§ 2. Водозаборные сооружения

При проектировании водозаборных сооружений следует учитывать в первую очередь режим источников водоснабжения, потребность в воде и местные климатические и гидрогеологические условия.

Водозаборные сооружения могут быть озерные, речные и грунтовые.

Водозабор из озер. Место расположения водозабора выбирается исходя из условий, обеспечивающих его бесперебойную работу [5].

Для хозяйственно-питьевого водоснабжения водоприемники располагаются, как правило, выше населенных мест и других источников загрязнения водоема; водоприемники для производственного водоснабжения сооружаются вблизи потребителя.

Рис. IV-23. Схема водозабора из озера. 1 - оголовок; 2 - самотечная линия; 3 - водоприемник; 4 - насосная станция; 5 - лед; 6 - вечномерзлые грунты

При проектировании водозаборов руководствуются общими положениями [5] с учетом местных условий. Место расположения оголовка 1, самотечных линий 2 и водоприемника 3 определяется исходя из следующих условий (рис. IV-23). Прежде всего водозаборные сооружения целесообразно располагать возможно ближе к берегу. Место расположения оголовка определяется максимальным понижением уровня воды в озере и толщиной льда при максимальном водопотреблении. Верх затопленного головка должен быть на 0,4-0,5 м ниже нижней поверхности льда. Такая схема водозабора целесообразна при расположении всех сооружений на таликах и плотных мерзлых грунтах, допуcкающих строительство без учета мерзлого состояния грунтов. Возможна и иная схема, когда совмещенный водозабор (оголовок и водоприемник) располагается в озере на талых грунтах, а здание насосной станции с проветриваемым подпольем - на берегу. При такой схеме насосы должны обладать большой высотой всасывания. Часто рациональной является схема совмещенного водозабора, располагаемого в озере. В этом случае насосная станция первого подъема совместно с водоприемником и водозабором располагаются на талых грунтах, слагающих дно озера. Для напорных трубопроводов устраивают эстакаду; при этом следует помнить, что нельзя допускать расположение опор эстакады на границе талых и мерзлых грунтов.

Рис. IV-24. Бетонный оголовок с горизонтальными решетками (для средних расходов воды). 1 - железобетонная оболочка оголовка; 2 - патрубки труб для заполнения оголовка бетоном: 3 - решетки; 4 - монтажные муфты; 5 - упоры для верхней оболочки

На рис. IV-24 приведена конструкция бетонного оголовка [8]. В отдельных случаях необходимо проверить надобность искусственного обогрева оголовка и самотечных линий. Линии, идущие от оголовка до водоприемника, как правило, проектируются самотечными. При расположении водоприемника на берегу совместно с насосной станцией первого подъема 4 эти линии обычно проходят в талых и мерзлых грунтах. Оттаивание грунта вокруг труб и водоприемника неизбежно.

Речные водоприемные сооружения могут проектироваться на непромерзающих реках или на реках и ручьях при возведении плотин. Во втором случае водоприемные сооружения приближаются к типу озерных. Место водозабора необходимо выбирать на сложенном из коренных пород незатопляемом берегу, к которому прижимается русло реки с достаточными глубинами. Оценка геологических условий должна производиться с точки зрения технологии строительства сооружений и устойчивости русла.

Следует избегать расположения водозабора ниже островов и устий притоков и оврагов (в непосредственной близости), а также на участках разделения основного русла на рукава.

Выбрав благоприятное для расположения водозаборных сооружений поперечное сечение реки, устанавливают для него уровни (наименьший, средний меженный и наивысший) и горизонты ледостава и ледохода. По этим данным определяют место расположения водоприемника и насосной станции.

Водоприемник как по конструкции, так и по месту расположения выбирают в зависимости от глубины воды в реке с учетом поперечного профиля реки и грунтовых условий. Насосная станция располагается на незатопляемом месте с учетом мерзлотно-грунтовых условий.

Рис. IV-25. Водоприемник для глубоких рек с шарнирными трубами

На реках, не несущих наносов, с глубиной в месте приема воды 5-6 м при уровне низких вод может быть устроен простейший тип водоприемника (рис. IV-25). Следует при этом помнить о необходимости разработки мероприятий против донного льда и шуги.

Крупные реки Крайнего Севера текут, как правило, с юга на север. Для них характерна очень большая амплитуда колебаний горизонта воды, при этом максимальные горизонты обычно совпадают с ледоходом при наличии ледовых заторов. Часто русло реки забивается льдом, толщина которого достигает 5 м и более. При таких условиях водозаборные сооружения, возвышающиеся над дном реки, могут быть при ледоходе разрушены.

Рис. IV-26. Водозабор на реке с большой амплитудой колебаний горизонтов. 1 - водозабор; 2 - колодец на напорно-всасывающей линии; 3 - насосная станция I подъема; 4 - насосная станция II подъема; 5 - лед

Для небольших населенных мест могут сооружаться водозаборы, погруженные в русло реки с большой амплитудой колебаний горизонтов с передвижными насосными станциями (рис. IV-26). Насосная станция первого подъема при повышении уровня воды перемещается к соседнему верхнему колодцу, а при понижении уровня - к ниже расположенному колодцу. Фильтр над колодцем-водоприемником может быть промыт водой из резервуаров, расположенных у насосной станции второго подъема, которая по технологическому оборудованию не, отличается от аналогичных, сооружаемых в умеренно-климатической зоне.

Иногда на станциях устанавливают теплообменники для подогрева воды перед подачей ее в сеть.

На реках малой глубины обычно нельзя устроить водозабор без проведения специальных мероприятий:

• углубления дна реки у водоприемника и обеспечения постоянства этих глубин;
• создания подпора у места водоприемника;
• одновременного повышения уровня воды и углубления дна реки в месте водозабора.

Рис. IV-27. Местное повышение уровня у берегов водоприемника. 1 - водозабор; 2 - полузапруда; 3 - струенаправляющая дамба

К последней группе мероприятий относятся искусственные сооружения, обеспечивающие стеснение потока в месте забора воды и отклоняющие поток к водоприемнику (рис. IV-27). К ним относятся полузапруды (рис. IV-27, а) и струенаправляющие дамбы (рис. IV-27, б).

Рис. IV-28. Схема водоснабжения поселка. а - насосная станция и трубопроводы; б - водозаборные сооружения; в - поперечный разрез канавы с дренажом

Ниже приводится описание водозабора из горного ручья (рис. IV-28,а); вода поступает в водозаборное сооружение 1, из которого по самотечному трубопроводу 2 диаметром 200 мм направляется в резервуары зимнего запаса воды 3, откуда с помощью насосной станции 4 перекачивается на очистные сооружения 5. После очистки вода самотеком поступает в резервуар чистой воды 6, откуда также самотеком распределяется по сети поселка 7. Водозабор включает водоприемник, отстойную камеру и хлораторную (рис. IV-28, б). Водоприемник представляет водозабор инфильтрационного типа 1. Вода, протекающая по руслу ручья, поступает в водозабор и по трубам отводится в отстойную камеру 2, служащую для осаждения крупной взвеси. Длина отстойной камеры 10 м. Водозабор (рис. IV-28, в) представляет траншею, вырубленную в скале поперек ручья, с заполнением для фильтрации. По дну 7 траншеи уложены две стальные перфорированные трубы диаметром 300 мм каждая. Вырубленная в скале траншея имеет бетонную обделку откосов и дна. Осевшие в отстойной камере наносы периодически удаляются вручную и частично стоком ручья, для чего на конце отстойника предусмотрен шлюз-регулятор с плоским затвором. После отстойника вода попадает в сборный колодец, находящийся под зданием хлораторной 3, затем хлорируется и поступает в резервуары зимнего запаса воды.

В период паводка большое количество наносов, содержащихся в первых потоках ручья, вызывает необходимость устройства перепуска загрязненного стока из отстойника в русло ручья ниже водозабора. На перепускной трубе 5 диаметром 200 мм устанавливается колодец с задвижкой.

Простое по конструкции водозаборное сооружение легко доступно для осмотра, необходимого ремонта, а также чистки при эксплуатации, но требует оттаивания фильтра перед паводком.

Водозаборы грунтовых вод. В зависимости от категории используемых для водоснабжения грунтовых вод водозаборы можно подразделить на каптажные, сборные галереи, трубчатые колодцы и инфильтрационные.

Рис. IV-29. Сооружения для каптажа ключей. а - восходящие: 1 - колодец; 2 - отводящая труба; 3 - сливная труба; 4 - вентиляционная труба; 5 - гравийный фильтр; б - нисходящие; 1 - люк; 2 - колодец; 3 - спускная труба; 4 - отводящая труба

Для каптажа восходящих ключей сооружаются шахтные колодцы (рис. IV-29, а) без днища, вместо которого устраивается гравийный фильтр. При нисходящих ключах конструкция каптажа имеет иное устройство (рис. IV-29, б). Сборные галереи обычно располагают у подножья склонов и в местах, где по морфологическим признакам должны иметь место наибольшее оттаивание и поток воды. Водообильность сезонно-талого слоя зависит от водопроницаемости грунта. Наивысшей водообильностью обладают крупнообломочные отложения, мощность водоносного горизонта которых может достигать 3 ж и более. Этот водоносный горизонт используется как источник временного водоснабжения для малых населенных мест. Если провести мероприятия по снегозадержанию и устроить над водозабором тепляк, то длительность эксплуатации таких горизонтов может быть увеличена.

Рис. IV-30. Горизонтальные водозаборы. а - траншейного типа; б - галерейного типа; 1 - бетонная дырчатая труба; 2 - фильтрующая обсыпка из леска и гравия; 3 - экран; 4 - местный грунт; 5 - щели

На рис. IV-30 приведены конструкции горизонтальных водосборов траншейного типа (рис. IV-30, а) и галерейного (рис. IV-30, б).

Трубчатыми колодцами (водозаборными скважинами) могут эксплуатироваться водоносные горизонты, залегающие на различной глубине (10 м и более) и представленные различными породами. Ряд колодцев, объединенных в одну систему, образует трубчатый водозабор.

Инфильтрационные водозаборы устраиваются для захвата воды, которая может поступать путем инфильтрации из открытых водоемов (рек, озер и др.) в окружающие их водопроницаемые рыхлые породы. Различают береговые и подрусловые инфильтрационные водозаборы.

В качестве инфильтрационных водозаборов могут быть сооружены шахтные колодцы и различного типа горизонтальные водозаборы. Выбор типа и конструкции инфильтрационного водозабора определяется в основном гидрогеологическими условиями участков их строительства. Расчет дебита инфильтрационных водозаборов производится по формулам, приводимым в справочной литературе [5].