Характерной особенностью рек, протекающих в горных и предгорных районах, является высокая мутность, т.е. большое содержание в воде твердого стока — наносов. Наносы могут быть взвешенными, присутствующими в толще воды, и влекомыми (донными), перекатывающимися по дну водотока. Присутствие в воде твердого стока объясняется различными причинами: водная эрозия, физическое и морозное выветривание на водосборной площади водотока, гравитационные процессы на склонах речных долин. Данным природным процессам способствует высокое размывающее воздействие водных потоков. Такое воздействие воды связано с большими уклонами и, как следствие, большими скоростями течения. Всё это в целом приводит к интенсивному насыщению горных рек и ручьев различными фракциями грунтов и скальных пород. Мутность воды может колебаться в очень больших пределах — в зависимости от водотока, его конкретного участка и сезона года. Для рек Северного Кавказа наибольшая мутность воды (50—96 % от годового количества) отмечается с конца весны по конец лета, когда на горных реках один за другим следуют периоды половодья и дождевых паводков. Осенью твёрдый сток незначителен (0—10 %), а зимой часто и вовсе практически отсутствует.
Значительное содержание в потоках воды наносов (высокая мутность) существенно затрудняет условия надежной эксплуатации различных водозаборных сооружений. К числу таких водозаборов также относятся водозаборы малых гидроэлектростанций. Опыт проектирования водозаборных узлов в горной местности привел к разработке специального типа таких сооружений — водозаборов с донной решеткой, объединенных с водосливной плотиной.
Водозабор с донной решеткой, проектируемый как часть водосливной плотины, должен решать три основные задачи:
– пропуск основной части наносов в нижний бьеф водосливной плотины;
– очистку забранной воды от наносов (полную или частичную);
– непрерывная подача очищенной воды в отводящий тракт.
Возводимый на горной реке водозаборный узел представляет собой набор сооружений, которые перегораживают водоток в виде поперечного створа. Стандартная компоновка водозаборного узла с донной решеткой в составе водосливной плотины предполагает следующие основные конструктивные элементы:
– водосливная (водосбросная) плотина;
– водозаборная решетчатая плотина;
– промывная камера.
Водосливная плотина предназначена для пропуска через створ водозаборного узла половодий и паводков. Она проектируется из монолитного железобетона и представляет собой один или несколько водосливных пролетов, разделенных бычками и ограниченных устоями. Горизонтальный порог водосливных пролетов обычно лишь незначительно возвышается над дном реки — это связано с тем, что в горных условиях любой подпертый объем воды, образуемый в верхнем бьефе, интенсивно заносится наносами (за один—три года). Повышенную отметку порога принимают только в тех случаях, когда низкие топографические отметки местности затрудняют забор воды на деривацию, что приводит к необходимости повышения общего напора на водозаборном узле. Конкретное значение отметки водосливного порога определяется расчетом из того условия, что пропуск воды через водосливную плотину должен наступать не ранее, чем уже начался пропуск воды через водозаборную решетчатую плотину, расположенную рядом. Иными словами, отметка порога водосливной плотины всегда несколько превышает отметку порога водозаборной решетчатой плотины. Ширина всех пролетов водосливной плотины определяется по результатам гидравлического расчета пропускной способности на пропуск расходов половодья или паводков. Затворы на пролетах обычно не предусматриваются, и перелив потока всегда осуществляется в автоматическом режиме. При наличии в русле реки слабых (размываемых) грунтов в проекте может быть предусмотрено крепление дна в нижнем бьефе плотины. Такое крепление выполняется в виде водобойного колодца с гасителями, в виде рисбермы из отдельных железобетонных плит, а также в виде каменной наброски на определенном участке реки.
Водозаборная решетчатая плотина предназначена для непосредственного забора из реки части ее водного стока. Располагаясь в поперечном створе реки, данная плотина сопрягается с водосливной плотины, являясь своеобразным ее продолжением. В конструктивном отношении водозаборная решетчатая плотина также выполняется из монолитного железобетона и во многом схожа с водосливной плотиной. Водосливные пороги устанавливаются на отметке, более низкой по сравнению с порогами водосливной плотины. Принципиальным отличием водозаборной решетчатой плотины от водосливной является размещение в ее водосливных порогах продольной галереи. Продольная галерея имеет поперечное сечение в виде лотка с крутонаклонным дном в сторону берега. Верх лотка перекрывается съемной стальной решеткой. Отметка расположения данной решетки соответствует отметке водосливного порога, при этом сама решетка устанавливается с некоторым наклоном в сторону нижнего бьефа. Водный поток переливается через пороги водозаборной плотины также, как через пороги водосливной плотины, но существенная часть расхода воды (до 100 %) проникает через зазоры в стальной решетке в продольную галерею и далее — в промывную камеру. При этом значительная доля влекомых наносов перекатывается над решеткой в нижний бьеф, не попадая в галерею. Разделение водозаборной решетчатой плотины на несколько пролетов позволяет осуществлять некоторое регулирование забираемых расходов воды, а также отключать отдельные пролеты для отчистки и ремонта решетки (т.к. она подвержена интенсивному износу). Для этих целей в пролеты устанавливаются плоские затворы.
Промывная камера предназначена для задержания той части влекомых наносов, которая всё же проникла через стальную решетку водозаборной решетчатой плотины в продольную галерею. Промывная камера представляет собой монолитную железобетонную конструкцию в виде глубокого лотка, и размещается в торце водозаборной решетчатой плотины, на одном из берегов реки. В верхней части лотка промывной камеры — в торце или боковой стенке — проектируется порог начального участка отводящего (деривационного) канала. Порог отводящего канала обязательно оснащается затвором. Наносы, попавшие в промывную камеру из продольной галереи, скапливаются на ее дне, а поток воды направляется через описанный высокий порог в отводящий канал и далее к потребителю. По мере накопления наносов на дне лотка камеры производится ее очистка с помощью периодического промыва. Для этого в двух противоположных торцах промывной камеры устанавливаются донные затворы: один затвор — со стороны верхнего бьефа, другой — со стороны нижнего. Очистка осуществляется подъемом обоих затворов. При этом поток воды из верхнего бьефа проходит вдоль промывной камеры в нижний бьеф, увлекая за собой скопившиеся на дне наносы. На время промыва камеры затвор на пороге отводящего канала закрывается.
Фактические топографические условия мест расположения водозаборных узлов весьма различаются. Поэтому при разработке проектной документации на такой водозабор реальное компоновочное решение его основных сооружений может быть подвергнут тем или иным модификациям. При этом состав данных сооружений может быть дополнен другими конструкциями, необходимыми на конкретной строительной площадке.
Основные компоновочные решения гидротехнических узлов в виде водозаборов с донными решетками позволяют производить отчистку в основном только от влекомой части твердого стока реки. Другая их часть — взвешенные наносы — большей частью попадают в отводящий канал. В случае, если содержание этих взвешенных наносов оказывается недопустимо большим, то в проекте предусматривается размещение специального сооружения — отстойника. В отстойнике за счет существенного увеличения живого сечения потока и падения скоростей течения происходит осаждение взвешенных наносов с последующим их удалением (методом промыва). Сами отстойники могут располагаться как в составе водозаборного узла (чаще), так и на трассе канала.