Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений. Том 3

14.7. Проектирование и расчет водоводов

Водоводы - транзитные трубопроводы, соединяющие отдельные сооружения системы водоснабжения, например, насосную станцию с водонапорной башней или с разводящей сетью. Они предназначены для транспортирования воды от водоисточника к объекту водоснабжения. Водоводы, как правило, прокладывают вне застроенной территории. Из них обычно не производится попутного водоотбора. Исключение составляют водоводы групповых систем водоснабжения, подающие воду к нескольким объектам (населенным пунктам), на которых устанавливаются ответвления для подвода воды к этим объектам.

По способу создания напора водоводы подразделяются на: нагнетательные, самотечные (или гравитационные) и комбинированные.

При транспортировании воды по нагнетательным водоводам необходимый напор создается насосами, а в самотечных водоводах вода движется самотеком под действием силы тяжести.

В зависимости от гидравлического режима работы различают напорные и безнапорные водоводы. Напорные водоводы работают полным сечением и в трубах имеется внутреннее давление, а безнапорные - неполным сечением и внутреннее давление в них отсутствует.

Нагнетательные водоводы всегда напорные. Самотечные водоводы могут быть как напорными, так и безнапорными. Безнапорные водоводы применяются сравнительно редко, так как для их прокладки требуются благоприятные рельефные условия для создания определенного гидравлического уклона, они быстрее загрязняются.

#Рис. 14.21. Расчетные схемы водоводов:
а - напорного; б - самотечно-напорного: 1 - резервуар, питающий насос; 2 - насосная станция; 3 - напорный водовод; 4 - водонапорная башня; 5 - линия гидростатического напора; 6 - линия гидродинамического напора; 7 - подземный напорный резервуар; 8 - камера переключения; 9 - самотечно-напорный водовод.

64

Тип водовода выбирают в зависимости от типа водоисточника, удаленности его от объекта водоснабжения, топографических условий и расхода транспортируемой воды.

По напорным водоводам (рис. 14.21, а) воду подают из питающего резервуара с меньшей отметки его свободной поверхности Z₁ в питаемый резервуар на высоту Z₂. Для этих водоводов линия гидродинамического напора всегда лежит выше линий гидростатического напора. В самотечных водоводах (рис. 14.21, б) отметки уровня воды в питающем резервуаре больше отметок в питаемом на величину располагаемого напора

Для этих водоводов линия гидродинамического напора всегда будет находиться ниже линии гидростатического напора.

Самотечно-безнапорный водовод применяется в тех случаях, когда допускается, чтобы линия гидродинамического напора совпадала с поверхностью земли (чаще всего для водоотведения).

Водоводы являются ответственными элементами в системе водоснабжения и должны удовлетворять санитарно-гиеническим требованиям. К ним предъявляются требования по экономичности и надежности подачи воды потребителям. Для обеспечения бесперебойности работы водоводы укладывают обычно в две нитки, которые, кроме того, соединяют переключениями (перемычками), позволяющими выключать на ремонт какой-либо участок в случае аварии на нем. Схема водовода в две линии труб с переключениями представлена на рис. 14.22.

Число переключений между водоводами при выключении одного водовода или его участка должно обеспечивать подачу воды на хозяйственно-питьевые нужды не менее чем на 70% расчетного расхода, на производственные нужды - по аварийному графику. При этом необходимо учитывать возможность использования запасных емкостей и резервных насосных агрегатов. Подача воды для тушения пожара должна быть во всех случаях обеспечена полностью.

Число переключений в соответствии с допустимым снижением подачи воды определяют из графика совместной работы насосной установки и водоводов в аварийных и нормальных условиях, при равенстве потерь напора в обоих случаях. Отношение аварийного расхода воды Q_aв к нормальному Q выразится уравнением:

где S- потери напора в системе водоводов, м; S_a- потери напора в системе водоводов при аварии, м; α - коэффициент, зависящий от числа переключений или числа равных участков водоводов; при двух параллельных линиях водовода одинакового диаметра и длины с участками одинаковой длины между переключениями коэффициент α = 1+3/n (п число участков), а при трех линиях водовода α = 1+5/(4n).

Отношение аварийного расхода к нормальному при разном числе участков переключений одинаковой длины на водоводе из двух ниток, работающих при постоянном напоре насосов, имеет значения, представленные в табл. 14.33.

Рис. 14.22. Схема водовода в две линии с переключениями.

65

Таблица 14.33

Зависимость аварийного расхода от числа переключений

Ввиду особенностей местных топографических и других условий расстояния между переключениями обычно не бывают точно равными между собой. Поэтому число переключений и величину аварийного расхода приходится уточнять подбором, принимая, что повреждение произойдет на наиболее протяженном участке.

Расчет водоводов состоит из определения экономически наивыгоднейшего диаметра труб и потерь напора. При большой длине трубопровода вычисляют также возможное повышение давления при гидравлическом ударе, что необходимо для проверки прочности труб.

За расчетный расход нагнетательных водоводов принимают максимальную подачу насосной станции в соответствии с графиком работы насосов. Если в конце водовода установлены противопожарные и аварийные емкости, то учитывают также расход воды на пополнение противопожарного запаса от 48 до 72 ч. По расчетному расходу находят экономически наивыгоднейший диаметр труб водовода и потери напора по его длине. Потери напора на местные сопротивления в длинных водоводах приближенно принимают 5% от потерь по длине. При расчете коротких трубопроводов потери в местных сопротивлениях могут быть большими и их необходимо рассчитывать.

Обычно в практике проектирования водопроводов при расчетах местные сопротивления заменяют эквивалентными им длинами труб одинакового диаметра. Сопротивление трубопровода эквивалентной длины равно местному сопротивлению, и, следовательно, потери напора в эквивалентном трубопроводе и в заменяемых им фасонных частях или приборах

где L_экв - длина эквивалентного трубопровода, м; A_экв - удельное сопротивление эквивалентного трубопровода (с/м³)²; q - расход воды, м³/с; т - показатель степени, для квадратичной области т = 2.

Определение экономически наивыгоднейших расходов воды и диаметров напорных водоводов приведены в прил. 18.7.

Особенностью самотечных водоводов является то, что весь напор в них расходуется на преодоление потерь напора. Предположим, имеется простейший самотечно-напорный водовод постоянного диаметра (рис. 14.23).

Основная расчетная формула для такого водовода

Построим график зависимости h =f(q) Полученная кривая (рис. 14.23) называется

Рис. 14.23. Расчетная схема самотечно-напорного водовода

66

характеристикой водовода. Если значения потерь напора h откладывать на графике, отнимая их от отметки уровня воды в питающем резервуаре А, то каждая точка такой кривой будет показывать какой расход пропускает водовод при отметке уровня воды в питаемом резервуаре равной

H₂= Н₁ - h,

то есть фактически построенная зависимость является зависимостью (q-H₂) и по ней можно легко определить приток воды в питаемый резервуар Б.

Предположим, имеется такой же водовод, но состоящий из труб двух разных диаметров (рис. 14.24). Изменяются диаметры в точке е.

Рис. 14.24. Расчетная схема водовода из труб разных диаметров.

Построим характеристику (q - H_e) для первого и для второго участков водовода. Поскольку из резервуара A вода выходит, то кривая (q - H_e)₁ будет опускаться и, так как во второй резервуар Б вода прибывает, то кривая (q - H_e)₂ будет подниматься. Точка пересечения этих кривых дает величину расхода в водоводе и напор в точке изменения диаметров (в точке е).

Более сложные случаи достаточно подробно изложены в литературе /21/ и встречаются не очень часто.

При дублировании водоводов определяют число участков переключений, исходя из условия, что при аварии на одной из линий пропускная способность водовода была бы не менее заданного аварийного (сокращенного) расхода

где Q_хоз - расход воды на хозяйственно-питьевые нужды населения, л/с; Q_пр.ав - расход воды предприятиями по аварийному графику, л/с.

При нормальной (безаварийной) работе водовода (рис. 14.23) с расходом Q потери напора в нем составляют

Определив предварительно полный напор, подбирают насос с определенными характеристиками Q-H (рис. 14.25).

Потери напора в водоводе при аварии в т.А при выключенном аварийном участке равны:

где п - число участков между переключениями; k₁ и k₂ - поправочные коэффициенты на неквадратичность гидравлической формулы при расходах соответственно 0,5Q_ав и Q_ав

Решив это уравнение относительно и, получим выражение для определения числа участков между переключениями:

67

Для квадратичной области сопротивлений (k₁ = k₂ =1) формула примет вид:

Значение h_ав можно найти по характеристике (Q-H) насоса (рис. 14.25). Отложив на оси абсцисс расход Q _ав находят напор H_ав. Разность между этим напором и геодезической высотой подъема воды H_г приравнивают потере напора при аварии H_ав

Рис. 14.25. Схема к определению потерь напора при аварии h_ав по характеристике центробежного насоса

В самотечных водоводах величина h_ав равна природному избыточному напору.

Прокладка водовода в две линии увеличивает его стоимость. Поэтому допускается укладка водовода в одну нитку при значительной его длине и соответствующем технико-экономическом обосновании. Если водовод проектируют в одну нитку, необходимо предусмотреть устройство запасных резервуаров в конце водовода. За счет устройства этих резервуаров обеспечивается бесперебойность водоснабжения объекта в случае аварии на водоводе.

Расчетная продолжительность ликвидации аварии на трубопроводах систем водоснабжения I категории установлена нормами от 8 до 24 часов в зависимости от условий производства аварийных работ и диаметра труб водовода (табл. 14.34). Для систем водоснабжения II и III категории указанное в табл. 14.34 время следует увеличивать соответственно в 1,25 и 1,5 раза.

В зависимости от материала и диаметра труб, особенностей трассы водоводов, условий прокладки труб, наличия дорог, транспортных средств и средств ликвидации аварии указанное время может быть изменено, но должно приниматься не менее 6 ч;

Допускается увеличивать время ликвидации аварии при условии, что длительность перерывов подачи воды и снижения подачи воды не будет превосходить пределов, установленных для соответствующей категории надежности системы водоснабжения.

При необходимости дезинфекции трубопровода после ликвидации аварии, указанное в табл. 14.20 время следует увеличивать на 12 ч.

Таблица 14.34

Расчетное время ликвидации аварии на трубопроводах, ч /1/

Время, необходимое для восстановления аварийного объема воды, надлежит принимать 36-48 ч. Восстановление аварийного запаса следует предусматривать за счет снижения водопотребления или использования резервных насосных агрегатов.

Водоводы укладывают из стальных, чугунных, асбестоцементных и железобетонных труб. Для предохранения одного трубопровода от разрыва в случае аварии на втором расстояние между нитками водоводов принимают в зависимости от материала

68

труб, внутреннего давления и геологических условий, но должно быть не менее: 0,7 м при диаметре труб до 300 мм, 1м - при 400-1000 и 1,5 м - при диаметре более 1000 мм. Водопроводные трубы должны быть уложены на глубине, исключающей механическое повреждение труб и замерзание воды зимой или нагрев ее летом.

Водопроводные трубы укладывают, как правило, открытым способом на естественный грунт ненарушенной структуры без устройства искусственного основания, за исключением скальных, болотистых и плывунных грунтов.

В скальных грунтах основание траншеи выравнивают слоем уплотненного мягкого грунта толщиной не менее 0,1 м над выступающими неровностями основания. В торфяных и плывунных грунтах трубопроводы располагают на основании с бетонной подушкой. В просадочных грунтах применяется предварительное замачивание грунтов в основании траншей и уплотнение тяжелыми трамбовками. Тупиковые концы напорных трубопроводов и места изменения их направления укрепляют упорами в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

69