Повышение эффективности функционирования открытой системы сбора и отвода поверхностных сточных вод тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Тен Андрей Эдисович

• Тен Андрей Эдисович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Тен Андрей Эдисович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ ПО РАСЧЁТУ СИСТЕМЫ СБОРА И ОТВЕДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТОЧНЫХ ВОД

1.1. Анализ отечественных исследований и подходов к расчёту систем отведения поверхностных сточных вод

1.2. Анализ зарубежных подходов к гидравлическому расчёту систем отведения поверхностных сточных вод

1.3. Анализ программного обеспечения для гидравлического расчёта системы сбора и отвода поверхностных сточных вод

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИННОВАЦИОННЫХ СИСТЕМ СБОРА И ОТВОДА ПОВЕРХНОСТНЫХ СТОЧНЫХ ВОД

2.1 Описание и характеристики системы водоотвода АСО Qmax

2.2. Анализ алгоритма программного обеспечения ACO Hydraulic Design для гидравлического расчёта систем водоотвода фирмы ACO

2.3 Определение шероховатости трубопровода ACO Qmax, принятого

в программном обеспечении

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРОГРАММЫ РАСЧЁТА РАСХОДА И ПОДБОРА ДИАМЕТРОВ КАНАЛОВ ДЛЯ ОТВЕДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА

3.1 Описание разработанного алгоритма расчёта расхода и подбора диаметров каналов

3.2 Сравнение результатов расчёта разработанного алгоритма и программы ACO Hydraulic Design

3.3 Учет в работе разработанного алгоритма возможности расчёта овоидальных типов каналов системы ACO Qmax

3.4 Сравнение результатов расчёта разработанного алгоритма и программы ACO Hydraulic

Design с учетом экспериментально полученного значения шероховатости каналов

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРУБОПРОВОДА АСО Qmax

4.1. Исследование результатов расчёта программного обеспечения АСО Hydraulic Design

4.2 Оборудование, приборы и средства измерений

4.3 Методика проведения эксперимента

4.4 Результаты экспериментальных исследований незаиленного трубопровода

4.5 Экспериментальные исследования пропускной способности частично заиленного трубопровода АСО Qmax

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 5. МЕТОДИКА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЁТА СИСТЕМЫ ВОДООТВОДА АСО Qmах ДЛЯ СБОРА И ОТВЕДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТОЧНЫХ ВОД

5.1 Основные положения разработанной методики

5.2. Теоретические основы гидравлического расчёта самотечных систем водоотвода АСО Qmax

5.3 Гидравлические параметры каналов круглого и овоидального

сечения АСО Qmax

5.4 Основные требования для проектирования каналов (лотков) системы водоотвода АСО Qmax

5.5 Определение расчётных расходов дождевых, талых и поливомоечных вод в системах водоотвода АСО Q max

5.6 Пример гидравлического расчёта каналов системы водоотвода АСО Qmax для сбора и отведения поверхностных сточных вод с использованием разработанной методики

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НА ОСНОВЕ ПРОГРАММЫ АСО Qmax

ПРИЛОЖЕНИЕ В. ТАБЛИЦЫ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ВОДООТВОДА АСО Ошах ДЛЯ СБОРА И ОТВЕДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТОЧНЫХ ВОД

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. СПРАВКА ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ АО «ГИТЕСТ»

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. СПРАВКА ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ АО «МОСВОДОКАНАЛНИИПРОЕКТ»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности функционирования открытой системы сбора и отвода поверхностных сточных вод»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Безопасность и надёжность систем централизованного водоотведения являются одним из основных требований, предъявляемых к системе отведения поверхностных сточных вод (ПСВ), так как это важнейшая составляющая здоровья населения и один из приоритетов социальной политики государства [1], [2], [3], [4].

Поверхностные сточные воды, образующиеся на территории городов и населённых пунктов страны во время выпадения атмосферных осадков, являются интенсивным источником техногенного загрязнения окружающей среды, в первую очередь водных объектов [5], [6], [7], [8]. Большой физический износ, «старение» сетей и очистных сооружений систем дождевой канализации большинства городов России, обусловливают возрастающую долю работ по их реконструкции (модернизации), а в ряде городов в условиях отсутствия централизованных систем отведения поверхностного стока требуется прокладка новых сетей и строительство очистных сооружений [9], [10], [11].

В условиях развития современных российских и зарубежных технологий и оборудования для защиты окружающей среды от техногенных загрязнений, актуальна разработка инновационных систем сбора, отвода и очистки поверхностных сточных вод, позволяющих использовать последние достижения отраслевой науки и техники. [12], [13], [14], [15], [16], [17].

Широко известны преимущества применения труб и коллекторов из новых полимерных материалов перед трубами из традиционных материалов (асбестоцементными, железобетонными) при строительстве и эксплуатации безнапорных систем водоотведения, в том числе дождевой канализации. К их преимуществам относятся небольшая масса, высокие гидравлические характеристики, простота монтажа стыковых соединений, что сокращает сроки строительства. К эксплуатационным преимуществам, как правило, относятся устойчивость против коррозии, гладкость стенок и высокая пропускная способность [18], [19], [20].

Применение новых материалов при прокладке трубопроводов требует дополнительных исследований возможности использования отечественных подходов при проектировании дождевых сетей к новым системам водоотвода.

В настоящее время на российский рынок вышли российские и зарубежные компании, предлагающие инновационные конструкции открытых систем водоотвода поверхностных сточных вод, которые имеют широкий спектр применения благодаря своим конструктивным особенностям и способности выдерживать большие нагрузки. Примером такой инновационной конструкции открытых систем водоотвода является система водоотвода компании ACO Industries Tabor s.r.o. (Чешская Республика) марки АСО Qmax [21], [22], [23], [24], [25].

Системы каналов АСО Qmax могут применяться для сбора и отведения поверхностного

стока с водосборных бассейнов различного функционального назначения, в том числе: паркингов для легковых и грузовых автомобилей; на пересечениях дорог; автострадах и шоссе; в промышленных зонах с движением грузовых автомобилей; причалах и пристанях; лётных полях аэродромов; АЗС; транспортных терминалах и складах; ТЦ и магазинах; мойках автотранспорта, пешеходных и парковых зонах. Однако, применению данной системы водоотвода препятствует отсутствие методики их гидравлического расчёта, в том числе таблиц для подбора сечений (диаметров) каналов, которая бы удовлетворяла требованиям российской нормативно-методической базы проектирования систем отведения поверхностных сточных вод и реальному проектированию [24], [25], [26].

В этой связи представляется актуальным исследование эксплуатационных и гидравлических характеристик трубопроводов, каналов (лотков) инновационной системы водоотвода АСО Qmax, разработка новых принципов их расчёта с учётом адаптации для российских условий и нормативных требований и обоснование рекомендуемых параметров путём сравнения результатов гидравлических расчётов коллекторов и каналов с использованием актуализированного программного обеспечения и экспериментального и теоретического моделирования процессов.

Степень разработанности темы. Основные принципы расчёта систем сбора и отвода поверхностного стока рассмотрены в работах М. И. Алексеева, В.С Дикаревского, А.М. Курганова, Калицуна В.И., Игнатчика В.С., Верещагиной Л.М., Пупырева Е.И., Соколовой Е.В., Швецова В.Н., Muthukaruppan M., Ellis, J. B. Morrison, G. M. и др. Большинство из них выполнены во второй половине ХХ века и ориентированы на централизованную систему водоотведения поверхностного стока и традиционные методы эксплуатации, не учитывают современные инновационные материалы и возможности информационных технологий [27], [28], [29], [30], [31], [32].

В существующих российских нормативных документах при расчёте расхода дождевых вод используются степенные зависимости, при этом расход зависит от времени добегания дождевого стока до расчётного створа, которое отсутствует в расчётной формуле европейского норматива BS EN 752:2017, что требует исследований гидравлических и эксплуатационных характеристик [33], [34], [35], [36], [37].

При проектировании систем водоотвода АСО Qmax данный факт может давать искажённые результаты определения размеров сечений (диаметров) каналов системы водоотвода АСО Qmax. Очевидно, что при проектировании инновационных систем водоотвода АСО Qmax при выполнении гидравлических расчётов невозможно применять «Таблицы для

гидравлического расчёта канализационных сетей и дюкеров по формуле акад.

H.Н. Павловского» [29].

Таким образом, актуальна научная задача - совершенствование эффективности функционирования трубопроводов и сооружений открытой системы сбора и отвода ПСВ на основе экспериментальных исследований, разработки новых алгоритмов и методики гидравлических расчётов и адаптации этих систем для российских условий. Сформулированная научная задача исследований логически вытекает из степени научной разработанности темы и соответствует потребности на нормативном и законодательном уровне в новых методах и моделях расчета инновационных систем водоотвода ПСВ.

Объектом исследования является система водоотвода АСО Qmax, которая относится к открытой системе водоотвода поверхностных сточных вод, формирующихся при выпадении атмосферных осадков.

Предметом исследования является совершенствование эффективности функционирования трубопроводов и сооружений открытой системы сбора и отвода поверхностных сточных вод и методов их расчёта.

Цель работы - разработка и научное обоснование методики расчёта и совершенствования эффективности функционирования трубопроводов и сооружений открытой системы сбора и отвода поверхностных сточных вод.

Научная гипотеза, сформулированная на основе анализа классических подходов к описанию гидравлических характеристик трубопроводов - поиск универсальных зависимостей, пригодных для использования в любых граничных условиях, создающих основу для решения инженерных задач проектирования и эксплуатации инновационных систем сбора и отвода поверхностных сточных вод.

Задачи исследования. Поставленная цель реализуется путём решения следующих взаимосвязанных основных задач:

I. Анализ законодательных и нормативно-методических документов РФ, регламентирующих гидравлические расчёты самотёчных водоотводящих трубопроводов и проектирование систем сбора и отведения поверхностных сточных вод.

2. Анализ европейского документа BS EN 752:2008 «Расчет наружной канализации» и сравнение его с российскими стандартами.

3. Анализ алгоритма и зарубежного программного обеспечения для гидравлического расчёта системы водоотвода АСО Qmax.

4. Исследование конструктивных и гидравлических характеристик инновационных систем сбора и отвода поверхностных сточных вод.

5. Гидравлический расчёт системы водоотвода АСО Qmax, используя разработанные алгоритм и программное обеспечение АСО Qmax и расчет по российским нормативным документам на основе разработанного алгоритма. Сравнительный анализ результатов расчёта.

6. Экспериментальные исследования гидравлических характеристик трубопровода АСО Qmax и их интерпретация.

7. Разработка алгоритма и методики гидравлического расчёта системы водоотвода АСО Qmах сбора и отведения поверхностных сточных вод и таблиц гидравлического расчёта. Научная новизна диссертационной работы основана на решении задачи повышения

эффективности функционирования трубопроводов и сооружений инновационной системы сбора и отвода ПСВ и разработки новой методики гидравлического расчёта открытых каналов системы водоотвода АСО Qmax и заключается в:

- моделировании течения ПСВ в открытых канала АСО Qmax и переносе экспериментальных данных с модели на натурный объект;

- разработки алгоритма гидравлического расчёта открытых каналов системы водоотвода АСО Qmax;

- уточнены формулы расчёта овоидального типа труб для возможности включения их в алгоритм гидравлического расчёта;

- отказом в гидравлических расчётах от применения коэффициента в, понижающего расход дождевых вод;

- учётом при расчёте периода однократного превышения расчётной интенсивности дождя условий устройства и расположения закрытой коллекторной сети, принимающей дождевой сток, отводимый открытыми каналами АСО Qmax (во избежание подтопления территорий даже при расчётном дожде).

Теоретическая значимость работы основана на:

- исследовании конструктивных и гидравлических характеристик инновационных систем сбора и отвода поверхностных сточных вод;

- разработке алгоритма программного обеспечения для гидравлического расчёта системы водоотвода АСО Qmax и интерпретации результатов расчёта для реального объекта;

- моделировании особенностей течений и переносе экспериментальных данных с модели на натурный объект;

- сравнительном анализе российских и зарубежных законодательных и нормативно-методических документов, регламентирующих гидравлические расчёты самотёчных

водоотводящих трубопроводов и проектировании систем сбора и отведения поверхностных сточных вод, и особенностях их применения в практике проектирования.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке:

1. Новой методики гидравлического расчёта открытых каналов системы водоотвода поверхностных сточных вод.

2. Таблиц гидравлического расчёта открытых каналов системы водоотвода поверхностных сточных вод, позволяющих проектировать и применять инновационные системы сбора и отвода поверхностных сточных вод на территории России.

3. Обосновании преимуществ системы водоотвода АСО Qmax, которые выделяют её по отношению к стандартным решениям в части отвода поверхностных сточных вод и позволяют эффективно их использовать.

Методология и методы исследования.

Методологической базой исследования послужили методы математического моделирования и классической гидравлики.

Положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм программного обеспечения для гидравлического расчёта расхода и подбора необходимых диаметров коллекторов для отведения поверхностного стока и результаты расчёта для реального объекта.

2. Экспериментальные исследования и моделирование гидравлических характеристик трубопровода системы водоотвода АСО Qmax.

3. Сравнительный анализ результатов гидравлического расчёта системы водоотвода АСО Qmax, используя алгоритм и программное обеспечение АСО Qmax и разработанный новый алгоритм расчёта, соответствующий требованиям российских нормативных документов.

4. Уточненные гидравлические параметры каналов овоидального сечения системы АСО

Q max.

5. Новая методика гидравлического расчёта открытых каналов системы водоотвода АСО Qmax, адаптированная для российских условий формирования и отвода ПСВ.

Результаты исследований нашли отражение при проектировании АО «МосводоканалНИИпроект» систем отвода и очистки поверхностных сточных вод и АО ПИНИБ «ГИТЕСТ» при разработке схемы водоотведения города Тюмени.

Степень достоверности результатов исследования.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается согласованием расчётно-аналитических результатов с основными законами гидравлики и данными выполненных исследований граничных экспериментальных гидравлических

характеристик открытой системы водоотвода в различающихся условиях, а также применением стандартной техники измерений в условиях лаборатории, результатами практических расчётов открытой системы сбора и отвода поверхностных сточных вод.

Личный вклад автора состоит в разработке и обосновании алгоритма и новой методики гидравлического расчёта открытых каналов системы водоотвода поверхностных сточных вод, личном участии в выполнении основного объёма экспериментальных исследований, анализе и интерпретации экспериментальных данных, в написании научных статей и внедрении результатов работы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях и симпозиумах: «Технологии в инженерно-экологическом строительстве, механизации и жилищно-коммунальном комплексе», МГСУ (2017 год); Матес веб-конференций МГСУ (2018 год); Conference Schedule VI International Scientific Conference Integration, Partnership And Innovation In Construction Science And Education (IPICSE-2018); Международной конференции: Четвёртые Виноградовские чтения (2020); Третьем Всероссийском научно-практическом семинаре «Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства» (2020 г.). Более подробно информация приведена в приложении А.

Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 17 изданиях, 8 из представленных работ опубликованы в научных журналах, входящих в «Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, на соискание степени доктора наук». 5 работ опубликованы в изданиях, индексируемых в международных реферативных базах (Scopus).

Список опубликованных научных работ Тена А.Э. (лично и в соавторстве) приведен в Приложении А.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Общий объём - 158 страниц, в том числе: 25 таблиц, 58 рисунков. Список литературы содержит 92 наименования.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ ПО РАСЧЁТУ СИСТЕМЫ СБОРА И ОТВЕДЕНИЯ

ПОВЕРХНОСТНЫХ СТОЧНЫХ ВОД 1.1. Анализ отечественных исследований и подходов к расчёту систем отведения

поверхностных сточных вод

Основными нормативно-методическими документами Российской Федерации в части определения расчётного расхода дождевых вод в системах водоотведения и параметров системы ПСВ являются следующие своды правил и справочно-методические пособия:

- СП 32.13330.2018. «Свод правил. Канализация. Наружные сети и сооружения. СНиП 2.04.03-85» [38];

- СП 42.13330.2016. «Свод правил. Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений. Актуализированная редакция СНиП 2.07.01-89*» [27];

- ТСН 40-302-2001. «Московская область. Дождевая канализация. Организация сбора, очистки и сброса поверхностного стока», 2001 г. [39];

- СП 131.13330.2012 «Строительная климатология». Актуализированная редакция СНиП 23-01-99 [40];

- приказ Минстроя РФ от 17.10.2014 г. № 639/пр «Об утверждении методических указаний по расчёту объёма принятых (отведённых) поверхностных сточных вод для определения их коммерческого учёта при сбросе в централизованную систему водоотведения»;

- Методическое пособие «Рекомендации по расчёту систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока с селитебных территорий, площадок предприятий и определению условий выпуска его в водные объекты». Дополнение к СП 32.13330.2012. «Канализация. Наружные сети и сооружения [43];

- «Таблицы параметров предельной интенсивности дождя для определения расходов в системах водоотведения». А.М. Курганов. Справочное пособие [41];

- «Гидравлические расчёты систем водоснабжения и водоотведения». А.М. Курганов, Н.Ф. Федоров. Справочник [33];

- «Канализация населённых мест и промышленных предприятий. Справочник проектировщика» [42].

В справочнике проектировщика «Канализация населённых мест и промышленных предприятий» [42] приводятся рекомендации по проектированию дождеприёмников (п. 6.4.3), предназначенных для приёма воды в сеть дождевой канализации, а также определение

расчётных расходов дождевых вод Q, л/с, в коллекторах дождевой канализации по методу предельных интенсивностей [43].

Расчётные расходы дождевых вод Q, л/с, следует определять в соответствии с «методом предельных интенсивностей» [43], используя следующие расчётные формулы:

a) в случае, когда доля водонепроницаемых поверхностей превышает 30 % общей рассматриваемой площади, расчёт проводят при постоянном коэффициенте стока:

0 = 20 «х^х-Р^х^ оЛ)

b) в случае, когда доля водонепроницаемых поверхностей не превышает 30 % общей рассматриваемой площади расчёт проводят переменном коэффициенте стока:

20п х д20р х 7ср хРхп/ , ч

0= Ч20р ср УГ1.2п-0.1 , (12)

где: д20р - интенсивность дождя для периода однократного превышения Р лет, л/(с га); п -показатель степени, зависящий от географического положения объекта водоотведения; F -расчётная площадь водосбора, га; п - коэффициент, учитывающий неравномерность выпадения дождя по площади.

Значения q20р и п были разработаны на основе данных Гидрометеослужбы [44]. Коэффициент стока ^ср, а также коэффициент, характеризующий поверхность бассейна стока 7ср, согласно «Методическому пособию АО «НИИ ВОДГЕО» [43] необходимо определять как средневзвешенные величины. Расчётная продолжительность протекания дождевых вод по наружной поверхности и трубам до расчётного участка (время добегания), мин, определяется по формуле:

Г = {Л + Гл + ГТр, (1.3)

где: ТТр - время протекания вод по трубам до рассчитываемого сечения, мин; ^ - время поверхностной концентрации, равное времени добегания воды до уличного лотка или при наличии дождеприёмников в пределах квартала до уличного коллектора, мин; Тл - время протекания вод по уличным лоткам до дождеприёмника, мин.

Учёт заполнения свободной ёмкости сети при возникновении в ней напорного режима может быть произведён не только введением коэффициента г к времени протекания вод по трубам, но и введением коэффициента в непосредственно к величине расхода.

На основании анализа пяти типов дождей с различным порядком изменения интенсивности определять коэффициент в рекомендуется в соответствии со следующими правилами: при уклоне местности менее 0,01, коэффициент в находится в диапазоне [1,04;0,71];

при диапазоне уклонов местности [0,01; 0,03] коэффициент в находится в диапазоне [1,02;0,35]; при уклоне местности менее 0,03 коэффициент в =1.

Количество дождевых вод определяется по формуле:

= 10 xЯдx^xF, (1.4)

где: F - площадь бассейна водосбора, га.; Нд - слой осадков, мм; ¥ - общий коэффициент стока.

Исходя из расчётных формул очевидно, что гидравлический расчёт дождевых сетей при полураздельной системе водоотведения отличается от обычного расчёта до момента присоединения сети к общесплавным коллекторам. Общесплавные коллекторы рассчитываются на основании суммарного расхода производственно-бытовых и дождевых вод. При определении расчётного расхода дождевых вод, направляемых в общесплавной коллектор, показатель Рпред принимается в диапазоне [0,1;0,05] года.

В монографиях «Закономерности движения воды в дождевой и общесплавной канализации» [44] и «Гидравлические расчёты систем водоснабжения и водоотведения» [33] рассмотрены закономерности равномерного и неравномерного безнапорного движения воды в трубопроводах и минимальные скорости в них, приведены результаты исследований процесса формирования дождевого стока в коллекторах с переменным во времени и по длине расходом при различных значениях интенсивности дождя. Предложены теоретические обоснования рекомендуемых методов расчёта и формул, используемых при проектировании дождевой канализации. Расход дождевых вод в канализационных коллекторах Q, отводящих стоки с отдельных водосборных бассейнов, определяется в процессе их гидравлического расчёта.

Следует отметить, что при проектировании водосточных систем гидравлический расчёт выполняется по формулам установившегося движения воды. Отмечено, что из-за многообразия и изменчивости факторов, под действием которых формируются дождевые потоки, даже за многолетний период наблюдений за атмосферными осадками практически невозможно зафиксировать два дождя, одинаковых по интенсивности. В связи с этим «проектирование дождевых сетей ведётся на условный расчётный расход, определяемый по методу предельных интенсивностей, согласно которому максимальные расходы стока формируются интенсивной частью дождя. Продолжительность дождя в данном случае равна продолжительности добегания воды от наиболее удалённой точки рассматриваемой территории до расчётного сечения». Под интенсивностью понимается отношение количества выпавших осадков к продолжительности их выпадения. Общая формула расчётного расхода дождевого стока, л/с, выражается в виде:

£ = 20п х q20 х (1 + С1од10р) Хфх Рх Т-п, (1.5)

где: п и С - показатель степени и коэффициент - климатические параметры, зависящие от географического положения конкретной местности; ц20 - интенсивность дождя, при его продолжительности - 20 минут с учётом её превышения не более 1 раз в год, л/(сга); ^ -коэффициент стока; Т - расчётная продолжительность дождя, мин., равная времени добегания воды от наиболее удалённых точек бассейна до расчётного сечения; р - период однократного превышения расчётной интенсивности, годы; F - площадь бассейна стока, га.

Продолжительность стекания дождевых вод до рассчитываемого сечения водостока, называемая временем добегания, складывается из трёх слагаемых:

- времени поверхностной концентрации

- времени добегания по уличному лотку и (при отсутствии дождеприёмников внутри квартала);

- времени добегания по трубам уличных водостоков 1тр.

Время добегания воды по трубам уличных водостоков определяют как сумму продолжительности протекания её по отдельным участкам сети до рассчитываемого сечения с поправочным коэффициентом г, учитывающим нарастание скорости по мере увеличения расхода (г') и «торможение» стока в связи с заполнением свободной ёмкости труб:

(1.6)

где 1тр - длина отдельного участка; утр - средняя скорость движения воды на участке.

Значения коэффициента г изменяются от 1,2 до 2,8 в зависимости от показателя п и уклона коллектора. Необходимо учитывать, что в лотках движение потоков происходит с переменным расходом по пути, а в трубах - с дискретным поступлением расходов от дождеприёмников или с постоянным расходом. При максимальном расчётном расходе в начале участка наполнение следующего будет меньше полного (расчётного), в связи с чем он не будет оказывать влияние на расчётный участок (подпирать его).

Введение в формулу г > 1,2 объясняется аккумулированием воды в свободной ёмкости труб, образующейся в результате неодновременного прохождения расчётных расходов на различных участках коллектора, и «торможением» стока при напорном режиме.

Удовлетворительное соответствие расчётных расходов фактическим можно объяснить неустановившимся, неравномерным движением дождевых потоков по коллекторам с переменным расходом по пути. Действительный процесс стока очень сложен, поэтому создать универсальную теорию, объясняющую ход этого процесса в каждый момент времени на всех участках, затруднительно [43], [45].

Таким образом, построение простой математической модели процесса возможно лишь путём выделения ведущих факторов, управляющих процессом в тот или иной отрезок времени

на том или ином участке коллектора, и абстрагирования от других, менее существенных факторов.

Как правило, вдоль расчётного участка дождевого коллектора длиной Ь производится подключение поверхностного стока от дождеприёмников. Расход на участке постепенно нарастает от начального Qн до концевого Qк. В таких случаях расчёт коллекторов ведут на пропуск концевого расхода при равномерном движении, при этом коллектор рассматривается как напорный трубопровод с непрерывным равномерным боковым притоком д = - Qн)/Ь по длине, хотя на самом деле наблюдается дискретное присоединение расхода.

При условии подключения к основному коллектору расходов от дождеприёмников, расположенных на расстоянии 25 - 30 м друг от друга, дискретно потери на трение будут больше на 3 - 8%, чем при непрерывном присоединении расходов. Потери на смешение будут одинаковыми, а, чтобы обеспечить безнапорное движение с полным наполнением, уклон коллектора следует принимать по расчётному расходу [46].

При этом уклоне в начале и в конце коллектора будет полное наполнение с небольшим напором между ними. Таким образом, расчёт коллекторов, принимающих дождевые воды от дождеприёмников, предлагается вести не на концевой расход Qк, а на расчётный Qр, который в два раза отличается от Qк. Различная интенсивность выпадения атмосферных осадков формирует дождевые стоки, которые, впоследствии, поступают в водоотводящие коллекторы в виде больших количеств воды [47]. При этом характерны следующие случаи:

- происходит одновременно как движение потока дождевых вод, так и увеличение его объёма за счёт бокового притока в коллектор новых масс воды. В данном конкретном случае объём потока вод зависит от времени движения воды;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тен Андрей Эдисович, 2022 год

- источник питания.

Принцип действия МКРС основан на вычислении осреднённой по времени скорости водного потока путём статистической обработки результатов измерений частоты вращения лопастного винта, которая пропорциональна скорости водного потока. Для регистрации частоты вращения лопастного винта применён кондуктометрический принцип формирования импульсов (вращение лопастного винта, обусловленное скоростью водного потока, приводит к изменению проводимости участка электрической цепи между корпусом держателя лопастного

винта и специальным электродом). Таким образом формируются импульсы.

При этом частота импульсов автоматически пересчитывается по градуировочной характеристике лопастного винта в скорость потока. Каждый лопастной винт имеет свою индивидуальную градуировочную характеристику.

4.3 Методика проведения эксперимента

В тело гидравлического лотка был установлен трубопровод диаметром 225 мм системы АСО Q max общей длиной - 14 м.

Рисунок 4.13 - Экспериментальный стенд Для возможности подачи воды непосредственно в трубопровод дополнительно была оформлена входная часть трубопровода (представлено на рисунке 4.14).

Рисунок 4.14 - Оформление входной части экспериментального стенда

Для проведения экспериментального исследования на гидравлическом лотке с помощью домкратной системы были установлены уклоны 0,5% и 1%.

Замер расхода воды, поступающий в гидравлический лоток, осуществлялся при помощи расходомера Promag 10D80.

Для возможности замера высоты воды в трубопроводе (глубины потока), предварительно пред установкой трубопровода в лоток были вырезаны технологические отверстия в верхней его части. Замеры высоты воды проводились электронным шпиценмасштабом.

Определение скорости течения воды в трубопроводе проводились микровертушкой, при этом замеры осуществлялись на участках трубопроводах, где характеристики потока соответствовали равномерному движению воды.

Стоит отметить, что в ходе экспериментальных исследований наблюдались возмущения при движении потока сквозь тело трубопровода, которые в свою очередь, обусловлены достаточно сложной формой внутренней поверхности системы АСО Q max.

Каждая секция трубопровода (длиной 2 м) имеет следующие характерные элементы:

а) расположенные по всей длине трубы изогнутые ребра жесткости в виде впадин размером 11 х 11 мм;

б) расположенные на 1,4 м друг от друга полые опоры шириной B = 55 мм и глубиной H = 50 мм.

Вид внутренней поверхности трубопровода представлен на рисунке 4.15.

С гидравлической точки зрения профиль внутренней поверхности соответствует регулярным расширениям и сужениям потока. В связи с этим возможно использование понятия «макрошероховатость» при описании гидравлических характеристик такого типа трубопроводов.

В ходе экспериментальных исследований также отмечено, что на сравнительно небольшой длине трубопровода наблюдалось неравномерное движение воды за счёт значительной шероховатости начального участка.

Рисунок 4.15 - Внутренний профиль исследуемого трубопровода

В системе наблюдалось начальное возмущение, которое явилось следствием внезапного сужения потока при поступлении в систему ACO Q max. В связи с этим при проведении экспериментальных исследований замеры глубины потока осуществлялись через технологические отверстия, расположенные по всей длине установленного трубопровода. При этом замеры скорости движения воды в системе ACO Q max проводились на значительном удалении от наблюдаемого начального возмущения в местах, где течение воды стабилизировалось.

Исходя из значения высоты воды в трубопроводе возможно определение следующих гидравлических характеристик: наполнение h/d, площадь живого сечения с, гидравлический радиус R. Указанные гидравлические характеристики были определены на основе следующих расчётных формул и монограмм:

1. Уравнение неразрывности потока.

Скорость движения воды является отношением расхода воды, поступающего в систему, к площади живого сечения потока:

V = — (4.9)

ш v у

где V - скорость движения воды, м/с; Q - расход поступающей воды в систему ACO Q max, м3/с.

2. Для вычисления экспериментальных значений коэффициентов гидравлического сопротивление использовалось следующее уравнение:

1 = (4.10)

где g - ускорение свободного падения,

м/с2; Я - гидравлический радиус трубопровода, м; г - уклон трубопровода; V- скорость движения воды, м/с.

3. Уравнения Шифринсона [7,91].

Данное уравнение связывает два параметра между собой: гидравлическое сопротивление

трубопровода и коэффициент эквивалентной шероховатости.

,к .0,25

А = 0,11(*Э) (4.11)

где кэ - эквивалентная шероховатость, м; ё - диаметр трубопровода, м.

4. Уравнение связи коэффициента Шези (С) с коэффициентом гидравлического сопротивления (X):

С = ^ (4.12)

где g - ускорение свободного падения, м/с ; X - коэффициент гидравлического сопротивления трубопровода.

5. Формула Маннинга.

Используя значение гидравлического радиуса трубопровода и значение коэффициента Шези, возможно определение коэффициента шероховатости п:

С = ^Я1/6 (4.13)

где Я - гидравлический радиус трубопровода, м; п - коэффициент шероховатости трубопровода.

На основании представленных уравнении были проведены вычисления коэффициента шероховатости п для каждого опыта экспериментального исследования.

Величина условного расхода Qп, соответствующая работе трубопровода полным сечением находилась с использованием номограммы (рисунок 4.5), по которой для измеренного наполнения определялось отношение Q/Qп при заданном Q находилась величина Qп. С использованием формулы Шези можно записать:

О, (4.14)

В данной зависимости все величины, характеризующие геометрию поперечного сечения потока, являются известными, что позволяет определить расчётное значение коэффициента Шези и с использованием формулы Маннинга (4.12) определить значение коэффициента шероховатости п для условно полного наполнения трубопровода.

4.4 Результаты экспериментальных исследований незаиленного

трубопровода

Результаты измерений свободной поверхности потока при различных расходах и уклонах приведены в таблицах 4.2, 4.3 и представлены на рисунке 4.16.

Таблица 4.2 - Измерения свободной поверхности потока для уклона 1 = 0,005

Q=14 ■ м3/ч Q=32 м3/ч Q=66,7 м3/ч

х, мм ^ мм х, мм ^ мм х, мм ^ мм

297 90,8 290 128,3 297 179

2080 66,3 2080 101,3 2080 145,1

2690 63 2675 97,4 2690 138

4090 74,2 4085 107,5 4085 156

4680 71,6 4680 102,8 4680 142

6070 61,2 6070 99,8 6075 156,3

6675 61,7 6672 94,6 6667 137,8

8070 71 8080 112,7 8082 156,6

8680 66,2 8680 100,8 8680 140,2

10070 72,3 10070 100,5 10070 155,3

10162 75 10167 111 10170 154,7

10270 73 10280 104,9 10280 152

10677 63 10682 94,5 10685 135,1

х, длина, мм

—•—0=14 1=0,005 -и-0=32 1=0,005 -й~0=66,7 1=0,005 -*-0=14 1=0,01 -*-0=32 1=0,01 -®-0=66,7 1=0,01

Рис. 4.16 - Изменение свободной поверхности потока по длине трубы,

расход приведён в м3/ч

Таблица 4.3 - Измерения свободной поверхности потока для уклона 1 = 0,01

Q=14 м3/ч Q=32 м3/ч Q=66,7 м3/ч Q=24 м3/ч Q=49,4 м3/ч Q=75,5 м3/ч

х, мм ^ мм х, мм ^ мм х, мм ^ мм х, мм ^ мм х, мм ^ мм х, мм ^ мм

297 86,4 297 122,3 285 172,8 297 107 280 148,4 280 179

2076 41,6 2085 59,3 2080 132,6 2080 50,3 2060 77,4 2060 138,5

2680 54,5 2680 80 2680 129,2 2690 70,4 2667 104 2667 138,5

4090 55,6 4080 89,4 4035 138,7 4090 70,5 4060 109,5 4060 155,3

4680 63,6 4670 96,1 4675 136,3 4680 82,8 4666 117,2 4666 145

6070 40,3 6075 63 6075 121,7 6070 53 6060 76,6 6060 139,9

6670 55,1 6670 79,3 6670 129,4 6675 65,3 6666 104,2 6666 137,2

8080 54 8072 87 8075 143,9 8070 70,6 8060 107,3 8060 150,1

8680 61,4 8680 91,6 8670 133 8680 78 8660 110,5 8660 143

10080 54 10085 90 10070 136,3 10070 70,8 10060 109,1 10060 147

10170 51,6 10170 89,7 10170 149,1 10162 72,3 10160 109,1 10160 160

10282 60,3 10276 83,5 10275 140,8 10270 72,5 10260 123,9 10260 148,2

10682 60,7 10685 85,8 10680 131 10677 76,6 10666 108,9 10666 143

00

где х - расстояние от начала экспериментального канала, мм; И - глубина воды в трубопроводе по показаниям электронного датчика уровня.

По результатам исследования было определено, что длина начального участка трубопровода, на котором наблюдались возмущения потока, не превышала 3 м.

При этом локальные возмущения глубины потока по длине исследуемой системы являются следствием влияния косых волн, образующихся за счёт взаимодействия воды с внутренним сложным профилем трубопровода.

В свою очередь, проведённые измерения гидравлических характеристик системы АСО Q max и полученный массив данных относился к участкам, где наблюдалось условно равномерное движение воды и, соответственно, для получения достоверных значений локальные возмущения глубины потока на этих участках усреднялись.

Результаты определения коэффициента шероховатости n при различных значениях уклона, расхода и наполнения трубопровода были сведены в таблицу 4.4.

Таблица 4.4 - Результаты определения коэффициента шероховатости n

i Q, м3/ч h/d Оп, м3/с C Пп

0,005 14 0,33 0,0177 26,52 0,0233

0,005 32 0,49 0,0185 27,79 0,0223

0,005 66,7 0,69 0,0223 33,49 0,0185

0,01 14 0,24 0,0229 24,27 0,0255

0,01 24 0,33 0,0303 32,15 0,0192

0,01 32 0,40 0,0274 29,02 0,0213

0,01 49,4 0,48 0,0292 30,98 0,020

0,01 66,7 0,62 0,0265 28,08 0,0220

0,01 75,5 0,69 0,0253 26,81 0,0231

Полученные результаты экспериментальных значений шероховатости трубопровода представлены на рисунке 4.17.

s 0,03

н

0

1 0,025

и о

X о а

<а

а

£ 0,015

1> К

Я -

со о

и 0,005

0

0,02

0,01

♦ i=0,005 ■ i=0,010

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035

1, уклон

Рисунок 4.17 - Результаты экспериментально полученных значений шероховатости п, при различных уклонах и наполнениях трубопровода

Полученные значения коэффициента шероховатости п соответствуют гофрированным металлическим трубам в соответствии со справочными данными [33], [44].

Экспериментальные данные по значениям скорости течения и наполнению трубопровода при различных расходах и уклонах приведены на рисунках 4.18 - 4.21.

0,7

0,6

0,5

> 0,4

л" н

о 0,3 а о и

° 0,2

0,1

10 20 30 40 50

Расход Ц, м3/ч

60

70

80

Рисунок 4.18 - Изменение средней скорости течения в зависимости от расхода для

уклона i=0,005

0,8

10 20 30 40 50

Расход, Q, м3/ч

60

70

80

0

0

0

Рисунок 4.19 - Изменение наполнения трубопровода в зависимости от расхода для

уклона i = 0,005

0,9 0,8

о

а0,4

о

и

и 0,3 0,2 0,1 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Расход, Q, м3/ч

Рисунок 4.20 - Изменение средней скорости течения в зависимости от расхода для

уклона i = 0,01

0,2 0,1 0

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Расход, Q, м3/ч

Рисунок 4.21 - Изменение наполнения трубопровода в зависимости от расхода для

уклона i = 0,01

Полученные в результате экспериментов значения по наполнению трубопровода, максимальной скорости течения сравнивались с величинами, полученными расчётом по программе АСО Hydraulic Design (таблица 4.5).

Таблица 4.5 - Значения наполнения трубопровода, максимальной скорости течения

i Q, м3/ч Ьэ, мм (Ш)э Ушахэ, м/с hp, мм (h/d)p Vmaxp, м/с

0,005 14 74 0,33 0,502 55 0,24 0,51

0,005 32 110 0,49 0,67 85 0,38 0,68

0,005 66,7 155 0,69 0,774 115 0,51 0,88

0,01 14 55 0,24 0,785 55 0,24 0,51

0,01 24 74 0,33 0,83 75 0,33 0,62

0,01 32 90 0,40 0,899 85 0,38 0,68

0,01 49,4 108,2 0,48 0,875 105 0,47 0,79

0,01 66,7 140 0,62 0,899 115 0,51 0,88

0,01 75,5 155,6 0,69 0,943 125 0,56 0,92

Из таблицы 4.5 видно, что для всех опытов расчётное наполнение меньше экспериментального. Также в результате расчётов по программе АСО Hydraulic Design оказалось, что наполнение трубопровода и скорости течения не зависят от уклона, что не соответствует действительности.

Установленное расхождение, по всей видимости, связано с неадекватным выбором шероховатости, заложенным в программу. При выполнении гидравлических расчётов коэффициент шероховатости необходимо принимать на основании выполненных экспериментов, результаты которых приведены в таблице 4.6.

Из таблицы 4.6 видно, что значения шероховатости не имеют отчетливой закономерности изменения в зависимости от наполнения и уклона трубопровода.

Таблица 4.6 - Результаты выполненных экспериментальных исследований

i Q, м3/ч V, м/с h, мм h/d R, м Re к С n

0,01 14 0,52 55 0,24 0,0315 64890 0,093 29,02 0,0193

0,01 20,8 0,45 64 0,28 0,0354 63646 0,070 33,58 0,017

0,01 24 0,60 74 0,33 0,0405 97200 0,088 29,77 0,0197

0,01 32 0,61 90 0,40 0,0478 115706 0,100 27,65 0,0218

0,01 49,4 0,72 108,2 0,48 0,0557 160380 0,085 30,48 0,0203

0,01 66,7 0,72 140 0,62 0,0636 183060 0,096 28,45 0,0222

0,01 75,5 0,72 155,6 0,69 0,0664 191160 0,100 27,68 0,023

0,01 60,4 0,73 129 0,57 0,0602 192600 0,089 29,67 0,0211

0,005 14 0,35 74 0,33 0,0405 56700 0,129 24,56 0,0238

0,005 32 0,46 110 0,49 0,0557 102465 0,100 27,36 0,0226

0,005 66,7 0,64 155 0,69 0,0664 169920 0,063 34,58 0,0184

0,005 20,8 0,40 88,5 0,39 0,0473 76356 0,114 26,27 0,0229

В результате проведенного экспериментального исследования значение коэффициента

гидравлического сопротивления составило X « 0,1.

Это значение достаточно близко к значениям гидравлического сопротивления трубопроводов с внутренним гофрированием [92].

4.5 Экспериментальные исследования пропускной способности частично заиленного трубопровода АСО Qmax

Вторая серия экспериментов производилась при имитации частичного заиливания нижней части трубопровода (лотка) в пределах гофра. Гофрированные складки в придонной области и полые опоры были заполнены плиточным клеем, который после высыхания был покрыт эпоксидным клеем для предотвращения вымывания заполнителя и имитации отложений ила на поверхности (рисунок 4.22).

Рисунок 4.22 - Трубопровод с имитацией частичного заиливания придонной части

Значения промера глубин по длине трубопровода для исследованных уклонов и расходов представлены на рисунках 4.23, 4.24 и в таблицах 4.7, 4.8.

х, мм

—♦— 0=14 —■— 0=20,8 —Й^0=24 —*—0=33,5 —ж—0=49,4 —«—0=66,7 —1—0=75,5 —е—0=79,1

Рисунок 4.23 - Изменение глубины потока по длине трубопровода для уклона 1 = 0,005, расход представлен в м /ч

х, мм

—•— 0=14 —■— 0=20,8 —й—0=24 —*—0=32 —*—0=49,4 —•—0=66,7 —1—0=75,5 - 0=89,1

Рисунок 4.24 - Изменение глубины потока по длине трубопровода для уклона

1 = 0,01, расход представлен в м /ч

0=13,9 1=0,005 0=20,8 1=0,005 0=24 1=0,005 0=33,5 1=0,005 0=49,4 1=0,005 0=66,7 1=0,005 0=75,5 1=0,005 0=79,1

X И X И X И X И X И X И X И X

1477 41,2 1482 52,3 1448 56,6 1482 69,3 1448 81,4 1482 94,8 1448 106 1482

2079 49,7 2082 69,3 2080 72 2082 85,4 2073 108,9 2082 139,4 2075 147 2082

2690 58,6 2688 73,2 2668 81 2688 90,8 2667,5 117,7 2688 128,6 2668 142,1 2688

3484 41,5 3485 55,7 3447,5 59,3 3485 74,9 3448 84,3 3485 125,8 3448 144,9 3485

4089 49,9 4086 62,2 4080 70 4086 82,9 4080 110,8 4086 135,9 4075 152,8 4086

4683 50,7 4685 70,8 4668,5 76,6 4685 85,8 4669 109,7 4685 132,2 4669 145,8 4685

5490 40,7 5490 53,1 5448 61,3 5490 77,4 5449,5 107,2 5490 133 5449 144,6 5490

6090 60,5 6096 77,5 6095 84,2 6096 97,6 6090 128,6 6096 145,9 6090 159,5 6096

6685 60,6 6685 76,6 6669 82 6685 94,3 6669 113,3 6685 136,7 6669 148,6 6685

7502 55,9 7503 70,4 7500 76,4 7503 93,3 7500 119 7503 137,7 7500 149,7 7503

8098 72,5 8100 90,4 8100 93,5 8100 110,8 8100 126,1 8100 151,4 8100 164,2 8100

8194 74,2 8211 90,3 8200 94,7 8211 110,6 8119 137,2 8211 152,4 8220 165 8211

8299 75,3 8302 87,8 8300 98,4 8302 108,6 8300 128,5 8302 152,8 8295 165,7 8302

8694 70,8 8692 83,7 8669 89,3 8692 102,9 8669,5 120,6 8692 140,7 8669 151 8692

9492 46,8 9496 71,4 9449 71,9 9496 87,1 9500 106,3 9496 131,6 9500 144,2 9496

10100 69,8 10093 84,4 10090 98 10093 106,7 10100 130,4 10093 152,8 10100 162,2 10093

10191 73,1 10194 87,3 10192 97,4 10194 111,9 10190 127,7 10194 150,8 10200 164,1 10194

10295 73,7 10309 87,5 10300 92,2 10309 105,1 10300 135,5 10309 149,3 10300 159,5 10309

10696 69,8 10697 83,6 10669 91,2 10697 100,7 10689,7 117 10697 135,2 10669 149,2 10697

11500 40,3 11495 49,8 11449 52,4 11495 65,8 11449,5 75,2 11495 90,4 11449,5 96,7 11495

0=14 1=0,01 0=20,8 1=0,01 0=24 1=0,01 0=32 1=0,01 0=49,4 1=0,01 0=66,7 1=0,01 0=75,5 1=0,01 0=89,1

X И X И X И X И X И X И X И X

1448 42,6 1447,5 50,3 1448 55,4 1447,5 66,3 1448 73,5 1448 90,9 1448 100,6 1477

2075 36,4 2080 47,2 2080 51,4 2070 61,6 2085 71,05 2085 93,5 2070 101 2079

2668 40 2667,5 50,6 2668,5 56,8 2667,5 69,2 2667,5 85,12 2672 112,6 2668 128,5 2690

3448 43,4 3447,5 53,6 3448 56,3 3447 66,4 3448 80,6 3477 95,3 3448 103,1 3484

4080 38,1 4075 49,1 4080 53,6 4080 62,7 4075 65,89 4080 91,5 4008 100,9 4089

4668,5 40,7 4668,5 52,4 4669 56,4 4669 66 4668,5 82,55 4683 98,6 4667 107,4 4683

5449 40,2 5449 52,7 5449 55,7 5448,5 65,5 5449 69,63 5488 101,7 5449 111,7 5490

6090 38,1 6090 49,3 6095 51,5 6090 61,7 6095 76,5 6092 91,9 6009 102,8 6090

6668 42,1 6668,5 51,03 6669 57 6669 68,1 6669 93,7 6687 124,4 6669 129,6 6685

7500 39,9 7500 51,2 7500 55,8 7500 66,6 7500 84,6 7503 104 7500 115,5 7502

8100 56,4 8100 66 8095 72,5 8100 90,3 8100 112,2 8103 145,3 8100 153,5 8098

8200 47,8 8200 64,2 8200 70,2 8200 81,5 8200 121,5 8202 141,7 8119 151,2 8194

8300 64,7 8300 75,2 8300 73,3 8300 104,8 8300 124,3 8307 147 8300 154,2 8299

8669 66,1 8669 71,9 8669 75,8 8669,5 89,9 8700 116,57 8696 135 8669 143,8 8694

9449,5 39,7 9449 50,3 9500 53 9449 61,8 9449,5 77,9 9493 94,9 9449 100,8 9492

10100 52,3 10100 65 10100 72,5 10090 83,9 10090 108,8 10093 133,3 10100 148,5 10100

10119 64,2 10200 78,6 10200 84,4 10200 96,5 10200 121 10194 136,2 10185 153,8 10191

10300 59,2 10300 75,1 10300 87,4 10300 94,6 10300 118,7 10298 143 10290 150,5 10295

10669 66,5 10669 78 10700 84,3 10700 95,4 10700 114,7 10693 133,6 10669 146,5 10696

11449 41,3 11449 47,9 11449 53,1 11500 62,8 11500 76,5 11491 90,5 11490 96,6 11500

Данные экспериментальных измерений по наполнению трубопровода представлены в таблице 4.10 и на рисунке 4.25.

0,80 0,70 0,60

тз

0,50

и

0,40

ч о

^0,30

ев

513

0,20

0,10

0,00

д^

&

д 1

д ♦д

а ■

10

20

30

70

40 50 60

Расход О, м3/ч ♦ 1=0,005 □ 1=0,01

80

90

100

Рисунок 4.25 - Изменение наполнения трубопровода в зависимости от расхода при

различных уклонах — = f(Q) Представленные данные показывают, что наполнение трубопровода при частичном заиливании в пределах гофра слабо влияет на глубину потока в трубопроводе, которое остается близким к наполнению трубы при отсутствии заиливания.

Изменение экспериментальных значений средней скорости в зависимости от расхода для различных уклонов приведено в таблице 4.9 и на рисунке 4.26.

Таблица 4.9 - Экспериментальные значения и гидравлические характеристики для трубопровода с частичным заиливанием

1 Q, м3/ч И, мм Ш V, м/с к Я С п Яе

0,005 13,90 73 0,32 0,35 0,1297 0,0405 24,38 0,024 56700

0,005 20,8 88,5 0,39 0,40 0,1136 0,0473 26,27 0,023 76356

0,005 33,5 109 0,48 0,50 0,085 0,0540 30,32 0,020 107568

0,005 66,5 152 0,68 0,64 0,063 0,0658 35,10 0,018 168480

0,005 24 96 0,43 0,40 0,1214 0,0495 25,39 0,024 79200

0,005 49,4 131 0,58 0,58 0,072 0,0608 33,02 0,019 139725

0,005 75,5 164 0,73 0,69 0,056 0,0675 37,31 0,017 184950

0,005 79,1 168 0,75 0,69 0,0556 0,0675 37,62 0,017 186300

0,01 66,7 142 0,63 0,70 0,1018 0,0636 27,60 0,023 177975

0,01 75,5 152 0,68 0,72 0,0996 0,0658 28,18 0,023 189540

0,01 49,4 118 0,52 0,66 0,103 0,0574 27,72 0,022 151470

0,01 14 57,4 0,26 0,47 0,1199 0,0338 25,36 0,022 63450

0,01 24 77 0,34 0,58 0,098 0,0422 28,16 0,021 97875

0,01 20,8 71 0,31 0,56 0,097 0,0388 28,38 0,020 86940

0,01 32 93 0,41 0,59 0,109 0,0484 26,76 0,023 114165

0,01 89,1 169 0,75 0,78 0,087 0,0675 29,96 0,021 210600

0

0,9 0,8 0,7

о

^ 0,6 >

нй

о 0,5

о

а

§ 0,4 О

0,3 0,2 0,1 0

0,00

20,00

40,00

•

• • ♦ ♦ ♦

• • • ♦

• ♦ * ж

♦ ♦ ¡=0,00 5

60,00

О

Расход Q, м /ч

Рисунок 4.26 - Изменение средней скорости в зависимости от расхода для различных уклонов в трубопроводе с частичным заиливанием

80,00

100,00

Экспериментальные данные по связи средней скорости потока с расходом, приведённые на рис. 4.26 показывают, что также как и при отсутствии заиливания, скорость практически линейно возрастает с расходом и увеличивается с ростом уклона. Сопоставление экспериментальных значений средних скоростей течения в заиленном и незаиленном трубопроводе (рис. 4.27) показывает, что они практически не различаются.

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

■ Щ О

П О Л Л А

м/с ■ о В и д

Л т о □ Л л ♦

с о р о Л

к С

10

20

30 40 50 60 70

Расход Q, м3/ч ♦ i=0,005 □ i=0,01

80 90 100 Расход Q, м3/ч

Рисунок 4.27 - Сопоставление экспериментальных значений средних скоростей течения в заиленном и незаиленном трубопроводе

Полученное в результате экспериментов значение шероховатости по Маннингу приведено на рисунке 4.28.

0,030

0,025

¡2 0,020 и

о

I-

§ 0,015 х о о.

Э 0,010

0,005 0,000

0 0,2 0,4 0,6 0,8

наполнение, Ь/й

Рисунок 4.28 - Изменение шероховатости в зависимости от наполнения Сопоставляя экспериментальные данные видно, что значение шероховатости практически не обнаруживает влияния уклона, наполнения и частичного заиливания трубопровода.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1. Результаты проведённых исследований показали, что значение коэффициента шероховатости, заложенное в программу АСО Hydraulic Design, значительно отличается от значений, полученных в результате экспериментальных исследований. Вследствие этого выполнение гидравлических расчётов и подбор диаметра трубопровода для пропуска заданного расхода не рекомендуется производить с использованием указанного программного комплекса.

2. По результатам экспериментальных исследований значение шероховатости для трубопроводов системы АСО Qmax составило n = 0,022 - 0,024. Кроме того, было выявлено незначительное изменение значений шероховатости в зависимости от изменения уклона и наполнения трубопровода.

Также проведённые экспериментальные исследования показали, что значение коэффициента гидравлического сопротивления составило А,«0,1, что достаточно близко к значениям гидравлического сопротивления трубопроводов с внутренним гофрированием. При этом частичное заиливание в лотковой части не оказывает влияния на пропускную способность трубопровода.

3. Расчет трубопроводов системы ACO Qmax, имеющих отличные диаметры и форму поперечного сечения, может быть выполнен с использованием полученных значений коэффициента шероховатости и гидравлического сопротивления.

ГЛАВА 5. МЕТОДИКА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЁТА СИСТЕМЫ ВОДООТВОДА АСО Qmах ДЛЯ СБОРА И ОТВЕДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТОЧНЫХ ВОД

5.1 Основные положения разработанной методики

5.1.1 Проектирование инженерных сооружений систем отведения и очистки поверхностных сточных вод, в том числе каналов системы водоотвода АСО Qmax, должно осуществляться на основании следующих сводов правил:

1. СП 42.13330.2016 «Градостроительство» [27];

2. СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения» [38]

СП 42.13330.2016 и СП 32.13330.2018 включают в себя:

a) расчётные формулы для определения среднегодовых и суточных объёмов дождевого стока;

b) расчетные формулы для определения расходов дождевых и талых вод;

c) требования к проектированию систем отведения поверхностных сточных вод.

Для проведения расчета системы отведения поверхностных сточных вод следует

использовать методическое пособие «Рекомендации по расчёту систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока с селитебных территорий, площадок предприятий и определению условий выпуска его в водные объекты» [43], разработанное ОАО «НИИ ВОДГЕО».

5.1.2 Среднегодовые объёмы поверхностного стока, поступающие с различных водосборных площадей, определяются на основе значений слоя атмосферных осадков (рассматриваемого периода года - теплый, холодный). Параметры атмосферных осадков представлены в СП 131.13330.2020 «Строительная климатология» [40].

Для более детального проведения расчета с рассматриваемой территории возможно использование статистических данных, предоставляемых Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды "Росгидромета".

5.1.3 Расходы дождевых вод в системах отведения поверхностных стоков, необходимые для подбора размеров (диаметров) самотечных открытых каналов (лотков) системы водоотвода АСО Qmax следует определять методом предельных интенсивностей, согласно СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения» [38].

5.1.4 В качестве исходных данных для выполнения гидравлических расчетов водоотведения, проектируемой из открытых каналов (лотков) системы водоотвода ACO Qmax, рекомендуется использовать статистически обработанные гидрометеорологические данные многолетних наблюдений за атмосферными осадками на территории различных климатических районов Российской Федерации, приведённые в официальных нормативных документах [52] и в

специальной справочной литературе, содержащей результаты статистической обработки климатических данных с длительными однородными рядами многолетних наблюдений [39], [76], [77], [83], а также данные инженерно-гидрометеорологических изысканий, выполненные на объекте строительства.

5.1.5 Методика гидравлического расчёта системы водоотвода АСО Qmах для сбора и отведения поверхностных сточных вод учитывает нормативные требования действующих нормативно-методических документов Российской Федерации, регламентирующих проектирование систем отведения с площади водосбора поселений, и при проектировании открытых каналов (лотков) системы водоотвода ACO Qmax и позволяет выполнить необходимые гидравлические расчёты с учётом местных климатических параметров района строительства. Конструктивные особенности каналов системы водоотвода АСО Qmах исключают возможность их применения для отведения дождевых и талых вод от внутренних водосточных систем зданий и сооружений, а также, инфильтрационных и дренажных вод с площади водосбора.

Методика распространяется на проектирование систем сбора и отведения поверхностных сточных вод с водосборных бассейнов поселений, муниципальных образований различного функционального назначения, в том числе: с территорий портов, логистических комплексов, аэропортов и автодорог, промышленных предприятий, паркингов, спортивных объектов, зон отдыха и прочих территорий, допускающих использование открытых систем водостока.

В Методике приведены основные принципы и пример гидравлического расчета открытых самотечных каналов системы водоотвода АСО Qmax круглого (150, 225 и 350 мм) и овоидального (550, 700 и 900 мм) сечений.

Система водоотвода АСО Qmax может применяться на объектах, допускающих применение открытых систем отведения поверхностных (дождевых, талых и поливомоечных) сточных вод при раздельной или полураздельной централизованной системе водоотведения (канализации) поселений, муниципальных образований, а также предприятий и промышленных зон. Отведение хозяйственно-бытовых сточных вод каналами (лотками) системы водоотвода ACO Qmax не допускается.

5.2. Теоретические основы гидравлического расчёта самотечных систем водоотвода АСО Qmax

Расчет самотечных систем водоотведения, в том числе открытых каналов (лотков) системы водоотвода АСО Qmax производится по формулам установившегося равномерного движения [66], [75], [84]:

0 = ШУ 1000 (5.1)

V = С^ЁхТ (5.2)

где Q - расход воды в трубопроводе, л/с; ш - площадь живого сечения трубопровода, м; V -скорость движения воды в трубопроводе, м/с; С - коэффициент Шези; И - гидравлический радиус, м; / - гидравлический уклон.

Коэффициент Шези С определяется по формуле Маннинга:

С=-Я1/в (5.3)

п 4 у

где п - коэффициент шероховатости, численно характеризующий сопротивление, оказываемое внутренней поверхностью самотечной системы водоотвода, протекающему в нем потоку воды.

Так как в нормативном документе BS EN 1433:2002 значения коэффициента шероховатости для каналов системы водоотвода АСО Qmax не приводятся, коэффициент п был определён экспериментально в лаборатории "Гидравлики и гидротехнического строительства" НИУ МГСУ на линии, смонтированной из открытых каналов системы водоотвода АСО Qmax диаметром 225 мм. В результате обработки экспериментальных данных было установлено [22,25], что коэффициент шероховатости с учётом условий заиления лотковой части открытых каналов (лотков) системы водоотвода АСО Qmax по Маннингу составляет 0,021-0,024.

5.3 Гидравлические параметры каналов круглого и овоидального

сечения АСО Qmax