Результат интеллектуальной деятельности: ВОДОЗАБОРНЫЙ УЗЕЛ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Изобретение относится к области мелиоративных систем и сооружений и может быть использовано при осуществлении водозабора для нужд орошения земель из поверхностного русла водотока, который характеризуется высокими скоростями течения воды и наличием большого количества донных наносов и плавающего мусора.

Известно водозаборное сооружение, включающее размещенное в русле канала подпорное сооружение с запорным устройством, выполненным в виде авторегулятора предельного уровня, наносопромывное отверстие (Соболин Г.В. Защита сооружений на реках и каналах от наносов. Фрунзе: Кыргызстан, 1968, стр. 144).

Недостатками известного устройства является то, что струенаправляющая система порога закреплена непосредственно на дне подводящего канала и ведет к сложному гидравлическому расчету гидравлической структуры переформированию потока. Кроме того, при быстром нарастании уровня воды в верхнем бьефе, наносы сильно взмучиваются и переходят во взвешенное состояние по всей глубине наполнения, что ведет к поступлению наносов также поверх порога. Возникшие при неравномерном неустановившемся движении искривления линий тока, пульсации скоростей и т.п. не дают возможности наносам распределяться по высоте не только с неравномерностью мутности, но и неравномерностью крупности, т.е. в верхних слоях и такие фракции наносов, которые при равномерном движении всегда были бы влекомыми. Величину сброса при этом без ухудшения качества борьбы с наносами регулировать нельзя: при появлении дополнительной преграды в потоке в виде затвора, возникает экранирующий эффект и наносы задерживаются, хотя вода и сбрасывается. Попытки уменьшить величину сброса плавным уменьшением габаритом промывного отверстия удачны только до того момента, когда скорости воды больше или равны скоростям воды перед отверстием, при уменьшение скоростей эффект «водяной подушки», аналогичной экранирующему эффекту. Это говорит о том, что требуется увеличить коэффициент водоотбора более 0,5…0,55, что и является верхней границей пределов применения этого технологического приема. Это предопределяет обязательное создание заранее заданной структуры потока. Кроме того, габариты промывного отверстия должны соответствовать габаритам винтового течения, образующегося вдоль донного порога, при этом увеличиваются затраты воды на промыв. Однако в меженный период заметно снижается расход воды, скорости течения воды уменьшаются, соответственно транспорт этих наносов ограничивается.

В связи с этим, в зависимости от величины водозабора конструкции устройства, должно быть предложено такое новое устройство, когда в состав по длине быстротечного канала, даже при малом расходе воды, была возможность использования для нужд орошения земель из поверхностного водотока.

Известен также вододелитель для каналов с бурным режимом течения, включающий размещенный между подводящим и транзитным каналами колодец и отводящие водоводы, разделенные перегородки, делящие его на камеры, горизонтальные козырьки, закрепленные в верхней части каждой камеры и обращенные навстречу потоку, и Г-образные козырьки с направленной вниз полкой, размещенные также в каждой камере и закрепленные к средней части противоположной горизонтальному козырьку, причем камеры выполнены с возрастающей по направлению течения шириной и сверху перекрыты шарнирной решеткой, при этом разделительные перегородки имеют водопропускные щелевые отверстия, посредством которых камеры сообщаются друг с другом по течению потока, причем водопропускные щелевые отверстия ограничены двумя горизонтальными полками, одна из которых расположена выше отверстия перед углом излома верхней части разделительной перегородки в вертикальной плоскости, а вторая расположена ниже водопропускного щелевого отверстия относительно первой, и дно каждой камеры выполнено конусообразным, направленным выпуклостью вверх, при этом части излома разделительных перегородок расположены по отношению к частям разделительных перегородок под углом α₁, α₂, α₃ и зависят от величины водозабора за счет площади изменения входного отверстия камеры (Патент RU №2542514, Е02В 13/00 от 06.11.2015).

Недостатком данного вододелителя является наличие многочисленных элементов в виде водосливных щелевых отверстий в перегородке. Ограниченных двумя горизонтальными полками, выполнение дна колодца конусообразным, направленным выпуклостью вверх и разделительных перегородок с изломами в верхней части приводит к усложнению его конструкции и, как следствие, снижает его надежность, так как возрастают эксплуатационные затраты на его обслуживание, техническое обслуживание или ремонта. При этом известное техническое решение не позволяет полностью использовать для отбора воды открытый тракт водотока для увеличения расхода, в частности, в последней камере часть потока проходит в транзитный канал при минимальном наполнении в целом.

Наиболее близким решением является устройство управления режимом потока в открытом канале, предусматривающий канал-быстроток с облицованными стенками и днищем, где формируется зона влияния от струенаправляющих элементов, установку вертикальных стенок, боковые стенки канала снабжены вертикальными щитами с возможностью поворота в виде выступов-ограничителей в сторону движения потока, при этом саму гидравлическую структуру формируют ниже по течению. Потоконаправляющие элементы выполнены посредством переходного участка регулятора в виде поворотных щитов, одна вертикальная кромка которых закреплена на оси вращения, а другая кромка соединена с приводом их горизонтального перемещения и с направляющей с возможностью размещения в боковой нише, выполненной в боковой стенке канала, при этом угловое соединение щита с направляющей шарнирно соединено дополнительно с потоконаправляющими элементами в виде щитов, выполненных составными из среднего и боковых звеньев, соединенных посредством шарниров друг с другом, причем крайние боковые звенья каждого щитка шарнирно соединены с боковой стенкой канала в сторону струенаправляющей системы в виде вертикальных жалюзи, соединенных с приводом в сторону направления течения потока (Патент RU №2615337, Е02В 8/06, Е02В 13/00 от 04.04.2017).

Недостаток этой конструкции является наличие сосредоточенный сброс воды по тракту транзитного канала в сторону растекания потока перед вертикальными жалюзи, что позволяет получить благоприятные гидравлические условия, но это, однако не связано с устройством водоприемных галерей для забора очищенной воды от фракций наносов и плавающего мусора, для чего необходимо устраивать дополнительные сооружения в верхнем бьефе подводящего канала (источника), т.е. камни и мусор перед вертикальными жалюзи оказывают влияние на ненадежную работу в целом на сооружение, и нарушают режим работы его.

Известно, что расход по длине забора воды в галереи и в виду его части отбора каждой галерей (камерой) будет неравномерно распределяться по длине проточного облицованного канала, который характеризуется высокими скоростями течения воды и наличием наносов и плавающего мусора, т.е. пропускная способность связана с наличием пропускной способности каждой галереи и взаимосвязь ее с конструктивным решением с самим распределением воды, а это требует сложных расчетов в изготовлении конструкции, где должны прослеживаться и полный водозабор при минимальных расходах в подводящем канале при открытых боковых затворах в отводящие каналы. В свою очередь размеры водоприемных галерей и боковых затворов должны определяться при неподтопленном истечении через решетку и из-под боковых затворов. Таким образом, для предложенной новой конструкции водозаборного узла оросительной системы - это упрощение самой конструкции в целом, где должна учитываться также условия входа воды через решетки со своими просветами между стержнями для каждого отводящего водозабора галереи, имеющей перед ней дополнительные промежуточные днища площадок от подводящего канала в сторону, соответственно, транзитного канала, и которые галереи необходимо иметь возможность перекрывать по всей ширине канала за счет наличия смонтированных вертикальных поворотных щитков, выполненных с отверстиями перфорации, наружная поверхность которых в сторону течения воды выполнена изогнутыми пластинами в виде оребрения, обеспечивающей струенаправляющую систему струи в рабочем положении, днища таких переходных (промежуточных) площадок должны быть также очищены от отложения наносов и мусора перед каждой отдельной галереи, перекрытой вибрирующей решеткой с уклоном в сторону транзитного канала, улучшая гидравлические условия сооружения.

Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением является повышение эффективности путем улучшения условий входа воды и повышения подпора воды по центру водоприемного отверстия галереи перекрытой вибрирующей решеткой, таким образом, обеспечение бесперебойной подачи воды в оросительную систему и ее защита от поступления наносов, а также плавающего мусора в условиях гидрологического режима условий работы каналов с бетонной облицовкой, забирающих воду из горных и предгорных участков рек.

Указанный технический результат достигается путем устройства водозаборного узла оросительной системы, конструкция которого включает канал-быстроток с облицованными стенками и днищем, потоконаправляющий элементы в виде поворотных вертикальных щитков, соединенных приводом вращения и горизонтальные сверху козырьки, согласно изобретения, по трассе проточного облицованного канала в пределах дна канала устроены водозаборные галереи, между которыми устроены дополнительные промежуточные площадки с днищем, количество водозаборных галерей между ними зависит от заданного расхода потребителю, а их функционирование зависит за счет выполненных с возможностью поворота и крепления удлиненных поворотных щитков из условия, чтобы перекрывать максимальную ширину поворотными щитками перед последней галереей и смонтированных на осях к стенкам канала, соединенных приводом прямой тягой в сторону течения воды, при этом плоскости поворотных щитков выполнены с отверстиями перфорации, наружная поверхность которых в сторону течения воды выполнена изогнутыми пластинами в виде оребрения, причем обеспечивающей струенаправляющую систему струи, каждый поворотный щиток может находиться в рабочем положении в одной вертикальной плоскости со стенками канала при котором они образуют, открытый проход продольного канала для пропуска максимального безподпорного режима по транзиту канала-быстротока.

Кроме того, с целью предотвращения отложения наносов сзади поворотных щитков, они установлены с зазором относительно днища дополнительных промежуточных площадок перед галереями, при этом поворотные щитки после размещения последней галереи выполняют с возможностью из условия перекрытия максимально ширину транзитного канала, создавая подпор для полного забора потока воды при минимальных расходах воды в подводящем канале.

Кроме того, каждая галерея состоит из вибрирующих решеток, имеющих уклоны с разными размерами просветов между стержнями решеток, увеличивающимися от решетки верхней галереи к решетки нижней галереи, последняя должна быть очищаемой о фракции крупных наносов и плавающего мусора.

Кроме того, регулировка расхода воды, забираемая из канала на обводнение водных объектов, осуществляется за счет затворов и варьированием их открытия из галерей, а с внешней стороны проточного переходного участка отводящий канал соединен с водобойным колодцем, выполненным в виде отводящей цилиндрической камеры с водовыпускным отверстием, соединенного с отводящим трубопроводом.

Канал является проточным, и транзитная сбросная часть канала должна обеспечить транзит воды со скоростями, превышающими незаиления для данных условий (параметров наносов). В дно канала встроены галереи с дополнительными промежуточными площадками с днищами на одном уровне между подводящим и транзитным каналами, на которых в боковых стенках смонтированы на оси вращения поворотные щитки с отверстиями перфорации, наружная поверхность которых в сторону течения воды выполнена изогнутыми пластинами в виде оребрения. Это приводит к смыву наносов с поверхности площадок днища за ними в сторону вибрационной решетки, перекрывающей водозаборное отверстие галереи, расход воды при этом в водозаборную галерею восстанавливается, а наносы транспортируются далее в сторону транзитного канала. Так как расход воды по длине канала уменьшается за счет отбора воды галереями, канал имеет сужение за счет установки разной длины и перекрытия поворотными на осях щитками с двух одновременно сторон, площадь которого уменьшается от первой по направлению течения до последней, т.е. средняя часть канала над галереями сужается ими с учетом воздействия на решетку восходящих токов воды по высоте над галереей, где кинетическая энергия достаточно высока, далее имеется возможность в конце последней галереи на уступе полностью перекрыть поперечное сечение транзитного канала, когда расход воды в подводящем канале будет минимальным, и необходимо подать всю воду в оросительную систему.

Из водозаборных галерей вода подается через переходник канала в отводящую цилиндрическую камеру, из которой с помощью трубопровода вода поступает на орошаемые участки или для других нужд потребителю.

Исходя из вышеизложенного, автор считает возможным утверждать, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию «существенные отличия».

Водозаборный узел оросительной системы поясняется чертежами: на фиг. 1 представлена схема водозаборного узла оросительной системы; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - схема выполнения поверхности щитка с изогнутыми пластинами в виде оребрения, вид сбоку.

Водозаборный узел оросительной системы включает водозаборный канал 1, русло реки 2. Водозаборный канал 1 состоит из канала-быстротока 3 с облицованными стенками 4 и с плоским дном подводящий 5 и транзитный 6 каналы с расположенными галереями 7, 8, 9 между которыми выполнены дополнительно плоские днища площадок 10 и 11 на одном уровне между подводящим 5 и транзитным 6 каналами. Выход из галерей 7, 8, 9 соединен проточным переходным участком 12 в виде отводящего канала, во входном сечении которых установлены затворы 13, 14, 15, 16, 17, 18 с подъемным механизмом, переходной участок 12, который соединен с водобойным отводящим колодцем 19, выполненным в виде отводящей цилиндрической камеры и соединен с трубопроводом 20.

Водозаборный узел снабжен шарнирно прикрепленной к верхней передней стенке каждой галереи 7, 8, 9 с виброрешетками 21, 22, 23 с продольными стержнями, имеющих уклоны с размерами просветов между стержнями виброрешеток, увеличивающимися от решетки верхней галереи 7 к последующей нижней, соответственно галерей 8 и 9.

Между галереями 7, 8, 9 последовательно расположены дополнительные днища площадок 10 и 11 на которых размещены, выполненные поворотные вертикальные щитки 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 горизонтального перемещения, вертикальная кромка которых закреплена в боковой стенке канала на осях 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 вращения. Сверху щитки 24-31 снабжены козырьками 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 в сторону течения воды.

Боковая плоскость каждого щитка 24-31, к которым жестко закреплены козырьки 40-47, выполнена отверстиями 48 перфорации, в которые жестко закреплены изогнутые пластины 49, выполненные в виде оребрения его плоскости в шахматном или ином расположении с отверстиями перфорации. Данную форму щитков 24-31 с осями 32-39 снабжают механическим приводом 50 и 51 с осью 52 прямолинейной тяги и с возможностью их соединения в виде вертикальных направляющих жалюзи из щитков 24-31, удлиненных из условия, чтобы щитки 30-31 в конце последней галереи 9 (при минимальных расходах воды в подводящим канале) могли полностью перекрыть по ширине поперечное сечение транзитного канала 6 под углом его продольной оси.

Поскольку уровень воды в подводящем канале 5 может меняться, и забор воды в галерее 7, 8, 9 проходя через вибрирующие решетки, расщепляется, соответственно, меняется установка расположения направляющих жалюзи из щитков 24-31 с помощью привода 50 и 51 с осью 52 вращения прямолинейной тягой, перемещая вертикальные щитки 24-31, закрепленные на своих отдельных осях вращения 32-39 в сторону боковых стенок 4 канала-быстротока 3 и связано с движением потока (с определенным заданным углом открытия), что позволяет увеличить их схождение к центу продольной оси канала в сторону галерей 7, 8, 9, или наоборот, расхождение в сторону боковых стенок канна, а значит, увеличить по направлению течения потока забора воды в галереи 7, 8, 9. Таким образом, сама галерея остается очищенной от наносов и мусора. Это обусловлено за счет последовательного действий элементов, размещенных на дополнительных промежуточных днищах площадок 10 и 11 установленных на них поворотных щитков 24-31, когда все наносы концентрируются в центральной зоне канала между направляющими под углом друг другу в конце щитков 24-31, обеспечивая благоприятную структуру потока при заборе воды в галереи 7, 8, 9. В то же время дополнительные площадки 10 и 11 не заиливаются за щитками 24-31 из-за выполнения их плоскости отверстиями 48 перфорации, в которых жестко закреплены изогнутые пластины 49, выполненные в виде оребрения. Кроме того, оснащение оросительных систем водозаборным узлом предложенного нового конструктивного решения 8 качестве противонаносных устройств на каналах гарантирует эффективную борьбу с наносами и с плавающим мусором, чем также обеспечивается забор очищенной воды в галереи из поверхностных горизонтов. Смыв наносов при водозаборе воды в основном смещается к центру продольной оси канала над галереями, перекрытыми виброрешетками 21, 22, 23.

Следует заметить, что щитки 24-31 играют роль, например, донных порогов и фиксированных их расположения под углом к продольной оси канала, образуется в центре винт или валец, пока глубина воды на участке дополнительных днищ площадок 10 и 11 не уменьшится на столько, что скорости на подходе к порогу (щитка) станет не достаточной для поддержания первоначальных габаритов винта.

Завал устройства щитков (преграды) во всех случая исключен, и они транспортируются вниз транзитному каналу 6 на сброс, так как за счет центростремительной силы отбрасываются к центру решетки, где поток воды имеет наибольшую скорость для их смыва на перекрывающей решетки водоприемную галерею. Поэтому для лучшего возбуждения циркуляционных винтовых течений, длина перегораживающих щитков 24-31 перед каждой галерей 7, 8, 9 должна быть переменной и зависит по высоте наполнения канала.

Водозаборный узел оросительной системы работает следующим образом.

Скоростной поток, насыщенный наносами и плавающим мусором по подводящему каналу 5 поступает к галереям 7, 8, 9 и сверху с помощью шарниров привода 50 и 51 с прямолинейными тягами связанных с поворотными щитками 24-31 с козырьками 40-47, где потоконаправляющие щитки занимают такое положение, которое образуя сужающий угол схождения их в сторону продольной оси над дополнительными днищами площадок 10 и 11 обеспечивают образование в придонном слое потока винтовой валец, как и в конце подводящего, так и в начале транзитного каналов, транспортирующие наносы по центру канала на данном участке водозабора воды над водозаборными галереями, т.е. за щитками 24-31 образуется такая зона, где за счет поступления воды через отверстия 48 перфорации с изогнутыми пластинами 49 в виде оребрения, значительно уменьшает нагрузку на щитки, а также уменьшает поступление наносов по ширине закрепленной виброрешеткой 21, 22, 23 над водозаборной галереи 7, 8, 9. Вода из водозаборных галерей поступает в раструбный открытый переходной отводящий участок 12 канала, из которого далее в водобойный колодец 19 в виде цилиндрической камеры. Из колодца 19 с помощью трубопровода 20 или другим способом чистая вода доставляется на орошаемые участки. Вся эта в целом конструкция компоновки сооружения способствует повышению пропускной способности, а также наносотранспортирующей способности.

Неравномерность распределения наносов по высоте потока в подводящем канале 5 предопределяет обязательное создание заранее заданной структуры потока перед водозаборными галереями 7, 8, 9, обеспечивающей прохождении наносов и мусора практически по центру продольной оси на данном участке канала с галереями. Это приводит к смыву, также наносов по всей ширине над водозаборными галереями и расход воды будет постоянно восстановлен до заданного расчетного, а по этому, щитки 24-31 (пороги) по длине (ширине канала) должны быть переменными в сторону ряда устроенных водоприемных галерей с дополнительными днищами площадок, на которых размещаются нижние торцы щитков 24-31, где поток проходит через полезный просвет виброрешети 21, 22, 23 в донное водозаборное отверстие на данном участке канала между подводящим 5 и транзитным 6 каналами, и это связано по высоте наполнения канала.

Конструктивные элементы дополнительных днища площадок 10 и 11 с возможностью перемещения на них размещенных нижней кромкой щитков 24-31, как в конце подводящего канала 5, так и в начале транзитного канала 6, позволяют надежно ими управлять приводом перемещения, когда каждая водозаборная галерея отстоят друг от друга на некотором расстоянии, а это обеспечивает возможность существенно облегчить их управляемость приводом 50 и 51 прямолинейной тягой, связанной сверху шарнирами со щитками, т.е. непосредственной близости облицованных стенное 4 канала-быстротока 3.

Предлагаемая конструкция водозаборного узла оросительной системы, имеет значительно больший допустимый диапазон осуществить забор чистой воды и снижает попадание в галереи транспортируемых наносов и плавающего мусора, при этом необходимо иметь в виду, что устойчивость переходных процессов гидравлического режима, возникающих при работе этих сооружений, обеспечивается рациональной компоновкой и технически грамотным конструктивным решением водозаборного узла оросительной системы. Такая взаимосвязь основных элементов водозаборного узла обеспечивает эксплуатационную надежность при изменении уровня воды (расхода) и оптимальную пропускную способность в условиях прохождения бурного потока в канале.

В целом изобретение расширить функциональные возможности таких оросительных каналов гидромелиоративной сети путем одновременной подачи воды на орошение, так и для беспрепятственного пропуска больших расходов наносов и дополнительно предохраняя водозаборные галереи от завала наносами, и повысит надежность работы, когда наносы транспортируются в зоне расположения галерей по центру канала на данном участке водозабора со значительными скоростями течения, и наносы транспортируются далее по транзитному каналу на сброс.