12a, podstawy woiągów i kanalizacji

Podstawy wodociągów i kanalizacji

03.01.2008

Rodzaje i ilości dopływów do sieci (bilans ścieków) w porze bezdeszczowej. Można rozróżnić następujące rodzaje odpływów.

1.     Ścieki bytowo-gospodarcze – woda na cele higieniczne i gospodarcze w gospodarstwach domowych, zakładach pracy, zakładach usługowych i użyteczności publicznej, po użyciu prawie w całości przedostaje się do sieci kanalizacyjnej jako ścieki bytowo – gospodarcze. Natomiast tylko cześć wody wodociągowej pobieranej na cele ogólnokomunalne (polewanie ulic, zmywanie ulic, polewanie terenów zielonych itp.) oraz przeciwpożarowe spływa do kanałów ogólnospławnych i deszczowych. Przy ustalaniu ilości ścieków bytowo-gospodarczych należy opierać się na wytycznych do programowania zapotrzebowania wody i ilości ścieków w miejskich jednostkach osadniczych z czerwca ’78 (przed zastosowaniem sprawdzić aktualność). Również z tych wytycznych można przyjmować współczynniki nierównomierności dobowej i godzinowej. Z uwagi na retencyjne działanie sieci kanalizacyjnej dopuszcza się zmniejszenie współczynników nierównomierności godzinowej maksymalnie o 20%.

Wytyczne zalecają określać ilość odprowadzanych ścieków w stosunku do zapotrzebowania na wodę w % wg następujących zasad:

- z rejonów zabudowy mieszkaniowej, z urządzeń usługowych i administracji – 95%

- z zaplecza komunikacji zbiorowej – 100%

- z zakładów przemysłowych, składów i zaplecza budownictwa – 85%

- woda zużywana na podlewanie zieleni miejskiej, ogródków działkowych – 0%

- woda do zmywania ulic i placów – 25÷50% (uwzględniamy tylko w kanalizacji ogólnospławnej)

Na podstawie danych w poszczególnych tablicach można określić wskaźniki odpływu ścieków bytowo-gospodarczych w przeliczeniu na 1 ha obszaru skanalizowanego

[dm3/s ha]

gdzie: q' – odpływ jednostkowy [dm3/M s]

G – gęstość zaludnienia [M / ha]

2.     Ścieki przemysłowe obejmujące ścieki produkcyjne i ścieki bytowo-gospodarcze z zakładów produkcyjnych. Woda pobierana do celów technologiczno-produkcyjnych w zakładach przemysłowych spływa całkowicie bądź częściowo do kanalizacji jako ścieki produkcyjne. Dla poszczególnych zakładów przemysłowych należy ustalić ilość ścieków na podstawie analiz procesów technologicznych i celów dla których woda ma służyć. W niektórych zakładach przemysłowych stosowane są zamknięte obiegi wody a pobór wody służy tylko na pokrycie strat wynikających z procesu produkcyjnego oraz na cele bytowo-gospodarcze pracowników. Ogólna ilość ścieków odprowadzana przez zakład produkcyjny jest sumą ilości ścieków produkcyjnych i bytowo-gospodarczych. Wytyczne rozróżniają trzy grupy zakładów przemysłowych pod względem wodochłonności przemysłu. Każdy zakład należy zakwalifikować do jednej z poniższych grup (tabela 7, str.8/8):

- przemysł niewodochłonny – zużycie wody do 100m3/dobę ha (nie przekracza potrzeb dla terenów mieszkalnych)

- przemysł wodochłonny – zużycie 100÷500m3/dobę ha

- przemysł bardzo wodochłonny – zużycie ponad 500m3/dobę ha

3.     Wody drenażowe – ilość tych wód przyjmowana jest na podstawie danych dotyczących projektowanego odwodnienia (wód drenażowych nie wolno odprowadzać do kanalizacji sanitarnej, można do sieci ogólnospławnej lub deszczowej).

4.     Wody infiltracyjne i przypadkowe – wody te mają znaczenie tylko przy wymiarowaniu kanałów ściekowych kanalizacji systemu rozdzielczego.

Wody infiltracyjne – są to wody gruntowe, które infiltrują do kanału przez nieszczelne złącza oraz nieszczelne ścianki przewodów. Ilość tych wód zależy od poziomu wód gruntowych w stosunku do dna kanału (Ilość wód infiltracyjnych przy ciśnieniu 4m można przyjmować wg tablicy 1 str. 4).

Wody przypadkowe – są to wody przedostające się przez skrzynki włazowe, przewietrzniki, wody opadowe z połączeń rur deszczowych, z wpustów podwórzowych, wody drenażowe nie wykazane projektem. Ilość wód przypadkowych trudno określić, można je dla celów projektowych szacować z niezbyt dokładnym przybliżeniem.

Założenia do obliczenia kanałów w porze bezdeszczowej:

- odcinki kanałów między węzłami obliczać na przepływy określone bezpośrednio przed dolnymi węzłami

- kanały ściekowe wymiarować na łączne przepływy wszystkich rodzajów przewidywanych ścieków tj.

              a) ścieki bytowo-gospodarcze – wg maksymalnego odpływu godzinowego

b) ścieki produkcyjne – wg maksymalnego ustalonego odpływu godzinowego w okresie odpowiadającemu szczytowemu spływowi ścieków bytowo-gospodarczych

c) wody przypadkowe i infiltracyjne – zazwyczaj przyjmuje się 100% ilości ścieków bytowo-gospodarczych i przemysłowych

Przekroje kanałów przy tak obliczonych przepływach należy przyjmować jako całkowicie wypełnione.

Obliczenie przepływów – kanalizacja sanitarna.

Mając obliczone wielkości poszczególnych zlewni o różnym charakterze Fi [ha] ciążących do danego odcinka kanału i określone ilości ścieków qi [l / s ha] – dla tych powierzchni obliczamy odpływ do kanały przez sumowanie odpływu poszczególnych powierzchni cząstkowych.  Za podstawę do obliczenia maksymalnych przepływów sieci przyjmuje się podobnie jak przy sumowaniu zlewni – ustalony poprzednio układ sieci z tym, że układ zamknięty sieci zamienia się na układ obliczeniowy przez przyjęcie początków kanałów w węzłach rozgałęzieniowych.

Obliczenie kanalizacji deszczowej

1.     Metoda stałych naprężeń – natężenie deszczu q jest funkcją powierzchni i prawdopodobieństwa występowania deszczu p.

gdzie:

q – natężenie deszczu miarodajnego przyjmowane dla założonego czasu trwania deszczu t(min) i danego prawdopodobieństwa p (p przyjmuje się z wytycznych projektowania miejskich sieci kanalizacyjnych {tablica 2, str.5}

φ - współczynnik opóźnienia <1

F – powierzchnia rzeczywista

n – wykładnik pierwiastka przyjmowany w granicach 4÷8 w zależności od kształtu zlewni, spadku terenu; n=4 dla zlewni wąskich i niedużych spadkach, n=8 dla terenów o równomiernych zlewniach cząstkowych i dużych spadkach

y – współczynnik spływu; zależy od terenu (np. trawniki 0,05%) (tab. str. 5)

2.     Metoda granicznych naprężeń – natężenie deszczu q jest funkcją czasu t i prawdopodobieństwa występowania deszczu p.

a)     zlewnia odcinka 1-2 – dla przepływu w przekroju 2 obliczamy średnicę odcinka 1 do 2

b)     suma zlewni ciążących dla odcinka 1 do 2 i 2 do 3 jest podstawą do obliczenia przepływu ścieków w obliczeniowym przekroju 3 i dla określenia średnicy odcinka kanału 2 do 3 w przekroju obliczeniowym 3

vz1 – prędkość założona na odcinki 1-2

vz2 – prędkość założona na odcinku 2-3

vz1 i vz2 nie mogą się różnić od prędkości rzeczywistej na danym odcinku o ±0,1 m/s, w przeciwnym razie obliczenie na danym odcinku należy powtórzyć zakładając nową wartość vz1 na odcinku obliczeniowym 1-2, lub w przypadku obliczenia odcinka 2-3 prędkości vz2

A – zależy od wyrażonego w % prawdopodobieństwa p występowania deszczu o natężeniu q i czasie trwania deszczu t oraz od średniorocznej sumy opadów H (tablica 1 str.5)

t – obliczony czas deszczu miarodajnego [min]

tk – czas koncentracji kanałowej przyjmowany z tablicy 2 str.5

tp – czas przepływu przez dany odcinek kanału liczony od początku sieci [min]

Li – długość i-tego odcinka [m]

vi – prędkość założona na odcinku – prędkość ta nie powinna różnić się o więcej niż 0,1 m/s

Czas t przyjmowany w obliczeniach wynosi co najmniej t=10minut

Wybór kształtu przekroju i wymiaru kanału zależy od:

- hydraulicznych przepływów, ilości ścieków, wymaganych prędkości napełnień

- statycznych wartości w jakich przekroje mają pracować – zagłębienia, przykrycie kanałów, szerokości wykopów, zasypki

- konstrukcyjnych warunków – materiałów i elementów użytych do budowy

Norma rozróżnia 5 podstawowych przekrojów kanałów:

- kołowy (H)

- jajowy (J)

- kanały jajowe podwyższone (JP)

- kanał gruszkowy (GE)

- dzwonowe (DZ)

Jako najdogodniejszy przekrój kanału przyjmuje się gdy stosunek wysokości górnego sklepienia do szerokości wynosi 0,75. Szerokość kanału rozumie się największy wymiar kanału w rzucie poziomym (szerokość mierzona w pachach sklepienia), a wysokość – największy wymiar w rzucie pionowym.

Hydrauliczne obliczenie przekroju – polega na wyznaczeniu wymiarów kanału, określeniu napełnienia i prędkości przepływu. Obliczenia przeprowadza się na poszczególnych odcinkach sieci między węzłami na podstawie uprzednio określonego maksymalnego przepływu i przyjętego dna kanału.

Zakładamy, że:

1.     Kanał nie jest całkowicie wypełniony ściekami (przewietrzanie – wentylacja kanału i właściwa praca instalacji wewnętrznej).

2.     Natężenie przepływu, spadek dna, przekrój, wymiary i chropowatość ścian na danym odcinku kanału nie zmienia się. Założenie niezmienności natężenia jest praktycznie rzadkie do osiągnięcia zmienia się ono w ciągu doby w wyniku nierównomierności, zatem ruch ścieków odbywa się ze zmiennym natężeniem przepływu, tak w czasie jak i na długości wymiarowanego odcinka. W celu uproszczenia obliczeń zakłada się jednak, że natężenie przepływu na odcinku jest stałe i równe maksymalnemu przepływowi dla dolnego końca wymienionego odcinka. Założenie to prowadzi do zwiększenia wymiarów kanału. Założenie niezmienności natężenia przepływu, spadku, wymiarów oraz chropowatości są równoznaczne z przyjęciem, że w kanale będzie panował ruch jednostajny. Przy ruchu tym linia piezometryczna, linia energii, zwierciadło ścieków i dno kanału są do siebie równoległe (rys. 2). Linia piezometryczna i zwierciadło ścieków pokrywają się, spadki tych wszystkich linii są jednakowe i równają się spadkowi hydraulicznemu. Przyjmowana prędkość jest prędkością średnią przekroju . Prędkości rzeczywiste znacznie przekraczają prędkości krytyczne wyliczone ze wzoru Reynoldsa, stanowiące granicę ruchu laminarnego i burzliwego. Praktycznie w przewodach kanalizacyjnych panuje ruch burzliwy i do hydraulicznego obliczenia należy stosować wzory dla ruchu burzliwego. Przy ruchu burzliwym spadek ciśnienia, a więc i opory ruchu mniej lub więcej będą proporcjonalne do kwadratu prędkości.

Obliczenia przewodów.

Dla kanałów otwartych prędkość obliczamy ze wzoru:

Dla kanałów pod ciśnieniem:

Przepływ:

f – powierzchnia czynna przekroju

i – spadek zwierciadła ścieków równy spadkowi dna kanału przy przepływie cieczy o swobodnym zwierciadle lub spadek linii ciśnień przy pracy kanału pod ciśnieniem

R – promień hydrauliczny

N – współczynnik szorstkości

l – współczynnik tarcia w strefie oporów kwadratowych

Obliczenia przeprowadza się:

1.     przez bezpośrednie rachunkowe rozwiązanie równań

2.     przez korzystanie z zestawu tabel

3.     do wzorów Manninga (krzywe przekroju....?)

4.     przez korzystanie z nomogramów

5.     programy komputerowe

Spadki i prędkości w kanałach – średnice i napełnienia kanałów.

1.     Obliczeniowe napełnieni kanałów – przy przepływach obliczeniowych dopuszczalne jest całkowite napełnienie kanałów we wszystkich systemach kanalizacji

2.     Minimalne prędkości przepływu

- prędkość przepływu w kanałach ściekowych systemu rozdzielczego, przy całkowicie wypełnionym przekroju nie powinna być mniejsza niż 0,8m/s, przy mniejszych prędkościach przepływu należy przewidzieć możliwość płukania sieci.

- w kanałach deszczowych prędkość przepływu przy całkowitym wypełnieniu przekroju nie powinna być mniejsza niż 0,8m/s

- prędkość przepływu w kanałach ogólnospławnych przy całkowitym wypełnieniu przekroju nie powinna wynosić w zwykłych warunkach mniej jak 1m/s

3.     Największe prędkości przepływu w kanałach ściekowych mogą wynosić przy ciągłym przepływie

a)     dla rur betonowych i ceramicznych – 3m/s

b)     dla rur żelbetowych oraz żeliwnych – 5m/s

c)     w kanałach deszczowych i ogólnospławnych można dopuścić prędkość do 7m/s

4.     Najmniejsze średnice kanałów należy przyjmować:

a)     dla kanałów ściekowych – 200mm

b)     dla kanałów deszczowych - 250mm

c)     dla kanałów ogólnospławnych – 300mm, a przy spadkach większych jak 0,01 – 250mm

5.     Spadki kanałów – najmniejsze spadki kanałów powinny w zasadzie zabezpieczać dopuszczalne minimalne prędkości przepływu, spadki kanałów nie mogą być jednak mniejsze od następujących:

a)     w kanalizacji ściekowej przy średnicy przekrojów 200mm – 0,005

b)     w kanalizacji deszczowej i ogólnospławnej, przy średnicy przewodów 250mm – 0,004, a przy średnicy przewodów 300mm – 0,003

c)     w kolektorach i kanałach przełazowych – 0,001 (w wyjątkowych przypadkach 0,0005)

6. Największe dopuszczalne spadki wynikają z ograniczenia maksymalnych prędkości przepływu.