9. Подготовка водопроводной сети к гидравлическому расчету. Гидравлический расчет разветвленных водопроводных сетей.

Гидравлический расчет водопроводных сетей производят для того, чтобы выбрать наиболее экономичный диаметр трпр, а также для определения потерь напора в них, величину которых нбх знать при расчете вдпр башен и НС.

Воду из магистральной водопроводной сети потребляют в местах подключения распределительных линий, домовых ответвлений и крупных потребителей, а также в точках установки пожарных гидрантов и водоразборных колонок. После трассировки магистральную водопроводную сеть разбивают на расчетные участки. Начало и конец каждого участка нумеруют (номер узлов). Узлы сети намечают в точках подключения водоводов от насосной станции и от водонапорной башни, а также в местах отбора воды крупными водопотребителями и местах устройства пересечений и ответвлений магистральных линий.

Точку отбора воды из сети или место ответвления потоков называют гидравлическим узлом. Отбор воды из таких точек в течение суток изменяется в значительных пределах, поэтому установить фактическую картину водоотбора из сети очень трудно. На практике принимают условную схему водоотбора, предполагающую равномерную отдачу воды магистральной водопроводной сетью. Если имеет место путевой отбор воды вдоль участков, его условно заменяют эквивалентным узловым.

При подготовке сети к гидравлическому расчету устанавливают длины участков в соответствии с масштабом плана сети, определяют величины и места отбора сосредоточенных расходов, определяют узловые и расчетные расходы воды по всем участкам и указывают их на расчетной схеме.

Всю магистральную сеть разбивают на расчетные участки, границы которых являются узлами. Узлы сети намечают в точках отбора воды крупными потребителями, в местах устройства пересечений и ответвлений магистралей, в точках примыкания напорных водоводов и водонапорной башни.

Отбор воды, приходящийся на единицу длины сети, называют удельным расходом и определяют по формуле

Где Q – полный расчетный расход воды, отбираемый потребителями, л/с;

- сумма сосредоточенных расходов воды, отбираемой крупными потребителями и противопожарные расходы, л/с;

- суммарная длина магистральной сети, м.

Расход воды определенным участком, называемым путевым расходом, определяют по формуле

где l – расчетная длина рассматриваемого участка, м

При гидравлическом расчете водопроводных сетей переменный расход заменяют некоторым постоянным по длине участка расходом, который является равноценным в гидравлическом отношении и дает ту же величину потерь напора на участке, что и переменный. Расчетный расход Q_р участка, имеющего путевой расход Q_пут и транзитный Q_тр может быть вычислен по формуле Дюпюи

Q_р = Q_тр + αQ_пут,

где α – коэффициент, меняющийся от 0,5 до 0,56, в зависимости от соотношения транзитного и путевого расходов участка.

В практике расчеты коэффициент α принимают равным 0,5, тогда Q_р = Q_тр + 0,5Q_пут, что соответствует замене путевого расхода каждого участка двумя узловыми расходами, равными 0,5 Q_пут, и сосредоточенными в начале и конце участка. Когда к узлу примыкает несколько участков с путевыми отборами, то приведенный к узлу отбор равен полусумме путевых расходов всех участков, примыкающих к данному узлу.

Вычисленные таким образом узловые расходы наносят на расчетную схему сети, показывая их стрелкой, выходящей из соответствующего узла, с указанием величины расхода в л/с. На этой же схеме указывают отдельно в соответствующих точках сосредоточенные расходы крупных водопотребителей и общий расход, подаваемый в сеть. При этом сумма всех узлов и сосредоточенных расходов должна равняться расчетному секундному расходу сети, поступающему от башни.

По расчетной схеме сети можно легко определить расчетные расходы на участках, то есть составить предварительное потокораспределение. Нахождение расчетных расходов участков разветвленных сетей представляет собой простую задачу.

Расчет тупиковой сети после подготовки расчетной схемы (рис. 20.9) проводят в следующей последовательности:

- обозначают направление движения потоков воды стрелками согласно начертанию сети;

- выбирают линию трубопроводов, которую следует рассматривать как магистральную. За магистраль принимают самый протяженный трубопровод, наиболее нагруженный расходами;

- определяют суммарную длину участков магистральных трубопроводов ∑ L и определяют удельный расход воды, приходящийся на 1 погонный метр труб:

- определяют путевые отборы воды на каждом участке:

Q_{пут 1-2}= q₀L_1-2

- равномерно распределенные путевые отборы q заменяются сосредоточенными в узлах Qt (узловыми отборами) с учетом того, что узловой отбор равен полусумме всех путевых отборов, прилегающих к узлу:

Q₁=0,5 Q_{пут 1-2}

- определяют расчетные линейные расходы воды на каждом участке, пользуясь правилом баланса расходов в узлах:

q_1-2= Q_общ- Q₁

• в зависимости от величин расчетных расходов воды, проходящих по каждому участку, определяются экономически наивыгоднейшие диаметры труб на этих участках. Обычно эти диаметры определяются с помощью таблиц, графиков проф. В.Г. Лобачева или по табл. 20.21;

- выбирают материал труб и с учетом диаметра по табл. 20.24 или по таблицам определяют удельные сопротивления А;

- определяют по таблицам или из формулы среднюю скорость движения воды на каждом участке сети:

v=4q/πd²

Если средняя скорость движения воды в трубе окажется меньше 1,2 м/с, то следует определить по табл. 20.25 поправочный коэффициент K, учитывающий неквадратичность режима движения.

Затем рассчитывают потери напора на трение по длине труб на каждом участке водопроводной сети:

h = K·A·l·Q² = S·Q²,

A=i/Q2 - значение называется удельным сопротивлением труб; оно равно сопротивлению трубы длиной 1 м при расходе 1 м3/с. Значение A даются в таблицах Ф.А.Шевелева и А.Ф.Шевелева; - сопротивление участка трубы длиной l при расходе, равном единице, S = A l ; K - поправочный коэффициент, учитывающий неквадратичность зависимости потерь напора от средней скорости движения воды. Значения K также даются в таблицах Ф.А.Шевелева и А.Ф. Шевелева.

Задавшись требуемым свободным напором Нсв= 10 + 4(n -1) в диктующей точке сети (конечной точке магистрали), на профиле сети (рис. 20.10) строят пьезометрическую линию с учетом направления движения воды и определенных потерь напора на каждом участке. В диктующей точке сети пьезометрический напор равен:

Н_{дт р}= z_з+Нсв

Проверяют свободные напоры в отдельных узлах сети:

Нсв i=Н_р-z_з

В каждом узле свободный напор должен быть не меньше требуемого: Нсв>Нтр

Расчет ответвлений (тупиков) производится после определения расходов и расчета магистрали в следующей последовательности:

- по построенному пьезометрическому графику определяются значения пьезометрических напоров в начале каждого тупика;

- определяются потери напора в тупиках как разность пьезометрического напора в начале тупика Н и требуемого свободного напора На б в конечной точке:

∑Н=Н_р-Н_{св треб}

- определяется удельное сопротивление участка (тупика) из соотношения:

А=∑Н/(Lq²)

где L - общая длина тупика, м.

- по табл. 20.24, зная А и материал труб, подбирают диаметр d на участке.

Результаты гидравлического расчета используют для определения высоты водонапорной башни и требуемых напоров насосов второго подъема и насосов подкачки в зонах высотной застройки.

Высота водонапорной башни до низа бака:

Нвб=z_дт-z_вб+ Н_{св треб}+∑Н_дт-вб

10. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ПОТОКОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ В КОЛЬЦЕВЫХ СЕТЯХ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ НАДЕЖНОСТИ. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ УВЯЗКА ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ МЕТОДАМИ АНДРИЯШЕВА И ЛОБАЧЕВА. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭВМ ДЛЯ РАСЧЕТА ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ПОТОКОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ В КОЛЬЦЕВЫХ СЕТЯХ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ НАДЕЖНОСТИ.

Характер потокораспределения в сети в большой степени зависит от ее конфигурации, расположения водопитателей и напорных емкостей, а также крупных водопотребителей.

Начальное потокораспределение для каждого расчетного случая производят с учетом баланса расходов в узлах сети (первый закон Кирхгофа): количество воды, притекающей к узлу, должно быть равно количеству воды, вытекающей или отбираемой из узла.

Схемы начального потокораспределения для выбранных расчетных случаев позволяют установить значения расчетных расходов отдельных участков и определить по ним диаметры труб.

Обычно первоначальное потокораспределение ведут в следующей последовательности:

• приближенно назначают диктующие точки сети, которые располагаются в конце сети на наиболее удаленных и высоко располагаемых отметках с наибольшими узловыми отборами;

• намечают основные пути снабжения водой от источника питания до диктующих точек. Эти направления иногда называют транзитными. Они, как правило, имеют более короткое направление, чем конкурентоспособные;

• намечают расходы воды по основным путям. По возможности основные пути снабжения водой потребителей должны иметь одинаковую проводимость;

• назначают диаметры перемычек, соединяющих между собой транзитные (магистральные линии), исходя из предполагаемой нагрузки, которую они могут иметь в случае аварии на некоторых магистральных линиях.

Т.к. искомые диаметры труб должны определяться по расчетным расходам воды, которые неизвестны, как неизвестно и направление потоков на участке сети, то расчет кольцевых сетей производится методом последовательного приближения. Для этого по предварительно намеченным расходам воды на участках сети и выбранным диаметрам определяют потери напора и алгебраическую сумму этих потерь в каждом кольце. При соблюдении 1 закона Кирхгофа (ΣQ=0) не выполняется условие 2 закона Кирхгофа (Σh=0). Т.е. алгебраическая сумма потерь напора при замкнутом обходе кольца равна некоторой величине Δh, называемой невязкой.

Э то значит, что действительное распределение расходов по линиям сети при выбранном диаметре отличается от первоначально намеченного. Для получения истинного распределения расходов по сети, при котором Σh=0, производится перераспределение ранее намеченного расхода путем нагрузки недогруженных линий и разгрузки перегруженных. При этом условие баланса не нарушается. Такое перераспределение осуществляется путем приведения увязочных расходов ΔQ по отдельным кольцам сети в направлении, противоположном направлению невязок в кольце.

Для кольцевых сетей можно найти неограниченное число вариантов значений q_ik, которое удовлетворяло бы 1 закону Кирхгофа. Для кольцевых сетей действительные значения расходов должны удовлетворять требованию 2 закона Кирхгофа, который для сети выражается в равенстве нулю алгебраической суммы потерь напора в каждом кольце.

Для решения этой задачи и осуществляется первоначальное потокораспределение с обеспечением требований 1 закона Кирхгофа с учетом основного направления движения воды и с учетом обеспечения надежности. Затем назначают диаметр и проверяют сеть на удовлетворение 2 закону Кирхгофа. Если не удовлетворяет, то производят перераспределение расходов – недогруженные участки нагружают, перегруженные – разгружают. Делают это до тех пор, пока не будет соблюдаться 2 закон Кирхгофа. Этот процесс называется гидравлической увязкой кольцевой сети.

Для этого используют метод Андрияшева и метод Лобачева-Кросса.