Расчет подземной части систем канализации зданий

Как уже указывалось, существующие методики для гидравлического расчета самотечных трубопроводов в системах канализации зданий не учитывают некоторых параметров, оказывающих существенное влияние на транспортирующую способность сточной жидкости. Важнейшими из этих параметров являются скорость потока воздуха, движущегося навстречу сточной жидкости из наружной сети канализации к вытяжной части стояка, а также аккумулирующая емкость канализационного-трубопровода.

Данные табл. 12 и 13 позволяют рассчитать скорость встречного потока воздуха в канализационных выпусках, объединяющих от 1 до 11 стояков. Величина этой скорости зависит от диаметра выпуска, и максимальное ее значение может составить около 5 м/с. Очевидно, что такая величина скорости встречного потока воздуха создает большое сопротивление движущейся жидкости. Однако данных для оценки величины этого сопротивления в настоящее время не имеется.

Метод определения расхода сточной жидкости с учетом величины аккумулирующей емкости трубопровода рассматривается ниже.

Влияние аккумулирующей емкости канализационных самотечных трубопроводов на расчетный расход сточной жидкости

Трубопроводы систем канализации зданий в среднем в течение суток заполнены сточной жидкостью лишь 15—20 мин в 1 ч, а в течение 40—45 мин пусты. В то же время режим водоотведения в зданиях характеризуется большой неравномерностью и залповыми сбросами сточных вод. Поэтому в пустом трубопроводе максимальный секундный расход жидкости быстро уменьшается.

В подтверждение этого положения нами проведены экспериментальные исследования на установке, включающей горизонтальный трубопровод из стеклянных труб диаметром 106 мм, к которому с помощью прямых тройников присоединены четыре унитаза со смывными бачками емкостью 6,5 л. Уклон горизонтального трубопровода ~0,02.

Секундный расход жидкости, вытекающей из трубопровода при опорожнении в него как отдельных смывных бачков, так и различных их сочетаний, определялся с помощью мерной емкости, представляющей собой цилиндр диаметром 2 м, разделенный на 60 секторов и вращающийся с постоянной скоростью около 1 об/мин, так что каждый сектор заполняется в течение ~1 с.


Проведенные эксперименты позволили установить, что жидкость, поступающая от унитаза в отводной трубопровод в количестве 1,6 л/с, в первый момент имеет вращательное движение вокруг оси трубопровода, а затем равномерно растекается в обе стороны от выпуска унитаза. При этом максимальный расход стоков, поступающих в канализационный стояк, составляет лишь 0,8 л/с. Исследования на большом стенде позволили установить, что в 3 м от основания стояка эта величина уменьшается до 0,26 л/с.

Секундный расход сточной жидкости при залповом сбросе стоков от унитаза уменьшается почти в 6 раз по сравнению с расчетным. Основное влияние на образование засоров в канализационных выпусках из зданий оказывают именно стоки от унитазов, так как с этими стоками в систему проникают посторонние предметы, имеющие сравнительно крупные габариты.

Режим водоотведения от полностью заполненных ванн характеризуется меньшей неравномерностью и большими расходами (1,1 л/с), однако ванна используется гораздо реже, чем унитаз.

Чтобы оценить возможные и найти оптимальные гидравлические режимы отведения стоков по канализационной сети, рассмотрим их математическую модель. При построении модели используем конструктивное решение канализационной сети современного жилого дома с торцовым выпуском, а также введем следующие предпосылки к расчету.:

• расход стоков, поступающих в течение часа наибольшего водоотведения из стояков в сборный трубопровод канализационного выпуска из здания, полностью отводится за рассматриваемый период времени по этому трубопроводу в канализационный колодец;
• в сборный трубопровод стоки поступают в случайные моменты времени и в различном количестве, определяемом одновременностью действия санитарных приборов;
• отведение стоков из сборного трубопровода осуществляется неравномерно в силу непрерывного изменения гидравлического уклона потока и смоченного периметра трубопровода;
• часовой расход отводимых стоков в пределе определяется нормой водоотведения Q, коэффициентом часовой неравномерности К и количеством жителей U.

Примем, что сточная жидкость поступает в горизонтальный трубопровод дискретно, т. е. отдельными порциями, равными Q₀. Допустим, что величина Q₀ соответствует секундному поступлению сточной жидкости от санитарного прибора с наибольшим расчетным водоотведением. В данном случае будем предполагать, что каждый прибор из установленного их числа в здании может сбрасывать в канализационную сеть расход сточной жидкости Q₀. Тогда сборный трубопровод можно рассматривать как некоторую систему, находящуюся в счетном множестве состояний, а процесс поступления и отведения сточной жидкости — как случайный пуассоновский процесс с дискретными состояниями x₀, x₁, х₂, ..., х_r, ..., х_m и непрерывным временем. Эти состояния характеризуются вероятностями p₀(t), p₁(t), p₂(t), ..., p_r(t), ..., p_m(t), где p₀(t) — вероятность того, что трубопровод в момент времени t окажется пустым; p₁(t) — вероятность того, что в трубопроводе будет находиться сточная жидкость в количестве Q₀; p₂(t) — вероятность того, что в трубопроводе будет находиться сточная жидкость в количестве 2Q₀; p_r(t) — вероятность того, что в трубопроводе будет находиться сточная жидкость в количестве rQ₀, где r＜m; p_m(t) — вероятность того, что в трубопроводе будет находиться сточная жидкость в количестве mQ₀; m — количество единиц Q₀.


Переход рассматриваемой системы из одного состояния в другое будет зависеть от процессов поступления и отведения сточной жидкости. Допустим, что в час наибольшего водоотведения в трубопровод поступает в среднем λ раз расход Q₀, а средняя пропускная способность этой сети характеризуется параметром μ. Таким образом, параметр λ будет последовательно переводить рассматриваемую систему из состояния x₀ в состояние х₁, х₂, ..., х_r, ..., х_m, а параметр μ — из указанных состояний в x₀. Поскольку пропускная способность системы превышает величину среднего поступления сточной жидкости, переход из нескольких состояний в x₀ может осуществляться одновременно. Возможные состояния настоящей системы и динамика их изменения в течение часа наибольшего водоотведения представлены размеченным графом на рис. 26. Этот граф состояний описывается системой линейных дифференциальных уравнений:


В час наибольшего водоотведения вероятность действия санитарно-технического оборудования достигает своего максимума, характерного для объектов данного типа. Поэтому как до, так и после часа наибольшего водоотведения вероятность действия оборудования будет выражаться меньшими величинами. Указанное дает основание полагать, что в этот час процесс водоотведения можно рассматривать как стационарный вероятностный процесс, и, таким образом, возможно заменить вероятности состояний системы p₀(t), p₁(t), р₂(t), ..., p_r(t), ..., p_m(t) их пределами р₀, p₁, р₂, p_r, p_m. Тогда система дифференциальных уравнений (69) превращается в систему алгебраических уравнений:



Подставив найденное значение ро во второе уравнение системы (70), получим:


Аналогичным образом находим решение для других значений р:


Нарушение работы канализационной сети будет наблюдаться в том случае, когда поступление сточной жидкости превысит величину ее отведения, а трубопровод будет работать полным сечением на всей длине, т. е.


Вероятность этого события:

и обеспеченность нормальной работы канализационной сети Р будет определяться разностью



Задаваясь величиной Р и пользуясь формулами (74) и (75), находим, что требуемый объем трубопровода в единицах Q₀ должен соответствовать


Исследования, выполненные канд. техн. наук Л. А. Шопенским и С. П. Казаковым [9], позволяют считать, что вероятность действия санитарных приборов в час наибольшего водоотведения может быть найдена из выражения


где K_i и Q_i — коэффициент часовой неравномерности и норма водоотведения (водопотребления), принимаемые в соответствии с действующими нормами: U_i — число водопотребителей на данном объекте; T_i — продолжительность периода водопотребления и соответственно водоотведения, относительно которой приняты значения K_i и Q_i, ч; Q₀ — норма расхода воды от прибора с наибольшим водоотведением, л/с; n_i — общее число санитарных приборов на данном объекте.


На основании изложенного средний секундный расход воды в час наибольшего водоотведения для данного объекта составит:


Следует отметить, что расход q_ср наиболее часто наблюдается на объекте в течение суток, и поэтому трубопровод, рассчитанный по этой величине расхода жидкости, большую часть суток будет работать в оптимальном режиме. Однако в час наибольшего водоотведения эта величина будет превышена, и, следовательно, при расчете необходимо обеспечить условие, в соответствии с которым в этот час наполнение трубопровода не превысит заданного предела.

Можно допустить, что кратковременное максимальное наполнение составляет 0,9—0,95. Заметим, что СНиП П-32-74 «Канализация. Нормы проектирования» допускают кратковременное полное наполнение уличных и внутриквартальных сетей. Диаметр самотечного трубопровода может быть рассчитан исходя из суммы величин живого сечения потока жидкости, «аккумулирующего» сечения и свободного сечения трубопровода, ограничивающего предел его заполнения.

Живое сечение потока жидкости определяется из условия его неразрывности:


где v_ср — средняя скорость течения жидкости, принимаемая не менее самоочищающей.

«Аккумулирующее» сечение при постоянном диаметре трубопровода представляет собой частное от деления его аккумулирующей емкости на длину трубопровода l


тогда

где k₁ — коэффициент, принимаемый по табл. III в работе [26]. для расчета диаметра трубопровода d, при котором в час максимального водоотведения наполнение трубопровода не превысит заданной величины.

Из уравнения (81):

Следовательно, диаметр самотечного трубопровода уменьшается с увеличением его длины. Это объясняется тем, что при отсутствии поступления путевого расхода жидкости в трубопровод большой длины влияние его «аккумулирующего» сечения уменьшается. При l→∞ диаметр трубопровода стремится к постоянной величине, при которой обеспечивается условие h/d=f(k₁).

С другой стороны, чем короче трубопровод, тем больше должен быть его диаметр, поскольку в непосредственной близости от нижнего гиба стояка живое сечение потока жидкости увеличивается за счет снижения его скорости по сравнению со скоростью в стояке.

Влияние длины трубопровода на его диаметр во многом зависит от расчетной скорости жидкости и возрастает с увеличением последней. Кроме того, экономически наивыгоднейший диаметр является функцией нижнего предела наполнения трубопровода. Этот предел может быть установлен экспериментально в зависимости от необходимой величины транспортирующей способности потока жидкости, которая является функцией удельного веса транспортируемых компонентов сточной жидкости (в том числе и посторонних предметов), уклона и наполнения трубопровода.

Исследования в этой области выполнены в ЦНИИЭП инженерного оборудования. Представляется очевидным, что не обоснованное расчетом увеличение диаметра трубопровода канализационного выпуска из здания при прочих равных условиях снижает транспортирующую способность потока жидкости и способствует увеличению материалоемкости систем канализации зданий.