Гидравлический расчет и конструирование производственно-бытовой сети

 

Гидравлический расчет канализационной сети заключается в определении диаметров и уклонов прокладки трубопроводов, обеспечивающих самотечное движение сточных вод с незаиливающими скоростями на всех участках сети.

При гидравлическом расчете канализационных сетей используются следующие основные зависимости:

	,	(17)
	,	(18)
	,	(19)

где:  – скорость движения сточной жидкости по трубопроводу;

C – коэффициент Шези;

y – показатель степени, определяемый по формуле академика Н.Н.Павловского (19) (для приближенных расчетов можно принять y ≈ 0,167);

n ₁ – коэффициент шероховатости, принимаемый для самотечных коллекторов круглого сечения равным 0,014, а для напорных трубопроводов 0,013;

R – гидравлический радиус, м;

i – гидравлический уклон.

При расчете самотечных коллекторов гидравлический уклон допускается определять по формуле

,

(20)

где: g – ускорение силы тяжести, м/с²;

λ – коэффициент Дарси, учитывающий различную степень турбулентности потока и определяемый по формуле профессора Н.Ф.Федорова

,

(21)

где: Δ_э – эквивалентная шероховатость, см;

Re – число Рейнольдса;

a ₂ – безразмерный коэффициент, учитывающий характер шероховатости труб и каналов.

Для практического пользования формулами (17) – (21) составлены специальные таблицы [4].

При расчете канализационной сети вводятся следующие допущения:

· движение сточной жидкости в трубах равномерное, т. е. уклон дна трубы равен гидравлическому уклону, что позволяет применять формулы (17) – (21);

· весь расчетный расход участка поступает в его начале, величина расхода не меняется в пределах расчетного участка;

· местные потери при диаметрах труб менее 500 мм не учитываются, кроме потерь в специальных сооружениях на сети (дюкерах, перепадах и пр.), для труб диаметром более 500 мм целесообразно учитывать местные потери.

Выбранные диаметры и уклоны должны обеспечивать отведение расчетных расходов сточных вод при допустимых значениях скоростей  и степени наполнения труб  в соответствии с нормами (таблица 16 п.п.2.31 – 2.35 СНиП [3], см. также таблицу 3 Приложения 1 настоящего пособия):

	,	(22)
	.	(22)

При этом уклоны принимаются с учетом рельефа местности такими, чтобы обеспечить возможно меньшую глубину заложения сети; при плоском рельефе – минимальные уклоны i _min, при которых еще обеспечивается движение жидкости с незаиливающими скоростями.

Расчету подлежит каждый участок сети. По результатам расчета определяется глубина заложения каждого участка в начале и в конце его.

В таблице 8 для рассматриваемого нами примера приведен гидравлический расчет канализационной сети, начертание которой выполнено на плане населенного места на рис.2.

Последовательность заполнения ведомости, приведенной в таблице 8, такова.

Графы 1, 2, 3, 10 и 11 заполняются на основании решения схемы трассировки сети, определения высотных отметок местности в расчетных точках коллекторов по генеральному плану и результатов вычисления расчетных расходов (графа 15 таблицы 7).

Графы 4, 5, 7, 9 заполняются по данным таблиц [4]. После заполнения граф 4, 5, 7, 9 (выбор диаметров, уклонов трубопровода, расчетного наполнения и скорости транспортирования сточной жидкости) производится проверка на пропуск суммарного расчетного расхода и дополнительного притока поверхностных и грунтовых вод в периоды снеготаяния. С этой целью вычисляется суммарная длина трубопроводов  от начала канализационной сети до конца расчетного участка, включая длины всех притоков к расчетному участку, и удвоенный (для ориентировочного учета длины внутриквартальной сети) результат заносится в графу 19 ().

 

Величина дополнительного притока  (графа 20) определяется по зависимости

,

(23)

где:  – величина максимального суточного количества осадков, мм, определенная по СНиП [5] (см. Приложение 1).

Суммарный расход  (графа 21) определяется как сумма величин расходов, приведенных в графах 2 и 20.

В графу 22 по данным таблиц [4] заносится значение пропускной способности трубопровода  для выбранного диаметра и уклона при наполнении 0,95; полученное значение сравнивается с результатами графы 21. Если  ≥ , расчет на данном этапе можно считать завершенным. Если  < , необходимо выбрать трубопровод большего диаметра или проложить его с большим уклоном.

Падение трубопровода H (графа 6) определяется как произведение уклона i на участке (графа 5) на его длину l (графа 3):

.

(24)

Глубина потока воды в трубопроводе h (графа 8) вычисляется как произведение наполнения в коллекторе  на его диаметр (D, графа 4):

(25)

Определение глубины заложения коллектора в начальной точке (графа 16) производится из условия обеспечения дотекания сточных вод от точки площади стока, максимально удаленной от трассы коллектора, до самого коллектора с использованием зависимостей

	,	(26)
	,	(27)
	.	(28)

где: H ₁ – глубина заложения начальных и диктующих точек уличных коллекторов, м;

h _н – глубина заложения выпуска (из исходных данных задания), наиболее удаленного от расчетной точки, м;

i – уклон внутримикрорайонной сети, принимается по п.2.41 [3] (см. Приложение 1);

d – диаметр микрорайонной сети, принимается по п.2.33 [3] (см. Приложение 1);

L – длина внутримикрорайонной сети, м;

l – длина ветки от контрольного колодца до расчетной точки, м;

z ₁ – отметка поверхности земли у смотрового колодца в расчетной точке, м;

z ₂ – отметка поверхности земли у наиболее удаленного смотрового колодца внутримикрорайонной сети, м;

Δ – перепад между лотками труб внутримикрорайонной ветки и уличного коллектора, м;

h _м – глубина промерзания грунта, м, принимается по нормам [5] (см. Приложение 1);

D _{1 – 2} – диаметр коллектора на участке 1–2, м.

Значение H ₁ допускается принимать больше или меньше величины, вычисленной по выражениям (26) и (27) в зависимости от конкретных местных условий (наличие подвальных этажей, расположение подземных коммуникаций и т. д.).

Трубопроводы разных диаметров следует соединять по «шелыгам» труб. В то же время, при соответствующем обосновании допускается сопряжение труб на соседних участках по расчетным уровням воды («по воде»). При соединении «по шелыгам» отметка лотка начала каждого последующего участка (графа 14) принимается ниже отметки лотка конца предыдущего участка (графа 15) на величину разности между диаметрами этих участков (рис.3. а). При соединении «по воде» уравниваются отметки воды конца предыдущего (графа 13) и начала последующего (графа 12) участков (рис.3. б).

При любом способе сопряжения канализационных коллекторов необходимо следить за тем, чтобы отметка лотка и отметка воды в начале каждого участка не превышали одноименного показателя в конце предыдущего участка.

Рис.3. Схемы сопряжений трубопроводов:

а – «по шелыге»; б – «по воде»

 

Для овладения методикой расчета сети до приобретения устойчивых навыков и опыта рекомендуется, на первых порах при расчете каждого участка коллектора для наглядности и развития пространственного воображения, составлять рабочие схемы (рис.4), которые помогут быстро найти правильное решение.

Из рабочей расчетной схемы участка сети 1–2 (рис.4) видно, что если в первом (начальном) сечении известны глубины заложения дна трубы H _н и отметка поверхности земли , то по разности этих величин определяется отметка лотка (дна) трубы в этом сечении  (графа 14 таблицы 8).

Для вычисления отметки поверхности воды в первом сечении суммируют отметку лотка трубы и глубину воды h в трубе по данным графы 8 таблицы 8.

 

Рис.4 Рабочая схема для гидравлического расчета участка коллектора

 

Затем проводятся расчеты параметров второго (конечного) сечения участка 1–2.

Отметка лотка канала  и поверхности воды  определяются как разности соответствующих отметок первого сечения (в начале участка) и величины падения уклона трубопровода H на участке:

	;	(29)
	.	(30)

После этого обязательно нужно провести проверку величины :

.

(31)

В ходе расчета необходимо следить (особенно для участков сети, проектируемой в условиях плоского рельефа или мокрых плывунных грунтов, а также при вынужденной трассировке против естественного уклона местности), чтобы глубины заложения в конечных точках участков не превышали величин 5,5 – 6,0 м. Если по исходным данным задания уровень стояния грунтовых вод высокий, то в этих точках необходимо проектировать насосную станцию подкачки, поскольку строительство сети в водонасыщенных грунтах технически сложно и экономически нецелесообразно.

В начале расчетного участка, следующего после насосной станции подкачки, глубина заложения определяется по формулам (26) – (28).

В этом месте часто обнаруживают дефекты трассировки сети. Первый после насосной станции боковой приток в ряде случаев может иметь большую глубину заложения, что приводит к необходимости через один-два участка опять проектировать насосную станцию перекачки. Избежать этого можно, если перед гидравлическим расчетом будут ориентировочно определены глубины заложения в точках присоединения притоков к коллектору и приняты соответствующие меры (уменьшена глубина притоков за счет сокращения их протяженности и др.); для условий плоского рельефа можно перетрассировать сеть на отдельных участках в направлении, обратном движению стоков в главном коллекторе.

При составлении ведомости гидравлического расчета сети с целью создания равномерного режима движения сточных вод и исключения отложения осадков в трубах рекомендуется выполнение следующих условий:

1. Если расчет ведется не «по воде», а «по шелыгам» труб, необходима проверка отметок воды в трубах, в противном случае могут появиться участки, где отметки поверхности воды будут выше, чем на предыдущих, что недопустимо.

2. Скорости движения воды от участка к участку должны быть не меньше расчетных, а, следовательно, постепенно нарастать. Только для участков, на которых крутой рельеф переходит к спокойному, допускается убывание значения скорости движения воды, но при условии, что скорости на этих участках будут ниже расчетных и выпадение осадков на дно исключено.

3. Необходимо следить, чтобы скорости в боковых присоединениях были меньше или равны скорости в основном коллекторе. Исключения допускаются для трубопроводов с незначительными расходами по сравнению с расходом в основном коллекторе, а также в тех случаях, когда боковой приток подходит на меньшей глубине и необходимо устройство перепада.

4. Угол между присоединяемым и отводящим коллекторами должен быть не менее 90º; любой угол между трубопроводами допускается при устройстве колодца перепада в виде стояка.

5. Повороты на коллекторах необходимо предусматривать в колодцах, при этом радиус поворота лотка принимается не меньше диаметра трубы. В местах поворота трассы коллектора диаметром или высотой 1,2 м и более устраивают плавное закругление радиусом по оси канала не меньше пяти диаметров или пятикратной ширины коллектора, смотровые колодцы устраиваются при этом в начале и конце кривой закругления.

6. При гидравлическом расчете самотечных коллекторов бытовой канализации D > 500 мм на поворотах при слиянии потоков (когда диаметр притока D _{притока} > 400 мм), при наличии перепадов, рекомендуется учитывать местные сопротивления.

Все расчеты отметок поверхности воды, дна лотка и наполнения записываются в графах 8, 12, 13, 14 и 15 с точностью до третьего знака (до 1 мм). Глубины заложения округляются до второго знака (до 1 см).

По результатам гидравлического расчета (таблица 8) вычерчиваются профили боковых притоков и главных коллекторов. В курсовом проекте заданием предусматривается разработка чертежа профиля только одного главного коллектора (рис.5). Построение профиля главного коллектора – это начертание его на разрезе местности в плоскости трассы до главной канализационной насосной станции с учетом рельефа местности, глубины залегания грунтовых вод и подземных инженерных сооружений.

 

 

Рис.5. Профиль главного коллектора производственно-бытовой канализационной сети

 

В процессе вычерчивания профиля могут обнаруживаться конструктивные недостатки, неучтенные в процессе трассировки и расчета сети, что потребует внесения соответствующих корректив.

Основным недостатком может оказаться недооценка так называемых диктующих точек на всех боковых притоках к главному коллектору. В результате этого отметки поверхности воды в одном или двух притоках в точках присоединения к главному коллектору оказываются ниже, чем в основном коллекторе. В таких случаях может быть принято одно из следующих решений:

1. Пересмотреть уклоны на трассе бокового присоединения и принять минимально допустимые с учетом сохранения незаиливающих скоростей движения воды.

2. Уменьшить (если это допустимо по местным условиям) глубину заложения начальной диктующей точки.

3. Изменить трассировку сети на отдельных участках.

4. Предусмотреть устройство насосной станции перекачки.

Если группа зданий или целый микрорайон расположены на обратном скате необходимо или резко увеличивать глубину заложения коллектора, или устраивать насосную станцию малой производительности. В этом случае следует проработать вариант вывоза сточных вод, если такого рода вывозная система применяется в данных условиях для неканализованных и пригородных районов города.

Выбор места расположения дюкера производится с учетом местных условий: планировки города, ширины реки, геологических, гидрологических, санитарных условий и т. д. Следует учитывать также общую стоимость сети при выбранном месте расположения дюкера.

В случае большой глубины заложения коллектора на подходе к реке и невозможности самотечного подключения к коллектору на противоположном берегу могут быть рассмотрены следующие возможные варианты:

· изменение места расположения дюкера и трассировки сети на отдельных участках;

· устройство так называемого напорного дюкера, т. е. дюкера, имеющего вместо входной камеры насосную станцию перекачки.

В любом случае при наличии конкурирующих вариантов трассировки сети и устройством тех или иных сооружений (дюкеров, перепадных колодцев, насосных станций) необходимо произвести их технико-экономическое сравнение с учетом санитарной оценки каждого варианта.

Из всех этих рассуждений следует, что первоначальные схемы и наброски канализационной сети и произведенный гидравлический расчет должны рассматриваться только как первый прикидочный и ориентировочный вариант. На ватмане вычерчивается окончательный, откорректированный вариант решения канализационной сети населенного места.

На профиле коллектора (рис.5) в местах присоединения указываются отметки дна и диаметры труб боковых присоединений.

В качестве примера для принятых исходных данных по заданию № 11 и плану города (рис.2) на основании ранее проведенных расчетов расходов производственно-бытовой сети заполнена ведомость гидравлического расчета в таблице 8.

Расчетные расходы на участках сети, взятые из таблицы 7, записаны в графу 2 таблицы 8. Участок 1–2, транспортирующий расход q < 10 л/с, является безрасчетным. Для его прокладки выбирается труба минимально-допустимого диаметра (п.2.33 [3] или Приложение 1 D = 200 мм), проложенная с минимальным (п.2.41 [3]) уклоном i = 0,007 (Приложение 1). Значения скорости и заполнения для этого участка не выписываются.

Начальная глубина заложения определяется по формуле (26). Учитывая то, что глубина промерзания грунтов в Ленинградской области составляет 1,2 м [5], величину h _н определяют как

h _н = 1,2 – 0,3 = 0,9 м.

Для прокладки внутриквартальных сетей выбраны трубы D = 150 мм, проложенные с уклоном 0,008.

Длина внутриквартальной сети L и длина ветки от контрольного створа до расчетной точки l могут быть ориентировочно определены по генплану (рис.2, участки АВ и ВС).

Величина Z ₁ – Z ₂ определяется как разница высотных отметок точек С и А (рис.2).

Таким образом,

H = 0,9 + 0,008·(140 + 20) + (0,20 – 0,15) + (17,2 – 17,0) = 2,43 м.

Глубина заложения H = 2,43 м принята одинаковой для всех начальных участков канализационной сети левобережного района.

Для коллектора 24–25–26–27–Д₁–Д₂–8 правобережного района начальная глубина заложения составляет

H = 0,9 + 0,008·(270 + 30) + (0,20 – 0,!5) + (16,0 – 19,0) = 0,35 м.

В связи с тем, что из условий прочности над коллектором должен быть слой земли не менее 0,7 м, конструктивно принимаем начальную глубину заложения правобережного коллектора равной

H = 0,7 + 0,3 = 1,0 м.

Необходимо учесть, что в том случае, когда начальная глубина заложения чрезмерно велика (H > 3 м), следует рассмотреть варианты ее уменьшения:

· изменение разбивки микрорайона на площади стока для уменьшения длины внутриквартальных сетей и разности Z ₁ – Z ₂;

· принятие уклона прокладки внутриквартальных сетей равным 0,007;

· перетрассировка уличных сетей.

Дополнительный приток q _ad определяется по формуле (23). Для участка 1–2 величина L равна удвоенной длине этого участка:

L = 2·0,2 = 0,4 км;

для участка 2–3

L = 2·(0,2 + 0,32) = 1,04 км;

для участка 3 4

L = 2·(0,2 + 0,32 + 0,28 + 0,24) = 2,08 км

и т. д.

Величина m _d составляет для условий Ленинградской области 76 мм [5]. Дополнительный приток сточных вод во время дождя на участке 1–2 составляет

Выбор диаметров и уклонов прокладки трубопроводов производится по таблицам [4] интерполяцией.

Участки соединялись «шелыга в шелыгу» за исключением тех узлов, где это вызвало подтопление вышележащего участка. В этом случае соединение производилось «по воде». Для присоединения расчетного участка к безрасчетному, отметка воды в начале расчетного участка приравнивается к отметке дна трубы в конце безрасчетного.

При расчете участка Д₁–Д₂ использованы данные гидравлического расчета дюкера, который будет рассматриваться ниже. Присоединение участка Д₁–Д₂ к 27–Д₁ произведено «по дну».