10796
.pdf7
3. Расчет водосборной системы
Назначение системы – собрать фильтрат и отвести в зумпф (водоприемник, приямок), откуда затем откачать с помощью насоса в ливневой коллектор.
3.1. Конструирование водосбора внутри котлована
По периметру дна котлована прокладываем два открытых лотка прямоугольного поперечного сечения. Каждый из них, имеющий протяженность (B+L), рассредоточенно по всей длине принимает и отводит в зумпф фильтрационный поток с расчетным расходом
Qрасч.=
1 2
Q =1,55·10-3 м3/с=1,55 л/с.
(6)
Условно принимается, что весь расчетный расход сосредоточенно приходит в начало каждого лотка. Расчет ведем для одного лотка.
В оплывающих грунтах рекомендуется прокладывать стационарные лотки из легкого материала. Примем в курсовой работе стандартные лотки из жести (шероховатость п=0,011 согласно [12]) с минимальными размерами 30×30 см, т.к. ширина по дну лотка b должна быть не меньше ширины лопаты (30 см). Поскольку фильтрат самотеком собирается в зумпф, уклон дна лотка выдерживается в пределах 0,001÷0,005 [10, 11]. Примем для нашей задачи i=0,001.
Гидравлический расчет лотка проводится графо-аналитическим методом: задаваясь глубиной h, определяется расход воды в лотке Qрасч.. Для нескольких полученных значений строится график связи глубины воды в лотке и расхода воды в нем. Искомая глубина hиск. определяется по расчетному значению Qрасч..
Для водоотводящего лотка используются зависимости гидравлически наивыгоднейшего поперечного сечения, при котором достигается максималь-
ная пропускная способность: |
|
- площадь живого сечения потока ω=b·h, м2; |
(7) |
- смоченный периметр χ=b+2h, м; |
(8) |
- относительная ширина канала по дну гидравлически наивыгоднейшего
поперечного сечения βг.н.= |
b |
=2. |
|
h |
|||
|
|
Для определения расхода воды в лотке расчета открытых русел:
- гидравлический радиус R = |
|
, м; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
- коэффициент в формуле Шези С= |
1 |
R |
1 |
6 |
, |
||
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
(9)
воспользуемся формулами для
|
|
|
(10) |
|
м |
; |
(11) |
||
с |
2 |
|||
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- скорость υ=С Ri , м/с; |
(12) |
||||
|
|
|
|
||
- расход Q=ωυ=ωС Ri , м3/с. |
(13) |
Вычисления сводятся в табл. 3. Достаточно 3 5 значений h , но при условии, что полученное Qрасч попадет в интервал Q1 ,…, Qn.
8
Таблица 3 – Определение глубины наполнения лотка
h, м |
b, м |
ω, м2 |
χ, м |
R, м |
(задаемся) |
по (9) |
по (7) |
по (8) |
по (10) |
h1=0,3 |
0,6 |
0,18 |
1,2 |
0,15 |
h2=0,2 |
0,4 |
0,08 |
0,8 |
0,1 |
h3=0,1 |
0,2 |
0,02 |
0,4 |
0,05 |
h4=0,05 |
0,1 |
0,005 |
0,2 |
0,025 |
С, |
м |
; |
||
с |
2 |
|||
|
|
|||
|
|
|
по (11)
66,3
61,9
55,2
49,15
Q, м3/с
по (13)
Q1=146·10-3
Q2=50·10-3
Q3=7,8·10-3
Q4=1,2·10-3
По результатам расчетов строим график зависимости Q=f(h), рис. 3. Затем определяем искомое значение глубины наполнения лотка hиск =0,06 м по известному значению Qрасч=1,55·10-3 м3/с.
м ,h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
)h(f=Q |
|
|
|
1,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
h м 60,0= |
|
|
|
|
|
|
|
кси |
|
|
|
|
|
|
50,0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q |
с/л 55,1= |
|
|
|
|
|
|
чсар |
|
|
|
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Рисунок 3 – График зависимости Q=f(h)
с/л ,Q
На рис. 4 показана развертка по трассе лотка от истока (начала лотка) до зумпфа, наносятся геодезические отметки в начале лотка (zнл), в точке поворота (zпл), в конце лотка (zкл) и дна зумпфа (zзп).
m |
м 3=Н |
|
0,69=z
к
мс 51=h
58,59=z
лн
м 08=L
о |
аторовоп |
с |
|
ь |
|
67,59=z
лп
м 55=B
7,59=z
лк
0,59=z
пз
Рисунок 4 - Развертка по трассе от истока до зумпфа
9
3.2. Выбор конструкции зумпфа
Местоположение зумпфа задается таким образом, чтобы водоотводящие лотки выполняли свои функции. Зумпф рекомендуется заглублять ниже самого низкого уровня воды в нем на 0,7 м с тем, чтобы всасывающий патрубок насоса находился всегда под водой и в него не попадал воздух, а также грунт, поступающий с фильтратом со дна, что может привести к поломке насоса. Вместимость зумпфа должна быть больше пятиминутного притока фильтрационных вод [10, 11]
5 |
Qпр |
t , |
Wзп |
где t - время наполнения, 5 минут.
1,55·10-3=0,465 м3.
(14)
Исходя из опыта строительного производства, конструкцию зумпфа можно принять в виде железобетонной круглой трубы, которая заглубляется в отрытый колодец, чтобы его стенки не обрушались. Размеры зумпфа назначаются:
|
|
|
d |
2 |
|
|
|
|
|
W |
зп |
= |
4 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
h |
зп |
|
≥0,465 м3.
(15)
Приняв для условий нашей задачи заглубление зумпфа hзп=1 м, а вместимость зумпфа округлить до 0,5 м3, можно вычислить диаметр трубы
d = |
4W |
зп |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
h |
зп |
|
|
|
= |
4 0,5 |
||
3,14 |
1 |
||
|
=
0,8 м.
Стандартный диаметр трубы равен 1 м, поэтому для сбора фильтрационных вод назначаем размеры зумпфа d=1 м; hзп=1 м.
Вычислим время заполнения зумпфа
|
|
|
|
|
T = |
Wзп |
, с, |
(16) |
||
|
|
|
|
|
Qпр |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
hзп |
|
|
3,14 |
2 |
|
|
|
|
T = |
4 |
|
= |
|
1 |
1 |
= 506 с=8,4 мин>5 мин. |
|
||
Q |
|
|
10−3 |
|
||||||
|
4 |
1,55 |
|
|
|
|||||
|
|
пр |
|
|
|
|
|
|
|
|
Условие (14) выполняется. Расположение зумпфа и его размеры показаны на рис. 4.
4. Расчет насосной установки
Назначение насосной установки состоит в обеспечении перекачки собранного фильтрата в приемник удаляемой воды, в качестве последнего может служить в черте населенного пункта ливневая канализационная сеть. При расчете насоса следует знать [10], что подача насоса должна быть несколько больше притока воды в котлован (примерно в полтора раза) для возможности работы насоса с перерывами
Qнас>1,5 Qпр, |
(17) |
а также напор насоса должен обеспечивать перекачку воды, т.е. должно соблюдаться условие
10
Ннас Нрасч . |
(18) |
4.1. Расчет всасывающей и напорной линий
При расчете всасывающей и напорной линий воспользуемся некоторыми рекомендациями:
-скорость во всасывающем и напорном трубопроводе в первом приближении принимается равной 1 м/с;
-на практике, обычно диаметр всасывающего трубопровода больше диаметра напорного, и скорость во всасывающей линии около 0,7 м/с, а в напорной
–около 1 м/с;
-напорная линия рассчитывается как простой трубопровод без учета местных потерь;
-всасывающая линия рассчитывается как короткий трубопровод с учетом потерь и по длине, и в местных сопротивлениях. А именно: на входе всасывающего трубопровода установлена сетка с обратным клапаном. Труба имеет
плавный поворот на 90 . Потери на вход воды в насос не учитываются, т.к. эта величина входит в КПД насоса.
Напорная линия Из уравнения неразрывности потока
|
d |
2 |
|
|
|
Q = = |
4 |
|
|
|
(19)
определяется диаметр напорного трубопровода d:
|
d= |
4Q |
пр |
, м, |
||
|
|
|||||
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|||
d = |
4 1,55 10−3 |
|
=0,04 м. |
|||
3,14 1 |
|
|||||
|
|
|
|
(20)
Принимается стандартный диаметр dст=50 мм 5, 7, 15 , диаметры приводятся в приложении 2.
Для выбранного стандартного диаметра уточняется скорость в трубопроводе – фактическая скорость υф
|
4Q |
υф = |
пр |
d |
|
|
2 |
|
ст |
= 4 1,55 10−3 =
ф3,14 0,052
, м/с
0,8 м/с.
(21)
Определяются потери напора по длине по формуле Дарси-Вейсбаха hl:
|
l |
ф2 |
|
||
hl= |
|
|
|
, м, |
(22) |
|
|
||||
|
dст |
|
2g |
|
где - коэффициент гидравлического трения (коэффициент Дарси), при грубых расчетах можно принять равным 0,03 0,04 12 ; l=lнап - длина трубы, отводящей фильтрат, т.е. расстояние от оси насоса до оси ливневого коллектора, принимается в курсовой работе равной 200 м; g - ускорение свободного падения, м/с2 .
11
hl нап.=
|
200 0,8 |
2 |
|||
0,03 |
|
||||
0,05 |
2 |
9,81 |
|||
|
=
3,9 м.
Строится пьезометрическая линия Р-Р (рис. 5), для чего назначается величина свободного напора Нсв . Из опыта строительного производства, обычно Нсв принимается равной 5 10 м, так называемый запас, чтобы система хорошо работала и вода била струей, примем Нсв=5 м.
Всасывающая линия Для определения напора и фактического вакуума надо знать гидравличе-
ские потери на всасывающей линии:
Потери напора в местных сопротивлениях hj определяются по формуле Вейсбаха:
hj=
|
|
2 |
|
|
|
|
|
ф |
i |
|
|
|
2g |
, м,
(23)
где i – коэффициент потерь в местных сопротивлениях; для перечисленных местных сопротивлений данной задачи значения даются в 12 ; некоторые значения i можно найти в приложении 3.
Скорость во всасывающем трубопроводе примем равной скорости в напорном трубопроводе. Величина общих потерь в местных сопротивлениях будет равна
hj=
0,8 |
2 |
|
|
||
|
(10,0 |
+ |
|||
2 |
9,81 |
||||
|
|
0,3)
=0,34 м.
Линейные потери определяются по формуле (22). Длина всасывающего трубопровода вычисляется из геометрии расчетной схемы: вертикальный участок равен сумме глубины котлована Нк, глубины зумпфа hзп и расстояния от верха котлована до оси насоса (примерно 0,3 0,5 м); горизонтальный участок равен расстоянию от бровки котлована до оси насоса (примерно 0,5 м)
hl всас.=
|
(3 +1 + 0,5 + 0,5) 0,8 |
2 |
||
|
|
|
|
|
0,03 |
0,05 |
2 |
9,81 |
|
|
|
=
0,1 м.
Строится напорная линия Е-Е, и пьезометрическая линия Р-Р рис. 5, для этого необходимо посчитать:
- местные потери на входе воды в трубу с сеткой и обратным клапаном
hj вх= |
|
0,82 |
10,0 |
=0,33 м; |
2 |
|
|||
|
9,81 |
|
- линейные потери по длине вертикального участка трубы
hl вертик=
|
(3 +1 + 0,5) 0,8 |
2 |
||
|
|
|
|
|
0,03 |
0,05 |
2 |
9,81 |
|
|
|
=
0,088 м;
- местные потери на повороте трубы на 90°
hj пов= |
|
0,82 |
|
0,3 =0,01 м; |
|
2 |
9,81 |
||||
|
|
- линейные потери по длине горизонтального участка трубы
|
0,5 0,82 |
|
hl гор= 0,03 |
|
= 0,01 м; |
0,05 2 9,81 |
||
- скоростной напор |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
h |
= |
|
|
|
2g |
|
|
12
|
0,8 |
2 |
||
= |
|
|||
2 |
9,81 |
|||
|
=0,03 м.
Полученные величины откладываются от уровня воды в зумпфе, рис. 5.
h |
м 5,3= |
сан |
0 |
|
|
|
1 |
h |
м 33,0= |
|
|
хв j |
|
|
|
м 90,0= |
h |
|
|
рев j |
|
|
|
м 10,0= |
h |
|
|
вопj |
|
|
|
|
м9,3= H= |
h |
|
|
2 |
|
пан l |
нам |
|
ξ |
|
мм05=d |
м5= h |
|
|
|
|
|
|||
воп |
|
|
вс |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
м5= l |
|
|
м002= l |
|
|
св |
m |
|
пан |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
м 79,3=кав |
Н |
ξ |
0 |
хв |
|
|
1 |
h |
f |
|
h |
|
м10,0= |
|
рог l |
|||
|
|||
|
v |
2 |
|
|
м30,0= |
||
|
|
||
|
g2 |
Рисунок 5 – Схема насосной установки
4.2. Подбор марки насоса
Насос назначается исходя из трех характеристик: производительности (подачи) Qнас ; напора Hнас; вакуума Hвак с учетом (17) и (18).
Подача Qнас>1,5 Qпр=1,5·1,55·10-3=2,3·10-3м3/с =
2,3 3600 1000
=8,28 м3/час.
Напор насоса для условий данной задачи складывается из манометрического напора Hман=hl нап.=3,9 м; высоты постановки насоса над уровнем воды в зумпфе hнас=Нк+0,5=3,0+0,5=3,5 м и запаса Нсв=5,0 м
Hнас=Hман+hнас+ Нсв |
(24) |
Hнас=3,9+3,5+5=12,4 м.
Вакуум насоса можно найти, соединяя уравнением Бернулли сечение 1-1, намеченное по поверхности воды в зумпфе, и сечение 2-2, проведенное на входе воды в насос. Плоскость сравнения 0-0 проводим по уровню воды в зумпфе, рис.
5.
13
z |
|
+ |
p |
+ |
|
2 |
= z |
|
+ |
p |
|
+ |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
1 |
1 |
1 |
|
|
2 |
2 |
2 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
1 |
|
g |
|
2g |
|
2 |
|
g |
|
2g |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ h |
f |
|
.
(25)
Для сечения 1-1: |
Для сечения 2-2: |
|
|
|
||
z1=0, |
z2=hнас, |
|
|
|
||
p1=pатм, |
p2 - давление в трубе |
|
|
|
||
|
перед насосом, |
|
|
|
||
υ1=0 ввиду малости, |
υ2 = υф – фактическая скорость |
|||||
|
в трубе, |
|
|
|
||
1 = 2 = =1. |
h f = hl + h j = |
l |
2 |
+ |
i |
2 . |
|
||||||
|
|
d 2g |
|
|
2g |
Получаем
p |
|
= h |
|
|
+ |
p |
|
+ |
|
2 |
+ h + |
h |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
ат |
|
|
|
|
2 |
2 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j |
|
||||
g |
|
нас |
|
g |
|
2g |
|
|
l |
|
||||||
− p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
= H |
|
|
= h |
|
|
+ |
2 |
+ h + |
h |
|||
|
ат |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
j |
|
g |
|
|
|
|
вак |
|
нас |
|
2g |
l |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(26)
(27)
Выражение (27) показывает превышение атмосферного давления над давлением p2 в парубке у входа в насос и является вакуумом насоса или вакуумметрической высотой всасывания.
Н |
вак |
|
= 3,5 +
0,8 |
2 |
|
||
|
+ |
|||
2 |
9,81 |
|||
|
0,1 +
0,34
=3,97 м
Насос подбирается для полученных значений по 3, 8, 11 .
Приведем марку подобранного центробежного насоса и его характеристики (как один вариантов):
-подача Qнас=54 м3/час;
-напор Hнас=27 м;
-вакуум Hвак=4,5 м;
-мощность N=7,5 кВт;
-масса агрегата 121 кг
-изготовитель Ереванское ПО Армхиммаш.
5.Расчет ливневого коллектора
Ливневой коллектор служит для транспортировки отводящих вод в очистные сооружения. Ливневые коллекторы выполняются в виде каналов замкнутого поперечного профиля. Гидравлический расчет в условии безнапорно-
го равномерного движения выполняется по формуле Шези : |
|
||
υ= С Ri , м/с. |
(28) |
||
Формула расхода: |
|
||
|
|
||
Q=ω С |
Ri |
, м3/c. |
(29) |
Чтобы рассчитать ливневой коллектор, необходимо воспользоваться методом расчета по модулю расхода 12 . Он заключается в определении расхода
14
и скорости для различных степеней наполнения коллектора а=
h d
, как некоторой
части от расхода и скорости, соответствующей его полному наполнению: |
|
|
υ=B Wп |
i , |
(30) |
Q=A Kп |
i , |
(31) |
где В и А – коэффициенты, зависящие от формы поперечного профиля и степени наполнения канала а, принято представлять графиком, называемым «Рыбка»12 ; Wп , Kп - модули скорости и расхода при полном наполнении коллектора, для каналов различной формы сечения, приводятся в справочной литературе 5, 12 .
Расчет выполняется с учетом некоторых замечаний:
-в практике строительного производства обычно принимают степень наполнения, равную а=0,50 0,75, чтобы был некоторый запас для неожиданного увеличения подачи расхода, а также для вентиляции. Примем а=0,6;
-коэффициент шероховатости канализационных труб n принимается рав-
ным 0,012 0,014, обычно вне зависимости от материала, из которого выполнены стенки труб, т.к. такие трубы с течением времени покрываются осадками, что в значительной мере сглаживает различие шероховатости разных материалов . Пусть п=0,011;
-уклон коллектора можно принять в пределах i=0,001 0,005, как при конструировании водосборных каналов (лотков). Возьмем i=0,001;
-расход принимается равным подаче насоса Q=Qнас=54 м3/час=0,015 м3/с С графика «Рыбка» (приложение 4) определим значение А для заданной
степени наполнения а=0,6. А=0,68.
Из формулы (31) определим модуль расхода для полного наполнения Кп:
|
|
Kп = |
Q |
, |
(32) |
|
|
|
A |
|
|||
|
|
|
|
i |
|
|
Кп= |
0,015 |
|
=0,7м3/с. |
|
||
0,68 |
0,001 |
|
||||
|
|
|
|
Из таблицы приложения 5 подбираем ближайший стандартный диаметр d трубы коллектора, соответствующий вычисленному модулю расхода Kп=0,7 и выписываем соответствующие табличные данные Kпт , Wпт для заданной шероховатости п=0,011: d=250 мм; Kпт =0,7036 м3/с; Wпт =14,3 м/с. Поскольку модуль расхода для принятого диаметра не соответствует вычисленному, то это приведет к изменению заданного наполнения. Истинное наполнение найдем, решив формулу (32) относительно величины А, приняв в ней модуль расхода табличный
|
А = |
Q |
|
|
, |
|
(33) |
||
|
|
|
|
|
|
||||
|
К т |
|
|
||||||
|
|
||||||||
|
|
i |
|
||||||
|
|
п |
|
|
|
|
|
||
А = |
0,015 |
|
|
|
|
=0,67, |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
0,7036 0,001 |
|||||||||
|
|
тогда по графику «Рыбка» для вычисленного по (33) значения А определяется степень наполнения а=0,58. Этому наполнению соответствует величина В=1,07.
15
Глубина равномерного движения найдется из зависимости а=
h d
h=a d, |
(34) |
h=0,58·0,25=0,15 м. |
|
Скорость движения воды в коллекторе определяется по формуле (30), в |
|
которой Wп= Wпт |
|
υ=1,07·14,3 0,001 |
=0,48 м/с. |
16
Приложения
Приложение 1
Коэффициент фильтрации kф, м/сут
Грунты |
Коэффициент фильтрации kф, м/сут |
Гравий чистый |
200 100 |
Гравий с песком |
150 75 |
Песок крупный гравелистый |
100 50 |
Песок крупнозернистый |
75 25 |
Песок среднезернистый |
25 10 |
Песок мелкозернистый |
10 2 |
Песок мелкозернистый глинистый |
2 1 |
Супесь |
0,7 0,2 |
Суглинок |
0,4 0,005 |
Глины |
0,005 и меньше |
Приложение 2
Рекомендуемые внутренние диаметры стальных труб d, мм 5
d, мм |
d, мм |
d, мм |
d, мм |
50 |
150 |
400 |
900 |
60 |
175 |
450 |
1000 |
75 |
200 |
500 |
1100 |
80 |
250 |
600 |
1200 |
100 |
300 |
700 |
1300 |
125 |
350 |
800 |
1400 |
Приложение 3
Некоторые значения коэффициента местного сопротивления в квадратичной области сопротивления 14
Вид сопротивления |
|
Вход из резервуара в трубу |
0,5 |
Выход из трубы в резервуар |
1,0 |
Выход из трубы в атмосферу |
0 |
Вход в трубу с сеткой |
6 3,7 |
То же с сеткой и обратным клапаном |
10 |
Вентиль полностью открытый |
6 3 |
Задвижка полностью открытая |
0,15 |
Поворот трубы на 90 , резкий |
1,2 |
То же, плавный |
0,15 0,55 |
Обратный клапан |
1,3 2,9 |