Гидравлика. Водоснабжение

ВВЕДЕНИЕ 

    Система водоснабжения представляет собой  комплекс сооружений, предназначенных  для снабжения определенной группы потребителей водой в необходимом  количестве, требуемом качестве и  под требуемым напором при  соблюдении надежности их работы. 

Рис. 1. Схема  системы водоснабжения:

1 – водоприемные  сооружения; 2 – насосная станция  I подъема; 3 – очистные сооружения; 4 – резервуар чистой воды; 5 – насосная станция II подъема; 6 – напорные водоводы; 7 – регулирующая емкость; 8 – распределительная сеть 

    Вода  забирается из источника при помощи водоприемного сооружения 1 и подается насосами станции первого подъема 2 на очистные сооружения 3. После очистки вода поступает в резервуар чистой воды 4, из которого забирается насосами станции второго подъема 5 и по напорным водоводам 6 подается в регулирующую емкость 7, после чего поступает в распределительную сеть 8.

    Распределительная сеть состоит из главной магистрали и ответвлений, включая тупиковые  и кольцевые элементы. Кольцевая  сеть получается из тупиковой замыканием концов тупиковой сети добавочными линиями. Кольцевание делается с целью обеспечения достаточно надежной и бесперебойной подачи воды потребителю. Кольцевые сети более надежны, чем тупиковые, т.к. в случае выхода из строя какого-либо участка сети, подача в определенные точки может быть обеспечена по другим участкам.

    Выбраны чугунные трубы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕЗЕРВУАРЕ 

    Монолитный  резервуар состоит из плоского безбалочного покрытия, поддерживаемого колоннами с капителями вверху и обратными капителями внизу, гладкой стены цилиндрической формы, плоского безреберного днища. В резервуарах малой вместимости, трещиностойкость стен может быть обеспечена без предварительного напряжения, при вместимости 250 м³ и более предварительное обжатие бетона необходимо. Безбалочное покрытие отличается малой конструктивной высотой, что обуславливает минимальное заглубление резервуара, имеет гладкую поверхность снизу, что обеспечивает хорошую вентиляцию пространства над уровнем содержащейся жидкости. Толщину стены назначают в пределах δ = 120…200 мм (кратной 20 мм). 

РАСЧЕТ  РЕЗЕРВУАРА ЧИСТОЙ ВОДЫ (РЧВ) 

    Резервуар чистой воды представляет собой железобетонную емкость цилиндрической формы объемом  V = 500 м³. Закрепление стены в днище жесткое. Толщина стенки δ = 0,12 м, диаметр D = 12 м, высота резервуара h = 4,8 м.

    Жидкость, содержащаяся в резервуаре, оказывает  на его стены гидростатическое давление, линейно возрастающее с увеличением глубины. Нормативное значение этого давления на глубине (h - x) от уровня жидкости px. Его расчетное значение:

    px = βf ph = βf · ph (1 – x/h),

    где βf = 1,1 – коэффициент надежности по нагрузке; ph = ρgh – гидростатическое давление внизу стены (ρ – плотность жидкости, для воды   ρ = 1000 кг/м³) 

      ph = ρgh = 1000 · 9,81 · 4,8 = 47088 Па 

    Таблица 1. Изменение гидростатического давления от глубины

    Гидростатическое давление вызывает в стене кольцевые растягивающие силы. Их значения определяют на основании равновесия полукольца с высотой пояса, равной единице (рис. 5):

                              Nxº = pxR,

где R – радиус кольца.                                                   

Таблица 2. Расчет кольцевых растягивающих сил

    При жестком закреплении стены в днище с учетом момента M и поперечной силы Q выражение для определения кольцевых сил Nх и изгибающих моментов Мх в стене на уровне, находящемся на расстоянии х от днища, имеет вид:

где Nxº - кольцевая сила, вычисленная для данного уровня стены; ph – гидростатическое давление внизу стены; φ = x/h – безразмерная координата; s – упругая характеристика стены.

     s = 0,76 √Rδ, где δ – толщина стены.

    R = 6 м, δ = 0,2 м, то s = 0,76 · 1,09 = 0,83 

    Таблица 3. Зависимость растягивающих сил и изгибающих моментов от изменения х

РАСЧЕТ  ВОРОНКИ, УСТАНАВЛИВАЕМОЙ  НА КОНЦЕ ПЕРЕЛИВНОЙ ТРУБЫ

Q = 2πmRв√2ghв³ , где Q – расход переливающейся воды, м³/с; Rв – радиус воронки, Rв = 0,2 м; hв – напор над краем воронки, hв = 0,1 м; m – коэффициент расхода, m = 0,5; g – ускорение силы тяжести, м²/с. 

Q = 2·3,14·0,5·0,2·√2·9,81·0,1³ = 0,28 м³/с. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ ТУПИКОВОЙ  СЕТИ

      Q1  

Q2 

        B D

      l2 l4 

        A                l3                 C         l5         F     l7       G

                       l1

                2                                     qуд                               l6                          Q3   

                                                                                       E 

                                                                                                        Q4 
 

    Q1 = 100 л/с l1 = 1100 м hсв = 24 м

    Q2 = 140 л/с l2 = 700 м qуд = 0,025 л/с·м

    Q3 = 170 л/с l3 = 800 м

    Q4 = 190 л/с l4 = 900 м

       l5 = 600 м 

      l6 = 580 м

      l7 = 1000 м 

    Магистральная линия рассматривается как трубопровод, состоящий из отдельных, последовательно  соединенных участков, с различным  расходом на каждом из них.

    За  магистральную линию выбираем направление 2 – A – C – F – G с конечным напором Hсв; трубы чугунные.

    Расчет  разветвленной сети начинаем с наиболее отдаленных точек сети и ведем  в направлении, обратном движению воды. 

     Участок F – G: qF-G = Q3 = 170 л/с = 0,17 м³/с  d = 450 мм  so = 0,1186 (приложения 2, 3)

    v = 4Q/πd² = 4·0,17/3,14·0,45 = 1,07м/с

    HF = hсв + so·qуд²·l7 = 24+3,43 = 27,43 м 

    Участок C – F: qC-F = Q3 + Q4 + 0,55·qуд l5 = 170 + 190 + 8,25 = 368,25 л/с = 0,368 м³/с → d = 0,6 м → so = 0,02596

    v = 1,3 м/с

    HC = HF + so qF-C² l5 = 27,43 + 2,11 = 29,54 м 

    Участок A – C: qA-C = Q3 + Q4 + Q2 + qуд l5 + qуд 0,55 l3 = 170 + 190 + 140 + 15 + 11 = 526 л/с = 0,526 м³/с → d = 700 мм → sо = 0,01154

    v = 1,38 м/с

    HA = HC + so qA-C² l3 = 29,54 + 2,58 = 32,09 м  

    Участок 2 – A: q2-A = Q3 + Q4 + Q2 + qуд l5 + qуд l3 + Q1 = 170 + 190 + 140 + 15 + 20 + 100 = 635 л/с = 0,635 м³/с → d = 0,8 м → so = 0,005669

    v = 1,26 м/с

    H2 = HA + so q2-A l1 = 32,09 + 2,52 = 34,61 м 

    Расчет  ветвей (ответвлений)

    Ветвь F – E: qF-E = Q4 = 190 л/с = 0,19 м³/с

    sо = (HF - Hсв)/(qF-E² · l6) = (27,43 - 24)/(0,04 · 580) = 0,164 → d = 400 мм 

    Ветвь C – D: qC-D = Q2 = 140 л/с = 0,14 м³/с

    so = (HC - Hсв)/(qC-D² l4) = 0,319 → d = 350 мм 

    Ветвь A – B: qA-B = Q1 = 100 л/с = 0,1 м³/с

    so = (HA - Hсв)/(qA-B² l2) = 1,18 → d = 250 мм 
 

    РАСЧЕТ  КОЛЬЦЕВОЙ СЕТИ 

    Рис. Начальное распределение расходов 

    Путевые расходы определяются по формуле:

    Qп = qуд l

    Таблица 4. Путевые расходы

    Узловые расходы определяются по формуле:

    Qузл = Σ(Qп)узл/2

    Таблица 5. Узловые расходы

    Qобщ = Q2-A + Q5 + ΣQузл = 635 + 200 + 350 = 1185 л/с 

    Зная  предварительное распределение  расходов воды по линиям, находим диаметры труб, используя приложение 2, и расход на каждую из двух труб в начале сети:

    vпр = (Q · 1,2769)/d² = 0,75/0,64 = 1,18 м/с 

    Таблица 6. Предельная скорость

    Рис. Конечное распределение расходов 
 

    ПЬЕЗОМЕТРИЧЕСКИЙ  ГРАФИК 

    Перед построением пьезометрического  графика, находим «диктующую» точку  сети.

    «Диктующей» точкой является любая точка сети с наибольшей геодезической отметкой и свободным напором или наиболее отдаленная от узла, в который подается вода по водоводам. В нашем случае, за «диктующую» точку принимается точка G, т. к. она наиболее отдалена от узла, в который подается вода по водоводам.

    Отметка насосной станции 32,18 м над уровнем  моря. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    РАСЧЕТ  НАПОРНЫХ ВОДОВОДОВ 

    Расчет  напорных водоводов включает в себя определение потерь напора на водоводах  и расходов на каждом из водоводов для двух случаев: а) нормального эксплуатационного режима работы водоводов; б) аварии на одном из водоводов. 

    а) Нормальный эксплуатационный режим работы водоводов. 

    Длина водоводов lв=7000 м.

    Количество  переключений на водоводах 4.

    Основной  для расчета простых трубопроводов является формула для определения потребного напора, м:

    Hпотр=Hст + Σh = Hст + sQ²,

    где Hст - статический напор, учитывающий геометрическую высоту, на которую поднимается жидкость в процессе движения по трубопроводу, и пьезометрическую высоту (свободный напор) в конце трубопровода, м; Σh – суммарные потери напора в трубе; s – сопротивление трубы; Q – расход в трубе, м³/с. 

    Hст = 67 м; Qобщ = 1185 л/с; Q = Qобщ/2 = 1185/2 = 592,5 л/с; d = 800 мм = 0,8 м → sо = 0,005669; v = 4Q/πd² = (4·0,593)/(3,14·0,64) = 1,18 м/с; s = sо·l = 0,005669·7000 = 39,683

    Таблица 8. Нормальный режим работы водоводов