Способы борьбы с заторами

13. Методы борьбы с заторами и зажорами на водозаборных сооружениях.

С появлением отрицательных температур воздуха в реке могут возникать ледовые образования: шуга, донный лед, забереги, ледостав и их разновидности. Их характер зависит от температуры воздуха, воды, ее скорости, глубин потока, конфигурации ложа русла и продуктов отложений на ее поверхности.

Шуга — это частицы льда, образованные в толще потока при охлаждении воды до температуры —0,02. —0,05 °С, а иногда до -0,1 °С. Донный лед— это также внутриводный лед, появляющийся на дне водотока, покрытого камнями, валунами и т. п. Забереги—неподвижный лед, расположенный у берегов и скрепленный с ними. Ледостав — установление и существование на водоемах и водотоках неподвижного ледяного состава.

Перечисленные выше ледовые явления создают заторы иди зажоры льда. Затор — скопление и нагромождение льда в русле, дополнительно стесняющие живое сечение и, как правило, приводящие к повышению уровней воды в месте скопления. Подплывающие льдины увлекаются потоком под остановившиеся либо выталкиваются на них, образуя торосы. Зажор— скопление шуги и других образований внутриводного льда в русле реки, также стесняющее живое сечение потока и приводящее к подпору, снижению пропускной способности русла или отверстия водопропускного сооружения.

Зажоры имеют обычно существенно большую длину по сравнению с заторами. Они возникают в результате остановки плывущих шуговых ковров и их смерзания. Внутриводный лед перемещается под формирующийся зажор, который может перекрывать пло­щадь живого сечения потока до 70. 85%. Таким образом в его зоне появляется дополнительный подпор. С гидравлической точки зрения затор—это местное гидравлическое сопротивление (внезапное сужение) с местным перепадом уровней, а зажор — участок водовода с повышенным сопротивлением и потерей напора по длине. Зажоры образуются чаще осенью в период ледостава и реже весной. Заторы возникают, как правило, весной, в период ледохода. Сформировавшиеся заторы и зажоры могут значительно повысить уровни воды, что в определенных условиях обусловливает появление наводнений, переливов воды через сооружения и вызывать значительные статические и динамические воздействия на элементы гидротехнических сооружений.

Для того чтобы правильно наметить технические мероприятия по борьбе с заторами и зажорами,

— заблаговременно внимательно определяют и изучают возможные места их образования. Характерные места заторов—участки реки, на которых меняется от большего к меньшему уклон и снижаются скорости потока, шуги и льда. Такие участки бывают в зоне соединения кривой подпора водохранилища с бытовыми уровнями, а также в устьях рек при впадении в море. Заторы возникают также в естественных руслах, представленных узкими горловинами.

— проводят мероприятия по борьбе с образованием заторов и зажоров.

— для борьбы с уже образовавшимися заторами и зажорами применяют технические средства, в зависимости от конкретных условий в отдельности или вместе в различном сочетании. Так, создание каскада гидротехнических сооружений практически полностью ликвидирует заторо- и зажорообразование. На отдельных гидроузлах заторы и зажоры смещаются в зону кривой подпора водохранилища. На небольших гидроузлах, чтобы предупредить образование заторов, в районе кривой подпора с помощью ледоколов создают вдоль водохранилища канал, свободный от льда, по которому поступающий с вышележащего участка лед транспортируется к водосбросной плотине и сбрасы­вается в нижний бьеф. Совместное сочетание работы ледокола с надлежащим маневрированием затворами водосборной

плотины позволяет достичь хороших результатов. Такие операции проводят 3. 4 раза в сутки. На крупных гидроузлах иногда оправдано устройство значительных акваторий, способных принять лед, поступающий с вышележащих участков реки.

Чтобы обеспечить более благоприятный транспорт льда на реках, проводят русловыправительные работы. При проектировании трассы для транспорта льда и шуги создают прямолинейные или плавно изгибающиеся участки. На поворотах водотока устраивают уширения, позволяющие транспортировать лед без заторов. При необходимости делают сооружения для задержания льда (кусты свай, полузапруды и т. п.). На Дубоссарском водохранилище в зоне кривой подпора заторообразование предотвращают путем устройств полузапруд (рис. 4.1). При выполнении русловыправительных работ стремятся к образованию однорукавного русла. Если русло имеет два рукава, то очертание разделительного острова должно быть остроугольным скругленным.

Возникновения заторов предупреждает также регулирование стока льда путем воздействия на процесс вскрытия реки: ослабление и разрушение льда или, наоборот, усиление ледяного покрова. Таким путем варьируют время возникновения ледохода на различных участках. Ослабление льда проводят .на участках возможного образования заторов. При малых глубинах для ослабления льда применяют ледорезные машины производительностью до 300 м/ч при толщине льда 1 м и ширине прорези 0,25 м. Имеются предложения использовать ледокольные гидропушки, служащие для устранения уже образовавшихся заторов. Институт географии АН СССР предложил ледовый струг с высокой производительностью (2. 4 км борозды при толщине льда 1 м). Для вскрытия реки или оперативной ликвидации заторов широко используют способ бомбометания с воздушно-технических средств. Взрывы ведутся против течения сериями, для того чтобы оторвавшиеся льдины могли перемещаться вниз по течению. Массу (кг) заряда определяют по следующей формуле:

где к—удельный расход взрывчатых веществ (0,3. . . 1,5 кг/м 3 ), зависит от условного диаметра майны, степени дробления льда и его разброса; w — расчетная линия сопротивления, ориентировочно принимаемая равной глуби­не погружения снаряда в воду, м. Ослабление льда достигается также путем опыления его зачерняющим материалом (уголь, сажа и др.). В этом случае отражательная способность льда или снега снижается до 10 -15% по сравнению со свежевыпавшим снегом, когда степень отражения солнечной радиации достигает 90%. Наиболее эффективен порошок черного цвета, имеющий диаметр частиц 0,2. 0,5 мм. Крупные частицы размером 0,5. 1 мм остаются на поверхности льда и не обладают проникающей способностью. Нормы расхода (г/м 2 ) зачерняющих материалов могут быть определены по следующей зависимости:

где у — средняя плотность зачерняющего материала, у=(1 . 1,4) •10 е г/м 3 ;

d — диаметр частиц зачерняющего материала, м.

Практически на 1 га площади требуется 0,5. 5 т зачерняющего материала.

Для уменьшения толщины льда применяют теплоизоляцию из снега, пенольда и т.п.

В местах, где требуется замедлить время вскрытия реки, проводят искусственное усиление ледяного покрова. Для этой цели с его поверхности зимой удаляют снег и намораживают лед. При необходимости его усиливают заанкериванием в берега путем вмораживания тросов, бревен, свай и т. п.

Различают следующие методы борьбы с зажорами: гидравлические, термические и механические. Гидравлические предусматривают создание таких скоростей потока, при которых шуга не образуется (0,4. 0,5 м/с). Такие методы осуществляют путем устройства водоподпорных сооружений, выправительных работ, создания поперечной циркуляции и т. п. Термические возможны при внесении в поток дополнительного тепла, например путем подачи более теплой воды из вышерасположенного водохранилища, создавая определенный режим эксплуатации гидроузла. Гидравлические и термические методы взаимосвязаны. Механические методы борьбы с зажорами и заторами имеют аналогичный характер. В нижнем бьефе следят за тем, чтобы шуга уходила дальше от гидроузла, в противном случае ее перемещают механическим путем с применением плавсредств и реже взрывным способом.

Источник

Способ борьбы с заторами и зажорами льда

Изобретение относится к регулированию ледового режима рек. Способ борьбы с заторами и зажорами льда заключается в подъеме глубинных вод при помощи воздушных пузырей, образующихся при выпуске сжатого воздуха от компрессора через перфорированные отверстиями трубопроводы, уложенные на дне водоема. Выпуск сжатого воздуха производят попеременно через каждый перфорированный трубопровод и/или через группу перфорированных трубопроводов, расположенных поперек русла, таким образом, чтобы последовательно возникали три колебательных режима системы воды — лед, приводящие к разрушению, продвижению и рассредоточению ледовых образований, из которых формируются заторы и зажоры, а именно, режим стоячей воды, режим бегущей волны по течению, режим бегущей волны против течения. Изобретение обеспечивает повышение эффективности предотвращения заторов и зажоров льда и исключение экологического ущерба без снижения надежности применяемого оборудования. 3 ил.

Изобретение относится к области гидрологии, в частности, к регулированию ледового режима рек.

Известны способы борьбы с заторами и зажорами льда путем бомбометания и взрывов. (Методические указания по борьбе с заторами и зажорами льда. ВСМ 02870. Минэнерго СССР, М., 1970г.) Применение указанных способов связано с большими затратами материальных и трудовых ресурсов и в большинстве случаев малоэффективно, поскольку при наличии воды под поверхностью льда и благодаря его пластичности взрывные устройства пробивают лед и взрываются в воде, не вызывая заметных разрушений льда. При этом уничтожаются рыбные запасы, обуславливая большой экологический ущерб.

Известны способы борьбы с ледовыми осложнениями созданием пневмозащитных барьеров (Колесникова Т. В. Защита берегового водозабора Пскова от шуголедовых осложнений. Водоснабжение и санитарная техника. 1984, 4; А.С. 1086063, бюл. 14, 1984г.; Колесникова Т.В. Гидравлика пневмобарьерных комплексов бесплотинных водозаборов насосных станций. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, СНЦ «Госэкомелиовод», М., 1999г.).

В указанных способах предупреждается поступление льда и шуги за счет подачи сжатого воздуха под уровень реки или другого водоема. Эти способы борьбы с ледовыми осложнениями более рациональны, поскольку не приводят к возможным разрушениям и экологическому ущербу по сравнению, например, с бомбометанием и взрывами.

Недостатком этих способов является их малая эффективность при разрушении крупных и прочных скоплений льда, уже образовавшихся в заторах. Способом, наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче, является способ предотвращения и разрушения ледовых образований путем использования энергии и тепла глубинных вод (Баланин В.В., Бородкин Б.С., Мелконян Г.И., Использование тепла глубинных вод водоемов. Изд. «Транспорт», 1964г.).

Этот способ заключается в подаче сжатого воздуха от компрессора в уложенные на дне водоема перфорированные отверстиями трубопроводы. При этом воздух подается непрерывно во все перфорированные отверстиями трубопроводы и при его выходе из отверстий образуются воздушные пузыри, которые за счет архимедовых сил поднимаются на поверхность, увлекая нижние слои воды к поверхности водоема. Расход воздуха и расположение отверстий в трубопроводах выбираются такими, чтобы придонные, более теплые слои воды достигали поверхности на требуемой площади акватории и за счет этого тепла, а также за счет сил, возникающих при взаимодействии со льдом воды, поднимаемой в виде гребня, происходило предотвращение или разрушение ледовых образований.

Недостатком этого способа является малая эффективность при борьбе с заторами льда. Связано это с тем, что используемого тепла и возникающих при этом сил взаимодействия со льдом при непрерывном подъеме глубинных вод, недостаточно для разрушения и разгона крупных ледовых фрагментов, формирующих затор.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности при предотвращении и разрушении заторов и зажоров льда и исключение экологического ущерба без снижения надежности применяемого оборудования.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе борьбы с ледовыми осложнениями, включающем подъем глубинных вод при помощи воздушных пузырей, образующихся при выпуске сжатого воздуха от компрессора через перфорированные отверстиями трубопроводы, уложенные на дне водоема, предлагается выпуск сжатого воздуха производить попеременно через каждый перфорированный трубопровод и/или через группу перфорированных трубопроводов, расположенных поперек русла, таким образом, чтобы последовательно возникали три колебательных режима системы вода — лед, приводящие к разрушению, продвижению и рассредоточению ледовых образований заторов и зажоров, при этом первый режим (режим стоячей волны) осуществляют путем одновременного выпуска воздуха из всех перфорированных трубопроводов первой из двух или более групп трубопроводов, на которые разделяют общее количество перфорированных трубопроводов, затем одновременного выпуска воздуха из всех трубопроводов второй группы, одновременно прекращая выпуск воздуха из трубопроводов первой группы, и так последовательно через все группы трубопроводов, второй режим (режим бегущей волны по течению) осуществляют путем последовательного выпуска воздуха из первого по течению реки перфорированного трубопровода, затем из второго и так до последнего по течению трубопровода с одновременным прекращением выпуска воздуха из каждого предыдущего трубопровода, третий режим (режим бегущей волны против течения) осуществляют путем последовательного выпуска воздуха из последнего по течению перфорированного трубопровода, затем из предпоследнего и так до первого по течению трубопровода с одновременным прекращением выпуска воздуха из каждого предыдущего трубопровода, причем частоту ) колебаний волн, связанных с попеременным выпуском воздуха из перфорированных трубопроводов, для всех трех колебательных режимов определяют по соотношению где H, м — средняя глубина водоема; h, м — средняя толщина ледового образования; меньшие значения коэффициента относятся к большей прочности и большей однородности ледовых образований, расстояние между перфорированными трубопроводами (l) определяют по соотношению где меньшие значения коэффициента относятся к меньшей прочности и меньшей однородности ледовых образований, при этом в каждой точке расходно-напорной характеристики компрессора должна обеспечиваться зависимость где Р, МПа и G, кг/с — соответственно давление нагнетания и производительность, n — частота вращения, компрессор должен иметь запас газодинамической устойчивости (К_у), удовлетворяющий зависимости K(25. 35)%, динамические напряжения (_Д) в элементах проточной части компрессора не должны превышать значений
_Д(20. 30) МПа,
политропический КПД (_пол) компрессора должен удовлетворять требованию
_пол88. 90%,
а исполнительные органы должны иметь быстродействие, обеспечивающее получение указанной частоты () колебательных процессов.

Это связано с тем, что известные способы, применяющиеся для борьбы с ледовыми осложнениями за счет поднимаемых потоков глубинных вод, принося количество тепла, достаточное для разрушения таких ледовых образований, как небольшие зажоры, не обеспечивают без многократного повышения мощности и производительности оборудования, т.е. больших нагрузок, вызывающих снижение надежности, и больших дополнительных затрат получение сил, необходимых для предупреждения, разрушения и разгона ледовых фрагментов, формирующих крупные заторы. Действительно, для разрушения заторов большой мощности, например, площадью около 10000 м 2 , требуются бомбы массой 250. 500 кг. При разрушении заторов закладкой зарядов в лед рекомендуется эмпирическая формула
q=kW 3 ,
где q — масса заряда, кг; W — глубина погружения заряда, м; k — удельный расход взрывчатки, кг/м 3 ; принимаемый в диапазоне k=0,3. 2,5.

В этом случае при W=1 м, к=1 и закладке зарядов по одному заряду на 30 м 2 потребуется на принятую выше площадь затора 10000 м 2 около 330 кг взрывчатки. Как показали расчеты, выполненные по экспериментальным данным, 1 кг взрывчатки при взрыве развивает силу около 5000 Н. Поэтому в приведенном выше примере при борьбе с затором площадью около 10000 м 2 сила, развиваемая при взрыве одной бомбы массой 250 кг, или зарядами, заложенными в лед (330 кг), составит 1250000. . . 1650000 Н. Известные же способы, основанные на подъеме глубинных вод, обычно могут обеспечить усилия, определяемые по эмпирическим формулам, полученным по экспериментальным данным

P=1,2 х 10 3 х h_Т 2 Q 2/3 ,
где Q — требуемый расход воздуха, приведенный к атмосферным условиям, м 3 /с; F — площадь поверхности ледообразования, м 2 ; 1_Т — теплосъем с ледообразования, кВт/м 2 ;
t — разность температур воды у дна и поверхности, o С; Р — суммарная сила, действующая на лед у поверхности воды, Н; h_T — глубина заложения выдувных воздушных трубопроводов.

Например, при указанной выше площади ледового образования 10000 м 2 , t= 1 o С, l_T=1 кВт/м 2 и h_T=10 м по указанным формулам получены числовые значения Q=0,15 м 3 /с и Р34000 Н.

Видно, что полученная в примере суммарная сила Р многократно меньше сил, получаемых, например, при бомбометании и взрывах. Для создания потоков глубинных вод, обладающих необходимыми энергетическими характеристиками, целесообразно периодическое изменение количества движения водяных потоков, приводящее к колебательным процессам типа бегущей и стоячей волны, характеризуемым частотами, укладывающимися в спектр частот собственных колебаний ледовых образований.

Связанные с этими процессами периодические возмущающие силы приводят к возникновению в ледовых образованиях вынужденных колебаний, обуславливающих возникновение резонансных колебаний, приводящих к многократному увеличению сил, разрушающих ледовые образования, что позволяет с большей эффективностью и меньшими энергетическими и трудовыми затратами решить поставленную задачу.

Как известно, спектр частот собственных (естественных) колебаний ледового покрова достаточно широк (Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед. -Л.: Гидрометеоиздат, 1980г. ) и может быть определен для продольных колебаний (растяжение, сжатие) и поперечных колебаний (изгиб, сдвиг) диапазонами значений от единиц килогерц до сотых долей герца.

Наиболее энергонесущий участок спектра занимает область частот от единиц до сотых долей герца, для которой характерны изгибные колебания ледового покрова. При формировании переменных водяных потоков проходит также возбуждение подледного слоя воды с образованием гравитационных волн. Совместные движения ледовой массы и массы воды, находящейся под ней, образуют изгибно-гравитационные волны.

В качестве резонансного, приводящего к максимальному возмущению ледового покрова и его последующему взламыванию целесообразно рассмотреть случай, когда изгибно-гравитационные волны распространяются одновременно в ледовом образовании и в воде с одинаковой скоростью (минимум на дисперсионной кривой). Для этого случая критические значения волнового числа (К), длины волны (), периода (Т) и фазовой скорости (С) для мелкой воды (К.Н 0 в трубопровод подается сжатый воздух. Интервалы времени t₁ = t₂..t_i выбирают такими, чтобы на фиг.3 частоты возмущающих сил _BC/ (частоты колебаний на режимах 1, 2, 3) обеспечивали на шкале вынужденных колебаний _BK попадание в зону частот собственных колебаний _CK, ограниченную линиями 1 и 2 при низких кратностях (желательно I_КР. V_КР).

Способ борьбы с заторами и зажорами льда, заключающийся в подъеме глубинных вод при помощи воздушных пузырей, образующихся при выпуске сжатого воздуха от компрессора через перфорированные отверстиями трубопроводы, уложенные на дне водоема, отличающийся тем, что выпуск сжатого воздуха производят попеременно через каждый перфорированный трубопровод и/или через группу перфорированных трубопроводов, расположенных поперек русла, таким образом, чтобы последовательно возникали три колебательных режима системы вода — лед, приводящие к разрушению, продвижению и рассредоточению ледовых образований заторов и зажоров, при этом первый режим (режим стоячей волны) осуществляют путем одновременного выпуска воздуха из всех перфорированных трубопроводов первой из двух или более групп трубопроводов, на которые разделяют общее количество перфорированных трубопроводов, затем одновременного выпуска воздуха из всех трубопроводов второй группы, одновременно прекращая выпуск воздуха из трубопроводов первой группы, и так последовательно через все группы трубопроводов, второй режим (режим бегущей волны по течению) осуществляют путем последовательного выпуска воздуха из первого по течению реки перфорированного трубопровода, затем из второго и так до последнего по течению трубопровода с одновременным прекращением выпуска воздуха из каждого предыдущего трубопровода, третий режим (режим бегущей волны против течения) осуществляют путем последовательного выпуска воздуха из последнего по течению перфорированного трубопровода, затем из предпоследнего и так до первого по течению трубопровода с одновременным прекращением выпуска воздуха из каждого предыдущего трубопровода, причем частоту ) колебаний волн, связанных с попеременным выпуском воздуха из перфорированных трубопроводов, для всех трех колебательных режимов определяют по соотношению

где Н, м — средняя глубина водоема, h;
м — средняя толщина ледового образования,
меньшие значения коэффициента относятся к большей прочности и большей однородности ледовых образований, расстояние между перфорированными трубопроводами (l) определяют по соотношению

где меньшие значения коэффициента относятся к меньшей прочности и меньшей однородности ледовых образований, при этом в каждой точке расходно-напорной характеристики компрессора должна обеспечиваться зависимость

где Р, МПа и G, кг/с, — соответственно давление нагнетания и производительность, n — частота вращения, компрессор должен иметь запас газодинамической устойчивости (К_у), удовлетворяющий зависимости
К_у(25. . . 35)%,
динамические напряжения (_Д) в элементах проточной части компрессора не должны превышать значений
_Д(20. . . 30) МПа,
политропический КПД (_пол) компрессора должен удовлетворять требованию
_пол88. 90%,
а исполнительные органы должны иметь быстродействие, обеспечивающее получение указанной частоты () колебательных процессов.

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.10.2009

Источник