Дослідження роботи каналізаційних колекторів із керамічних і бетонних труб за різними методиками у м. Конотоп Сумської обл.

Abstract

У магістерській кваліфікаційній роботі досліджено роботу каналізаційних колекторів із керамічних і бетонних труб за різними методиками у м. Конотоп Сумської області. Проектування мереж водовідведення передбачає одночасне вирішення двох завдань – оптимальне проектування каналізаційних мереж та мінімізація витрат на їх влаштування [1]. Мережі водовідведення повинні гарантувати, що транспортовані зі стічними водами частинки не осаджуватимуться на дні труб, а отже, не змінюватимуть поперечний переріз труб та не спричинюватимуть коливання значень швидкості руху стічних вод. Інженери-проектанти для розрахунку каналізаційних мереж використовують різноманітні таблиці, номограми та сучасні комп'ютерні програми. В даній роботі порівнюється гідравлічний розрахунок каналізаційних мереж м. Конотоп Сумської області із керамічних [2] і бетонних [3] труб за таблицями [4] та [5]. Таблиці [4] складені за формулою акад. М.М. Павловського. У таблицях для самопливних колекторів із кераміки та бетону прийнято коефіцієнт шорсткості n=0,014. Гідравлічний розрахунок каналізаційних мереж за таблицями [4] проводять за умови рівномірного руху рідини в трубах. У таблицях [4] наведено значення q, л/с, для різних значень наповнення труб круглого перерізу діаметром від 50 до 2500 мм та похилів, що найчастіше зустрічаються на практиці.

Таблиці [4] складені лише для квадратичної області опору та не враховують зміни в'язкості стічних вод залежно від кількості завислих речовин. Слід зазначити, що таблиці [4] базуються на положенні, що достатньою геометричною характеристикою поперечного перерізу труб є гідравлічний радіус. Автори [5] стверджують, що це призводить до підвищення пропускної здатності труб, особливо за їх значного наповнення. Безнапірний рух зазвичай є нерівномірним, оскільки в мережах водовідведення є місцеві опори (оглядові колодязі, перепади, повороти, приєднання, зміни діаметра тощо), які зумовлюють нерівномірність течії. Автори [5] зазначають, що для спрощення гідравлічного розрахунку безнапірних систем водовідведення вчені-попередники виходять з припущення усталеного рівномірного руху стічних вод на окремих ділянках мережі. Проте, таке припущення призводить до підвищення пропускної здатності труби. Використання методики визначення пропускної здатності водовідвідних трубопроводів [4], що працюють неповним поперечним перерізом, призводить до завищення результату в середньому на 12%. У наслідок цього ділянки відвідних мереж працюють з більшими наповненнями, ніж це допускається нормативними документами, збільшується кількість їх засмічень, підвищується аварійність трубопроводів, зростають експлуатаційні витрати. З врахуванням наведених вище недоліків складено таблиці для гідравлічного розрахунку каналізаційних безнапірних трубопроводів [5]. Таблиці складені для розрахунку водовідвідних трубопроводів, виконаних із чавунних, азбестоцементних, керамічних, бетонних, залізобетонних, пластмасових труб круглого поперечного перерізу при русі по них стічних вод з температурою 13°С і середнім вмістом завислих речовин 500 мг/дм3 .

У таблицях [5] гідравлічний коефіцієнт опору тертю визначений з врахуванням впливу форми поперечного перерізу потоку, що враховували під час обчислення приведеного гідравлічного радіуса. У магістерській кваліфікаційній роботі на підставі гідравлічного розрахунку за таблицями [4] і [5] порівняно конструктивні (діаметри, похили та середні глибини закладання туб) та кінематичний (середня швидкість руху стічних вод) параметри роботи мережі водовідведення із керамічних і бетонних труб у м. Конотоп Сумської області Похил прокладання розрахункових ділянок по довжині головного колектора змінювався: для керамічних труб – від 0,003 до 0,009; для бетонних труб – від 0,003 до 0,015. Найменші значення похилу прокладання керамічних труб (0,003 та 0,035) прийнято на ділянках колектора довжиною від 1290 м до 2766 м. Найбільше значення похилу прокладання (0,009) прийнято на ділянках колектора довжиною від 8796 м до 9106 м. Найменше значення похилу прокладання бетонних труб (0,003) прийнято на ділянках колектора довжиною від 1290 м до 4201 м. Найбільше значення похилу прокладання (0,015) прийнято на ділянці колектора довжиною до 505 м. Однаковий похил прокладання керамічних і бетонних труб спостерігається на ділянці колектора довжиною від 505 м до 1290 м. Найбільша різниця похилу прокладання керамічних і бетонних труб (88%) спостерігається на ділянці колектора довжиною до 505 м. Діаметри керамічних і бетонних труб, підібрані за методиками [4] і [5], по всій протяжності головного колектора були однаковими та дорівнювали 200 мм, 400 мм, 500 мм і 600 мм. Лише на одній ділянці, довжиною 3456 м від початку колектора, діаметр бетонних труб збільшувався з 500 мм до 600 мм порівняно з керамічними трубами.

Швидкість руху стічних вод по довжині головного колектора збільшувалася: для керамічних труб – від 0,70 м/с до 2,18 м/с; для бетонних труб – від 0,64 м/с до 2,14 м/с. Найменша різниця швидкості руху стічних вод у керамічних і бетонних трубах (1%) спостерігається на ділянці колектора довжиною від 5446 м до 5916 м, а також на ділянці довжиною від 7521 м до 8186 м. Найбільша різниця швидкості руху стічних вод у керамічних і бетонних трубах (40%) спостерігається на ділянці колектора довжиною від 2766 м до 4201 м. Середня глибина закладання головного колектора із керамічних труб, обчислена за допомогою [4], збільшувалася від 2,77 м до 16,08 м. Середня глибина закладання головного колектора із бетонних труб, обчислена за допомогою [5], збільшувалася від 4,54 м до 21,09 м. Значення різниці середньої глибини закладання труб по всій довжині головного колектора змінювалося від 8% до 52%. Найбільші значення різниці середньої глибини закладання труб (49-52%) спостерігалися на ділянках трубопроводів діаметром 400 м та 500 мм. Найменші значення різниці середньої глибини закладання труб (0-8%) спостерігалися на ділянках трубопроводів діаметром 600 мм. Техніко-економічними розрахунками встановлено річні приведені затрати на влаштування головного колектора: із керамічних труб – 9794,98 тис. грн.; із бетонних труб – 6774,6 тис. грн. Це свідчить про економічну доцільність прокладання головного каналізаційного колектора із безнапірних бетонних труб.бетонні, гідравлічний розрахунок.

The master's qualification work investigated the operation of sewer collectors made of ceramic and concrete pipes using different methods in the city of Konotop, Sumy region. The design of drainage networks involves the simultaneous solution of two tasks - optimal design of sewer networks and minimizing the costs of their installation [1]. Drainage networks must ensure that particles transported with wastewater do not settle on the bottom of the pipes, and therefore do not change the cross-section

of the pipes and do not cause fluctuations in the values of the speed of movement of wastewater. Design engineers use various tables, nomograms and modern computer programs to calculate sewer networks. This work compares the hydraulic calculation of sewer networks in the city of Konotop, Sumy region made of ceramic [2] and concrete [3] pipes using tables [4] and [5]. Tables [4] are compiled according to the formula of Acad. M.M. Pavlovsky. In the tables for gravity collectors made of ceramics and concrete, the roughness coefficient n=0.014 is adopted. Hydraulic calculation of sewer networks according to tables [4] is carried out under the condition of uniform fluid movement in the pipes. Tables [4] give the values of q, l/s, for different filling values of round pipes with a diameter of 50 to 2500 mm and slopes that are most often encountered in practice. Tables [4] are compiled only for the quadratic resistance region and do not take into account changes in the viscosity of wastewater depending on the amount of suspended solids. It should be noted that tables [4] are based on the position that a sufficient geometric characteristic of the cross-section of pipes is the hydraulic radius. The authors [5] argue that this leads to an increase in the throughput of pipes, especially when they are significantly filled. Pressureless movement is usually uneven, since there are local supports in drainage networks (inspection wells, drops, turns, connections, diameter changes, etc.), which cause uneven flow. The authors [5] note that to simplify the hydraulic calculation of pressureless drainage systems, predecessor scientists assume a stable uniform movement of wastewater in individual sections of the network. However, such an assumption leads to an increase in the pipe capacity. The use of the method for determining the capacity of drainage pipelines [4], which operate with an incomplete cross-section, leads to an overestimation of the

result by an average of 12%. As a result, sections of drainage networks operate with higher fillings than allowed by regulatory documents, the number of their blockages increases, the failure rate of pipelines increases, and operating costs increase. Taking into account the above shortcomings, tables have been compiled for the hydraulic calculation of non-pressure sewer pipelines [5]. The tables have been compiled for the calculation of drainage pipelines made of cast iron, asbestos- cement, ceramic, concrete, reinforced concrete, and plastic pipes of circular cross- section when wastewater with a temperature of 13°C and an average suspended solids content of 500 mg/dm3 moves through them. In tables [5], the hydraulic coefficient of friction resistance is determined taking into account the influence of the shape of the flow cross-section, which was taken into account when calculating the reduced hydraulic radius. In the master's qualification work, based on the hydraulic calculation according to tables [4] and [5], the structural (diameters, slopes and average depths of laying tubes) and kinematic (average speed of wastewater movement) parameters of the drainage network from ceramic and concrete pipes in the city of Konotop, Sumy region were compared. The slope of the laying of the calculated sections along the length of the main collector varied: for ceramic pipes - from 0.003 to 0.009; for concrete pipes - from 0.003 to 0.015. The smallest values of the slope of laying ceramic pipes (0.003 and 0.035) were adopted on sections of the collector with a length of 1290 m to 2766 m. The largest value of the slope of laying (0.009) was adopted on sections of the collector with a length of 8796 m to 9106 m. The smallest value of the slope of laying concrete pipes (0.003) was adopted on collector sections with a length of 1290 m to 4201 m. The largest value of the slope of laying (0.015) was adopted on collector sections with a length of up to 505 m.

The same slope of laying ceramic and concrete pipes is observed on collector sections with a length of 505 m to 1290 m. The largest difference in the slope of laying ceramic and concrete pipes (88%) is observed on collector sections with a length of up to 505 m. The diameters of ceramic and concrete pipes, selected according to the methods [4] and [5], were the same along the entire length of the main collector and were equal to 200 mm, 400 mm, 500 mm and 600 mm. Only in one section, 3456 m long from the beginning of the collector, the diameter of concrete pipes increased from 500 mm to 600 mm compared to ceramic pipes. The speed of wastewater movement along the length of the main collector increased: for ceramic pipes - from 0.70 m/s to 2.18 m/s; for concrete pipes – from 0.64 m/s to 2.14 m/s. The smallest difference in the speed of movement of wastewater in ceramic and concrete pipes (1%) is observed on the collector section from 5446 m to 5916 m long, as well as on the section from 7521 m to 8186 m long. The largest difference in the speed of movement of wastewater in ceramic and concrete pipes (40%) is observed on the collector section from 2766 m to 4201 m long. The average depth of laying of the main collector from ceramic pipes, calculated using [4], increased from 2.77 m to 16.08 m. The average depth of laying of the main collector from concrete pipes, calculated using [5], increased from 4.54 m to 21.09 m. The difference in the average depth of pipe laying along the entire length of the main collector varied from 8% to 52%. The largest values of the difference in the average depth of pipe laying (49-52%) were observed on sections of pipelines with a diameter of 400 m and 500 mm. The smallest values of the difference in the average depth of pipe laying (0-8%) were observed on sections of pipelines with a diameter of 600 mm.

Feasibility studies have established the annual reduced costs for installing the main collector: from ceramic pipes – 9794.98 thousand UAH; from concrete pipes – 6774.6 thousand UAH. This indicates the economic feasibility of laying the main sewer collector from non-pressure concrete pipes.