7.3. Трассировка водопроводных линий

Одной из основных задач проектирования является выбор схемы водоводов и сетей, т. е. трассировка линий на местности. Выбор трассы производится с учетом гидрологических, топографи­ческих, санитарно-гигиенических, экономических, технологических и других требований. При трассировке водопроводной сети необ­ходимо руководствоваться следующими рекомендациями:

• главные магистральные линии надо направлять по кратчай­- шему направлению к наиболее крупным потребителям воды, а так­ же к водонапорной башне и от нее;

• с целью обеспечения надежности водоснабжения основных магистралей должно быть не менее двух, соединенных перемычка­ ми, позволяющими в случае аварии отключить для ремонта какой- либо участок;

• водопроводные линии должны быть расположены равно­ мерно по всей территории объекта водоснабжения;

• для обеспечения достаточных напоров в распределительной сети магистральные линии следует прокладывать по возможности на наиболее возвышенных отметках местности;

• водопроводные линии следует размещать по проездам или обочинам дорог, параллельно линиям застройки, вне асфальтовых и бетонных покрытий;

• трассы трубопроводов, как правило, проектируются подзем­- ными, при глубине заложения на 0,5 м ниже глубины промерзания (проникновения нулевой температуры);

• водопроводную сеть следует проектировать кольцевой с учетом очередности застройки и будущего развития города и сис­- темы водоснабжения.

Кроме того, необходимо учитывать наличие подземных ком­муникаций, естественные и искусственные преграды, препятст­вующие прокладке труб, и другие факторы.

7.4. Выбор схемы питания и подготовка водопроводной сети к расчету

Схема питания водопроводной сети определяется количеством и местоположением насосных станций и напорно-регулирующих сооружений. По характеру взаимного расположения насосной стан­ции, водонапорной башни и сети различают схемы с односторон­ним, двухсторонним и комбинированным питанием.

При односторонней схеме насосная станция подает воду в башню, откуда вода поступает в сеть. В часы, когда насосы подают воды больше общего водоотбора из сети, вода аккумулируется в башне. Если же отбор воды из сети превышает подачу ее насосами, то вода поступает из башни.

При двухсторонней схеме питания в часы максимального во­доотбора вода в сеть поступает с двух сторон: от насосной станции и водонапорной башни. В часы, когда подача насосов превышает водоотбор, излишек воды поступает транзитом в башню.

При комбинированном питании часть сети питается по схеме с контррезервуаром, а часть - по схеме с проходной башней. Выбор той или иной схемы питания сети зависит от рельефа местности, тока водоочистки, места расположения основных сооружений, ве­личины отборов и требуемых свободных напоров в различных точ­ках системы водоснабжения. Кроме трех основных схем питания водопроводной сети, возможны и другие, более сложные схемы, например, с несколькими насосными станциями.

После трассировки и выбора схемы питания составляют расчетную схему водопроводной сети. Для этого сеть разбивают на расчетные участки, начало и конец каждого из которых нумеруют. Точки отбора воды из сети или место разветвления потоков назы­вают гидравлическими узлами. Узлы сети намечают в точках под­ключения водоводов от насосной станции и водонапорной башни, а также в местах отбора воды крупными потребителями воды, где есть пересечения и ответвления магистральных линий.

Очевидно, для нахождения диаметров труб, напоров насосов, отметок расположения бака водонапорной башни необходимо учесть наиболее напряженные режимы работы сети. В соответствии с рекомендациями СНиП 2.04,02-84 «Водоснабжение, наружные сети и" сооружения» расчеты совместной работы водоводов, водо­проводных сетей, насосных станций и регулирующих емкостей вы­полняются для следующих характерных режимов подачи воды:

• максимального хозяйственно-производственного водопо- требления из сети, для которого определяют диаметр труб участков сети и высоту водонапорной башни;

• тушения расчетного количества пожаров при максимальном водопотреблении, для режима которого проверяют возможность пропуска расчетных расходов при допустимых скоростях движения воды по трубам;

• максимального транзита воды в башню, для режима которого определяют величину свободных напоров в узловых точках, а также проверяют диаметр труб на участках сети, прилегающих к башне;

• питания сети только из водонапорной башни в часы, когда на­- сосная станция не работает - это режим, при котором проверяют дос­ таточность высоты водонапорной башни для обеспечения беспере­ бойности водоснабжения при остановке работы насосной станции;

• подачи воды при аварийных выключениях участков сетей, среднечасовых и минимальных часовых расходах воды в сутки среднего и минимального водопотребления, при которых проверя­- ют возможность и целесообразность работы подобранных насосов совместно с сетью и резервуарами, а для аварийного режима - воз­ можность обеспечения потребителям расхода воды под необходи­ мым напором.

Расчет магистральной водопроводной сети заключается в ус­тановлении диаметров труб, достаточных для пропуска заданных расходов воды, и определением потерь напора, что необходимо для нахождения высоты водонапорной башни и напора, который долж­ны развивать насосы. При расчете сети предполагают, что крупным потребителям вода подается в виде сосредоточенных в узлах расхо­дов, а остальным потребителям - равномерно распределенные рас­ходы по длине магистральных линий. Поэтому сосредоточенные расходы воды относят к узлам присоединения соответствующих крупных потребителей, а остальную часть общего расхода (путевой расход) распределяют по участкам сети пропорционально их дли-

нам. Величина расчетного расхода, по которому должен находиться диаметр труб и потеря напора, определяется по формуле

где Q_Tp - транзитный, a Q_пут - путевой расход воды.

Для упрощения расчетов путевые расходы обычно заменяют сосредоточенными расходами в узлах отбора. В расчетной схеме эти расходы находят как полусумму путевых расходов участков, примыкающих к рассматриваемому узлу, и полного собственного сосредоточенного расхода:

где q_уд = Q_пут / ∑L - удельный расход воды из магистральной се­ти, л/с·м;

l_i - расчетная длина каждого i-го участка сети, м;

п - количество i-х участков, прилегающих к данному узлу;

Q_пут - путевой расход воды, равномерно отбираемый из всей магистральной сети, л/с;

∑L - расчетная сумма длин линий, из которых потребляется расход Q_пут, м;

q_кп - расход воды крупными потребителями из расчетного уз­ла сети, л/с.

При определении суммарной длины сети в нее следует вклю­чать участки, из которых вода отбирается с двух сторон. Поэтому участки, проходящие по незастроенной территории, зеленым наса­ждениям, через реки и овраги, не включаются в суммарную расчет­ную длину сети. Длины участков магистральной сети, которые про­ходят по границам застройки, учитываются в половинном размере.

Если водопроводная сеть имеет несколько зон с различной ин­тенсивностью водопотребления, то удельные и узловые отборы следует вычислять отдельно для каждой из них. Для каждого рас­четного случая работы сети определяют свои узловые отборы. При расчете водопроводных сетей узловые отборы условно принимают­ся постоянными, не зависящими от изменения давления в сети.

Далее назначают направления потоков воды, определяют рас­четные расходы воды для каждого участка и назначаются диаметры

труб. При этом необходимо руководствоваться следующими реко­мендациями:

• сумма линейных расходов воды, приходящих к любому узлу сети, должна быть равна сумме расходов, уходящих из этого узла, плюс узловой расход, т. е. алгебраическая сумма расходов воды в любом узле сети должна быть равна нулю:

∑Q_i = 0 (7.3)

где Q_i - расчетный расход на i-м участке сети;

• основным потребителям воду следует подавать кратчайшим путем, при этом основные магистральные линии с целью взаимо- распределяемости должны иметь примерно одинаковую пропуск­ ную способность, т. е. при назначении потоков воды исходят из равномерной загрузки магистральных линий;

• на выбор диаметра трубопровода оказывают влияние множе­ ство технических и экономических факторов, поэтому в практике проектирования выбор экономически наивыгоднейших диаметров производят ориентировочно по таблицам «Предельные экономиче­ ские расходы» (ГОСТ 10704-63, ГОСТ 8696-74, ГОСТ 9583-75).

Уменьшение диаметров приводит к снижению стоимости строительства сетей, но увеличение потерь напора в трубах вызы­вает рост затрат на подачу воды насосами потребителям. Следова­тельно, выбор диаметра трубопроводов — задача технико-экономи­ческая, решение которой зависит от множества технических и эко­номических условий.

Экономически наивыгоднейшим диаметром труб считается такой, при котором затраты на сооружение и эксплуатацию по ком­плексу взаимосвязанных сооружений будут минимальными. В пер­вом приближении экономически наивыгоднейший диаметр труб можно определить по формуле

d^Э = Э^А ·Q^В (7.4)

где Э - экономический фактор, учитывающий затраты на соору­жение и эксплуатацию системы водоснабжения;

Q - расчетный расход воды по трубопроводу, л/с;

А и В - показатели степени, учитывающие особенности со­оружения и эксплуатации трубопроводов.

Для удобства формулы (7.5) и (7.6) можно привести к виду

7.5. Гидравлический расчет водопроводной сети

Гидравлический расчет водопроводной сети сводится к выбо­ру наивыгоднейших диаметров труб и определению потерь напора на отдельных участках. Вычисленные потери напора используются затем для расчета высоты водонапорной башни и выбора насосов. Найденные расчетом диаметры должны обеспечивать надежное снабжение всех потребителей заданным количеством воды под не­обходимым напором при минимальных затратах на сооружение и эксплуатацию системы водоснабжения.

Потери напора в трубопроводах обусловлены вязкостью жид­кости и вызываются сопротивлениями двух видов:

• местными сопротивлениями (h_м) вследствие изменения формы поперечного сечения и направления движения потока;

• сопротивлениями по длине потока (h_дл), вызываемыми си-­ лами трения.

Потери напора по длине составляют 85-90% общих потерь и могут быть определены по формуле (4.7), а потери в местных со­противлениях - по формуле (4.8). Используя уравнение нераз­рывности, потери напора по длине можно выразить через расход и рассчитать по формулам (4.24) и (4.25). На базе этих формул Ф. А. Шевелевым составлены «Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб». При расчете бывших в употребле­нии труб потери напора определяются по следующим расчетным формулам ВНИИ ВОДГЕО:

• при скорости v < 1,2 м/с

Потери напора на единицу длины линии называют гидравли­ческим уклоном:

• при скорости v > 1,2 м/с

где l- длина участка, м;

d - диаметр труб, м;

Q - расчетный расход воды м /с;

So, S - удельное и полное сопротивление водовода.

В кольцевых сетях при выполнении гидравлического расчета необходимо проверить не только равенство нулю алгебраической суммы расходов в каждом узле, но и равенство нулю алгебраиче­ской суммы потерь напора в каждом замкнутом контуре сети:

∑h⁺ = ∑h^- (7.9)

где h⁺ и h^- - потери напора на участках соответственно с направлением движения воды по часовой и против часовой стрелки.

Обычно предварительно намеченное распределение воды удовлетворяет только первому условию и не удовлетворяет второ­му, т. е. алгебраическая сумма потерь напора в кольцах не равна нулю ∆h ≠ 0. Эту величину называют неувязкой или погрешностью расчета. Процесс уменьшения этой погрешности до приемлемых величин ∆h ≈ 0,5 называют увязкой сети. Она заключается в кор­ректировании предварительно намеченных расходов воды по уча­сткам сети, которая осуществляется путем переброски части обще­го расхода с одного направления движения воды на участки с про­тивоположным направлением движения воды. В настоящее время используется несколько методов увязки сети.

Рассмотрим одно кольцо с намеченным распределением рас­ходов и принятыми диаметрами труб и известными диаметрами участков. Допустим, что при первой разброске расходов в кольце получена неувязка

Для получения нулевой неувязки ∆h = 0 необходимо по ли­ниям кольца пропустить пока неизвестный поправочный расход ∆Q в направлении, обратном знаку неувязки. Тогда уравнение примет вид

Раскрывая скобки и отбрасывая члены содержащие ∆Q² как относительно малые по сравнению с членами уравнения содержа­щими Q, определяем приблизительно величину:

Из данной формулы видно, что величина увязочного расхода имеет знак, обратный знаку неувязки. Например, если неувязка по­ложительна, то это значит, что перегруженными оказались участки с направлением движения по часовой стрелке, а недогруженными - с противоположным направлением движения. В процессе увязки рас­ходы воды всех перегруженных участков должны быть уменьшены на величину увязочного расхода ∆Q при одновременном увеличении на эту величину расходов по всем недогруженным участкам. Внесе­ние поправок делают до тех пор, пока величина неувязок не будет превышать допустимых пределов. В многокольцевых сетях, в отли­чие от однокольцевой, по всем участкам, смежным для двух колец, будут иметь место два поправочных расхода — по одному от каждого кольца. В настоящее время гидравлический расчет водопроводных сетей выполняется на ЭВМ.