Гидравлический расчет самотечных трубопроводов
Задачи по гидравлическому расчету водоотводящих труб возникают как при проектировании, так и при строительстве и эксплуатации водоотводящих сетей. Основными случаями расчета водоотводящей сети при равномерном установившемся движении сточных вод являются следующие:
а) заданы диаметр, уклон и наполнение труб; требуется определить расход (пропускную способность) и скорость движения сточных вод;
б) заданы диаметр и наполнение труб, а также скорость движения сточных вод; требуется определить расход (пропускную способность) и уклон труб;
в) задан расход и требуется определить диаметр и уклон труб при скорости течения и наполнении, соответствующих требованиям ТКП 45-4.01-56–2012.
Последний вариант гидравлического расчета является наиболее распространенным в практике проектирования, но требует сопоставления стоимости труб и их прокладки, поскольку при уменьшении диаметров увеличивается объем земляных работ, так как для сохранения при этом пропускной способности надо увеличить скорость, следовательно, и уклон труб. Затем по заданному расходу устанавливаются наполнение и скорость движения сточных вод. Если при этом наполнение равно или близко к требуемому значению по ТКП 45-4.01-56–2012, то диаметр участка может считаться принятым. Если наполнение значительно отличается от максимально допускаемых значений, то диаметр при заниженном наполнении велик, а при завышенном наполнении мал. При завышенном наполнении труб можно или увеличить уклон, сохраняя диаметр, или увеличить диаметр, проведя технико-экономическое сравнение вариантов этого проектного решения. Одновременно производится проверка соответствия величин скоростей условиям незаиливаемости труб.
Необходимо иметь в виду, что увеличение уклона уменьшает наполнение труб при постоянном расходе, но увеличивает скорости, а уменьшение уклона увеличивает наполнение, но уменьшает скорости. Во всех случаях наполнение труб должно быть по возможности близким к допускаемому значению по ТКП 45-4.01-56–2012, а принимаемые уклоны – обеспечивать минимально возможные заглубления труб, минимально возможное количество перекачек и незаиливающие скорости.
Бытовая водоотводящая сеть рассчитывается на неполное заполнение труб. Это делается для того, чтобы обеспечить транспортирование плавающих веществ, удаление из сети вредных и взрывоопасных газов, а также для получения некоторого запаса в сечении труб, рассчитанного на неравномерное поступление сточных вод. Отношение высоты слоя воды (h) к диаметру трубы (d) называют ее наполнением. Частичное наполнение, соответствующее пропуску расчетного расхода, называется расчетным. Наполнение труб при самотечном режиме их работы нормируется ТКП 45-4.01-56–2012.
Расчетное наполнение трубопроводов в зависимости от диаметров труб должно приниматься не более:
| Диаметр труб, мм | Наполнение |
| 150–250 | 0,6 диаметра труб |
| 300–400 | 0,7 диаметра труб |
| 450–500 | 0,75 диаметра труб |
| 1000 и более | 0,8 диаметра труб |
Если наполнение труб диаметром 150–200 мм получается меньше расчетного, то участки таких трубопроводов не рассчитывают и скорость движения сточных вод в них не определяется.
Расчетное наполнение трубопроводов и каналов с поперечным сечением любой формы надлежит принимать не более 0,7 высоты, а каналов прямоугольного поперечного сечения – не более 0,75 высоты. Для трубопроводов дождевой сети и общесплавных коллекторов полураздельной системы водоотведения следует принимать полное расчетное наполнение.
Расчет водоотводящей сети выполняют, исходя из средней скорости. Средняя скорость потока получается как частное от деления расхода (q) на площадь живого сечения (w). Под самоочищающей скоростью при максимальном расчетном расходе понимают такую минимальную среднюю скорость потока, при которой взвешенные частицы из потока не выпадают. При расчетах водоотводящей сети назначают такую скорость потока, которая при расчетном наполнении будет не меньше, чем минимальная самоочичающая. При расчетном наполнении труб следует принимать следующие скорости движения потока (м/с) для труб с диаметром:
| Диаметр труб, мм | Скорость, м/с |
| 150–200 | 0,7 |
| 300–400 | 0,8 |
| 450–500 | 0,9 |
| 600–800 | 1,0 |
| 900–1200 | 1,15 |
| 1300–1500 | 1,3 |
| 1500 и более | 1,5 |
Для бытовых сточных вод с крупностью взвеси в 1 мм минимально допустимая скорость течения, при которой трубы не заиливаются, может определяться по формуле, предложенной Н. Ф. Федоровым:
(4.4)
где νmin – незаиливающая скорость, м/с;
R – гидравличиский радиус, м;
n = 0,35 + 0,5R – показатель степени корня.
Наименьшую расчетную скорость движения осветленных или биологически очищенных сточных вод в открытых лотках и самотечных трубопроводах допускается принимать 0,4 м/с.
Максимальная расчетная скорость движения сточных вод не должна быть опасной для механической прочности труб, по которым транспортируются вместе со сточными водами твердые вещества (галька, песок, обломки металла и т. д.). В соответствии с требованиями ТКП 45-4.01-56–2012 максимальная расчетная скорость движения сточных вод в металлических трубах должна быть не более 8 м/с, а в неметаллических – 4 м/с. Для дождевой сети – соответственно 10 и 7 м/с.
При расчетном наполнении для всех систем водоотведения в соответствии с ТКП 45-4.01-56–2012 рекомендуется принимать следующие наименьшие уклоны:
| Диаметр труб, мм | Уклон |
| 0,008 | |
| 0,007 |
В зависимости от местных условий при неблагоприятном рельефе местности для отдельных коллекторов и участков уличной сети для труб диаметром 200 мм допускается уклон 0,005.
Наименьшие уклоны труб бытовой водоотводящей сети принимаются для труб диаметром: 150 мм – 0,008; 200 мм – 0,005; 250 мм и более – определяются гидравлическим расчетом в зависимости от допускаемых минимальных скоростей.
Уклоны менее 0,0005 не допускаются в связи с усилением засоряемости сетей и, следовательно, удорожанием эксплуатации их, а также в связи с трудностями выдерживания такого уклона при строительстве сетей.
Наименьшим уклоном называется уклон, обеспечивающий при расчетном заполнении незаиливающую скорость. Если наполнение труб диаметром 150 и 200 мм на отдельных участках, уложенных с нормативным уклоном, получается меньше расчетного, то такие участки считаются безрасчетными и скорости течения в них не определяются, а уклоны принимаются соответственно 0,008 и 0,005. Для ориентировочного назначения наименьшего уклона иногда используют формулу
(4.5)
Важнейшим этапом проектирования водоотводящей сети является гидравлический расчет, в итоге которого строится продольный профиль коллекторов. Продольный профиль представляет собой вертикальный разрез – разверстку верхнего слоя земли с запроектированным трубопроводом в направлении движения воды. Гидравлический расчет начинают с диктующих точек – начальных, низкорасположенных и наиболее удаленных точек схемы водоотведения. При построении продольного профиля от диктующих точек заглубление трубопровода получается наибольшим. Поэтому обеспечивается самотечное присоединение других более благоприятно расположенных всех боковых веток трубопроводов к проектируемому коллектору. Участок от диктующей точки до коллектора принято называть диктующей веткой. При построении продольного профиля трубопровода решается вопрос о соединении труб по высоте. В инженерной практике применяются два способа соединения труб в расчетной точке: «шелыга в шелыгу» и «по уровням воды». Опыт эксплуатации показывает, что для объектов водоотведения, имеющих равнинный характер со слабо выраженным рельефом местности, предпочтительны соединения труб одинакового диаметра «по уровням воды», а разного диаметра – «шелыга в шелыгу».
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Оптимальный уклон труб для самотёка
Один из факторов, определяющих устойчивое и надёжное функционирования внешней канализации, – это правильная укладка коллектора с необходимым уклоном. Отклонение от оптимального значения приводит к засору трубы и отказу в работе. Как правильно выполнить расчёт и монтаж – способы, методы, рекомендации.
Введение
Уклон канализационной трубы – это технический термин. Обозначает разницу высот между двумя крайними точками коллектора. Другими словами, один край изделия покоится на горизонтальном основании, другой – приподнят над ним на какую-то величину.
Значение наклона
Минимальный уклон канализационной трубы должен обеспечить:
- устойчивое функционирование бытовой техники и сантехнических приборов;
- удаление сточных вод без остатка;
- приемлемую скорость потока.
То есть, не будет медленного оттока жидкости из кухонной мойки, ванны или унитаза. Оптимальный наклон коллектора способствует его наполнению, что, в свою очередь, обеспечивает устойчивый уход жидкости по магистрали. Впрочем, кроме необходимого угла, на скорость потока влияет внутренний диаметр трубы.
Расчёт угла
За основу могут приниматься величины, приведённые в СНиП (Санитарные Нормы и Правила). Другой путь – произвести математические расчёты. Минимальный уклон измеряется в градусах. Вычисляется по формуле:
- ά – значение уклона, выраженного в %;
- ħ – разница по высоте между двумя крайними точками; измеряется в метрических единицах, например, метр, миллиметр;
- ĺ – расстояние между реперными точками, по которым ведутся измерения; выражается в метрических единицах.
Для удобства перевода процентных значений в линейные величины можно воспользоваться таблицей:
| Величина ά, % | Значение угла наклона, ° |
|---|---|
| 1,7 | 1 |
| 3,5 | 2 |
| 5,2 | 3 |
| 7 | 4 |
| 8,7 | 5 |
| 10,5 | 6 |
| 12,3 | 7 |
| 14,1 | 8 |
| 15,8 | 9 |
| 17,6 | 10 |
| 19,3 | 11 |
| 21,1 | 12 |
| 23,8 | 13 |
| 24,9 | 14 |
| 26,8 | 15 |
Для приведённого примера, 5% примерно соответствует значение в 3°. Зная уклон канализационных труб на 1 метр, можно определить оптимальное положение всей магистрали.
Особенности наклона
Но величину наклона не всегда можно принимать за конечный результат. Это вызвано тем, что имеется ряд нюансов. Объясняется свойствами жидкости и особенностями материала коллектора.
Малый угол
Недостаточный перепад высот способствует замедлению потока жидкости. В результате низкой скорости, механические частицы, содержащиеся в сточных водах, оседают на стенки коллектора. Масложировые компоненты вступают с ними в химическую связь на молекулярном уровне. Образуется достаточно прочное соединение, способствующее образованию засора.
Это явление стало возможным из-за хороших свойств адгезии жировых веществ. Они прилипают к поверхности большинства материалов, используемых для производства канализационных труб, – чугуну, стали, асбесту, полимеру.
Большой угол
На первый взгляд, увеличив значения угла на уклон канализационных труб, можно создать скоростной поток и избежать негативных явлений оседания механических включений. На практике происходит с точностью «до наоборот». В магистрали создаются некоторые зоны, в которых возникает затор. Это объясняется:
- Вдоль стенки трубы всегда существует гидравлическое трение. Из-за взаимодействия с поверхностью материала, создаются водяные завихрения, тормозящие часть потока. Сопротивление становится сильнее при увеличении шероховатости корпуса. Особенно это свойственно чугуну. Поток влаги, цепляясь за структуру, теряет скорость. Твёрдые частицы оседают на стенку. Точно также происходит с масложировыми соединениями.
- Создание медленного потока в приграничной зоне, способствует разгону остального слоя жидкости. Результат – часть воды не увлекает за собой механические примеси. Нехватка жидкого «перевозчика» вызывает выпадение в осадок тяжёлых частиц и скрепление их со стенкой.
- Хорошей сцепке способствуют масложировые компоненты, успевающие из-за малой скорости потока, вступить в соединение с механическими частицами. Начинается развитие засора.
Последовательность образования засоров различна для чугунных изделий и полимерных деталей. В первых, начинают выпадать твёрдые вкрапления, с последующим склеиванием масложировой компонентой. В пластиковых изделиях первым в реакцию вступает жир. Он закрепляется на стенке, подхватывает механические частицы, – образуется затор.
Скоростное движение жидкости может вызвать срыв потока или, другими словами, создать «гидравлический удар». Это означает, что за «первой» волной образуется пониженное давление. Вследствие этого вероятен захват жидкости из сифона, выполняющего своеобразную роль гидрозатвора. Отсутствие такой жидкой заглушки, вызовет проникновение в помещение затхлых неприятных запахов из канализации.
Виды канализации
По месту прокладки коммуникаций, канализация подразделяется:
Общие требования к ним одинаковые, но имеется ряд различий.
Внутренняя система
- сантехнические приборы, – смеситель, унитаз, ванна, посудомоечная машина и т.п.;
- системы отвода стоков, – сифоны, гибкие шланги;
- канализационные изделия малого диаметра, до 50 мм, соединяющие источники грязной воды с основным стояком; сюда относятся отводы, тройники и т.п.;
- основной стояк и главный коллектор, собирающий стоки от всех источников и выводящий их наружу.
Для сбора и отвода воды в здании, где имеется много источников грязной воды, важно знать коэффициент наполненности трубы. Этот показатель определяет максимальное количество стоков, которые может пропустить магистраль.
Коэффициент определяет отношение уровня стоков к внутреннему размеру коллектора:
- ħ – уровень жидкости внутри коллектора, измеряемый в миллиметрах, сантиметрах или метрах;
- ď – внутренний максимальный размер проходного сечения трубы; измеряется в метрических единицах.
Оптимальные значения приводятся в СНиП 2.04.03.85. Для полимера коэффициент равен 0,5; чугуна – 0,6. Рекомендованные диаметры коллекторов:
- центральный стояк – 100 мм;
- унитаз – 100 мм;
- ванна, душ, биде – 30–50 мм;
- умывальник, кухонная мойка – 40–50 мм.
Угол наклона
Уклон канализационных труб, при расчётах в многоквартирном доме, определяется по сложным методикам. Не специалисту будет трудно разобраться в этих хитросплетениях. За многие десятки лет получены весьма точные практические результаты, которыми рекомендуется пользоваться, при прокладке канализации.
Самые протяжённые отрезки магистрали – это отвод от ванны или кухонной мойки (вкупе с моечной машиной). Величина наклона канализационных труб на один погонный метр отлична для разных диаметров:
- для Ø50 мм оптимальные значения перепада по высоте находятся в диапазоне 2,5–3,5 см;
- Ø90–100 мм – 2 см.
Как правило, в имеющихся зданиях, положения магистрали и основных стояков определены архитектурными проектами. Поэтому, при смене старых деталей на новые, достаточно отметить местоположения заменяемых изделий. Установка проводится по выполненной разметке.
Унитаз стыкуется к имеющейся магистрали. При полной замене чугунных изделий, новые, – пластиковые, монтируются с тем же наклоном.
Внешние коммуникации
Включает в себя магистраль со всеми атрибутами. Начинается от главного стояка в здании и заканчивается в сливном колодце (септике). Для крупных населённых пунктов устройство наружной конструкции сложнее, нежели для частного домостроения. Это многокилометровая сеть из труб, со смотровыми колодцами.
В малоэтажном строении – это коллектор от дома до накопительного колодца или собственного септика. Задача проста – отвести стоки из жилой зоны (или бани) и утилизировать их тем или иным способом.
Частная канализация и централизованный водосброс совпадают в применении наружных труб. Это рыжие изделия из ПВХ или полиэтилена. Могут быть гладкими или гофрированными. Такой выбор труб для внешних работ, обусловлен условиями эксплуатации:
- возможными отрицательными температурами;
- нагрузкой от насыпного грунта.
При укладке коллектора на своём участке, с целью обеспечения устойчивого самотёка, следует учесть ряд факторов:
- трубы целесообразно устраивать ниже точки промерзания грунта; или применять дополнительную теплоизоляцию;
- для проведения правильных операций по монтажу трубы, необходимо провести изыскательские работы и провести расчёт уклона, до начала основных работ;
- на перепад высот оказывает внутренний размер коллектора: для меньшего диаметра – больший уклон и наоборот;
- различный материал обладает отличными коэффициентами трения: большие показатели у чугуна и асбеста, меньшие – для пластика.
Уклон канализационной трубы в частном доме определяется применяемой трубой:
- для Ø 50 мм диапазон значений составит 0,025–0,035 метра на 1 погонный метр;
- Ø 100 мм, — 0,012–0,02;
- Ø 150 мм, — 0,007–0,01;
- Ø 200 мм, — 0,05–0,08.
То есть, наружная труба Ø 100 мм через 10 метров опустится на 12–20 см от исходной точки. При расчётах целесообразно брать средние значения. Минимальный наклон труб для внешней канализации рекомендуется брать на коротких прямых отрезках, до 2–3 метров длиной. То же самое относится к максимальным величинам перепада высот.