|
рівненський ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Ситніченко Микола Віталійович
УДК 628.21
Вдосконалення нормативних параметрів проектування каналізаційних мереж
05.23.04 – Водопостачання, каналізація
АВТОРЕФЕРАТ
ДИСЕРТАЦІЇ НА Здобуття наукового СТУПЕНЯ
КАНДИДАТА ТЕХНІЧНИХ НАУК
Рівне – 2001
Дисертація є рукописом.
Робота виконана на кафедрі міського будівництва і господарства Донбаської державної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.
Захист дисертації відбудеться “_9_” _листопада_ 2001 р. о _1400_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 у Рівненському державному технічному університеті за адресою: 33000, м. Рівне, вул. Соборна, 11.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Рівненського державного технічного університету за адресою: 33000, м. Рівне, вул. Приходька, 75.
Автореферат розісланий “_8_” __жовтня__ 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
к.т.н., доцент Востріков В.П.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. За останні десятиліття принципова сутність проектування водовідвідних мереж практично не змінилася, за винятком уточнення окремих розрахункових параметрів.
Тому виникаючі в процесі експлуатації водовідвідних мереж проблеми у вигляді засмічення трубопроводів невеликих діаметрів на початкових ділянках і стирання лоткової частини труб великих діаметрів свідчать про недосконалість існуючої практики проектування. Зокрема, це стосується таких нормативних параметрів як наповнення, мінімальні діаметри й ухили, максимальні та мінімальні швидкості руху стічних вод.
Зменшення норм водоспоживання при реформуванні комунального господарства України привело до того, що робота початкових ділянок мереж, запроектованих за існуючими нормативними параметрами, носить дискретний характер. В цих умовах зростає кількість засмічень мереж водовідведення, що вказує на необхідність корегування окремих нормативних розрахункових параметрів. Застосування існуючих параметрів ускладнює санітарно-гігієнічний та екологічний стан окремих районів міста і призводить до росту експлуатаційних витрат.
Проектування водовідвідних мереж з урахуванням умов їх роботи в майбутньому і наближенні розрахункових і проектних даних до дійсних умов роботи , що забезпечують нормальну експлуатацію мереж, зменшать експлуатаційні витрати і підвищать ефективність використання трудових і матеріальних ресурсів. Таким чином, актуальність даної роботи пов'язана із забезпеченням нормальних умов роботи мереж водовідведення по всій їх довжині.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Робота виконана згідно завдання Міністерства освіти і науки України “Розробити для України методи і технології підвищення довговічності каналізаційних колекторів” (Дер. реєстраційний № 0298U001106), а також у рамках міжрегіональної програми “Екологічного оздоровлення басейну ріки Сіверський Донець” і пов'язана з планами господарсько-договірної тематики кафедри міського будівництва і господарства ДонДАБА, в яких здобувач приймав участь як виконавець.
Мета і задачі досліджень.
Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування збільшення розрахункових мінімальних і зменшення максимальних ухилів (швидкостей) для забезпечення сталої роботи мереж водовідведення.
Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:
- дослідити експлуатаційні показники існуючих каналізаційних трубопроводів і виявити основні фактори, що впливають на процес самоочищення;
- дослідити механізм самоочищення каналізаційних трубопроводів від відкладень на підставі експлуатаційних даних;
- порівняти фактичні результати наповнень каналізаційних трубопроводів з розрахунковими;
- проаналізувати експлуатаційні показники існуючих водовідвідних мереж для оцінки прийнятих проектних рішень і визначення основних напрямків їх удосконалення;
- провести аналіз можливості застосування існуючих гідравлічних залежностей, призначених для розрахунку гідротехнічних споруд для визначення мінімальних розрахункових швидкостей у трубопроводах водовідведення;
- розробити методику визначення нерозмиваючої швидкості і одержати уточнені залежності для визначення нерозмиваючих і зриваючих швидкостей та ухилів;
- обґрунтувати нові розрахункові параметри каналізаційних мереж, що забезпечують поліпшення їх роботи;
- виявити вплив уточнених розрахункових параметрів на техніко-економічні показники каналізаційних трубопроводів.
Об'єкт досліджень – процес транспортування стічних вод каналізаційними трубопроводами.
Предмет досліджень – розрахункові параметри каналізаційних мереж.
Методи досліджень.
Дослідження, виконані в лабораторних і натурних умовах.
Лабораторні дослідження з визначення нерозмиваючих швидкостей, а також факторів, від яких вони залежать, проводилися на експериментальній установці.
Натурними дослідженнями визначалася експлуатаційна надійність трубопроводів водовідведення: фракційний склад осаду, частота утворення засмічень, фактичні наповнення в трубопроводах.
Наукова новизна отриманих результатів:
- Установлена невідповідність розрахункового наповнення фактичним умовам роботи каналізаційних мереж та необхідність корегування окремих нормативних параметрів, призначених для розрахунку каналізаційних трубопроводів діаметром 150 - 500 мм.
- Отримана емпірична залежність діаметра трубопроводу, покладеного із мінімальним розрахунковим ухилом, від найбільш імовірного наповнення.
- Отримані нові, більш досконалі, розрахункові формули для визначення швидкостей рідини і ухилів трубопроводів, які враховують шорсткість трубопроводу, гідравлічний радіус, діаметр часток, що транспортуються стічною водою, та їх густину.
- Обґрунтовано збільшення мінімальних на початкових і зменшення максимальних ухилів трубопроводів на кінцевих ділянках каналізаційних мереж.
Практичне значення отриманих результатів:
- Отримано формули, що уточнюють існуючі нормативні розрахункові параметри, які можуть бути використані при проектуванні водовідвідних мереж.
- Удосконалено методику визначення мінімальних і максимальних ухилів (швидкостей) водовідвідних мереж, що забезпечує сталу роботу їх початкових і кінцевих ділянок.
- Рекомендації автора використані при реконструкції залізобетонного колектора (d=600 мм) по вул. Радченко (м. Дружковка) і двох ділянок керамічного трубопроводу (d=200 мм) по вул. Олімпієва (м. Донецьк).
Особистий внесок здобувача:
- Проаналізовано роботу існуючих водовідвідних мереж.
- Узагальнено результати досліджень з розробки норм проектування водовідвідних мереж.
- Отримано експериментальну залежність між діаметром трубопроводу і найбільш ймовірним наповненням.
- Визначені і проаналізовані основні фактори, що впливають на процес самоочищення каналізаційних трубопроводів.
- Отримано розрахункові формули для визначення уточнених швидкостей і ухилів труб, що забезпечують сталу роботу трубопроводів водовідведення.
Апробація результатів дисертації. Основний зміст роботи доповідався на III Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми і перспективи освоєння підземного простору великих міст” (м. Сімферополь, 1998 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми і перспективи очищення і повторного використання води” (м. Харків, 2000 р.), Донецькій регіональній конференції “Стратегія керування соціально-економічним розвитком регіону на період до 2010 року” (1999 р.), на науково-технічних конференціях у: ДонДАБА м. Макіївка (1998, 1999, 2000 р.), ХДТУБА м. Харків, (2000 р.).
Публікації. За результатами роботи опубліковано 6 (шість) друкованих праць у фахових виданнях України, з яких 4 (чотири) без співавторів.
Структура і об’єм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку літературних джерел, що включає 118 найменувань, 15 додатків і містить 129 сторінок основного тексту, 30 рисунків, 20 таблиць, усього 206 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, наведені положення наукової новизни і практичної значимості отриманих результатів.
У першому розділі розглянуто сучасний стан проектування і експлуатації мереж водовідведення. Питанням визначення розрахункових параметрів до проведення цієї роботи займалися різні наукові організації: НДІКВіОВ (м. Москва), ЦНІІЕП інженерного обладнання (м. Москва), Укркомунндіпрогрес (м. Харків) та ін. Значний внесок у розробку гідравлічних розрахунків, удосконалення матеріальної бази проектування і конструкцій мереж водовідведення внесли академіки М.М. Павловський і С.В. Яковлєв, професори М.М. Белов, Б.О. Ботук, П.Ф. Горбачов, М.Д. Доброхотов, В.І. Каліцун, М.У. Койда, В.В. Найденко, М.Ф. Федоров, Д.С. Черкес, Г.Г. Шигорін, З.М. Шишкін. Значні заслуги в розробці окремих питань водовідведення належать ученим: К.Г. Арутюняну, М.М. Голіку, М.А. Нікаєву М.В. Молокову, В.Ф. Шкундіну, Babbit G., Okun A., Pomeroy R.D., Roman M і ін.
Аналіз залежностей, запропонованих різними авторами для визначення самоочисних швидкостей у трубопроводах систем водовідведення, дозволив зробити висновок про те, що всі вони мають ті чи інші структурні недоліки, оскільки, не враховують повною мірою фактори, що впливають на механізм транспортування піску потоком.
Зарубіжний досвід експлуатації колекторів великого діаметра засвідчив необхідність зниження максимальних швидкостей через стирання лоткової частини трубопроводів.
Тому для забезпечення самоочищення і запобігання стирання лоткової частини трубопроводів водовідвідних мереж необхідно на основі аналізу наявних досліджень руслових процесів і транспортуючої здатності водотоків одержати нові, більш досконалі залежності з визначення розрахункових швидкостей і ухилів.
Розглянуто експлуатаційні показники існуючих мереж водовідведення. На їх основі були оцінені прийняті проектні рішення і визначені основні напрямки їх удосконалення. Підтверджено, що основними факторами, що впливають на механізм самоочищення каналізаційних трубопроводів, є: ухил, діаметр, наповнення. При цьому зі збільшенням діаметра трубопроводу, його наповнення чи ухилу надійність роботи каналізаційного трубопроводу зростає, що не суперечить в цілому тенденції збільшення мінімальних діаметрів труб, ухилів і швидкостей, яке спостерігається як у нас, так і закордоном.
За даними НДІКВіОВ, для труб діаметром до 300 мм приплив стічних вод у водовідвідну мережу підкоряється нормальному закону, а наповнення практично завжди не досягає максимального розрахункового.
Низька ймовірність виникнення розрахункового наповнення вказує на те, що швидкість руху стічних вод у трубопроводах невеликого діаметра не досягає розрахункової і, отже, не забезпечує в них режим самоочищення.
Виконаний аналітичний огляд розвитку основних принципів проектування і розрахункових параметрів показав, що, незважаючи на те, що в процесі експлуатації каналізаційних мереж була зазначена ціла низка недоліків, що ведуть до зниження рівня їх надійності, принципи проектування каналізаційних мереж не зазнали, будь яких значних змін.
Коливання гідравлічних умов роботи каналізаційних трубопроводів, наприклад, при зменшенні рівня питомого водоспоживання, ставлять під сумнів доцільність застосування існуючих розрахункових параметрів при проектуванні водовідвідних мереж.
Таким чином, для забезпечення самоочищення мереж водовідведення необхідно уточнити нормативні розрахункові параметри шляхом удосконалення методики визначення мінімальної швидкості й ухилу.
В другому розділі приведені методи і методики досліджень.
Вивчення режимів роботи діючих водовідвідних мереж в основному зроблено методом статистичної оцінки експлуатаційних даних, отриманих у п'ятьох районах м. Донецька за 1997 - 1999 р.
Фракційний склад осаду водовідвідних мереж досліджувався за загальноприйнятою методикою (ГОСТ 12536-79 Грунты: Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) состава). Відбір проб здійснювали в різні періоди року під час профілактичних прочищень. Осад, вийнятий із трубопроводу, перемішували і відбирали 3 – 7 проб, які піддавалися ситовому аналізу, а отримані результати осереднювалися.
Для порівняння фактичних наповнень з розрахунковими були обрані прямолінійні ділянки мережі (без бічних підключень), з постійним мінімальним розрахунковим ухилом і однаковим діаметром. В лотковій частині цих ділянок осаду не було взагалі або був присутній тільки тонкий шар відкладень, що при вимірах не враховувався.
Виміри проводилися циклами по 7 – 14 діб на 27 ділянках із проміжком між вимірами від 1 до 6 місяців на протязі періоду 1997 - 1999 рр.
Глибина потоку вимірювалась за допомогою спеціального приладу - мірної тичини (рис. 1), яка дозволяє фіксувати максимальний рівень стічних вод у колекторі.
Дослідження нерозмиваючої і зриваючої швидкостей, а також факторів, від яких вони залежать, здійснювались за допомогою дослідної установки (рис. 2) - лотка довжиною 5550 мм, ухил якого змінювався від 0 до 0,180, а шорсткість складала 0,8 мм.
При проведенні експериментальних досліджень використовувався кварцовий пісок різних фракцій (1,25 - 2,5 мм; 2,5 – 5 мм; 5 – 10 мм) із густиною 2650 кг/м3.
У третьому розділі викладена оцінка ступеня експлуатаційної надійності й аналіз роботи існуючих трубопроводів на основі натурних спостережень.
Натурними спостереженнями за роботою мереж водовідведення встановлено, що чільна роль у механізмі самоочищення каналізаційних трубопроводів належить ухилу, який визначається, виходячи з діаметра і наповнення.
Вивчення експлуатаційних даних з частоти засмічення у п'ятьох районах м. Донецька за період 1997 – 1999 р. дозволило одержати залежність частоти утворення засмічень вуличних водовідвідних мереж (приведеної до 1 км мережі) від їхнього діаметра із середньоквадратичною похибкою S=0,155 (рис. 3). При цьому кількість засмічень для труб діаметром 150 – 300 мм в сучасних умовах в 2 рази менше в порівнянні з 1940 – 1950 рр. і в 1,5 – 2 рази більше 1972 – 1977 рр. Це можна пояснити зниженням норми водоспоживання і рівня експлуатації.
Аналіз роботи водовідвідних мереж переконує, що мінімальний діаметр труб побутових внутрішньоквартальних і вуличних мереж варто приймати рівним 200 мм. При цьому вдвічі зменшується кількість засмічень у порівнянні з трубами діаметром 150 мм.
Отримано середній фракційний склад осаду, що мало чим відрізняється від даних інших авторів (рис. 4) із середньозваженим розміром часток 1 мм.
За розрахунковий діаметр частки, що транспортується водовідвідними мережами, варто приймати не середньозважений діаметр часток фракційного складу осаду, а розмір зерен найбільш великої фракції, частка якої в обсязі дорівнює 5 %, що для побутових стічних вод складе 3 мм.
Для одержання діаграм зміни наповнення трубопроводу за годинами доби були проведені натурні спостереження на ряді ділянок діючих водовідвідних мереж. У результаті отримано 714 діаграм. На їх основі побудовані гістограми розподілу наповнень трубопроводів для різних діаметрів. Статистична обробка отриманих даних дозволила установити, що закон розподілу наповнень трубопроводів можна вважати близьким до нормального. Аналіз гістограм розподілу наповнень трубопроводів показав, що практично завжди значення максимальних наповнень не досягають розрахункових, а середні наповнення практично не відрізняються від найбільш імовірних наповнень.
З обробки даних натурних спостережень отримана залежність найбільш імовірного наповнення від діаметра трубопроводу (рис. 5), яка апроксимується регресією виду:
де h'/d' – найбільш ймовірне наповнення;
P – коефіцієнт, який розраховується за формулою:
де d – діаметр трубопроводу, м,
з коефіцієнтом кореляції r=0,87 і середньоквадратичною похибкою S=0,107, яка може використовуватися для трубопроводів діаметром 150 – 1000 мм. Використання, даної залежності при визначенні мінімальної швидкості чи ухилу дасть можливість поліпшити режим самоочищення каналізаційних мереж.
Вірогідність запропонованої залежності підтверджується порівнянням обчислених мінімальних і максимальних наповнень з фактичними, які спостерігаються для даного діаметра (з середньоквадратичною похибкою S=0,096 для мінімальних наповнень і S=0,147 для максимальних наповнень) (рис. 6). Як свідчить рис. 6 обчислені наповнення задовільно збігаються з фактичними. При цьому як теоретичні, так і фактичні наповнення не досягають розрахункових.
Оскільки метод гідравлічного розрахунку водовідвідних мереж заснований на забезпеченні транспортування піску потоком тільки в годину максимального припливу, водовідвідні мережі, особливо невеликих діаметрів, що працюють з великою нерівномірністю, заздалегідь прирікаються на замулення, через те, що фактичні наповнення а, отже, і швидкості не досягають розрахункових значень, які забезпечують режим самоочищення.
Четвертий розділ присвячений теоретичному обґрунтуванню і експериментальному уточненню розрахункових параметрів.
Як було встановлено в першому розділі, запропоновані різними авторами формули для визначення самоочисних швидкостей у каналізаційних мережах мають деякі структурні недоліки. Аналіз можливості застосування існуючих гідравлічних залежностей, призначених для розрахунку руслових процесів і потоків, що зважують тверді частинки дозволив зробити висновок про те, що їх досить складно, а в деяких випадках практично неможливо застосувати для визначення мінімальних розрахункових швидкостей у каналізаційних трубопроводах.
Дані причини послужили основою для проведення експериментальних і теоретичних досліджень, спрямованих на уточнення нерозмиваючої швидкості.
Розглянувши умови рівноваги частки на горизонтальному дні під впливом пасивних і активних сил була одержана залежність нерозмиваючої швидкості потоку без урахування сил зчеплення, яка на відміну від інших формул що використовуються в гідротехнічній практиці, може бути застосована для твердих русел:
 , (2)
де λ – коефіцієнт гідравлічного тертя;
a - параметр Архімеда;
k – діаметр частки, м;
2,8 – дослідний коефіцієнт, А, визначений на експериментальній установці (рис. 7).
Адекватність отриманої формули підтверджена експериментально із середньоквадратичною похибкою S=0,031 (рис. 8).
Рівняння зриваючої швидкості потоку буде мати наступний вид:
 . (3)
Якщо у формули (2, 3) замість коефіцієнта гідравлічного тертя підставити його величину, то одержимо нерозмиваючий ухил:
 , (4)
де R – гідравлічний радіус, м,
і зриваючий ухил
 . (5)
Виходячи з припущення, що мінімально припустима швидкість відповідає зриваючий швидкості, при якій зрив окремих часток на дні підтримується безупинно, були отримані формули для визначення мінімальної розрахункової швидкості:
 (6)
де Δ – коефіцієнт шорсткості, м;
k=0,003 м,
і мінімального ухилу
 . (7)
При половинному наповненні труб і k=0,003 м рівняння (7) перетвориться в наближену залежність:
 (8)
де d – діаметр трубопроводу, мм,
яка добре погоджується з існуючою формулою
і=1/d.
Порівняння отриманих мінімальних швидкостей з існуючими показало, що значення мінімальних розрахункових швидкостей обчислених при розрахункових наповненнях СНиП за формулами (6), М.Ф. Федорова, С.В. Яковлєва, С.В. Яковлєва В.І. Каліцуна і рекомендованих СНиП 2.04.03–85 для труб діаметром до 500 мм практично однакові (рис. 9).
Рис. 9 – Порівняння залежностей мінімальних розрахункових швидкостей руху стічної рідини від діаметра труби:
1 – за формулою М.Ф. Федорова;
2 - за формулою С.В. Яковлєва;
3 - за формулою С.В. Яковлєва В.І. Каліцуна;
4 - за формулою М.А. Нікаєва;
5 - за СНиП 2.04.03 – 85;
6 - за формулою (6);
7 - автора.
Однак досвід експлуатації каналізаційних мереж дозволяє стверджувати, що використання нормативних мінімальних швидкостей не гарантує в трубопроводах режим самоочищення.
Таким чином, використання недосконалої методики визначення мінімальної швидкості чи ухилу приводить до замулення каналізаційних мереж, оскільки швидкість, при якій наступить режим транспортування зважених речовин у трубопроводі виникне тільки тоді, коли наповнення в ньому досягне розрахункового значення регламентованого СНиП 2.04.03–85. Низька ймовірність виникнення максимального наповнення вказує на те, що більш надійний режим самоочищення водовідвідних мереж може бути отриманий, якщо за наповнення, що використовується при визначенні мінімальних швидкостей та ухилів прийняти те наповнення, яке найчастіше спостерігається для даного діаметра, тобто найбільш ймовірне наповнення (див. рис. 6).
Обчислені за формулою (7), при найбільш ймовірних наповненнях, мінімальні ухили для труб діаметром 150 – 2500 мм рекомендуються в якості розрахункових (табл. 1).
Таблиця 1 – Мінімальні ухили труб різних діаметрів
Порівняння мінімальних розрахункових швидкостей обчислених при розрахункових наповненнях СНиП за формулами різних авторів, а також на основі мінімальних рекомендованих ухилів, (крива 7 рис. 9) показує, що запропонована автором швидкість для труб діаметром до 600 мм практично постійна і складає 0,95 м/с, а надалі з ростом діаметра швидкість нічим не відрізняється від швидкостей обчислених за формулами С.В. Яковлєва, С.В. Яковлєва В.І. Каліцуна.
Слід зазначити, що рекомендації, викладені в роботі добре погоджуються з пропозицією М.Д. Доброхотова, який писав: “Взагалі вірніше було б призначати спочатку величину наповнень і в залежності від них, керуючись граничними ухилами, встановлювати розрахункові швидкості”.
Доцільність застосування рекомендованих залежностей і розрахункових параметрів підтверджується досвідом експлуатації реконструйованих трубопроводів.
У 1998 р. в м. Донецьку було виконано реконструкцію двох ділянок керамічного трубопроводу діаметром 200 мм, по вул. Олімпієва відповідно довжиною 165 і 80 м. У результаті впровадження покращилася робота трубопроводу, що виражається в зменшенні кількості засмічень (з 4,2 до 0,5 на 1 км мережі) і профілактичних прочищень.
Річний досвід експлуатації реконструйованого залізобетонного колектора (d=600 мм) по вул. Радченко (м. Дружковка) показав, що впровадження рекомендованих параметрів дозволило уникнути замулення трубопроводу і, отже, запобігти процесу його газової корозії.
Проблема руйнування колекторів великого діаметра внаслідок стирання їхньої лоткової частини піском має велике значення. В загальному обсязі аварійних руйнувань на стирання лоткової частини труб припадає 22 % аварій за даними І.А. Абрамовича і 18 % за даними Г.Я. Дрозда.
Виходячи з досвіду експлуатації та емпіричних залежностей, що пов'язують стирання лотка трубопроводу зі швидкістю потоку, приймемо припущення, що зважуюча швидкість є максимальною швидкістю, а розмір часток піску, дрібніше якого у воді міститься 95 % від загального складу часток осаду відповідає значенню абсолютної шорсткості.
На основі зазначених припущень одержуємо вираз:
| 
