1. Склад та облаштування водопровідних мереж

1.1 Загальні положення про проектування водопровідних мереж

Міська водопровідна мережа повинна забезпечувати можливість усім споживачам відбирати в заданих точках території необхідну кількість води. Вона також повинна створювати необхідні величини вільних напорів у цих точках. Крім того, мережа повинна характеризуватися певною надійністю, тобто зберігати заданий рівень забезпечення водою усіх споживачів (не нижче допустимих меж) при будь-яких можливих аваріях на її лініях. Виконання цих вимог повинно забезпечуватись з найменшими можливими затратами на будівництво та експлуатацію усієї системи подачі та розподілу води.

За характером роботи водопровідні мережі розділяють на дві категорії: перша категорія (магістральні) – служать переважно для транспортування води; друга категорія (розподільчі) – для підведення води до точок водорозбору у споживачів. Конфігурація мереж, розташування та напрямок її головних магістралей залежить від форми території міста (району міста), його планування, схеми вулиць та проїздів, розташування житлових кварталів, розташування окремих великих промислових підприємств, а також від різних природних та штучних перешкод: річки, рівчаки, залізничні колії, складний рельєф місцевості тощо. За геометричною формою розрізняють розгалужену (тупикову), кільцеву (замкнену) та мішану конфігурації водопровідних мереж.

Розгалужена (тупикова) мережа – це магістральна лінія з відгалуженнями до окремих об’єктів або районів (рисунок 1.1).

Кільцева (замкнена) мережа складається з трубопроводів, закільцьованих у одне або кілька кілець (рисунок 1.2).

Водопровідна мережа мішаної конфігурації – кільцева мережа з тупиковими відгалуженнями до окремих об’єктів.

Дешевшою при будівництві є розгалужена мережа, оскільки на її прокладання потрібна найменша кількість труб. Разом з тим вона не забезпечує надійності водопостачання (при аварії на одній ділянці трубопроводу припиняється подача води в усі райони, розташовані за рухом води після цієї ділянки) і зазнає дії гідравлічних ударів при зміні швидкостей руху води внаслідок раптового перекриття кранів.

Кільцева водопровідна мережа, навпаки, забезпечує надійність водопостачання і значно менше зазнає дії гідравлічних ударів, проте її будівництво має більшу вартість. Досвід показує, що розгалужені мережі доцільно застосовувати для невеликих об’єктів з відсутністю значних вимог щодо надійності водопостачання. Для міст та великих промислових підприємств доцільно застосовувати кільцеві мережі або мережі змішаної конфігурації.

Проект мережі водопостачання повинен складатися після детального ознайомлення проектувальника з об’єктом – генеральним планом міста (району міста) та місцевими умовами. Проектувальник повинен мати відомості, отримані в результаті проведення вишукувань, зокрема щодо можливих джерел водопостачання. Крім того, проектувальник повинен мати відомості щодо щільності населення окремих кварталів чи районів міста, щодо етажності житлових будинків та виду їх благоустрою, щодо необхідних витрат води та необхідних вільних напорів на потреби виробництва промислових підприємств, зокрема відомості про ступінь нерівномірності водоспоживання за годинами доби та за сезонами року, відомості про об’єми будівель, для яких потрібна найбільша витрата на гасіння пожеж, про ступінь їх вогнестійкості та категорії виробництва за пожежною безпекою.

Для підвищення надійності роботи мережі її потрібно проектувати кільцевої форми. Розміри території міста (району міста) вносять суттєві корективи в обриси мережі та у кількість паралельних магістралей. Головні магістралі спроектованої мережі мають охоплювати всю територію міста і забезпечувати подачу води у найбільш віддалені райони. Кільцям мережі доцільно надавати видовженої форми. Напрям цього видовження повинен відповідати напрямам головних потоків води, забезпечуючи найпростіший її розподіл. Головні магістралі потрібно з’єднувати перемичками, розташовуючи їх приблизно перпендикулярно головним потокам води. Видовження мережі дає можливість збільшувати загальну протяжність постійно працюючих ліній і скорочувати довжину перемичок, які відіграють несуттєву роль при безаварійній роботі мережі.

Структури мереж водопостачання бувають різноманітними і будуються індивідуально для кожного населеного пункту чи промислового споживача. Однак для переважної більшості цих мереж виділяють характерні елементи, поєднанням яких отримують типові водорозподільні системи:

• одна насосна станція (НС) працює на кільцеву мережу або ізольовану зону мережі (рис. 1.3, а);

• кілька насосних станцій подають воду у мережу (рис. 1.3, б);

• насосна станція подає воду у напірний резервуар (водонапірну башту, звідки вона самоплином надходить у мережу (рис. 1.3, в);

• напірний резервуар використовується як регулювальна ємність, в години максимального водорозбору на мережу працюють і насосна станція, і резервуар, решту часу надлишок води насосна станція подає у резервуар (рис.1.3, г);

• насосна станція подає воду у мережу, в кінці якої знаходиться конррезервуар (рис. 1.3, д);

• на кільцевій мережі є один чи кілька регулювальних вузлів, кожний з яких має резервуар та насосну станцію, структура може бути зведена до схеми (рис. 1.3, б) у режимі максимального водоспоживання та схеми (рис. 1.3, д) у режимі заповнення резервуара (рис. 1.3, е);

• складні структури мереж водопостачання, що включають будь-які комбінації описаних схем.

Споживачі відбирають воду для своїх потреб переважно через водорозбірні крани внутрішніх водопроводів. Відбирання води з магістральної мережі здійснюється шляхом влаштування розподільчих мереж з будинковими вводами. Такі мережі можуть мати розгалужену (тупикову) форму, а можуть утворювати систему додаткових замкнених контурів чи кілець.

Розподільча мережа має прокладатися практично всіма вулицями та проїздами міста. Відбирання води будинковими вводами з магістральних мереж допускається при умові, що діаметри магістральних мереж невеликі. При великих діаметрах магістралей вартість будинкових підключень до них значно збільшується і економічно доцільним є влаштування так званих «супроводжувальних» ліній, які потрібно прокладати між вузлами паралельно ділянці головної магістралі. До цих ліній потрібно приєднувати будинкові відгалуження.

З врахуванням місцевих топографічних умов в деяких випадках може виявитися доцільним розділення єдиної системи магістральних мереж на декілька зон (зонування водопровідної мережі). Зонування може бути викликане як технічними, так і економічними міркуваннями.

Наприклад, коли окремі точки території мають значну різницю геодезичних відміток, то в понижених точках мережі можуть виникнути тиски, що перевищують допустимі для використовуваного типу труб та умов експлуатації водопроводу. Якщо територія, для якої проектується мережа, значно видовжена в плані, то втрати напору при транспортуванні води від початку до кінця видовженої мережі можуть виявитися досить великими. Це може призвести до того, що в результаті забезпечення необхідних вільних напорів в кінці мережі тиски у трубах на початку мережі також можуть перевищити допустимі. Зонування дозволяє знизити тиски у трубах та зменшити затрати електроенергії на підніманння води. Зонування розрізняють послідовне та паралельне.

При послідовному зонуванні (рисунок 1.4) витрата води у другу зону подається транзитом через першу.

Насосна станція першого підйому НС-1 подає воду з річки на очисні споруди ОС. Насосна станція другого підйому НС-2 подає очищену воду у першу зону мережі. Частина води споживається у першій зоні, а частина транзитом проходить до насосної станції третього підйому, яка подає цю воду у другу зону.

Переваги такої схеми очевидні. Насосна станція НС-2 може створювати напір, достатній лише для водопостачання першої зони. Напір, необхідний для водопостачання другої, створить НС-3. При відсутності НС-3 на насосній другого підйому потрібно було б підтримувати значно більший тиск.

На рисунку 1.5 показано лінії п’єзометричного напору у 1-й та 2-й зоні при послідовному зонуванні. Об’єкт водопостачання розташований на похилій території. Геодезичні відмітки початку та кінця мережі значно відрізняються.

Для забезпечення необхідного вільного напору в найвіддаленішій точці першої зони насосна станція НС-2 (враховуючи втрати напору у першій зоні) має створювати напір . У трубопроводах першої зони при цьому встановлюються напори, зображені п’єзометричною лінією 1.

Насосна станція НС-3 повинна створювати напір , достатній для забезпечення необхідного вільного напору в найвіддаленішій точці другої зони . У трубопроводах встановлюються тиски, зображені п’єзометричною лінією 2.

При відсутності зонування для забезпечення напору насосна НС-2 повинна була б створювати напір , при цьому в трубопроводах першої зони встановилися б напори, зображені п’єзометричною лінією 3.

Площа фігури, обмеженої профілем землі та п’єзометричною лінією, пропорційна енергії (роботі), затраченій на транспортування води (сила на переміщення: напір характеризується силою, що підіймає воду, а відстань від насосної станції – переміщенням води). Заштрихована площа на рисунку 1.5 – це додаткові затрати електроенергії на підтримання додаткових надлишкових напорів у першій зоні при відсутності зонування.

Отже, послідовне зонування дозволяє значно зменшити затрати електроенергії, зменшити кількість аварійних поривів та знизити втрати води на витоки через зниження тисків у трубопроводах першої зони, а також зменшити необхідну кількість індивідуальних регуляторів тиску у споживачів. Разом з тим послідовне зонування вимагає додаткових капітальних затрат на будівництво насосних станцій третього підйому та більших затрат на прокладання водопровідної мережі в першій зоні, оскільки там трубопроводи мають бути більших діаметрів для забезпечення транзиту води у другу зону.

Деяких з цих недоліків не має паралельне зонування (рисунок 1.6).

В насосній станції другого підйому НС-2 встановлюється дві групи насосів. При цьому використовуються насоси, що створюють різні напори. Перша група насосів створює напір (дивись рисунок 1.5) і по водоводу В-1 подає воду у першу зону. Друга група насосів створює більший напір і по водоводу В-2 подає воду у другу зону. При цьому в першій зоні встановлюються напори, зображені п’єзометричною лінією 1, у другій зоні – лінією 2, а у водоводі В-2 напори зображені п’єзометричною лінією 3.

Таким чином при паралельному зонуванні капітальні затрати є меншими, ніж при послідовному. Немає необхідності будувати насосну станцію третього підйому. Достатньо лише встановити додаткову групу насосів на станції НС-2. Немає необхідності завищувати діаметри труб у першій зоні, оскільки вона не виконує транзитних функцій. Проте з’являються і недоліки. Експлуатаційні затрати при такому зонуванні більші. Водовід В-2 працюватиме при підвищених напорах, що вимагає додаткових затрат енергії (вся вода у другу зону має подаватись під напором ) та збільшує ймовірність його аварійних проривів та втрат води через витоки.

Для зниження експлуатаційних затрат в кінці водоводу В-2 можна розташувати насосну станцію НС-3 (на рисунку 1.6 зображено пунктиром) збільшивши таким чином капітальні затрати. При такій схемі НС-2 може подавати воду у водовід В-2 з напором (дивись рисунок 1.5 п’єзометрична лінія 1). Тоді НС-3 може створювати напір .

Вибір схеми зонування завжди вимагає техніко-економічного обґрунтування.

Для розрахунку водопровідної мережі необхідно знати місця (точки) та величини (витрати) подач та відборів води. Маючи загальну схему мережі та знаючи розташування джерел водопостачання можна легко визначити місця та величини подач води у мережу. Дійсна ж картина відбору води з мережі досить складна і потребує певних спрощень.

Гідравлічний розрахунок системи водопостачання міста (району міста) виконується для конкретного розрахункового випадку. Як правило розрахунковим випадком є період максимального водоспоживання. Розрахунок потрібно починати з визначення необхідних витрат води у водопровідній мережі. Такі витрати розраховуються за нормативами водоспоживання, даними про щільність населення та вид благоустрою будівель, а також даними про потреби у воді промислових підприємств. Після цього складається схема магістральної мережі водопроводу та виконується попередній (приблизний) розподіл потоків води у цій мережі з визначенням розрахункових витрат, що мають проходити кожною ділянкою. За отриманими розрахунковими витратами підбирають матеріал та необхідний діаметр трубопроводів кожної ділянки. Маючи діаметри труб та витрати, що ними проходять, визначають втрати напору між вузлами мережі.

Для розгалуженої (тупикової) мережі знайдені таким чином втрати напору є остаточними, оскільки шлях проходження води між двома вузлами є тільки один. Оскільки в кільцевій мережі є кілька шляхів (траєкторій) проходження води між двома вузлами, то втрати напору між цими вузлами, обчислені за різними траєкторіями руху води, мають бути однаковими. Попередній (приблизний) розподіл потоків води такої рівності, як правило, не забезпечує. Тому для знаходження дійсних витрат води та дійсних втрат напору в усіх ділянках виконують так звану ув’язку кільцевої водопровідної мережі.

Є кілька методів ув’язувальних розрахунків. Найпоширенішими серед них є методи Лобачова-Кросcа, Адріяшева, Сироткіна, Васильченка, Білана. Усі вони ґрунтуються на послідовному уточненні попереднього розподілу потоків та уточненні втрат напору в кільцях. Тобто використовується так званий ітераційний процес (процес поступового наближення до розв’язку).

Після закінчення ув’язувального розрахунку мережі будують поздовжній профіль траси, а також лінії п’єзометричного напору. Ці лінії дозволяють визначати необхідний напір, що має розвивати насосна станція, а також необхідну висоту водонапірних башт з регулювальними ємностями.

На поздовжньому профілі потрібно намітити місця розташування колодязів, в яких мають розміщуватись засувки для переключення напрямів потоків води у випадку аварії на будь-якій ділянці мережі, колодязів, де має бути розташована інша водопровідна арматура (випуски, повітряні вантузи, зворотні клапани, обладнання, що зменшує силу гідравлічних ударів тощо).

На цьому гідравлічний розрахунок мережі вважається закінченим.