Гидравлический расчет проекта канализации заметно сложнее, чем тот, что применяется при проектировании водопроводной системы. Объясняется это следующими причинами:

  • Сложная структура транспортируемой жидкой среды. Одним из принципиальных отличий канализационной сети от водопроводной считается полидисперсное состояние перекачиваемой жидкости. Она состоит из частиц разной жесткости и размеров: суспензии и коллоиды.
  • Переменный состав и плотность перемещаемой среды. Еще одна особенность канализации — концентрация дисперсных включений меняется с течением времени. В некоторые моменты концентрация твердых частиц в сточных водах может возрастать, затем уменьшаться.
  • Преимущественно неравномерный режим течения сточных вод. Большинство канализационных систем используют гравитацию для организации тока жидкой среды. Сточные воды перемещаются самотеком. Водопроводные системы чаще работают под напором.

Эти моменты определяют особенности гидравлического расчета канализаций различного типа. Но основные принципы гидравлики работают и здесь.

Особенности неравномерного потока

Термин неравномерности в отношении потока означает, что жидкая среда может двигаться с разной скоростью на разных участках трубопроводной системы. Это может быть обусловлено различными факторами:

  • Местное сопротивление. Явление обуславливается наличием в системе изгибов трубопровода, различия в сечении труб, его составляющих. В канализации также могут устанавливаться смотровые колодцы, организовываться притоки.
  • Дефекты строительства. Отклонение от проектных значений углов уклона, сечений труб, добавление в трубопровод поворотов, не предусмотренных проектом. Это может привести к снижению скорости потока и, как следствие, отклонению реальной ситуации от предусмотренной гидравлическим расчетом.
  • Следствия деформации системы при эксплуатации. В некоторых случаях наблюдается изменение уклона, изгибов труб из-за просадки грунта, ослабления опор.

Последние два фактора относятся к категории устранимых. Дефекты строительства при наличии технической возможности и экономической эффективности можно устранить в ходе капитального ремонта или на этапе строительства. Последствия износа конструкции устраняются сложнее. Особенно при ремонте больших по протяженности трубопроводов и систем, которые нельзя вывести из эксплуатации на долгий срок, так как отсутствует резервный вариант отвода стоков.

Неравномерность скорости потока также может быть обусловлена неустановившимся характером движения стоков. Объясняется она неравномерным поступлением в систему жидкой загрязненной среды. Пример — дождевая канализация, которая работает с максимальной нагрузкой только в момент выпадения большого количества осадков за короткий промежуток времени.

Стоит отметить, что для бытовых и технологических канализаций явление неустановившегося характера движения стоков менее критично. В них нагрузка распределяется по времени сравнительно равномерно. А свойства перекачиваемой среды остаются более или менее постоянными.

Максимальное негативное воздействие оказывает неустановившийся характер движения на системы, в которых используются трубы малого диаметра. С ростом размера пропускной способности трубопровода важность этого фактора падает, при прочих равных.

Турбулентность — еще один важный фактор, вызывающий неравномерность скорости течения среды. На ее величину оказывает влияние степень шероховатости русла канала и стенок трубопровода. Этот параметр также учитывают при гидравлическом расчете.

Общие положения методики и область ее применимости

По причинам, указанным выше: неравномерный режим поступления и разнородность структуры стоков — при определении расчетных характеристик канализационной сети не используются методики, разработанные для предсказуемого неравномерного потока жидкости. Вместо них применяется формула для равномерного перемещения жидкой среды. Она учитывает турбулентность, возникающую в трех сегментах или этапах: гладком, переходном, шероховатом. Эти области возникают при разных скоростях потока. По применяемому в каждом случае виду формулы и устанавливается степень турбулентности.

Для упрощения расчета игнорируется распределение объема сточных вод по мере поступления. Хотя в реальных условиях оно имеет место. Считается, что весь расчетный объем поступает в участок трубопровода одновременно.

Еще одно важное замечание касается отсутствия в рассчитываемой модели напора. Для упрощения полагается, что он отсутствует. А жидкая среда следует по трубам строго под действием гравитации — самотеком. Что делает описываемую методику не подходящей для случая, когда в системе есть насосы.

Результатом применения методики гидравлического расчета является установление следующих параметров системы:

  • диаметр труб;
  • размер площадей сечения;
  • снижение уровня напора;
  • среднее значение скорости потока и наполненность канализационных каналов сточными водами.

Требуемые исходные характеристики:

  • Расход стоков, м³/час. Значение устанавливается расчетным путем, с учетом сезонности и пиковой нагрузки на канализационную систему.
  • Уклон каналов, м/м. Значение определяется рельефом местности на территории, где предполагается сооружение канализации. Также существуют строительные нормативы, ограничивающие этот параметр.
  • Диапазон скоростей течения потока по трубам/каналам, м/с. Указываются двумя значениями: максимально и минимально допустимыми.

Формулы для расчета наружной канализации

Основных формул, лежащих в основе гидравлической модели, описывающей канализационную систему, две.

Соотношение, связывающее расход — q, со средней скоростью потока — v, и площадью живого сечения — ω, выглядит следующим образом:

При этом расход — величина постоянная, заданная в условиях расчета.

ПриСкорость — v, для конкретных условий устанавливается соотношением, предложенным французским инженером Шези:

v = c√R̅J̅

Для ее применения необходимы следующие данные:

  • Гидравлический радиус — R. В системах канализации его можно получить, разделив площадь живого сечения на смоченный периметр. Размерность величины — м.
  • Гидравлический уклон — J. Отношение высоты уклона или гидравлического напора, выраженное в метрах, на длину канала/трубы, также выраженное в метрах.
  • Коэффициент Шези — C, размерность — м1/2/с. Характеризует степень сопротивления (трения) движению жидкой среды и зависит от шероховатости стенок труб.

Альтернативные варианты расчета​

Потерю давления в системе можно рассчитать по альтернативной эмпирической формуле, предложенной еще одним французским специалистом по гидравлике — Дарси.

Формула использует следующие параметры:

  • Коэффициент Дарси, λ.
  • Ускорение свободного падения, g. Напомним, что расчет проводится в системе с нулевым напором. Движение потока происходит под воздействием силы тяжести.
  • Диаметр — D, и радиус — R, труб, выраженные в метрах.

Преимущество применения формулы Дарси — наличие готовых графиков и таблиц. По ним определяются расчетные значения параметров системы без сложных вычислений. В них приводится зависимость между числом Рейнольдса — Re и λ для различных значений относительной шероховатости стенок труб — Δэ/R. Где Δэ — абсолютная шероховатость.

Для лучшего понимания физической картины, которую описывает формула Дарси, представим процесс турбулентного течения жидкости как перемещение ядра с турбулентностью, охваченного пленкой, толщина которой может изменяться в зависимости от скорости перемещения. Ее называют ламинарной.

На низких скоростях движения соответствует небольшим значениям Re, толщина оболочки превышает высоту верхних точек шероховатостей. В этой гладкой зоне λ и с зависят от числа Рейнольдса. При этом возникающие сопротивления связаны прямой зависимостью с величиной скорости.

Когда скорость перемещения жидкости возрастает, что соответствует большим значениям Re, толщина пленки уменьшается. Что приводит к возрастанию воздействия шероховатостей каналов на поток. Сопротивление становится пропорционально квадрату скорости. Поэтому эта зона получила название квадратичной. В этом случае на коэффициенты большее влияние оказывает относительная шероховатость Δэ.

Средняя зона называется переходной. В ней толщина пленки примерно равна высоте пиков шероховатостей. В этом случае имеет место более сложная зависимость. На значения λ и с оказывают влияние вязкость перекачиваемой среды и относительная шероховатость. Усложняется и зависимость сопротивлений от скорости. Они будут пропорциональны степени от 1,75 до 2.

Здесь применима формула Федорова Н.Ф., связывающая λ с величинами гидравлического радиуса — К, и эквивалентной шероховатости — Δэ.

formula fedorova

В этом выражении присутствуют число Рейнольдса — Re, и коэффициент a2, устанавливаемый по расчетным таблицам.

Правая часть соотношения состоит из двух членов, описывающих два режима движения потока: гладкую и шероховатую. Практическое применение указанной формулы осложняет необходимость вычисления нужного значения Re.

Если скорость потока в системе превышает 1,5 м/с, то применима формула Штези с подстановкой значения с, вычисленного с помощью выражения, предложенного Павловским Н. Н.:

c = Ry/n.

В этой формуле используется коэффициент шероховатости — n, и гидравлический радиус — R.

Показатель степени — y, определяется по одной из следующих формул, применяемых при различных значениях гидравлического радиуса.

  • y = 2,5 √n̅͞͞ - 0,13 – 0,75 √R̅ (√n̅͞͞ - 0,10) — формула получила название развернутая. Применяется при значениях радиуса менее 3-5 метров.
  • y ≈ 1,5 √n̅͞͞ — сокращенная версия формулы для упрощенного расчета трубопроводов с R менее 1 метра.
  • y ≈ 1,3 √n͞͞ — то же, но применимо при R более 1 метра.

Для расчета канализации, проложенной с помощью открытых каналов, используется формула Маннинга. Она же может быть получена из соотношения, выведенного Павловским, при п = 0,013. Степень y в этом случае примерно равно ⅙. А выражение принимает упрощенный вид:

c = R1/6/n

В типовых случаях для определения параметров канализационных систем рекомендуется пользоваться разработанными и опубликованными таблицами. Они учитывают большинство типовых материалов изготовления труб, другие условия, влияющие на значения сопротивлений, турбулентности и прочее.

Автор статьи: Александр Шихов