Методика расчетов каналов и коллекторов
.pdfпо Андрияшеву можно принимать среднее значение = 0,00179; m = 5,1…5,3;
l – длина трубопровода;
стоимость 1 кВт/ч электроэнергии, потребляемой насосными агрегатами для подъема воды, по местному тарифу (руб. за 1 кВт/ч);
КПД насосной станции;коэффициент неравномерности расходования энергии, пред-
ставляющий собой отношение числа часов работы трубопроводов к общему числу часов в году; для городских трубопроводов =
=0,4…0,8; для промпредприятий = 0,8…1,0;
коэффициент эффективности капитальных вложений, величина, обратная сроку окупаемости T, т. е. E = 1 / T;
S ежегодные отчисления на амортизацию, капитальный и текущий ремонты в процентах строительной стоимости водовода.
Значения коэффициентов и показателей степени в формулах (2.12) и(2.13) взависимостиотматериалатрубпредставленывтабл. 2.4 [10].
Таблица 2.4
Значения коэффициентов и показателей степени в зависимости от материала труб
Трубы |
|
|
Величины |
|
|
||
|
k |
m |
|
S |
b |
||
|
|||||||
Стальные |
1,9 |
0,00179 |
5,1 |
1,4 |
4,6 |
53 |
|
Чугунные |
1,9 |
0,00179 |
5,1 |
1,6 |
3,3 |
107 |
|
Асбестоцементные |
1,85 |
0,00118 |
4,89 |
1,95 |
7,3 |
78 |
|
Пластмассовые |
1,774 |
0,00105 |
4,77 |
1,95 |
4,6 |
150 |
|
Приближенно экономический фактор можно определить по формуле:
Э44 σb . (2.16)
Вусловиях формирования рыночных отношений в Республике Беларусь и изменения цен на энергоносители, входящие в приве-
31
денные выше формулы, коэффициенты нуждаются в корректировке в соответствии с существующими нормативами. Для условий Беларуси допускается принимать приближенно Э = 0,75.
Полученные расчетом экономические диаметры округляют до ближайшего большего или меньшего стандартного значения по сортаменту. Так как диаметры водопроводных труб изменяются через определенные промежутки, то каждый стандартный диаметр будет являться экономически выгодным для некоторого интервала расходов.
Значения предельных расходов для различных диаметров труб из различных материалов приведены в табл. 2.5 при значении экономического фактора Э = 0,75 [10].
Таблица 2.5
Предельные расходы qпр, л/с, при значениях Э = 0,75
D, |
Чугунные |
Стальные |
Асбестоце- |
Пластмас- |
Железобе- |
|
мм |
трубы |
трубы |
ментные |
совые |
тонные |
|
трубы |
трубы |
трубы |
||||
|
|
|
||||
100 |
4,4–7,3 |
8,1–11,7 |
3,3–5,9 |
2,6–4,4 |
– |
|
125 |
7,3–11,6 |
11,7–16,6 |
5,9–8,9 |
4,4–7 |
– |
|
150 |
11,6–19,6 |
16,6–21,8 |
8,9–15,2 |
7–13,2 |
– |
|
175 |
– |
21,8–29,2 |
– |
– |
– |
|
200 |
19,6–35,5 |
29,2–46 |
15,2–28,3 |
13,2–31,1 |
– |
|
250 |
35,5–57 |
46–71 |
28,3–45,7 |
31,1–49,9 |
– |
|
300 |
57–83,8 |
71–103 |
45,7–66,3 |
49,9 |
– |
|
350 |
83,8–116 |
103–140 |
66,3–92,7 |
– |
– |
|
400 |
116–153 |
140–184 |
92,7–140 |
– |
– |
|
450 |
153–197 |
184–234 |
– |
– |
– |
|
500 |
197–273 |
234–315 |
140 |
– |
– |
|
600 |
273–402 |
315–443 |
– |
– |
228–356 |
|
700 |
402–560 |
443–591 |
– |
– |
356–519 |
|
800 |
560–749 |
591–776 |
– |
– |
519–725 |
|
900 |
749–970 |
776–987 |
– |
– |
725–969 |
|
1000 |
970–1338 |
987–1335 |
– |
– |
969–1406 |
|
1200 |
1338 |
1335–1919 |
– |
– |
1406–2191 |
|
1400 |
– |
1919–2455 |
– |
– |
2191–2949 |
|
1500 |
– |
2455–2838 |
– |
– |
2949–3515 |
|
1600 |
– |
2838 |
– |
– |
3515–4455 |
32
Экономичному диаметру при расчетном расходе соответствует определенная скорость течения воды, которая также называется экономичной. Для средних условий строительства трубопроводов она находится в пределах vэ = 0,7…1,5 м/с.
В самотечных водоводах экономичными будут такие диаметры, при которых избыточный напор полностью расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений в трубах при условии, что скорость не будет превосходить верхний технический предел.
При отсутствии отбора воды по пути водовода его экономически наивыгоднейший диаметр определяют по формуле:
d Э1/(α m) Q(β 1)/( m) , |
(2.17) |
где Q – полный расчетный расход водовода; Э – экономический фактор.
Входящие в формулу (2.17) величины имеют те же значения, что и в формуле (2.12) для определения экономичных диаметров на участках водопроводной сети.
В случае отбора воды по пути водовода в виде сосредоточенных расходов Qi экономичные диаметры определяют по формуле:
d |
i |
Э1/( m) Q1/( m) Qβ/( m) , |
(2.18) |
|
i |
|
где Qi – расход водовода на участке li.
Для усредненных значений входящих в формулы (2.17) и (2.18) показателей степеней и коэффициентов
|
|
d Э0,14Q0,42 , |
(2.19) |
d |
i |
Э0,14Q0,42Q0,28. |
(2.20) |
|
i |
|
Число переключений между водоводами при выключении одного водовода или его участка должно обеспечивать подачу воды на хо- зяйственно-питьевые нужды не менее чем на 70 % расчетного расхо-
да, на производственные нужды по аварийному графику. При этом необходимо учитывать возможность использования запасных емкостей и резервных насосных агрегатов. Подача воды для тушения пожара должна быть во всех случаях обеспечена полностью.
33
Число переключений в соответствии с допустимым снижением подачи воды определяют из графика совместной работы насосной установки и водоводов в аварийных и нормальных условиях при равенстве потерь напора в обоих случаях. Отношение аварийного расхода воды Qав к нормальному Q выражается уравнением:
Qав |
S |
|
1 |
, |
(2.21) |
|
|
||||
Q |
Saв |
|
|
||
где S потери напора в системе водоводов, м;
Sав потери напора в системе водоводов при аварии, м;
коэффициент, зависящий от числа переключений или числа равных участков водоводов; при двух параллельных линиях водовода одинакового диаметра и длины с участками одинаковой длины
между переключениями коэффициент = 1 + 3 / n (n – число участков), а при трех линиях водовода = 1 + 5 / (4n).
Число участков , на которые необходимо разбить водовод для устройства перемычек (переключений) определяется по формуле:
|
2SQ2 m2 |
(m k)2 |
|
|
|
n |
|
|
|
, |
(2.22) |
(m k)2 (h m2 |
2SQ2 ) |
||||
|
а |
|
|
|
|
где Q полный расчетный расход водовода, м3/с;
k число ниток водовода, которые могут выйти из строя при аварии на его 1-м участке;
m – количество ниток-труб в водоводе (обычно 2); S сопротивление водовода длиной L;
QQав – соотношение аварийного и полного расходов;
ha = Ha – H0;
Ha полный напор, создаваемый насосами при подаче аварийного расхода Qав;
H0 сумма напоров при нормальном режиме работы:
H0 Hг Нсв hв, |
(2.23) |
34
где Hcв свободный напор в конечной точке водовода; Hг геометрическая высота подъема воды;
hв – сумма потерь напора в водоводе.
При m = 2, k = l
n |
3 2SQ2 |
. |
(2.24) |
||
4h |
2SQ2 |
||||
|
|
|
|||
|
а |
|
|
|
|
3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КАНАЛОВ В УСЛОВИЯХ РАВНОМЕРНОГО ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ
3.1. Теоретические основы расчета
Гидравлический расчет каналов проводят с целью определения параметров его поперечного и продольного сечений, при которых обеспечивается пропуск расчетных расходов с допустимыми скоростями (на размыв и заиление) и с необходимыми запасами от уровней воды до бровки в зависимости от сельскохозяйственного использования земель (см. табл. 1.1).
Гидравлический расчет проводящих каналов мелиоративных систем необходимо выполнять при площади водосбора 5 км2 и более и расчетном расходе воды более 0,5 м3/с; при меньшей площади водосбора размеры поперечных сечений каналов принимаются конструктивно. Гидравлический расчет проводящих каналов на неразмывающие скорости необходимо выполнять при любой площади водосбора, когда уклон канала превышает 0,0005 для песчаных, 0,003 – для суглинистых и 0,005 – для глинистых грунтов.
Гидравлический расчет открытых водотоков мелиоративных систем выполняется для следующих створов [8, 11–13]:
1)в устье водотока;
2)выше и ниже каждого впадающего канала, расчетный расход которого составляет 10 % и более от расхода рассчитываемого водотока в данном створе;
3)выше и ниже мест изменения уклонов;
4)на бесприточных участках – в створах, где площадь водосбора отличается от площади водосбора вышерасположенного расчетного створа более чем на 20 %.
35
В случае притока воды в проводящие каналы или поступления ее из каналов высшего порядка, что создает подпоры с изменением циркуляции потока или другие явления, влияющие на глубину и расход воды, гидравлический расчет необходимо производить по формулам неравномерного движения воды [14–15].
Проектирование открытых проводящих каналов ведется
вследующей последовательности:
1.На плане намечают трассу канала.
2.На миллиметровой бумаге по намеченной на плане трассе строят продольный профиль ее поверхности (см. прил. 14), на нем показывают все впадающие в канал открытые каналы, закрытые коллекторы, отметки их устьев (дна).
3.В соответствии с требованиями вертикального сопряжения открытых каналов с открытыми и закрытыми собирателями и коллекторами (см. рис. 5.1 [11]) и исходя из условий пропуска расчетных расходов (см. табл. 1.1), устанавливают глубину канала Н (2,0–2,5 м), которая откладывается на построенном продольном профиле.
4.Придерживаясь принятых глубин, проектируют дно канала. Уклон канала должен соответствоватьуклону поверхности его трассы.
Движение жидкости в каналах мелиоративных систем и систем водоснабжения принимается, как правило, равномерным, при котором гидравлические параметры потока (средняя скорость, размеры и форма живого сечения) по его длине не изменяются, а уклон водной поверхности I равен уклону дна i.
Основой гидравлического расчета открытого водовода (канала) являетсяуравнениерасходаQ приравномерномдвижении жидкости:
Q ω v ωC Ri, |
(3.1) |
в котором средняя скорость течения воды v, м/с, определяется по формуле Шези:
v C Ri , |
(3.2) |
где ω площадь живого сечения, м2; i уклон дна канала;
R гидравлический радиус, м,
36
R ω/ χ; |
(3.3) |
χ смоченный периметр, м;
С скоростной коэффициент (коэффициент Шези), м0,5/с, определяемый при R ≤ 3 м чаще всего по формуле Н. Н. Павловского:
C |
1 R y , |
(3.4) |
|
n |
|
где n коэффициент шероховатости русла, который для земляных каналов рекомендуется определять по табл. 3.1, а для их креплений – по табл. 3.2.
Таблица 3.1
Коэффициент шероховатости n проводящих каналов, работающих в нормальных условиях эксплуатации
|
|
Расход |
|
Грунты |
|
весеннего поло- |
летне-осеннего |
|
водья и пред- |
паводка и |
|
|
|
||
|
|
посевной |
меженный |
|
Q 25 м3/с |
|
|
Пески: |
|
0,025 |
0,028 |
крупнозернистые; |
|
||
среднезернистые и мелкие |
|
0,023 |
0,026 |
Глинистые грунты |
|
0,022 |
0,025 |
Торфяные грунты |
|
0,024 |
0,030 |
Гравийные и галечниковые |
|
0,027 |
0,030 |
грунты |
|
||
|
|
|
|
|
Q < 25 м3/с |
|
|
Пески: |
|
|
|
крупнозернистые; |
|
0,026 |
0,030 |
среднезернистые и мелкие |
|
0,024 |
0,029 |
Глинистые грунты |
|
0,023 |
0,027 |
Торфяные грунты |
|
0,027 |
0,033 |
Гравийные и галечниковые |
|
|
|
грунты |
|
0,028 |
0,032 |
37
|
Таблица 3.2 |
|
Коэффициенты шероховатости n креплений каналов |
||
|
|
|
Тип креплений |
Коэффициент |
|
Железобетонные сборные плиты и лотки |
0,013–0,015 |
|
Бетоннаяоблицовкас грубо отделанной поверх- |
0,015–0,018 |
|
ностью, плиты и блоки из пористого бетона |
||
|
||
Одерновка, залужение |
0,030–0,035 |
|
Пригрузка (наброска) из гравия и щебня |
0,026–0,030 |
|
Фашины, хворостяные канаты и плетневые |
0,028–0,034 |
|
стенки, тюфяки |
||
|
||
Крепления из синтетических и стекловолокни- |
0,012–0,017 |
|
стых материалов |
||
|
||
y показатель степени, который может быть определен по полной формуле (3.5) или в практических расчетах по упрощенным формулам (3.6) Н. Н. Павловского:
y 2,5 n 0,13 0,75 R( n 0,1); |
(3.5) |
y = 1,5 n при R < 1 м; y = 1,3 n при R > 1 м. |
(3.6) |
Для земляных русел с гидравлическим радиусом R = 1…3 м значение y может быть принято приближенно y = 0,2.
При расчете земляных русел с гидравлическим радиусом в диапазоне 0,3 < R ≤ 5 м для определения коэффициента Шези используют также формулу (3.7) И. И. Агроскина и Д. В. Штеренлихта [14].
C |
1 |
(27,5 300n)lg R. |
(3.7) |
|
n |
|
|
Для приближенных расчетов каналов с бетонным креплением допускается вычисление скоростного коэффициента С по формуле (3.4), принимая по Манингу y = 1/6.
Для каналов с гидравлическим радиусом R > 5 м скоростной коэффициент можно определять по формуле Г. В. Железнякова [15]
38
или по данным, полученным для водотоков, работающих в аналогичных условиях.
Используемая в расчетах расходная характеристика (модуль расхода) K определяется по уравнению:
K ωC R, |
(3.8) |
а для заданного расхода K0 по формуле:
K0 Q / i. |
(3.9) |
Гидравлический расчет канала состоит в определении пропускной способности русла и допускаемых на размыв и заиление скоростей. Задачи, решаемые при расчете пропускной способности русла,
можно подразделить на два основных типа: 1 тип задачи, в которых требуется определить расход воды, пропускаемый руслом с за-
данными размерами и уклоном; 2 тип задачи, когда при заданном расчетном расходе и уклоне русла необходимо определить размеры (или один из них при другом заданном) поперечного сечения, способного пропускать максимальный заданный расход. При проектировании нового канала решают задачи 2-го типа.
Задачи 1-го типа решаются непосредственно по приведенной
выше формуле (3.1). Задачи 2-го типа путем подбора, для чего чаще всего используют графоаналитический способ [14], по которому сравнивают текущие модули расхода по (3.8) с модулем заданного расхода по (3.9), задаваясь рядом значений искомого размера, и вычисляют при каждом из этих значений все гидравлические элементы русла. Затем строят график b = f (K) или h = f (K), по которому находят искомый размер русла при K = K0. Такие расчеты являются весьма трудоемкими.
Более удобным для практических задач 2-го типа является аналитический метод, разработанный Э. И. Михневичем [16, 17], при использовании которого параметры канала определяют непосредственно (без подбора) по формулам (см. разделы 3.2, 3.3).
В водохозяйственном строительстве наиболее распространенной формой поперечного сечения каналов является трапецеидальная как наиболее удобная для производства работ (рис. 3.1). Примером от-
39
крытого водовода системы водоснабжения из поверхностного источника является канал, подающий воду из Вилейского водохранилища в водную систему Минска. Длина канала 62,5 км, максимальный расчетный расход 22 м3/с.
Рис. 3.1. Трапецеидальная форма поперечного сечения канала:
h – глубина воды в канале, м; b, B ширина канала соответственно по дну и по уровню воды, м; угол наклона откосов; m = ctg = a / h коэффициент
заложения откосов
Используя принятые обозначения, можно записать следующие выражения для основных гидравлических элементов русла:
– площадь живого сечения:
ω (b mh)h bсрh; |
(3.10) |
|
где bср ширина трапеции по средней линии, |
|
|
bср b mh; |
|
(3.11) |
– характеристика откоса m0: |
|
|
m0 2 1 m2 m; |
(3.12) |
|
– смоченный периметр χ: |
|
|
χ = b+2h 1+m2 = b |
+h m ; |
(3.13) |
ср |
0 |
|
40