Определение диаметров и потерь напора на сборных водоводах

	Расчетный	Диаметр	Скорость			Длина	Потери
Участок	расход,	участка d,	на участке	А, с2/л2	К	участка,	напора h,
	л/с	мм	v, м/с			м	м
1-2
2-3
3-4
....

Sh

Рис. 11 Схема оборудования водозаборной скважины для определения глубины погружения насоса

1 – оголовок; 2 – защитная обсадная колонна; 3 – эксплуатационная обсадная колонна; 4 – насос; 5 – всасывающие отверстия; 6 – погружной электродвигатель; 7 – надфильтровая труба; 8 – рабочая поверхность фильтра; 9 – сальник; 10 – водоподъемная труба; 11 – манометр; 12 – напорный трубопровод.

Потери напора возникают в фильтре скважины и в щели между погруженным электродвигателем и эксплуатационной обсадной колонной.

Потери напора в фильтре определяется по формуле:

, м,

где Q_сут – расход воды из скважины, м³/сут

Потери напора в щели между погруженным электродвигателем и обсадной колонной, определяют по формуле:

, м,

где l_э– длина электродвигателя, м, принимается из параметров погружного насоса;

D_с– внутренний диаметр обсадной колонны, м, принимается из маркировки насоса;

D_э– диаметр электродвигателя, м, (принимается из параметров подобранного насоса);

Q_с– расход воды, забираемой из скважины, л/с.

Минимальная глубина погружения насоса в скважину, считая от поверхности земли до водоприемных отверстий насоса:

H=С+S+DS+Dh+(3....7), м

Н_г=Z₁-Z_дин

Схема для определения минимальной глубины погружения насоса представлена на рис. 11.

На рис. 12 представлена схема обустройства водозаборной скважины.

3.4 Мероприятия по санитарной охране водозабора

Для подземных источников предусматривают три пояса санитарной охраны. В первый пояс санитарной охраны включается участок водоприёмного сооружения. Границы этого пояса должны отстоять от водозаборных сооружений на расстоянии не менее 30 м при использовании артезианских водоносных горизонтов и на расстоянии не менее 50 м при использовании безнапорных грунтовых вод.

На территории первого пояса санитарной охраны запрещается проживание людей, а также не допускается строительство и размещение зданий, сооружений и устройств, не имеющих непосредственного отношения к эксплуатации водопровода и не подлежащих обязательному размещению на территории этого пояса. В зону строгого режима запрещается доступ посторонних людей, содержание скота, а также употребление органических удобрений и ядохимикатов для посадок и посевов.

Границы второго пояса устанавливаются расчетом, учитывающим время продвижения микробного загрязнения воды до водозабора, принимаемое в зависимости от климатических районов и защищенности подземных вод от 100 до 400 сут там, где располагается водозаборное сооружение и водоносный горизонт, а также гидрогеологическими характеристиками – мощностью и составом перекрывающих пород и направлением движения подземных вод. При наличии гидравлической связи водоносного горизонта с открытыми водоёмами, часть этих водоёмов также следует включать во второй пояс санитарной охраны. Во втором поясе санитарной охраны не допускаются какие-либо работы, связанные с нарушением пород, перекрывающих сверху используемый водоносный пласт.

Граница третьего пояса зоны подземного источника водоснабжения определяется расчетом, учитывающим время продвижения химического загрязнения воды до водозабора, которое должно быть больше принятой продолжительности эксплуатации водозабора, но не менее 25 лет.

4 Примеры расчетов

Пример 1. Запроектировать сооружения для забора воды из открытого источника.

Исходные данные. Водозаборные сооружения расположены в створе реки на расстоянии 1300 м от населенного пункта. Расчетный суточный расход Q_{max сут} = 24483 м³/сут. Грунт основания водозабора - песок мелкозернистый. Длина водовода первого подъема - 1024 м. Станция водоподготовки расположена на отметке 111,19 м.

Данные о реке:

Минимальный расход реки – 10,61 м³/с,

Уровень низкой воды (межень) (УНВ) – 101,49 м,

Уровень высокой воды (паводок) (УВВ) – 105,73 м,

Расчетная толщина льда d = 0,59 м,

Расчетная скорость воды: при УНВ V_min= 0,58 м/с,

при УВВ V_max= 0,90 м/с,

Средневзвешенный диаметр частиц d = 0,1 мм,

Мутность – 165 мг/л.

В соответствии с данными на проектирование принимается следующий состав сооружений: водозаборное сооружение, насосная станция I подъема, водоводы I подъема. Так как река несудоходна, берега пологие, глубины небольшие, проектируется водозабор руслового типа с незащищенным оголовком. Для обеспечения надежности работы водозабора самотечные водоводы к береговому приемному колодцу прокладываются в две линии. Насосная станция I подъема находится на расстоянии 50 м от берегового колодца. Длина водовода I подъема составляет 1024 м.

Расчет водозаборных сооружений. Водозабор должен обеспечить пропуск максимального суточного расхода Q_{max сут.}:

,

q_расч= = =0,156 м³/с ,

где – коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды водопровода, принимаем =1,09...1,1;

Q_{max сут} – максимальный суточный расход;

Т₁ – продолжительность работы насосной станции первого подъема принимаем круглосуточную; Т₁=24;

n – число секций трубопроводов.

Конструирование оголовка и расчет входных отверстий. Русловой водозабор состоит из приемного оголовка, самотечной линии и берегового колодца. Принимается оголовок незащищенного типа, так как река несудоходна и не используется для лесосплава. Согласно СНиП 2.04.02–84 верх оголовка должен размещаться ниже кромки льда не менее чем на 0,2 м, а низ водоприемного окна должен быть выше дна водоема не менее чем на 0,5 м.

Водоприемник устраивается в виде наклонного стояка с воронкой (раструбом). Входные отверстия воронок располагаются перпендикулярно течению реки и перекрываются сороудерживающими решетками. Площадь входных отверстий (м²) водоприемников определяется исходя из скорости входа воды с учетом стеснения сороудерживающими решетками:

F_бр=1,25· ·K ,

где 1,25 – коэффициент, учитывающий засорение отверстий;

q_расч – расчетный расход одной секции, одного трубопровода, м³/с;

К– коэффициент, учитывающий стеснение отверстий стержнями решетки; К=(а+c)/а (а – расстояние между стержнями в свету, см; c – толщина стержней, см);

v_вх – скорость входа воды в водоприемные отверстия, принимается v_вх=0,2 м/с (по СНиП 2.04.02-84 v_вх=0,1...0,3 м/с);

К=(40 + 10)/40=1,25;

F_бр=1,25 · = 1,22 м²

Принимается решетка (площадь которой должна быть не менее полученной расчетом) с размерами окна 1200´1400 мм и F_br= 1,68 м².

Решетка проверяется на случай отключения при аварии одной линии самотечных труб:

0,7q_{расч.водоз} = 0,7 0,312 = 0,218 м³/с (q_{расч.водоз}=2 q_расч=2·0,156 = 0,312 м³/с).

Тогда скорость входа

v_вх = = = 0,2 м/с

v_вх= 0,2 м/с < 0,3 м/с, что находится в допустимых пределах.

Расчет самотечных линий. Исходя из надежности работы водозабора, принимается водовод из двух самотечных линий, проложенных с обратным уклоном из стальных труб. Стальные трубы хорошо сопротивляются ударам плавающих предметов и не разрушаются при образовании под ними местных временных промоин.

Расчет самотечной линии заключается в определении диаметра водовода и потерь напора в нем, исходя из следующих требований: скорость течения воды должна быть не менее скорости течения в реке при УНВ v_реки=0,5 м/с и не менее незаиляющей скорости 0,7 м/с (СНиП 2.04.02-84).

Для расчета принимается v_расч.=0,7 м/с, тогда диаметр самотечных труб:

= =0,533 м

Принимается стандартный диаметр, округляя полученный по расчету в меньшую сторону, d=500 мм=0,5 м, скорость в трубе составит:

= =0,8 м/с>0,7 м/с.

Потери напора в самотечных линиях при УНВ (работа в межень).Потери напора определяются как сумма потерь на местные сопротивления и потери напора по длине:

где h₁ – потери напора в решетке (на входе), принимают h₁=0,1 м;

h₂ – потери на вход;

z – коэффициент гидравлического сопротивления при входе в раструб; =0,1;

h₂ = 0,1 =0,003 м

h₃ – потери напора в фасонных частях (тройнике) и арматуре (задвижке) на самотечных линиях;

h₃ = = = =0,006 м

h₄ – потери напора на выходе (на вход в колодец, ζ=1);

h₄= =1· =0,033 м

h_дл – потери напора по длине, определяют при работе двух линий самотечных труб.

Длина самотечных линий определяется после привязки берегового колодца и размещения оголовка в русле. Оголовок располагается в таком месте, где выполняются условия: расстояние от низа окна до дна не менее 0,5 м, а от верха оголовка до кромки льда 0,2 м. Береговой колодец проектируется на берегу в месте, которое выдвигается на 0,5…1,0 м над УВВ. По профилю длина самотечной линии составляет l=29,5 м.

h_дл=A·K·l·q_расч²=0,04598·1,021·29,5·0,156²=0,034м ,

=0,1+0,003+0,006+0,033+0,034 = 0,18 м

Потери напора при аварийной работе водозабора в период отключения одной линии при УНВ.Согласно СНиП 2.04.02-84 при аварийной работе должен быть подан расход не менее 70% расчетного расхода водозабора:

Q_ав=0,7·q_{рас.водоз}=0,7·0,312=0,218 м³/с.

Тогда скорость при аварии

v_ав= = =1,11м/с

потери напора:

;

h₁=0,1 м;

h₂=0,1 =0,006 м;

h₃=(0,1+0,1) =0,012 м;

h₄=1 =0,063 м;

h_дл=0,04598·0,992·29,5·0,218²=0,064 м;

=0,1+0,006+0,0012+0,063+0,064=0,25 м.

Потери напора при пропуске расчетного расхода водозабора по одной линии в паводок (при УВВ). Скорость в самотечной линии должна быть больше, чем скорость в реке v_реки при УВВ, поэтому весь расход идет по одной линии (одна отключается).

V_УВВ= = =1,59м/с,

потери напора:

h₁=0,1 м;

h₂=0,1 =0,013 м;

h₃=(0,1+0,1)· = 0,026 м;

h₄=1· =0,13 м;

h_дл=0,04598·0,965·29,5·0,312²=0,127 м;

=0,1+0,013+0,026+0,13+0,127=0,40 м.

Промывка самотечных труб.При эксплуатации не исключено засорение входных решеток и труб. Для удаления сора и наносов их промывают обратным током воды. Воду на промывку подают по нагнетательной линии от насосной станции.

Скорость промывной воды

V_пром=A·(D·d)^0.25>2.5 м/с,

где А – коэффициент, согласно СНиП А=7,5...10, принимаем А=8; D – диаметр самотечной линии, м; d – диаметр промывных частиц, мм.

V_пром=10(0,5·0,1)^0.25 =4,73 м/с>2,5 м/с.

Расход промывной воды

q_пром=v_пром·F_сам=4,73·0,785·0,5²=0,92 м³/с.

Далее рассчитывается диаметр трубопровода подачи воды на промывку самотечных линий:

, мм,

.

Полученный диаметр округляем до ближайшего стандртного в соответствии с сортаментом d_пр=500 мм.

Определение размеров берегового колодца по высоте. Между приемным и всасывающим отделениями устанавливаются плоские съемные сетки, размеры которых определяются по скорости V_c прохода воды через ячейки в свету (принимается не более 0,4 м/с при отсутствии внешних рыбозаградителей):

F_бр=1,25 K_c

Зная расход, скорость и определив коэффициент, учитывающий стеснение входа стержнями решеток

K_с= ,

где а – расстояние между проволоками сетки, примем 4 мм; с – диаметр проволоки; с=1,0...1,5 мм, примем с=1 мм;

K_с= =1,56

вычислим

F_бр=

Принимаем отверстие для установки сетки размером 1250 1000 мм и F=1,25 м², тогда скорость входа

V_вх=0,24м/с < 0,4 м/с.

Скорость воды при отключении одной линии самотечных труб:

V_ав= =0,34 м/c<0,4 м/с

Следовательно, сетка выбрана правильно.

Определение размеров берегового колодца в плане. Размеры колодца в плане из условия размещения оборудования в приемных и всасывающих секциях (отделениях). Диаметр самотечных труб, тип и размеры промывного оборудования определены выше. Находим диаметры всасывающих труб и связанного с ними оборудования.

Диаметр всасывающей линии определим по расчетному расходу одной секции и скорости во всасывающей трубе v_вс:

d_вс= ,

Принимаем v_вс=1,5 м/с (v_вс=1,2...2,0 м/с), тогда

d_вс= мм

Ближайший стандартный диаметр d_вс= 350 мм, диаметр воронки на концах всасывающих труб:

D_вор=(1,3...1,5)d_вс=1,5·0,35=0,53 м.

Расстояние от дна колодца до раструба на конце всасывающей трубы должно h₁³0,8,×D_вор=0,8×0,53=0,42м. Расстояние от низа раструба всасывающей трубы до самого низкого уровня воды во всасывающем отделении колодца принимается равным h₂=2×D_вор=2×0,53=1,06м. Из условия монтажа оборудования и эксплуатации назначаем диаметр колодца 3 м, толщину стенок принимаем 10% от глубины колодца b=80 см.

Определение уровней воды в береговом колодце. В межень (УНВ) при работе двух линий:

101,49 – 0,18 = 101,31м.

В межень при аварийной работе одной линии:

101,49 – 0,25=101,24 м.

В паводок при работе одной линии:

105,73 – 0,4 =105,33 м.

Отметки уровней воды в отделении всасывающих линий принимают ниже, чем в приемном, на 0.1 м:

м;

м;

м.

Отметка пола берегового колодца

DZ₄=Z_УВВ+1=105,73+1=106,73 м

Отметка выхода самотечных труб в приемное отделение берегового колодца должна быть ниже самого низкого уровня воды в нем не менее чем на 0,3 м:

DZ₅=Z_{min пр.} – 0,3 = DZ₂ – 0,3 =101,24 – 0,3 = 100,94 м. (из условия горизонтальности прокладки самотечных линий)

Верх сетки устанавливается на 10 см ниже минимального уровня воды во всасывающем отделении, поэтому

DZ₆=DZ^/₂-0,1 = 101,14 – 0,1 =101,04 м.

Нижнее основание будет ниже на высоту сетки P_c=1,25 м на отметке:

DZ₇=DZ₆-P_c =101,04-1,25=99,79 м.

Отметка дна колодца на 1 м ниже:

DZ₈=DZ₇-0,5=99,79-1=98,79 м,

DZ₉ =DZ^/₂ - (h₁+ h₂)=101,24-(0,5+1.06)=99,68 м,

где h₁– расстояние между самым низким уровнем воды во всасывающем отделении и низом воронки, м;

h₂ – расстояние между низом воронки и дном колодца, м.

В качестве отметки дна принимаем минимальную отметку из ΔZ₈, ΔZ₉. Для удаления песка и ила из первого отделения, береговой колодец периодически промывают при помощи эжекторной установки, работающей от напорной линии насосной станции первого подъема.

Расчет насосной станции первого подъема.Насосную станцию размещаем в 50 м от берегового колодца, в ней предусматриваются рабочие и резервные насосы, которые подают воду на очистные сооружения. Так как сооружения относятся ко второму классу, принимаем несколько (три) рабочих насоса и один резервный.

Подача насосной станции (м³/с) равна расчетному расходу водозабора q_{рас.водоз}.

Q_нс1= ,

где Т₁- время работы насосной станции первого подъема, Т₁=24 ч.

Q_н.с.1= м³/с

Подача одного рабочего насоса

q_{н= = ,} м³/с.

Напор насосов определяется:

H_н=H_г+ ,

где H_г – геодезическая высота, м;

- суммарные потери, м.

H_г=Z_cм-Z_{min вс}=Z_cм-Z′₂=115,19-101,14=14,05 м,

Z_см – отметка воды в смесителе, м;

Z_см=Z_ос+(4...4,5)=111,19+4=115,19 м;

Z_{min вс} – минимальная отметка воды во всасывающем отделении берегового колодца, Z_{min вс}=Z′₂;

h_вс+ h_ком+ h_водом+ h_б.к-о.с+ h_излив ,

где h_вс – потери на всасывание, h_вс=0,5 м;

h_ком – потери в коммуникациях насосной станции первого подъема, h_ком=3 м;

h_водом – потери напора в водомере, h_водом=1 м;

h_б.к-о.с – потери напора при движении воды от берегового колодца до очистных сооружений, h_б.к-о.с=1,1AKl_в(q_{расч.водоз})² м;

h_излив – потери напора на излив воды на станции водоподготовки, h_излив=1,5 м.

Для определения суммарных потерь необходимо знать диаметр водовода, идущего к станции водоподготовки. Принимается две нитки водовода и скорость v_в=0,8 м/с (рекомендуется 0,7…1,0 м/с)

Q_в= =0,156м³/с.

Диаметр одной нитки водовода

d_в= = =0,498 м.

Принимается стандартный d_в= 0,5 м, при этом диаметре фактическая скорость в водоводе v_в=0,8 м/с, что находится в рекомендуемых пределах.

Потери напора по длине:

h_б.к-о.с =1,1·0,04598·1,021·1024·0,156²=1,29 м.

Суммарные потери:

0,5+1+1,29+1,5+3=7,29 м.

Напор насосов:

H_н=14,05+7,29=21,34 м.

По напору и расходу принимаем насос марки Д800-28 с диаметром колеса D = 400 мм, = 86%, мощностью насоса N= 79 кВт. Мощность электродвигателя N_эл=55 кВт.

Установочная мощность на насосной станции первого подъема:

N¹_уст=n·N_эл+N_эл.рез.=3·55+1×55= 220 кВт.

Пример 2. Запроектировать водозаборные сооружения для захвата подземных вод.

Исходные данные для проектирования приведены в табл. 10 и табл. 11

Таблица 10

Геологический разрез

№ пласта	Наименование пород	Мощность пласта, м
	Растительный слой	1,9
	Суглинок	37,4
	Песок (1 водоносный горизонт)	17,7
	Глины песчаные	20,8
	Песок (2 водоносный горизонт)	27,8
	Глина жирная средней плотности	49,9
	Песок (3 водоносный горизонт)	36,4
	Глина плотная	17,3

Таблица 11