ПРИЛОЖЕНИЕ 18.3

Проектирование поверхностного водозабора

Задание. Для населенного пункта с числом жителей N_ж = 38287 чел. запроектировать речной водозабор производительностью Q_в = 11486 м³/сут (478,9 м³/ч).

Исходные данные. Расходы реки в створе водозабора:

• - Q_95% = 6,96 м³/с;
• - Q_90% = 7,96 м³/с;
• - Q_85% = 9,1м³/с.

Расчетные отметки максимальных и минимальных уровней воды в реке:

• - УВВ= 171,0м;
• - УНВ = 168,5 м.

Минимальная глубина у берега при низких уровнях воды - 0,5-0,8м.

Гидрогеологические условия в створе водозабора благоприятны: русло берега устойчивое, сложено аллювиальными отложениями со средней крупностью частиц D = 1,5 мм. Ледостав - устойчивый, толщина льда достигает 0,75 м. Высота волн от действия ветра достигает 0,2 м.

Скорости течения реки:

• - минимальная - 0,25 м/с
• - максимальная - 0,4 м/с

Качество воды в источнике характеризуется следующими показателями:

• - мутность - 70 мг/л,
• - цветность - 50 град.,
• - запах - 2 балла,
• - водородный показатель - 7,4,
• - фитопланктон - 0,1,
• - БПКполн - 2,7 мг О²/л,
• - количество наносов - 0,2 кг/мЗ

Река используется преимущественно для водоснабжения и служит местом для отдыха.

Обоснование выбора источника водоснабжения и типа водозабора

Проектируемый водозабор относим ко II категории. Расчетные расходы воды в источнике для данной категории принимаем согласно табл. 5.1: Q_min= Q_90% = 7,96 м³/с (28656,0 м³/час).

Проверяем возможность забора воды из источника без специальных сооружений. С этой целью определяем величину относительного водозабора:

A =

Qв

Qmin

=

478,6

28656,0

= 0,017

Так как величина А ≤ 0,25, то проектируемый водозабор из данного источника может обеспечить заданную потребность.

Производим оценку качества воды. Сравнивая показатели качества воды источника с общими требованиями для различных классов, источник можно отнести ко 2 классу.

Так как глубина реки у берега при минимальных уровнях воды незначительна, к проектированию принимаем русловой водозабор.

В соответствии с рекомендациями табл. 13 СНиПа 2.04.02-84 предусматриваем секционирование водоприемной части. Принимаем количество секций n_с, равное 2.

Расчетный расход одной секцией можно определить по (5.11).

141

Qc = 

1,08 · 11486

24 · 2 · 3600

 = 0,071 м³/с

Водозабор должен работать, как в нормальных условиях, так и в аварийных ситуациях. Для водозабора II категории при аварии допускается снижение подачи воды на 30% от расчетного расхода. Поэтому при аварийном отключении одной из секций водозабор должен обеспечить забор воды, определяемый по формуле:

Q_ав = 0,7 · Q_c

nc

nc - 1

Q_ав = 0,7 · 0,072 

2

2 - 1

 = 0,1 м³/с

Гидравлический расчет водозабора

Гидравлический расчет водозаборов всех типов выполняют для определения: размеров водоприемных отверстий и водоочистных сеток, диаметров трубопроводов и других элементов. Гидравлический расчет производят для нормальных и аварийных условий работы водозабора.

С учетом небольшой производительности водозабора, благоприятных геологических условий, принимаем затопленный железобетонный оголовок. На входе он оборудован фильтрующими кассетами толщиной 80 мм с заполнением их щебеночным материалом: d = 30-40 мм.

Скорость входа v_вx принимаем 0,25 м/с, т.к. скорость течения реки менее 0,4 м/с; пористость материала - ρ = 0,45, обеспечивающей

К = 1/ρ = 1/0,45 = 2,2.

Тогда площадь водоприемных окон оголовка будет равна

Ω_вх = 1,25 · 2,2 · (0,072/0,25) = 0,792 м².

Исходя из рекомендованных размеров кассет, принимаем размеры водоприемных окон: 1 м по высоте; 0,8 м - по ширине. Перекрываем водоприемное окно фильтрующей кассетой размером 0,850×1,050 м. Она состоит из рамы швеллера N⁰ 80, и двух боковых сеток с размером ячеек 25×25 мм и проволоки Ø 2,5 мм. Средний диаметр зерен загрузки 0,035 м.

Глубина реки в месте установки оголовка при принятых размерах равна (том 1, формула (5.19):

H_и = H_ок + 0,9h_п +0,7 = 1,0+0,9 · 0,75+0,7 = 2,375 м.

Находим коэффициент фильтрации кассеты:

К_к = 1,8ρ√d

где ρ - пористость загрузки; d - средний размер частиц загрузки, м;

К_к = 1,8 · 0,45√0,035 = 0,16 м/с.

Коэффициент сопротивления кассеты ζ_м определяем по формуле:

ζ_м = 2gδ / K_к²,

где δ - толщина фильтрующей кассеты: 0,1-0,3 м (принимаем δ = 0,1); К_к - коэффициент фильтрации загрузки кассеты, м/с.

ζ_м = 2 · 9,81 · 0,08 : 0,17² = 61,3.

Коэффициент гидравлического сопротивления R находим по формуле:

142

R_м = 

ζм

2gω2

 ·(

Kз

Kз.р

)²

где ζ_м - коэффициент гидравлического сопротивления устройства по скорости потока; К_з - коэффициент возможного загрязнения устройства; К_з.р. - #коэффициент загрязнения, равный 1,25; ω - площадь живого сечения потока, м².

R_м = 

67,9

2 · 9,81 · 0,7922

 ·(

1,25

1,25

)² = 5,52 c²/м²

v_к=v_вx : K · K_з = 0,25/1,25·2,2 = 0,091м/с.

Потери напора в кассетах при нормальных условиях работы водозабора:

h_к = ζ _к

vк2

2g

 = 67,9 ·

0,0912

2 · 9,81

 = 0,028 м

или

h_к = R_к · Q_с² = 5,52 · 0,0722 = 0,028 м

При тех же условиях работы водозабора, по предельно допустимом загрязнении кассет Kз.к. = 1,5:

R_м = 

67,9

2 · 9,81 · 0,7922

 · (

1,5

1,25

)² = 7,94 c²/м²

Потери напора при этом:

h_к.з = R_к.з · Q_с² = 7,17 · 0,0722 = 0,041 м

При аварийной ситуации на водозаборе работает одна секция. Тогда потери напора в незагрязненной кассете:

h_к.з = R_к.з · Q_с² = 7,17 ·(

2

2 - 1

  · 0,7 · 0,072)² = 0,058 м

Таким образом, водоприемное устройство обеспечивает необходимые условия для нормального отбора воды.

Расчет самотечных линий

Диаметр самотечных линий определяется из условия обеспечения в них незаиляющей скорости движения воды.

Для относительно длинных линий берем v_дв.в = 0,7-1,0 м/с. По v_дв.в и Q_c принимаем диаметр трубы D = 350 мм.

Скорость воды в подобранном трубопроводе должна быть больше незаиляющей.

Скорость выпадения частиц взвеси в потоке (том 1, формула (5.21):

u = 0,07v_p = 0,07 · 0,8 = 0,056 м/с,

v_н.з = 3√ 

0,2 · 9,81 · 0,00173 · 0,350

0,11·(1 - 0,00173 0,056 )4,3

Условия выполняются 0,8 >0,23 м/с.

143

Потери напора в самотечной линии, имеющей плавный диффузный вход (прямой вход и задвижку), в нормальных условиях работы водозабора будет равняться:

h_с.л. = 0,142 м.

При форсированном режиме работы:

h_с.л.ав. = 0,27 м.

С учетом потерь напора в фильтрующих кассетах и самотечных линиях отметки уровня воды в водоприемном отделении водозабора:

- при незагрязненных кассетах в нормальных условиях работы водозабора:

z_пр = z_УНВ^min - h_к - h_c.л. = 168,5 - 0,028 - 0,142 = 168,33 м.

Скорость воды в самотечной линии при ее промывке:

v_пром ≥ 104√d · d_гр = 104√0,35 · 0,01 = 2,43 м/с,

где d_гр - диаметр самых крупных наносов.

Промывку линий, вследствие большой скорости, будем осуществлять способом обратной промывки. Поскольку внутренний объем самотечных линий заполняется воздухом на 60-70%, линии могут всплыть. Подъемная сила в этом случае определяется как

P_вспл = ωρ_вg =

3,14 · 0,352

4

· 1000 · 9,81 = 943,4 H

где ω - площадь поперечного сечения трубы d = 350 мм.

Масса стальной трубы длиной 1 м, имеющей Ø 350 мм и толщину стенок 9 мм -92,56 кг.

Сила тяжести в этом случае:

G = mg = 9,81 · 92,6 = 908,4 Н

Поскольку P_вспл < G, устойчивость самотечных линий обеспечена. Поэтому не требуются дополнительные мероприятия по закреплению самотечных линий.

Проектирование и расчет оголовка

Исходя из необходимости размещения в оголовке двух фильтрующих кассет размером 1050×850×80 мм, а так же обеспечения плавного перехода потока от входного сечения с Ω_вх = 0,792 м² к сечению самотечной линии, принимается железобетонный оголовок высотой 1,6 м, шириной 1,10 и длиной 4,20 м. Оголовок устанавливается на бетонный фундамент размером 0,5×1,10×4,20 м.

Объем оголовка за вычетом объема водоприемных окон и диффузоров:

V_oг = 2,8 · 1,1 · 1,6 + 2 · 1,1 · 

1

2

 · 0,7 · 1,6 - 2 · l,l (0,8 + 0,07 + √0,8 - 0,07 ) · 

1

3

 = 5,348 м³,

m_oг = V_oг · ρ_ог = 6,974 · 2300 = 12300,4 кг,

G_ог = m_oг · g = 16040,2 · 9,81 = 120,667 кН.

Аналогично для фундамента оголовка:

V_ф = 4,2·1,1·0,5 = 2,31 м³,

m_ф = 2,31·2150 = 4966,5 кг,

G_ф = 4966,5·9,81 = 48,72 кН.

144

ρ = 2300 кг/м²; ρ_ф = 2150 кг/м² в зависимости от армирования, определяется по справочной литературе.

Взвешивающая сила определяется по формуле (5.49):

Р = 9,81 · 1000 · 6,974 = 68,415 кН.

Сила гидродинамического воздействия на оголовок, согласно формулы (5.51), тома 1, равна:

F = 0,3 · 1000 · 9,81 · 1,1 · 1,6 · 

0,42

2 · 9,81

 = 42 кН.

Коэффициент запаса оголовка на сдвиг и опрокидывание, определяется по формулам (5.45-5.46) тома 1:

K_сдв = 

(157,354 + 48,721)· 2,4

42

 = 1,47 ≥ 1,1 - 1,4

K_опр = 

(157,354 + 48,721)· 2,1

42(0,5 + 0,6 · 1,6) + 52,464 · 2,10

 = 2,11 > 1,1 - 1,4

Таким образом, статическая устойчивость запроектированного оголовка обеспечена.

Скорость неразмывающего потока в реке определяется по (5.52) тома 1:

v_доп = 1,65 4√

0,1 · 4,9

0,052

√9,81 · 0,05(1 + 3 · 0,2

2

3

) = 6,15 м/с

Она намного выше фактической скорости течения воды в реке (v_p = 0,4м/с), поэтому условие v_ф ≤ v_доп выполняется.

Проектирование и расчет берегового колодца

Выбор параметров основного и вспомогательного оборудования

Параметры основных насосов находят из требуемой надежности подачи воды на очистные сооружения. При этом принимают минимум два насоса рабочих и число резервных по Q и H.

H_н = z_o.c - z_вс.min +

i0 lв

nв2

Q_в² + h_н,

где z_o.c. - отметка воды в смесителе, z_o.c. = 202,5 м; z_вс.min - минимальная отметка воды во всасывающем отделении; i₀ - удельное гидравлическое сопротивление одной нитки водовода, с²/м⁶; l_в - длина водовода, м; п_в - число ниток водовода; Q_в - общая подача воды, м³/с; h_н - свободный напор на изливе из водовода (0,5 -1 м).

z_вc.min = z_пp - h_c= 168,33 - 0,1 = 168,23 м,

где h_с - потери напора в сетке, м. Принимаем h_c = 0,1 м.

H_н = 202,5 - 168,23 +

0,1483 · 14

22

· 0,143 + 0,5 = 34,247 м

Отметка осей основных насосов:

z_о.н = z_вс.min + H_вак^доп -(α_вс · l_вс + 

∑ζ

2gω2

)Q_н² -

vвс2

2g

145

где H_вак^доп допустимая вакуумная высота всасывания насоса принимаем по каталогу насосов;
α_вс - коэффициент удельного гидравлического сопротивления всасывающих линий насоса; L_вс - длина всасывающих линий; ∑ζ - сумма коэффициентов местных сопротивлений; ω - площадь живого сечения всасывающей линии; Q_н - подача насоса; v_вc - скорость движения воды во всасывающем патрубке 1 м/с.

z_o.н = 168,23 + 4,3 - (0,15 · 24 +

0,15 + 0,11 + 1

2 · 9,8 · 0,098

)· 0,143² -

12

2 · 9,81

= 172,271м

Принимаем насос Д 500-36, N = 980 об/мин. Øр.к. 500.

Подбор гидроэлеватора

Гидроэлеваторы необходимы для откачки воды или откачивания взвесей в камере водозабора. Подбираются по производительности и напору. Производительность гидроэлеватора:

Q_эл =

Wвзв · ρвзв · q

cвзв · Tот

,

где W_взв - объем отложившейся взвеси; ρ_взв - плотность взвеси; с_взв - концентрация взвеси в откачиваемой пульпе; T_от - расчетное время откачки.

Принимаем сварной гидроэлеватор: Q = 36 м³/час, H = 15 м, М = 84 кг (конструкция Союзводоканалпроект).

Грузоподъемные устройства

Принимаем радиальную кран-балку, грузоподъемностью 100т, что позволяет монтировать насосные агрегаты в сборе. Для систематического подъема и опускания затворов, решеток, реагента. Ставим электрическую таль грузоподъемностью 5 т. В качестве механизма передвижения применены две приводные четырехкатковые тележки.

146