Водозабор поверхностных источников

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

Кафедра  водоснабжения 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовое проектирование по предмету

“Водозаборы поверхностных вод”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                              Выполнила студентка ВиВ-3-1

Сироштан  К.С.

Проверил: Орлов Е.В.

 

 

 

 

 

г. Москва

2013 год.

Данные для проектирования

Курсовой проект выполняется  по индивидуальным заданиям, содержащим данные, необходимые для проектирования.

Общие данные:

1. Источник водоснабжения: река

2. Расчетный расход воды объекта водоснабжения – 1,85

3. Заданная пьезометрическая отметка подачи воды – 38 м

4. Длина напорных водоводов – 400 м

5. Число напорных водоводов – 2

6. Требуемая обеспеченность водоснабжения: 95%

Данные по реке:

1. Расход воды в источнике:

- минимальный – 80 ;

- максимальный – 1600 .

2. Скорости воды в реке:

- минимальная - 0,8 м/с;

- максимальная – 4,0 м/с.

3. Горизонты воды:

а) минимальный летний 8 м;

б) минимальный зимний 7 м;

в) минимальный ледохода 10 м;

г) максимальный ледохода 17 м;

д) максимальный половодья 18 м.

4. Река используется для судоходства

5. Потребитель расположен на левом берегу

6. Толщина льда в реке – 0,8 м

7. Наличие и характер шуго-ледовых условий – умеренный.

8. Максимальная мутность воды:

- половодье – 1,2 кг/

- межень – 0,2 кг/

9. Средний диаметр частиц взвеси – 1,0 мм.

10. Длина рыб, которые в соответствии с нормами не должны попадать в водоприемные сооружения, свыше 20 мм.

 

 

 

 

 

 

 

Объём и состав курсового проекта

 

Курсовой проект состоит  из графической части (2 листа А1) и пояснительной записки (25-30 страниц).

Графическая часть включает:

1. план участка реки в М 1:1000 с нанесенными на него створом водозаборного сооружения, границами первого пояса зоны санитарной охраны (ЗСО) и границами крепления объекта;
2. профиль по створу водозаборного сооружения в М 1:100 (или М 1:200) с нанесенными на него уровнями воды в реке, колонкой грунтов геологического строения берега, контурами конструктивных частей сооружения;
3. продольный профиль сооружения (водоприемника, самотечных или сифонных трубопроводов, берегового колодца, насосной станции первого подъема, камеры переключений водоводов) в М 1:100 (или 1:200);
4. план сооружения на отметке пола насосной станции первого подъема в М 1:100 (или М 1:200);
5. план берегового колодца и насосной станции первого подъема на отметке пола первого этажа в М 1:100 (или М 1:200);
6. поперечное сечение берегового колодца в М 1:100 (или М 1:200);
7. водоприемник (оголовок) в трех проекциях М 1:100.

 

 

1. Обоснование выбора места расположения и типа водоприемных сооружений, их компоновки и конструктивных форм
1. Предпосылки к выбору створа водозаборного сооружения и обоснование проектируемого места расположения водозаборного узла.

Целью данного курсового  проекта является проектирование водозаборного  сооружения на реке, которая подлежит использованию для водоснабжения. Выбор берега, на котором следует  запроектировать водозаборное сооружение, определяется месторасположением потребителя. По заданию потребитель находится  на левом берегу реки. Проектируя наше водозаборное сооружение, помимо гидравлических характеристик реки и плана местности, мы также учитываем экономические показатели. Так же при выборе места расположения водозаборов должны учитываться ледовые условия: водозабор не следует располагать в местах возможного образования ледяных заторов, а также в зонах интенсивного образования внутриводного льда. Воду следует отбирать на глубоких плесовых участках реки (у вогнутого берега) или у берега, расположенного напротив середины острова. Место отбора воды следует проектировать выше по течению от места впадения притока. Водозаборные сооружения следует проектировать выше по течению реки от канализационных выпусков.

 

2. Выбор типа водозаборного сооружения

На крутых берегах целесообразно  проектировать береговые сооружения, а на пологих -русловые. В данном случае имеет место пологий берег, следовательно, целесообразно запроектировать  русловое водозаборное сооружение. В  русло реки выносится оголовок, который  соединяется самотечными линиями  с береговым колодцем, расположенным  на берегу. Сифонные линии проектируются  на водозаборных сооружениях малой производительности, либо на водозаборных сооружениях средней и большой производительности, в створе которых заменяют плывуны или скальные породы. Поскольку мы имеем водозаборные сооружения, рассчитанные на среднюю производительность (Q=1,85 ) и без залегания плывунов и скальных пород в створе, то принимаем, что оголовок с береговым колодцем можно соединить самотечными линиями.

Вывод: необходимо запроектировать  русловое водозаборное сооружение, в  состав которого входят: оголовок, самотечные линии и береговой колодец.

 

3. Выбор компоновки водозаборного узла

Оголовок следует размещать  на отметке дна для обеспечения  бесперебойного отбора воды из источника. На водозаборных сооружениях малой  производительности слой воды над оголовком  должен быть 0,3 м; средней производительности – 0,4 м; большой производительности – не менее 0,5 м, при этом слой воды должен отсчитываться от отметки  нижней кромки льда.

Порог между дном и низом  водоприемных окон оголовка должен быть:

● на водозаборах малой  производительности – 0,5 м;

● на водозаборах средней  производительности – 1 м;

● на водозаборах большой  производительности – не менее 1 м.

В данном проекте порог выбирается равным 1 м. Высота водоприемных окон проектируется для водозаборных сооружений в зависимости от их производительности. В таблице 1.1 «Основных параметров водоприемников» на чертеже даны высоты водозаборных окон и размеры крепления дна у оголовка. Для расчетной производительности Q=1,85 подбираем водоприемник с высотой водоприемного окна h=1,4 м.

h1= Гл∙А, м

Гл – плотность льда, Гл=0,9 кг/;

А – толщина льда в реке, А=0,8 м (по заданию).

h1= 0,9∙0,8=0,72 м

 

●  Отметка нижней кромки льда

Б=Н3-h1, м

Н3- минимальный зимний горизонт, Н3=7,0 м (по заданию).

Вычисляем отметку нижней кромки льда:

Б=7-0,72=6,28 м

●  Расчет отметки дна  в месте расположения оголовка:

НА= Н3-(h1+ h2+ h3+ h4),

h1- толщина льда под уровнем воды, h1=0,72 м;

h2- слой воды над оголовком до нижней кромки льда, h2=0,4 м;

h3- высота водоприемных окон, h3=1,4 м;

h4- высота порога между дном и низом водоприемных окон, h4=1,0 м;

НА= 7-(0,72+ 0,4+ 1,4+ 1,0)=3,48 м

Следовательно, оголовок располагаем  на изобате  НА=3,48 м.

 

●  Расчет отметки земли  у берегового колодца:

 

Определяем отметку земли  у берегового колодца. На водозаборных сооружениях средней производительности береговой колодец должен располагаться на 1 м выше горизонта половодья при р=95% обеспеченности.

НБ=В+Г,

НБ - отметка земли у берегового колодца, м;

В – максимальный горизонт половодья, В = 18 м (по заданию);

Г – превышение, Г = 1 м.

В нашем случае береговой  колодец должен располагаться на отметке:

НБ=18+1=19 м.

4. Выбор конструктивных форм водозаборного узла

Выбор конструкции оголовка зависит от:

1. Хозяйственного назначения;
2. Производительности водозаборного сооружения;
3. Использования реки для молевого лесосплава;
4. Использование реки для лесосплава плотами;
5. Использование реки для судоходства.

На несудоходных реках  проектируются раструбные оголовки. На реках, используемых для молевого лесосплава – ряжевые и деревянные оголовки. На судоходных и лесосплавных плотами реках предусматривают  установку бетонных, железобетонных и массивных стальных оголовков.

На водозаборных сооружениях  малой производительности проектируются  раструбные оголовки; средней производительности – ряжевые, бетонные и железобетонные оголовки; большой производительности – стальные массивные, железобетонные и дощатые оголовки. Кроме того, выбирается решение гидравлической схемы оголовка и его форма в плане.

Гидравлическая схема  обуславливается производительностью, функциональным назначением и условиями  экологического равновесия в водоеме, форма оголовка в плане определяется гидрологическими условиями реки. Оголовки малой производительности проектируются  раструбного типа: с «вихревой  камерой», конфузорного типа; щелевые; галерейные; круглые и др. типы оголовков. Большой производительности: щелевые; галерейные и др. типы.

По функциональному назначению и условиям экологического равновесия в водоеме оголовки бывают с равномерными скоростями отбора воды вдоль водозаборного  фронта и неравномерными скоростями отбора воды. По гидрологическим условиям оголовки проектируются обтекаемой и не обтекаемой формы в плане.

Береговой колодец может  проектироваться совмещенным с  насосной станцией первого подъема  и с расположенной в отдельном  здании насосной станцией. Раздельная схема допустима только на водозаборных сооружениях малой производительности.

В данном проекте целесообразно  запроектировать насосную станцию  с насосами марки ЭЦВ (вертикального  типа).

Итак, в курсовом проекте  разрабатывается водозаборное сооружение средней производительности руслового типа с галерейным оголовком, соединенным самотечной линией с береговым колодцем, совмещенным с насосной станцией первого подъема.

 

 

2. Гидравлические расчеты, определяющие размеры сооружений
1. Гидравлический расчет оголовка

 

 

S - площадь водоприемных окон, ;

1,25 - коэффициент стеснения площади живого сечения водоприемных окон;

, - расчетный расход водоприемного оголовка, ;

K - коэффициент сжатия струи стержнями решетки;

 - скорость входа в водоприемные окна, м/с.

 

a – диаметр стержня решетки, см (для круглого стержня а=1 см);

d – расстояние между стержнями, см (принимается в зависимости от мутности и содержания шуги в речной воде, для данной реки принимаем d= 10 см).

 

Скорость входа воды в  водоприемные окна должна определяться в соответствии с рекомендациями, приведенными в таблице 4.1

 

 

Таблица 4.1

№ п/п	Условия, являющиеся приоритетными при определении  скорости отбора воды из реки	Скорость , м/с
1	Береговые водозаборные сооружения	0,6
2	Русловые водозаборные сооружения на равнинных реках	0,2
3	Водозаборные сооружения, запроектированные с учетом отбора воды из природных слоев стратифицированного  источника	0,2
4	Водозаборные сооружения, расположенные в районах Крайнего Севера, Восточной Сибири и Дальнего Востока	0,05
5	Водозаборные сооружения, расположенные на реках, имеющих  рыбоводное значение.	Не более десятикратной  длины рыб, которая не должна попадать в водоприемник

 

Исходя из вышеперечисленного принимаем скорость, равной 0,2 м/с.

 

Ориентируясь на рекомендации принимаем размеры одного водоприемного  окна     1,4*1,4 м, тогда площадь одного водоприемного окна равна 1,96 .

Количество водоприемных окон N:

 

 

Общее число окон должно быть не меньше расчетного, поэтому  принимаем  7 водоприемных окон.

Теперь определим фактическую  скорость входа воды в водоприемные окна:

 

 

Фактическая скорость входа  воды в водоприемные окна меньше принятой, что увеличивает предпосылки  надежности отбора воды.

 

При нормальной работе оголовка и скорости 0,18 м/с рассчитаем потери напора в решетках:

,

 

 - коэффициент местного сопротивления решетки,

, м/ - ускорение свободного падения.

 

Скорость  при аварии будет  равной:

 

 

 

Потери напора при аварии:

 

 

Потери напора в коллекторе раструбного оголовка должны определяться по формуле для определения скоростного  напора на выходе из оголовка. Поэтому  сначала определяем диаметр самотечной линии:

, где

 - радиус самотечной линии, м;

- расчетный расход, ;

- скорость в самотечной  линии, м/с;

= 3,14.

 

При производительности водозаборных сооружений 1,85 скорость в самотечной линии =1,5 м/с, тогда радиус самотечной линии:

 

 

Диаметр самотечной линии  равен:

=22∙0,443=0,886 м = 900 мм;

 

Определим скорость в самотечной линии при аварии:

 

 

 Определяем потери  напора в коллекторе оголовка  при нормальном режиме работы  водозабора:

 

-скорость в коллекторе, м/с;

-ускорение свободного  падения, 

 

Определяем потери напора в коллекторе оголовка при аварийном режиме:

 

 

- скорость в коллекторе  при аварии, м/с

 

Определяем суммарные  потери в оголовке:

● при нормальном режиме:

 

 

- потери напора в решетках  при нормальном режиме работы,

- потери напора в оголовке  при нормальном режиме работы,

 

● при аварии:

 

 

 

-  потери напора в  решетках при аварийном режиме  работы,

- потери напора в оголовке  при аварийном режиме работы,

2. Гидравлический расчет самотечных линий

Диаметр самотечной линии . По самотечным линиям вода поступает из водоприемника в береговой сеточный колодец или в сеточное отделение насосной станции, совмещенной с береговым колодцем. Самотечные водоводы должны укладываться в плане и вертикальной плоскости без резких поворотов, вызывающих отложение наносов, сора и шуги, затрудняющих промыв и очистку водоводов. Прокладка водоводов с уклоном или без него практически не влияет на характер движения в водоводах наносов (при промывке или заборе воды). Поэтому высотное положение водоводов определяется исходя из необходимости их заглубления в пределах русла, но для защиты от подмыва речным потоком и повреждения якорями судов и плотов на судоходных реках – на 0,8-1,5 м (с учетом возможного размыва и дна углубления).

Достаточно часто самотечные водоводы прокладывают с некоторым  подъемом в сторону береговых  сооружений водозаборного узла. Высотное положение самотечных линий назначают  с таким расчетом, чтобы водоводы располагались не менее, чем на 0,5 м ниже пьезометрической линии.

Определяем потери напора по длине самотечной линии при  нормальном режиме работы:

=1000i∙  ,

где 1000i=2,56 м при расходе 925 л/с – определяем по таблицам Шевелева; = 0,064 м;v=1.45

=2,56∙0,064≈0,16 м

Потери при аварийном  режиме:

=1000i∙ , где 1000i=10,2 м при расходе 1850 л/с – определяем по таблицам Шевелева;v=2.9

=10,2 ∙0,064 ≈0,65 м

Определяем потери напора в самотечной линии на местные  сопротивления при нормальном режиме работы:

 

- суммарные местные сопротивления  в самотечной линии;

∑=1+1+0,19 =2,19 ;

Определяем потери напора на местные сопротивления при  аварийном режиме:

 

 

Определяем потери напора в самотечной линии при нормальном режиме работы:

●  ==0,16+0,235=0,395 м

Определяем суммарные  потери напора в самотечной линии  при аварии:

●  == 0,65+0,94 =1,59 м

 

3. Расчет уровня воды в первом водоприёмно-сеточном отделении берегового колодца

Определяем суммарные  потери напора (Е) по пути движения воды из реки через оголовок и самотечную линию в береговой колодец  при нормальном режиме работы:

Е=+=0,12 + 0,395=0,52 м

Определяем суммарные  потери напора по пути движения воды из реки в случае аварии:

X=+=+1,59 =1,82 м

В первом водоприемном отделении.

Уровни при нормальном режиме работы:

●  ∇зм = Гзм - Е=7 – 0,52= 6,48 м;

●  ∇лм = Глм - Е=8 -0,52 =7,48 м;

●  ∇п = Гп - Е=18 -0,52 =17,48 м.

Гзм – горизонт зимней межени;

Глм – горизонт летней межени;

Гп – горизонт паводка.

Уровни в аварийном  режиме работы сооружений:

●  =7 -1,82 =5,18 м;

●  =8 – 1,82=6,18 м;

●  =18 -1,82 =16,18 м.

Во втором водоприёмно-сеточном отделении.

Потери напора в сетках (вращающихся) сооружений составляют:

●  при нормальной работе =0,16 м;

●  при аварийном режиме работы =0,65 м.

Уровни при нормальном режиме:

●  = 7-0,16 =6,84 м;

●  =8 -0,16 =7,84 м;

●  =18 -0,19 =17,81 м.

Уровни при аварийном  режиме работы:

●  =7 -0,65 =6,35 м;

●  =8 -0,65 =7,35 м;

●  =18 -0,65 =17,35 м.

 

 

4. Расчет сеток

В водозаборных сооружениях  малой производительности проектируются  вращающиеся сетки.

Определяем коэффициент  сетки:

 
а – расстояние между  проволоками, а= 1мм;

d – диаметр проволоки, d= 1мм.

Определяем площадь сеток  :

 

- скорость входа воды  в сетки, м/с

Принимаем стандартные вращающиеся  сетки размером 2х2 м.

Общее число сеток в  сооружении:

, где

 – площадь одной сетки, 4 ;

.

Определяем фактическую  скорость прохождения воды через  сетку:

 

 

= 1∙4 = 4 - фактическая площадь сетки

 

 

В аварийном режиме работы сетки поднимаются, и вода проходит к насосам, минуя сетки. Поэтому  расчет скорости прохождения воды через  сетки в аварийном режиме не требуется.

Определяем потери напора в сетках:

 

 

5. Расчет отметки днища берегового колодца

Над самотечной линией слой воды в береговом колодце должен быть не менее 0,2 м. Порог между дном и лотком трубы должен быть равным 1 м.

Определяем отметку дна  берегового колодца перед сетками:

 

 

- диаметр сифонной линии, м;

С – абсолютный минимум  уровня воды в первом водоприемном сеточном отделении, м;

Т – минимальный слой воды в береговом колодце над  самотечной линией, м;

Y – порог между дном и лотком трубы самотечной линии, м.

 

Определяем отметку днища  за сетками:

 

Ф – уровень воды за сетками  при нормальном режиме работы, Ф=6,31 м;

Т – минимальный слой воды в береговом колодце над  самотечной линией, м;

Х – высота вращающейся  сетки, Х=2 м;

Ц – порог между дном и лотком трубы самотечной линии, м.

 

Из двух отметок выбираем минимальную –3,11 м

Береговой колодец строится на отметке 19 м.

r – высота (в свету) подземной части берегового колодца, м.

 

Ш – отметка пола берегового колодца,

Ш=19,15 м

 

 

6. Расчет геометрической высоты подъема насосов

По заданию пьезометрическая отметка подачи воды – 38 м. Геометрическая высота подъема равна пьезометрической отметке, минус отметка уровня воды в береговом колодце за сетками.

●Рассчитаем геометрическую высоту подъема при нормальном режиме работы при половодье:

 

 18,31- уровень воды при нормальном режиме работы за сетками при паводке,

●Рассчитаем геометрическую высоту подъема при нормальном режиме работы при летней межени:

 

8,34- уровень воды при нормальном режиме работы за сетками при летней межени,

●Рассчитаем геометрическую высоту подъема при нормальном режиме работы при зимней межени:

 

7,34- уровень воды при нормальном режиме работы за сетками при зимней межени,

В аварийном режиме работы геометрические высоты подъема останутся  такими же, т.к. сетки при аварии поднимаются.

7. Подбор насосов для станции первого подъема

 

Производительность одного рабочего насоса рассчитываем по формуле:

 

 – производительность  одного рабочего насоса,

- число рабочих насосов.

Принимаем к установке  на насосной станции два рабочих  насоса.

Напор одного насоса (м) равен:

 

- потери во  всасывающих коммуникациях, ;

= 30,66м – максимальная геометрическая высота подъема воды;

 – потери  в напорных водоводах.

Диаметр напорных водоводов  принимаем равным диаметру самотечных линий,           

∙

 

=2,56 м – при и Q=925 л/с;

-длина напорных трубопроводов.

 

 

По каталогу насосов расчетным  параметрам соответствует насос: Д 5008-32 n=730 об/мин

Проектируем на насосной станции  два рабочих насоса, два резервных  на случай аварии.