10.7. Расчет сборных сифонных и напорных водоводов

Сборные водоводы предназначены для транспортирования воды от подземных водозаборных сооружений до сборных емкостей или непосредственно до внутриплощадочных сетей водоснабжения. По гидравлическому режиму работы сборные водоводы разделяют на сифонные, напорные, самотечло-напорные и самотечные.

Схемы сборных водоводов в плане бывают преимущественно тупиковыми или кольцевыми. Выбор схемы сборного водовода производится с учетом взаимного расположения водозаборов и сборной емкости, а также с учетом экономических соображе­ний.

Сифонные сборные водоводы обычно применяются на водозаборах с уровнями подземных вод, залегающими на глубинах до 5-8 м. Движение воды от водозаборных сооружений до сборной емкости в сифонных сборных водоводах обеспечивается за счет разницы уровней, на которые воздействует атмосферное давление в начальной и конечной точках сифона. Схема продольного профиля сифонного сборного водовода приве­дена на рис. 10.20 Расчет сифонного сборного водовода сводится к определению по со­ответствующим расчетным таблицам и формулам потерь напора на входе, по длине, в фасонных частях и арматуре. Для уменьшения потерь напора принимают скорость дви­жения воды в сифоне не более 0,5...0,7 м/с. По результатам расчета на продольном про­филе водовода вычерчивают пьезометрическую линию и проверяют, не превосходит ли вакуум в наиболее высоких точках сифона допускаемого, равного 7-8 м.

Величина вакуума в любом сечении сифона определятся по формуле (см. рис. 1.38):

, м (1.74)

где ∆z - высота расположения центра сечения над уровнем воды в сборной емкости или в наиболее удаленном водозаборе, м; ν_п - скорость движения воды в сечении, м/с; g - ускорение силы тяжести, м/с²; ∑h_w - сумма потерь напора по длине сифона и местных сопротивлений, м.

Разность уровней воды в сборной емкости и в наиболее удаленном водозаборе оп­ределяет действующий напор в сифоне:

, м (1.75)

Рис. 10.20 Схема продольного про­филя сифонного сборного водовода

1 - скважины; 2 - сборная ем­кость; 3 - сифон­ный сборный водо­вод;

4 - пьезомет­рическая линия;

5 - вакуумный ко­тел; 6 - вакуум-на­сос; 7 - насос; 8 - напорный водо­вод

Отметка верхнего уровня воды в сборной емкости определятся как разность:

, м (1.76)

где h_вак - величина вакуума в месте расположения наиболее высокой точки сифона, м.

Сифонный сборный водовод прокладывается с уклоном в сторону сборной емкос­ти, равным 0,001.

Для обеспечения устойчивой работы сифонного сборного водовода назначается минимально возможное понижение уровня воды в сборной емкости: Н_ав = 11,5 м из условия, что расчетная продолжительность работы насоса при аварии в сифоне t должна быть не менее 10 минут. Если сборная емкость предоставляет собой в плане круглый колодец, то диаметр этого колодца определяется по формуле:

, м (1.77)

где q - максимальная подача насоса, м³/с.

Дно сборной емкости должно быть ниже приемного клапана насоса на расстоянии не менее Н₂ 0,5 м. Таким образом, глубина сборной емкости равна:

, м (1.78)

Для удаления воздуха из сифонного сборного водовода применяются различные устройства. Наиболее надежным является устройство в наиболее высокой точке сифонно­го сборного водовода вакуумного котла, к которому подключен вакуум-насос. Общее ко­личество выделяющегося воздуха или других газов, которые необходимо удалить из во­довода, рекомендуется принимать в пределах 0,3...0,4 л/с на каждые 1000 м³ воды. Из этих соображений, а также с учетом того, что продолжительность начальной зарядки си­фонной системы не превышает 30 мин, подбирается производительность вакуум-насо­са.

Напорные сборные водоводы обычно применяют при относительно глубоком зале­гании подземных вод, когда каждое водозаборное сооружение оборудуется насосом. Ги­дравлический расчет такого водозабора сводится к определению потерь напора по дли­не водовода с учетом местных сопротивлений и к построению линии пьезометрических напоров. После выполнения гидравлического расчета, учитывая, что в водозаборах мо­гут быть установлены насосы разных марок, необходимо проанализировать насколько правильно подобраны марки насосов и смогут ли они обеспечить стабильную работу группового водозабора. Для этого выполняются поверочные комплексные расчеты. Ос­новной задачей такого расчета является определение истинных значений расходов водо­заборов, понижений в них уровней воды, а также расходов и потерь напора в сборных водоводах и параметров работы водоподъемного оборудования.

При отборе воды из скважины напор насоса Н затрачивается на преодоление гео­метрической высоты подъема воды z_p, понижение уровня S и потерь напора в водоводе Ah от скважины до конечной точки подачи воды (рис. 10.21).

Рис. 10.21. Схема подачи воды от скважины: 1 - насос; 2 - фильтр

Насос, установленный в скважине, развивает напор, равный:

, м (1.79)

где - отметка уровня воды в резервуаре

- отметка статического уровня подземных вод;

S - понижение уровня в скважине;

- потери напора в водоводе от скважины до резервуара, включая потери напора в водоподъемных трубах.

Разность отметок ( - ) - это геомет­рическая высота подъема воды из скважины. Если эти отметки не изменяются, то ( - ) = const. При этом, насос развивает напор в соответствии с его рабочей характеристикой Q - Н, которая в диапазоне оптимальных значений КПД аппроксимируется уравнением:

, м (1.80)

где А и В - параметры характеристики Q – Н.

Применительно к одиночной скважине уравнение (8.73) может быть решено графически (рис.1.42).

Для этого координаты Q - Н располагают таким образом, чтобы точка Н = 0 нахо­дилась на отметке . Тогда кривая 1 определит характеристику скважины Q - S.

Задаваясь гидравлическими сопротивлениями, строят характеристику водовода

Q - (кривая 2). При сложении характеристик Q - S и Q - получается совмещен­ная характеристика скважины, водовода и резервуара (кривая 3), представляющая собой график зависимости полной высоты подъема воды от производительности скважины. Пересечение характеристики насоса Q - H_в с кривой 3 дает рабочую точку А насоса с ко­ординатами Q_p - действительная производительность насоса и Н_р - напор, развиваемый насосом при подаче Q_p. Одновременно определяются также величины S_p в скважине и - водоводе.

При изменении какой-либо из составляющих происходит смещение рабочей точки насоса по характеристике Q - Н_в (например, при кольматации фильтра скважин). Время, T_s, в течение которого не происходит нарушения условия Q_p ≥Q_m называется перио­дом устойчивой работы скважины.

Рис. 10.22. Графоаналитический метод расчета сис­темы «скважина-насос-водовод-резервуар»

Если ряд скважин работает на один сборный водовод (рис. 10.22), напор, требуемый для подачи воды в количестве Q_n из любой n-ой скважи­ны на заданную отметку составляет:

, м (1.75)

где S_n - понижение уровня воды в любой скважине, определяемое с учетом действия остальных скважин; ∆Н_п - потери напора от n-ой скважи­ны до точки сбора воды.

, (1.81)

для n=1, 2, 3…N, где ∆h_n – невязка потерь напора.

Рис. 10.23. Схема подсоединения скважин к сборному водоводу

Нелинейная система уравнений решается методом последовательных приближе­ний. В качестве первого приближения можно принять

, м³/сут (1.82)

где Q – проектная производительность водозабора.

Подставив значение Q_n в уравнение (1.75) проверяется условие:

, (1.83)

где ε – предельная (заданная) величина невязки потерь напора.

В зависимости от величины для каждого n – ого уравнения определяется величина поправочного расхода ∆Q_n, которая принимается со знаком «+» или «-», соответствующим знаку невязки ∆h_n.

Система уравнений (1.75) считается решенной, когда в процессе последовательных приближений такие значения Q_n, при которых выполняется условие (1.83).

После этого для каждой скважины вычисляются величины S_n и определяются вели­чины напоров насосов по формуле (1.74).

Для каждой скважины по результатам поверочного расчета проверяются условия:

, (1.84)

, (1.85)

где Q_min и Q_max - соответственно минимальный и максимальный расходы скважинных насосов.

В тех скважинах, где эти условия не выполняются, необходимо произвести замену насосов, либо отрегулировать их работу на требуемые режимы эксплуатации.