном оголовке

При исправно действующем электрообогреве решеток в таких ситуациях с наружной стороны окон в толще шу­голедового массива образуется замкнутое свободное про­странство, но доступ воды к окнам не обеспечивается. Обратная промывка также не дает положительных ре­зультатов, ибо вода из окон выходит локально, не обра­зуя сплошного потока. Продолжающийся отбор воды мо­жет привести к прониканию шуги в самотечные линии, береговой колодец и даже на водоочистные станции. Такие случаи имели место в Уфе, Рубцовске и других го­родах.

Закупорка отверстий шугольдом может быть настоль­ко плотной, что в самотечных трубопроводах и оголовке образуется вакуум, способный повлечь разрушение ого­ловка. Из практики эксплуатации известно немало по­добных примеров.

В формировании шуголедового массива у оголовков главную роль играет транзит шуги течением с вышеле­жащих участков реки, в значительной степени способст­вуют этому всевозможные выступающие части оголовков, корчи и топляки, отложение наносов, возвышающи­еся над дном самотечные линии (при их подмыве). По­этому очень важно ежегодное (накануне ледостава) об­следование водоприемников и проведение на них профи­лактических работ: расчистка наносов, удаление топля­ков, корчей, ремонт водоприемных решеток и др.

В структуре шуголедовой массы (рис. 50) присутст­вуют в большом количестве глинистые и песчаные частицы, придавая ей темно-бурый оттенок. По мере разруше­ния или таяния шуголедового массива у оголовка и да­же на его перекрытии остаются наносы, иногда доволь­но крупные (d = 50...100 мм), вовлеченные ранее в поток вместе с донным и прибрежным льдом от заберегов и транспортируемые в толще потока при его шугонасыще-нии. Наблюдения показали, что транспортирование круп­нозернистых наносов в толще речного потока проходит особенно интенсивно при повышении уровня в реке (в зо­не шугозажора, подпора от встречного ветра или мор­ских приливов), в результате которого шуголедовая мас­са поднимается со дна, отрывается от берегов, увлекая частицы отложений, могущих перемещаться таким обра­зом на большие расстояния. При потолочном расположе­нии водоприемных окон наносы могут попадать внутрь оголовков и во всасывающие линии, а при непосредствен­ном всасывании воды приводить к забивке насосов, вы­зывая дополнительные осложнения на водозаборах.


Рис. 51. Шугосбросное устройство на малых водозаборах из горных рек

а — с заглубленной перегородкой; б — с шандорной стенкой; 1 — водоприем­ник; 2 — шугоотводящий лоток; 3 — водоотводящий лоток или труба; 4 — гря­зевая труба; 5 — заглубленная перегородка; 6 — шандорная стенка
Своеобразная шуголедовая обстановка создается на реках горного и предгорного типов. Например, на неко­торых реках Казахстана с бурным потоком и без устой­чивого ледостава в результате разбрызгивания воды на валунах и порогах при низкой температуре образующие­ся забереги первоначально имеют вид нависающих над водой козырьков, которые нарастают и вскоре смыка­ются, образуя над речным потоком сплошной ледяной свод. Переохлаждение воды и образование внутриводно-го льда в потоке под сводом прекращается. Однако ни­же по течению в результате выполаживания продольного профиля реки и соответствующего изменения гидрологи­ческого режима потока шуголедовые процессы развива­ются очень интенсивно и нередко приводят к закупорке не только водоприемников, но и песколовок, и отводящих трубопроводов. Многочисленные перекаты на таких уча­стках с крупными валунами создают благоприятные ус­ловия для шугозажоров нередко со сплошными ледяны­ми перемычками на всю ширину реки и образованием каскада. При разрушении одной-двух перемычек то же самое происходит с другими (сформировавшимися ниже по течению), в результате чего образуется паводочная волна высотой в несколько метров, насыщенная шуголе-довой массой, плавником, песком, гравием и т.д. Обыч­ный водозабор не может противостоять такой волне, что обусловливает разработку специальных типов водозаборов для горных рек (С. А. Шанин). Располагаясь вне ос­новного русла, водозаборы эти имеют шугосбросные уст­ройства (рис. 51), которые вполне оправдали себя, на­пример, на водозаборе из р. Таласе в Казахстане. Они представляют собой небольшие камеры на отводящем канале, в которых благодаря увеличению площади по­перечного сечения потока происходит всплывание шуги с последующим отводом ее в реку ниже водозабора. Скорость поверхностного потока в шугосбросном устрой­стве составляет около 1 м/с (из условия транспортиро­вания шугового ковра), а скорость нисходящего пото­ка — не более 2,5 см/с, что предотвращает вовлечение шуги в водоприемник. Такие устройства надежно рабо­тают при насыщении шугой поступающего в них расхода воды до 25 %.

Определяющее значение в обеспечении устойчивой работы водозаборов имеют не столько технические сред­ства эксплуатации, сколько правильный, всесторонний учет природных факторов и благоприятное размещение водоприемных сооружений. Это подтверждается тем, что водозаборы аналогичного типа на одном и том же ис­точнике, расположенные всего в нескольких сотнях мет­ров один от другого, работают по-разному. Одни из них останавливаются, а другие работают без каких-либо по­мех и перебоев. Это относится к воздействию не только шуги, но также и наносов. Следовательно, в обеспечении устойчивой работы водозабора выбор места расположе­ния имеет определяющее значение.

3. Методы и средства шуголедовой защиты водозаборов
На многих действующих водозаборах отсутствуют средства защиты от шуголедового воздействия, что сви­детельствует о недооценке этого фактора как при проек­тировании, так и при эксплуатации. Поскольку полно­стью 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.

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 промыв­ки самотечные линии соединены с напорными трубопро­водами. Водозабор ежегодно в течение 15...20 сут в но­ябре испытывает влияние шуги. В начале периода устойчивого похолодания на участке расположения водо­забора, 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 водо­снабжения и применим лишь как крайняя мера предот­вращения полной остановки водозабора. Задача предо­твращения 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 ока­зался 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 водо­приемных 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.

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 водо­приемных 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 (v_a) и должно выполняться соотношение U>Kv_a (где К — опытный коэффициент, зависящий от скорости и ледонасыщенности потока).

Согласно натурным наблюдениям на Оке, при сред­ней скорости течения у_а = 0,5 м/с и глубине потока Н = = 3,5 м хороший эффект шугозащиты достигается при расходе воздуха q_B=l м³/мин на 1 м, при этом К=1,54. На границе зоны распространения водовоздушных пото­ков смерзшиеся массы шуги легко разрушаются и от­клоняются при движении в стороны от водоприемника.

Применение этого способа даже на крупных водоза­борах (Q_B до 14 м³/с) обеспечивает бесперебойную ра­боту 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.



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).



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 ниж­нем 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.



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 по­верхности потока, она улавливается запанью и быстро смерзается, образуя сплошной ледяной покров.



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 во­круг 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 нака­нуне 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 водо­заборов, в том числе ранее построенных и вновь строя­щихся, в единую водохозяйственную систему города. Из­вестно, 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 комму­нального и промышленного назначения. Водоприемники на них, построенные в разное время, как правило, представлены всевозможными конструкциями, имеют различную производительность. Располагаются водоза­боры нередко по обоим берегам реки и работают в отличающихся гидрологических условиях. Иногда один во­дозабор 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.

жүктеу/скачать 1.9 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: