Основы расчета параметров канализационных сетей

Важнейшим условием проектирования водоотводящих сетей является обеспечение в трубопроводах при расчетных расходах необходимых скоростей движения жидкости, исключающих образование в них плотных несмываемых отложений.

Расчет безнапорных трубопроводов. В целях упрощения расчет водоотводящих сетей производится в предположении, что в них наблюдается установившееся равномерное движение жидкости. В этом случае для расчета используются формулы:

неразрывности потока

q=wu=const; (53)

и Шези

V =С (54)

где q - расчетный расход; w - площадь живого сечения; u - скорость; C- коэффициент Шези; R=w/c - гидравлический радиус (здесь c (кси)- смоченный периметр); I=h_l/ l - гидравлический уклон (здесь h₁ - потери напора).

Для случая равномерного движения (рисунок 61): h₁=а_в=а_А, h₁=h₂ и I=l, где i=sin α - уклон лотка русла (трубы). Следовательно, можно записать:

V=С ; (55) q=wС (56)

Коэффициент Шези имеет размерность [С]= L ^1/2 Т^-1

Для его определения предложен ряд формул.

Длительное время применялась и продолжает применяться в настоящее время для расчета водоотводящих сетей, каналов и рек формула Н.Н. Павловского (при 0,1 < R < 3,0 м)

, (57)

где у - показатель степени, определяемый по формуле

У = 2,5 n₁-0,13-0,75 R ( n₁-0,1), (58)

здесь n₁ - коэффициент шероховатости, зависящий от состояния стенок русла, значения которого приведены в таблице 15 СНиП 2.04.03-85

Для приблизительных расчетов Н.Н. Павловский рекомендовал упрощенные формулы:

У~1,5√n₁ при 0,1 < R< 1,0 м; и У~1,3√n₁ при < R< 3,0 м.

Формула (57) получена на основании обработки обширных данных и уточнения формулы Маннинга, имеющей вид:

(59)

Сопоставление формул (57) и (59) показывает, что разница в расчетах более 5% отмечается для каналов со значительной шероховатостью русел: при n₁> 0,02. Для водоотводящих сетей расхождение между результатами расчетов по этим формулам составляет не более 5% и практического значения не имеет.

Приведенные выше формулы для определения коэффициента С справедливы для области вполне шероховатого трения или квадратичного сопротивления, в которой сопротивление пропорционально скорости движения жидкости в квадрате. Эти формулы называются квадратичными.

Ряд исследователей указывают на возможность работы трубопроводов водоотводящих сетей в переходной области между областью “гладкого трения” и “вполне шероховатого трения”, в которой коэффициент С зависит от относительной шероховатости трубопровода и числа Рейнольдса:

Rе = 4VR/ v, (60)

где v - кинематическая вязкость.

К формулам, отражающим эту зависимость и справедливым для всех областей турбулентного движения жидкости, относится формула С.В. Яковлева

(61)

где R - в мм; u - в мм/с; e - приведенная линейная шероховатость, мм.

В.И. Калицун с А.Д. Альтшулем опубликовали степенную обобщенную формулу:

где k_э - эквивалентная равномерно-зернистая шероховатость, мм; R - в мм.

Н.Ф. Федоров расчет водоотводящих сетей рекомендует по формуле (33) и формуле Дарси:

i = (l/4R)(u²/2g), (62)

где g - ускорение свободного нападения; l - коэффициент гидравлического трения.

Если обозначить

C = , (63)

то формула (62) преобразуется в формулу Шези (55). Для определения коэффициента l.Н.Ф. Федоров предлагает следующую формулу, справедливую для всех областей турбулентного движения:

, (64)

где D_э - эквивалентная абсолютная шероховатость; а₂ - коэффициент, учитывающий характер шероховатости стенок труб и коллекторов.

Для гидравлических расчетов водоотводящих сетей СНиП 2.04.03‑85 рекомендует применять формулы (53), (54) и (57), а также формулы (62) и (64).

В сооружениях на водоотводящих сетях возникают местные сопротивления. Потери напора в них могут определяться по формуле Вейсбаха:

h = ζ , (65)

где ζ - коэффициент местного сопротивления, зависящий от размеров и формы местного сопротивления, значения которого приводятся в справочной литературе.

Обычно в инженерных расчетах местные потери напора не учитываются, так как они ничтожны. Их следует учитывать при расчете крупных и ответственных сооружений. Следует иметь в виду, что местные потери напора учитываются при определении потерь напора по длине трубопроводов путем подбора соответствующего значения коэффициента шероховатости n₁ или D_э.

Расчет напорных трубопроводов. Расчет напорных трубопроводов заключается в определении диаметра и потерь напора. При полном заполнении сечения трубы q=wn=npd²/4, отсюда диаметр трубы равен:

d = 4q / pn (66)

Скорость движения воды в трубопроводах следует принимать такой, чтобы обеспечивался оптимальный режим работы системы насосы - трубопроводы (минимальные приведенные затраты). Эта скорость равна 1,5 - 2,5 м/с.

Потери напора находят по формуле Дарси, которая для напорного трубопровода имеет вид:

h = il = ,(67)

Коэффициент l может вычисляться по формуле Н.Ф. Федорова:

, (68)

Потери напора также могут определяться по формулам (54) и (57) при полном заполнении трубы, т.е. при h/d = 1.

Важное значение при расчете напорных трубопроводов имеет правильный выбор коэффициентов шероховатости n₁, D_э, а₂ и др.

Напорные трубопроводы систем водоотведения часто имеют небольшую длину. В этом случае местные потери напора в коммуникациях насосных станций оказываются соизмеримыми с потерями напора по длине труб и их следует учитывать особо. При приближенных и предварительных расчетах общие потери напора определяют по формуле:

h = k_м il, (69)

где k_м - коэффициент, учитывающий местные потери напора (в долях от потери по длине) и принимаемый равным 1,1-1,15.

Пересечения самотечных трубопроводов с реками, автомобильными и железными дорогами и другими инженерными сооружениями часто выполняются в виде дюкеров, которые представляют собой короткие трубы, огибающие препятствие снизу. Движение воды в дюкере происходит под напором, образующимся в результате разности уровня воды в его начале и конце.

Вопросы для самопроверки:

1. На основе какого принципа осуществляется проектирование водоотводящей сети?

2. Что является важным условием при проектировании водоотводящей сети?

3. Перечислите достоинства и недостатки безнапорной сети водоотведения.

4. Что влияет на принятие минимальной и максимальной глубины заложения трубопроводов сети водоотведения?

5. Перечислите основные нормативные показатели водоотведения.

6. На чём основан расчёт параметров безнапорных трубопроводов канализационной сети?

7. На чём основан расчёт параметров напорных трубопроводов канализационной сети?