13.3. Расчет распределительных водопроводных линий

Водопроводные сети, по которым вода из водонапорной башни (или резервуара) поступает к потребителям, делятся на разветвленные (тупиковые) (рис. 13.9) и кольцевые (рис. 13.10).

Расчет разветвленных сетей. Разветвленные сети состоят из основной магистральной линии и отходящих от узлов сети ответвлений, которые могут состоять из одной линии (простые ответвления) или нескольких участков трубопроводов (сложные ответвления).

При расчете разветвленной сети возможны две основные схемы:

1) отметка пьезометрической линии в начале сети не задана; 2) отметка пьезометрической линии в начале сети известна.

Расчет разветвленной сети по первой схеме. Отметка пьезометрической линии (отметка уровня воды в резервуаре водонапорной башни) не известна.

Рис.13.9

В начале расчета следует выбрать магистральную линию. Она должна соединять водонапорную башню с одним из конечных узлов. Кроме того, магистральная линия обычно имеет наибольшую длину, по ней проходит больший расход, чем по другим намечаемым основным линиям. За конечный узел часто принимается узел с наибольшей геодезической отметкой поверхности земли. Иногда для выбора магистральной линии приходится сравнивать различные варианты, исходя из обязательного обеспечения подачи необходимых расходов и требуемых свободных напоров.

Рис.13.10

После выбора магистрали определяются расчетные расходы по всем участкам сети.

При этом по известным уже правилам учитывается наличие сосредоточенных и равномерно распределенных расходов.

По известным расчетным расходам определяются диаметры участков трубопроводов. При этом используются таблицы найденных по экономическим соображениям рекомендуемых Ф. А. Шевелевым предельных расходов и средних скоростей в водопроводных стальных, чугунных, асбестоцементных и полиэтиленовых трубах.

Предельные расходы и средние скорости для стальных труб, прокладываемых в центральных и западных районах европейской части СССР, приведены в табл. 13.4. Для районов Сибири и Урала (где более дешевая электроэнергия, но большие капиталовложения в строительство трубопроводов в связи с большой глубиной прокладки труб) приводимые в таблице значения предельных расходов должны быть увеличены на 10-15%. Для южных районов (где более дорогая электроэнергия, но меньшие затраты на строительство) указанные значения предельных расходов уменьшаются на 12-9 %.

Таблица 13.4

Диаметр трубопровода, мм	Рекомендуемая предельная скорость, м/с	Рекомендуемый предельный расход, м3/с	Диаметр трубопровода, мм	Рекомендуемая предельная скорость, м/с	Рекомендуемый предельный расход, м3/с
50 75 100 125 150 200 250 300 350	0,96 1,07 1,15 1,19 1,12 1,34 1,34 1,35 1,35	3,1 5,8 11,7 16,6 21,8 46,0 71,0 103,0 140,0	400 500 600 700 800 900 1000 1200	1,36 1,50 1,49 1,52 1,53 1,57 1,68 1,69	184 315 443 561 776 987 1335 1919

Сравнивая расчетные расходы каждого участка с предельными расходами, назначают соответствующие диаметры на участках. Затем определяют потери напора по длине каждого (-го) участка магистрали

.

Поправочные коэффициенты , как и выше, отражают увеличение потерь напора в переходной области сопротивления и зависят от средней скорости.

Из предварительных проработок при расчете известны геодезические отметки поверхности земли в узлах сети, материал труб, длины всех участков сети, сосредоточенные расходы в узлах сети (узловые расходы) и расходы, непрерывно раздаваемые на соответствующих участках. Также известны необходимые минимальные свободные напоры в концевых и других узлах сети. Требуемый свободный напор при расчетах принимается из нормативных документов. Минимальный свободный напор в сети водопровода при хозяйственно-питьевом водопотреблении на вводе в здание над поверхностью земли должен приниматься при одноэтажной застройке не менее 10 м, при большей этажности на каждый этаж следует добавить 4 м.

Магистральная линия представляет собой ряд последовательно соединенных участков. Поэтому напор, затрачиваемый при движении воды по магистрали, равен

.

Отметка пьезометрической линии в концевом узле магистрали равна

где - геодезическая отметка поверхности земли в концевом узле;- минимальный свободный напор в этом же узле.

Отметка пьезометрической линии в начале магистрали [отметка уровня воды в водонапорной башне (точка С на рис. 13.7)]

.

Свободный напор в начале сети (высота уровня воды в водонапорной башне над поверхностью земли в точке С) равен

где - геодезическая отметка поверхности земли в точкеС.

При расчете необходимо проверить, чтобы свободные напоры в узлах были больше рекомендуемых нормами.

Расчет ответвлений производится при известных отметке пьезометрической линии (полученной при расчете магистрали) в начале ответвления геодезических отметках поверхности земли в началеи в концеответвления и в промежуточных узлах (если они имеются, т. е. если ответвление сложное) на ответвлении. Известны также расчетные расходы, материал и длины труб, требуемый минимальный свободный напор в концевом узле.

Тогда отметка пьезометрической линии в конце ответвления

.

Следовательно, максимально возможный напор для преодоления сопротивлений в ответвлении равен

.

При простом ответвлении максимально возможный уклон

и, следовательно, расходная характеристика

.

Найдя по значению ближайший больший диаметр в справочнике, получим потери напора по длине в ответвлении

.

Далее определяем отметку пьезометрической линии и свободный напор в конце ответвления, который не может быть принят меньше рекомендуемого нормамибез особого обоснования. Выбранный по значениямближайший больший диаметр обеспечивает гидравлический уклон, меньший, чем, т. е..

При сложном ответвлении, состоящем из участков, средний гидравлический уклон

.

Расходная характеристика на каждом участке

.

В общем случае расходная характеристика на каждом участке не будет точно равна , т. е. необходимо выбирать между ближайшими меньшими большимдиаметром на каждом участке, рассматривая различные комбинации этих диаметров. Число таких комбинаций равно.

Если на всех участках принять только большие диаметры, то потери напора будут меньше, чем найденные по условиям задачи , но стоимость труб будет наибольшей.

Если на всех участках ответвления принять только меньшие диаметры, то стоимость труб будет наименьшей, но потери напора превзойдут . При этомможет быть меньшеили даже. Такие варианты недопустимы. Поэтому последовательно перебираютвариантов, выбирая попеременно меньшие диаметры на одних участках (одном участке), а большие - на других.

За расчетный принимается вариант с максимально возможным использованием напора при наименьшей массе труб, а следовательно, и их минимальной стоимости.

При необходимости в расчеты вводятся поправки на неквадратичность сопротивления.

Расчет разветвленной сети по второй схеме ведется аналогично расчетам сложных ответвлений. Назначается магистральная линия. Определяется максимально возможный для использования напор

,

где заданная отметка пьезометрической линии в начале магистрали;.

Далее определяется средний гидравлический уклон по магистрали

.

Затем по вычисленным расчетным расходам находятся расходные характеристики на каждом участке

и вновь рассматриваются вариантов сочетаний диаметров на участках.

Расчеты кольцевых водопроводных сетей. Кольцевые водопроводные сети представляют собой замкнутые смежные контуры или кольца. Такие сети обладают большей надежностью, чем разветвленные. В кольцевых сетях выключение одного или нескольких участков может быть компенсировано подачей воды по параллельным и обходным линиям. При этом снабжение водой временно выключается только на выключенном участке. Когда в сети возникают резкие и быстро сменяющие друг друга повышения и понижения давлений (гидравлический удар), в кольцевой сети это явление не так опасно, как в разветвленной.

Расчеты кольцевых водопроводных сетей представляют собой сложную задачу, при решении которой учитываются не только трубопроводы, но и все сооружения (насосные, станции, станции подкачки, резервуары, водонапорные башни и другие сооружения). Учитывается необходимость обеспечения подачи воды без перебоев и остановок сети.

Основное значение при расчетах имеют технико-экономические требования. Расчеты кольцевых водопроводных сетей представляют собон важную комплексную технико-экономическую задачу, которую детально изучают в курсе водоснабжения.

Здесь остановимся только на основных положениях расчета.

Исходными известными сведениями о кольцевой сети являются общая конфигурация сети, топография местности, длины участков, раздаваемые в узлах расходы; материал труб неизвестен.

Если на каждом участке раздача расходов воды происходит равномерно, то расход условно относят поровну к узлам в начале и в конце участка.

Расчет ведется следующим образом.

Намечается направление движения воды (начальное потокораспределение). При этом должен обеспечиваться первый закон Кирхгофа, т. е. равенство нулю суммы расходов, поступающих в узел (положительные) и уходящих из узла (отрицательные):

, (13.28)

где - номер узла.

По приближенным формулам или по рекомендуемым предельным расходам определяются в первом приближении диаметры, соответствующие технико-экономическим требованиям.

Вычисляются потери напора на каждом участке. При этом условно считается, что в каждом кольце потери напора на участках, где намеченное движение воды происходит по часовой стрелке, - положительные, а направление воды против часовой стрелки соответствует отрицательным потерям напора.

Потери напора в кольцах должны удовлетворять второму закону Кирхгофа, т. е. алгебраическая сумма потерь напора в каждом кольце должна быть равна нулю:

, (13.29)

где - потери напора на участке между-м и-м узлами.

Очевидно, поскольку начальное потокораспределение производилось произвольно и диаметры округлялись до стандартных значений, условие (13 29) в начале расчета (первое приближение) не удовлетворяется.

В связи с этим производят так называемую «увязку» кольцевой сети. При этом вводят поправки к ранее назначенным расходам, затем вновь определяют . Расчет ведется до тех пор, пока невязка потерь напора в кольце не станет меньше заданного заранее значения невязки потерь или равной ему.

При расчете кольцевой водопроводной сети, имеющей узлов иколец, имеемуравнений (13 28) баланса расходов в узлах иуравнений (13.29) баланса потерь напора в кольцах.

Кроме того, при расчете сети с несколькими водопитающими устройствами в уравнения, описывающие их совместную с сетью работу, вводятся данные о насосах и резервуарах.

Для расчета систем подачи и распределения воды сейчас широко используют аналоговые устройства и ЭВМ.