Гидравлические закономерности движения дождевых стоков

Для дождевых потоков характерны следующие особенности:

1. Одновременное движение потока и увеличение его объема от бокового притока в него через дождеприемники новых масс воды; в этом случае расход потока является переменной по длине и во времени величиной;

2. Формирование потока в верхней части коллектора и сохранение его объема приблизительно постоянным на рассматриваемом участке, хотя волна дождевого потока при этом движется, меняя свою форму и как бы распластывается.

Движение дождевых вод в коллекторах является неустановившимся безнапорным. Это движение считается одномерным. Для его исследования используются методы математического моделирования, в частности, система дифференциальных уравнений Сен-Венана. На практике при расчетах уклон трения жидкости рассчитывают по зависимостям установившегося равномерного движения:

,

где λ – коэффициент гидравлического трения, d_г – гидравлический диаметр, v – средняя по сечению скорость, Q – расход стоков, K – модуль расхода, , ω – площадь живого сечения потока.

Для расчета коэффициента Шези можно использовать формулу Н.Н.Павловского, для расчета коэффициента λ – формулу Н.Ф.Федорова, которая справедлива во всех областях турбулентного движения.

По мнению А.М.Курганова, составленные на основе формулы Шези таблицы для расчета имеют завышенную пропускную способность труб при наполнениях (0,8…0,9) в среднем на 12 %. Для учета особенностей формирования воздушного потока, возникающего при неполных заполнениях труб, и влияния его на скорость течения воды вводится понятие приведенного гидравлического радиуса R_пр и приведенного модуля расхода K_пр:

R_пр = K_RR и K_пр = K_QK,

где K_R и K_Q – коэффициенты, зависящие от степени наполнения трубы.

При этом считается, что средняя скорость течения: во-первых, в круглой трубе не зависит от степени наполнения при глубине потока, большей половины диаметра, во-вторых, принимается равной соответствующему значению при полном заполнении.

Для лотков проезжей части расход Q и скорость v находятся по модулям расхода K и скорости W:

и ,

где i – уклон лотка.

Модули скорости и расхода зависят от ширины проезжей части L и наполнения h лотка у борта (см. рис).

Гидравлический расчет дождевой сети

Метод расчета дождевых сетей должен тесно увязывать метеорологические и гидравлические факторы действительных физических явлений. В ходе расчета определяются размеры и уклоны лотков, каналов и труб. Основным исходным данным является расчетный расход, который определяется по методу предельных интенсивностей прежде всего в зависимости от расчетного времени протока t_r до расчетного сечения. Как известно, это время складывается из трех величин:

t_r = t_con + t_can + t_p.

Здесь t_con – время поверхностной концентрации, принимается по СНиП 2.04.03-85 примерно от 2..3 до 10 минут. Время протока по уличным лоткам t_can до первого дождеприемника рассчитывается в зависимости от скорости воды в лотке, однако можно ориентировочно принять t_can = 1 мин. Наконец, время протока воды по дождевой сети принимается как сумма времени протока по отдельным участкам при расчетных для каждого участка расходах:

t_p = 0,017Σ(l_p/v_p),

где l_p – длина расчетных участков коллектора, v_p – расчетные средние скорости на участках.

Главной особенностью гидравлического расчета дождевых сетей является то, что величина расчетного расхода (по которому принимается диаметр и уклон трубы) связана с продолжительностью протока по сети, а значит, зависит от диаметра и уклона. По этой причине весь расчет приходится производить методом последовательных приближений.

Итак, гидравлический расчет необходимо проводить в следующем порядке:

1. Производится трассировка дождевой сети и разбивка кварталов на площади стока, с последующим определением величин площадей стока.

2. Строится вспомогательный график (см. рис) зависимости интенсивности q_t от времени протока по трубам t_p (при принятых значениях t_con и t_can):

,

где η – коэффициент неравномерности выпадения дождя, β_e – коэффициент, учитывающий заполнение свободной емкости коллектора, z_mid – средневзвешенное значение коэффициента покрова, A и n – параметры, зависящие от географического расположения.

Расчет начинается, как правило, с наиболее длинного коллектора бассейна. Задается скорость протока v_p на расчетном участке (например, 0,8 м/с). Для первого (верхового) участка определяется время протока по трубам t_p, по вспомогательному графику находится интенсивность, соответствующая этому времени, затем рассчитывается сам расчетный расход:

q_cal = q_tF,

где F – площадь стока, примыкающая к расчетному участку.

3. Для последующих участков время протока t_p обязательно суммируется с временем протока на всех предыдущих участках.

Если расчетный расход окажется меньше расхода на предыдущем участке, его принимают равным расходу на вышележащем участке.

4. По соответствующим таблицам или номограммам находится уклон и диаметр трубы (при полном заполнении) таким образом, чтобы пропускная способность и скорость течения в ней отличались от ранее заданных значений q_cal и v_p не более чем на 10%. Если предварительно заданная скорость все же отличается от вычисленной, следует повторить расчет при вычисленной скорости и скорректировать значение расхода.

5. Производится определение отметок и глубин заложения труб, а также высотное проектирование сети. Строятся продольные профили коллекторов.