29.10.2007
Podstawy wodociągów kanalizacji
Mgr B. Sajko
Ad. 1.2.1.
Ujęcia wody dla rzek średnich i dużych mogą być brzegowe, zatokowe, nurtowe i wieżowe.
Ujęcia brzegowe: budowane są dla wodociągów od wydajności Q ≤ 200 dm3/s i rzekach uregulowanych niosących małe ilości zawiesin, o prędkości v ≤ 0,3 m/s. Rozróżniamy ujęcia brzegowe:
Otwarte - składają się z kanału lub przewodu wlotowego, przez który woda płynie grawitacyjnie do studni zbiorczej lub rozdzielczej, usytuowanej na brzegu w pewnym oddaleniu (rys. 15, 16).
Brzegowo-komorowe (rys. 17, 18) - budowane są najczęściej przy brzegu z wysunięciem w koryto rzeki; w kształcie skrzyni z komorą przedzieloną wewnątrz ścianą na dwa mniejsze pomieszczenia - część osadowa i czerpna. Komora osadowa, do której dopływa woda przez okna czerpne jest zabezpieczona kratami (w oknach wlotowych). Jest to pierwszy stopień oczyszczania wody - przed dostawaniem się pływających lub zawieszonych w wodzie mechanicznych zanieczyszczeń, które mogłyby zatykać lub uszkodzić pompy. Kraty wykonane są z rurek lub prętów stalowych o prześwicie 50 ÷ 200 mm. Komora I jest jednocześnie osadnikiem dla drobnych i łatwo opadających zawiesin. Oddzielona jest od komory następnej progami. Wysokość progu 0,5 ÷ 1,0 m. Próg służy do zatrzymania zawiesin wleczonych po dnie komory. W II komorze (czerpnej) umieszczone są smoki przewodów ssawnych. Między komorami w dzielącej je ścianie wykonane są okna zasłonięte kratami gęstymi lub siatkami, które stanowią drugi mechaniczny stopień oczyszczania wody. Im otwory w siatkach są mniejsze tym bardziej musi być zmechanizowane ich czyszczenie. Kraty mogą być czyszczone mechanicznie lub ręcznie.
Wszystkie okna wlotowe do komory I osadowej muszą mieć możliwość szczelnego ich zamknięcia za pomocą zasuw płytowych lub szandorów (rys. 15, 16, 17), czyli bali drewnianych uszczelnionych i ułożonych w specjalnych na ten cel pozostawionych podłużnych pionowych wnękach. Okna czerpne mogą być usytuowane na różnych poziomach dostosowanych do poziomów stanów wody w rzece. Okna wlotowe powinny być umieszczone tak, aby dolna krawędź otworu znajdowała się co najmniej 0,5 ÷ 1,0 m nad dnem, a górna krawędź 0,75 ÷ 1,0 m poniżej najniższego poziomu wody. Górna krawędź powinna być ułożona 0,2 ÷ 0,3 m poniżej dolnej powierzchni pokrywy lodowej. Grubość pokrywy lodowej należy przyjąć o 1/3 większą od maksymalnej grubości lodu w rzece (z roczników hydrologicznych). Otwory najwyższe powinny być tak rozmieszczone, aby górna krawędź znajdowała się 1,0 ÷ 1,25 m poniżej najwyższego stanu wody w rzece.
Ujęcia te mogą być jedno- lub wielokomorowe. Między komorami ssawnymi ujęć wielokomorowych mogą być pozostawione otwory łączące komory, otwory zamykane zasuwami płytowymi. Ze względu na zabezpieczenie ciągłości pracy ujęcia, ujęcie powinno mieć co najmniej dwie komory krat, sit i smoków. Przy większej liczbie komór roboczych procent bezpieczeństwa ruchu powinien być ustalony ze względu na kategorię wodociągu, jednak nie powinien być mniejszy niż 25%.
Stacja pomp może znajdować się w pewnym oddaleniu od ujęcia lub w bezpośrednim jego sąsiedztwie. Wielkość okien czerpnych należy obliczać uwzględniając powierzchnię przekroju prętów kraty. W zależności od warunków lokalnych i zanieczyszczenia wody w obliczeniach należy uwzględniać zmniejszenie prześwitów kraty wskutek zatykania, które może wynosić 20% ÷ 50%. Straty ciśnienia na kracie nie powinny przekraczać 0,1 m słupa wody, a przy przepływie przez siatki 0,15 ÷ 0,3 m słupa wody.
Dla zabezpieczenia krat przed oblodzeniem należy stosować ogrzewanie elektryczne, parowe lub ciepłej wody. Konstrukcja ujęcia powinna być wykonana z materiałów trwałych i odpornych na działanie korozyjne wody oraz z materiałów mrozoodpornych. Budowla powinna być zabezpieczona przed uderzeniami pływającego lodu oraz przed naciskiem lodu w czasie od jego powstanie do momentu tajenia. W ujęciach tego typu należy przewidzieć tabor pływający, który umożliwi kontrolę ujęcia, remont krat, sit, smoków. W pomieszczeniach ujęcia należy przewidzieć miejsca do czyszczenia krat i sit, należy określić sposoby ich wyciągania i czyszczenia oraz w miarę potrzeby zastosować zabezpieczenia miejsc pracy balustradami, osłoną od deszczu, wiatru i mrozu.
Zatokowe (rys. 1, 2) - stosuje się je gdy wydajność wodociągu jest Q<200 dm3/s na rzekach o większej prędkości v>0,3 m/s, w których w okresie zimowym, zanim na rzece powstanie zwarta pokrywa lodowa, tworzy się śryż i lód denny, oraz na rzekach niosących dużą ilość mineralnych zawiesin ziarnistych, które zasypują czerpnię.
Zatoki mogą być wysunięte z brzegu (rys. 1a, b) lub zrównane z brzegiem (rys. 1e). Zatoki wysunięte poza brzeg rzeki zwężają jej koryto; w ten sposób zwiększa się prędkość przepływu i tworzą się wiry zmieniające naturalny przekrój rzeki.
Wejście do zatoki wykonuje się pod prąd lub z prądem (rys. 1a, b). Przy zatoce usytuowanej pod prąd zanieczyszczenia powierzchniowe niesione górnymi prądami będą wpływały do zatoki (linie ciągłe), natomiast prądy denne będą omijały zatokę (linia przerywana). Przy zatokach usytuowanych z prądem prądy górne będą zamulały zatokę zasypując przede wszystkim wejście do zatoki. Można temu zapobiec przez wykonanie obustronnego wejścia, lokalizując ujęcie wody w środku przy przegrodzie (rys. 1g). Ponadto usytuowanie zatoki może być równoległe do kierunku przepływu wody w rzece lub pod kątem (rys 1h, i). W zatoce przy zmniejszonej prędkości przepływu zawiesiny opadają na dno, natomiast na powierzchnię wypływa śryż, tworząc przy dalszym zamarzaniu pokrywę lodowa.
Ujęcie składa się z zatoki i umieszczonej w niej czerpni po przeciwległej stronie do wlotu do zatoki. Najczęściej stosowane są czerpnie typu brzegowego lub nurtowe oddalone od brzegu. Prędkość przepływu w kanale wlotowym nie powinna przekraczać 0,2 m/s i nie powinna być większa nić 25% prędkości wody w rzece. Ta prędkość zabezpiecza zatokę przed wpływaniem cięższych zanieczyszczeń niesionych z prądem. Głębokość zatoki odpowiada głębokości rzeki zwiększonej o 0,5 ÷ 1,0 m na gromadzenie osiadających zawiesin i piasku. Prędkość wody w zatoce powinna wynosić 0,05 ÷ 0,10 m/s i nie powinna być większa od prędkości wody w rzece w okresie tworzenia się śryżu. Okna wlotowe powinny być umieszczone tak, aby dolna krawędź otworu znajdowała się co najmniej 0,5 m nad dnem, a górna 0,2 ÷ 0,3 m poniżej dolnej powierzchni pokrywy lodowej (grubość pokrywy lodowej należy przyjąć o 1/3 większą od maksymalnej grubości lodu w rzece). Szerokość zatoki jest proporcjonalna do wymaganej pojemności oraz utrzymania średniej prędkości wody w zatoce. Szerokość zatoki powinna uwzględniać gabaryty sprzętu służącego do czyszczenia zatoki (około 2 razy do roku). Wlot do zatoki powinien mieć wymiary odpowiednie do sprzętu w/w.
Wlot do zatoki powinien posiadać zamknięcia, np. szambory, bramy. Pojemność zatoki powinna uwzględniać czas zatrzymania w niej wody na okres 0,5 ÷ 4 godzin przy stanie powodziowym. Korona obwałowania zatoki powinna być wyprowadzona ponad poziom wody stuletniej (katastrofalnej) o 1 m. Skarpy zatoki powinny być wzmocnione brukiem, trylinką, dryblami ułożonymi na warstwie infiltracji itp. Niekiedy zamiast zatoki lub równolegle z nią budowane są zbiorniki o głębokości 3 ÷ 5 m, o pojemności kilku- lub kilkunastodniowemu zapotrzebowaniu na wodę (zasilanie wodociągu w czasie trwania wysokich stanów wody).
Nurtowe - stosowane również gdy wydajność wodociągu jest mniejsza od 200 dm3/s i głębokość przy zmiennym poziomie wody przy brzegu jest mała. Ujęcie składa się z następujących podstawowych części: 1 - czerpni wody założonej w nurcie rzeki (głębokość rzeki w miejscu założenia czerpni ma być większa od 2,5 m), 2 - doprowadzenia wody do studni zbiorczej rurociągami dosyłowymi najczęściej grawitacyjnymi lub za pomocą lewara, 3 - studni zbiorczej zabudowanej na brzegu, 4 - komory czerpnej i stacji pomp (rozwiązanie podobne jak przy ujęciach w/w). Schematy ujęć: rys. 1, 2, 3, 4.
Woda przez wlot w nurcie rzeki dopływa grawitacyjnie rurociągiem dosyłowym lub lewarem do studni zbiorczej umieszczonej na brzegu, skąd przepływa do komory czerpnej, a następnie jest zasysana przewodami ssawnymi pomp i przetłaczana do następnych elementów wodociągu, np. stacji uzdatniania wody. Dla uruchomienia lewara oraz usuwania zbierającego się powietrza w górnej jego części stosowane są pompy próżniowe. Prędkość przepływu w przewodach grawitacyjnych powinna wynosić 0,7 ÷ 0,9 m/s (nie powoduje ona dużych strat hydraulicznych, a jednocześnie zapewnia samooczyszczenie rur z zawiesin).
Okresowo przewody czerpne należy płukać odwrotnym strumieniem wody. Czerpnie zanurzone mogą mieć kształt różny, np. w postaci perforowanej rury, kosza lub krótko obciętego przewodu zabezpieczonego na wlocie kratą, która zabezpiecza przed napływem części stałych do ujęcia. Smok wlotowy powinien być wykonany ze stali. Średnica przewodu grawitacyjnego wynosi 100 mm; stosuje się co najmniej dwa przewody. Dość często czerpnie osadzone są na ruchomych odcinkach rur i mogą być łatwo podnoszone (połączenia przegubowe) z wody w celu ich oczyszczenia (rys. 9). Na rzekach spławnych czerpnie powinny być oznakowane bojami lub tabliczkami na brzegach (rys. 11).
Prędkość wlotowa do czerpni powinna wynosić 0,2 m/s. Górna krawędź czerpni powinna być zatopiona na głębokości dwóch średnic jej wlotu, lecz nie mniej jak 0,5 m od najniższego poziomu wody, jednak nie mniej niż 0,3 m od dolnej krawędzi lodu. Dolna krawędź wlotu minimum 0,5 m powyżej dna.
Dla tego typu ujęć należy przewidzieć:
tabor pływający dla konserwacji i kontroli czerpni,
oznakowanie położenia miejsca smoka,
możliwość płukania czerpni odwrotnym strumieniem wody,
możliwość odpiaszczania najbliższego sąsiedztwa czerpni w korycie rzeki.
Wieżowe - budowane są dla ujęć z dużych głębokości w pewnym oddaleniu od brzegu (duże rzeki, jeziora, itp.). Czerpnie umieszcza się na jednym lub kilku poziomach. Stanowią one odmianę ujęć brzegowo-komorowych. Różnią się większą liczbą komór i większymi wymiarami. W zależności od lokalizacji kształt ujęcia w rzucie poziomym może być zbliżony do koła, elipsy lub do filara zabezpieczonego izbicą od strony napływu wody (rys. 15, 16, 17). Kołowe przekroje stosowane są przy głębokich, bardzo wolno płynących wodach, a wydłużone przy silnym prądzie i w miejscach narażonych na dynamiczne działanie lodu i spływającej kry. Ujęcia wieżowe powinny mieć co najmniej dwie komory krat i sit oraz smoków ze względu na zapewnienie ciągłości pracy ujęcia. W ujęciach tych okna i komory wykonywane są podobnie jak w ujęciach brzegowo-komorowych.