Российский и зарубежный опыт по решению проблем системы водоотведения

Водоотводящие сети населенных мест и промышленных предприятий проектируются самотечными. Только при большом заглублении  сети устраивают насосные станции, которые перекачивают сточные воды из глубоких коллекторов или на очистные сооружения или в коллекторы, имеющие более мелкое заложение. Число насосных станций зависит от рельефа местности, гидрогеологических условий и других особенностей.

В крупных городах значительную сложность представляет собой реконструкция уже существующих систем водоотведения. По ряду технических, экологических и экономических причин в крупных городах часто бывает нерациональным проектировать самотечно-напорные схемы водоотведения с небольшим заглублением.

Поэтому в этих случаях укладывают коллекторы глубокого  заложения, которые находятся на глубине нескольких десятков метров в устойчивых и плотных грунтах. Такие коллекторы сооружают методом щитовой проходки, применяемой, например, для строительства метрополитена.

2. Гидравлический  расчет водоотводящих сетей

 

2.1.  Режим движения сточных вод в водоотводящих сетях

 

Сточная жидкость является неоднородной системой с большим  количеством плотных и жидких нерастворимых примесей. 

При малых скоростях течения нерастворимые примеси могут выпадать в трубах, что приводит к уменьшению пропускной способности, а иногда и к полной закупорке труб. Поэтому в нормально работающей водоотводящей сети нерастворимые примеси должны транспортироваться потоком воды. 

Все существующие коллекторы водоотводящих сетей  можно разбить на три группы, в  которых: 

1. Обеспечивается  необходимая скорость и никогда  не выпадает осадок; 

2. Наблюдается  волнообразное движение песка,  прочистка таких коллекторов  также не требуется; 

3. Осадок не  движется, так как транспортирующая  способность потока недостаточна. Эксплуатация таких коллекторов  возможна только при их регулярной  прочистке. 

Чтобы избежать полного засорения сети осадками, для контроля состояния трубопроводов необходимо знать три характеристики: а) Режим движения сточных вод, б) Критические скорости, т.е. скорости, при которых нерастворимые вещества не выпадают в осадок, в) Транспортирующую способность потока. [20]

Характеристикой режима потока служит величина безразмерного критерия Рейнольдса, который показывает соотношение между силами вязкости и инерции при движении жидкости. Сточные воды являются более вязкими, чем чистая вода. 

При полном заполнении круглых труб критерий Рейнольдса определяется по формуле: 

Re = v·d/ν, 

где v – скорость течения, d – диаметр трубы, ν - кинематическая вязкость. 

Для движения чистой воды установлено, что при Re < 2320 режим  движения ламинарный, а при больших  значениях – турбулентный. 

Движение стоков по водоотводящим сетям почти всегда является турбулентным, а в пределах расчетных скоростей – турбулентным в области гладких труб или квадратичного сопротивления и в переходной области между ними. [12]

Кроме этого, движение в сетях может быть равномерным  и неравномерным, напорным и безнапорным, установившимся и неустановившимся. 

Равномерное движение в водоотводящей сети наблюдается  на прямых участках коллекторов без  боковых присоединений, при движении со скоростью больше критической. Это  движение характеризуется следующими условиями: 

•  постоянство  расхода; 

•  постоянство  живого сечения; 

• постоянство гидравлического уклона, равного уклону дна русла (трубы) при безнапорном режиме;

 • однотипность шероховатости труб и отсутствие местных сопротивлений. 

Неравномерное установившееся движение имеет место тогда, когда расход воды постоянен, гидравлический уклон не равен уклону русла, и живое сечение потока изменяется по длине. Это движение встречается в коллекторах, когда истечение жидкости из них в водоем или резервуар заканчивается водопадом, или же под уровень воды. 

Неустановившееся  движение – движение, при котором  гидравлические характеристики изменяются во времени. Оно характерно для дождевых потоков. Основными причинами неравномерности  движения стоков являются местные сопротивления, перепады, изменение уклонов труб и т.д.

Все водоотводящие  сети являются безнапорными, что обусловлено  такими причинами: 

•  При неполном наполнении всегда имеется запас  для пропуска расходов, больших расчетных; 

•     Происходит вентиляция сети; 

•  Имеется возможность саморегулирования скорости движения при изменении расхода; 

•    Более низкие требования к качеству заделки стыков между трубами; 

• Возможность устройства открытых лотков в пределах канализационных колодцев, что обеспечивает простоту в эксплуатации. [16]

 

2.2.  Режим движения сточных вод в водоотводящих сетях

В начальных  участках внутриквартальной и уличной  канализации расчетный расход обычно невелик и его можно было бы пропустить по трубам небольшого диаметра.

 Однако практика показывает, что количество засорений в трубах геометрически растет с уменьшением диаметра. Поэтому при уменьшении диаметра эксплуатационные затраты на прочистку увеличиваются.

Граничное значение расхода, при котором капитальные  затраты на устройство сети равны эксплуатационным расходам на ее содержание – около 10 л/с.

Исходя их этих соображений, в СНиП 2.04.03-85 установлены  минимальные диаметры труб, которые  зависят от вида стоков, системы и сети водоотведения. [23]   

Таблица 1.

Минимальные диаметры водоотводящих сетей

Вид водоотводящей  сети	Системы водоотведения
	Бытовая и производственная	Общесплавная	Дождевая
Уличная	200	250	250
Внутриквартальная и производственная	150	200	200
Присоединения от дождеприемников	---	200-250	200-250
Напорные трубопроводы	150	20	200

 

Кроме минимальных  диаметров, регламентируется и наполнение трубопроводов.

Расчетное наполнение – максимально допустимое отношение глубины потока сточных вод в трубе к ее диаметру.

Необходимо  отметить, что общесплавную и дождевую водоотводящие сети рассчитывают на полное наполнение при максимальной интенсивности дождя.

В соответствии со СНиП 2.04.03-85 для самотечных труб установлены  следующие расчетные наполнения:

Таблица 2.

Расчетные наполнения для самотечных труб

 

d, мм	150 - 200	300 - 400	450 - 900	> 1000
h/d	0,6	0,7	0,75	0,8

 

Необходимость установления оптимальных наполнений обусловлена:

• созданием запаса в трубопроводах на случай максимального расхода,
• возможность возникновения подпора уровня воды на поворотах.

В отдельных  случаях, например, при кратковременном  пропуске душевых, банно-прачечных  и др. вод, в коллекторах до 500 мм допускается полное наполнение.

Расчетное наполнение каналов с поперечным сечением любой  формы следует принимать не более 0,7. [10]

Расчетные скорости движения. Минимальные уклоны

Для создания нормальных условий работы водоотводящим сетям  придают определенные уклоны, обеспечивающие течение сточных вод с самоочищающими скоростями. Скорость течения возрастает с увеличением уклона и гидравлического радиуса.

Как известно, распределение  скоростей по сечению канала (трубы) является неравномерным. Самая наименьшая скорость наблюдается у дна. Однако проведение расчета только по придонным  скоростям связано с большими трудностями, поэтому проектирование сети ведут на расчетную скорость течения. [28]

Минимальной незаиливающей расчетной скоростью называется наименьшая допустимая скорость протока сточных вод, при которой обеспечивается самоочищение труб и каналов.

Выпадение взвеси обуславливается поперечными пульсациями скорости потока, причем выпадение не происходит, если значение этой скорости больше на 40-50% гидравлической крупности ω_o расчетной взвеси.  
Был предложен ряд зависимостей для незаиливающей скорости, например, формула С.В. Яковлева:

v_min = 14,5ω_oR^0,2,

где R – гидравлический радиус.

В основу скоростей, рекомендуемых СНиП, положена зависимость Н.Ф.Федорова:  
, 
где A = 1,42 и n = 4,5 + R/2.

По СниП 2.04.03-85 следует принимать следующие  минимальные расчетные скорости:

Таблица 3.

Минимальные расчетные скорости течения осадков

 

Диаметр, мм	vmin, м/с
150 –200	0,7
300 – 400	0,8
450 – 500	0,9
600 – 800	1
900 – 1200	1,15
1300 – 1500	1,3
>1500	1,5

Чем больше диаметр  трубы, тем больше минимальная расчетная скорость. На очистных станциях минимальную расчетную скорость в лотках и трубах допускается принимать 0,4 м/с, а наименьшую скорость течения осадков следует принимать по табл. 3 СНиП 2.04.03-85. Для дождевой сети минимальная скорость принимается равной 0,6 м/с. [23]

Кроме минимальных скоростей, нормируются и максимальные скорости движения стоков.

Максимальной  расчетной скоростью называют наибольшую допустимую скорость течения, не вызывающую снижения механической прочности материала труб при истирающем действии песка и твердых веществ в стоках.

Для металлических труб значение максимальной скорости составляет не более 8 м/с, а для неметаллических  – не более 5 м/с. Для дождевой сети – соответственно 10 и 7 м/с.

Уклоны водоотводящей  сети следует вычислять по формулам Дарси или Шези. Минимальный уклон  трубопроводов находят по формуле:  
.

Трубы с начальным  минимальным диаметром не рассчитываются, скорость и наполнение в них неизвестны, поэтому в СниП приняты минимальные  уклоны для труб диаметром 150 и 200 мм соответственно 0,008 и 0,007.

Для приближенных расчетов на практике можно воспользоваться предложенной С.В.Яковлевым формулой:

i_min = 1/D,

где D – диаметр трубопровода в мм.

В открытой дождевой сети наименьшие уклоны лотков, кюветов  и канав принимают по СНиП в пределах 0,003 – 0,005.

Максимальные  уклоны могут быть найдены по той  же формуле, что и минимальные.

Порядок гидравлического расчета трубопровода

Основными исходными данными  являются расход Q, уклон местности i_м, и длина трубопровода. Требуется определить диаметр, наполнение, скорость и уклон трубопровода. [15]

1. Принимают гидравлический уклон, а значит и уклон трубопровода, равный уклону местности i_o = i_м. Если получается, что этот уклон меньше минимального, то принимают i_o = i_min.
2. По уклону i_o и расходу Q в соответствии с расчетным наполнением подбирают диаметр трубопровода, начиная с минимального.
3. Затем устанавливают скорость при выбранном диаметре.

Если скорость оказывается не больше минимальной, то уклон i_o увеличивают и расчет повторяют до тех пор, пока скорость не станет большей или равной минимальной.