Канализационная сеть для отвода дождевых стоков

Входные данные

• Регион – Северо-Запад России (Ленинградская область);
• Территория – приречная с горизонтами вод в реке:
  • ГВВ – 82,0 м;
  • ГНВ – 79,0 м;
  • ГМВ – 80,2 м;
  • ГЛС – 79,7 м.
• Средний уклон к реке – 0,002;
• Характер канализируемой поверхности (площадь в процентах от общей):
  • крыши строений – 20;
  • покрытие булыжное – 28;
  • покрытие асфальтовое – 9;
  • без покрытия – 20;
  • зелёные насаждения – 23.
• Наличие предприятий – одно: со сбросом условно чистых вод с КНС, обеспечивающей равномерную в течение суток подачу со скоростью 17 л/с.

Рассчитывается коллектор 1-В.

Порядок расчёта

Разбивка обслуживаемой площади

Вся территория разбивается на кварталы. Квартал разделяется на простые геометрические фигуры – чаще это треугольники и трапеции. Эти фигуры образуются проведением биссектрис от углов квартала. Вычисляется площадь каждой элементарной фигуры в гектарах.

Выбор значений параметров и формулы

Так как доля водонепроницаемой поверхности меньше половины общей, для расчёта используется формула, учитывающая переменность коэффициента стока:

q = A^1,2z /t^1,2n-0,1 л/с с га.

Здесь:

А = 20ⁿq₂₀(1+c lgp);

t = t_конц + t_л + t_пр.

Величина коэффициента z берётся из таблиц в зависимости от типа покрова поверхности. Средняя величина z_ср получается умножением доли рода поверхности на абсолютную величину z.

Другие нужные параметры определяют исходя из локальных условий. Для принятых исходных данных:

• n = 0,65 (берётся из карты изолиний);
• q₂₀ = 60 л/с на 1 га (информация оттуда же);
• с = 0,85 (по карте в СНиП);
• р = 0,5 (там же, с учётом существования промышленного предприятия);
• t_конц = 5 мин (стандартное рекомендуемое время);
• t_л = t_пр (открытые лотки отсутствуют).

Тогда расчётная формула для А приобретёт вид:

А = 20^0,6560(1+0,85 lg0,5)= 313,0.

Подставляя величины, имеем для удельной величины

q_уд = 313^1,2 × 0,156/(2t_пр+5)^0,68 л/c с 1 га.

Логарифмирование даёт

lgq_уд = 2,1877 – 0,68lg(2t_пр+5).

Получили уравнение с двумя неизвестными: q_уд и t_пр. Для дальнейших расчётов потребуется построение графика зависимости удельного стока от времени протекания воды, так как аналитическое вычисление для каждой величины qуд нецелесообразно. Строим кривую q_уд = f (t_пр). На оси абсцисс задаётся интервал от 0 до 45 минут с шагом 5 минут, на оси ординат – qуд в литрах стоков в секунду с одного обслуживаемого гектара площади. Из полученного графика можно получить величину удельного стока в коллекторе для любого момента в пределах 0÷45 мин.

Гидравлический расчёт

Данные по гидравлическому расчёту сводятся в таблицу. Известными величинами являются: топографические данные участка (длина, площадь стока, топографические отметки). По заданной скорости течения воды и длине участка определяется время протока. Из построенной кривой q_уд = f (t_пр) находится величина удельного стока.

Полный расчётный расход вычисляется умножением её на общую площадь F. Поправочный коэффициент η в формуле Q_p = q_удηF здесь равен 1, поскольку F меньше 300 га.

Для каждого участка канализационной сети по заданной скорости отвода воды определяется необходимый уклон и диаметр труб при полном их заполнении. При принятых этих величинах находится расход. Вычисленная величина не должна отклоняться от табличного более, чем на 5%; в противном случае нужно задать другую скорость потока.

Трубы смежных участков выравниваются по шелыге. За t_пр принимается время прохождения воды от начала участка до сечения, для которого проводился расчёт.

По результатам гидравлического расчёта проводится также построение продольного профиля участка дождевой канализации.

Для обеспечения необходимой пропускной способности водостоков нужно вычислить требуемое сечение трубопроводов и каналов. Определяющей величиной является предельно возможный расчётный расход забираемой сетью дождевой воды. Её можно определить из формулы

Q = qψηF = ψηFA/tn л/c.

Здесь F – обслуживаемая площадь участка, ψ – коэффициент стока.

Некоторая сложность возникает при вычислении по второй части формулы, когда q неизвестно, а известно А. Нужно правильно выбрать величину t – продолжительность дождя. СНиП рекомендуют принять за неё время tкр, за которое капля воды добегает до расчётного сечения трубы от самой дальней до него точки на площади стока. Эта величина – критическая продолжительность выпадения дождя. Расход в расчётном сечении трубы будет максимальным.

Дождевая вода поступает в сеть и в резервуары КНС с нарастанием объёма со всё большей площади, пока не станет стекать со всей обслуживаемой территории. Параметры влияют друг на друга следующим образом. Если продолжительность дождя больше t_кр, то уменьшается q; в противоположном случае – F (но q увеличивается).

Этот способ расчёта называется методом предельных интенсивностей. Он учитывает расход дождевых стоков по максимально возможной величине.

Критическая продолжительность дождя для обслуживаемого бассейна стока для разных сечений водостока будет разной. Эту величину образуют времена:

• поверхностной концентрации t_конц, за которое в уличный лоток попадёт капля с границы обслуживаемого участка;
• движения по лотку t_л, за которое вода в уличном лотке с места попадания в него достигнет ближайшего дождеприёмника;
• протекания по трубе t_пр, необходимое воде для движения от дождеприёмника до расчётного сечения водостока.

То есть

t_кр = t_конц + t_л + t_пр.

На величину t_конц влияет характер застройки и уровень благоустройства объекта, площадь бассейна стока, уклон поверхности, интенсивность дождевых осадков и другие параметры. Практика показала, что в населённых пунктах его средняя величина составляет от 5 до 10 мин. СНиП рекомендуют принять 5 минут для кварталов с внутриквартальной дождевой сетью закрытого типа, в остальных случаях – 10 минут.

Время, за которое вода по лотку длиной Jл пройдёт до конца, вычисляется из её конечной скорости v_л:

t_л = 1,25 J_л/ v_л c.

J_л берётся в м, v_л – в м/с. Коэффициент 1,25 учитывает возрастание скорости потока по мере движения.

Расчёт пропускной способности канализационной сети выполняется исходя из учёта наполнения трубопровода полностью, а также возможного напорного режима при переполнении сети. Для каждого последующего участка величина расчётного расхода не должна быть ниже, чем для предыдущего. В крайнем случае они принимаются равными.

Водостоки предназначаются для отвода не только дождевой, но и талой воды. Хотя её расход зачастую незначителен, но для периода однократного переполнения от 0,25 до 0,33 года при большом бассейне стока нужно учесть и его. Особенно важно проводить поверочный расчёт для регионов с большим объёмом талых вод в весенний период.

Определяющей величиной для расчёта дождевой сети является расчётный расход этих вод. Зависимость между расчётными величинами интенсивности и продолжительности атмосферных осадков устанавливается на основе соответствующих измерений на метеостанциях. Минимальный период мониторинга должен быть 15 лет.

Расшифровка плювиограмм, использование итоговых результатов измерений, а также вычисление расчётных интенсивностей чаще всего проводится следующим способом.

Интенсивность по объёму и продолжительность дождя должны быть сведены к гиперболической зависимости

q = А/tⁿ л/с•га.

Для получения величин А и n, зависящих от локальных условий, необходимо расшифровывать записи дождемеров. Для некоторых географических пунктов эту информацию можно найти из справочников.

В зависимости от рельефа и общей площади канализируемого объекта интенсивность дождя может быть различна на разных участках, иногда существенно. Это обстоятельство обязательно нужно учитывать и при проектировании КНС. Если площадь обслуживаемого бассейна превышает 300 га, то следует применять коэффициент учёта этого фактора. Он является отношением интенсивности дождя средней к максимальной на площади. Существуют табличные данные этого коэффициента. При необходимости получить величину η для площади F, отсутствующей в таблицах, можно использовать расчётную формулу

η = 1/ (1 + 0,001F^2/3)

Когда приходится основываться только на среднегодовом слое осадков, или срок наблюдений недостаточен (меньше 15 лет), требуемое значение можно найти из выражения

q = (20ⁿ • q₂₀ (1 + c • lgp))/tⁿ л/с•га.

В этой формуле:

q₂₀ – интенсивность осадков с одногодичной повторяемостью и продолжительностью 20 мин в л/с×га;

c и n – величины, определяемые географическим расположением местности;

р – период однократного переполнения в годах;

t – длительность дождя в минутах.

q₂₀ определяются по изогиетам – изолиниям количества выпавших за определенный период времени атмосферных осадков, c и n – по соответствующим картам.

Если проектируемая сеть оказалась в районе вне обозначенных изолиний, то q20 определяется из

q₂₀ = 0,71 Н л/с•га.

Здесь: Н – количество атмосферных осадков среднегодовое (за период 15 и более лет); d – средневзвешенный дефицит влажности. Обе величины в мм.

Ливневую канализационную сеть следует рассчитывать далеко не на весь объём атмосферных осадков. Не вся вода, выпадающая из облаков на землю, должна попадать в сеть. В зависимости от свойств грунта некоторая, порой значительная, часть жидкости просачивается в него. Какая-то доля осадков испаряется. Если территория оборудована сточными канавами, то большая часть воды стекает по ним в местные водоёмы.

Количество воды, которое должно приниматься канализационными водостоками, учитывается коэффициентом стока. Данный коэффициент представляет собой долю отводимых в канализацию осадков в их общем выпавшем объёме. На его величину влиют не только от характер поверхности объекта и его топография, но и продолжительность и интенсивность дождей.

Параметров дождевых осадков, необходимых для проектирования соответствующей канализационной системы, три: продолжительность, повторяемость и интенсивность.

Продолжительность (называемая также длительностью) определяется по плювиограмме. Единицы измерения – минуты и часы. Интенсивность – количественная мера скорости выпадения дождя на единицу поверхности за единицу же времени. Она определяется по слою и объёму.

Интенсивность по слою

За эту величину i принимается скорость выпадения дождя в мм в мин:

i = h/t

(h – высота водяного слоя, t – время накопления воды).

Интенсивность по объёму

Предыдущая величина для проектирования дождевой канализации неинформативна. Для неё, также как и для КНС, важным является объём осадков (q). Он пересчитывается из i на количество литров дождевой жидкости в секунду, выпадающих на гектар. Для этого используется коэффициент пересчёта:

q = 199,7 • i.

Повторяемость – период, когда дождь с конкретной продолжительностью наблюдается однократно. Ливень экстремальной интенсивности повторяется не чаще, чем раз в 50-100 лет. Делать расчёт дождевой канализационной сети на такую аномальную величину не имеет смысла. В этом случае она будет использоваться большее время со слишком малым коэффициентом, а затраты на её сооружение окажутся нерационально излишними.

Поэтому в нормы расчёта водостоков закладывается величина осадков с определёнными значениями указанных выше трёх параметров. Обязательно должна учитываться неизбежность переполнения объекта в случае превышения этих норм.

Однократное переполнение

Период однократного переполнения канализационной сети (превышения интенсивностью дождя расчётной величины) – временной промежуток (лет) выпадения дождей в объёме выше нормы.

В каком случае появляется опасность? Если вода ещё не выходит из смотровых колодцев, увеличивается напор в сети за счёт дополнительного подпора, и сеть ещё может справляться с её пропуском. Когда пропускная способность канализации уже не способна обеспечить сток всей собираемой воды, она может привести к затоплению городской территории, в том числе и подвальных помещений с ценным оборудованием. Экономическое обоснование этого периода базируется на чётком учёте возможного ущерба, который может быть понесён в результате переполнения ливневой канализации. В зависимости от этого параметра в СНиП принимаются следующие периоды однократного переполнения водостоков:

• для рельефа плоской формы – 0,3-1 год в случае последствий с малозначительными экономическими потерями;
• для рельефа с полностью или существенно замкнутым понижением (котловины, впадины), с расположением на обслуживаемой территории ценного оборудования в подвальных помещениях – до 5-10 лет и выше.

На величину периода должны влиять такие параметры канализируемой территории, как характер городской площади (величина улиц, площадей с их значимостью – магистральные, центральные или меньшего уровня), топография, площадь обслуживания и интенсивность осадков.

Пропускная способность каналов дождевой канализации, или водостоков, должна с необходимой скоростью обеспечивать отвод атмосферных осадков в жидком состоянии, т. е. дождей. На снеговые осадки они не рассчитываются, поскольку снег не тает сразу же, большая его часть эвакуируется специальными средствами. Количество осадков зависит от географии региона и условий климата. Базовой величиной для расчёта является годовой слой в миллиметрах (Н). Объём дождевых осадков измеряется дождемерами.

Устройство дождемера

Простейший дождемер – это цилиндрический сосуд с открытым верхом. Его размеры: диаметр 25,2 см (площадь поперечного сечения – 500 см²), высота – 40 см. Он устанавливается на столбе на высоте 2 м с расстоянием от ближайшей помехи (стен, заборов) 20-25 см. Для получения достоверных сведений нужно предотвратить возможность выдувания осадков ветром и его испарения. Первое обеспечивается конической формой внешнего кожуха прибора, второе – воронкообразной диафрагмой внутри сосуда.

Вода из дождемера выводится через сливной носик с крышкой, расположенный в нижней части собирающего сосуда. Для быстрого визуального определения количества осадков они сливаются в измерительный сосуд из стекла. Градуировка, нанесённая на его поверхность, позволяет сразу получить в миллиметрах величину осадков, выпавших на площадь 500 см² за определённое время. Такие дождемеры, в основном, используются для измерения суточных осадков. За требуемый промежуток времени данные получаются суммированием.

Плювиограф

Для расчёта необходимого сечения каналов водостоков и ёмкости КНС важна не только среднесуточная величина осадков, но и их интенсивность. Дождевая канализация должна обеспечить должный их отвод и в пиковых случаях. Поэтому необходимо знать о продолжительности разовых дождей с учётом их интенсивности. Непрерывная регистрация уровня дождей проводится с помощью плювиографов (поплавковых самопищущих дождемеров), называемых также омбрографами.

Основные составляющие плювиографа: приёмный сосуд в виде цилиндра сечением 500 см², измерительный цилиндр с поплавком, барабан с часовым механизмом, сосуд сборный.

Прибор работает по следующему принципу. Атмосферные осадки поступают из собирающего их сосуда в измерительный непрерывно по специальной трубке. К поплавку последнего присоединено пишущее перо. Концом оно касается бумажной ленты на барабане. Барабан приводится во вращение приводом со скоростью 1 оборот в сутки, на которые и заводится часовой механизм. К измерительному цилиндру присоединён изогнутый сифон. Высота расположения изгиба соответствует верхнему положению поплавка. По достижении водой высшего уровня она сливается по сифону до нижнего уровня, и запись продолжается с минимального значения. Число вертикальных линий на плювиограмме соответствует количеству наполнений измерительного цилиндра.

По горизонтали ленты отложено время, по вертикали – слой осадков в миллиметрах. Точность измерения: по времени – 2 мин, по количеству осадков – 0,05 мм.

Примечание. Дождемер используется и для определения количества осадков в виде снега в пересчёте на воду. Для этого снег растапливается и переливается в мерный сосуд.