В настоящее время нет достоверных формул для расчета самотечных трубопроводов, работающих в переходной области турбулентного течения жидкости. Для этих целей можно рекомендовать обобщенную формулу А. Д. Альтшуля [2], однако в ее структуру входит такой параметр, как уклон трубопровода, который во многих случаях заранее неизвестен. Кроме того, требуемое значение скорости течения и наполнения трубопровода при пользовании этой формулой, как правило, достигается после нескольких итераций, что неудобно для практики проектирования.
Необходимость гидравлического расчета самотечных трубопроводов в каждом конкретном случае требует упрощения и, самое главное, уточнения методики этого расчета.
Анализ известных зависимостей, в том числе и данных работ [14, 25], позволяет установить, что:
где ?ж — площадь живого сечения потока жидкости в количестве qж, движущейся со скоростью vж, м2; ?тр — площадь живого сечения трубопровода диаметром d, м2; h — высота протекающего слоя жидкости, м.
Зависимость (83), представленная на рис. 27, может быть аппроксимирована прямыми 1 и 2. Первая из них описывается уравнением
а вторая:
Из уравнения (84)
Это равенство действительно при h/d от 0,1 до 0,6 включительно. При h/d>0,6 диаметр трубопровода можно найти из (85):
Следующим важным этапом расчетов является обоснование исходных параметров — наполнения трубопровода и скорости течения жидкости — для определения диаметра и уклона трубопровода.
Отметим, что в настоящее время гидравлический расчет трубопроводов производят по величине максимального секундного расхода сточной жидкости. Определение этой величины регламентировано действующими нормами СНиП П-30-76 «Внутренний водопровод и канализация зданий. Нормы проектирования» и базируется на вероятности действия санитарно-технических приборов, что справедливо только для систем водоснабжения, характеризующихся неразрывностью потока воды. Однако в системах канализации зданий преобладают залповые поступления жидкости, трубопроводы же имеют значительную аккумулирующую емкость, что способствует резкому снижению но длине трубопровода величины секундного расхода жидкости, первоначально поступающей в него.
Экспериментальные исследования влияния аккумулирующей способности канализационных трубопроводов на формирование секундных расходов жидкости выполнены в ЦНИИЭП инженерного оборудования на гидравлическом стенде, на котором поочередно монтировались трубопроводы длиной до 15 м из стеклянных труб диаметрами 79 и 104 мм и чугунных битуминизированных труб диаметром 96 мм. Станина стенда имеет опоры, позволяющие изменять уклон трубопровода. Моделирование-залповых сбросов сточных вод проводилось с помощью установленных на верхнем участке стенда шести унитазов «Компакт» с бачками емкостью 6,5—7 л. При одновременной работе шести унитазов максимальный секундный расход сточной жидкости составлял 9,6 л/с, что эквивалентно расходу стоков от 210 типовых квартир. Емкость трубопровода постоянного диаметра изменялась путем изменения его длины.
Секундный расход жидкости определялся с помощью мерной емкости, представляющей собой цилиндр диаметром 2 м, разделенный на 60 равных секторов, по методике, изложенной выше.
Экспериментальные исследования подтвердили, что канализационные трубопроводы обладают значительной аккумулирующей способностью. Так, например, при одновременном опорожнении шести унитазов в отводной горизонтальный трубопровод диаметром 104 мм, проложенный с уклоном 0,026, максимальный расход жидкости в конце участка длиной 11,6 м составил 3,6 л/с вместо 9,6 л/с, который поступал в начале трубопровода.
Зависимости для определения расчетного секундного расхода жидкости qрасч, л/с, получены с учетом таких параметров, как диаметр, длина, шероховатость, уклон трубопровода, угол входа в него жидкости.
При длине трубопровода, равной или более 3 м:
при длине трубопровода менее 3 м
где qмакс — максимальный секундный расход сточной жидкости, определяемый по методике СНиП Н-30-76, л/с: n — коэффициент шероховатости материала трубопровода; К — параметр, зависящий от наполнения трубопровода и определяемый по табл. 15; vср — средняя скорость течения, м/с; l — длина трубопровода, м.
Таким образом, для обеспечения необходимой величины транспортирующей способности потока сточной жидкости в канализационном выпуске из здания, он должен быть запроектирован на основании расчета, который состоит из следующих этапов:
- 1. Определение максимальной величины секундного расхода сточной жидкости по методике СНиП П-30-76;
- 2. Определение расчетного секундного расхода стоков по формуле (88) либо (89);
- 3. Выбор величины наполнения трубопровода и скорости течения жидкости из условия vср?h/d?0,6;
- 4. Определение диаметра трубопровода по номограмме (см. рис. 28). Если полученное значение диаметра не предусмотрено в сортаменте соответствующих труб, следует по сортаменту принять ближайший больший или меньший к расчетному диаметр и по той же номограмме уточнить величину наполнения трубопровода или скорость течения жидкости;
- 5. Определение уклона трубопровода на основании имеющихся данных, исходя из величины диаметра, наполнения и шероховатости трубопровода и скорости течения в нем жидкости.
Приведенная методика расчета канализационных выпусков из зданий позволяет снизить материалоемкость собственно выпусков до 40% и значительно уменьшить вероятность образования засоров.
Снижение стоимости строительства подземной части системы канализации здания может быть также достигнуто устройством торцевого выпуска, т. е. выпуска, объединяющего понизу все канализационные стояки в здании. Такое решение способствует увеличению секундного расхода сточной жидкости в выпуске и позволяет отказаться от устройства дворовой канализационной сети. Диаметр и уклон торцевого выпуска должны быть обоснованы расчетом.
Следует подчеркнуть, что при конструировании канализационных выпусков из зданий должно быть обеспечено максимальное уменьшение протяженности горизонтальных трубопроводов.