6.2. Основы гидравлического расчета сетей и водоводов

Как уже отмечалось, в систему распределения воды в населенных пунктах входят следующие основные элементы:

• распределительная (разводящая) сеть труб;

• напорно-регулирующие устройства (водонапорная башня и др.);

• насосная станция второго подъема.

По характеру их размещения и соединения различают три схемы питания сети:

• с проходным резервуаром;

• с контррезервуаром;

• комбинированную схему питания.

В схеме с проходным резервуаром насосная станция второго подъема подает воду в напорный резервуар и в распределительную сеть.

1 – линия пьезометрического напора в сети; 2 – пьезометрическая линия при питании сети от насосной станции и транзите в башню; 3 – пьезометрическая линия при питании сети из башни и от насосной станции; 4 – пьезометрическая линия при питании сети от башни: 5 –линия необходимого напора: 6 – разводящая сеть труб; 7 – насосная станция; 8 – башня; 9 – разводящая сеть.

В схеме с контррезервуаром водонапорная башня расположена на противоположной от насосной станции стороне населенного пункта. В период максимального расхода в сети вода в нее поступает от насосной станции и из напорного резервуара на башне. Когда потребление в сети меньше количества воды, подаваемого насосной станцией, то неизрасходованная в сети вода поступает транзитом в напорный резервуар на башне, образуя там некоторый резерв. Если насосная станция не работает, вода в сеть поступает только из башни.

3. При комбинированной схеме питания часть распределительной сети питается по схеме с контррезервуаром, часть – по схеме через башню.

Кроме рассмотренных основных схем питания сети, возможны и более сложные:

• вода подается от нескольких насосных станций в различные точки сети;

• вместо одного устраивают несколько напорных резервуаров;

• сеть питается только от насосных станций, и напорный резервуар отсутствует, то есть насосы работают круглые сутки.

Выбор схемы питания сети в значительной степени зависит от характера рельефа поверхности населенного пункта. При горизонтальной поверхности возможна любая из трех основных схем питания сети. В этом случае выбор схемы определяет размер населенного пункта. В небольшом поселке для удобства эксплуатации лучше поставить башню рядом с насосной станцией и применить схему с питанием через башню. В крупном населенном пункте для уменьшения высоты башни может оказаться выгодной схема с контррезервуаром или комбинированная.

Для сети, которая подлежит расчету, всегда известны ее конфигурация, длины участков и отборы воды в узлах.

Водопроводная сеть в зависимости от планировки снабжаемого объекта и взаимного расположения насосных станций и резервуаров может иметь различные геометрические очертания. В практике различают три типа сетей по их геометрической форме:

• кольцевые (замкнутые);

• тупиковые (разветвленные);

• комбинированные.

Схемы начертания распределительной сети:

а – тупиковая; б – кольцевая; в – смешанная.

Одна из основных задач при расчете сетей (при известных узловых отборах) – начальное потокораспределение.

Для этой цели используют I-й закон Кирхгофа: Приток воды к узлу равен оттоку.

При этом расходы, приходящие к узлу, словно считают положительными, а уходящие от узла (включая отбор) – отрицательными.

Для тупиковых сетей расходы распределяются единственно возможным образом и задача здесь имеет однозначный смысл.

Для кольцевых сетей при заданных узловых отборах можно найти неограниченное число вариантов распределения расходов на участках, которые удовлетворяют I-му закону Кирхгофа.

Поскольку начальное потокораспределение имеет множество вариантов, то необходимо выполнение (кроме I-го закона Кирхгофа) дополнительного условия, т.е. II-го закона Кирхгофа: Сумма потерь напора в замкнутом контуре должна равняться нулю ( ).

Это условие должно выполняться как для каждого кольца в отдельности, так и для внешнего контура.

Подготовка к гидравлическому расчету сети выполняется в следующей последовательности.

Все линии нанесенной на плане населенного пункта сети для расчета разбивают на участки. Начальные и конечные точки каждого расчетного участка называют узлами и обозначают для всего населенного пункта порядковыми номерами. Узлы назначают во всех точках, где имеются сосредоточенные расходы воды, а также на всех точках пересечения линий и изменения диаметров труб. Длина расчетных участков не должна превышать 800 м.

Назначив расчетные участки, приступают к определению путевых отборов (расходов) воды на каждом участке. Путевым отбором называется количество воды, забираемое на данном участке трубопровода водопотребителями в секунду.

Путевые отборы можно определить двумя способами:

• методом удельных расходов;

• методом привязанных площадей.

Первый способ (метод удельных расходов) основан на допущении равномерного распределения отбора воды по длине труб, т.е.

.

Удельный расход – это путевой расход системы, отнесенный к суммарной длине линий сети.

Путевой расход системы

Путевой отбор на участках, раздающих воду по пути, равен произведению удельного отбора на длину участка:

.

Однако, расход воды в трубопроводе, из которого производят раздачу по пути, меняется по длине.

Замена путевого расхода сосредоточенными в узлах:

а – схема отбора; b – график изменения расхода по трубопроводу; c – схема сосредоточенных отборов, заменяющих путевой отбор.

Обозначим транзитный расход воды, вытекающий из узла б) и питающий нижележащие участки сети через q_тр а путевой отбор через q_n. Тогда расход воды в трубопроводе в узле а) будет равен q_тр+ q_n. , а в узле б) – q_тр. Между узлами а) и б) расход в трубопроводе будет непрерывно убывать.

Потери напора в трубопроводе с переменным расходом находят путем интегрирования элементарных потерь напора. Зная потери напора, можно найти эквивалентный расход, условно протекающий по трубопроводу транзитом, который дает такую же потерю напора, что и переменный расход. Эквивалентный расчетный расход определяют по зависимости

,

где  – коэффициент, меняющийся от 0,5 до 0,58, в зависимости от соотношения попутного и транзитного расходов, в среднем  = 0,55. При расчетах водопроводных сетей с достаточной точностью можно принимать  = 0,5.

Тогда для упрощения расчетов можно условно заменить путевой отбор на участке двумя сосредоточенными, расположенными в узлах по концам участка и равными половине путевого отбора каждый.

Это упрощение схемы отбора дает полную аналогию при определении эквивалентного расхода в трубопроводе.

Полный узловой отбор

Второй способ определения путевых отборов (метод привязанных площадей) при разнообразной форме кварталов может дать более точные результаты. Сущность его заключается в следующем.

1. Определяют плотность населения на единицу площади

где N – расчетная численность населения;

F – общая площадь всех кварталов без учета площади улиц, скверов, парков стадионов и т.д.

2 . Площадь каждого квартала разбивают биссектрисами на элементарные площадки, которые нумеруют порядковыми номерами.

3. Определяют площадь каждой элементарной площадки.

4. К каждому участку трубопровода привязывают ближайшие к нему элементарные площадки и суммируют их площади.

5. Определяют путевой отбор каждого участка

q_{пут 6-11} = [f₁₂ + f₁₅ + f₈ + f₁₈ + ¹/₂ (f₁₁ + f₁₃ + f₇ + f₁₇)] P q_уд

где q_уд – удельный расход на одного жителя,

,

.