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, самотечно-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 сифоне. Схема продольного профиля сифонного сборного водовода приве­дена на рис. 8.40. 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. 8.38):

где — высота расположения центра сечения над уровнем воды в сборной емкости

или в наиболее удаленном водозаборе, м; — скорость движения воды в сечении, м/с;

— ускорение силы тяжести, м/с²; — сумма потерь напора по длине сифона и в

местных сопротивлениях, м.

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

Рис. 8.40. 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:

где — 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: = 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:

где — 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:

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 , понижение уровня S и потерь напора в водоводе от скважины до конечной точки подачи воды (рис. 8.41).

Рис. 8.41. Схема подачи воды от скважины: 1 — насос; 2 – фильтр

Насос, установленный в скважине, развивает напор, равный:

где — отметка уровня воды в резервуаре;

— отметка статического уровня подземных вод;

— 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 , которая в диапазоне оптимальных значений КПД аппроксимируется уравнением:

где А и В — параметры характеристики насоса

Применительно к одиночной скважине уравнение (8.74) может быть решено графи­чески (рис. 8.42).

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

Задаваясь гидравлическими сопротивлениями, строят характеристику водовода (кривая 2). При сложении характеристик , получается совмещен­ная характеристика скважины, водовода и резервуара (кривая 3), представляющая собой график зависимости полной высоты подъема воды от производительности скважины. Пересечение характеристики насоса с кривой 3 дает рабочую точку А насоса с ко­ординатами — действительная производительность насоса — напор, развиваемый насосом при подаче . Одновременно определяются также величины в скважине и — в водоводе.

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

Рис. 8.42. Графоаналитический метод расчета сис­темы «скважина-насос-водовод-резервуар»

Если ряд скважин работает на один сборный водовод (рис. 8.41), напор, требуемый для подачи воды в количестве , из любой n-ой скважи­ны на заданную отметку составляет:

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

В скважинах могут быть установлены насосы разных марок, поэтому исходная си­стема уравнений для расчета N неизвестных величин имеет вид:

для — невязки потерь напора.

Рис. 8.43. Схема подсоединения скважин к сборному водоводу

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

где Q — проектная производительность водозабора.

Подставив значение в уравнение (8.76) проверяется условие:

где — предельная (заданная) величина невязки потерь напора.

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

Система уравнений (8.76) считается решенной, когда в процессе последовательных приближений найдены такие значения при которых выполняется условие (8.84).

После этого для каждой скважины вычисляются величины и определяются вели­чины напоров насосов по формуле (8.75).

Для каждой скважины по результатам поверочного расчета проверяются условия:

где — 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.

Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М.
"Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений"