Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАЩИТЫ ТРАНЗИТНОГО КАНАЛА ОТ НАНОСОВ

Изобретение относится к гидротехнике, а именно к устройствам для захвата наносов на каналах горно-предгорной зоны.

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: Кыргыстан, 1968, стр.144).

Недостатками известного устройства является то, что струенаправляющая система порога закреплена непосредственно в 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 с неравномерностью крупности, т.е. в верхних слоях могут оказаться 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 не идут в промывник, хотя вода и сбрасывается. Попытки уменьшить величину сброса плавным уменьшением габаритов промывного отверстия удачны только до того момента, когда скорости воды больше или равны скоростям воды перед отверстием, при уменьшении скоростей возникает 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, обеспечивающей прохождение наносов именно у наносоперехватывающих элементов.

Для лучшего возбуждения циркуляционных и винтовых течений, высота порога должна быть переменной по его длине - в начальной (по течению) части порога больше, в конечной - меньше. Кроме того, высота порога должна быть такой, чтобы при пропуске по подводящему каналу расчетного расхода не происходило подтопления потока в подводящем канале со стороны донного порога, поскольку при этом в канале понизится транспортирующая способность потока, и начнут откладываться наносы, уменьшая его живое сечение. Габариты промывного отверстия должны соответствовать габаритам винтового течения, образующегося вдоль донного порога, при этом увеличиваются затраты воды на промыв. Однако в меженный период транспорт этих наносов ограничивается.

В связи с этим, в зависимости от величины водозабора конструкции устройства, должно быть предложено такое новое устройство, когда образуется не один, а несколько винтообразных вращений в точках отвода наносов, например, у донных порогов. Отсюда необходимо обеспечить нужный запас верха порога над расчетным максимальным уровнем воды.

Известно устройство, включающее траншею, порог, привод, затвор, наносоотводящий канал (Авторское свидетельство СССР №655765, кл. Е02В 8/02, 1976).

Недостатком устройства является малоэффективный перехват наносов из-за слабого развития винтообразного движения в лотке. Кроме того, при частичном открытии затвора требуется большой промывной расход воды, при этом недостаточная надежность даже при ручном маневрировании затвором. Устойчивая циркуляция потока создается при определенных скоростях и не учитывает большую турбулизацию потока при повышении (изменения) уровня воды в подводящем канале, также как и при малой энергии потока, что существенно ограничивает область его применения. В известном устройстве промывное отверстие расположено непосредственно в подвижном полотнище, которое при минимальном наполнении воды в подводящем канале расположено на одном уровне дна подводящего канала. Вследствие этого (при низких уровнях воды), призма отложений наносов не доходит до промывного отверстия в своем максимальном перемещении. В связи с чем идет непроизводительный сброс оросительной воды.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ защиты наносорегулирующего сооружения от завала наносами, включающий подводящий и транзитный каналы, размещенную между ними траншею с донным промывным отверстием, дно которой расположено ниже дна подводящего и транзитного каналов, затвор выполнен в виде двух жестко скрепленных между собой полотнищ с возбуждением поперечной циркуляции потока, наносоотводящий канал, привод выполнен в виде поплавка, тяг, порог и сливного трубопровода (Авторское свидетельство СССР №1065525, кл. Е02В 8/02, 1981).

Недостатками известного способа защиты транзитного канала от наносов является малая эффективность отвода наносов от транзитных каналов, при этом создается гидравлический экран перед неподвижным порогом. Устойчивая циркуляция потока создается только при определенных скоростях потока и не учитывает большую турбулизацию потока при превышении (изменения) уровня воды в подводящем канале, также как и при малой энергии потока, что существенно ограничивает область его применения. Это в свою очередь приводит к непроизводительным промывным расходам в случае увеличения уровня воды в верхнем бьефе больше номинального и не обеспечивает транспорт наносов, когда уровень воды меньше номинального. Высота вальца и интенсивность его вращения зависят от высоты порога и уровня воды в верхнем бьефе сооружения, что не всегда согласуется с другими элементами сооружения в случае изменения характеристик потока. Результатом этого является сбойность течения и дополнительная турбулизация потока, приводящая к ухудшению качества работы всего сооружения. Устройство не предусматривает возможность регулирования скорости вращения жидкости непосредственно как при поступлении в щель траншеи, так и в самой траншеи, в случаях изменения характеристик потока. В известном устройстве промывное отверстие расположено непосредственно в подвижном полотнище, которое при минимальном наполнении воды в подводящем канале расположено на одном уровне дна подводящего канала. Вследствие этого (при низких уровнях воды), призма отложений наносов не доходит до промывного отверстия в своем максимальном перемещении. В связи с этим идет непроизводительный сброс оросительной воды. Работа же в процессе промывки при резком повышении уровня воды в верхнем бьефе канала и при открытии затвора, выполненного из двух полотнищ, приводит к большим непроизводительным сбросам воды, а наличие противовеса ведет только к потери неустойчивости затвора. Это связано с тем, что угол отклонения меняется, соответственно, меняются моменты сил приложения относительно оси вращения затвора как со стороны расположения противовеса, так и со стороны давления воды в верхнем бьефе канала. Возможно заклинивание оси затвора. Это сказывается при изменении высоты вертикального и горизонтального полотнищ затвора. Конструкция дна траншеи задерживает наносы в виде крупного камня, особенно неправильной формы из-за выполнения его в виде углубления в сторону задней стенки траншеи. Все это ведет к завалу сливного трубопровода и необеспечивает работоспособность датчика уровня, вследствие этого затвор полностью не открывается. Другим недостатком является неустойчивость работы подвижного затвора из-за наличия двух отдельных управляющих устройств, трудно согласующихся в процессе работы сооружения, каждый раз необходимо настраивать противовес на определенное положение уравновешивание затвора (идет автоколебательный процесс - неустойчивость), при этом ось затвора в потоке воды всегда имеет возможность заклинивать. Известное устройство не может эффективно отводить наносы от транзитных каналов, при этом создается экранирующий эффект и происходит непроизводительный сброс воды на промыв наносов.

Цель изобретения - повышение эффективности регулирования путем уменьшения поступления наносов в транзитный канал и снижение непроизводительных сбросов воды на промыв наносов, а также возможность регулирования гидравлической структуры потока в наносоотводящей траншее.

Поставленная цель достигается тем, что в способе защиты транзитного канала от наносов, включающий траншею, выполненную между подводящим и транзитным каналом, затвор в виде жестко скрепленных между собой пластин с возбуждением поперечной циркуляции потока, наносоотводящий канал, промывное отверстие, одно из которых расположено наклонно по направлению потока, причем привод выполнен в виде поплавка, тяг и сливного трубопровода, порог, затвор выполнен в виде вертикального щита, нижнюю кромку которого размещают ниже дна канала, а при увеличении уровня воды перед вертикальным щитом, выполняющего роль циркуляционного порога, щит перемещают в направляющих с возможностью вертикального перемещения по высоте траншеи, которая разделена на две неравные части, при этом нижняя кромка вертикального щита снабжена двумя жестко соединенными горизонтальными пластинами, верховая из которых имеет длину большую, чем нижняя пластина, размещенных в траншее. Кроме того, верховая пластина обеспечивает возможность наклонного струенаправляющего элемента в сторону наносопромывного отверстия, а нижняя пластина закреплена горизонтально и обеспечивает защитный экран. При этом циркуляционный щит на верхней кромке имеет горизонтальный козырек в сторону навстречу течению потока воды в подводящем канале, а верховая наклонная струенаправляющая и нижняя горизонтальная пластины выполнены расширяющимися по направлению движения промывной наносоотводящей траншеи и расположены таким образом в полости траншеи, что их боковые кромки имеют щели не менее максимального диаметра крупных фракций наносов между боковыми стенками траншеи, и имеющими выходы в сторону дна траншеи.

Кроме того, в донной траншее расположены набор корректора скорости потока, один из которых закреплен заподлицо с дном подводящего канала, имеющего скос в виде козырька, а другой закреплен к внутренней средней части верховой струенаправляющей пластины в виде криволинейных в поперечном сечении пластин, обеспечивающих возможность образования струенаправляющих систем. При этом наносоотводящее отверстие у дна траншеи снабжено затвором в виде пластины с изогнутым концом, направленным в сторону промывного канала и жестко связанным с наклонным вертикальным щитом со стороны промывного отверстия.

Такое выполнение способа защиты транзитного канала от наносов позволяет, по сравнению с прототипом, автоматизировать процесс защиты также наносорегулирующего сооружения от завала наносами. При этом осуществление защиты производится дифференцированно: более эффективно отводить наносы от транзитных каналов - перемещением наклонного щита с возможностью его вертикального перемещения в направляющих по команде поплавков, настроенных на максимально допустимую расчетную отметку уровня воды в канале (ее перелив), на создание перераспределения воды по длине наносоотводящей траншеи, обуславливая активную поперечную циркуляцию, и отжима донных крупных наносов в сторону промывного отверстия. Это происходит при наличии набора корректора скорости потока, а также защиты транзитного канала от попадания в него наносов из траншей через просветы (щели) боковой кромки горизонтальной пластины, выполненной экранирующим экраном при наличии корректора скорости потока. Траншея и пластины, выполненные в виде расширяющихся по направлению движения промывного наносоотводящего водовода в сочетании с криволинейным в поперечном сечении пластин, дают возможность увеличить скорость вращения и стабилизировать режим истечения жидкости в промывное отверстие (перемещение наносов обуславливается радиальной циркуляцией потока, возникающей при вращательном его движении в траншее). Остаток чистой воды при разности давлений в траншее направляется через отводящую трубку в транзитный канал со стороны порога, расположенного в начале транзитного канала. Это способствует дополнительному всасывающему эффекту отвода части потока чистой воды из верхних слоев со стороны задней стенки траншеи через отводящую трубу, т.е. над горизонтальной защитной пластиной. Таким образом, сама траншея остается очищенной от наносов и отсутствует непроизводительный промывной сброс воды и происходит экономия воды. Это обусловлено за счет последовательного действий элементов, размещенных в траншее, когда все наносы концентрируются в зоне влияния корректора скорости потока, обеспечивая благоприятную структуру потока при переводе наносов с участка на участок и далее в наносоотводяший канал. В то же время, участок ширины канала ниже дна его, поток освобождается от наносов, чем предотвращается заиление ими канала. Благодаря использованию двух независимых винтовых течений в траншее, перехват влекомых наносов из отводящего канала увеличивается, попадающих в траншею и далее в отвод в наносопромывной канал. Отсутствие неподвижного порога в конце подводящего канала (перед траншеей) образует перед вертикальным щитом с козырьком водяной валец с винтовым движением воды, который выносит наносы в отверстие траншеи.

Экономическая эффективность предлагаемого способа защиты транзитного канала от наносов заключается в объединении в одном технологическом цикле задач оптимального пропуска воды в транзитный канал и эффективной двухэтапной очистки воды от наносов.

Подобное исполнение способа защиты транзитного канала от наносов и завала сооружения, по мнению авторов, ранее не было известно и отвечает критерию «Существенные отличия».

На фиг.1 изображено наносорегулирующее сооружение, вид в плане; на фиг.2 - разрез А - А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б - Б на фиг.1 (вдоль наносопромывной траншеи).

Схема реализации способа защиты содержит наносорегулирующее сооружение, включающее перегораживающее устройство 1 (щит), состоящего из вертикальной, наклонной передней 2 и горизонтальной 3 пластин. Наклонная передняя плоскость пластины 2 имеет промывное отверстие 4 и затвор 5, выполненный с изгибом на конце в виде пластины, улучшающим условия прохождения потока в наносоотводящий канал 6. Перегораживающее устройство выполнено в виде щита 1 с возможностью вертикального перемещения в направляющих (на чертеже не показано) в траншее 7 посредством тяг 8 и 9 с шарнирами 10 и 11 с винтовыми устройствами 12 и 13 соединены с приводом достаточных размеров поплавков 14 и 15, расположенных в поплавковых камерах 20 и 21. При этом вертикальное перемещение без смещений и перекосов обеспечивается системой направляющих и катков, расположенных выше максимального уровня воды в канале (на рисунке не показано). Наносоотводящая траншея 7 имеет переменное поперечное сечение в форме прямоугольной траншеи, увеличивающейся (расширяющейся) в сторону наносоотводящего канала 16. При этом угол наклона боковой грани равен углу наклона передней (верховой) пластины 2 перегораживающего устройства 1. В нижней наиболее глубокой части траншеи 7 дно ее плавно переходит в наносоотводящий канал 6, а в боковой задней стенке траншеи устроен трубопровод 17, обеспечивающий отвод воды из заднего объема наносоотводящей траншеи 7 в транзитный канал 18 за пониженную часть циркуляционного порога 19. Это способствует как бы высасыванию части потока чистой воды из верхних слоев траншеи выше потолка горизонтальной пластины 3 в транзитный канал 18. Каждая поплавковая камера 20 и 21 соединена с подводящим каналом 24 и транзитным каналом 18 посредством входных трубок 22 и 23. Выходные трубки 25 и 26 соединяются с наносоотводящей траншеей 7, сопряженной с наносоотводящим каналом 6. В верхней части перегораживающего щита 1 выполнен горизонтальный козырек 27.

Боковая стенка траншеи 7 снабжена корректором скорости 28, который своим основанием закреплен к козырьку 29 (скос передней стенки траншеи), другой корректор скорости потока 30 закреплен к внутренней средней части наклонной верховой (передней) пластины 2 в виде криволинейной в поперечном сечении пластины, изогнутой в сторону наносоотводящего отверстия.

Траншея 7 разделена по ширине на две неравные секции перегораживающим устройством в виде щита 1 с козырьком 27, в которых размещены наклонная струенаправляющая пластина 2 и горизонтальная защитная пластина 3, соединенные жестко к нижнему торцу вертикального щита 1 и выполненные в виде понижающейся и расширяющейся по ширине траншеи 7 в сторону донного промывного отверстия 4.

Защита наносорегулирующего сооружения от завала наносами представляет собой одну из разновидностей метода решения более общей задачи - борьбы с наносами на гидротехнических сооружениях, а именно динамический способ, заключающийся в создании специфических гидравлических условий организации движения наносов.

Необходимость защиты наносорегулирующего сооружения от завала наносами проявляется следующим образом. В рабочем технологическом режиме наносорегулирующее сооружение обеспечивает подачу в транзитный канал осветленной воды с незначительным количеством наносов (при этом через сбросной тракт траншеи беспрепятственно сбрасывается промывная вода с подавляющей частью наносов).

В случаях повышенного содержания наносов в водоисточнике или аномально быстрого увеличения их возникает явление завала наносами. В этих случаях возникает разработка устройств и необходимость защиты их от завала наносами, ибо в противном случае наносорегулирующее сооружение не в состоянии выполнять свою основную функцию, так как наносы в больших количествах попадают в транзитный канал (в связи с их перераспределением по глубине наполнения в подводящем канале или в предельном случае особо крупных размеров фракций влекомых наносов происходит повреждение самого сооружения).

Оснащение оросительных систем новыми конструкциями сооружений в качестве противонаносных устройств на каналах гарантирует эффективную борьбу с наносами при минимуме затрат воды на промыв наносов и уменьшает примерно вдвое затраты средств на очистку от наносов. Здесь донные наносы полностью промываются в наносоотводящий канал 6 при незначительных расходах.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Перед включением в работу производят наладку сооружения. Перегораживающее устройство 1 (щит) с козырьком 27 обеспечивает образование в придонном слое потока винтового вальца, транспортирующего наносы сразу из подводящего канала во входную часть наносоотводящей траншеи 7. Дальше поток воды с наносами поступает в корректор скорости потока 28, что значительно уменьшает поступление наносов в транзитный канал 18 (отсутствуют вверх восходящие токи воды с наносами перед перегораживающим устройством 1). Поплавки 14 и 15 посредством изменения уровня воды в водотоке изменяют свое положение и поднимают или опускают перегораживающее устройство 1 (щит), которые устанавливаются на отметке заданного уровня в бьефах каналов, соответствующего максимальному расчетному расходу через подвижной вертикальный щит 1 с козырьком 27. При этом в зависимости от перепада Z между уровнем воды в верхнем и нижнем бьефах каналов 24 и 18, а также при помощи изменения длины тяг 9 и 10 винтовым устройством 12 и 13 устанавливается соответствующий уклон перегораживающего устройства 1. Таким образом, при повышении уровня воды в верхнем бьефе канала повышаются уровни и в поплавковых камерах, что соответствует определенному положению перегораживающего устройства 1 (щита) и открытию промывной наносоотводящей траншеи 7. При снижении уровня происходит обратный процесс, то есть сработка уровня воды в поплавковых камерах и опускание вертикального щита 1. При этом объем наносоотводящей траншеи 7 соответственно перераспределяется, увеличиваясь в нижней области и уменьшаясь в передней и задней областях. Наибольшему уровню воды в водотоке соответствует наибольший объем нижней области наносоотодящей траншеи 7.

С увеличением уровня воды в водотоке увеличивается пропускная способность и, соответственно изменяется наносный режим в сторону увеличения. Для отделения наносов из подводящего потока воды увеличивается высота циркуляционного порога за счет поднятия вертикального перегораживающего устройства 1, выполненного в виде щита с козырьком 27. Расширяется зона его влияния и соответственно увеличивается интенсивность циркуляции потока верхней части объема наносоотвдящей траншеи 7, что существенно расширяет класс наносов по фракционному составу, способных отделяться от потока. Переменное сечение траншеи 7 по высоте в сочетании с набором пакета корректора скорости потока 29 обеспечивает увеличение площади входного отверстия траншеи по потоку с наносами и к внутренней средней части наклонной струенаправляющей верховой (передней) пластины 2 корректора скорости потока 30, выполненных в виде криволинейной в поперечном сечении пластины и изогнутых в сторону наносоотводящего отверстия, ограничивающих винт в каждой своей области объема траншеи 7, что исключает влияние на поднятие наносов вверх в водоток. Проходя через промывное отверстие и зазор между вертикальной стенкой наносоотвдящей траншеи 7 и боковых кромок (ребром) наклонной струенаправляющей пластины 2 перегораживающего устройства 1, поток с наносами резко расширяется. Его энергия уменьшается, а наносы по инерции скапливаются у дна промывной траншеи 7 и под действием циркуляции направляются в сторону наносоотводящего канала 6. Часть потока без наносов проходит через зазор (щель) между задней вертикальной стенкой траншеи 7 и боковой стенки (ребром) горизонтальной защитной пластины 3 с перегораживающим устройством 1, отводятся трубой 17 в транзитный канал 18, имеющий пониженный циркуляционный порог 19. Это способствует дополнительно отсосу части потока чистой воды из верхних слоев задней стенки траншеи 7. Любой технологический процесс состоит из совокупности определенных технологических операций, каждая из которых характеризует некоторую сторону процесса. Например, борьба с наносами выполняется в два действия: сначала нужно отделить наносы от потока воды, а затем удалить их за пределы сооружения. В нашем случае отделение наносов происходит динамическим способом. Поэтому, прежде чем знать, чем осуществлять забор воды, т.е. какими сооружениями, какими конструкциями, мы должны знать - как правильно осуществлять его, чтобы затраты были минимальными. Отсюда процесс подсказывает, что конструкция сооружения и компоновка его определяется только технологией (т.е. совокупностью и последовательностью операций) и техникой (т.е. совокупностью технологических приемов) осуществления процесса.

Следует заметить, что при безнапорном режиме (когда габариты винта или вальца ограничены с двух сторон, например донным порогом и фиксированным дном) препятствием для наносов является тело самого винта или вальца, наносы почти не проникают внутрь и не вовлекаются извне. Они останавливаются перед винтом и, если продольный вектор скорости мал, накапливаются в виде гряды, растущей вверх до тех пор, пока глубина воды на участке перед порогом не уменьшится настолько, что скорость на подходе к порогу станет недостаточной для поддержания первоначальных габаритов винта. При уменьшении габаритов винта гряда постепенно надвигается на порог и, в конце концов, заваливает его.

Завал донного порога или преграды неизбежен во всех случаях, если наносы, поступившие к этим элементам и останавливаемые ими, не будут транспортироваться дальше, т.е. если будет отсутствовать продольный вектор скорости. Чем больше поступает к порогу наносов, тем больше должен быть продольный вектор скорости и наоборот. При винтовом движении сюда добавляется и продольный вектор скорости винта. Величина его зависит от величины перераспределения расходов по длине порога, которое достигается выполнением порога с высотой, переменной по длине.

При напорном режиме (когда габариты винта ограничены с четырех сторон при вертикальном расположении винта) наносы за счет центростремительной силы отбрасываются к центру траншеи, где расположено промывное отверстие. Во всех случаях полный отвод наносов возможен только при наличии достаточного количества воды на промыв.

Неравномерность распределения наносов по высоте потока предопределяет обязательное создание заранее заданной структуры потока, обеспечивающей прохождение наносов. Поэтому для лучшего возбуждения циркуляционных и винтовых течений высота перегораживающего устройства должна быть переменной по его длине и изменяется по высоте наполнения водотока.

Важно отметить то, чтобы при пропуске по подводящему каналу расчетного расхода не происходило подтопления потока в подводящем канале со стороны донной траншеи, поскольку при этом в канале понизится транспортирующая способность потока, уменьшая его живое сечение, т.е. должно соблюдаться условие P_{i ср.}≤h (где h - наполнение в подводящем канале при пропуске расчетного расхода, определяется гидравлическим расчетом; P_{i ср.} - высота донного порога в его средней части определяется как среднеарифметическое от P_{i нач.} и P_{i кон.}).

В отношении промывного отверстия можно отметить следующее. Габариты промывного отверстия должны соответствовать габаритам винтового течения, образующегося вдоль донной траншеи. Ширина промывного отверстия должна быть не менее P_{i кон.} и, для обеспечения незабиваемости отверстия наносами - не менее 1,5…2d _мак (здесь d _макс. - максимальный диаметр наносов). Минимальная высота промывного отверстия назначается равной его ширине.

Промывное отверстие с такими габаритами обеспечивает надежную и бесперебойную работу наносоотводящей траншеи, и использование затвора (щит), изменяющего на ширину промывного отверстия. Образование в одной траншее нескольких винтов улучшает транспорт, и удаление наносов в наносоотводящий канал.

Преимущество предложенного способа по сравнению с прототипом заключается в расширении диапазона регулирования с улучшением качества очистки воды от наносов, так как определенному уровню воды в канале соответствует и определенная интенсивность циркуляции потока. Все это в целом способствует захвату наносов и направлению их в нижнюю часть объема траншеи и далее, в наносотводящий канал за счет рационального конструирования перегораживающего устройства. Это означает то, что в наносоотводящей траншее особую роль имеет постоянство энергетичности потока за счет перераспределения объемов.

Преимущество по сравнению с прототипом заключается в осуществлении способа автоматического регулирования и снижении непроизводительных сбросов воды на промыв наносов до 5…10% в зависимости от изменения уровня воды в водотоках и позволяет более эффективно отводить наносы от транзитных каналов 18, не создавая гидравлического экрана.

Экономическая эффективность предлагаемого способа защиты транзитного канала заключается в объединении в одном технологическом цикле задач оптимального пропуска воды в транзитный канал и эффективной двухэтапной очистки воды от наносов.