Водоотводящие системы и сооружения (часть 2)

Формирование дождевого стока

Рассмотрим бассейн стока площадью F, на который выпадает дождь (см. рис). Точка А – наиболее удаленная точка бассейна стока. При выпадении дождя стоки достигают точки Б, образуя линии равного времени добегания воды (изохроны). За 1 минуту точки Б достигают стоки с площади f₁, за вторую f₂ и т.д.

Толщина слоя осадка на площади постепенно изменяется по зависимости на графике. Расход в точке Б по истечении 1-й минуты будет: Q₁ = f₁h₁,
за вторую минуту: Q₂ = f₁h₂ + f₂h₁,
за третью: Q₃ = f₁h₃ + f₂h₂ + f₃h₁ и т.д.

Путем интегрирования расхода получается формула для любого времени T:

,

где i_t – интенсивность дождя.

Эта формула применима, если T меньше времени добегания воды от точки А (τ_c).

При T > τ_c:

.

Наконец, когда дождь кончился, формула стока примет следующий вид:

,

где T_д – продолжительность дождя.

Если площади f равномерно возрастают, т.е. f = F/τ_c, то максимальный расход будет равен произведению площади стока на среднюю интенсивность дождя при продолжительности t = τ_c:

,

Метод предельных интенсивностей

Сток водосбора, появляющийся при выпадении осадков, будет возрастать до некоторого максимума и затем убывать. Гидрограф стока представляет собой график расходов воды в различные периоды времени. Форма гидрографа зависит от многих факторов, в том числе от характеристики ливня и рельефа местности. Форма ветви подъема гидрографа зависит от интенсивности концентрации стока. На первой стадии выпадении дождя часть поступивших на водосбор осадков не будет участвовать в стоке вследствие аккумуляции воды на поверхности и потерь на фильтрацию. В процессе дальнейшего выпадения дождя потери будут уменьшаться, и все большее количество осадков будут участвовать в стоке. Поэтому расходы на ветви подъема гидрографа будут возрастать в экспоненциальной зависимости. Через некоторое время сток с самых удаленных частей водосбора достигнет замыкающего (расчетного) сечения и расходы перестанут расти. Уменьшению притока осадков будет соответствовать ветвь спада гидрографа.

Метод определения максимального расхода основан на допущении, что любой водосбор имеет время концентрации стока, равное времени добегания стока до замыкающего сечения. Данное допущение положено в основу так называемого метода предельных интенсивностей, который формулируется следующим образом:

Расход сточных вод в рассматриваемом сечении будет иметь максимальное значение в том случае, когда продолжительность расчетного дождя равна времени протока сточных вод от наиболее удаленной точки площади стока до рассчитываемого сечения (t_r).

Таким образом, из всего множества дождей, выпадающих на расчетную площадь стока, как бы выбирается дождь такой продолжительности, которая равнялась бы t_r.

Максимальный расход дождевого стока, рассчитанный по принципу предельных интенсивностей, определяется по следующей формуле:

Q_max = ΨFq_t,

где F – расчетная площадь,
Ψ – коэффициент стока,
q_t – максимальная из равновероятных интенсивностей, отвечающая продолжительности t, равной времени добегания от наиболее удаленной точки площади стока до расчетного сечения.

Расчетная продолжительность дождя

На рис. представлен квартал жилого массива, имеющий плоский рельеф местности. Согласно этой схеме, расчетная продолжительность дождя t_r равна времени добегания капли дождя от точки B до расчетного сечения А-А.

Формула для расчетной продолжительности дождя:

t_r = t_con + t_can + t_p.

Здесь:
1. t_con – продолжительность протекания дождевых вод до уличного лотка 2. Это так называемое время поверхностной концентрации. Для расчета предложена следующая формула:

,

где n – коэффициент шероховатости,
l_con – длина пути стока,
I – уклон поверхности,
i – интенсивность дождя по слою.

Однако такая формула применима только при правильно спланированных поверхностях без лотков, что, естественно, не всегда может быть обеспечено.

Многочисленными подсчетами установлено, что в городских условиях среднее время добегания воды колеблется от 5 до 10 мин. СНиП 2.04.03-85 рекомендует это время принимать равным 3…5 мин при наличии внутриквартальных закрытых дождевых сетей, а при их отсутствии – 5…10 мин.

2. t_can – продолжительность протекания дождевых вод по уличным лоткам до дождеприемника. Определяется по формуле:

,

где l_can – длина участков лотков,
v_сan – скорость течения в лотке,
0,021 – коэффициент, который учитывает постепенное нарастание скорости по мере наполнения лотков.

3. t_p – продолжительность протекания воды по подземным трубам до рассчитываемого сечения. Определяется по формуле:

,

где l_p – длина расчетных участков коллектора,
v_p – расчетные скорость течения на участках сети.

Таким образом, продолжительность дождя, по которой принимают соответствующую его интенсивность, можно представить в виде:

.

Свободная емкость дождевых коллекторов

Особенностью формирования дождевых стоков в канализационных коллекторах является не одновременность возникновения расчетных (максимальных) расходов на разных их участках. Нижние участки труб рассчитаны на большее время протекания, а значит, на дождь большей продолжительности, следовательно, меньшей интенсивности. Тогда при выпадении этого дождя верхние участки будут заполняться не полностью, т.к. они рассчитаны на меньшую продолжительность, следовательно, на большую интенсивность дождя.

Поэтому при возникновении расчетного расхода на одном участке другие будут работать с неполным заполнением.

Учет свободной емкости при расчете производится с помощью коэффициента β_e:

β_e = Q_p/Q_max,

где Q_p - расчетный расход,
Q_max - максимальный расход.

Значения коэффициента β_e зависят от того, каким образом происходит изменение интенсивности дождя во время его выпадения. Возможны 5 типов дождей:

1. Интенсивность дождя максимальна в начале: Вероятность выпадения такого дождя – 37%. Гидрограф стока описывается зависимостью:

,

где Q_max = AF/Tⁿ,
T - полное время добегания.

Коэффициент свободной емкости: β_I = 1-n.

2. Интенсивность дождя равномерна:

Вероятность выпадения такого дождя – 11%. Гидрограф стока описывается зависимостью:

.

Коэффициент свободной емкости: β_II = 1-0,5n.

3. Интенсивность максимальна в конце дождя:

Вероятность выпадения такого дождя – 13%. Гидрограф стока описывается зависимостью:

.

Коэффициент свободной емкости: β_III = 4/3(1-0,5n).

4. Интенсивность максимальна в середине (1) или два максимума (2).

Вероятность выпадения соответственно – 28% и 11%.

Коэффициент свободной емкости: β_IV = β_V = 1-0,5n.

Если рассчитать общий коэффициент β как средневзвешенное значение коэффициентов по вероятностям, то: β_e = 1-0,7n, если каждый дождь считать равновероятным, то: β_e = 1-0,5n.

Таким образом, используя коэффициент β_e, можно уменьшить расчетный расход:

Q_p = β_eQ_max,

или, наоборот, уменьшить уклон трубопровода при старом диаметре:

,

где i₀ – уклон трубопровода без учета свободной емкости.

Скорость воды рассчитывается при полном заполнении трубы, хотя на самом деле она увеличивается в 1/β_e раз.

При больших уклонах местности (i > 0,03): β_e = 1, а при i = 0,01…0,03: β_e = 1-0,35n.

Определение расчетных расходов дождевых вод

Для расчета расхода дождевых сточных вод используется принцип предельных интенсивностей:

q_max = ΨFq_t,

где q_t – максимальная интенсивность дождя продолжительностью t, равной времени протекания от наиболее удаленной точки площади стока до расчетного сечения,
F – площадь стока,
Ψ – коэффициент стока.

При переменном значении коэффициента стока:

,

- при постоянном значении коэффициента стока:

,

где t_con – время протекания от наиболее удаленной точки до уличного лотка,
t_can – время протекания по уличному лотку до дождеприемника,
t_p – время протекания по трубам от дождеприемника до расчетного сечения.

При расчете по методу предельных интенсивностей в момент максимального расхода в расчетном сечении коллектора на верхних участках возникает свободная емкость. Поэтому расчет дождевых коллекторов ведут не на максимальный, а на расчетный расход:

q_cal = β_eηq_max,

где β_e – коэффициент, учитывающий заполнение свободной емкости коллектора (зависит от n и уклона местности i),
η – коэффициент неравномерности выпадения дождя (табл.8 СНиП 2.04.03-85).

В практике бывают случаи, когда максимальный расход рассчитывают не по всей, а только по части площади стока:

· при резкой неравномерности распределения площадей стока по длине трассы,

· при значительной разнице в коэффициентах стока,

· при резком различии уклонов по трассе,

· при стоке с 2-х самостоятельных бассейнов.

Сток талых и поливомоечных вод

При расчете дождевой сети на часто повторяющиеся дожди малой интенсивности при периоде однократного превышения расчетной интенсивности дождя p = 0,25…0,33 и при большой площади бассейна стока необходимо проводить поверочные расчеты на сток талых вод.

Плотность свежевыпавшего снега составляет 0,07…0,14 г/см³, плотность снега к концу зимы ≈ 0,5 г/см³. При повышении температуры выше 0^oС начинается таяние снега с образованием плотной корки – наста. Снежный покров предохраняет почву от глубокого промерзания. В период таяния снег поглощает около 50 % солнечной энергии.

Наиболее простой способ расчета интенсивности снеготаяния – это способ с применением температурных коэффициентов:

q = k_cΣt₂,

где Σt₂ – сумма положительных среднесуточных значений температуры воздуха на высоте 2 м,
k_c – параметр, называется коэффициент стаивания, значение его составляет примерно 2,5…6 мм/^oС.

Для расчета среднего годового стока талых вод используют карты с изолиниями, а для расчета слоя суточных осадков применяют формулы со статистическими параметрами, например:

,

где – среднее значение суточного слоя осадков,
c_v – коэффициент вариации,
Ф – нормированное отклонение от среднего значения, находится по таблицам.

Для расчетов расхода от снегового стока используют формулу:

Q_сн = k₀k_yh_pF/(F+1)ⁿ,

где F – площадь водосборного бассейна,
k₀ – коэффициент дружности таяния снега,
k_y – коэффициент, учитывающий частичный вывоз и окучивание снега,
n – табличное значение, в зависимости от климатической зоны.

Сток поливомоечных вод из-за небольшого объема не учитывается при гидравлическом расчете сетей водоотведения, однако обязательно учитывается при расчетах загрязненности стоков для их очистки.

Объем поливомоечного стока за год:

Q_год = 0,09k_дорF_am,

где k_дор – доля площади дорог в городе (≈ 20 %),
F – площадь бассейна водосбора,
a_m – количество дней, в течение которых производится мойка (≈ 150).

Особенности проектирования дождевой водоотводящей сети

Трассировка дождевой сети производится по наикратчайшему расстоянию до места выпуска в водоем или в коллектор. При проектировании сетей дождевой системы водоотведения их наполнение принимают равным 1. С целью уменьшения размеров каналов подземная дождевая сеть должна иметь выпуски в ближайшие водоемы, тальвеги и овраги.

Трасса дождевой сети должна быть параллельной красным линиям застройки. При ширине проезда до 30 м трубопровод рекомендуется трассировать по середине проезда, при большей ширине – в зависимости от технической и экономической целесообразности коллекторы трассируют или по середине, или по обеим сторонам проезда.

Условия расположения коллекторов дождевой сети могут быть:

· благоприятными: бассейн стока имеет площадь не более 150 га и плоский рельеф при среднем уклоне поверхности 0,005 и меньше, коллектор проходит по водоразделу или в верхней части склона.

· средними: бассейн площадью более 150 га имеет плоский рельеф местности с уклоном 0,005 и менее, коллектор проходит в нижней части склона по тальвегу.

· неблагоприятные: коллектор проходит в нижней части склона, и площадь бассейна стока превышает 150 га; коллектор проходит по тальвегу с крутыми склонами.

Выпуск дождевых вод не допускается: в поверхностные водотоки, протекающие в пределах населенных пунктов, при скорости течения в них менее 5 см/с и расходах до 1 м³/с; в непроточные пруды; в водоемах в местах специально отведенных для пляжей; в водоемы рыбохозяйственного назначения (без специального согласования); в замкнутые овраги и лощины, подверженные заболачиванию; в размываемые овраги.

Трассирование, высотное проектирование труб и коллекторов дождевой канализации

Как известно, трассирование сетей водоотведения – это выбор наиболее целесообразного расположения трубопроводов и изображение их осей на плане объекта водоотведения.

Основной принцип трассировки дождевых сетей – сбор поверхностных вод с территории населенного места или промышленного предприятия и подача их к месту очистки или выпуску в водный объект наикратчайшим путем и по возможности самотеком.

I этап – разделение объекта водоотведения на бассейны водоотведения. Бассейны водоотведения ограничены границами застройки, берегами, водоразделами и тальвегами;

II этап – выбор площадки под очистную станцию и места выпуска очищенных стоков;

III этап – трассирование сетей внутри каждого бассейна водоотведения. Этот этап начинается с прокладки перехватывающих коллекторов, которые по возможности располагаются вдоль берегов или в тальвегах. Затем трассируют уличные коллекторы и магистрали таким образом, чтобы они по возможности соответствовали естественному уклону местности, т.е. пересекали горизонтали под прямым углом.

Перед насосными станциями и очистными сооружениями в необходимых случаях предусматривают регулирующие резервуары для сглаживания пиков расходов. Небольшие речки и ручьи можно включать в систему поверхностного водоотведения. Размещение уличных магистралей зависит от расположения дождеприемников. Регламентируются расстояния в плане от трубопроводов дождевой сети до фундаментов зданий, кабелей и других типов подземных коммуникаций.

Минимальная глубина заложения лотка труб определяется, как и в случае бытовой сети, по наибольшей из двух величин:

,

где h_пром – нормативная глубина промерзания,
d – диаметр трубы.

Глубина заложения дождеприемников для дорог оставляет не менее 1,13 м, для парковых зон – не менее 0,91 м.

Начальная глубина заложения уличной магистрали H определяется по следующей схеме:

H = h + i_пl_п + i_вl_в + Δ + (Z₁ – Z₂),

где h – глубина заложения наиболее удаленного дождеприемника,
i_п, l_п – уклон и длина присоединения от дождеприемника,
i_в, l_в – уклон и длина внутриквартальной сети,
Δ – перепад между внутриквартальной и уличной сетью,
Z₁, Z₂ – отметки поверхности земли у колодца уличной сети и удаленного дождеприемника.

Максимальная глубина заложения – такая же, как и для бытовой сети. Перепадные колодцы на сети дождевого водоотведения предусматриваются в тех же случаях, что и для бытовой сети.

Гидравлические закономерности движения дождевых стоков

Для дождевых потоков характерны следующие особенности:

1. Одновременное движение потока и увеличение его объема от бокового притока в него через дождеприемники новых масс воды; в этом случае расход потока является переменной по длине и во времени величиной;

2. Формирование потока в верхней части коллектора и сохранение его объема приблизительно постоянным на рассматриваемом участке, хотя волна дождевого потока при этом движется, меняя свою форму и как бы распластывается.

Движение дождевых вод в коллекторах является неустановившимся безнапорным. Это движение считается одномерным. Для его исследования используются методы математического моделирования, в частности, система дифференциальных уравнений Сен-Венана. На практике при расчетах уклон трения жидкости рассчитывают по зависимостям установившегося равномерного движения:

,

где λ – коэффициент гидравлического трения,
d_г – гидравлический диаметр,
v – средняя по сечению скорость,
Q – расход стоков,
K – модуль расхода, ,
ω – площадь живого сечения потока.

Для расчета коэффициента Шези можно использовать формулу Н.Н.Павловского, для расчета коэффициента λ – формулу Н.Ф.Федорова, которая справедлива во всех областях турбулентного движения.

По мнению А.М.Курганова, составленные на основе формулы Шези таблицы для расчета имеют завышенную пропускную способность труб при наполнениях (0,8…0,9) в среднем на 12 %. Для учета особенностей формирования воздушного потока, возникающего при неполных заполнениях труб, и влияния его на скорость течения воды вводится понятие приведенного гидравлического радиуса R_пр и приведенного модуля расхода K_пр:

R_пр = K_RR и K_пр = K_QK,

где K_R и K_Q – коэффициенты, зависящие от степени наполнения трубы.

При этом считается, что средняя скорость течения: во-первых, в круглой трубе не зависит от степени наполнения при глубине потока, большей половины диаметра, во-вторых, принимается равной соответствующему значению при полном заполнении.

Для лотков проезжей части расход Q и скорость v находятся по модулям расхода K и скорости W:

и ,

где i – уклон лотка.

Модули скорости и расхода зависят от ширины проезжей части L и наполнения h лотка у борта (см. рис).

Гидравлический расчет дождевой сети

Метод расчета дождевых сетей должен тесно увязывать метеорологические и гидравлические факторы действительных физических явлений. В ходе расчета определяются размеры и уклоны лотков, каналов и труб. Основным исходным данным является расчетный расход, который определяется по методу предельных интенсивностей прежде всего в зависимости от расчетного времени протока t_r до расчетного сечения. Как известно, это время складывается из трех величин:

t_r = t_con + t_can + t_p.

Здесь t_con – время поверхностной концентрации, принимается по СНиП 2.04.03-85 примерно от 2..3 до 10 минут. Время протока по уличным лоткам t_can до первого дождеприемника рассчитывается в зависимости от скорости воды в лотке, однако можно ориентировочно принять t_can = 1 мин. Наконец, время протока воды по дождевой сети принимается как сумма времени протока по отдельным участкам при расчетных для каждого участка расходах:

t_p = 0,017Σ(l_p/v_p),

где l_p – длина расчетных участков коллектора,
v_p – расчетные средние скорости на участках.

Главной особенностью гидравлического расчета дождевых сетей является то, что величина расчетного расхода (по которому принимается диаметр и уклон трубы) связана с продолжительностью протока по сети, а значит, зависит от диаметра и уклона. По этой причине весь расчет приходится производить методом последовательных приближений.

Итак, гидравлический расчет необходимо проводить в следующем порядке:

1. Производится трассировка дождевой сети и разбивка кварталов на площади стока, с последующим определением величин площадей стока.

2. Строится вспомогательный график (см. рис) зависимости интенсивности q_t от времени протока по трубам t_p (при принятых значениях t_con и t_can):

,

где η – коэффициент неравномерности выпадения дождя, β_e – коэффициент, учитывающий заполнение свободной емкости коллектора, z_mid – средневзвешенное значение коэффициента покрова, A и n – параметры, зависящие от географического расположения.

Расчет начинается, как правило, с наиболее длинного коллектора бассейна. Задается скорость протока v_p на расчетном участке (например, 0,8 м/с). Для первого (верхового) участка определяется время протока по трубам t_p, по вспомогательному графику находится интенсивность, соответствующая этому времени, затем рассчитывается сам расчетный расход:

q_cal = q_tF,

где F – площадь стока, примыкающая к расчетному участку.

3. Для последующих участков время протока t_p обязательно суммируется с временем протока на всех предыдущих участках.

Если расчетный расход окажется меньше расхода на предыдущем участке, его принимают равным расходу на вышележащем участке.

4. По соответствующим таблицам или номограммам находится уклон и диаметр трубы (при полном заполнении) таким образом, чтобы пропускная способность и скорость течения в ней отличались от ранее заданных значений q_cal и v_p не более чем на 10%. Если предварительно заданная скорость все же отличается от вычисленной, следует повторить расчет при вычисленной скорости и скорректировать значение расхода.

5. Производится определение отметок и глубин заложения труб, а также высотное проектирование сети. Строятся продольные профили коллекторов.

Напорный режим работы дождевой сети

С увеличением уклона сети ее пропускная способность значительно увеличивается, а сечение трубопровода уменьшается. Однако это ведет к значительному заглублению сети. Увеличивать пропускную способность трубопровода можно за счет использования напорного режима работы сети, что особенно выгодно при малых уклонах местности (см. рис.).

При полном наполнении трубы расходы, пропускаемые ею, пропорциональны квадратному корню из уклонов:

,

где Q_н – максимальная пропускная способность труб при напорном режиме,
Q_с – то же, при безнапорном режиме,
I_тр – уклон трубы (коллектора),
I_н – добавочный напорный уклон, равный H/L (H – начальная глубина заложения, L – длина коллектора),
h – падение коллектора.

Из этой формулы видно, что наибольшее увеличение пропускной способности при напорном режиме имеет место у коротких коллекторов, уложенных с большим начальным заглублением и малыми уклонами дна трубы.

При расчете сети с напорным режимом движения наибольшее распространение получил метод Н.Н.Белова. Этот метод позволяет рассчитывать сеть так же, как при самотечном режиме, но с введением поправочного коэффициента k_н, влияющего на снижение расчетного расхода, получившего название коэффициента напорности.

Тогда удельная интенсивность будет вычисляться по следующей формуле:

q_уд = qk_н,

где q – интенсивность дождя без учета напорного режима работы сети.

Коэффициент напорности может быть вычислен по формуле Н.Н.Белова:

,

где a = H/h,
n – показатель в формуле зависимости интенсивности дождя от его продолжительности.

Для практических расчетов напорной сети могут быть использованы графики, составленные по этой формуле.

Регулирование дождевого стока

Регулирование дождевых вод в системах водоотведения, направленное на снижение величины расчетного расхода и выравнивание стока, позволяет уменьшить диаметры трубопроводов перед отводными коллекторами большой протяженности, понизить мощность насосных станций и очистных сооружений.

На практике рекомендуют три основные схемы включения регулирующих емкостей в общую систему водоотведения (см. рис).

При подключении по схеме 1 весь расход дождевых вод подводится к резервуару по трубе большого диаметра с одновременным отводом части расхода по трубе малого диаметра (опорожнением резервуара). По схеме 2 на подводящем дождевом коллекторе устраиваются разделительные камеры, через которые часть дождевого стока направляется в регулирующие емкости. Опорожнение происходит через насосную станцию. Схема 3 похожа на схему 2, только опорожнение резервуара происходит самотеком через трубу малого диаметра.

Максимальный расход Q_max на подходе к разделительной камере или резервуару следует определять при значении коэффициента заполнения свободной емкости β = 1. На следующем рисунке приведены расчетные схемы для определения объемов регулирующих резервуаров.

В этих схемах Q₀ = Q_max. Рабочая емкость резервуара определяется верхней частью гидрографа стока, ограниченной снизу линией, характеризующей расход Q_р, идущий в обход резервуара, или расход, вытекающий из резервуара. Тогда регулирующий объем определяется по заштрихованной площади на рисунке.

Соотношение между расходом Q_р, идущим в обход резервуара и максимальным Q_max называют коэффициентом регулирования α:

α = Q_р/Q_max.

Коэффициент регулирования опорожнения α_оп (для схемы 3) показывает, какая часть наибольшего расхода, поступающего в резервуар, вытекает из него:

α_оп = Q_оп/(Q_max – Q_р).

Для определения рабочей емкости регулирующих резервуаров следует использовать формулу:

W = Q_maxt_rk,

где Q_max – значение расчетного расхода, определенное по методу предельных интенсивностей,
t_r – время добегания до расчетного створа,
k – коэффициент объема регулирующего резервуара, зависит от α , n, α_оп. 

Особенности проектирования полураздельной системы водоотведения

При полураздельной системе водоотведения устраивают две водоотводящие сети – производственно-бытовая, которая служит для отвода бытовых и производственных вод, и дождевая, которая служит для отвода атмосферных и поливомоечных вод. Главный коллектор прокладывают один – общесплавной, по которому все бытовые и производственные стоки и часть наиболее загрязненных атмосферных вод подаются на очистные сооружения. Дождевая сеть к общесплавному коллектору присоединяется через разделительные камеры, которые при интенсивных ливнях, превышающих принятый предельный дождь, сбрасывают часть дождевого стока в водоем.

Все коллекторы проектируются на работу в условиях безнапорного режима движения жидкости. Поэтому принципы составления схем сетей и трассировки уличных трубопроводов аналогичны принципам трассировки полной раздельной системы.

Вся территория канализуемого объекта разбивается на бассейны водоотведения. Коллекторы бассейнов водоотведения трассируют по тальвегам в направлении, совпадающем с уклоном местности. Уличная сеть трассируется от линии водораздела к коллекторам, что обеспечивает совпадение их направления с уклоном местности. Главный общесплавной коллектор трассируют вдоль водоема. При устройстве разделительных камер и необходимости сброса части дождевого стока в водоем требуется устройство ливнеотводов от коллектора до водоема.

Число бассейнов бытовой сети может не совпадать с числом бассейнов дождевой сети. Увеличение числа бассейнов дождевой сети приводит к уменьшению диаметров труб, но одновременно к увеличению числа разделительных камер и ливнеотводов.

Общесплавной коллектор может принимать по пути бытовые и производственные стоки с прилегающих кварталов, однако поверхностный сток следует отводить только в дождевую сеть.

Разделительные камеры могут выполняться в виде боковых или торцевых водосливов, а также с разделительной стенкой. Конструкции разделительных камер должны удовлетворять следующим условиям:

· При выпадении дождей с интенсивностью, меньшей интенсивности принятого предельного дождя, весь поверхностный сток должен поступать в общесплавной коллектор. В противном случае в главный коллектор должен поступать расход дождевого стока, равный расходу, вычисленному по интенсивности предельного дождя.

· Не допускается сброс в водоем смеси бытовых, производственных и дождевых стоков во время дождей через разделительные камеры, даже в случае возникновения в главном коллекторе напорного режима.

Одновременно с выбором схем водоотводящей сети следует решать вопрос и об определении числа и мест расположения регулирующих резервуаров, которые располагают перед насосными станциями, очистными сооружениями и протяженными коллекторами.

При реконструкции полной раздельной системы требуется:

· устройство разделительных камер на выпусках дождевой сети,

· увеличение пропускной способности главного коллектора,

· увеличение пропускной способности насосных станций,

· прокладка дополнительной нитки напорного трубопровода.

Увеличение пропускной способности главного коллектора может осуществляться двумя способами:

· Устройством дополнительного разгрузочного коллектора специально для дождевых вод;

· Устройством дополнительного коллектора, для пропуска всей смеси стоков, пропорционально диаметру.

Интенсивность и расход предельного дождя

Главный коллектор полураздельной системы водоотведения рассчитывается на пропуск суммарного расхода производственно-бытовых сточных вод и расхода от так называемого предельного дождя. Под предельным понимают дождь предельной (т.е. наибольшей) интенсивности, при которой еще не происходит сброса дождевых сточных вод в водоем и весь их расход поступает в главный коллектор и далее – на очистные сооружения.

Считается, что дожди интенсивностью 7…12 л/с на 1 га при 20-минутной продолжительности обеспечивают смыв всех загрязнений с поверхности крыш, проездов, тротуаров и концентрация загрязнений изменяется незначительно в течение всей продолжительности дождя. Эта интенсивность соответствует повторяемости 10…20 раз в году. Поэтому период однократного превышения расчетной интенсивности предельного дождя P_lim рекомендуется принимать 0,05–0,1 год с учетом мощности водоема и качества воды в нем. При этом на очистку будет поступать не менее 70 % годового объема дождевого стока и весь талый и поливомоечный сток.

Для определения расхода от предельного дождя, поступающего в главный коллектор от разделительной камеры, используют понятие коэффициента разделения K_div. Этот коэффициент показывает, какая часть дождевого стока отводится на очистку через разделительную камеру (см. рис).

K_div = Q_lim/Q_r,

где Q_lim – расход от предельного дождя,
Q_r – расчетный расход дождевых стоков, определяемый при β = 1.

Коэффициент разделения определяется по СНиП 2.04.03-85 в зависимости от соотношения:

,

где m_r и γ – параметры, принимаемые по п.2.12 СНиП 2.04.03-85,
P_cal – повторяемость расчетного дождя.

Гидравлический расчет сетей полураздельной системы водоотведения

Гидравлический расчет бытовой и дождевой сетей полураздельной системы водоотведения до главного коллектора производится так же, как и расчет соответствующих сетей полной раздельной системы. Главный общесплавной коллектор, как известно, рассчитывается на пропуск суммы расходов производственно-бытовых стоков и расхода от предельного дождя:

q_mix = q_cit + Σq_lim,

где q_mix – расчетный расход смеси стоков в главном коллекторе,
q_cit – максимальный расчетный расход производственных и бытовых стоков с учетом коэффициента неравномерности,
Σq_lim – сумма предельных расходов дождевых вод, подаваемых в главный коллектор от каждой разделительной камеры, расположенной до рассчитываемого участка.

Предельный расход дождевых вод в главном коллекторе может быть определен двумя способами:

1 способ — путем пересчета всей дождевой сети на случай выпадения дождя предельной интенсивности, т.е. определяются расходы, скорости и наполнения при рассчитанных ранее (на пропуск расчетного дождевого расхода) диаметрах и уклонах труб. Время протока от самой удаленной точки бассейна стока до расчетного сечения будет больше, так как прежде всего уменьшается скорость течения по трубам из-за неполного их заполнения. Этот способ расчета трудоемкий, поскольку требует определения времени протока и расхода на всех расчетных участках дождевой сети.

2 способ — более простой, с использованием коэффициента разделения:

q_lim = K_divq_r,

где q_r – расчетный расход дождевых вод, подходящий к разделительной камере.

Коэффициент разделения определяется по зависимостям и таблицам, приведенным в СНиП 2.04.03-85.

Трубопроводы главного общесплавного коллектора рассчитываются на полное их заполнение. Расчет ведется в табличной форме. После того, как был выбран диаметр и уклон главного коллектора, его проверяют на пропуск расхода в сухую погоду q_cit. Если величина наполнения и скорость потока при q_cit соответствуют требованиям СНиП, то диаметр и уклон подобраны правильно. Если же скорость в сухую погоду получилась меньше допустимой, необходимо увеличить уклон.

Сопряжение труб производится шелыга в шелыгу. При этом следует проверять, чтобы в сети не подпора в сухую погоду.

Особенности проектирования общесплавной системы водоотведения

При общесплавной системе устраивается одна водоотводящая сеть, по которой отводятся сточные воды всех видов. В период интенсивных ливней, которые повторяются сравнительно редко, расход дождевых вод значительно превышает расход бытовых и производственных стоков. Степень загрязнения смеси сточных вод уменьшается, поэтому оказывается возможным сбрасывать часть этой смеси в водоем без очистки.

Сброс воды производится через специальные сооружения – ливнеспуски, которые по конструкции аналогичны разделительным камерам в полураздельной системе водоотведения. Ливнеспуски располагаются чаще всего на главном коллекторе. Трубопроводы от ливнеспусков к водоему называются ливнеотводами.

Общие принципы решения схем сетей этой системы аналогичны принципам решения схем бытовых сетей полных раздельных систем водоотведения. Наиболее рациональная из них – пересеченная с расположением главного коллектора вдоль реки. При двух или нескольких водных протоках возможно применение параллельной или зонной схемы.

При высоком уровне воды в водоеме и сложных гидрогеологических условиях главный коллектор строят закрытым тоннельным способом с большим заглублением. В этом случае ливнеспуски располагаются в конце коллекторов бассейна водоотведения. Схема с такими коллекторами позволяет с минимальными затратами в перспективе переходить на полураздельную систему, которая является лучшей в санитарно-гигиеническом отношении. Кроме этого, коллектор глубокого заложения позволяет отказаться от устройства районных насосных станций, которые крайне нежелательны из-за высокой стоимости и больших эксплуатационных затрат.

Гидравлический расчет общесплавной системы водоотведения

Расчетный расход смеси стоков на участках общесплавной системы до первого ливнеспуска определяется как сумма расходов производственно-бытовых стоков q_cit и дождевых вод от дождя расчетной интенсивности q_r:

q_gen = q_cit + q_r.

Расчетный расход на участках главного коллектора после первого и каждого последующего ливнеспуска следует определять по формуле:

q_gen = q_cit + Σq_lim + q_r,

где q_r – расход дождевых вод с бассейна стока между последним ливнеспуском и расчетным сечением. На поясняющем рисунке этот бассейн стока заштрихован,
Σq_lim – сумма несбрасываемых расходов дождевых вод в водоем через ливнеспуски. Несбрасываемые расходы приравниваются к предельным.

Предельные расходы от ливнеспусков определяются так же, как и при расчете полураздельной системы, по коэффициенту разделения.

Загрязненность поверхностного стока

Загрязнение поверхностного стока зависит от множества факторов, которые можно объединить в следующие группы: климатические условия, санитарное состояние бассейна водосбора и закономерности движения в дождевой сети.

Климатические условия: интенсивность и продолжительность дождя, частота выпадения и количество осадков, продолжительность таяния снега и т.д.

Состояние бассейна водосбора: уровень благоустройства, род поверхностного покрова, степень загрязнения атмосферы, интенсивность движения автотранспорта и т.д.

Образующийся поверхностный сток смывает и выносит с потоком растворимые и нерастворимые примеси. Кроме этого, атмосферные воды в результате сорбирования на поверхности гидроаэрозоля частиц пыли и газа начинают загрязняться еще в приземных слоях. Основными источниками загрязнения на городской территории являются продукты эрозии почвы, пыль, строительные материалы, выбросы в атмосферы, нефтепродукты от автотранспорта.

Характерными загрязнителями для поверхностного стока являются взвешенные вещества. Органические вещества в суспензированном виде занимают примерно 90 % общего количества окисляющихся веществ, содержащихся в поверхностном стоке.

Концентрация всех примесей в стоке во многом зависит от интенсивности выпадения осадков, продолжительности периода сухой погоды и предшествующего дождя. С увеличением интенсивности осадков увеличивается расход дождевого стока и, следовательно, увеличивается его несущая способность. Продолжительность сухого периода обуславливает накопление примесей на территории водосборного бассейна.

Концентрация примесей в дождевом стоке существенно меняется, – как привило, она быстро возрастает до максимума и далее уменьшается к концу дождя.

Важное значение при проектировании очистных сооружений имеет зависимость годового объема дождевого стока и количества загрязнений от интенсивности выпадения осадков, которая выражается повторяемостью p. Установлено, что основную массу загрязнений выносят часто повторяющиеся дожди относительно малой интенсивности. Дожди же большой интенсивности – ливни, хотя и образуют поток с большим количеством воды, но повторяются очень редко и не наносят большого ущерба водоемам ввиду малой загрязненности.

На территории современного благоустроенного города можно условно выделить 4 района, концентрация загрязнений в поверхностном стоке от которых существенно различается:

· жилые районы с умеренной интенсивностью движения транспорта,

· новые жилые районы со средней интенсивностью,

· районы с преобладанием складских и промышленных территорий,

· автомагистрали.

Все промышленные предприятия в зависимости от физико-химического состава поверхностного стока разделяются на две группы.

К первой группе относят предприятия, для которых основными примесями стока являются грубодисперсные вещества, сорбированные главным образом на взвешенных веществах (черная металлургия, машиностроение, электротехника, угольная, нефтяная, легкая, пищевая промышленность, энергетика, порты, ремонтные заводы, и т.д.). Ко второй группе относят предприятия, для которых в настоящее время характерно поступление специфических веществ – цветная металлургия, коксохимическая, химическая, лесохимическая, целлюлозно-бумажная промышленность и т.д.

Динамика загрязненности дождевого стока

Загрязненность дождевых вод складывается из двух составляющих: основной загрязненности, определяемой смыванием и накоплением на поверхности загрязнений и фоновой, возникающей из-за эрозии (размыва) самих поверхностей.

Для каждой территории можно определить максимальную (предельную) загрязненность. Это объясняется тем, что часть загрязнений регулярно удаляется при сухой уборке и мойке улиц, а также уносится ветром. Количество загрязнений, накопленных за время T на единице площади, определяется по формуле:

,

где M_max – максимально возможное количество накапливаемых загрязнений,
k_з – коэффициент динамики накопления загрязнений,
T – продолжительность периода без стока.

График, построенный по этой зависимости, приведен на рисунке.

Значения параметров в уравнении принимаются в зависимости от типа застройки, наличия автомагистралей и промышленных территорий.

Количество смываемых загрязнений M_см зависит от продолжительности выпадения t и средней интенсивности q дождя:

,

где k_с – константа смыва загрязнений, зависящая от характеристики бассейна водосбора.

Дополнительная фоновая загрязненность стока, вызванная размыванием грунтовых поверхностей, во многом определяется состоянием дорожных покрытий и бордюров, отделяющих проезжую часть от газонов и грунтовых поверхностей, их высотным расположением, уклоном земли, а также зависит от интенсивности дождей.

Концентрация загрязнений в талом стоке меньше изменяется во времени, поэтому ее можно условно принимать постоянной в течение всего периода снеготаяния.

Кроме вышеуказанных факторов, на загрязненность стока сильно влияет и характер движения по сетям. В начальный период дождя, когда малым расходам соответствуют малые наполнения и скорости течения, часть загрязнений, поступивших в канализационную сеть через дождеприемники, выпадает в осадок и уменьшает загрязненность дождевых вод. При увеличении расходов и скоростей дождевых вод возможно размывание и транспортирование ранее выпавших в осадок загрязнений, в том числе осевших частиц от предыдущего дождя.

Размер или гидравлическая крупность частиц, способных к осаждению или вымыванию, могут определяться по следующей формуле:

u₀ = v/(13∙R^0,3),

где R, v – соответственно гидравлический радиус и скорость течения.

Устройство трубопроводов и коллекторов для водоотводящей сети

Материалы, которые используются для изготовления труб, должны удовлетворять строительным, технологическим и экономическим требованиям.

Строительные требования заключаются в обеспечении прочности и долговечности конструкций и возможности индустриализации строительства.

Технологические – в обеспечении водонепроницаемости и максимальной пропускной способности труб, а также исключении их истирания и коррозии.

Экономические – в обеспечении минимальной стоимости строительства и расходовании минимального количества дефицитных материалов.

Изложенным требованиям удовлетворяют керамические, асбестоцементные, бетонные, железобетонные, пластмассовые трубы и коллекторы. Кроме них, для строительства водоотводящих сетей используют также стеклянные, деревянные, фанерные и др. трубы.

Так как большинство водоотводящих сетей являются самотечными, то для строительства применяют в основном безнапорные исполнения труб. Исключения составляют трубы для напорных ниток от насосных станций и дюкеров, которые могут выполняться также из стали или чугуна.

Трубы керамические канализационные выпускаются по ГОСТ 282–82 диаметром 150–600 мм и длиной 1…1,5 м. Для уменьшения шероховатости и водопроницаемости эти трубы покрывают глазурью. Керамические трубы используют в основном для загрязненных стоков, так как они дороже бетонных и асбестоцементных.

Достоинства – устойчивость к агрессивным средам и гладкость. Главным недостатком этого вида труб является их хрупкость, поэтому при транспортировании и укладке в траншею требуется соблюдать особую осторожность.

Трубы бетонные безнапорные изготовляются по ГОСТ 20054–82 диаметром 100–1000 мм и длиной 1, 1,5 и 2 м. В поперечном сечении они могут быть круглые или круглые с плоской подошвой (см. рис.) Кроме того, они бывают раструбные и фальцевые.

Достоинством труб является сравнительная дешевизна. К недостаткам относят большой вес и хрупкость при некачественном изготовлении.

Железобетонные безнапорные трубы изготовляются по ГОСТ 6382.0–79 или ГОСТ 6482.1–79 диаметром 400–2400 мм и длиной от 2,5 до 5 м. Как и бетонные, эти трубы могут быть раструбные и фальцевые, круглые или с плоской подошвой. В зависимости от прочности трубы подразделяют на нормальной и повышенной прочности.

Важными достоинствами железобетонных труб является их высокая прочность, сохранение пропускной способности в течение всего периода эксплуатации, прогрессивные способы изготовления. Недостатки – сравнительно большой вес и возможность повреждения арматуры блуждающими токами.

Асбестоцементные трубы (безнапорные) изготовляются по ГОСТ 1839–80 диаметром 100–400 мм и длиной 2,95 и 3,95 м.

К преимуществам асбестоцементных труб относится их небольшая стоимость, небольшой вес и незначительная теплопроводность. Они легко распиливаются, не обрастают отложениями и имеют очень гладкую внутреннюю поверхность. Но в то же время эти трубы очень хрупки и легко истираются песком, содержащимся в стоках.

Пластмассовые трубы изготавливают из различных материалов, например, из поливинилхлорида, полиэтилена и полипропилена, диаметром от нескольких сантиметров до 2400 мм.

К достоинствам этих труб относится долговечность, отсутствие коррозии, гладкость, малый вес. Недостаток – истираемость.

Трубопроводы больших диаметров (коллекторы) выполняются на месте из сборного железобетона. Их конструкция зависит от глубины заложения, способа производства работ и геологических условий строительства.

Трубы и каналы для дождевых сетей

Для транспортирования дождевых стоков используются те же трубы, что и для бытовых стоков. Кроме этого, для отведения больших расходов широко применяются сборные железобетонные каналы. Они собираются из отдельных блоков, при диаметре до 2 м имеют обычно круглое сечение, а при больших размерах – прямоугольное. При необходимости заложения коллекторов на глубину более 6…8 м и в некоторых других случаях строительство ведут методом щитовой проходки. При этом коллекторы собираются из сегментных железобетонных элементов – тюбингов.

Открытые дождевые сети выполняются в виде борт–лотков, расположенных вдоль крайней полосы проезжей части улицы или тротуара, а также в виде канав, кюветов или открытых каналов.

Борт–лотки устраивают из сборных железобетонных или бетонных элементов, монолитного бетона, труб, разрезанных пополам и т.д. Разрезы трех видов таких лотков изображены на рисунке.

Размеры лотков определяются по расчету. На внутриквартальных проездах глубина воды не должна превышать 6 см, на улицах ограничивается и ширина потока воды, которая не должна превышать 2 м.

Кюветы размещают по сторонам проезжей части. Делаются в виде каналов трапецеидального сечения, стенки укрепляются камнем, железобетонными плитами или бетоном.

Водоотводные канавы для перехвата дождевых вод с вышележащих территорий устраивают аналогично кюветам. Наименьшие размеры канав и кюветов трапецеидального сечения: ширина по дну 0,3 м, глубина 0,4 м. Скорости течения дождевых вод в канавах и кюветах не должны превышать наибольших скоростей, величины которых зависят от вида крепления стенок и примерно составляют от 1 до 4 м/с.

Выбор материала труб и коллекторов

Выбор труб для строительства сетей определяется видом водоотводящей сети, геологическими и гидрогеологическими условиями, объемом стоков, качественным и количественным составом загрязнений.

Для дождевых и бытовых внешних безнапорных сетей чаще всего используют трубы асбестоцементные, бетонные, железобетонные, керамические и пластмассовые. Для напорных линий применяют стальные, чугунные, напорные железобетонные, асбестоцементные и пластмассовые трубы.

Для транспортирования агрессивных жидкостей (кислот, щелочей) рекомендуется использовать керамические и стеклянные трубы. При строительстве внутриквартальной сети в основном применяются асбестоцементные трубы. Для отведения поверхностного стока наиболее предпочтительны железобетонные трубы.

Соединения труб

Бетонные и железобетонные трубы соединяют с помощью раструбного или фальцевого соединения (см. рис.) Стык в раструбном соединении законопачивают до половины просмоленной или битуминизированной пеньковой прядью, затем заливается асфальтовая мастика. Стыки фальцевых труб заделывают цементно-песчаным раствором, мастикой или другими материалами. При сопряжении применяются также резиновые прокладки и кольца.

Керамические трубы соединяют также раструбом. Внутренняя поверхность раструба и гладкий конец трубы имеют специальные бороздки, способствующие лучшему зацеплению материалов, заполняемых в раструб, со стенками трубы (см. рис.) Стык заполняется до половины пеньковой прядью, затем асфальтовой мастикой или асбестоцементом.

Асбестоцементные трубы между собой соединяются с помощью муфт – коротких отрезков асбестоцементной трубы большего диаметра (см. рис.) Пространство между внутренней поверхностью муфты и наружной поверхностью трубы заполняется прядью и мастикой.

Пластмассовые трубы соединяются с помощью сварки или раструбным соединением на клею.

Основания под трубы

Основания под трубы принимают в зависимости от несущей способности грунтов, диаметра труб, гидрогеологических условий и фактических нагрузок. В нормальных достаточно плотных грунтах с допускаемым давлением на грунт не менее 0,15 МПа трубы всех типов рекомендуется укладывать на естественное ненарушенное основание, причем ложе под трубу устраивают непосредственно перед ее укладкой таким образом, чтобы труба соприкасалась с ненарушенным грунтом не менее на 90^o (см. рис.)

В глинистых, крупнообломочных и скальных грунтах укладка труб должна производиться на песчаную подушку (см. рис.) При укладке трубопроводов в грунтах с возможной неравномерной осадкой (свеженасыпные, мягкопластичные глинистые и суглинистые, пылеватые и др.) устраивается искусственное основание – бетонный стул на плите (см. рис.)

В торфяных, илистых и подобных грунтах основание делается по специальному проекту, например, на железобетонных сваях – ростверках.

Защита труб от разрушения

В условиях эксплуатации водоотводящая сеть подвергается с внутренней стороны агрессивному воздействию сточных вод и выделяющихся из них газов, а с внешней стороны – воздействию грунтовых вод. Наиболее подвержены такому воздействию бетонные и железобетонные трубы.

Для защиты железобетонных труб и колодцев возможно применение одного или сочетания следующих способов:

· использование специальных цементов,

· увеличение плотности и водонепроницаемости стенок труб,

· покрытие бетонных поверхностей изоляцией.

Трубы изготовляют на пуццолановых и сульфатостойких цементах. Для связывания гидроксида кальция в цемент добавляют растворимое стекло (силикат натрия), что придает ему дополнительную кислотостойкость.

Придание трубам повышенной плотности достигается путем центрифугирования бетона, гидропрессовании с вибрированием и вакуумирования.

Защитная изоляция внутренних и внешних поверхностей труб может быть жесткой или битумной. К жесткой изоляции относят цементную штукатурку с железнением, торкрет-штукатурку, облицовку керамическими и пластмассовыми плитками.

Битумная изоляция подразделяется на обмазочную, оклеечную и полимерную. Обмазочная изоляция состоит в нанесении слоя мастики на основе битума. Оклеечная – в наклейке рулонного материала (например, рубероида или гидроизола). Полимерная – в обмотке труб полимерной лентой.

Вентиляция сети

В условиях эксплуатации в надводной части коллекторов скапливаются выделяющиеся из сточных вод пары воды и вредные газы: сероводород, аммиак, диоксид углерода, метан и др. газообразные вещества. Из них особенно неблагоприятно действуют на бетонные стенки труб и колодцев сероводород, серная кислота и углекислый газ. Сероводород образуется в результате выделения из сточных вод или разложения выпавшего осадка. Он проникает в поры бетона и биохимически окисляется кислородом воздуха. При этом происходят следующие реакции:

– при избытке кислорода:

2H₂S + 3O₂ = 3SO₂ + 2H₂O,

– при недостатке кислорода:

2H₂S + O₂ = 2S + 2H₂O.

Сера, образованная в результате окисления, превращается в серную кислоту или сульфаты:

2S + 3O₂ + 2H₂O = 2H₂SO₄.

Воздействие серной кислоты на гидроксид кальция, содержащийся в бетоне, вызывает образование новых соединений, для которых характерно сильное увеличение в объеме, что ведет к разрушению стенок труб. К числу таких соединений относятся гипс (сернокислый кальций CaSO₄) и сульфоалюминат кальция 3CaO∙Al₂O₃∙3CaSO₄∙30H₂O. Этот вид коррозии наиболее распространен в водоотводящих каналах.

Если в воде имеется агрессивный избыточный диоксид углерода CO₂, то при его химическом взаимодействии с гидроксидом кальция Ca(OH)₂ образуется малорастворимый карбонат кальция CaCO₃, а в дальнейшем – бикарбонат кальция Ca(HCO₃)₂. Растворение этого вещества приводит к разрушению бетона.

Кроме газовой коррозии, скопление газов в сети нередко приводит к взрывам метановых смесей. Вредные газы опасны для ремонтников, спускающихся в колодцы и коллекторы.

Для уменьшения концентрации метана, диоксида углерода и сероводорода устраивают вытяжную вентиляцию сети с естественной тягой через вытяжные стояки, установленные в зданиях и выведенные выше крыши здания.

Специальные вытяжные устройства следует устраивать во входных камерах дюкеров, в смотровых колодцах, в местах резкого снижения скоростей течения воды в трубах диаметром более 400 мм и в перепадных колодцах при высоте перепада более 1 м. Для приточной вентиляции можно использовать полые железобетонные мачты для освещения улиц. К ним от колодцев подводят вентиляционные трубы. Для магистральных трубопроводов глубокого заложения устраивают искусственную вытяжную вентиляцию.

Назначение и область применения сооружений на сетях

На водоотводящих сетях устраивают следующие основные типы сооружений:

1. Смотровые колодцы (камеры, шахты) – одни из основных конструктивных элементов водоотводящих сетей, которые устраиваются в местах присоединения трубопроводов, изменения их диаметров, глубины заложения и уклонов, а также на прямолинейных участках сети через определенные СНиП расстояния.

Различают линейные, узловые, поворотные, контрольные и другие типы смотровых колодцев, через которые производится наблюдение за работой сети и осуществляется профилактические мероприятия и ремонт.

2. Перепадные колодцы – специальные сопряжения трубопроводов, лежащих на разных глубинах.

3. Дюкеры и самотечные переходы – устраиваются при пересечении рек, оврагов и инженерных сооружений.

4. Ливнеспуски и разделительные камеры – имеются на сетях общесплавной и полураздельной систем водоотведения для сброса части дождевого стока в водоем.

5. Регулирующие резервуары – служат для сглаживания пиковых дождевых расходов.

6. Сливные станции и пункты – предусматриваются для приема жидких отбросов от неканализованных районов доставкой их ассенизационным транспортом.

7. Насосные станции – для перекачки жидкости на более высокие геодезические отметки.

8. Выпуски – служат для сброса стоков в водоемы.

В некоторых случаях на сетях могут применяться и другие сооружения специального назначения (снеготаялки, колодцы для сброса снега и т.д.).

Смотровые колодцы, соединительные камеры и промывные колодцы

Смотровым колодцем или камерой называют шахту, расположенную над водоотводящим трубопроводом, внутри которой труба или коллектор заменены открытым лотком. Назначение этих колодцев состоит обеспечении возможности прочистки, контроля и вентиляции сети.

Места расположения смотровых колодцев:

1. В местах изменения диаметра или уклона трубопровода.
2. При изменении направления трубопровода в плане (повороты).
3. В местах присоединения боковых веток.
4. На прямолинейных участках через 35–300 м в зависимости от диаметра.

 

Колодцы и камеры выполняются из сборного или монолитного железобетона, кирпича. В плане колодцы бывают круглыми, прямоугольными или полигональными.

Смотровые колодцы состоят из следующих основных элементов: рабочей камеры, горловины и переходной части между ними, основания и люка с крышкой над горловиной (см. рис.)

Лоток в колодце делается из бетона, в нижней части он полукруглый, в верхней – имеет вертикальные стенки. С двух сторон лотка создаются полки с уклоном к центру. Рабочая камера должна иметь следующие минимальные размеры: высота h_к – 1,8 м, диаметр D_к – 1,0 м. Минимальный диаметр горловины D_г – 0,7 м. Рабочие камеры и горловины оборудуются скобами или лестницами для спуска или подъема. Стенки рабочих камер и горловин могут выполняться из типовых железобетонных элементов – колец и плит.

Поворотные колодцы предусматриваются в случае изменения направления трассы трубопровода, причем для устранения большого гидравлического сопротивления необходимо, чтобы угол между присоединяемой и отводящей трубами был не менее 90^z, а радиус поворота – от 1 до 5 диаметров труб. Лоток такого колодца плавно искривлен.

Узловые колодцы устраивают в местах соединения двух-трех трубопроводов. Они имеют узел лотков, соединяющих не более трех подводящих труб и одной отводящей. Узловые колодцы на крупных коллекторах называют соединительными камерами.

Контрольные колодцы выполняются в местах присоединения дворовой или внутриквартальной сети к уличной и располагаются за пределами красной линии.

Промывные колодцы служат для периодической промывки начальных участков сети, которые имеют малые диаметры. В этом качестве могут использоваться обычные смотровые колодцы и специальные конструкции с запорными устройствами и подводом воды.

Случаи установки перепадных колодцев

Сопряжение труб, уложенных на разной глубине, осуществляется с помощью перепадных колодцев, которые могут быть установлены на любой системе водоотведения. Необходимость их применения возникает в следующих случаях (см. рис.):

· при присоединении боковых веток к коллекторам или внутриквартальных сетей к уличным трубопроводам (вариант А на рис.),

· при пересечении трубопроводов с инженерными сооружениями и естественными препятствиями (вариант Б на рис.),

· при устройстве затопленных выпусков воды в водоемы (вариант В на рис.),

· при больших уклонах земли для исключения превышения максимально допустимой скорости движения (вариант Г на рис.).

На рисунке пунктиром показаны другие технические решения, однако устройство перепадных колодцев позволяет значительно сократить объем земляных работ и стоимость строительства сети. Поэтому эти колодцы более предпочтительны с экономической точки зрения.

Типы перепадных колодцев

По конструкции водоотводящие перепады можно разделить на следующие основные типы (см. рис.):

1. Перепады с водосливом практического профиля и водобойным колодцем в нижнем бьефе (рис., а).

2. Трубчатые перепады, которые бывают различной конструкции, но с обязательной вертикальной трубой (рис., б).

3. Перепады с отбойно-водосливной стенкой (рис., в).

4. Шахтные многоступенчатые перепады различных конструкций. Гашение падающей энергии происходит на каждой ступени (рис., г).

5. Быстротоки – короткие каналы с большим уклоном (рис., д).

Согласно СНиП 2.04.03-85, перепады высотой до 3 м на трубопроводах диаметром 600 мм и более принимают в виде водосливов практического профиля, а высотой до 6 м при диаметрах до 500 мм – принимают трубчатые перепады.

Основы расчета трубчатых перепадов

Размеры основных конструктивных элементов трубчатых перепадов, а именно – стояков и водобойных колодцев, определяются при их гидравлическом расчете (см. ниже рис.). Исходными данными к расчету являются расход стоков, отметки подводящей и отводящей труб, их наполнения и скорости течения.

В зависимости от величины расхода различают три основных типа движения жидкости в стояках перепадов: безнапорный (расчетный) – степень заполнения сечения стояка K < 1; напорный – полное заполнение стояка жидкостью по всей высоте (K = 1); переходный – K ≤ 1, причем K = 1 только в верхней части стояка.

При расчете сначала определяется диаметр стояка D. Для этого задаются отношением R_вх/D (здесь R_вх – радиус входной воронки) и рассчитывают параметр A по формуле:

.

Затем рассчитывают непосредственно диаметр стояка:

D = (AQ)^0,4,

где Q – расчетный расход в подводящем трубопроводе.

После этого рассчитывается средняя скорость на выходе из стояка v_ср:

,

где T₀ – высота перепада с учетом глубины потока и скоростного напора,
φ – коэффициент скорости, который зависит от сопротивления:

,

здесь Σζ – суммарный коэффициент сопротивления (местного и по высоте стояка).

При плавном закруглении на входе Σζ примерно равен:

Σζ = λp/4R,

где λ – коэффициент сопротивления трению по длине стояка, который можно определить, например, исходя из формулы Павловского:

,

здесь n – коэффициент шероховатости, ,
p – высота трубчатого перепада,
R – средний по высоте гидравлический радиус:

.

Так как λ в конечном счете тоже зависит от средней скорости v_ср, то коэффициент скорости φ рассчитывают методом последовательного приближения.

Для чугунных стояков диаметр принимается 200…1000 мм, для железобетонных – 1500…2000 мм.

Дальнейший расчет заключается в определении геометрических размеров водобойного колодца в основании перепада, который предназначен для гашения энергии падающей воды.

Расчет водобойных колодцев трубчатых перепадов

Водобойные колодцы трубчатых перепадов бывают прямоугольными и цилиндрическими.

Расчет прямоугольного водобойного колодца

При расчете необходимо определить длину l_к и глубину колодца d_к (см. рис). Ширина B принимается по конструктивным соображениям, в зависимости от размеров стояка. Обычно B ≥ 1,5D.

1. Определение глубины колодца d_к.

Если рассмотреть уравнение Бернулли для сечений I–I и C–C, и принять сечение I–I на небольшом расстояние от дна (т.е. глубина h₁ примерно равна глубине в сжатом сечении h_c), то скорость в сжатом сечении можно определить по формуле:

,

где v₁ – скорость в сечении I–I, которую можно принять равной скорости на выходе из стояка,
ζ_вк – коэффициент сопротивления колодца, принимается по таблицам в зависимости от соотношения B/D.

Первая сопряженная глубина гидравлического прыжка h_c’ в данном случае (при надвинутом прыжке) равна глубине воды в сжатом сечении h_c:

h_c’ = Q/Bv_c.

Вторая сопряженная глубина h_c’’ рассчитывается по формуле:

,

где h_кр – критическая глубина, для прямоугольного колодца определяется:

,

здесь α = 1…1,1.

Тогда глубина колодца в этих условиях находится по зависимости:

d_к = σh_c’’ – t,

где t – бытовая глубина в отводящем коллекторе,
σ – коэффициент затопления гидравлического прыжка (1,05…1,3).

На практике при расчете перепада вначале определяют среднюю скорость v_ср при принятой глубине колодца d_к = 0. Затем рассчитывают новое значение d_к и корректируют высоту перепада T₀. Расчет повторяется примерно 2–3 раза.

2. Определение длины колодца l_к.

Общая длина колодца складывается из величин (см. рис):

l_к = l₁ + l_сж + l_пп,

где l₁ – расстояние от оси стояка до стенки, равное не менее 1D,
l_сж – расстояние от оси стояка до сжатого сечения, l_сж = 0,5D,
l_пп – длина подпертого гидравлического прыжка, можно использовать формулу:

l_пп = 4,5βh_c’’,

здесь β = 0,5.

Основы расчета трубчатых перепадов с гашением энергии соударением потоков

Трубчатый перепад этой конструкции имеет два стояка (см. рис). В водобойной камере происходит лобовое соударение двух потоков с одинаковым расходом и эффективное гашение избыточной энергии, причем устройство дополнительного специального водобойного колодца в ряде случаев не требуется.

Без расчета, конструктивно, принимаются ширина водобойной камеры B, ее глубина h_кам, длина B_к и ширина отводящего лотка b. Расстояние между стояками следует принимать равным:

l_ст = b + 2a,

где a – расстояние от края до оси стояка, не менее 1,5D.

Затем определяется высота буруна, глубина и скорость потока в отводящем лотке. Для этого рассчитывается первая сопряженная глубина гидравлического прыжка по формуле из расчета прямоугольного водобойного колодца (см. выше). Затем по аналогичной формуле находится критическая глубина. При относительных размерах камеры и лотка в пределах B/D = 1,25…7,1 и B/b = 0,5…4 величина h_ср может быть определена по эмпирической формуле:

,

где q_п – расход, приходящийся на один стояк,
B – ширина камеры, приходящаяся на один стояк,
b – ширина лотка.

Общая высота камеры с учетом пульсации и аэрации потока определяется по формуле:

h_стр = 1,8h_ср + h_кам.

Если h_c’’ > t, то после камеры следует устраивать водобойный колодец, размеры которого определяются по вышеприведенным уравнениям.

Основы расчета трубчатых перепадов с подключением стояка к шелыге коллектора

В этом перепаде гашение энергии происходит также за счет соударения потоков (см. рис). После соединения потоков возникает, как правило, гидравлический прыжок, который в зависимости от соотношения расходов и скоростей может быть отогнанным (h_c’’ > t), надвинутым (h_c’’ = t) или затопленным (h_c’’ < t). Для целесообразности применения этой конструкции необходимо, чтобы были соблюдены следующие условия:

· Образующийся подпор в коллекторе Δh не должен снижать скорость меньше незаиливающей,

· Гидравлический прыжок в коллекторе должен быть затопленным, т.е. h_c’’ < h₂ (h₂ – бытовая глубина в отводящем коллекторе).

При расчете перепада вычисляется подпор Δh и определяется скорость v₁ при глубине (h₁ + Δh). Если эта скорость больше незаиливающей, то первое условие выполняется и расчет можно вести далее. Если же наоборот, то такая конструкция перепада нецелесообразна. Второе условие проверяют, рассчитывая вторую сопряженную глубину гидравлического прыжка по безразмерному графику и сравнивая ее с глубиной в отводящем коллекторе при расходе Q_C = Q_К + Q_п.

В конце расчета определяют длину так называемой зоны интенсивного воздействия потока, выходящего из перепада. По всей рассчитанной длине основание коллектора должно быть укреплено и защищено от разрушения механическими нагрузками.

Шахтные многоступенчатые перепады

При движении жидкости по многоступенчатому перепаду скорость жидкости из-за турбулентного перемешивания и соударения потоков практически уже на 2-3 ступени стабилизируется и далее не увеличивается.

Водопропускная часть этих перепадов может иметь прямоугольную, круглую, кольцевую и сегментную форму поперечного сечения с различным расположением ступеней и расстоянием между ними Z (шаг ступеней). Водобойные колодцы в большинстве случаев не устанавливаются. На рис. показаны два типа перепадов круглой и прямоугольной водопропускной формы – с разным расположением ступеней.

На перепадах могут наблюдаться три вида движения. При безнапорном режиме глубина слоя жидкости на ступенях меньше шага (H < Z), при переходном глубина равна шагу (H = Z). Наконец, если увеличивать расход, то возникает напорное движение, при котором глубина потока также равна шагу ступеней, однако поток не аэрируется, как в предыдущем случае. Расчетный режим – начало переходного вида движения жидкости.

1. По схеме А:

Рассчитывается шаг ступеней Z и скорость на выходе со ступеней v:

Z = K_Iq^2/3 и v = K_Jq^1/3,

где q = Q/D_Ш (или q = Q/b) – удельный расход,
здесь D_Ш – диаметр ствола шахты (для круглого сечения),
b – ширина шахты (для прямоугольного сечения),
K_I и K_J – коэффициенты, зависящие от относительного шага ступеней z/B или z/D_Ш (табулированы).

2. По схеме Б:

Рассчитывается шаг ступеней Z:

Z = 1,09q^2/3.

Рассчитывается ширина щели a между центральной ступенью и боковыми стенками:

a = q^2/3/3,7.

Ширина продольной стенки B принимается не меньше 5 значений a.

3. Рассчитывается ширина b = Q/q.

Перепады с водосливом практического профиля

Гидравлический расчет перепадов с водосливом практического профиля производится по формулам гидравлики для сопряжения бьефов и сводится к определению длины водобойной части l_к = l₂, глубины водобойного колодца d_к и координат водосливной поверхности x и y (см. рис).

В начале расчета находится глубина h в подводящем коллекторе и скорость воды в нем v. Затем определяется удельная энергия потока T₀’ на подходе, задаваясь первоначальной глубиной водобоя d_К’:

T₀’ = H₀ + P + d_К’ ,

где H₀ = h + v²/2g (т.е. глубина + скоростной напор),
P – высота перепада между лотками подводящего и отводящего трубопроводов.

Рассчитывается скорость потока в сжатом сечении внизу:

,

где φ – коэффициент, равный 0,9.

Определяется вторая сопряженная глубина гидравлического прыжка h_c’’:

,

где h_c’ – первая сопряженная глубина, рассчитываемая по формуле:

h_c’ = Q/bv_c,

здесь Q – пропускная способность перепада,
b – ширина водослива или водобойного колодца (принимается равной, например, диаметру коллектора),
h_кр – критическая глубина:

.

Определяется глубина водобойного колодца:

d_к = B - h_н = σh_c’’ - h_н,

где B – высота водяной подушки,
σ – коэффициент (1,05),
h_н – глубина воды в отводящем коллекторе.

Если d_к и d_К’ значительно отличаются, то расчет повторяют до тех пор, пока погрешность между ними не станет незначительной.

Рассчитывается длина водобойной части:

l_К = 2,7h_c’’.

Определяются координаты поверхности водослива по следующей формуле:

,

где l₁ – длина водослива:

.

Наконец, общая длина перепадного колодца составит:

L = l₁ + l_К.

Перепадный колодец с отбойно-водосливной стенкой

Этот вид перепада наиболее прост по конструкции и может быть устроен в колодцах и шахтах любых размеров и форм поперечного сечения.

Вертикальная отбойно-водосливная стенка (ОВС), по одной стороне которой стекает жидкость, делит объем шахты на две части: водопропускную и эксплуатационную (см. рис).

Жидкость растекается по отбойно-водосливной стенке под действием сил трения и тяжести, формируя границы растекания. Ширина потока увеличивается с высотой падения. Для повышения устойчивости к механическим воздействиям падающего потока, стенку и водобойный колодец целесообразно облицовывать металлом.

При расчете таких перепадов необходимо определить границы растекания потока по стенке, скорость жидкости и размеры водобойного колодца в нижней части.

Основы расчета

Конструктивно принимают ширину стенки B_С, например, равную ширине водобойного колодца B_К.

1. Определяется скорость потока в конце подводящего коллектора:

v_кон = Q/w_кон,

где w_кон – площадь живого сечения в конце трубопровода, находится в зависимости от глубины потока на конце коллектора h_кон:

h_кон = 0,745h_кр, (при h_кр < h₀),

h_кон = h₀, (при h_кр > h₀),

здесь: h_кр – критическая глубина,
h₀ – глубина при равномерном движении в коллекторе.

Критическую глубину можно определить по формуле:

,

где Q – расход стоков,
D – диаметр подводящего коллектора.

2. Принимается расстояние от ОВС до конца подводящего коллектора l:

l = (1,2…1,6)h_кон.

3. Определяются границы растекания жидкости по стенке. Для этого задаются началом координат: по вертикали – на отметке точки удара оси потока о стенку Z_Y и по горизонтали – на половине ширины потока в момент удара о стенку B₀/2.

Тогда ширина потока B_i на стенке на высоте yi от начала координат составляет:

B_i = 2x_i + B₀,

где x_i – ширина растекания,
B₀ – принимается равным ширине потока в поперечном сечении подводящего коллектора (при глубине h_кон).

Отметка точки удара оси потока о стенку:

Z_Y = Z₁ – h_п,

где Z₁– отметка дна подводящего коллектора,
h_п – высота падения жидкости:

,

где i – уклон подводящего коллектора.

Координаты границ растекания определяются по формуле:

,

где v – скорость, которую допускается принимать равной средней скорости потока на конце подводящего трубопровода v_кон.

При большой высоте перепада ширина потока может оказаться больше ширины водосливной стенки B_к. В этом случае часть жидкости стекает по боковым стенкам.

4. Определяются размеры водобойного колодца: длина затопленного гидравлического прыжка l_пп, длина колодца l_К и его глубина d_К. Расчет ведется аналогично расчету водобойного колодца трубчатого перепада.

Если оказывается, что вторая сопряженная глубина меньше глубины воды в отводящем коллекторе h_с’’ < t , то следует принимать d_К ≥ ¼h_c’’ (для снижения скорости потока).

Дождеприемники, конструкции и расчет

Дождеприемники устанавливаются:

· в пониженных местах и в конце улиц с затяжными спусками,

· на перекрестках и у пешеходных переходов,

· на затяжных спусках – в промежуточных точках,

· при плоском рельефе местности – в пониженных местах лотков улиц,

· внутри кварталов, дворов и парков.

Конструктивно дождеприемник представляет собой колодец, состоящий из съемной решетки, стакана и днища с лотком. Он бывает без осадочной части и с осадочной частью (см. рис).

Дождеприемники с осадочной частью целесообразно применять при плоском рельефе местности и малоблагоустроенных территориях. Для нормальной эксплуатации такого колодца необходима регулярная его прочистка.

Дождеприемные колодцы обычно собирают из железобетонных колец диаметром 0,7 и 1 м. Глубина зависит от глубины промерзания грунтов и составляет от 910 до 2020 мм (по типовым проектам). Длина присоединения (ветки) от дождеприемника до коллектора должна быть не более 40 м. На одной ветке можно располагать 2–4 дождеприемника.

Кроме решеток, в дождеприемниках для стока воды могут устраиваться вертикальные отверстия в бордюрном камне.

Расчет дождеприемника заключается в подборе решетки по ее пропускной способности. Существуют ГОСТы на дождеприемные решетки, которые могут круглые диаметром 0,675 м и прямоугольные двух марок: ДБ (большая решетка) – 0,80x0,40 м и ДМ (малая) – размером 0,58x0,30 м.

Пропускная способность решеток зависит от схемы расположения их в уличном лотке. Различают два принципиально различных варианта размещения:

1. Установка решеток в пониженных местах. Дождеприемники в этом случае принимают весь объем сточных вод. Обычно эта схема применяется в городах с плоским рельефом.

2. Установка решеток на участках с продольным уклоном одного знака, т.е., например, на участке затяжного спуска или подъема. При этом в одном лотке располагается последовательно несколько решеток. Часть водного потока, которая проскакивает мимо первой решетки, улавливается следующими. По это схеме работает большая часть решеток в городах с пересеченным рельефом.

При установке решетки по первому варианту она не покрывается слоем воды и работает как водослив в широким порогом – вода переливается по периметру решетки. В этом случае пропускная способность определяется по формуле:

,

где l_реш – длина периметра решетки,
H – глубина воды в лотке.

При расположении решетки по второму варианту, когда она вся покрыта слоем воды, ее пропускная способность находиться по формуле истечения из отверстия:

,

где ω_реш – площадь отверстий в решетке.

При сравнении решеток рекомендуется выбирать решетку типа ДМ при плоском рельефе местности (уклон < 0,005), а решетку ДБ – в городах с пересеченным рельефом.

Разделительные камеры, конструкции и расчет

Разделительные камеры, устраиваемые на дождевой сети полураздельной системы водоотведения, аналогичны по конструкции ливнеспускам, которые имеются в общесплавной системе. Поэтому их иногда объединяют под общим названием – ливнесбросные камеры. По принципу работы разделительные камеры можно подразделить на следующие основные типы (см. рис):

· с водосливами различной конфигурации (прямолинейными, боковыми одно- и двухсторонними, криволинейными боковыми, кольцевыми и т.д.),

· с различной дальностью отлета струи (типа донного слива, с вертикальной разделительной стенкой),

· с сифонами, механическими устройствами и др.,

· комбинированные.

Камеры с водосливами

Диаметр подводящего коллектора D₁ (см. рис.) принимают по расчетному расходу дождевых вод Q_r при полном заполнении. Диаметр отводящего трубопровода D₂ рассчитывается на пропуск предельного расхода Q_lim, отводимого на очистку. Ливнеотвод диаметром D₃ должен обеспечить отведение разности расходов Q_r - Q_lim,

Основным уравнением для гидравлического расчета этого типа разделительных камер является зависимость:

,

где Q_сбр – величина расхода, сбрасываемая через водослив (Q_r - Q_lim),
m – коэффициент расхода водослива,
H – расчетный напор над гребнем водослива,
l – длина гребня.

Расчетный напор можно определить по формуле:

H = h – h_гр,

где h – глубина воды в подводящем коллекторе,
h_гр – высота гребня водослива.

Высоту гребня водослива следует принимать равной:

,

где h₂, v₂ – соответственно глубина и скорость потока в отводящей трубе,
ζ_вх – коэффициент сопротивления.

Для камер с прямолинейным боковым водосливом коэффициент расхода равен:

m = 0,38 + 0,03H/h_гр.

Для камер с криволинейным боковым водосливом коэффициент расхода принимается в зависимости от соотношения Q_сбр/Q_r.

Камеры с вертикальными разделительными стенками

В зависимости от конструкции камеры перелетевший через стенку поток ударяется о дно лотка и:

· или удаляется целиком на сброс в водоем,

· или разделяется на два противоположных потока: один направляется в ливнеотвод, другой – на очистку (в случае отверстия в стенке).

Расстояние между вертикальной стенкой и подводящим коллектором a определяется по формуле (см. рис):

,

где l – дальность отлета струи по оси,
b – ширина подводящего лотка (b = D₁),
P – высота падения (разность отметок дна лотка и верха стенки) – см. рис.

Для лотка прямоугольного сечения дальность отлета определяется:

,

где h_кр – критическая глубина потока в подводящем лотке.

Высота падения P может быть рассчитана по формуле:

.

Для гашения энергии может быть устроен водобойный колодец перед ливнеотводом, размеры которого определяются аналогично расчету прямоугольных водобоев трубчатых перепадов.

Параметры работы разделительных камер

В полураздельной системе водоотведения считается, что при всех значениях расходов, больших предельного, на очистку будет направляться постоянный расход, равный разности между расчетным Q_r и предельным значением Q_lim.

Однако для большинства конструкций величина расхода, отводимого на очистку Q_оч, изменяется в зависимости от общего расхода и принятого коэффициента разделения K_div (см. рис). В камерах всех типов при расходе Q, меньшем Q_lim, весь расход отводится на очистку. При превышении этого расхода наибольший рост Q_оч наблюдается в камерах с прямолинейными боковыми водосливами. В камерах донного слива и с разделительной стенкой с отверстием можно условно принять, что Q_оч ≈ Q_lim. Самая значительная часть дождевого стока будет сбрасываться в водоем через камеры с разделительной стенкой без отверстия.

Для достижения равенства суммарного расхода дождевых вод и предельного расхода можно использовать чередование различных конструкций.

Для учета непостоянства отводимого на очистку расхода используется коэффициент K_оч:

.

Среди разделительных камер с водосливами самое малое значение такого коэффициента имеет камера с криволинейным боковым водосливом с двумя поворотами (0,05), самое большое – у камеры с прямолинейным боковым водосливом (0,35). Для камер донного слива и с разделительной стенкой с отверстием K_оч ≈ 0.

Величина отводимого на очистку расхода составит:

Q_оч = Q_r(K_оч + K_div - K_div∙K_оч).

Особенности устройства дюкеров

Во входной камере дюкера имеются два отделения – мокрое, в котором находятся открытые лотки, и сухое, в котором размещаются трубы и задвижки (см. рис). Согласно СНиП 2.04.03-85, дюкер должен быть проложен не менее чем в 2 рабочие линии из стальных труб с усиленной антикоррозионной изоляцией диаметром не менее 150 мм. Трасса дюкера должна:

· быть перпендикулярной пересечению,

· иметь минимальную длину и заложение труб,

· проходить в наиболее благоприятных грунтовых условиях,

· иметь неразмываемые берега и дно реки.

Средний участок трубопровода укладывают с небольшим уклоном, а боковые ветви – с углом наклона к горизонту α не более 20°. Глубина укладки подводной части дюкера h не должна быть менее 0,5 м, а в пределах фарватера – не менее 1 м. Расстояние между рабочими линиями в свету b должно быть не менее 0,7…1,5 м.

Разность отметок уровней воды в подводящем и отводящем коллекторах Δh определяют по сумме гидравлических потерь на трение и местные сопротивления.

Каждая линия дюкера должна проверяться на пропуск расчетного расхода с учетом допустимого подпора в мокром отделении входной камеры. Скорости при нормальном режиме в трубах (v_д) должны приниматься не менее 1 м/с. Если же при расчетных расходах не обеспечиваются минимальные скорости, то одну из линий следует принимать резервной.

Пересечения с препятствиями, эстакады, переходы

Кроме дюкеров, для пересечения водоотводящих сетей с различными надземными и подземными препятствиями применяют такие сооружения, как эстакады и переходы дюкерного и самотечного типов.

Эстакады устраивают при пересечении самотечной сети с оврагами, лощинами, суходолами и т.д. Эстакада более проста по своей конструкции, чем дюкер, и может быть временно использована как пешеходный мост. Она представляет собой мост на опорах, по которому с необходимым уклоном проложен самотечный трубопровод в утепленном коробе (см. рис).

Перед эстакадой устраивается аварийный выпуск. На самом трубопроводе обязательно предусматриваются ревизии для прочистки.

Переходы устраивают под железнодорожными путями или автомобильными дорогами. Переходы дюкерного типа проектируются для дорог, проходящих в глубоких выемках (см. рис). Устройство и конструкция этих переходов аналогичны дюкерам. Единственное отличие заключается в отсутствии аварийных выпусков. Переходы самотечного типа устраивают, если отметка трубопровода значительно меньше отметки препятствия.

Переходы обычно прокладывают в металлических или железобетонных футлярах, или же в тоннелях. Футляры и тоннели предназначены для предохранения рабочего трубопровода от нагрузок, возникающих от движения транспорта над ним.

Безнапорные линии устраивают из чугунных или железобетонных труб, напорные – из стальных.

При пересечении трубопроводов на одном уровне следует устраивать перепадный колодец на одном из коллекторов. Иногда в качестве альтернативы целесообразно делать короткий дюкер, работающий на постоянном притоке сточных вод.

Конструкции регулирующих резервуаров

Особенностями работы регулирующих резервуаров, влияющими на их конструкцию, является периодичность заполнения дождевым стоком и выпадение взвеси, которое приводит к частичному осветлению воды. Различают два вида регулирующих резервуаров: открытого и закрытого типов.

Открытые резервуары проще по конструкции и удобнее в эксплуатации, однако, их устраивают за пределами жилой застройки. Закрытые резервуары, как правило, должны иметь надежную вытяжную вентиляцию и устройства для смыва и удаления осадка.

Самые благоприятные условия для выпадения взвеси возникают в период, когда прекращается поступление стока в резервуар, а заполнение его объема близко к наибольшему расчетному. Для опорожнения резервуаров через насосную станцию следует предусматривать прокладку трубопроводов, по которым можно подавать воду для промывки и взмучивания осадка. Во избежание переполнения при выпадении дождей большой интенсивности и продолжительности в верхней части резервуаров могут предусматриваться переливные трубопроводы и водосливы с полупогружными досками для предотвращения выноса в водоем плавающих веществ.

Для удаления осадка в закрытых резервуарах предусматривают приямок и люк над ним, открытые резервуары чистят бульдозерами и погрузчиками.

Выпуски сточных вод в водоемы

Выпуски сточных вод – это специальные сооружения, целью которых является обеспечение сброса стоков в водоем. При выборе типа выпуска и места его расположения исходят из того, чтобы было обеспечено как можно более полное смешение стоков с водой. Поэтому выпуски всех типов надлежит размещать в местах с повышенной турбулентностью, т.е. на порогах, в протоках, сужениях и т.д. Выпуски можно классифицировать:

· по типу водоема: речные, озерные и морские,

· по месту расположения: береговые, русловые и глубинные,

· по конструкции: затопленные, незатопленные, сосредоточенные, рассеивающие и эжекторные.

Береговые выпуски могут быть затопленные и незатопленные. Затопленные выпуски представляют собой береговые колодцы с выходом стоков под уровень воды в водоеме. Незатопленные береговые выпуски устраивают в виде открытых быстротоков, каналов, консольных сбросов и оголовков (см. рис).

Из-за небольшой эффективности смешения стоков береговые выпуски используют в основном для сброса дождевых и условно-чистых стоков.

Русловой выпуск представляет собой трубопровод, выдвинутый в русло реки. Выпуски этого типа подразделяются на сосредоточенные, рассеивающие и эжекторные (см. рис). Сосредоточенный русловой выпуск заканчивается оголовком в виде бетонного блока.

Рассеивающие выпуски имеют горизонтальный участок трубопровода, по всей длине которого расположены несколько оголовков или сделаны прорези. Такой участок может быть расположен в канаве с засыпкой или приподнят над дном реки. Эжекторные выпуски имеют несколько эжектирующих насадков на трубопроводе. Оголовки могут быть самых различных конструкций (см. рис), которые призваны увеличивать скорость истечения жидкости.

Глубинные выпуски аналогичны русловым. Они применяются при спуске стоков в озера, водохранилища и моря. Эти выпуски отличаются большим заглублением оголовков.

Трубопроводы для русловых выпусков изготавливаются из стальных или пластмассовых труб.

Особенности устройства водоотводящих сетей в районах со сложными геологическими и климатическими условиями

Вечная мерзлота. При прокладке водоотводящих сетей в этих районах вокруг труб образуется зона талого грунта и нарушается его устойчивость. Поэтому для подземных трубопроводов рекомендуется устройство теплового экрана. Труба укладывается на теплоизолирующий слой из битумоперлита, битумокерамзита и т.д. Чаще всего используют стальные трубы.

Кроме подземной укладки, в таких районах разрешается наземная и надземная прокладка сетей. Основанием под наземные трубопроводы может служить насыпной песчаный грунт. Для надземной прокладки используют эстакады, мачты, козловые и свайные опоры, а также стенки зданий.

В небольших и малых населенных пунктах возможно использование так называемых утилидоров. Это утепленные деревянные прямоугольные короба, в которых, кроме канализации, прокладывают и другие инженерные коммуникации. Для их обогрева в утилидорах укладывают паропровод.

Выпуски из зданий выполняют надземным способом, или в подземных вентилируемых каналах. Колодцы выполняют главным образом из сборного или монолитного железобетона с гидроизоляцией стенок и днища. Вместо открытых лотков устраивают ревизии. Насосные станции располагают на скальном основании или на непросадочных вечномерзлых грунтах. Выпуски стоков для непромерзающих водоемов могут быть затопленными, при промерзании водоприемника выпуск располагается выше уровня льда. В этом случае происходит намораживание стоков и таяние их в весенний период.

Сейсмические районы. В таких районах сейсмичностью выше 7 баллов необходимо предусматривать следующие мероприятия, обеспечивающие бесперебойную работу сети при землетрясениях:

· применять децентрализованную систему водоотведения,

· трассировку проводить посередине уличных проездов,

· использовать асбестоцементные, железобетонные и металлические трубы, тщательно заделывать стыки,

· снабжать коллекторы аварийными выпусками,

· использовать гибкие стыковочные соединения труб и присоединения их к насосным станциям.

Просадочные грунты. При строительстве сети в районах с такими грунтами (просадочными, лессовыми, набухающими, засоленными) следует:

· отводить поверхностные воды,

· трассировать сети по тальвегам и нижней стороне склона на большом расстоянии от фундаментов зданий,

· укладывать трубы на дно, утрамбованное щебнем,

· предусматривать стыки труб с применением эластичных заделок.

Оползневые и подрабатываемые территории. Необходимо использовать раздельную систему водоотведения с трассировкой сетей параллельно горизонталям. Кроме того, применяют только металлические трубы, возможно кольцевание сетей и использование аварийных выпусков.

Расположение канализационных насосных станций

По назначению насосные станции могут быть трех видов:

· местные – принимают и отводят стоки от группы или отдельных зданий,

· районные – осуществляют подъем сточных вод из глубоко лежащих коллекторов в более высоко расположенные,

· главные – насосные станции, подающие воду на очистные сооружения со всего населенного пункта.

Место расположения насосной станции определяется при решении схемы водоотведения на основе технико-экономических расчетов. Необходимость устройства насосной станции возникает, например, в следующих случаях: при достижении максимальной глубины заложения трубопроводов; при открытом способе производства работ; при глубинах заложения в сухих легких грунтах 7–8 м и мокрых – 5–6 м. Насосные станции допускается располагать в пределах застройки, на расстоянии не менее 20-30 м от жилых домов.

Как правило, насосные станции располагают в самых пониженных точках местности на незатопляемой территории. В некоторых случаях насосную станцию следует переместить из конца коллектора в его середину, при этом уменьшается заглубление и диаметр трубопроводов.

В насосную станцию допускается ввод только одного самотечного трубопровода. Перед ней предусматриваются аварийные выпуски (см. рис).

Конструкции и типы канализационных насосных станций

В состав большинства канализационных насосных станций входит: приемный резервуар с решеткой; машинное отделение, где размещены насосы; производственно-вспомогательные и бытовые помещения.

Приемный резервуар может быть расположен в одном здании с машинным отделением, но должен быть обязательно отделен от него непроницаемой стеной и иметь отдельный вход. Резервуар должен быть оборудован устройствами для взмучивания и смывания загрязнений со стен. Перед сливом в приемный резервуар стоки должны пройти предварительную очистку от крупных примесей на решетках, которые могут быть оборудованы дробилками для измельчения задержанных отбросов.

В машинном отделении устанавливают насосные агрегаты. Для перекачки бытовых сточных вод применяют центробежные горизонтальные и вертикальные насосы марок СД и СДС, а также моноблочные фекальные насосы марки ЦМК и ЦМФ и погружные ЭЦК. Для перекачки различных производственных стоков могут быть использованы насосы марок НЦС, К, АР, ГНОМ и др. – для неагрессивных жидкостей; ЦНСК, Х, ХО, АХП – для агрессивных стоков; НД, НКЭ – для нефтесодержащих стоков.

Для перекачки небольших расходов воды на небольшую высоту (2–7 м) целесообразно применять шнековые подъемники, которые просты по конструкции и надежны в работе. Кроме этого, для этих же целей возможно применение пневматических установок.

Для перекачки дождевых вод с большими расходами и малыми напорами целесообразно применение осевых насосов марок О и ОП.

Кроме насосов перекачки сточных вод, в машинном зале устанавливаются насосы для подачи воды на технические нужды, вакуум-насосы, насосы для удаления дренажных вод, подъемно-транспортное оборудование и контрольно-измерительные устройства. Насосы рекомендуется устанавливать под заливом, т.е. ниже уровня воды в приемном резервуаре.

Наиболее широкое распространение получили насосные станции шахтного типа с наземным павильоном (см. рис).

Подземную часть сооружают, как правило, круглую в плане, наземную – прямоугольную или квадратную.

Канализационные насосные станции должны проектироваться для работы без постоянного обслуживающего персонала. При этом управление может осуществляться:

· автоматически в зависимости от уровня в приемном резервуаре;

· дистанционно из диспетчерского пункта;

· по месту периодически приходящим персоналом.

Все насосные станции делятся на три категории по надежности: I категория – не допускается перерыва или снижения подачи сточных вод, II категория – допускается перерыв в подаче стоков не более 6 ч, III категория – допускается перерыв подачи сточных вод не более суток. Количество напорных трубопроводов от станций I категории – должно быть не менее 2-х, для II и III допускается один трубопровод.

Если устройство аварийного выпуска невозможно, то принимаются дополнительные меры по обеспечению бесперебойной работы станции, например, устанавливают внутренние резервные электрогенераторы.

Проектирование и расчет канализационных насосных станций

Расчет канализационных насосных станций сводится в общем случае к подбору насосов и определению емкости приемного резервуара. Порядок расчетов при выборе насосного оборудования следующий:

1. Определяется расчетный расход. Для этого строится график притока сточных вод по часам суток, расчетный расход принимается равным притоку в час максимального водоотведения. Определяется также средний и минимальный приток.

2. Определяется напор, который должна создавать насосная станция:

H = H_Г + h_п.в + h_н.в,

где H_Г – геометрическая высота подъема,
h_п.в и h_н.в – потери напора соответственно во всасывающем и напорном трубопроводе.

3. По каталогам производится подбор насосов по требуемому напору и максимальному притоку.

4. Строится график совместной работы напорных трубопроводов и насосов и определяется рабочая точка (напор и расход). Рабочий расход должен быть не менее максимального расчетного.

5. Анализируется работа насосов в условиях аварии на одном из напорных трубопроводов, определяется рабочая точка. Расчет ведется с условием пункта 4.

Насосные станции полураздельной и общесплавной системы водоотведения целесообразно проектировать с двумя группами насосов. Одна группа – для бытовых и производственных стоков, другая – для перекачки дождевых вод и включается только во время дождя.

Требуемая вместительность приемного резервуара должна быть не менее 5-минутной максимальной подачи одного из насосов. Конкретное значение объема резервуара определяется путем построения интегрального графика притока и откачки сточных вод одним насосом в час минимального и среднего (50 % максимального) притока (см. рис).

На рисунке показаны графики притока и откачки воды в течение часа. Приток в течение часа принимается равномерным. Ломаная линия откачки III образовалась при периодическом включении насоса. Число включений насосов при их автоматическом управлении должно быть не более 5-ти, а при ручном – не более 3-х. Найденный объем W_р сравнивают с 5-минутной подачей насоса и выбирают наибольшее значение.

Вместимость приемных резервуаров насосных станций дождевой сети рассчитывается так же, как для регулирующего резервуара. Для насосных станций полураздельной и общесплавной систем резервуар выполняют на два отделения. Одно отделение – для приема стоков в сухую погоду, второе – для стока во время дождя.

Автоматизация работы насосных станций

Основными процессами, которые могут выполняться на насосных станциях автоматически, являются:

· возникновение и передача импульсов на пуск и остановку насосов,

· включение одного или нескольких насосов в установленной последовательности,

· создание и поддержание необходимого разрежения во всасывающем трубопроводе и насосе, если он находится не под заливом, перед пуском,

· открытие и закрытие задвижек в определенные моменты при пуске и остановке,

· отключение работающего насоса при неисправности и включение резервного агрегата,

· защита насосов от работы в недопустимых режимах,

· передача сигналов о работе на диспетчерский пункт,

· отопление и вентиляция здания,

· включение и выключение дренажных насосов.

Контролю должны подвергаться следующие основные технологические параметры: расход жидкости, уровни в приемном резервуаре и в дренажном приямке, давление в напорных трубопроводах, давление у каждого насосного агрегата.

Главной целью автоматического управления канализационными насосными станциями является поддержание в заданных пределах уровня жидкости в приемном резервуаре. Для контроля основного параметра (уровня жидкости в резервуаре) применяют поплавковые или электродные датчики уровня. Сигнал от датчика поступает в релейную схему управления насосами.

Комплексная схема автоматизации насосного агрегата обычно состоит из следующих отдельных частей:

· схема автоматизации залива насоса – управляет работой вакуум-насоса для залива,

· схема автоматизации напорной задвижки,

· схема автоматизации электропривода насоса – управляет работой электродвигателя,

· схема взаимосвязи – обеспечивает последовательность действия системы в целом и осуществляет необходимые блокировки и автоматическую защиту агрегата и сигнализацию.

Основой схем автоматизации насосных станций является применение реле и датчиков различного типа.

Реле представляет собой устройство, осуществляющее скачкообразное изменение управляемой величины при определенных значениях управляющей величины. Управляемой величиной служит, как правило, электрическое напряжение или ток. Управляющими величинами могут быть электрические сигналы от датчиков давления, температуры, уровня и т.д., механические перемещения, промежутки времени и т.д.

Датчики – устройства, воспринимающие контролируемую величину (например, давление или уровень воды в баке) и преобразующие ее в сигнал, удобный для передачи на расстояние. Для автоматизации насосной станции необходимы датчики расхода, давления, уровня, температуры, влажности и вязкости.

В настоящее время происходит переход от релейно-контактных схем автоматизации насосных станций к электронным схемам управления на основе компьютеров. Преимущества – высокая надежность, быстрота реагирования, легкая гибкость и перестраиваемость схем, низкая стоимость.

Все необходимые операции по управлению производятся ЭВМ по составленной программе, причем ЭВМ может работать в двух режимах – выполнять функции советчика оператору, управляющему процессом, или самостоятельно вырабатывать управляющие воздействия на процесс.