Основы расчета городской водоотводящей сети хозяйственно-фекальных и производственных сточных вод

Особенности движения сточных вод в трубопроводах

 

Водоотводящая сеть работает в самотечном режиме при неполном заполнении, лишь при необходимости перекачки от насосных станций транспортирование сточных вод осуществляется в напорном режиме.

Неполное заполнение трубопроводов обеспечивает:

n вентиляцию сети;

n некоторый запас пропускной способности;

n лучшую транспортирующую способность.

Исследованиями установлено, что в трубопроводах хорошо транспортируются нерастворимые органические вещества и плохо минеральные (песок, шлак и другие), которые при неблагоприятных гидравлических условиях выпадают в осадок. Поэтому важнейшим условием проектирования сетей является обеспечение в трубопроводах необходимых скоростей движения сточных вод, исключающих образование в них плотных несмываемых отложений. Минимальные значения таких скоростей носят название самоочищающих или незаиливающих. Выпадению осадка способствует неравномерный режим движения сточных вод.

Причинами неравномерного движения сточных вод являются:

*                     изменение расходов по длине трубопровода;

*                     возникновение подпоров в местах местных сопротивлений;

*                     изменение уклонов трубопроводов и шероховатости стенок;

*                     изменение температуры;

*                     строительные дефекты.

 

Формулы для гидравлического расчета безнапорных трубопроводов

 

В целях упрощения расчета водоотводящих сетей производится предположение, что в них наблюдается установившееся равномерное движение жидкости.

Целью гидравлического расчета является определение по расходу сточных вод диаметра трубопровода, его уклона, наполнения и скорости движения сточных вод. Для этого используются следующие формулы:

;   ;    ;

 ;     ,  где

Q - расчетный расход сточных вод, м³/с;

d  - диаметр трубопровода, м;

- площадь живого сечения потока, м²;

- скорость движения сточных вод, м/с;

R - гидравлический радиус, м;

i   - уклон трубопровода, м;

h  - абсолютное наполнение в трубе, м;

C - коэффициент Шези.

Коэффициент Шези может быть определен по формуле Павловского Н.Н.

 , где

;

n - коэффициент шероховатости стенок трубопровода.

Расчет можно выполнять также с использованием формулы Федорова Н.Ф.

, где

 - коэффициент гидравлического трения;

- эквивалентная абсолютная шероховатость стенок;

а₂  - коэффициент, учитывающий характер шероховатости;

Re - число Рейнольдса.

.

В сооружениях на водоотводящих сетях возникают местные сопротивления. Потери напора на местные сопротивления определяются по формуле Вейсбаха:

, где

- коэффициент местного сопротивления.

Обычно в инженерных расчетах местные потери невелики и их не учитывают. Их следует учитывать при расчете крупных и ответственных сооружений.

 

Расчет напорных трубопроводов

 

Расчет напорных трубопроводов заключается в определении диаметра и потерь напора. Диаметр трубопровода при полном наполнении равен:

.

Скорость движения воды в трубопроводах рекомендуется принимать 1,5-2,5м/с,

потери напора находят по формуле Дарси:

.

Коэффициент может вычисляться по формуле Федорова Н.ф:

.

для длинных трубопроводов местные сопротивления учитываются в размере 10-15% от потерь по длине, для коротких трубопроводов местные сопротивления рассчитывают по формуле Вейсбаха.

Общие потери напора равны:

.

 

Формы поперечного сечения труб

 

Наибольшее распространение получили трубопроводы из труб круглого сечения. Эти трубы обладают рядом достоинств:

·      индустриальность строительства трубопроводов;

·      простота эксплуатации, прочистки;

·      являются гидравлически наивыгоднейшим и при определенном живом сечении обеспечивают пропуск наибольшего расхода.

Сечения труб можно подразделить на сжатые (рис.7б,в, и, к) и вытянутые (рис.7д-з).

h

b

h

2R

R

R

3R

R/2

h

R

2R

R/2

R/r

1,5R

3R

R

R/r

R

d

2R

2R

R

h

м)

л)

к)

и)

з)

ж)

е)

д)

г)

в)

б)

а)

 

Рис.7. Формы поперечного сечения труб и каналов.

а) круглое; б) полукруглое; в) шатровое; г) банкетное; д) яйцевидное; е) эллиптическое; ж)полукруглое с прямыми вставками; з) яйцевидное перевернутое; и) лотковое; к)пятиугольное; л)прямоугольное; м) трапецеидальное.

 

Трубы сжатых сечений целесообразно применять при небольших колебаниях расходов и наполнений трубопроводов. Эти режимы наблюдаются при отводе производственных сточных вод.

Трубы вытянутых сечений целесообразно применять при больших колебаниях расходов и наполнений. При прокладке таких труб требуется прокладка более узких траншей, поэтому их рекомендуется выполнять в стесненных условиях существующих застроек городов.

Банкетное сечение предназначено для отвода сточных вод с большими колебаниями расходов, например в общесплавных коллекторах.

При индустриализации строительства наибольшее преимущество имеют трубы тех форм сечений, которые можно выполнять с меньшим числом элементов по периметру трубопровода.

За пределами городов возможно применение каналов прямоугольного и трапецеидального сечения. Их широко используют для транспортирования сточных вод от сооружения к сооружению в пределах очистных станций.

 

Минимальные диаметры труб и максимальные наполнения

 

Диаметры трубопроводов определяют гидравлическим расчетом. При небольших расходах при определении диаметров диктующими являются эксплуатационные требования. Установлено, что уменьшение диаметра трубопровода ниже 150-200мм вызывает резкое увеличение количества засорений и в связи с этим увеличение затрат на их прочистку. Поэтому целесообразно в этих случаях пойти на некоторое увеличение диаметра труб, тем самым снизить затраты на эксплуатацию. На основании опыта эксплуатации рекомендуются следующие минимальные диаметры (таблица 2.1).

таблица 2.1.

Минимальные диаметры труб.

 

Система водоотведения.	значение минимальных диаметров, мм
	внутриквартальная сеть	уличная сеть
полная раздельная и полураздельная хозяйственно-фекальная сеть	150	200
дождевая сеть	200	250
общесплавная сеть	200	250

 

в практике проектирования на начальных участках водоотводящей сети при небольших расходах по расчету могут быть достаточными диаметры труб меньше минимальных, однако все же проектируются минимальные, которые больше расчетных, но с соблюдением соответствующих уклонов при прокладке.

Особой задачей является определение максимально возможной степени наполнения труб. Совершенно очевидно, что ее не следует принимать больше h/d = 0,95; при которой достигается максимальная пропускная способность труб. Наполнение рекомендуется принимать даже меньше этого значения. Причины этому изложены выше, но кроме того, при определении расчетных расходов коэффициент общей неравномерности не учитывает колебания расходов в пределах часа максимального притока. Секундный расход реально может быть больше максимального расчетного и для его пропуска должен быть предусмотрен резерв в сечении трубопровода. В трубопроводах в конце расчетного участка за счет неравномерного движения сточных вод уровни поверхности воды имеют форму кривых подпора и наполнение возрастает. Это возрастание может достигать полного не смотря на неполное расчетное наполнение. Трубопроводы подтопляются, вызывая ряд отрицательных последствий (отложение осадка).

По этим причинам максимальную величину наполнения h/d рекомендуется принимать:

 

d, мм	150-250	300-400	450-900	1000 и более
h/d	0,6	0,7	0,75	0,8

 

для дождевой сети полной раздельной системы и общесплавных сетей рекомендуется принимать полное заполнение, но при безнапорном движении в момент совпадения свободной поверхности воды с шелыгой трубы. Это объясняется тем, что полное наполнение достигается весьма редко, обычно один раз в 0,5-10 лет. Значительную часть времени эти трубы будут все же работать при неполном наполнении.

 

Минимальные и максимальные скорости движения сточных вод и уклон трубопроводов

 

Работа отводящих трубопроводов зависит от транспортирующей способности потока сточной жидкости в трубах. Установлено, что транспортирование потоком жидкости нерастворимых твердых частиц является следствием её турбулентного движения. Чем выше турбулент-ность, тем выше скорость движения жидкости, и тем больше транспортирующая способность. При малых скоростях движения жидкости твердые частицы опускаются на дно и образуют неподвижное плоское ложе из наносов. Наступление этого момента характеризуется тем, что часть частиц наносов начинает вибрировать, и, срываясь со своего места, перекатывается на некоторое расстояние, а отдельные частицы под воздействием потока перемещаются скачкообразно. Постепенное увеличение скорости приводит к увеличению общего числа частиц перемещаемых потоком, при этом уже значительная часть частиц движется скачкообразно. Дальнейшее возрастание скорости приводит к образованию гряд и движение частиц переходит в состояние грядового перемещения. Характерной особенностью этой формы перемещения является скачкообразное движение частиц поверх гряд. Достигая вершины гряды, частицы скатываются вниз, попадая в застойную зону, и там накапливаются, благодаря чему наблюдается медленное перемещение гряд. С некоторого момента времени частицы будут обладать такой большой скоростью, при которой, падая с гряды, они окажутся уже не в застойной зоне, а в подвижной зоне следующей гряды. В то же время часть частиц вовлекаются вихревыми массами воды внутрь потока. Вследствие неоднородного состава частиц процессы грядового перемещения и перемещения во взвешенном состоянии происходят одновременно. Переход движения частиц во взвешенное состояние сопровождается исчезновением гряд. Скорость движения жидкости, соответствующая этому состоянию, называется критической. Величина этой скорости тем больше, чем выше крупность частиц и их количество. При уменьшении скорости описанные процессы повторяются в обратном порядке.

Таким образом, транспортирование частиц в трубах и их самоочищение будет происходить при критических скоростях движения жидкости. Эти скорости называются самоочищающими или не заиливающими. При проектировании сетей эти скорости являются минимально допустимыми расчетными, которые допускаются при максимальных расходах. Учитывая, что при меньших расходах в связи с неравномерностью притока будут наблюдаться и меньшие скорости, то будет происходить выпадение осадка. Однако предполагается, что при последующем возрастании расходов до максимальных будет достигаться минимальная самоочищающая скорость и осадок будет смываться.

Минимальные самоочищающие скорости можно вычислить по формуле Н.Ф. Федорова:

, где

m = 3,5 - 0,5R;

R - гидравлический радиус, м;

или по формуле С.В. Яковлева:

, где

U₀ - гидравлическая крупность песка, м/с.

при проектировании сетей при максимальном наполнении принимают следующие минимальные скорости:

 

d, мм	150-200	300-400	450-500	600-800	900-1200	1500	> 1500
	0,7	0,8	0,9	1,0	1,15	1,3	1,5

 

максимальные скорости устанавливаются из условия исключения истирания стенок труб песком для неметаллических труб - 4,0м/с, для металлических труб - 8,0м/с. в дождевой сети эти скорости соответственно равны 7,0 м/с и 10 м/с.

минимально допустимые уклоны трубопроводов должны соответствовать минимальным самоочищающим скоростям и определяются в результате гидравлического расчета. Для труб минимальных диаметров, где в связи с возможными малыми расходами соблюдение само-очищающих скоростей становится невозможным, устанавливаются минимально допустимые уклоны:

d = 150мм ;                               d = 200мм;

i_MIN = 0,008.                             i_MIN = 0,007.

Допускается при обосновании принимать для труб диаметром 150 и 200 мм минимальные уклоны соответственно 0,007 и 0,005.

Значения минимальных уклонов для труб любого диаметра можно ориентировочно определить по формуле:

, где

d - диаметр трубы, мм.