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).

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 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.).

Порядин А. Ф.

“Устройство и эксплуатация водозаборов”