ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
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.
Науковий керівник - | Доктор технічних наук, доцент Дрозд Геннадій Якович, Донбаська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри міського будівництва і господарства.
Офіційні опоненти: | Доктор технічних наук, професор Душкін Станіслав Станіславович, Харківська державна академія міського господарства Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри водопостачання, водовідведення та очищення вод.
Кандидат технічних наук, професор Мацнєв Анатолій Іванович, Рівненський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, Інститут водного господарства, професор кафедри каналізації і санітарної техніки.
Провідна установа - | Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра водопостачання, каналізації і гідравліки, м. Харків.
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:
1)
дослідити експлуатаційні показники існуючих каналізаційних трубопроводів і виявити основні фактори, що впливають на процес самоочищення;
2)
дослідити механізм самоочищення каналізаційних трубопроводів від відкладень на підставі експлуатаційних даних;
3)
порівняти фактичні результати наповнень каналізаційних трубопроводів з розрахунковими;
4)
проаналізувати експлуатаційні показники існуючих водовідвідних мереж для оцінки прийнятих проектних рішень і визначення основних напрямків їх удосконалення;
5)
провести аналіз можливості застосування існуючих гідравлічних залежностей, призначених для розрахунку гідротехнічних споруд для визначення мінімальних розрахункових швидкостей у трубопроводах водовідведення;
6)
розробити методику визначення нерозмиваючої швидкості і одержати уточнені залежності для визначення нерозмиваючих і зриваючих швидкостей та ухилів;
7)
обґрунтувати нові розрахункові параметри каналізаційних мереж, що забезпечують поліпшення їх роботи;
8)
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:
1.
Установлена невідповідність розрахункового наповнення фактичним умовам роботи каналізаційних мереж та необхідність корегування окремих нормативних параметрів, призначених для розрахунку каналізаційних трубопроводів діаметром 150 - 500 мм.
2.
Отримана емпірична залежність діаметра трубопроводу, покладеного із мінімальним розрахунковим ухилом, від найбільш імовірного наповнення.
3.
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.
4.
Обґрунтовано збільшення мінімальних на початкових і зменшення максимальних ухилів трубопроводів на кінцевих ділянках каналізаційних мереж.
Практичне значення отриманих результатів:
1.
Отримано формули, що уточнюють існуючі нормативні розрахункові параметри, які можуть бути використані при проектуванні водовідвідних мереж.
2.
Удосконалено методику визначення мінімальних і максимальних ухилів (швидкостей) водовідвідних мереж, що забезпечує сталу роботу їх початкових і кінцевих ділянок.
3.
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:
1.
Проаналізовано роботу існуючих водовідвідних мереж.
2.
Узагальнено результати досліджень з розробки норм проектування водовідвідних мереж.
3.
Отримано експериментальну залежність між діаметром трубопроводу і найбільш ймовірним наповненням.
4.
Визначені і проаналізовані основні фактори, що впливають на процес самоочищення каналізаційних трубопроводів.
5.
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.
Рис. 5 – Графік зміни найбільш ймовірного наповнення від діаметра трубопроводу | Рис. 6 – Порівняння обчислених мінімальних і максимальних наповнень з фактичними
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 ? – 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 ? – 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
Діаметр d, мм | Ухил i, ‰ | Діаметр d, мм | Ухил i, ‰ | Діаметр d, мм | Ухил i, ‰ | Діаметр d, мм | Ухил i, ‰
150 | 12 | 500 | 2,2 | 1000 | 1,1 | 1400 | 0,76
200 | 8 | 600 | 1,7 | 1100 | 0,97 | 1500 | 0,71
250 | 5,8 | 700 | 1,5 | 1200 | 0,88 | 1750 | 0,61
300 | 4,3 | 800 | 1,3 | 1250 | 0,85 | 2000 | 0,53
400 | 3 | 900 | 1,2 | 1300 | 0,82 | 2500 | 0,43
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:
(9)
де H - глибина потоку, м.
Він встановлює максимальні швидкості для неметалевих трубопроводів каналізаційної мережі.
Порівняння обчислених максимальних швидкостей з існуючими наведено на рис. 10 і свідчить, що значення максимальної швидкості не постійне, а залежить від діаметра трубопроводу.
У п’ятому розділі виконано техніко-економічну оцінку будівництва каналізаційних трубопроводів за рекомендованими параметрами.
Для всебічної оцінки ефективності рекомендованих мінімальних ухилів було виконано техніко-економічне порівняння варіантів будівництва керамічного каналізаційного трубопроводу з труб різного діаметра від 150 до 300 мм за існуючими ухилами, нормативно закріпленими СНиП 2.04.03–85 і альтернативними ухилами, які запропоновані автором.
Результати техніко-економічних розрахунків наведені на рис. 11 де представлений вплив довжини ділянки на параметр економічного ефекту (Е100/l).
Для труб діаметром 200 – 300 мм рекомендовані мінімальні ухили виявились економічними ніж існуючі при довжині ділянки до 500 – 600 м (рис. 11). Крім цього рисунок наочно ілюструє доцільність збільшення мінімального діаметра труб для внутрішньоквартальних мереж з 150 до 200 мм.
Техніко-економічне порівняння варіантів будівництва залізобетонного трубопроводу свідчить про економічну доцільність будівництва трубопроводу із запропонованим максимальним ухилом навіть у самих несприятливих умовах: коли ухил землі дорівнює ухилу трубопроводу в базовому варіанті, або ухил землі більший за ухил запропонований автором в порівнювальному варіанті.
Результати роботи були впровадженні при реконструкції ряду об'єктів. Обсяг, види, і ступінь впровадження визначалися завданнями господарсько-договірної тематики.
Реконструкція двох ділянок керамічного трубопроводу діаметром 200 мм, по вул. Олімпієва (м. Донецьк) дозволила одержати річний економічний ефект 1106 гривень.
Загальний економічний ефект від впровадження рекомендованих параметрів при реконструкції залізобетонного колектора (d=600 мм) по вул. Радченко (м. Дружковка) склав 88775 гривень.
Виходячи з міркувань довговічності, нормальної експлуатації та економічності рекомендовані ухили є найбільш сприятливими для будівництва каналізаційних трубопроводів.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1.
Встановлено, що незадовільний рівень роботи існуючих водовідвідних мереж обумовлений недосконалими нормативними параметрами, які не забезпечують належного самоочищення трубопроводів діаметром 150 – 500 мм, а так само призводять до передчасного зносу лоткової частини великих колекторів.
2.
Показано, що більш надійний режим самоочищення мереж водовідведення може бути отриманий, якщо за розрахункові наповнення, що використовуються при визначенні мінімальних швидкостей та ухилів, приймати не максимальні наповнення, а ті наповнення, що найчастіше спостерігаються для трубопроводу даного діаметра, тобто найбільш імовірні наповнення.
3.
Обробка даних натурних спостережень дозволила одержати експонентну залежність найбільш імовірного наповнення трубопроводу від його діаметра, яка характерна для трубопроводів, покладених з мінімальним розрахунковим ухилом.
4.
Теоретично, виходячи з умови забезпечення стійкості частки на перекидання під впливом активних і пасивних сил, отримані й експериментально підтверджені рівняння нерозмиваючої і зриваючої швидкостей (неразмиваючого і зриваючого ухилів), які і є основою для призначення розрахункових швидкостей (ухилів) при проектуванні.
5.
Отримано залежність для визначення мінімальних розрахункових швидкостей (ухилів), яка на відміну від існуючих формул більш повно враховує усі фактори, що чинять вплив на процес самоочищення водовідвідних мереж (шорсткість трубопроводу, гідравлічний радіус, діаметр часток, що транспортуються стічною водою, та їх густина).
6.
Удосконалено методику визначення мінімальних розрахункових швидкостей руху стічних вод (ухилів) у каналізаційних мережах шляхом прийняття найбільш імовірних наповнень за розрахункові наповнення, при визначенні мінімальних швидкостей та ухилів.
7.
Отримані на основі запропонованої методики значення мінімальних швидкостей та ухилів для труб діаметром до 600 мм значно більші, а для великих діаметрів вони істотно нижче значень, регламентованих СНиП 2.04.03–85, що дозволяє забезпечити сталу роботу каналізаційних мереж.
8.
Виходячи з припущення, що стирання лотка каналізаційного трубопроводу настає при зважуваючий швидкості, отримано вираз для визначення максимальної швидкості (ухилу) руху стічних вод у неметалевих трубопроводах, дослідження якого показало, що значення максимальної швидкості не постійне, а залежить від діаметра трубопроводу.
9.
Техніко-економічними розрахунками показано, що рекомендовані розрахункові параметри не тільки підвищують стійкість роботи трубопроводів водовідведення, але є і економічнишими ніж існуючі нормативні, що підтверджується досвідом експлуатації реконструйованих каналізаційних колекторів діаметром 200 мм в м. Донецьку і 600 мм у м. Дружковка. Економічний ефект від упровадження запропонованих рішень відповідно склав 1106 і 88775 гривень.
10.
Теоретично обґрунтована й експериментально доведена доцільність збільшення мінімальних і зменшення максимальних швидкостей руху стічних вод (ухилів) у водовідвідних трубопроводах, що забезпечує поліпшення умов роботи каналізаційних мереж, і потребує застосування в нормах проектування.
Список опублікованих праць за темою дисертації:
1.
Ситніченко М.В. Сучасні експлуатаційні показники каналізаційних мереж // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. – Збірник наукових праць. – Макіївка, Вид. ДонДАБА. – Вип. 99-3(17), - 1999. – с. 36 – 37.
2.
Ситніченко М.В. Дослідження по наповненню каналізаційних трубопроводів // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. – Збірник наукових праць. – Макіївка, Вид. ДонДАБА. – Вип. 2000-3(23), - 2000. – с. 120 – 121.
3.
Сытниченко Н.В. Формула для определения максимальной скорости движения сточных вод в неметаллических трубопроводах // Коммунальное хозяйство городов. – К.: Техніка, 2001. – Вып. 27. – с. 101 – 103.
4.
Сытниченко Н.В. Частота образования засоров уличных водоотводящих сетей // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. – Збірник наукових праць. – Макіївка, Вид. ДонДАБА. – Вип. 2001-2(27), - 2001. – с. 39 – 40.
5.
Дрозд Г.Я. Сытниченко Н.В. Канализационные сети городов: проблемы и решения. // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины №1 Проблемы и перспективы освоения подземного пространства крупных городов. – Днепропетровск, РИК НГАУ – 1998. – с. 205 – 210.
6.
Сытниченко Н.В. Дрозд Г.Я. К вопросу о назначении расчетных наполнений в канализационных трубопроводах. // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. – Збірник наукових праць. – Макіївка, Вид. ДонДАБА. – Вип. 99-4(18), - 1999. – с. 73.
Анотація
Ситніченко М.В. Вдосконалення нормативних параметрів проектування каналізаційних мереж. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 - Водопостачання, каналізація. - Рівненський державний технічний університет, Рівне, 2001 р.
Дисертаційна робота присвячена уточненню нормативних розрахункових параметрів для забезпечення стійкої роботи каналізаційних мереж.
Наведені результати натурних спостережень за роботою діючих мереж систем водовідведення. Зроблена оцінка ступеня експлуатаційної надійності каналізаційних мереж. Виконано аналіз гідравлічних умов роботи діючих трубопроводів. Запропоновані нові залежності для визначення неразмиваючих і зриваючих швидкостей (ухилів), які обґрунтовані теоретично і підтверджені експериментально.
Теоретично обґрунтовані і експериментально уточнені нормативні розрахункові параметри, які забезпечують поліпшення умов роботи каналізаційних мереж.
Дана техніко-економічна оцінка будівництва каналізаційних трубопроводів розрахованих за рекомендованими параметрами.
Ключові слова: каналізаційна мережа, нормативні параметри, проектування, експлуатація.
аннотация
Сытниченко Н.В. Совершенствование нормативных параметров проектирования канализационных сетей. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 – Водоснабжение, канализация. - Ровненский государственный технический университет, Ровно, 2001 г.
Диссертационная работа посвящена уточнению нормативных расчетных параметров для обеспечения устойчивой работы канализационных сетей.
Аналитический обзор развития основных принципов проектирования и расчетных параметров позволил сделать вывод о том, что для обеспечения самоочищения и предотвращения истирания лотковой части трубопроводов водоотводящих сетей необходимо уточнить нормативные расчетные параметры.
В результате натурных наблюдений были получены следующие зависимости:
-
фракционный состав осадка канализационных сетей, который мало чем отличается от данных других авторов;
-
частота образования засоров в уличных водоотводящих сетях от их диаметра. При этом число засоров для труб диаметром 150 – 300 мм в настоящее время в 2 раза меньше по сравнению с 40 – 50 гг. и в 1,5 – 2 раза больше 1972 – 1977 гг. Это может объясняться снижением, как нормы водопотребления, так и уровня эксплуатации.
Рекомендуется минимальный диаметр труб бытовых внутриквартальных (дворовых) и уличных сетей принимать равным 200 мм. Так как при этом в два раза сокращается число засоров по сравнению с трубами диаметром 150 мм.
Установлено, что закон распределения наполнений трубопроводов можно считать близким к нормальному при этом практически всегда максимальные наполнения не достигают расчетных значений.
Получена эмпирическая зависимость наиболее вероятного наполнения от диаметра трубопровода достоверность, которой подтверждается удовлетворительным совпадением вычисленных наполнений с замеренными.
Причиной для проведения экспериментальных и теоретических исследований направленных на уточнение неразмывающей скорости было то, что формулы, предлагаемые различными авторами, для определения самоочищающих скоростей в канализационных сетях имеют те или иные структурные недостатки, а формулы используемые в гидротехнической практике достаточно сложно, а в некоторых случаях практически невозможно применить для определения минимальных расчетных скоростей в трубопроводах систем водоотведения.
Рассмотрев условия равновесия частицы лежащей на горизонтальном дне, под воздействием пассивных и активных сил была получена зависимость неразмывающей скорости потока без учета сил сцепления, которая в отличии от иных формул используемых в гидротехнической практике применима для жестких русел.
Исходя из предположения, что минимально допустимая скорость соответствует срывающей скорости, при которой начавшийся срыв отдельных частиц на дне поддерживается непрерывно, были получены формулы для определения минимальной расчетной скорости и минимального уклона.
Установлено, что использование несовершенной методики определения минимальной скорости или уклона приводит к заилению канализационных сетей. Поскольку скорость, при которой наступит режим транспортирования взвешенных веществ в трубопроводе возникнет только тогда когда наполнение в нем достигнет расчетного значения регламентируемого СНиП 2.04.03–85. Низкая вероятность возникновения максимального наполнения указывает на то, что более надежный режим самоочищения водоотводящих сетей может быть получен, если в качестве наполнения используемого при определении минимальной скорости и уклона будет принято наиболее вероятное наполнение.
Усовершенствована методика определения минимальных расчетных скоростей движения сточных вод (уклонов) в канализационных сетях. Путем принятия наиболее вероятного наполнения за расчетное наполнение, при определении минимальной скорости или уклона.
Получено выражение для определения максимальной скорости движения сточных вод в неметаллических трубопроводах, исследование которого показало, что значение максимальной скорости не постоянно, а зависит от диаметра трубопровода.
Целесообразность применения рекомендуемых зависимостей и расчетных параметров подтверждается опытом эксплуатации реконструированных канализационных трубопроводов диаметром 200 мм в г. Донецке и 600 мм в г. Дружковка.
Теоретически обоснованы и экспериментально уточнены новые расчетные параметры, обеспечивающие улучшение условий работы канализационных сетей.
Суммарный экономический эффект от внедрения рекомендуемых параметров при реконструкции керамического трубопровода диаметром 200 мм, по ул. Олимпиева (г. Донецк) составил 1106 гривен а при реконструкции железобетонного коллектора (d=600 мм) по ул. Радченко (г. Дружковка) 88775 гривен.
Исходя из соображений долговечности, нормальной эксплуатации и экономичности, рекомендуемые параметры являются наиболее благоприятными для строительства канализационных трубопроводов.
Ключевые слова: канализационная сеть, нормативные параметры, проектирование, эксплуатация.
АВstract
Sytnichenko N.V. Perfection of normative parameters of designing of sewer networks. - Manuscript.
The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.23.04 - Water supply, sewerage. - Rovno state technical university, Rovno, 2001.
The dissertation work is devoted to specification of normative settlement parameters for maintenance of proof work of sewer networks.
The results of supervision behind work of working sewer networks are given. The estimation of a degree of operational reliability of sewer networks is made. The analysis of hydraulic conditions of work of working pipelines is executed. The offered new dependences for definition not scouring velocity and scouring velocity (slope) which are proved theoretically and confirmed experimentally.
Are theoretically proved and the normative settlement parameters are experimentally specified which provide improvement of conditions of work of sewer networks.
The given technical and economic estimation of construction of sewer pipelines designed on parameters, which are recommended.
Key words: sewer network, normative parameters, designing, exploitation.
Віддруковано на ризографі
ТОВ фірма “ДРУК-ІНФО”
Підп. до друку 5.10.2001р.
Умов. друк. л. 1,5
Тираж 100 прим. Замовлення №1001
83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, к. 113
