5.2.3. Особенности проектирования и эксплуатации водоотводящих безнапорных трубопроводов

К основным факторам, обусловливающим особенности проек­тирования и эксплуатации водоотводящих безнапорных трубо­проводов, следует отнести наличие нерастворимых примесей (ме­ханических частиц) и неравномерный приток сточных вод.

Гидравлический расчет водоотводящих трубопроводов выпол­няется как при проектировании, так и в процессе эксплуатации водоотводящих сетей. Таким образом, в зависимости от его целей гидравлический расчет может быть выполнен в проектном и эксп­луатационном варианте. Необходимость проведения проектного варианта расчета возникает и на существующем предприятии, на­пример, при расширении, модернизации системы водоотведения.

Обычно основной целью гидравлического проектного расчета является определение диаметра и уклона трубопровода для про­пуска заданного расхода сточных вод с известной характеристи­кой. В ходе эксплуатационного расчета трубопровод известных размеров и проложенный под определенным уклоном проверяют на возможность нормальной работы при изменении условий эксп­луатации, например при изменении количества отводимых сточ­ных вод.

В пределах расчетных скоростей движение сточных вод в водоотводящих сетях является турбулентным в области гладкого или квадратичного сопротивления и в переходной зоне между ними.

Гидравлическими характеристиками потока сточных вод явля­ются расход, средняя по сечению скорость потока, живое сечение потока, гидравлический радиус, гидравлический уклон и коэффи­циент или средняя высота выступов шероховатости стенок трубы.

В сточных водах содержатся нерастворенные примеси орга­нического и минерального происхождения. Первые имеют не­большую плотность и хорошо транспортируются потоком воды. Вторые — песок, гравий и т. п. — имеют большую плотность и транспортируются лишь при определенных скоростях. Поэтому важнейшим условием эффективной работы водоотводящих сетей является обеспечение в трубопроводах при расчетных расходах необходимых скоростей, исключающих образование в них плот­ных несмываемых отложений.

Движение сточных вод в водоотводящих сетях может быть равномерным и неравномерным, напорным и безнапорным, уста­новившимся и неустановившимся.

Транспортирование сточной жидкости за счет разности ниве­лирных отметок без использования дополнительный энергии (т. е. безнапорное движение) нашло самое широкое распространение в практике. Нефтесодержащие сточные воды преимущественно следует отводить по безнапорным трубопроводам, поскольку пе­рекачка насосами способствует образованию эмульсий, трудно­разделимых при последующей очистке сточных вод. Тем не менее на ПС приходится устраивать и напорные водоотводящие трубо­проводы, когда источники образования сточных вод находятся ниже очистных сооружений.

Безнапорное движение в трубах можно осуществлять как не­заполненным, так и полным сечением, но в основном водоотводя­щие сети проектируют для работы при частичном наполнении.

Это, в первую очередь, связано с лучшими условиями транспорти­ровки взвесенесущих смесей, так как при некоторых значениях степени наполнения трубы (в интервале от 0,5 до 0,95) скорость и расход больше, чем при полном наполнении, что способствует самоочищению трубопроводов от отложений. Кроме того, в быто­вых и производственно-бытовых водоотводящих сетях предусмат­ривают некоторый резерв в живом сечении трубопровода, необ­ходимый для пропуска расхода больше расчетного, который мо­жет наблюдаться в сети, но не учитывается расчетами. Через сво­бодную верхнюю часть сечения трубы осуществляется вентиляция всей сети.

Самотечный режим работы при частичном наполнении труб обладает рядом преимуществ перед напорным режимом. Так, при­ток сточных вод происходит неравномерно, и при напорном режи­ме скорость движения сточных вод с уменьшением расхода сни­жалась бы пропорционально этому изменению расхода. При само­течном режиме снижение скорости при изменении расхода про­исходит в значительно меньшей степени, так как одновременно в трубе происходит уменьшение наполнения и живого сечения. Таким образом, даже при расходах меньше расчетных скорости движения сточных вод сохраняются значительными и не происхо­дит накопления осадка в трубах в больших объемах.

При самотечном режиме работы трубопроводов в меньшем объеме происходит утечка сточных вод через стенки и стыковые соединения труб и возможно устройство сетей из труб, качество которых может быть ниже, чем напорных труб.

Изменение притока сточных вод во времени обусловливает неустановившееся движение воды в трубопроводах.

Из-за отличия форм сечений труб и лотков в пределах колод­цев, криволинейности поворотных и соединительных лотков и в других сооружениях на водоотводящей сети возникают мест­ные сопротивления, перед которыми образуются подпоры. Поверх­ность воды приобретает форму кривых подпора перед местными сопротивлениями и форму кривых спада после них. Таким обра­зом, даже на участках с постоянным расходом высота воды в тру­бопроводах изменяется, т. е. наблюдается неравномерное движе­ние. Наличием перепадов и изменением уклонов сети, накоплени­ем осадков в трубах, а также существованием различного рода трудно учитываемых строительных дефектов обусловливается нарушение равномерности течения воды.

Для упрощения расчетов предполагают, что в водоотводящих сетях происходит равномерное установившееся движение жидко­сти, и в настоящее время гидравлический расчет водоотводящих трубопроводов всех систем производят по формулам равномерно­го турбулентного движения.

При сравнительно малых скоростях течения жидкости твер­дые частицы опускаются на дно и образуют неподвижные наносы.

Существует некоторая скорость движения жидкости, при дос­тижении которой наблюдаются первые движения наносов, посте­пенное возрастание скорости потока влечет за собой увеличение числа песчинок, выводимых потоком из состояния покоя и двига­ющихся скачкообразно. Среднюю скорость потока, соответствую­щую этому состоянию твердых частиц в нем, называют "размыва­ющей" скоростью.

Переход движения частиц во взвешенное состояние сопро­вождается постепенным исчезновением наносов. Скорость пото­ка, соответствующая этому состоянию, называется критической скоростью. Она зависит от размера и числа частиц, увлекаемых потоком: чем больше размер частиц и насыщение потока наноса­ми, тем больше должна быть величина критической скорости. Транспортирование твердых частиц по водоотводящим сетям и их са­моочищение возможно при критических скоростях. Следовательно, минимальные расчетные скорости должны равняться критическим.

Особенность работы всех видов сетей водоотведения заклю­чается в существенном колебании притока сточных вод и поэтому возникает вопрос: не следует ли обеспечивать в трубопроводах критические скорости даже при минимальных расходах? Анализ работы и опыт эксплуатации сетей показывают, что это привело бы к существенному увеличению уклонов трубопроводов и резко­му увеличению стоимости их строительства и эксплуатации. По­этому при проектировании критические скорости предусматрива­ют при расчетных расходах (т. е. максимальных), а при меньших расходах и скоростях, наблюдающихся в трубопроводах, допуска­ют выпадение взвеси в осадок. Однако предполагается, что при последующем возрастании расходов до расчетных, а скоростей — до критических осадок будет смываться, а трубопроводы — само­очищаться. Отсюда происходят и другие названия критической скорости — "самоочищающая" и "незаиливающая".