Основи гідравліки

Основний закон ламінарної фільтрації виражається формулами Дарсі:

(7.1)

і

.

(7.2)

В цих формулах υ – середня швидкість фільтрації; Q – витрата фільтраційного потоку; ω – повна площа перерізу фільтраційного потоку, яка є сумою площі пор ω_п і площі перерізу частинок грунту ω_гр ; J – гідравлічний нахил, що являє собою втрату напору по довжині і на одиницю довжини фільтраційного потоку: ; k – коефіцієнт фільтрації.

Коефіціент фільтрації (см/с чи м/с) залежить в основному від розміру і форми зернин грунту, наявності в ньому глинястих частинок і температури рідини. Значення коефіціентів фільтрації деяких грунтів наведені в табл. 7.1

Таблиця 7.1

Коефіцієнти фільтрації ґрунтів

Границі застосування формул Дарсі визначають по критерію переходу від ламінарної фільтрації до турбулентної.

Н.Н.Павловський запропонував критерій існування ламінарної фільтрації у вигляді:

(7.3)

де ν – кінематична в’язкість рідини; d – середній діаметр зернин ґрунту, ν – середня швидкість фільтрації; m – коефіцієнт пористості ґрунту, рівний відношенню площі пор до повної площі перерізу фільтраційного потоку: .

Значення коефіцієнта пористості для деяких ґрунтів наведені в таблиці 7.2.

Таблиця 7.2.

Коефіцієнти пористості ґрунтів

Якщо (7.3) не виконується, то має місце турбулентна фільтрація, для якої середню швидкість визначають залежністю

,

(7.4)

де показник степеня n знаходиться в межах .

7.4.2 Приплив води до дренажних колодязів

При проектуванні водоприймачів підземних вод однією з основних задач є розрахунок продуктивності водозабору. Цей розрахунок виконують на основі закону фільтрації, з урахуванням гідравлічних умов стану підземного потоку, а також розташування водоприймальної частини колодязя в пласті, що обраний до експлуатації.

Приплив води до досконалого дренажного колодязя. Для досконалого колодязя, тобто такого, що досягає водонепрохідного шару (рис.7.10), і при рівномірному відкачуванні води з нього (Q=const), глибина води в колодязі знизиться від H_o до h_o , тобто на величину Z. Рівень вільної поверхні води в грунті (водоносному пласті) навколо колодязя буде плавно зменшуватися від природного рівня ґрунтових вод (РГВ) до відмітки в колодязі і утворювати депресивну поверхню. В плоскому перерізі рівень ґрунтових вод на ділянці водозниження буде характеризуватися кривою депресії.

Приплив води (дебіт) до такого колодязя при уклоні водонепрохідного шару J=0 визначають за формулою Дюпюї:

(7.5)

де H₀ – глибина (потужність) водоносного пласту; h₀ – глибина води в колодязі; k – коефіцієнт фільтрації ґрунту; r₀ – радіус колодязя; R₀ – радіус впливу колодязя (радіус депресійної воронки).

Для попередніх розрахунків радіуса впливу значення R₀ (м) – можуть бути прийняти такими:

дрібнозернисті ґрунти – R₀ =100...200 ;

cередньозернисті ґрунти - R₀ =250..600;

крупнозернисті ґрунти – R₀ =700...1000.

На практиці для визначення радіуса впливу колодязя часто користуються емпіричною формулою Зихарда:

,

(7.6)

в якій Z=H₀ -h₀ .

Рис. 7.10. Круглий досконалий колодязь:

1- природний рівень ґрунтових вод; 2 – крива депресії; 3 – водоносний шар; 4 – водотривкий шар

Приплив води до досконалого артезіанського колодязя. Артезіанський колодязь забирає воду з водоносного шару, обмеженого зверху і знизу водонепроникними грунтами (рис.7.11). Вода в такому шарі знаходиться під тиском і зветься артезіанською водою. В цьому випадку статичний напір H₀ і напір у будь-якому перерізі h відрізняється від потужності а, водоносного шару.

Дебіт (витрата) артезіанського колодязя визначається за формулою:

(7.7)

Рис.7.11. Приплив води до круглого колодязя

Дебіт недосконалих колодязів. Для недосконалих колодязів при усталеному русі підземних вод їх продуктивність визначають за формулами

напірні водоносні пласти:

(7.8)

безнапірні водоносні пласти:

(7.9)

Фільтраційний опір ξ в цих формулах визначають за допомогою графіків (рис.7.12) в залежності від співвідношення l/a і а/r₀ , тобто від довжини водоприймальної частини колодязя l і потужності водоносного пласта а, а також потужності і радіуса колодязя r_0.

Рис.7.12. Графіки додаткового опору ξ, обумовленого недосконалістю свердловини за ступенем розкиття пласта:

а – при примиканні фільтра колодязя до водоупору; б – при розташуванні фільтра колодязя в середній частині шару

7.5 Водоочисні споруди

Якість природних джерел води, особливо поверхневих, в більшості випадків не відповідає вимогам санітарних норм до питної води. Тому використовувати її без попереднього очищення не можна. Очищення води полягає в її прояснені (освітленні), знебарвлюванні, знезаражуванні і дезодорації (усуненні запахів і присмаків).

Воду можна очищати як з використанням хімічних реагентів, так і без них. Але за нашого часу більшість водоочисних станцій працюють за схемою з хімічною обробкою води.

На рис. 7.13 зображена широко розповсюджена технологічна схема для глибокого прояснення води з самопливним рухом води, яку використовують при будь-якій продуктивності водоочисної станції і будь-якої якості води.

Рис. 7.13. Схема водоочисної станції з камерою пластівцеутворення, відстійниками і фільтрами

Природна вода подається насосною станцією першого підйому 1 до змішувача 3. Хімічні речовини, так звані (реагенти або коагулянти), для хімічної обробки води, заготовлюються в реагентному цеху 2 і також надходять до змішувача 3, де змішуються з усією масою води, що підлягає обробці. Зі змішувача вода потрапляє в камеру пластівцеутворення 4. Тут відбувається фізико – хімічний процес агломерації (об’єднання) колоїдних і змулених частинок у порівняно великі пластівці, що швидко осідають. Далі вода надходить до відстійників 5, в яких осідає основна маса пластівців. Після відстійників вода проходить через фільтри 6, де затримуються всі частинки, що не встигли осісти у відстійниках.

Прояснена і знебарвлена вода, якщо вона використовується як питна підлягає потім знезаражуванню і збирається в резервуарах чистої води 7. З резервуарів за допомогою насосної станції другого підйому 8 вода подається в мережу.

7.6 Водопровідна мережа

Водопровідна мережа – один з основних елементів системи водопостачання. Вона являє собою сукупність водопровідних ліній (трубопроводів) для подачі води до місць споживання. Водопровідна мережа складається з водоводів, магістральної мережі і розподільних трубопроводів.

Водоводи прокладають для транспортування від джерела водопостачання до очисних споруд і від резервуарів чистої води до магістральної мережі. Згідно з санітарними нормами і правилами (СНіП), водоводи повинні мати не менше, ніж дві паралельні лінії трубопроводів з відстанню між ними 10…100м і пропускною спроможністю не менше 70% розрахункової витрати системи водопостачання.

Мережа міського, або іншого населеного пункту, призначена для розподілення води по його території, забезпечення можливості відбирання в заданих точках потрібної кількості води і створення необхідних вільних напорів. Крім того, мережа повинна мати певну надійність, тобто підтримувати заданий рівень забезпечення водою споживачів при будь-яких можливих аваріях її ліній.

За характером своєї роботи водопровідні лінії можуть бути поділені на дві категорії: 1) магістральні, які служать, в основному, для транспортування води; 2) розподільні, призначені для роздавання води споживачам.

За конфігурацією відповідні мережі бувають розгалуженими (рис. 7.14а) і кільцевими (рис. 7.14б).

Тупикові мережі не забезпечують безперебійності водопостачання, тому їх можна застосовувати в тих випадках, коли за СНіП допустимі перерви в подачі води або коли є запаси води для постачання об’єкта на час відновлення трубопровіда після аварії.

Для міських, селищних і виробничих водопроводів, як правило, улаштовують кільцеві мережі. При кільцевих мережах завдяки наявності паралельних ліній аварія на будь-якій ділянці не призводить до припинення подачі води споживачам, крім тих, хто постачається безпосередньо від пошкодженої ділянки.

Водопровідна мережа проектується на основі архітектурного панування населеного пункту з урахуванням розташування вулиць, кварталів, окремих великих споживачів води – заводів, фабрик, ферм та інших підприємств, до яких потрібно підводити магістралі. При цьому беруться до уваги взаємне розташування джерела і об’єкта водопостачання, рельєф місцевості, ґрунтові умови, наявність штучних і природних перешкод.

Рис. 7.14. Конфігурація мережі:

а – тупикова; б - кільцева

Взаємна ув’язка перелічених вимог і факторів на стадії проектування називається трасуванням мережі.

Вибір загальної схеми водопостачання як населеного пункту, так і промислових і сільськогосподарських підприємств і споруд є однією з найбільш складних і відповідальних задач, від розв’язання якої залежить і безперебійна подача необхідної кількості води всім споживачам, і вартість будівництва, і експлуатація системи.

Найбільш поширеними в практиці є так звані однозонні схеми водопостачання, які використовують для забезпечення водою споживачів (міст, селищ, промислових і сільськогосподарських підприємств), розташованих на порівняно невеликих територіях зі спокійним рельєфом. Одно зона система може бути без башти, з баштою на початку мережі і з контррезервуаром.

Схему водопостачання без башти застосовують для постачання води об’єктів, що рівномірно витрачають воду протягом доби і необхідність в улаштуванні регулюючих ємкостей відпадає.

Схема з баштою на початку мережі застосовується в тих випадках, коли водоспоживання в межах доби нерівномірна, а водоводи подають воду по мережі в найбільш високу точку місцевості. Башта як би розділяє систему на дві частини. Висота підйому води, а отже, і подача насосів ІІ-го підйому визначаються висотою башти. Мережа живиться від башти, яка є для неї водоживильником.

Якщо найбільш висока точка місцевості знаходиться на протилежній стороні від місця подачі води в мережу водоводами, застосовують схему водопостачання з контррезервуаром. Характерним для такої схеми є те, що в години максимального водоспоживання мережа отримує воду з двох сторін – від водоводу і від контррезервуара, а в години мінімального водоспоживання надлишок води, яку подає насосна станція, транзитом проходить по мережі від водоводу до контррезервуара і поповнює його.

7.7 Режим водоспоживання і визначення розрахункових об’єкмів водоспоживання

Розміри і потужності окремих елементів інженерних систем водопостачання визначають на підставі заданого або передбаченого в процесі їх експлуатації навантаження. Під навантаженням розуміють розрахункові кількості води, які ці елементи повинні подавати чи транспортувати в одиницю часу, акумулювати або зберігати. Основою для визначення навантажень служать кількість споживаної води, режим її споживання, а також потрібні і допустимі значення тисків у водопровідній мережі.

Розрізняють такі основні категорії споживання води:

1. на господарсько – питні потреби населення;

2. на виробничі потреби промислових підприємств і сільськогосподарських об’єктів;

3. на поливку і мийку територій населених пунктів, поливку зелених насаджень;

4. на гасіння пожеж.

Загальна кількість води, яка повинна бути подана споживачам визначається за нормами, встановленими СНіП для кожної категорії.

Режим водоспоживання не залишається сталим, а змінюється протягом року під впливом природних, соціально – економічних, господарських і технічних факторів. Протягом доби також змінюється погодинна витрата води, що викликано зміною дня і ночі, розпорядком роботи підприємств та іншими випадковими причинами.

Для того, щоб система водопостачання працювала надійно, її розраховують по максимальній добовій витраті Q_{доб. max.}

Відхилення максимальної добової витрати від середньодобової характеризується коефіцієнтом добової нерівномірності K_доб.max, який дорівнює відношенню максимальної добової витрати до середньодобової.

Іноді при розрахунках систем водопостачання потрібно знати мінімальну добову витрату Q_доб.min. В цьому випадку вводять коефіцієнт нерівномірності К_доб.min. , який оцінює відхилення Q_доб.min. від середньодобової витрати.

Таким чином, розрахункові добові витрати визначають за формулами:

Коефіцієнти нерівномірності, які враховують побут населення, режим роботи підприємств, ступінь благоустрою будівель, приймаються рівними: К_доб.max =1,1...1,3; К_доб.min =0,7...0,9.

Велике значення для визначення розрахункових витрат води має урахування можливих максимальних годинних витрат Q_год.max. Максимальна годинна витрата за добу найбільшого водоспоживання визначає найбільше можливе навантаження мережі за розрахунковий рік. При мінімальній годинній витраті протягом доби в мережі будуть виникати найбільші напори. Нарешті, середня година витрата може використовуватися для оцінки витрат енергії на подачу води. Ці годинні витрати визначають із формул:

(7.11)

Коефіцієнти годинної нерівномірності К_год.max = Q_год.max / Q_год.ср і К_год.min = Q_год.min / Q_год.ср визначають з залежностей, рекомендованих СНіП :

(7.12)

в яких α – коефіцієнт, що ураховує ступінь благоустрою будівель, режим роботи підприємств та інші місцеві умови, приймається: α_max =1,2... 1,4 і α_min = 0,4...0,6; β – коефіцієнт, що ураховує кількість мешканців населеного пункту, має такі значення:

Більшість споживачів отримує воду на деякій висоті над поверхнею землі. Це вимагає створення в мережі в місці приєднання вводу напору, достатнього для підйому води на задану висоту, який називають вільним напором Н_в :

де H_г –геометрична висота підйому води від поверхні землі до самої високої водорозбірної точки, м; h_w – втрати напору у внутрішній мережі, водомірному вузлі і вводі, м; H_зал. – залишковий напір у диктуючого приладу, м.

Вільний напір при одноповерховій забудові приймають рівним 10м., при більшій етажності додають по 4м. на кожний поверх. На промислових підприємствах вільний напір визначається технологічним процесом.

Максимально допустимий напір водопровідної мережі, обумовлений міцністю труб і водопровідної арматури, не повинен перевищувати 60 м.

Точка мережі, в якій вільний напір в годину максимального водоспоживання буде найменшим, називається диктуючою. Якщо в цій точці буде створено необхідний вільний напір, то у всіх інших точках мережі він буде більшим.

7.8 Основи розрахунку водопровідної мережі і її елементів

Гідравлічний розрахунок водопровідних мереж виконують з метою визначення втрат напору в них і діаметрів труб окремих ділянок мережі. Втрати напору необхідно знати для визначення висоти водонапірної башти і потрібного напору насосних станцій. Водопровідна мережа повинна бути розрахована на випадки найбільшого водоспоживання і моменту пожежі, яка співпадає за часом з годиною максимального водоспоживання.

При визначенні діаметрів труб ділянок мережі потрібно знати розрахункові витрати води для цих ділянок, тобто кількість води, яка буде проходити через них в розрахункові періоди роботи системи.

Гідравлічний розрахунок мережі на практиці виконують за спрощеною умовною схемою, при якій водовідбір великих водоспоживачів (промислові і сільськогосподарські підприємства, подача води в ємності, пожежні відбори та ін.) ураховують у вигляді зосереджених відборів у відповідних точках мережі (так звані вузлові точки). Тоді сумарний відбір іншими споживачами на одиницю довжини мережі визначається з такого виразу:

(7.14)

де Q – повна витрата води споживачами в даний розрахунковий момент; ΣQ_зос. – сума відборів води великими споживачами; Σl_к – довжина всіх ліній водопровідної мережі; ΣQ_шл. – сумарна шляхова витрата води.

Загальний відбір води з кожної ділянки мережі (шляхова витрата)

.

(7.15)

де l_k – довжина к-ї ділянки мережі.

Для перевірки правильності визначення шляхових і зосереджених витрат по всій мережі може бути використано співвідношення:

(7.16)

Розрахункову вузлову витрату будь-якої вузлової точки визначають як суму фактичної зосередженої витрати, що відбирається безпосередньо у вузлі, і півсуми шляхових витрат всіх ділянок, які примикають до даної вузлової точки:

,

(7.17)

де n – кількість розрахункових ділянок, що примикають до к-го вузла.

Діаметри труб окремих ділянок мережі визначають за формулою:

.

(7.18)

В якій Q_к – розрахункова витрата води через к-ту ділянку; υ_к - швидкість руху води в трубопроводі к-ї ділянки.

Швидкість руху води безпосередньо впливає на такі показники як вартість електроенергії, труб, роботи по їх укладанню та ін.

Орієнтовно найбільш економічними швидкостями є швидкості в межах 0,5...2,0м/с. Причому менші значення швидкостей приймають для труб малого діаметра, а більші – для труб великого діаметру.

Мінімальний діаметр труб водопроводу, який об’єднаний з протипожежним, в населених пунктах і промислових підприємствах повинен бути не менше 100мм., а в сільських населених пунктах – не менше 75мм.

Визначення втрат напору в мережі. Оскільки, як правило, протяжність водопровідної мережі будь-якого об’єкта водопостачання досить значна, основними при розрахунку мережі уважають втрати напору на гідравлічне тертя в трубах по довжині. Як відомо, ці втрати можуть бути визначені за формулою Дарсі-Вейсбаха:

.

Але для розрахунків водопровідних систем зручніше користуватися модифікацією цієї формули, в якій швидкість замінено на витрату:

(7.19)

де К – коефіцієнт, що зв’язаний з коефіцієнтом гідравлічного тертя λ співвідношенням:

,

(7.20)

Q-витрата води; n i m – показники степеня.

В інженерній практиці прийнято визначати втрати напору на одиницю довжини безрозмірною величиною – гідравлічним уклоном . Тоді повні втрати напору для лінії будь-якої довжини:

.

(7.21)

Величину гідравлічного уклону і розраховують за таким формулами:

а) залізобетонні а також ненові стальні і чавунні труби при швидкості руху води υ>1,2м/с.

(7.22)

при швидкості руху води


29-04-2015, 00:58