автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Очистные-рыбозащитные водозаборные сооружения на фильтрующем основании

Производственное объединение по изысканиям, исследованиям, проектированию и строительству водохозяйственных и мелиоративных объектов "СОВИНТЕРВОД"

На правах рукописи УДК 532.443.5:627-152.123

КЫСТА У БАЕВ Каршига Жебегенович

ОЧИСТНЫЕ-РЫБОЗАЩИТНЫЕ ВОДОЗАБОРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ НА ФИЛЬТРУЮЩЕМ ОСНОВАНИИ

Специальность 05.23.07. - Гидротехническое и мелиоративное

строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук МОСКВА 1992

Работа выполнена на кафедре экологии Кзыл-Ординского » »

института инженеров агропромышленного производства.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Т. К. Карлиханов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РСФСР Е. Д. ТоминА. кандидат технических наук, А. Б. Маслов

Ведущая организация - дирекция строящихся предприятий

„Арал". •

Защита состоится „ . " ^^УЧ-11' 1992 г. в 11 часов на заседании специализированного Совета Д 099.08.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при производственном объединении „Совинтервод" по адресу: 129344, Москва, ул. Енисейская, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПО „Совинтервод".

Автореферат разослан

„ /0 »

Ученый секретарь специализированного Совета, к.т.н., ст.н.с. ч В. С. Заднепрянец

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сложная экологическая обстановка во мно-¡х регионах страны, в том числе в зоне' Аральского моря, являются результатом нерационального использования природных и вод-[X ресурсов, требует ускоренного внедрения природоохранных и юурсовосстанавливаищих мероприятий по снижению влияния мелиора-[вных работ на окружающую среду. Так бесплотинные водозаборы по-'инженерного типа кал правило применялись на блуждающих участках жив основном имели подводящее многорукавноо*русло, одновре-¡нно служащее и отстойниками. Такие водозаборы обычно строили в юднем и нижнем течении рек, таких как Амударья, Сырдарья и друге. В настоящее время такой тип водозабора практически не триме-:ется; получили распространение плотинные водозаборы ферганского та, пбслойно-реыетчатые и др., которые также основаны на захва-I воды в каналы из поверхностных слоев. При компоновке плотинных бесплотинных водозаборных сооружений рцбозащитные функции не »едусмотрены. Обычно сетчатые и другого типа рыбозаградители де-1ют дополнительно. В этой связи определенный интерес вызывают шьтруюцие сооружения, так кап их режим работы существенно не [ияет на естественный режим водотоков рек и каналов. Кроме того, юружения подобного типа, выполняют функции рабоэацитных и водометных устройств. В этой случае возникает задача установления 1кономерностей взаимодействия потока в основном русле и в теле жовой фильтрующей даыбы.

Исследование гидравлических явлений и очистной-рыбозалцтгой юсобности фильтрующих элементов сооружения является актуальной юблемой.

- г -

Целью настоящей работы является дать компоновочное решение водозаборных сооружений мелиоративного назначения, основной целью которых является подача воды из реки для орошения без наносов; совмещение одновременно функций защиты каналов от попадания в них наносов и рыбозаграздения,' чтобы рыба /особенно мальки/ не могла пройти в канал, защита от мусора в ввсенне-осенний период и от шуги в зимний период.

В соответствии с намеченной целью в диссертации рассматриваются следующие задачи:

- установление гидроморфометрических характеристик низовья рек и временных водотоков в условиях маловодья;

- лабораторные исследования новых конструкций очистных-рыбозащитных сооружений с целью определения основных параметров сооружения и фильтрационных процессов в системе водоток -.сооружение;

- дать компоновочное решение" очистных рибоэащигных сооружений и внерусловых водохранилищ с учетом требований практики; •

- разработка методики расчета боковых очистных рыбозащитных .сооружений.

Научная новизна работы:

- получены гидроморфометрлческие характеристики водотоков' в условиях маловодья и для временных водотоков;

- изучены закономерности протекания фильтрационных потоков в условиях напорного и безналорногр релимов;

- получены масштабные .мнолители для моделирования движения потока через фильтрующие дамбы;

- предложены компоновочные решения водозаборных очистных-' рыбозащитных сооружения комплексного назначения и обоснован объем внерусловых водохранилищ.

Практическая ценность результатов исследований. Результаты исследования могут бить применены длл определения необходимых параметров боковых фильтрующих очистных рыбозащитных сооружения в условиях маловодья на стадии проектирования, а такяо при реконструкции существующих водозаборных сооружений мелиоративного назначения.

Реализация работы. Результаты исследования быт испольяова-ны при составлении проекта реконструкции головного сооружения Мандаринского магистрального канала в Кзьш-ОрдинскоЯ области.

Апробация работи. Основные положения диссертационной работы доложены и получили положительную оценку: на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Нзыл-Ординского института инженеров агропромышленного производства; I Всесоюзного совещания гидроэкологов: "Экология и гидравлика будущего" /г.Москва, 1990 г./; I Научно-производственной конференции "Актуальные вопросы проектирования, строительства и эксплуатации гидромелиоративных систем" /г.Джамбул, 1991 г./.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Основное содержание диссертации изложено на 13 {> страницах и включает 12 таблиц,' 20 рисунка и список литературы из 142 наименований. Приложение включает: результаты лабораторных опытов, данные натурных ис-

следований р.Сырдарья в маловодные года, примеры расчета и акт внедрения результатов работ. ,

. ' / СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении данной работы отмечается актуальность работы, дается краткая характеристика изученности вопроса, излагается цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность результатов работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе излагаются основные характеристики рек и каналов в условиях водозабора в маловодный период. Дано современное состояние существующих рыбозащитных соорукений оросительных систем Юга Казахстана.

Анализ состояния существующих водозаборных сооружений свидетельствует, что к основной проблеме относится борьба с надо-, сами в водозаборе без учета сохранения ихтиофауны водоемов.

Использование береговых дамб из фильтрующих материалов обеспечивает устранение недостатков, свойственных традиционным сооружениям, при этом не нарушается естественный реяим реки и .канала, практически не поступают наносы, реализуется функция и . первичная очистка воды.

Анализ гидравлических характеристик низовьев рек в условиях малрводья позволяет решать задачи рационального, размещения водозаборных соорукений на устойчивых /вогнутые берега излучины/ и неустойчивых /с использованием регулировочных сооружений/ участках рек с условием стабильности течений, максимально возможных глубин, расхода води и нанбсного ренима реки или канала.

Исходя из анализа литературных источников, сформулированы цели и задачи исследования. . • .

Во второй главе в целях разработки методики расчета гебметрических параметров устойчивых русел в зоне водоотвода были проанализированы существующие методы гидравлического расчета каналов, исследованию которых посвящены работы С.Х.Абальянца, В.С. Алтунина, Н.В.Г£>ишанина, Ю.А.Ибад-эаде, М.А.Михалева, А.М.Мухамедова, Е.К.Рабковой и др.

Приведены натурные материалы устойчивых участков русел в условиях маловодья /1987-1990 гг./. Русловые переформирования в верхнем бьефе низконапорного гидроузла связаны с восстановлением нарушенных строительством плотины условий для транспорта наносов, которые определяются водностью года, сменой периодов паводка и межени.

Меженный период /маловодья/ характерен наибольшей величиной и длиной кривой подпора, малыми скоростями, способствующими осветлению потока и заилению бьефа без существенных изменений русла в плановом отношении. Происходит восстановление нарушенного уклона путем повышения дна русла.

Для гидравлического расчета устойчивых сечений каналов и русел рек важны гидроморфометрические характеристики, которые могут быть использованы также для улучшения условий эксплуатации существующих каналов.

В работе для получения э?их характеристик использована теория подобия, согласно которой показатель подвижности донных отложений в модели и натуре пишется в следующем виде:

V2 V2 ■

*Н . = -- , (1)

где ик=/ёНТ - динамическая скорость потока /индекс н - натура, м - модель/; Ур, у - удельные веса грунта и вода; а - средний диаметр донных отлохений.

Заменяя 1К = ьи/1н и 1М » ьм/1м и введя обозначение .2

К = -2- , получим:

-£-— . ¿а

у

в0 < 5 К-,

V- ■ . <2>

Уравнение /2/ является критерием В.Г.Глушнова. Знал, что и решая уравнение относительно, и В, получим:

3/7?г.

Ьср К! ' в/ I '

В = к2 . ' (Ч)

Полученные значения и В позволяют проектировать русла в зоне строительства водозаборных сооружений более устойчивыми. По данным обработки натурных измерений реки Сырдарья установлено, что при 1= 0,000125 и числе рр = 0,3-0,20 критерии А.Г.Глуыкова имеют постоянное значение 2,3 со среднеквадратичным отклонением 8,5%, а значения коэффициентов К] = 0,52, К2 = 1,28.

В третьей гл^ве приведено описание экспериментальной установки, методика исследования, результаты экспериментальных данных и-выводы, , '

При исследовании гидравлических явлений условия гидродинамического подобия модели и натуры требуют равенства на модели и в натуре отнесения всех сил, под действием который протекает явление.

Для определения масштабных множителей рассмотрено дифферен- • циальное уравнение, описывающее изучаемое явление. Исходя из положения, что подобные явления описываются идентичными уравнениями, отличающимися только масштабными множителями, получены для расхода х = х? • х„, для скорости фильтрации х„ = х„ и

ч и К УК

для времени х{. = хе . хЦ1, где хе - маситаб модели, х^,- масштаб коэффициента фильтрации. Полученные зависимости проверялись "а

трех различных моделях, которые■ отличались геометрическим масштабами 1:2, 1:3 /по отношению к первой модели/.

Опыты•проводились на модели фильтрующего сооружения, установленного у боковой стенки гидравлического лотка в виде бокового водозабора. Гидравлический лоток прямоугольного поперечного сечения 0,65 х 0,4 м^ и длиной 10 м установлен на опорах с механическим регулятором уклона.

Боковое фильтрующее сооружение расположено в середине лотка для исключения обратных потоков при подаче воды в нижнем бьефе.

Модель совмещенного-водослива практического профиля была выполнена из фильтрующих материалов высотой Р = 0,30 м. Внесший каркас выполнялся из жестких металлических прутиков в виде сеток с размерами, соответствующими среднему диаметру фильтрующего, материала.

При проведении опытов изменялись следующие параметры сооружения: ширина ь = 40, 60, 85 см; длина по основанию 30, 40, 60 см, средний диаметр частиц, слагающих сооружение а = I, 2, 3, 4 см с пористостью п = 0,35; 0,40; 0,45. Глубина воды в лотке изменялась в пределах 10-25 см и поддерживалась на требуемом уровне при помощи шандор, установленных в конце лотка.

- в -

В результате измерения напоров и расходов, наблюдаемых на моделях при опытах, получили коэффициент расхода m путем подсчетов из формулы водослива, зависимость m г f(н) и m = f'(H/P), изображенные на рис. Д.

•Некоторые результаты лабораторных исследований приведены на рис. 2-5. Кроме того был исследован предел расхода воды отводимого из основного потока, т.е. устанавливался предельный коэффициент водозабора в зависимости от основных параметров водослива " /см. рис. 3, 4, 5/.

По резульгатам лабораторных исследований были сделаны следующие выводы:

1. Основными факторами, влияющими на коэффициент расхода совмещенного водослива фильтрующей плотины являются: скорость воды в основном русле /см. рис. 3, 4/, напор вода перед водосливом, размер частиц фильтрующего материала, ширина водослива и . форма его входного оголовка, а также определенное влияние оказывает отношение Н/Р /см. рис. I/. ■

2. Значение коэффициента расхода колеблется от 0,37 до 0,41 в зависимости от Н и Р/Н,

В четвертой главе приведен вывод расчетных формул для определения основных параметров фильтрующих сооружений.'

Движение потока в фильтрующих ламбах может быть напорным и безнапорным. При напорном движении фильтрационного потока наб- ■ •додается его равномерный режим. Скорость и расход при этом оп-' ределяются по фор»/улам:

v = кт ЛГ и q = кт • "ш s~3~

(5) .

(6)

- я -

где кт - коэффициент турбулентной фильтрации; и - рабочая площадь фильтрующей дамбы. При заданном расходе фильтрации длину фильтрующей дамбы можно определить по формуле:

С--^ _ , Л (7)

„ ь ,Я:Ь - ьн т • V —з—

где Ьф - толщина слоя каменной наброски;

ьь»ьн ~ соответственно глубины потока перед и за фильтрующей дамбой;

з - ширина фильтрующей дамбы по основанию. При безнапорной фильтрации движение происходит в неравномерном режиме. С ,■ этом случае получены зависимости для длины фильтрующей дамбы . -

• ! «) т "

фильтрационного расхода

Л М - Ьн

кт. е /-V-

ч = кф . е / —" С9)

Уравнение для построения кривой депрессии имеет вид:

Задавшись различными значениями ь в пределах ьь до ьн, находим расстояние между заданными сечениями.

Кроме того в данной главе рассмотрены компоновочные решения очистных рыбозащитных сооружений и внерусловых водохранилищ. Компоновка сооружений мелийративного назначения показана на рис. 6.

Очистные водозаборные сооружения включают участок русла реки или отводного канала с фильтрующими' дамбами на выпуклом • (I) или вогнутом берегах (2) с фрагментом железобетонной реиетча-той конструкции (3) с крупным заполнителем (4) из местных материалов.

Фильтрующие' дамбы представляют собой часть берега русла реки. Их выполняют из каменной наброски и передняя грань доллна быть близка к форме берегового откоса реки или канала. Напорные фильтрующие насыпи дела,ют так, чтобы уровень вода в верхнем бьефе был выше отметки верха фильтрующего слоя. Движение фильтрационного потока обычно бывает равномерным,- так как размеры, сечения каменной наброски принимают постоянным.

В каменной на.броске безнапорной фильтрующей дамбы у потока имеется свободная поверхность и движение является неравномерным /рис. 7/.

В ряде случаев высоту каменной наброски безнапорных фильтрующих дамб делают переменной.

Форма верхней части наброски зависит от очертания кривой депрессии. Расстояние от верха каменной наброски до кривой депрессии по вертикали принимается не менее /0,15...0,2/ ьь>

Заложение верхнего откоса п1 устанавливается из. условия максимума фильтрационного расхода. Низовой откос т2 назначается из условия устойчивости. ' .

Разработанная конструкция очистных водозаборных сооружений позволяет повысить качество воды, забираемой из реки, исключается поступление наносов, плавающего мусора,.в зимний период отпадает вопрос борьбы с шугой, решается проблема рыбозшциты, уменьшается до минимума русловая деформация в зоне водозабора.

Предлагаемая конструкция при своей высокой Надежности в (эксплуатации ' проста при строительстве и является экологически чистой, так как не нарушает, а наоборот, поддерживает естественное состояние речного бассейна. Ожидаемый экономический эффект от внедрения одного сооружения составит 30-40 тыс.руб.

Компоновка водозабора для очистки колленторно-дренажных вод показана на рис. 8.

Вода из коллектора (I) при помощи насосной станции (2) подается в водоем (5), на подводящем русле устанавливается очистное сооружение /узел А/ с сорбентом. Сооружение выполняется в виде фильтрующих дамб из каменной наброски или из местных материалов /галька, щебень и т.д./. Движение воды в порах каменной наброски обычно турбулентное. Диаметр камней подбирается из условия, чтобы скорость фильтрации была не ниге 1,0 м/ч.

Задавшись скоростью фильтрации больше I м/ч и зная гидравлический уклон, можно найти коэффициент турбулентной фильтрации. Диаметр, камней устанавливается шз шкалы коэффициентов фильтрации, разработанной М.Ф.Скрнбным с учетом исследований С.В.Избаша.,

В осевой части фильтрационных дамб устанавливаются сорбенты толщиной 30 см /см. рис. 8/, очищенная вода собирается в водоеме (1)). В начальном участке водоема глубина воды долкна быть не более 1,5 м для прорастания тростника и камина, при помощи которых вода дополнительно очищается от вредных примесей.

В Средней части должны быть созданы условия для прорастания водорослей. В водоеме дополнительно можно выращивать рыбу, она будет питаться камышом и водорослями. С другой стороны камыши и рыба являются.критерием чистоты воды нв водоеме. Далее вода по оросительному каналу подается на поливные участки.

Тан как основным элементом'рассмотренных водозаборов является внеруеловое водохранилище, в данной главе дано обоснование объема внеру елового водохранилища комплексного назначения. Пара-' метры комплексного гидроузла устанавливаются на основе сопоставления режима водного источника с режимом водопотребления водохозяйственного комплекса за многолетний период. При этом исходим из условия, что йзвестны параметры каждого участника водохозяй-' .ственного комплекса.

Пятая глава посвящена методике расчета боковых фильтрующих совмещенных водозаборных сооружений. Предлагаются методики расчета водозаборов на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации, основанные на закономерностях, полученных в . предыдущих главах. 1

Обычно при расчете бокового водозабора заданными считаются следующие величины: параметры водотока /ширина, напор воды'в нем, скорости воды водотока/ и параметры сооружений /ширина, длина, диаметр частиц, пористость/. В этом случае приведена методика определения величины фильтрационного расхода.

Часто на этапе проектирования известно количество воды, которое необходимо забрать из водоисточника. В этом случае возникает задача определения размеров плотины или выбора нужного диаметра-материала сооружения, обеспечивающих заданный расход. Рассмотрены метода расчета к Екде^ош« <у«*д,тощие группы задач:

I группа. Известны; глубина воды в водотоке ( ). длина эоружэния ( 1 )', ширина плотины ( 5 ), эквивалентный диаметр ютиц ( <£ ) я соответствующая ему пористость ( д ) и вид

эихения (напорное или безнапорное).

/

Необходимо определить: фильтрующий расход ( ) и по-

зяение дапресоионной кривой.

II груша. Известно: , , £ ,5 . с! и я

Необходимо определить: Орт . и скорость фильтрации

положение депрессионной ктавой.

III группа. Известны; Ь6 , ¿¡„ . £ . Оф„л • Необходимо найти: с/,е .

Задачи I и II груш называются прямыми задачами расчета иьтруюцих сооружений, а задача III гоугаи - обратными.

ОСНОВНЫЕ вывода

1. Большинство водозаборных сооружений Юга Казахстана /90%/ представляют собой самотечные открытые каналы, где вопро- • сы рибоэациты не рассматривались.

2. Предложенные сооружения из сильнофильтрующих материалов не разрушают естественный режим реки или канала, защищают от наносо*., плавающего мусора и шуги, каналы осуществляют рыбоэа-щитные функции; выступая в роли фильтров, производят первичную очистку воды.

3. На основе теории подобия получены зависимости (3) и (4) для определения средней глубины и иирины устойчивых русел, которые позволяют проектировать русла в зоне строительства водозаборных сооружений более устойчивыми.

4. Основными параметрами, влияющими на величину фильтрацион-' ного расхода в случае отбора воды через боковое фильтрующее сооружение, являются напор и скорость воды в водотоке, диаметр фильтрующего материала, из которого сложена плотина, пористость последней и ширина плотины.

5. Для напорного режима движения через тело фильтрующих дамб получены зависимости (5), (6) и (7), а для безнапорного движения (8), (9) и (10).

6. Разработаны различные схемы /см. рис. 7, 8 и 9/ компоновки совмещенных сооружений мелиоративного и комплексного назначения и обоснован объем внеруслового водохранилища.

7. Предложены методики расчета боковых совмещенных фильтрующих водозаборов на стадии их проектирования,строительства,и эксплуатации. Полученные зависимости могут быть использованы: при опоеделении величины фильтрационного расхода, подборе диаметра

фильтрующего материала, установлении положения делрессионной кривой, основных параметров сооружения при заранее заданных значениях расхода фильтрации или коэффициента водозабора.

8. Предложенная конструкция водозабора внедрена при составлении проекта реконструкции головного сооружения Ианадаринсного магистрального канала, при этом ожидаемый экономический эффект составляет 64326 руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кыстоубаев К.Ж. Водозаборное очистное сооружение. М., 1992. -3 с. - Деп. в ВИНИТИ № 124 ВС-92.

2. Карлиханов Т.К., Кыстаубаев H.H. Новые конструкции экологически чистых водозаборных очистных сооружений на фильтрующем основании. М., 1992, - 7 с. ил. - Деп. в ВИНИТИ № I22-BC-92.

3. Карлиханов Т.К., Кыстаубаев K.JK. Расчет водозаборных сооружений с фильтрующим основанием. М., 1992. - 8 е., ил. -

Деп. В ВИНИТИ № 123 ВС-92.

4. Карлиханов Т.К., Кыстаубаев К.Я. Моделирование движения потока через фильтрующие дамбы. М., 1992. -4с., ил.-Деп. в ВИНИТИ № 125 ВС-92.

5. Карлиханов Т.К., Кыстаубаев К.Ж. Комплекс сооружения для очистки ноллекторно-дренажных вод /ВДВ/. М., 1992. - 4 е., ил. Деп.' в ВИНИТИ № 126 ВС-92.

5. Карлиханов Т.К., Кыстаубаев К.Ж. Боковые фильтрующие водозаборные сооружения и их гидравлический расчет // Гидротехническое строительство. - М., 1992. - ¡Р .• - С.

Н,*/ 14С 120 ¡СС 80 £0 40 го о м н р т V! ел 0Д5 ом 0.15 0,10

г о,оа

<У

0.37 0,38 0.33 0,40 о,и о 0,45 '

Рис. I. Зависимость коэффициента расхода водослива

Рас. 2. График связи расхода отвода от относительной шшнн.

N1

»

3.06 о,12 0,16 0,20 0,54 0,26 0,51 0,36

Ь

Рис. 5. График зависимости величины отводимого расхода рт глубины в канале Н при различных ширинах отвода. Н- глубина в основном канале пониженная; В - шигана основного канала.

£й

163

№

я) | «

5 С5

м

о

{е

: 20

\ —

-Н —

V

Л

\

Ч

%

__с \

\

-Г- ■Я "»/с 1

-

1 N \

1 * 15 Л-' с

1 о 10 20 30 40 50 см

Ширина отвода Рм. 4. ЗавзсЕлость удельного расхода воды в отводе от пшршы его для разяще расходов канала. ■

№

в>

<3

о о

I!

Я I &

23!

а

£.

V}

Рис. 5. Зависимость удельного расхода водослива ^ , от длину ребра.

Разрез I - Г

щ ш 4 ,

ш ш ш

-

Рис. 6. Участок русла реки с фильтрующими дамбами на выпуклом (I) а вогнутом берегах (2) с фрагментом железобетонной решетчатой конструкции (3) о крупным заполнителем (4) из местных материалов.

Рис. 7. Схемы фильтрующих оснований.

Рис. 8. Комплекс очистного сооруяения для очлстки коллекторко-дренажинх вод