11033
.pdf250
-5 |
-3 |
3 |
Q =1,15·10 ·(2·55+2·80)=3,1·10 |
м /с. |
3. Расчет водосборной системы
Назначение системы – собрать фильтрат и отвести в зумпф (водоприемник, приямок), откуда затем откачать с помощью насоса в ливневой коллектор.
3.1. Конструирование водосбора внутри котлована
По периметру дна котлована прокладываем два открытых лотка прямоугольного поперечного сечения. Каждый из них, имеющий протяженность (B+L), рассредоточенно по всей длине принимает и отводит в зумпф фильтрационный поток с расчетным расходом
|
1 |
-3 |
3 |
|
|
Qрасч.= |
|
Q =1,55·10 |
м /с=1,55 |
л/с. |
(6) |
2 |
Условно принимается, что весь расчетный расход сосредоточенно приходит в начало каждого лотка. Расчет ведем для одного лотка.
В оплывающих грунтах рекомендуется прокладывать стационарные лотки из легкого материала. Примем в курсовой работе стандартные лотки из жести (шероховатость п=0,011 согласно [12]) с минимальными размерами 30×30 см, т.к. ширина по дну лотка b должна быть не меньше ширины лопаты (30 см). Поскольку фильтрат самотеком собирается в зумпф, уклон дна лотка выдерживается в пределах 0,001÷0,005 [10, 11]. Примем для нашей задачи i=0,001.
Гидравлический расчет лотка проводится графо-аналитическим методом: задаваясь глубиной h, определяется расход воды в лотке Qрасч.. Для нескольких полученных значений строится график связи глубины воды в лотке и расхода воды в нем. Искомая глубина hиск. определяется по расчетному значению Qрасч..
Для водоотводящего лотка используются зависимости гидравлически наивыгоднейшего поперечного сечения, при котором достигается максималь-
ная пропускная способность: |
|
|
|
|
|
|
||||||||
- площадь живого сечения потока ω=b·h, м2; |
(7) |
|||||||||||||
- смоченный периметр χ=b+2h, м; |
|
|
|
|
|
(8) |
||||||||
- относительная ширина канала по дну гидравлически наивыгоднейшего |
||||||||||||||
поперечного сечения βг.н.= |
|
b |
=2. |
|
|
|
|
|
|
|
(9) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
h |
|
|
|
|
|
|
||||
Для определения расхода воды в лотке воспользуемся формулами для |
||||||||||||||
расчета открытых русел: |
|
|
|
|
|
|
||||||||
- гидравлический радиус R = ω , м; |
|
|
|
|
|
(10) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
χ |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||
- коэффициент в формуле Шези С= |
R |
16 , |
|
м |
; |
(11) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
с2 |
|
|||
- скорость υ=С |
|
, м/с; |
|
|
|
|
|
(12) |
||||||
Ri |
|
|
|
|
|
|||||||||
- расход Q=ωυ=ωС |
|
, м3/с. |
|
|
|
|
|
(13) |
||||||
Ri |
|
|
|
|
|
|||||||||
Вычисления сводятся в табл. 3. Достаточно 3÷5 значений h , но при усло- |
||||||||||||||
вии, что полученное Qрасч попадет в интервал Q1 ,…, |
Qn. |
|
|
|
|
|
251 |
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3 – |
Определение глубины наполнения лотка |
|||||||||
h, м |
b, м ω, м2 |
|
χ, м |
R, м |
|
С, |
м ; |
|
Q, м3/с |
||
(задаемся) |
по (9) |
по (7) |
|
по (8) |
по (10) |
|
|
с |
2 |
|
по (13) |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
по (11) |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Q1=146·10-3 |
|||
h1=0,3 |
0,6 |
0,18 |
|
1,2 |
0,15 |
|
66,3 |
|
|||
h2=0,2 |
0,4 |
0,08 |
|
0,8 |
0,1 |
|
61,9 |
|
Q2=50·10-3 |
||
h3=0,1 |
0,2 |
0,02 |
|
0,4 |
0,05 |
|
55,2 |
|
Q3=7,8·10-3 |
||
h4=0,05 |
0,1 |
0,005 |
|
0,2 |
0,025 |
|
49,15 |
|
Q4=1,2·10-3 |
||
По результатам расчетов строим график зависимости Q=f(h), рис. 3. Затем |
|||||||||||
определяем искомое значение глубины наполнения лотка hиск =0,06 м по из- |
|||||||||||
вестному значению Qрасч=1,55·10-3 м3/с. |
|
|
|
|
|
|
|||||
h, м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(Q=f(h |
|
|
|
|
|
|
0,1 |
h м 0,06= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
иск |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,05 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q |
л/с 1,55= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
расч |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
6 |
|
7 |
Q, л/с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Рисунок 3 – График зависимости Q=f(h) |
|
||||||||
На рис. 4 показана развертка по трассе лотка от истока (начала лотка) до |
|||||||||||
зумпфа, наносятся геодезические отметки в начале лотка (zнл), в точке поворота |
|||||||||||
(zпл), в конце лотка (zкл) и дна зумпфа (zзп). |
|
|
|
|
|
|
m |
|
та |
|
|
поворо |
|
|
Н=3 м |
ь |
|
|
с |
|
||
z=96,0 |
о |
z=95,7 |
|
к |
|
кл |
|
h=15 см |
|
|
|
z=95,85 |
|
z=95,76 |
z=95,0 |
нл |
|
пл |
зп |
L=80 м |
|
B=55 м |
|
252
Рисунок 4 - Развертка по трассе от истока до зумпфа
3.2. Выбор конструкции зумпфа
Местоположение зумпфа задается таким образом, чтобы водоотводящие лотки выполняли свои функции. Зумпф рекомендуется заглублять ниже самого низкого уровня воды в нем на 0,7 м с тем, чтобы всасывающий патрубок насоса находился всегда под водой и в него не попадал воздух, а также грунт, поступающий с фильтратом со дна, что может привести к поломке насоса. Вместимость зумпфа должна быть больше пятиминутного притока фильтрационных вод [10, 11]
Wзп5′ ³ Qпр × t , |
(14) |
где t - время наполнения, 5 минут.
Wзп5′ ³ 1,55·10-3=0,465 м3.
Исходя из опыта строительного производства, конструкцию зумпфа можно принять в виде железобетонной круглой трубы, которая заглубляется в отрытый колодец, чтобы его стенки не обрушались. Размеры зумпфа назначаются:
Wзп |
= |
πd 2 |
3 |
(15) |
4 |
hзп ≥0,465 м . |
|||
|
|
|
|
Приняв для условий нашей задачи заглубление зумпфа hзп=1 м, а вместимость зумпфа округлить до 0,5 м3, можно вычислить диаметр трубы
d = |
|
4Wзп |
|
= |
|
4 × 0,5 |
= 0,8 м. |
πhзп |
|
3,14 ×1 |
Стандартный диаметр трубы равен 1 м, поэтому для сбора фильтрационных вод назначаем размеры зумпфа d=1 м; hзп=1 м.
Вычислим время заполнения зумпфа
|
|
|
|
|
T = |
Wзп |
, с, |
(16) |
||
|
|
|
|
|
Qпр |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
πd |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
hзп |
|
|
3,14 |
2 |
|
|
|
|
T = |
4 |
|
= |
|
×1 |
1 |
= 506 |
с=8,4 мин>5 мин. |
||
Qпр |
|
×1,55 |
×10−3 |
|||||||
|
4 |
|
|
|
Условие (14) выполняется. Расположение зумпфа и его размеры показаны на рис. 4.
4. Расчет насосной установки
Назначение насосной установки состоит в обеспечении перекачки собранного фильтрата в приемник удаляемой воды, в качестве последнего может служить в черте населенного пункта ливневая канализационная сеть. При расчете насоса следует знать [10], что подача насоса должна быть несколько больше притока воды в котлован (примерно в полтора раза) для возможности работы насоса с перерывами
253 |
|
Qнас>1,5 Qпр, |
(17) |
а также напор насоса должен обеспечивать перекачку воды, т.е. должно соблюдаться условие
Ннас >Нрасч . |
(18) |
4.1. Расчет всасывающей и напорной линий
При расчете всасывающей и напорной линий воспользуемся некоторыми рекомендациями:
-скорость во всасывающем и напорном трубопроводе в первом приближении принимается равной 1 м/с;
-на практике, обычно диаметр всасывающего трубопровода больше диаметра напорного, и скорость во всасывающей линии около 0,7 м/с, а в напорной
–около 1 м/с;
-напорная линия рассчитывается как простой трубопровод без учета местных потерь;
-всасывающая линия рассчитывается как короткий трубопровод с учетом потерь и по длине, и в местных сопротивлениях. А именно: на входе всасывающего трубопровода установлена сетка с обратным клапаном. Труба имеет
плавный поворот на 90°. Потери на вход воды в насос не учитываются, т.к. эта величина входит в КПД насоса.
Напорная линия Из уравнения неразрывности потока
Q = ωυ = πd 2 |
υ |
(19) |
4 |
|
|
определяется диаметр напорного трубопровода d:
|
d= |
4Q |
|
, м, |
(20) |
||
|
пр |
|
|||||
|
πυ |
|
|||||
d = |
4 ×1,55 ×10 |
−3 |
=0,04 м. |
|
|||
3,14 ×1 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Принимается стандартный диаметр dст=50 мм [5, 7, 15], диаметры приводятся в приложении 2.
Для выбранного стандартного диаметра уточняется скорость в трубопроводе – фактическая скорость υф
|
|
υф = |
4Qпр |
, м/с |
(21) |
|
|
|
πdст2 |
||||
υф |
= |
4 ×1,55 ×10−3 |
= 0,8 м/с. |
|
||
|
|
|||||
|
3,14 × 0,052 |
|
|
|
Определяются потери напора по длине по формуле Дарси-Вейсбаха hl:
hl= λ |
l |
υф2 |
|
||
|
|
|
, м, |
(22) |
|
dст |
|
||||
|
|
2g |
|
254
где λ - коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси), при грубых расчетах можно принять равным 0,03÷0,04 [12]; l=lнап - длина трубы, отводящей
фильтрат, т.е. расстояние от оси насоса до оси ливневого коллектора, принимается в курсовой работе равной 200 м; g - ускорение свободного падения, м/с2 .
hl нап.= 0,03 |
200 |
× 0,82 |
|
= 3,9 м. |
|
2 × 9,81 |
|||
0,05 × |
|
Строится пьезометрическая линия Р-Р (рис. 5), для чего назначается величина свободного напора Нсв . Из опыта строительного производства, обычно Нсв принимается равной 5÷10 м, так называемый запас, чтобы система хорошо работала и вода била струей, примем Нсв=5 м.
Всасывающая линия Для определения напора и фактического вакуума надо знать гидравличе-
ские потери на всасывающей линии:
Потери напора в местных сопротивлениях hj определяются по формуле Вейсбаха:
hj=ξi |
υф2 |
, м, |
(23) |
|
2g |
||||
|
|
|
||
где ξi – коэффициент потерь в местных сопротивлениях; |
для перечисленных |
местных сопротивлений данной задачи значения даются в [12]; некоторые значения ξi можно найти в приложении 3.
Скорость во всасывающем трубопроводе примем равной скорости в напорном трубопроводе. Величина общих потерь в местных сопротивлениях будет равна
hj= 0×,82 (10,0 + 0,3)=0,34 м. 2 9,81
Линейные потери определяются по формуле (22). Длина всасывающего трубопровода вычисляется из геометрии расчетной схемы: вертикальный участок равен сумме глубины котлована Нк, глубины зумпфа hзп и расстояния от верха котлована до оси насоса (примерно 0,3÷0,5 м); горизонтальный участок равен расстоянию от бровки котлована до оси насоса (примерно 0,5 м)
hl всас.= 0,03 |
(3 +1 + 0,5 + 0,5)× 0,82 |
= 0,1 м. |
|
||
0,05 × 2 × 9,81 |
|
Строится напорная линия Е-Е, и пьезометрическая линия Р-Р рис. 5, для этого необходимо посчитать:
- местные потери на входе воды в трубу с сеткой и обратным клапаном
hj вх= |
|
0,82 |
10,0 =0,33 м; |
|
× 9,81 |
||
2 |
|
- линейные потери по длине вертикального участка трубы
hl вертик= 0,03 |
(3 +1 + 0,5)× 0,82 |
|
= 0,088 м; |
||||
|
|
||||||
|
|
|
|
0,05 × 2 × 9,81 |
|
|
|
- местные потери на повороте трубы на 90° |
|
||||||
hj пов= |
|
0,82 |
|
0,3 =0,01 м; |
|
||
|
|
|
|
|
|||
2 |
× 9,81 |
|
|
256
Вакуум насоса можно найти, соединяя уравнением Бернулли сечение 1-1, намеченное по поверхности воды в зумпфе, и сечение 2-2, проведенное на входе воды в насос. Плоскость сравнения 0-0 проводим по уровню воды в зумпфе, рис. 5.
|
z1 + |
|
p |
+ |
α υ 2 |
= z2 |
+ |
|
p |
|
+ |
α υ |
2 |
+ h f . |
|
(25) |
|||||||
|
|
ρg |
2g |
|
ρg |
2g |
2 |
|
|||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|||
Для сечения 1-1: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для сечения 2-2: |
|
|
||||||
z1=0, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z2=hнас, |
|
|
||||||
p1=pатм, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p2 - давление в трубе |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
перед насосом, |
|
|
||
υ1=0 ввиду малости, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
υ2 = υф – фактическая скорость |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в трубе, |
|
|
||
α1 = α 2 = α = 1 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h f = hl + ∑ h j = λ |
l |
υ 2 |
+ ∑ ζ i |
υ 2 . |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d 2g |
|
2g |
|
Получаем |
|
|
|
|
|
|
|
|
+ υ22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
pат |
|
= hнас |
+ |
|
p2 |
+ hl |
+ |
∑h j |
|
|
|
|
(26) |
|||||||||
|
ρg |
ρg |
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2g |
|
+ υ22 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
pат - p2 |
|
= H вак |
= hнас |
+ hl |
+ ∑h j |
|
(27) |
|||||||||||||||
|
ρg |
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2g |
|
|
|
|
|
|
|
Выражение (27) показывает превышение атмосферного давления над давлением p2 в парубке у входа в насос и является вакуумом насоса или вакуумметрической высотой всасывания.
Нвак |
= 3,5 + |
0,82 |
|
+ 0,1 + 0,34 =3,97 м |
|
|
|||
|
2 × 9,81 |
|
Насос подбирается для полученных значений по [3, 8, 11].
Приведем марку подобранного центробежного насоса и его характеристики (как один вариантов):
-подача Qнас=54 м3/час;
-напор Hнас=27 м;
-вакуум Hвак=4,5 м;
-мощность N=7,5 кВт;
-масса агрегата 121 кг
-изготовитель Ереванское ПО Армхиммаш.
5. Расчет ливневого коллектора
Ливневой коллектор служит для транспортировки отводящих вод в очистные сооружения. Ливневые коллекторы выполняются в виде каналов замкнутого поперечного профиля. Гидравлический расчет в условии безнапорно-
го равномерного движения выполняется по формуле Шези [5]: |
|
||||
υ= С |
|
|
, м/с. |
(28) |
|
Ri |
|||||
Формула расхода: |
|
||||
Q=ωС |
|
, м3/c. |
(29) |
||
Ri |
257
Чтобы рассчитать ливневой коллектор, необходимо воспользоваться методом расчета по модулю расхода [12]. Он заключается в определении расхода
и скорости для различных степеней наполнения коллектора а= h , как некоторой
|
|
|
|
d |
|
части от расхода и скорости, соответствующей его полному наполнению: |
|
||||
υ=B Wп |
|
|
, |
(30) |
|
i |
|||||
Q=A Kп |
|
|
, |
(31) |
|
|
i |
где В и А – коэффициенты, зависящие от формы поперечного профиля и степени наполнения канала а, принято представлять графиком, называемым «Рыбка» [12]; Wп , Kп - модули скорости и расхода при полном наполнении коллектора,
для каналов различной формы сечения, приводятся в справочной литературе [5, 12].
Расчет выполняется с учетом некоторых замечаний:
- в практике строительного производства обычно принимают степень наполнения, равную а=0,50÷0,75, чтобы был некоторый запас для неожиданно-
го увеличения подачи расхода, а также для вентиляции. Примем а=0,6;
- коэффициент шероховатости канализационных труб n принимается равным 0,012÷0,014, обычно вне зависимости от материала, из которого выполне-
ны стенки труб, т.к. такие трубы с течением времени покрываются осадками,
что в значительной мере сглаживает различие шероховатости разных материа-
лов [14]. Пусть п=0,011;
-уклон коллектора можно принять в пределах i=0,001÷0,005, как при конструировании водосборных каналов (лотков). Возьмем i=0,001;
-расход принимается равным подаче насоса Q=Qнас=54 м3/час=0,015 м3/с С графика «Рыбка» (приложение 4) определим значение А для заданной
степени наполнения а=0,6. А=0,68.
Из формулы (31) определим модуль расхода для полного наполнения Кп:
|
Kп = |
Q |
|
|
, |
(32) |
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|||||||
|
|
|
A i |
|
||||
Кп= |
0,015 |
|
=0,7м3/с. |
|
||||
|
|
|
|
|||||
0,68 × 0,001 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
Из таблицы приложения 5 подбираем ближайший стандартный диаметр d трубы коллектора, соответствующий вычисленному модулю расхода Kп=0,7 и выписываем соответствующие табличные данные Kпт , Wпт для заданной шеро-
ховатости п=0,011: d=250 мм; Kпт =0,7036 м3/с; Wпт =14,3 м/с. Поскольку мо-
дуль расхода для принятого диаметра не соответствует вычисленному, то это приведет к изменению заданного наполнения. Истинное наполнение найдем, решив формулу (32) относительно величины А, приняв в ней модуль расхода табличный
Q
А= , (33)
Кпт i
0,015
А= =0,67,
0,7036 0,001
258
тогда по графику «Рыбка» для вычисленного по (33) значения А определяется степень наполнения а=0,58. Этому наполнению соответствует величина В=1,07.
Глубина равномерного движения найдется из зависимости а= h
|
d |
h=a d, |
(34) |
h=0,58·0,25=0,15 м.
Скорость движения воды в коллекторе определяется по формуле (30), в которой Wп= Wпт
υ=1,07·14,30,001 =0,48 м/с.
259
Приложения
Приложение 1
Коэффициент фильтрации kф, м/сут [1]
Грунты |
Коэффициент фильтрации kф, м/сут |
Гравий чистый |
200÷100 |
Гравий с песком |
150÷75 |
Песок крупный гравелистый |
100÷50 |
Песок крупнозернистый |
75÷25 |
Песок среднезернистый |
25÷10 |
Песок мелкозернистый |
10÷2 |
Песок мелкозернистый глинистый |
2÷1 |
Супесь |
0,7÷0,2 |
Суглинок |
0,4÷0,005 |
Глины |
0,005 и меньше |
Приложение 2
Рекомендуемые внутренние диаметры стальных труб d, мм [5]
d, мм |
d, мм |
d, мм |
d, мм |
50 |
150 |
400 |
900 |
60 |
175 |
450 |
1000 |
75 |
200 |
500 |
1100 |
80 |
250 |
600 |
1200 |
100 |
300 |
700 |
1300 |
125 |
350 |
800 |
1400 |
Приложение 3
Некоторые значения коэффициента местного сопротивления ξ в квадратичной области сопротивления [14]
Вид сопротивления |
ξ |
Вход из резервуара в трубу |
0,5 |
Выход из трубы в резервуар |
1,0 |
Выход из трубы в атмосферу |
0 |
Вход в трубу с сеткой |
6÷3,7 |
То же с сеткой и обратным клапаном |
10 |
Вентиль полностью открытый |
6÷3 |
Задвижка полностью открытая |
0,15 |
Поворот трубы на 90°, резкий |
1,2 |
То же, плавный |
0,15÷0,55 |
Обратный клапан |
1,3÷2,9 |