Тема 21, 22. Водопроводные сооружения

Цель: Сформировать навык проектирования водопроводных сооружений

Основными водопроводными сооружениями являются: водозабор, насосная станция, комплекс очистных сооружений, резервуары (водонапорная башня), база эксплуатационной службы.

Ориентировочные размеры площадок для размещения водопроводных сооружений приведены в таблице 11.1.

Таблица 11.1.

Ориентировочные размеры площадок водопроводных узлов

Наименование сооружений	Размеры площадок, га, при производительности, тыс. м3/сут.
До 0,8	0,8-12	12-32	32-80
Водозабор из поверхностного источника (с насосной станцией I подъема и хлораторной)	3,0	3,0	3,0	4,0
Водозабор из одиночной скважины	0,25	0,25	0,25	0,25
Головные сооружения при подземном источнике (скважина, 2 резервуара, насосная станция II подъема, хлораторная, водонапорная башня)	1,0	2,0	2,5	3,5
Водонапорная башня отдельная	0,1	0,1	0,1	0,2
Насосная станция отдельная	0,2	0,3	0,4	0,5
Резервуары чистой воды отдельные, 2 шт.	1,0	1,0	2,0	2,5
Очистные сооружения для поверхностного источника	1,0	2,0	3,0	4,0
База служб эксплуатации	1,0	1,54	2,0	2,0

Вид водозаборного сооружения определяется выбранным источником водоснабжения.

Для забора подземных вод применяют три вида водозаборных сооружений:

1) Вертикальные водозаборы – шахтные и трубчатые колодцы.

Шахтные колодцы устраивают для забора безнапорных вод, залегающих на глубине до 10 м. Для местного водоснабжения используются одиночные колодцы, для централизованного – группы колодцев, соединенных трубопроводами со сборным колодцем, из которого вода забирается насосом.

Трубчатые колодцы или водозаборные скважины служат для забора безнапорных и напорных грунтовых вод с глубины более 10 м. Безнапорные воды поднимаются с помощью погружного электронасоса, который устанавливается в скважине. Напорные воды самотеком поступают в сборный резервуар, из которого насосом подаются в систему.

2) Горизонтальные водозаборы – сооружается при небольшой мощности подземных вод (до 10 м³/час) и при глубине залегания водоносного пласта до 8 м. Водосборы из бетонных или керамических труб диаметром не менее 150 мм закладывают в пределах водоносного слоя перпендикулярно направлению подземного потока выше населенных пунктов, животноводческих ферм и т.п.

3) Каптажи родников – устраивают у выхода водоносных горизонтов на дневную поверхность в виде железобетонных сборных камер. Каптажи защищают воду от поверхностных загрязнений и обеспечивают поступление воды в сборную камеру.

Для забора воды из поверхностных источников применяют береговые или русловые водозаборные сооружения.

Береговые водозаборы устраивают, если берег крутой и прочный, а глубина воды у берега достаточна. Если глубина воды меньше допустимой, предусматривают русловой водозабор

Русловые водозаборы устраивают на глубоких участках русла, возможно ближе к стержню потока, желательно у вогнутого берега. Сооружение береговых водозаборов для сельскохозяйственного водоснабжения нерационально из-за сложности их строительства.

При выборе местоположения водозаборного сооружения учитывают:

1) Экономические соображения. Для того, чтобы протяженность водовода была минимальной, водозаборное сооружение целесообразно размещать по возможность ближе к поселку и объединять в единый комплекс с другими водопроводными сооружениями.

2) Санитарные требования. Водозаборное сооружение располагается, как правило, вне населенного пункта с учетом необходимых зон санитарной охраны.

3) Гидрогеологические, гидрологические, рыбохозяйственные и др. условия.

Колодцы и скважины общественного пользования размещают на незагрязненных возвышенных площадках, на достаточном удалении от канализационных коллекторов и очистных сооружений системы канализации, выгребных ям, компостных штабелей и т.п. Величина санитарного разрыва для надежно защищенных горизонтов подземных вод составляет не менее 30 м, для недостаточно защищенных – не менее 50 м. Направление грунтового потока должно быть от водозабора в сторону населенного пункта. Вокруг водозабора устраивают ограждение, в пределах которого не допускаются купание, водопой, мытье тары и т.п.

Речные водозаборные сооружения размещают выше по течению реки населенного пункта (не менее 200 м), выпусков сточных вод, стоянок судов, складов древесины, баз и других источников загрязнений. Не допускается размещать водоприемники на участках нижнего бъефа ГЭС, в верховьях водохранилищ, ниже устьев притоков и в устьях подпертых водотоков.

Размеры площадок для размещения водозаборных сооружений можно определить по таблице 11.1.

Для забора воды из источника и подачи ее на очистные сооружения (при необходимости очистки) или непосредственно в распределительную сеть или водонапорную башню служит насосная станция I подъема. Очищенную воду из резервуаров в водопроводную сеть подают насосные станции II подъема.

Насосные станции I подъема могут быть отдельными или совмещенными с водоприемниками.

В зависимости от уровня воды в источнике насосные станции могут быть наземными или заглубленными. Насосные станции I подъема для забора воды из поверхностного источника выполняют заглубленными, так, чтобы высота всасывания насосов не превышала 5-7 м. Для подъема безнапорных подземных вод из отдельных скважин предусматриваются погружные насосы с электроприводом. Насосные станции для перекачки напорных подземных вод из сборных резервуаров в водопроводную сеть, а также насосные станции II подъема целесообразно устраивать наземного типа. Наземные насосные станции удобнее в эксплуатации и имеют более низкую стоимость строительства.

Насосы подбирают по каталогам в зависимости от требуемого напора, подачи воды и высоты всасывания. Напор насосов должен быть достаточным для подачи воды в водонапорную башню, но не должне превышать 0,6 МПа. Для насосных станций обычно принимают центробежные насосы, для водозаборных скважин – погружные секционные насосы.

Производительность насосной станции определяют из условия продолжительности ее работы в течение суток:

Q_н.с. = ΣQ_{макс.сут.} /Т, м³/час.,

где ΣQ_{макс.сут.} – максимальный суточный расход воды, м³/сут. (см. таблицу 2.5);

Т – продолжительность работы насосной станции в часах за сутки.

Насосные станции I подъема обычно рассчитывают на равномерную подачу воды в течение суток. При этом производительность насосной станции равна среднечасовому расходу за сутки максимального водопотребления с учетом противопожарного расхода:

Q_н.с. = ΣQ_{макс.сут.} /24, м³/час.

В системе водоснабжения вода подается насосной станцией I подъема равномерно в течение суток, а потребляется неравномерно. Для компенсации неравномерности потребления воды, для создания требуемого напора в сетях, а также для обеспечения надежной и бесперебойной работы системы водоснабжения устраивают водонапорные емкости. К ним относятся:

1. Водонапорные башни – напор создается за счет установки резервуара нужного объема на опоры нужной высоты;

2. Напорные резервуары – устраиваются вместо водонапорных башен, если имеется естественная возвышенность, обеспечивающая требуемый напор;

3. Пневматические водонапорные установки – необходимый напор обеспечивается давлением сжатого воздуха на поверхность воды в напорных резервуарах.

В сельской местности с равнинным или холмистым рельефом целесообразно устройство водонапорной башни. Она представляет собой водонапорный бак, установленный на опоре требуемой высоты. Бак может быть оборудован шатром для защиты воды от замерзания. Наиболее экономичны бесшатровые башни с металлическим баком на кирпичных или стальных опорах.

Для небольших систем водоснабжения возможно применение пневматической водонапорно-регулирующей установки переменного (реже – постоянного) давления (рис.). Преимущество таких установок заключается в том, что их можно размещать в любом месте водопроводной сети, в т.ч. подземно. Недостаток – высокая стоимость и сложность эксплуатации.

Водонапорные сооружения устанавливаются так, чтобы обеспечить в любой точке водопроводной сети свободный напор H_св.

Величина свободного напора зависит от этажности застройки. При одноэтажной застройке минимальный свободный напор H_св = 10 м; при двухэтажной - H_св = 12 м; при трехэтажной H_св = 16 м; на каждый следующий этаж прибавляется 4 м. Свободный напор у водоразборных колонок должен быть не менее 10 м.

Максимальный допустимый напор H_макс в наружный водопроводной сети не должен превышать 60 м (0,6 МПа).

При значительной разности геодезических отметок местности, которая может вызвать напоры в сети выше допустимых (H>60 м), систему водоснабжения следует зонировать. При этом для каждой зоны устраиваются отдельные водонапорные сооружения с учетом допустимых напоров.

Водонапорную башню (или резервуары) располагают на высоких отметках территории населенного пункта для создания необходимых напоров.

Высота водонапорной башни должна обеспечивать требуемый свободный напор в диктующей точке. Диктующей является самая высокая или самая удаленная точка сети, в которой напор воды минимален.

Требуемая высота водонапорной башни H_б определяется по формуле:

H_б = H_св + Σh_пот + (Z_д - Z_б), м,

где H_св – минимальный требуемый свободный напор, м;

Σh_пот - сумма потерь напора при движении воды от башни до диктующей точки, м;

(Z_д - Z_б) - разность геодезических отметок земли у диктующей точки и у башни, м. Эти отметки определяются по горизонталям генерального плана.

Потери напора Σh_пот складываются из потерь напора по длине трубопровода h_l и местных сопротивлений h_м: Σh_пот = h_l + h_м.

В предварительных расчетах потери напора по длине можно определить по формуле:

h_l = S Q², м,

где Q – расход воды на расчетном участке, м³/с;

S - удельное сопротивление по длине труб. Для чугунных труб значения удельных сопротивлений приведены в таблице 11.2.

Таблица 11.2.

Удельные сопротивления S чугунных труб

Длина трубопровода, м	Внутренний диаметр, мм
	0,015585	0,001855	0,0004046	0,0001264	0,000047425	0,00002182
	0,03117	0,003711	0,0008092	0,0002528	0,00009485	0,00004365
	0,046755	0,005566	0,0012138	0,0003792	0,00014227	0,00006547
	0,06234	0,007422	0,0016184	0,0005056	0,0001897	0,0000873
	0,077925	0,009277	0,002023	0,000632	0,00023712	0,00010912
	0,09351	0,011133	0,0024228	0,0007584	0,00028455	0,00013095
	0,109095	0,012988	0,0028322	0,0008848	0,00033197	0,00015277
	0,12468	0,014844	0,0032368	0,0010112	0,0003794	0,0001746
	0,140265	0,016699	0,0036414	0,0011376	0,00042682	0,00019642
	0,15585	0,018555	0,004046	0,001264	0,00047425	0,00021825
	0,171435	0,020410	0,0044506	0,001390	0,00052167	0,00024007
	0,18702	0,022266	0,0048552	0,0015168	0,0005691	0,0002619
	0,202605	0,024121	0,0052598	0,0016432	0,00061652	0,00028372
	0,21819	0,025977	0,0056644	0,0017696	0,00066395	0,00030555
	0,233775	0,027832	0,006069	0,001896	0,00071137	0,00032737
	0,24936	0,029688	0,0064736	0,0020224	0,0007588	0,0003492
	0,264945	0,031543	0,0068782	0,0021488	0,00080622	0,00037102
	0,28053	0,033399	0,0072828	0,0022752	0,00085365	0,00039285
	0,296115	0,035254	0,0076874	0,0024016	0,00090107	0,00041467
	0,3117	0,03711	0,008092	0,002528	0,0009485	0,0004365

Потери напора в местных сопротивлениях наружной водопроводной сети принимаются равными 5% от потерь по длине трубопровода, поэтому общие потери составят:

Σh_пот = 1,05 h_l.

При сложном рельефе бывает трудно определить диктующую точку. В этом случае необходимую высоту башни определяют для нескольких самых удаленных и самых возвышенных точек.

Необходимый объем бака водонапорной башни W_б складывается из регулирующего объема бака W_рег. и неприкосновенного запаса воды W_н.з., рассчитанного на 10-минутную продолжительность тушения пожара при одновременном максимальном расходе воды на другие нужды:

W_б = W_рег. + W_н.з.,

Регулирующий объем служит для компенсации неравномерности водопотребления при постоянной подаче воды насосами. Регулирующий объем можно принять приближенно равным 10-20% от максимального часового расхода воды ΣQ_макс.ч., но не более 2…5% от среднесуточного расхода Q_ср.сут.

W_рег. = (0,1…0,2)ΣQ_макс.ч., м³.

Объем неприкосновенного запаса W_н.з.,из расчета 10-минутной продолжительности тушения пожара определяется по формуле:

W_н.з. = 10 х 60 (q_н.пож. + q_{макс.сек.}), м³,

где q_н.пож. – расчетный расход воды для тушения наружного пожара, м³/сек.;

q_{макс.сек} - расчетный максимальный секундный расход воды, м³/сек.

Окончательно высоту и объем бака водонапорной башни выбирают с учетом типовых решений. Стандартный объем бака на кирпичной опоре составляет 15, 25, 50, 100, 150, 200 и 300 м³, высота опоры 6-36 м. Объем бака на стальной опоре может составлять 15, 25, 50 м³, высота опоры 12, 15 и 18 м.

Стоимость водопроводной сети составляет до 60-70% полной стоимости системы водоснабжения. Поэтому схему водопроводной сети и диаметры труб принимают с учетом экономических требований. Основные требования к выбору трасс водопроводных линий:

1. Водопроводная сеть должна охватывать всех потребителей с обеспечением их бесперебойной подачей воды.

Водопроводные линии делятся на водоводы, транспортирующие воду от источника к сети населенного пункта, и водопроводные сети. Водопроводные сети в свою очередь разделяют на магистральные и распределительные. По магистральным линиям вода транспортируется от водовода к распределительным линиям, по распределительным линиям – подается непосредственно потребителям.

Водовод трассируется по кратчайшему расстоянию от источника воды до сети населенного пункта. Трубы прокладываются не менее чем в две нитки с перемычками через 300-500 м.

При трассировании магистральных линий учитывают следующие правила:

1. Основное направление сети (и движение воды) должно быть перпендикулярным к распределительной сети прилегающей застройки.

2. Кольца, образуемые основными магистралями, должны иметь форму, вытянутую вдоль основного направления движения воды (чтобы сократить длину перемычек).

3. Сети должны охватывать непосредственно всех крупных водопотребителей и подавать воду к регулирующим емкостям (водонапорной башне).

4. Линии магистральной сети прокладывают по возвышенным отметкам территории с уклоном i = 0,001, при сложном рельефе i = 0,0005.

5. Трассы магистральных линий должны быть увязаны с размещением других сетей и подземных сооружений. Минимальное расстояние от магистральных водопроводных сетей до обрезов фундаментов должно составлять 5 м, от канализационных сетей – 2 м, от тепловых сетей – 3 м.

Водопроводная сеть по конфигурации может быть разветвленной (тупиковой) и кольцевой (смешанной). Кольцевые сети имеют большую протяженность по сравнению с тупиковыми, но более надежны в случае аварии. Водопроводные сети для хозяйственно-питьевых и противопожарных нужд должны быть кольцевыми или комбинированными. Перемычки устраиваются через 400-500 м и совмещаются с проездами и улицами. Тупиковые сети допускаются в поселках с численностью населения до 1000 чел. при наличии пожарного водоема, а также при диаметре труб до 100 мм. Тупиковые сети прокладываются в 2 нитки (основная и резервная).

Водопроводные сети устраивают, как правило, способом подземной прокладки вдоль улиц и проездов, прямолинейно, вне проезжей части. В сельских населенных пунктах различные виды инженерных сетей целесообразно прокладывать совмещенно, т.е. в одной траншее (канале) с соблюдением минимальных разрывов между трубопроводами.

Глубина заложения водопроводных труб зависит от глубины промерзания грунта зимой и глубины прогревания летом. В III-IV дорожно-климатических зонах низ трубы укладывается на 0,5 м ниже расчетной глубины промерзания грунта:

h_тр = h_f + 0,5, м,

где h_f – расчетная глубина промерзания грунта, для Саратовской области 1,8 м.

Минимальная глубина заложение труб составляет 0,5-0,7 м для защиты труб от нагревания и от действия внешних нагрузок.

Водопроводные трубы прокладывают в соответствии с рельефом местности, соблюдая постоянную глубину их заложения. В возвышенных точках сети устраивают вантузы (для выпуска воздуха), а в пониженных – выпуски (для спуска воды при опорожнении сети). Уклон труб к выпускам должен быть не менее 0,001.

Расчетный диаметр труб определяется по формуле:

d = √ 4 q / π v, мм,

где d – внутренний диаметр труб, м;

q - расчетный расход воды (для расчета водовода - максимальный секундный расход q_{макс.сек.}), м³/с;

v - скорость движения воды в трубах, м/с. При нормальном режиме работы водопровода скорости движения воды составляют: 0,7-1,2 м/с – для труб малых диаметров; 1,0-1,5 м/с – для труб больших диаметров; 2,0-2,5 м/с – при пропуске пожарных расходов.

Минимальный диаметр труб водопровода, объединенного с противопожарным, в сельских населенных пунктах должен быть не менее 75 мм.

На водопроводных сетях предусматривают:

- выпуски (в пониженных точках) и вантузы (в повышенных точках);

- пожарные гидранты (не реже чем через 150 м, обычно подземные);

- колодцы для размещения арматуры и фасонных частей (в местах разветвления, изменения диаметра труб, размещения вантузов, выпусков и пр.).

Список литературы

1. СНиП 2.05.02-85 Автомобильные дороги

2. СНиП 2.05.03-84 Мосты и трубы

3. СНиП 2.05.11-83 Внутрихозяйственные автомобильные дороги в колхозах, совхозах и других сельскохозяйственных предприятиях и организациях.

4. В.С. Бойчук. Проектирование сельскохозяйственных дорог и площадок.- 2-е изд., переработанное и доп. – М.: Колос, 1996-207с.

5. Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений. СНиП 2.07.01-89*. - М.: Стройиздат, 1990.

6. В.Ф. Бабков, О.В. Андреев. Проектирование автомобильных дорог. Часть1, 2. Москва, Транспорт, 1979г.

7. Пособие по водоснабжению и канализации городских и сельских поселений (к СНиП 2.07.01-89). - М.: ЦИТП, 1992.

8. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. СНиП 2.04.02-84. – М.: Стройиздат, 1985.

9. Канализация. Наружные сети и сооружения. СНиП 2.04.03-85. – М.: ЦИТП, 1986.

10. Рекомендации по инженерному оборудованию сельских населенных пунктов. – М.: «КОМТЭКС», 1990.

11. Кетаов А.Б. и др. Комплексное инженерное оборудование сельских населенных пунктов/А.Б. Кетаов, П.Б. Майзельс, И.Ю. Рубчак. – М.: Стройиздат, 1982.