Водозаборные сооружения

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Брестский государственный технический университет»

Кафедра водоснабжения водоотведения и теплоснабжения

 

 

 

Допущен к защите:

_____________2011г

____________Б.Н.Житенёв

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту на тему:

«Водозаборные сооружения»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила

студентка гр.В-90               Е.И. Хвощевская

Проверил                 Б.Н. Житенёв

 

 

 

 

 

 

 

 

Брест 2011

 

Содержание

 

 

Реферат

Водозаборные сооружения. Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Водозаборные сооружения»: 70 04 03 / БГТУ; Хвощевская Е.И.;В-90; кафедра ВВиТ – Брест, 2011. –45с.: 2 таблицы,  иллюстраций, 5 источников, 2 листа графической части.

Ключевые слова: водозабор, скважина, потери напора, подача, дебит, насос, фильтр, зоны санитарной охраны.

Цель работы: выполнить расчет двух типов водозаборных сооружений: из поверхностного и подземного источников.

Содержит результаты расчета конструктивных элементов водозаборов, определения их расходов, выбора насосов, фильтра для водозаборной скважины.

 

Введение

Водозаборные сооружения – это комплекс инженерных гидротехнических сооружений, предназначенных для забора расчетного расхода воды из водоисточника, защиты системы водоснабжения от попадания в нее сора, наносов, льда, водорослей, рыб, а также для предварительной очистки воды.

К водозаборным сооружениям предъявляются следующие основные требования: прием воды наилучшего качества и в заданном количестве; предварительная очистка ее от мусора, плавающих предметов; экономичность, выражающаяся минимум затрат на строительство и эксплуатацию, надежность и бесперебойность работы.

В соответствии с двумя категориями природных источников воды водозаборные сооружения делятся на две основные группы:

сооружения для подъема воды из поверхностных источников

сооружения для забора воды из подземного источника.

В практике водоснабжения наиболее часто используемыми поверхностными источниками являются реки. На выбор типа речных водоприемников влияют: амплитуда колебаний уровня воды, ледовые условия, топография берега и дна в месте забора, грунтовые условия и др. Разнообразие местных природных условий в сочетании с различным количеством забираемой воды обуславливает весьма большое разнообразие типов и конструкций поверхностных водозаборных сооружений.

Подземные водозаборные сооружения бывают следующих типов: трубчатые буровые колодцы (скважины); шахтные колодцы; горизонтальные водосборы; лучевые водосборы; сооружения для каптажа родниковых вод.

Подземные воды залегают на различных глубинах и в различных породах. Обладая высокими санитарными качествами, эти воды особенно ценны для хозяйственно-питьевого водоснабжения населенных мест.

Снижение продолжительности жизни населения, рост заболеваемости непрерывно связаны с качеством потребляемой воды. По утверждению ученых, до 50 % болезней вызываются низким качеством питьевой воды.

Для повышения эффективности систем питьевого водоснабжения необходимо комплексное решение задач организационного, технического, экономического и правового характера в целостной системе «водоисточник-водозабор – водоподготовка – подача и распределение воды» с учетом ее рационального использования и защиты от загрязнения и истощения водоисточников.

В решении общих проблем питьевого водоснабжения важную роль играют задачи оптимального проектирования, строительства и эксплуатации систем питьевого водоснабжения из подземных источников и их элементов.

 

В данной курсовой работе рассматриваются вопросы проектирования поверхностного и подземного водозаборных сооружений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Исходные данные

 

1. Исходные данные для проектирования водозабора из

поверхностного источника

 

Производительность водозабора    Qmax сут = 8698 м3/сут;

Отметка берега реки      267,00 м;

Данные о реке:

Минимальный расход реки    21,54 м3/с;

Уровень низкой воды (межень) (УНВ)  264,09 м;

Уровень высокой воды (паводок) (УВВ)  265,67 м;

Расчетная толщина льда    0,54 м;

Диаметр промывных частиц песка   d = 0,1 мм;

Диаметр отложений     d=0,8 мм;

Гидравлическая крупность всвеси   0,0006 мм/с;

Мутность       142 мг/л;

Скорость воды при УНВ    0,65 м/с;

Скорость воды при УВВ    1,12 м/с.

 

В соответствии с данными на проектирование принимается следующий состав сооружений: водозаборное сооружение, насосная станция I подъема, водоводы I подъема. Так как у реки крутые высокие берега, достаточно большая глубина у берега, проектируется водозабор берегового типа совмещенного типа.

 

2. Исходные данные для проектирования подземного

 водозаборного сооружения

 

Производительность водозабора    Qmax сут = 15965 м3/сут

Исходные данные приведены в табл. 1.1:

Таблица 1.1. Геологический разрез

№ пласта	Наименование пород	Мощность пласта, м
1	Растительный слой	0,8
2	Суглинок	24,8
3	Песок мелкий(1 водоносный горизонт)	14,3
4	Глины песчаные	25,4
5	Песок средней крупности(2 водоносный горизонт)	35,3
6	Глина жирная средней плотности	50,0
7	Песок средней крупности (3 водоносный горизонт)	22,3
8	Глина плотная	17,7

 

Дополнительные общие сведения:

1. Время работы водоподъемника в течении суток – 24 часа;

2. Абсолютная отметка устья скважины – 268,67 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Проектирование  речного водозаборного сооружения

 

2.1 Выбор места расположения  и типа речного водозаборного сооружения

Для правильного выбора источника водоснабжения, проектирования и строительства водозаборов необходимо проведение топографических, гидрогеологических и геологических изысканий.

При выборе места расположения водозабора необходимо учитывать:

• водозабор, предназначенный для подачи воды на хозяйственно-питьевые нужды, следует располагать по течению реки выше места сброса сточных вод, т.е. выше населенного пункта или промышленного предприятия;
• водозабор не следует располагать у устьев притоков и у выхода к реке балок и оврагов;
• не следует располагать водозаборы на участках с тяжелыми геологическими условиями, неблагоприятно влияющими на устойчивость русла и сооружений, вызывающими необходимость увеличения глубины заложения фундаментов, усложняющими ведение работ;
• водозабор следует располагать на участках с благоприятными топографическими условиями, обеспечивающими незатопляемость коренного берега и достаточную глубину воды вблизи него, необходимую для размещения водоприемных отверстий;
• при всех прочих одинаковых условиях из экономических соображений место водоприема должно быть ближайшим к объекту водоснабжения.

Компоновка и размещение элементов водозаборного сооружения и конструкция водоприемных устройств в каждом конкретном случае должны иметь свои специфические особенности, обусловленные местными условиями избранного участка водоема.

Выбор типа водозабора зависит от: расчетного расхода воды, гидрологической и топографической, санитарной характеристик водоисточника, требуемой категории надежности подачи воды, назначения водозабора, местных условий строительства и эксплуатации сооружений, возможного расширения водозабора на перспективу и других факторов.

2.2 Разработка конструкции  водозаборного сооружения

Устраиваем береговой тип водозабора, т.к. река имеет крутые берега (см. лист 1 – профиль реки).

В состав берегового водозабора входят:

• решетки, защищающие приемные отверстия от попадания в них сора и плавающих тел;
• рыбозаградительные сетки;
• подъемные, транспортные и промывные устройства для подъема и промывания сеток;
• насосы или эжекторы для очистки береговых колодцев от наносов;
• подъемные и транспортные приспособления и устройства для монтажа и демонтажа оборудования и коммуникаций;
• электрооборудование;
• затворы для управления коммуникациями и оборудованием водозабора.

 

2.3 Гидравлический расчет  сооружений водозабора

2.3.1 Расчет входных отверстий

Входные отверстия воронок располагают перпендикулярно течению реки и перекрывают сороудерживающими решетками для предварительной грубой очистки воды от относительно крупного сора.

Площадь входных отверстий водоприемников определяют, исходя из скорости входа воды с учетом стеснения сороудерживающими решетками, по формуле:

,м                                              (2.1)

где 1,25 – коэффициент, учитывающий засорение отверстий;

qрасч – расчетный расход одной секции, одного трубопровода, м3/с.

, м3/ч                                          (2.2)

 

где а– коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды водопровода, принимаем а=1.09...1.1;

Qmax сут – максимальный суточный расход, м3/сут;

Т1 – продолжительность работы насосной станции первого подъема при круглосуточной работе, Т1=24 ч;

n – число секций, трубопроводов;

Vвх –скорость входа воды в водоприемные отверстия, рекомендуется Vвх=0,1...0,3 м/с;

К – коэффициент, учитывающий стеснение отверстий стержнями решетки.

,                                                   (2.3)

где а – расстояние между стернями в свету, мм (а=30…50 мм);

c – толщина стержней, мм (с=6…12 мм).

Проведем вычисления:

 м3/с

м2

По полученной площади Fбр (по приложению 1, табл. 1, [1]) принимаем стандартную решетку, представляющую собой металлическую раму (из уголков и швеллеров) с металлическими вертикальными стержнями.

Принимаем размер водоприемного окна 600 800.

Принимаем решетку (площадь которой должна быть не менее полученной расчетом) с размерами окна 700 900 мм и Fбртабл=0,48 м. Масса решетки – 33 кг.

2.3.2 Проектирование сороудерживающих сеток

Между приемным и всасывающим отделениями берегового колодца устанавливают плоскую съемную сетку, размеры которой определяют по скорости Vc прохода воды через ячейки в свету (принимают не более 0.4 м/с при отсутствии внешних рыбозаградителей):

, м                                                 (2.4)

Зная расход, скорость определяют коэффициент, учитывающий стеснение входа стержнями сеток:

,                                                      (2.5)

где а – расстояние между проволоками сетки, (2…5 мм);

с – диаметр проволоки (1...1,5 мм);

Вычисляем Fбр и принимаем стандартную сетку (приложение 1, табл. 2 [1]), скорость входа Vвх проверяем с новой площадью подобранной сетки, она должна быть не более 0,4 м/с.

.

м2

Принимаем отверстие для установки сетки размером 800 800 мм и F=6,4 м2, тогда скорость входа

,м/с                                     (2.6)

Значит, сетка выбрана правильно.

2.3.3 Определение уровней воды в береговом колодце

Отметка земли берегового водозабора:

 м   (2.7)

Отметка воды в смесители:

   (2.8)

Отметки уровней воды в водоприемном отделении, м:

   (2.9)

   (2.10)

Отметки уровней воды во всасывающем отделении принимают ниже, чем в приемном, на 0,1 м:

м;    (2.11)

м;    (2.12)

Верх сетки между приемным и всасывающим отделениями должен находиться на 0,1 м ниже низшего уровня воды во всасывающем отделении:

м   (2.13)

Нижнее основание будет ниже на высоту сетки Pc (М) на отметке:

, м   (2.14)

Отметка дна колодца принимается на 1 м ниже, чем отметка нижнего основания сетки

м   (2.15)

При вычислении отметок отдельных конструкций и оборудования, приведенные цифровые значения могут быть изменены в зависимости от конкретных условий размещения оборудования, при этом необходимо учитывать, чтобы высота приемной секции от выхода самотечных труб ( ) до дна колодца ( ) была не менее 1 м (из условия накопления выпадающих в осадок взвешенных частиц, захваченных из реки водоприемником). По условиям монтажа оборудования допускается округление отметок.

Для удаления песка и ила приемное отделение берегового колодца периодически промывается при помощи эжекторной установки, работающей от напорной линии насосной станции первого подъема.

 

2.4 Расчет насосной станции  первого подъема

Насосную станцию размещаем в 50 м от берегового колодца, в ней предусматриваются рабочие и резервные насосы, которые подают воду на очистные сооружения.

Подача насосной станции (м3/с) равна расчетному расходу водозабора qрас.водоз.

      (2.16)

где T1 – время работы насосной станции первого подъема (24 ч)

 м3/сут.

Подача одного насоса равна:

=0,037 м3/с    (2.17)

Напор насосов насосной станции равен:

     (2.18)

где Hг – геодезическая высота, м;

- суммарные потери напора  при движении воды от берегового  колодца до очистных сооружений, м

Hг=Zcм-Zmin вс      (2.19)

где Zсм – отметка воды в смесителе;

Zсм= Zос +(4..4,5)=267+4=271,0 м;   (2.20)

Zmin вс – минимальная отметка воды во всасывающем отделении берегового колодца, Zmin вс=Z2'

Hг=271,0 – 264,22=6,78 м.

hб.к-о.с,м       (2.21)

где hб.к-о.с – потери напора при движении воды от берегового колодца до очистных сооружений,

hб.к-о.с=1,1AKlв(qрасч.водоз)2 м;    (2.22)

Для определения суммарных потерь, необходимо знать диаметр водовода, идущего к станции водоподготовки. Принимается две нитки водовода и скорость Vв=1 м/с (рекомендуется 0,7…1 м/с):

Диаметр одной нитки водовода равен:

= мм   (2.23)

Принимается стандартный dв= 0,3 м, при этом диаметре фактическая скорость в водоводе Vв=1 м/с, что находится в рекомендуемых пределах.

Потери напора по длине:

hб.к-о.с =1,1·0,6187·1·100·0,0372∙2000=1,863 м.

Напор насосов по формуле (2.27):

Hн=6,78+1,863=8,64 м.

По напору и расходу по [4] принимаем 3 насоса марки CP 3127 LT FLUGT с мощностью N= 5,9 кВт, подача 133,3 м3/ч, напор 9 м.

2.5 Определение размеров берегового колодца в плане

Площадка для строительства берегового водоприемника (колодца) должна быть выбрана выше на 0,5…1,0 м отметки УВВ расчетной.

Водозаборное соооружение предстовляет собой прямоугольное в плане железобетонный колодец в который встроен водоприемник, обеспечивающий забор воды из реки с двух уровней. Береговой колодец состоит из наземной и подземной частей. Подземная часть колодца обычно прямоугольная в плане, имеет три приемные и три всасывающие секции. В приемном отделении водозабора устанавливается не менее двух секций с целью обеспечения бесперебойности его работы. Высота окна и сетки подбирается по данным расчетов. Размеры колодца в плане назначаются из условия размещения оборудования в приемных и всасывающих секциях (отделениях) и конструктивно принимаются 3; 3,5; 4,0; 4,5 м и т.д.

Число секций должно быть не менее двух для насосных станций I и II категории. При установке крупных насосных агрегатов число секций и труб принимается равным числу насосов. Компоновка труб в плане диктует размеры секций всасывающего отделения. При этом приемное отделение рекомендуется принимать несколько больших размеров в плане, чем всасывающее.

Для удобства эксплуатации над водоприемником устраивается павильон из кирпича или сборных железобетонных элементов. В береговых водоприемниках предусматривается следующее оборудование: съемные сороудерживающие решетки и вращающие сетки.

2.6 Мероприятия по санитарной охране водозабора из поверхностного источника водоснабжения

Водозабор должен иметь зону санитарной охраны, а проект ее и санитарные мероприятия, проводимые в зоне, должны быть согласованы с органами санитарно-эпидемиологической службы.

В первом поясе – зоне строгого режима – размещают все водозаборные сооружения. Здесь запрещаются все виды строительства, проживание людей, купание, выпас скота, рыбная ловля и другие виды занятий. Границы первого пояса устанавливают в зависимости от местных санитарно-топографических и гидрогеологических условий, но не менее:

• 200 м от водозабора вверх по течению;
• 100 м вниз по течению;
• 100 м от уреза воды при наивысшем уровне по прилегающему к водозабору берегу;
• вся акватория водоема и 50 м на противоположном берегу при ширине реки до 100 м;
• 100 м акватории при ширине реки больше 100 м.

Границы второго пояса – пояса ограничений – устанавливают с учетом возможного загрязнения водоема стойкими химическими веществами и другими видами загрязнений. Границы второго пояса должны обеспечивать качество воды в источнике согласно ГОСТ 2761-74 «Качество воды в источнике водоснабжения». Такие границы устанавливают: вверх по течению, исходя из пробега воды от границ пояса до водозабора при расходе 95%-ной обеспеченности в течение 3…5 суток, но не менее одного километра в проточном водоеме и один километр в обе стороны в непроточном водоеме; вниз по течению не менее 250 м; боковые границы по водоразделу.

В границах прибрежной полосы водоема на расстоянии не менее 300 м от уреза воды запрещается применение ядохимикатов, органических и минеральных удобрений, авиахимическая обработка, животноводческие фермы располагают не ближе, чем на 500 м от уреза при наивысшем уровне воды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОДОЗАБОРНОГО СООРУЖЕНИЯ ИЗ ПОДЗЕМНОГО ИСТОЧНИКА

 

3.1 Выбор места расположения  водозабора и размещение сооружений

Выбор места водозабора проводят, исходя из гидрогеологических и геологических условий, природных особенностей конкретного района на основе технико-экономических соображений. Водозаборы для хозяйственно-питьевого водоснабжения размещают в местах, отвечающих санитарным требованиям, вне очагов загрязнения подземных вод (населенных пунктов, предприятий, которые могут сбрасывать вредные и загрязненные стоки, животноводческих ферм, вдали от кладбищ). В месте устройства водозаборов должна быть организована зона санитарной охраны.

Для забора подземных вод устраивают вертикальные, горизонтальные и каптажные водозаборные сооружения. К вертикальным водозаборам относятся: трубчатые (буровые) колодцы: скважины и шахтные колодцы. Скважины устраивают, как правило, при глубоком залегании водоносных пластов (свыше 30 м), а шахтные колодцы - при глубине залегания водоносных пластов до 30 м. Скважины предназначены для приема как напорных, так и безнапорных вод. Характерной особенностью скважин являются относительно малый диаметр и большая длина (значительный размер по глубине). Шахтные колодцы имеют диаметр 1...2 м, глубину 20...30 м.

Если колодец проходит всю толщу водоносного пласта до водоупора, то его называют совершенным (рис. 5), если заканчивается в толще водоносного пласта, не доходя до водоупора – несовершенным (рис. 6). Эти определения относятся как к скважинам, так и к шахтным колодцам.

При глубине залегания подземных вод до 8 м устраивают горизонтальные водозаборы. Если подземные воды выходят на поверхность земли в виде родников (ключей), то для их захвата строят каптажные сооружения.

Участок выбираем согласно требованиям СНиП 2.04.02-84. С учетом санитарных требований, возможности организации зоны санитарной охраны, удобства обслуживания водозабора, присоединения скважин к водопроводной сети, устройства водопроводных сооружений и др. выбираем участок выше населенного пункта, вне зон возможного загрязнения.

Принимаем следующую схему: забор воды группой скважин – поступление воды по сборным водоводам в резервуар чистой воды – подача насосной станцией II подъема по водоводам воды в водонапорную башню – поступление воды в сеть.

3.2 Расчет водозаборов подземных вод

При проектировании водозаборных сооружений для захвата воды из подземных источников основной задачей является определение количества притекающей к водозабору воды, которое может быть получено при их эксплуатации.

В курсовом проекте необходимо выполнить расчет группы скважин. Выполняем расчет в следующей последовательности:

- определяется дебит  одиночной скважины в конкретных  гидрологических условиях;

- определяется количество  скважин с учетом их взаимодействия  для обеспечения потребителей  необходимым количеством воды;

- выбирается тип  фильтра и проводится его расчет;

- определяются требуемые  величины напора и подачи насосного  оборудования, а также глубины  погружения насоса.

Рисунок 3.1. Совершенный колодец:

а – в напорном пласте; б – в безнапорном пласте.

 

 

Рисунок 3.2. Несовершенный колодец:

а – в напорном пласте; б – в безнапорном пласте.

 

3.3 Определение дебита одиночной скважины

Определяем дебит одиночной скважины и ориентировочное количество скважин. Для расчета принимаем третий водоносный горизонт. Таким образом скважина является напорной одиночной совершенной.

- дебит совершенной напорной  одиночной скважины

, м3/сут    (3.1)

где m – мощность водоносного пласта, м;

Кф – коэффициент фильтрации, м/с;

R – радиус депрессионной воронки, м;

r – радиус скважины, м, r = 0,15 м;

S – понижение уровня, м (ориентировочно принимаем S=0,35H);

Н – полный напор в скважине, то есть разность между статическим уровнем воды и подошвой водоносного пласта, м.

Для установившегося движения радиус депрессионной воронки находится по формуле:

     (3.2)

Для неустановившегося движения:

, м     (3.3)

где a – коэффициент пьезопроводности (скорость распространения давления в пласте при откачке), м2/сут;

t – время откачки воды из скважины за период эксплуатации, сут, принимаем нормативное t = 25 лет.

t = 25·365=9125 суток.

     (3.4)

где μ – показатель (коэффициент) упругой водоотдачи напорного водоносного пласта, зависящий от пород и определяемый опытным путем или по эмпирическим формулам (приложение 2, табл.2 [1]).

Кф=25 м/сут, Н=72,3 м, S=0,35·72,3=54,225 м, m=22,3 м,

Рассчитаем радиус влияния по формулам (3.3), (3.4):

Тогда по формуле (3.1):

 м3/сут.

Определим ориентировочное количество скважин по формуле (3.7):

Принимаем 1 рабочую и 1 резервную скважину.

3.4 Подбор и расчет фильтров

Принимаем совершенную напорную скважину.

Определяем фактический дебит одной скважины:

 м3/сут   (3.5)

Определяем наружный диаметр фильтра:

, м    (3.6)

где lр.ч. – длина рабочей части фильтра:

υвх – скорость входа воды из водоносного пласта в фильтр, м/сут, определяется по формуле:

 м/сут   (3.7)

 м.

Принимаем Dнар=300 мм

Определяем водозахватывающую способность скважины Qскв при принятом Dнар:

 м3/сут  (3.8)

Уточняем число рабочих скважин:

Определим фактический дебит одной скважины при известном числе рабочих скважин:

 м3/сут   (3.9)

 

Уточняем наружный диаметр фильтра при Qфакт по формуле (3.6):

 м.

Подбираем фильтр:

Принимается трубчатый фильтр с проволочной обмоткой из нержавеющей стали (толщина проволоки t=1,5 мм) и водоприемной поверхность  из сетки. Марка фильтра: ТП-10 Ф2В, Dнар=299 мм, dвн=255 мм. Скважность – 18%.

 

Понижение уровня для группы скважин зависит от расстояний между ними. Определяем понижение уровня воды для центральной скважины с учетом влияния остальных скважин по формуле:

,м (3.10)

где - фактические расходы, отбираемые из скважин       1, 2, .., n, соответственно, м.

Принимаем, что фактические расходы, отбираемые из скважин равны:

r0 – радиус скважины, равный 0,15 м;

r2-1, …, rn-1 – расстояния от скважины, в которой определяют понижение (скв. №1), до скважин №2 … №n, соответственно, м.

Расстояние между скважинами принято 150 м. Понижение в каждой скважине и максимальное понижение в центральной скважине при n=5 взаимодействующих скважин определяется в соответствии с расчетной схемой.

В данном случае скважина 3 является центральной, и, следовательно, в этой скважине понижение будет максимальным.

Затем аналогично определяются понижение в каждой скважине, с учетом влияния других скважин.