Повышение эффективности функционирования открытой системы сбора и отвода поверхностных сточных вод
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………………………………… 5
ГЛАВА 1. ОБЗОР ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И
НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ ПО РАСЧЁТУ СИСТЕМЫ СБОРА И ОТВЕДЕНИЯ
ПОВЕРХНОСТНЫХ СТОЧНЫХ ВОД…………………………………………………………………………………. 11
1.1. Анализ отечественных исследований и подходов к расчёту систем отведения
поверхностных сточных вод ……………………………………………………………………………………………… 11
1.2. Анализ зарубежных подходов к гидравлическому расчёту систем отведения
поверхностных сточных вод ……………………………………………………………………………………………… 18
1.3. Анализ программного обеспечения для гидравлического расчёта системы сбора
и отвода поверхностных сточных вод ……………………………………………………………………………….. 31
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 ……………………………………………………………………………………………………. 32
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ИННОВАЦИОННЫХ СИСТЕМ СБОРА И ОТВОДА ПОВЕРХНОСТНЫХ
СТОЧНЫХ ВОД ………………………………………………………………………………………………………………….. 34
2.1 Описание и характеристики системы водоотвода АСО Qmax ……………………………………….. 35
2.2. Анализ алгоритма программного обеспечения ACO Hydraulic Design для гидравлического
расчёта систем водоотвода фирмы ACO ……………………………………………………………………………. 40
2.3 Определение шероховатости трубопровода ACO Qmax, принятого ………………………………. 44
в программном обеспечении ……………………………………………………………………………………………… 44
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 ……………………………………………………………………………………………………. 51
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРОГРАММЫ РАСЧЁТА РАСХОДА И ПОДБОРА
ДИАМЕТРОВ КАНАЛОВ ДЛЯ ОТВЕДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА ……………………… 53
3.1 Описание разработанного алгоритма расчёта расхода и подбора диаметров каналов …….. 53
3.2 Сравнение результатов расчёта разработанного алгоритма и программы ACO Hydraulic
Design ………………………………………………………………………………………………………………………………. 54
3.3 Учет в работе разработанного алгоритма возможности расчёта овоидальных типов
каналов системы ACO Qmax …………………………………………………………………………………………….. 56
3.4 Сравнение результатов расчёта разработанного алгоритма и программы ACO Hydraulic
Design с учетом экспериментально полученного значения шероховатости каналов ……………. 58
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 ……………………………………………………………………………………………………. 63
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ТРУБОПРОВОДА АСО Qmax………………………………………………………………. 64
4.1. Исследование результатов расчёта программного обеспечения АСО Hydraulic Design …. 64
4.2 Оборудование, приборы и средства измерений …………………………………………………………….. 68
4.3 Методика проведения эксперимента ……………………………………………………………………………. 76
4.4 Результаты экспериментальных исследований незаиленного трубопровода ………………….. 79
4.5 Экспериментальные исследования пропускной способности частично заиленного
трубопровода АСО Qmax ………………………………………………………………………………………………….. 86
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 ……………………………………………………………………………………………………. 93
ГЛАВА 5. МЕТОДИКА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЁТА СИСТЕМЫ ВОДООТВОДА АСО
Qmах ДЛЯ СБОРА И ОТВЕДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТОЧНЫХ ВОД …………………………. 94
5.1 Основные положения разработанной методики ……………………………………………………………. 94
5.2. Теоретические основы гидравлического расчёта самотечных систем водоотвода АСО
Qmax ………………………………………………………………………………………………………………………………… 95
5.3 Гидравлические параметры каналов круглого и овоидального ……………………………………… 96
сечения АСО Qmax …………………………………………………………………………………………………………… 96
5.4 Основные требования для проектирования каналов (лотков) системы водоотвода АСО
Qmax ………………………………………………………………………………………………………………………………… 98
5.5 Определение расчётных расходов дождевых, талых и поливомоечных вод в системах
водоотвода АСО Q max …………………………………………………………………………………………………….. 99
5.6 Пример гидравлического расчёта каналов системы водоотвода АСО Qmax для сбора и
отведения поверхностных сточных вод с использованием разработанной методики …………. 102
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………………………………………………… 112
ПРИЛОЖЕНИЯ …………………………………………………………………………………………………………………. 119
ПРИЛОЖЕНИЕ А. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО
ИССЛЕДОВАНИЯ …………………………………………………………………………………………………………….. 120
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НА ОСНОВЕ ПРОГРАММЫ АСО Qmax …….. 123
ПРИЛОЖЕНИЕ В. ТАБЛИЦЫ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА СИСТЕМЫ
ВОДООТВОДА АСО Qmax ДЛЯ СБОРА И ОТВЕДЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТОЧНЫХ
ВОД…………………………………………………………………………………………………………………………………… 132
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. СПРАВКА ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНО-
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ АО «ГИТЕСТ»……………………………………………………………… 156
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. СПРАВКА ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНО-
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ АО «МОСВОДОКАНАЛНИИПРОЕКТ» ………………………..157
Во введении обоснована актуальность исследования, указана степень
разработанности проблемы, сформулированы научная гипотеза, цель и задачи исследования,
определены объект и предмет исследования, представлены научная новизна, теоретическая
и практическая значимость работы, методология и методы исследования, положения,
выносимые на защиту, а также приведена информация об апробации результатов
исследования, объёме и структуре работы.
В первой главе приведён анализ отечественных и зарубежных нормативов и
подходов по расчёту системы сбора и отведения ПСВ, определены различия.
Проектирование систем отведения и очистки ПСВ в России регламентируется
сводами правил СП 42.13330.2016 «Градостроительство. Планировка и застройка городских
и сельских поселений. Актуализированная редакция СНиП 2.07.01-89*», СП 32.13330.2018
«Канализация. Наружные сети и сооружения. СНиП 2.04.03-85». Они содержат общие
требования к организации систем отведения и очистки поверхностных сточных вод, а также
основные формулы для определения расходов дождевого стока в сети дождевой канализации
«методомпредельныхинтенсивностей»,необходимыедляподборадиаметров
трубопроводов.
Для конкретных инженерных расчётов, в том числе гидравлического расчёта
самотёчных систем отведения ПСВ, используется Методическое пособие «Рекомендации по
расчёту систем сбора, отведения и очистки поверхностного стока с селитебных территорий,
площадок предприятий и определению условий выпуска его в водные объекты» Дополнение
к СП 32.13330.2012, разработанное АО «НИИ ВОДГЕО» и различные таблицы для
гидравлического расчёта.
Из действующих на территории Российской Федерации(РФ) нормативных
документов следует, что открытые системы водоотвода ПСВ в нашей стране имеют
ограниченную область применения и рекомендованы к проектированию в районах
малоэтажной жилой застройки, а также при дорожном строительстве. Как правило, для этого
используются бетонные или железобетонные лотки различного сечения (треугольного,
прямоугольного, полукруглого или трапецеидального), кюветы, которые размещают по
сторонам проезжей части дорог, а также нагорные канавы. При их проектировании
гидравлический расчёт, выполняемый с целью подбора сечений лотков, осуществляется
«методом предельных интенсивностей» аналогично расчёту закрытой системы дождевой
канализации с использованием таблиц Лукиных.
Расчётные расходы дождевых вод , л/с, следует определять в соответствии с
методом предельных интенсивностей:
Если доля водонепроницаемых поверхностей превышает 30% общей рассматриваемой
площади, то расчёт проводят при постоянном коэффициенте стока:
20 × 20р × ср × ×
=⁄ (1)
При доле водонепроницаемых поверхностей не более 30% общей рассматриваемой
площади расчёт проводят при переменном коэффициенте стока:
20 × 20р × ср × ×
=⁄ 1.2 −0.1(2)
где: 20р – интенсивность дождя для периода однократного превышения Р лет, л/(с га); –
показатель степени, зависящий от географического положения объекта водоотведения; –
расчётная площадь водосбора, га; – коэффициент, учитывающий неравномерность
выпадения дождя по площади; Zср – коэффициент стока, Т – продолжительность протекания
вод.
За рубежом, в частности, в Европе применяется стандарт BS EN 752:2017, который
декларирует, что объём пикового (максимального) сброса дождевого стока зависит от
интенсивности и длительности дождя, от площади и характера водонепроницаемых
поверхностей, а также от мер, предпринимаемых для уменьшения дождевого стока. Пиковый
расход дождевого стока рассчитывается по так называемому в этом документе
«рациональному» методу. Это наиболее широко используемый метод для проектирования
систем поверхностного стока (Chow, Maidment, and Mays, 1988).
= × × (3)
где:Q – пиковый расход стока, л/с; C – коэффициент стока, безразмерная величина; R –
модуль дождевых осадков, л/(с га); А – площадь водосбора, га.
В данной формуле используется линейная зависимость, при этом отсутствует
зависимость расхода дождевых вод от времени. Климатологические параметры (R и M5-60)
определяются по климатическим картам FS, которые были разработаны без учёта
территории Российской Федерации и её климатических особенностей.
При площади водосборного бассейна до 200 га или при продолжительности протока
дождевых вод до 15 минут согласно стандарту BS EN 752:2017 можно использовать простой
метод определения пикового расхода дождевых вод. При этом интенсивность дождя или
модуль дождевых осадков считается величиной постоянной. Установленный модуль
дождевых осадков зависит от таких факторов, как продолжительность протока дождевых вод
в бассейне водосбора и анализ местных характеристик дождей. Несмотря на то, что метод,
основанный на максимальных расходах, может использоваться при проектировании
коллекторов дождевой и общесплавной канализации, он не является методом создания
самого гидрографа. В связи с этим зарубежными исследователями были предложены
корректировки метода для его дальнейшего использования в качестве основы гидрографа.
Преобразованный «рациональный» метод, описанный Chow, Maidment and Mays
(1988), является примером одного из таких методов, который можно использовать на
небольших водосборных площадях. На основе вышесказанного можно сделать вывод о том,
что расчётные формулы документа BS EN 752:2017 использовать при разработке проектной
документации и производстве расчётов сетей дождевой канализации на территории РФ
невозможно из-за их несоответствия установленным в нашей стране нормам и принятым
методическим основам проектирования и условиям эксплуатации.
Анализ российского программного обеспечения для гидравлического расчёта системы
сбора и отвода поверхностных сточных вод выявил невозможность построения электронных
моделей и производства гидравлических расчётов открытых каналов системы водоотвода
поверхностных сточных вод в соответствии с требованиями нормативных документов РФ. В
связи с этим были изучены возможности всемирно известных программных продуктов ПО
«Mike Urban» и ПО «Bentley», которые используют зависимости, приведённые в
«рациональном» методе. В целом анализ зарубежных и отечественных методов расчёта
систем ПСВ показал, что невозможно применение к нормативным документам РФ методик
расчёта систем водоотвода ПСВ, используемых в иностранном программном обеспечении,
поскольку в своей основе они содержат другие математические зависимости и
климатические параметры.
Вовторойглавеприведенырезультатыисследованияконструктивныхи
гидравлических характеристик системы сбора и отвода поверхностных сточных вод (на
примере системы водоотвода АСО Qmax) и анализ алгоритма программного обеспечения для
её расчёта. Система водоотвода АСО Qmax относится к открытой системе каналов (лотков)
для сбора и отведения поверхностных сточных вод, формирующихся при выпадении
атмосферных осадков. Выпускается по технологии ACO Industries Tabor s.r.o. Prumyslova
1158 391 01 Sezimovo Usti, Czech Republic (Чешская Республика). На рисунке 1 приведён
внешний вид открытых каналов (лотков) системы водоотвода АСО Qmax, выпускаемых из
полиэтилена средней плотности, длина модулей 2 м. Номенклатура АСО Qmax включает 6
типоразмеров, в том числе круглого и овоидального сечения от 150 до 900 мм, что
обеспечивает достаточно большой диапазон выбора размера каналов при проектировании
открытых самотёчных систем отведения ПСВ при выпадении дождей различной
интенсивности.
Рисунок 1 — Система водоотвода АСО Qmax
В таблице 1 приведены преимущества системы водоотвода АСО Qmax перед
традиционными бетонными лотками.
Таблица 1 – Преимущества системы водоотвода АСО Qmax перед традиционными
бетонными лотками
ХарактеристикиACO Qmax
− Монолитный корпус канала со специальными рёбрами
жёсткости.
Прочность− Арочная конструкция верхней части канала обеспечивает
неразрывность армирования плиты покрытия дорожного
полотна.
− Пропускная способность в 2 раза больше, чем у традиционных
Эффективность
каналов.
− Использование двухметровых элементов с соединением
раструбного типа ускоряет процесс монтажа.
Экономичность− Низкая масса каналов (в 7 раз ниже относительно аналогов)
позволяет отказаться от использования грузоподъёмной техники
при монтаже.
− Водоприёмная решётка надёжно вмонтирована в обойму канала.
− Уплотнениераструбногосоединенияобеспечивает
Надёжностьгерметичность трубопровода.
− Устойчивость к воздействию химических реагентов.
− Срок службы – до 50 лет.
− Лёгкий доступ к лотку канала по всей его протяжённости для
Эксплуатация
технического обслуживания.
Благодаря герметичному соединению каналов система водоотвода АСО Qmax
исключает возможность инфильтрации дождевого стока в грунт. Серия лотков системы
водоотвода ACO Qmax выпускается в соответствии с документом BS EN 1433:2002 Drainage
channels for vehicular and pedestrian areas. Classification, design and testing requirements,
marking and evaluation of comformity и сертифицирована в РФ на максимальный класс
нагрузки F900. Анализ алгоритма программного обеспечения гидравлического расчёта
системы водоотвода ACO Qmax показал, что программа ACO Hydraulic Design используется
с целью подбора сечения каналов для отвода дождевых (ливневых) вод с заданной
территории.
Для анализа методики, используемой в программном обеспечении при расчёте
системы водоотвода ACO Qmax, и сравнения полученных результатов с российскими
требованиями, в исходные данные были введены параметры расчёта по требованиям
СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения. СНиП 2.04.03-85» и
Методического пособия «Рекомендации по расчёту систем сбора, отведения и очистки
поверхностного стока с селитебных территорий, площадок предприятий и определению
условий выпуска его в водные объекты» Дополнение к СП 32.13330.2012, разработанного
АО «НИИ ВОДГЕО».
Определениепринятогозначениякоэффициенташероховатостиканаловв
программном обеспечении ACO Hydraulic Design проводилось на основе разработанного
алгоритма на языке Visual Basic for Application (VBA) с использованием таблиц и функции
подбора MS Excel. Исходными данными для расчёта являлись: скорость воды (v), расход (q)
и наполнение трубопровода (h/d). Расчёт проводился по формуле Маннинга. Анализ
методики, используемой при расчёте в программе ACO Hydraulic Design показал, что в её
основе лежат зависимости неравномерного движения. Ниже на рисунке 2 приведены
результаты расчёта значения коэффициента шероховатости канала, используемого в
программе ACO Hydraulic Design (графический вид).
0,0250
0,0200
шероховатости, n
Коээфициент
0,0150
0,0100
0,0050
0,0000
050100150200250300
Длина канала, м
Рисунок 2 — Расчёт значения коэффициента шероховатости канала, используемого в
программе ACO Hydraulic Design.
Установлено, что значения коэффициента шероховатости канала при проведении
расчёта в программе ACO Hydraulic Design не являются константой. Результаты расчёта
показывают, что коэффициент шероховатости по формуле Маннинга изменяется в диапазоне
значений [0,0088; 0,0229].
В третьей главе приведены результаты разработки алгоритма программы расчёта
расхода и подбора необходимых диаметров коллекторов для отведения поверхностного
стока на основе российских нормативов на языке Visual Basic for Application с
использованием возможностей MS Excel.
Блок-схема работы алгоритма по подбору необходимых диаметров для системы
водоотведения поверхностных сточных вод приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 — Блок схема работы алгоритма по расчёту расходов и подбору
необходимых диаметров для системы водоотведения поверхностных сточных вод
Для учёта всего сортамента каналов системы ACO Qmax в работе блока
гидравлического расчёта предусмотрена возможность расчёта овоидального типа труб.
Формулы зависимости площади живого сечения ω, гидравлического радиуса R и наполнения
h/d овоидального типа труб были получены на основании стандартных соотношений
размеров (представлены на рисунке 4). Это, в свою очередь, позволило уточнить удельные
гидравлические параметры овоидального типа труб (приведено в таблице 2).
(D)
Рисунок 4 – Соотношение стандартных размеров труб овоидального сечения
Таблица 2 – Значения гидравлических характеристик в зависимости от степени наполнения
трубопровода овоидального типа.
СтепеньЗначение χЗначение R
Значение ω в долях d2
наполнения h/dв долях d
0,10,02210,39120,0566
0,20,05990,62510,0958
0,30,10830,84530,1281
0,40,16451,05620,1558
0,50,22641,26120,1795
0,60,29161,46270,1993
0,70,35811,66290,2154
0,80,42241,87040,2258
0,90,47762,11300,2260
1,00,51052,64330,1931
На основе разработанного алгоритма былапроведена оценка возможности
применения программы ACO Hydraulic Design для выбора диаметров каналов с учётом
нормативных требований Российской Федерации. Сравнение результатов расчёта алгоритма
на основе российских нормативов и программы ACO Hydraulic Design приведены на
рисунках 5-7.
Анализ результатов расчёта расходов дождевых вод показывает, что бóльшие
значения были получены по программе ACO Hydraulic Design. Это является следствием того,
чтометодпредельныхинтенсивностейосновываетсянаформулесостепенной
зависимостью, в то время как значение удельного расхода дождевых вод в программе ACO
Hydraulic Design является константой.
Рисунок 5 – Результаты расчёта расхода дождевого стока рациональным методом по
BS EN 752:2017 и методом предельных интенсивностей по СП 32.13330.2018.
Рисунок 6 – Продольный профиль канала, построенный по результатам расчёта по
методу предельных интенсивностей согласно СП 32.13330.2018
Рисунок 7 – Продольный профиль канала, построенный по результатам расчёта
рациональным методом согласно BS EN 752:2017
Анализ работы программного обеспечения ACO Hydraulic Design показал, что в своей
основе оно использует упрощённую линейную формулу расчёта расхода дождевых вод.
Интенсивность дождя в ней не зависит от его продолжительности. Данный момент
противоречит расчётным формулам, приведённым в СП 32.13330.2018, которые используют
в своей основе степенные зависимости, при этом удельный расход падает в зависимости от
времени.
Поэтому наблюдаются достаточно серьёзные расхождения в значениях удельного
расхода, которые, в свою очередь, дают расхождение при определении значения общего
расхода с водосборной территории и, как итог, имеются значительные расхождения в
определении диаметров каналов.
Сделан вывод о том, что программу ACO Hydraulic Design невозможно использовать
и адаптировать в соответствии с нормативными документами РФ. На текущий момент
отсутствует методика гидравлического расчёта для открытой системы водоотвода ACO
Qmaxна основе нормативных требований СП 32.13330.2018, а также таблицы
гидравлических характеристик трубопроводов. Для их разработки были проведены
экспериментальные исследования.
В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследований
гидравлическиххарактеристиктрубопроводасистемыводоотводаACO Qmax.
Исследования проводились в лаборатории Гидравлики и гидромеханики НИУ МГСУ при
различных гидравлических режимах на специальном стенде, представленном на рисунке 8.
Рисунок 8 – Экспериментальный стенд НИУ МГСУ для определения гидравлических
характеристик каналов АСО Qmax
В ходе исследования использовалось следующее оборудование:
лабораторный канал, оборудованный домкратной системой для изменения
уклона и электромагнитным расходомером;
электронный шпиценмасштаб (датчик уровня для измерения глубины потока);
скоростемер микрокомпьютерный (микровертушка).
В лабораторный канал был установлен гофрированный трубопровод системы АСО
Qmax.Надомкратноммеханизмелабораторногоканалаустанавливалсяуклон
соответственно 0,5% и 1%. Расход замерялся электромагнитным расходомером. На
протяжении всей длины трубопровода в верхней его части были вырезаны технологические
отверстия, через которые производились замеры глубины потока электронными датчиками
уровня. В расчётах использовалась глубина потока, свободная от начальных возмущений,
вызванных внезапным сужением потока при входе в трубопровод. Измерения скорости
также производились на участке, расположенном на достаточном удалении от входа, где
течение стабилизируется и может считаться равномерным.
Трубопровод ACO Qmax имеет рёбра жёсткости, которые являются вогнутыми
внутри, в области лотка. Поэтому эксперимент проводился как для чистого канала, так и для
«заиленного».Дляимитациичастичного заиливания нижнейчаститрубопровода
гофрированные складки в придонной области и полые опоры были заполнены плиточным
клеем.
На рисунке 9 представлены осреднённые данные по наполнению каналов, а на
рисунке 10 – скорости течения жидкости.
0,8
0,7
Наполнение . h/d
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
102030405060708090
Расход Q,м3/час
i=0.005i=0.01i=0.005 заил.i=0.01 заил.
Рисунок 9 – Изменение наполнения трубопровода в зависимости от расхода при
различных уклонах h⁄d = f(Q)
0,8
Скорость потока V, м/с
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
102030405060708090
Расход, Q, м3/час
i=0.005i=0.01i=0.005 заил.i=0.01 заил.
Рисунок 10 – Сопоставление экспериментальных значений средних скоростей течения
в заиленном и незаиленном трубопроводах
Из графиков видно, что отсутствует ярко выраженное различие в характеристиках при
чистом канале и с учётом фактора заиливания. Основное сопротивление в канале создают
регулярно расположенные рёбра жёсткости. Обработка экспериментальных данных также
показала, что значение шероховатости мало изменяется в зависимости от уклона и
наполнения и представлена на рисунке 11.
0,026
шероховатости по
Коээфициент
Маннингу, n
0,022
0,018
0,014
0,20,30,40,50,60,70,8
Наполнение канала, h/d
Заиленный каналЧистый канал
Рисунок 11 – Изменение шероховатости в зависимости от наполнения трубопровода.
Рекомендуемое значение шероховатости по Маннингу, полученное в результате
обработки опытных данных, составляет n=0,022 – 0,024. При этом в программу для расчёта
АСО Qmax заложено меньшее значение, равное 0,0189. Поэтому не рекомендуется
использовать данный программный комплекс.
Установлено, что частичное заиливание трубопровода в пределах гофра лотковой
части практически не оказывает влияния на его пропускную способность.
В главе 5 приведена методика гидравлического расчёта систем водоотвода АСО
Qmах для сбора и отведения поверхностных сточных вод.
Основные положения методики:
1. В качестве исходных данных для выполнения гидравлических расчётов системы
водоотведения, проектируемой из открытых каналов (лотков) системы водоотвода ACO
Qmaxрекомендуетсяиспользоватьгидрометеорологическиеданныемноголетних
наблюдений за атмосферными осадками на территории различных климатических районов
Российской Федерации, а также данные инженерно-гидрометеорологических изысканий,
выполненные на объекте строительства.
2. Расчёт самотёчных открытых каналов (лотков) системы водоотвода АСО Qmax
производится по формулам установившегося равномерного движения:
= × × 1000(4)
= √ × (5)
где: – расход воды, л/с; – площадь живого сечения, м2; – скорость движения
воды, м/с; – коэффициент Шези (сопротивления), – гидравлический радиус, м; –
гидравлический уклон.
Коэффициент Шези С определяется по формуле Маннинга:
С = 1/6(6)
где n – коэффициент шероховатости с учётом условий заиления лотковой части
открытых каналов (лотков) системы водоотвода АСО Qmax по Маннингу составляет 0,022 –
0,024.
3. Исследования показали, что наименьшие диаметры каналов (лотков) системы
водоотвода АСО Qmax круглого сечения согласно СП 32.13330.2018 следует принимать для
дождевой уличной сети – 250 мм, для внутриквартальной – 200 мм. Наименьшие уклоны
открытых каналов (лотков) системы водоотвода АСО Qmax следует принимать в
соответствии с данными таблицы 5 пункта 5.5.2 СП 32.13330.2018.
4. Расходы дождевых вод, необходимые для подбора размеров (диаметров)
самотёчных каналов системы водоотвода ACO Qmax, отводящих поверхностные сточные
воды в централизованные системы дождевой канализации поселений или в водные объекты,
определяются методом предельных интенсивностей по формуле:
· 1.2 ·
=(7)
1.2 −0.1
гдеZ mid– среднеезначениекоэффициента(покрова), характеризующего
поверхность бассейна стока,
A– климатические параметры, характеризующие интенсивность и
nпродолжительность дождей в районе строительства;
F– расчётная площадь стока (водосбора), га
tr– расчётная продолжительность дождя, равная продолжительности
протекания дождевых вод по поверхности и каналам водоотвода АСО
Qmax до расчётного участка (сечения), мин.
Среднее значение коэффициента Zmid определяется как средневзвешенная величина в
зависимости от коэффициентов i, характеризующих поверхность водосбора застраиваемой
территории в границах землеотвода.
5. Расчётная продолжительность протекания дождевых вод по поверхности, каналам
(лоткам) и трубам tr до расчётного створа определяется по формуле:
= + + (8)
гдеt con– время поверхностной концентрации дождевого стока, мин, при наличии
внутриквартальной дождевой сети принимается 3-5 мин;
t can– продолжительность протекания дождевых вод по открытым каналам
(лоткам) системы водоотвода АСО Qmax до рассчитываемого сечения,
мин, определяется по формуле:
= 0,021 ∑ / (9)
где 0,021 – коэффициент пересчёта.
Установлено, что для открытых каналов системы водоотвода АСО Qmax
коэффициент пересчёта следует принимать 0,017, в связи с тем, что коэффициент
шероховатости каналов уже учтён в формулах, использованных при составлении таблиц для
гидравлического расчёта системы водоотвода АСО Qmax для сбора и отведения
поверхностных сточных вод.
lcan – длина участков каналов (лотков) системы водоотвода АСО Qmax, м; νcan –
расчётная скорость течения на участке каналов (лотков) системы водоотвода АСО Qmax, м/с,
принимается в соответствии с уклоном лотков по таблицам гидравлического расчёта; tp –
продолжительность протекания дождевых вод по трубам (при проектировании закрытой
системы дождевой канализации), мин определяется по формуле:
= 0,017 ∑ / (10)
где – длина расчётных участков коллектора, м; vp – расчётная скорость течения на
отдельных участках, м/с, принимается в соответствии с гидравлическим расчётом сети
(выполняется по таблицам для гидравлического расчёта канализационных сетей с учётом
материала трубопроводов).
ПриподключенииканаловсистемыводоотводаАСОQmaxкколодцу
централизованной системы дождевой канализации продолжительность протекания дождевых
вод по трубам tp принимается равной 0.
На основе экспериментальных данных и полученных гидравлических характеристик
были разработаны таблицы гидравлического расчёта для всего сортамента каналов системы
ACO Qmax, включая каналы овоидального сечения. Расчёт проводился с использованием
разработанного в рамках данной диссертационной работы алгоритма гидравлического
расчёта. Шаг наполнения и уклона сети аналогичны таблице Лукиных.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Исследованы конструктивные и гидравлические характеристики инновационной
системы сбора и отвода поверхностных сточных вод АСО Qmax.
Установлено, что система водоотвода АСО Qmax обладает рядом преимуществ,
которые выделяют её по отношению к стандартным решениям в части отвода поверхностных
сточных вод: транспортабельность, монтаж, обслуживание и срок службы. Однако
применениюданноговидаконструкцийпрепятствуетотсутствиеметодикиих
гидравлического расчёта, в том числе таблиц для подбора сечений (диаметров) каналов,
которая бы удовлетворяла требованиям российской нормативно-методической базы
проектирования систем отведения ПСВ и реальному проектированию.
Вэтойсвязивработевпервыепроведеныисследованиегидравлических
характеристик трубопроводов, каналов (лотков) инновационной системы водоотвода АСО
Qmax, разработаны новые принципы их расчёта с учётом адаптации для российских условий
и нормативных требований и дано обоснование их параметров путём экспериментального и
теоретического моделирования процессов.
2. Сделан вывод о том, что программу ACO Hydraulic Design невозможно
использовать и адаптировать в соответствии с нормативными документами РФ для
проведения гидравлических расчётов коллекторов сетей ливневой канализации на
территории городов и поселений России. Уточнены формулы расчёта овоидального типа
труб с целью включения их в алгоритм гидравлического расчёта. Была проведена оценка
возможности применения алгоритма расчёта программы ACO Qmax для выбора диаметров
каналов с учётом нормативных требований Российской Федерации.
Сравнение результатов определения расходов поверхностного стока, полученных
согласно нормативному документу BS EN 752:2017 и по российским нормативно-
методическим документам показало невозможность применения формул европейского
стандарта BS EN 752:2017 для создания гидравлической электронной модели программного
обеспечения расчётов в соответствии с требованиями российских нормативов.
3. Выполнены экспериментальные исследования гидравлических характеристик
гофрированного трубопровода АСО Qmax. Значение шероховатости по Маннингу,
полученное в результате обработки опытных данных составило n = 0,022 – 0,024.
Установлено, что частичное заиливание канала в пределах гофра лотковой части
практически не оказывает влияния на его пропускную способность.
4. Приведённая в работе методика гидравлического расчёта открытых каналов
системы водоотвода поверхностных сточных вод и таблиц их гидравлического расчёта
позволяет проектировать и применять инновационные системы сбора и отвода ПСВ АСО
Qmax на территории России.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы:
1.Усовершенствованиеметодикирасчётаосновныхпараметровработыи
конструктивныхэлементовинженерныхсооруженийсистемсбораиотведения
поверхностных сточных вод, учитывающих изменение коэффициентов стока в связи с
увеличением плотности городской застройки, применением новых водопроницаемых
покрытий, высокотехнологичных элементов и новых систем сбора и отвода дождевых
стоков.
2. Предложения при актуализации СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и
сооружения» СНиП 2.04.03-85 в части проектирования инновационных систем водоотвода
поверхностных сточных вод из полимерных материалов.
3. Проведение гидравлических испытаний эксплуатируемых систем водоотвода АСО
Qmax с целью совершенствования их конструкции и работы и разработки регламента
эксплуатации.
Актуальность темы исследования. Безопасность и надёжность систем
централизованного водоотведения являются одним из основных требований, предъявляемых к
системе отведения поверхностных сточных вод (ПСВ), так как это важнейшая составляющая
здоровья населения и один из приоритетов социальной политики государства [1], [2], [3], [4].
Поверхностные сточные воды, образующиеся на территории городов и населённых
пунктов страны во время выпадения атмосферных осадков, являются интенсивным источником
техногенного загрязнения окружающей среды, в первую очередь водных объектов [5], [6], [7],
[8]. Большой физический износ, «старение» сетей и очистных сооружений систем дождевой
канализации большинства городов России, обусловливают возрастающую долю работ по их
реконструкции (модернизации), а в ряде городов в условиях отсутствия централизованных
систем отведения поверхностного стока требуется прокладка новых сетей и строительство
очистных сооружений [9], [10], [11].
В условиях развития современных российских и зарубежных технологий и оборудования
для защиты окружающей среды от техногенных загрязнений, актуальна разработка
инновационных систем сбора, отвода и очистки поверхностных сточных вод, позволяющих
использовать последние достижения отраслевой науки и техники. [12], [13], [14], [15], [16], [17].
Широко известны преимущества применения труб и коллекторов из новых полимерных
материалов перед трубами из традиционных материалов (асбестоцементными,
железобетонными) при строительстве и эксплуатации безнапорных систем водоотведения, в
том числе дождевой канализации. К их преимуществам относятся небольшая масса, высокие
гидравлические характеристики, простота монтажа стыковых соединений, что сокращает сроки
строительства. К эксплуатационным преимуществам, как правило, относятся устойчивость
против коррозии, гладкость стенок и высокая пропускная способность [18], [19], [20].
Применение новых материалов при прокладке трубопроводов требует дополнительных
исследований возможности использования отечественных подходов при проектировании
дождевых сетей к новым системам водоотвода.
В настоящее время на российский рынок вышли российские и зарубежные компании,
предлагающие инновационные конструкции открытых систем водоотвода поверхностных
сточных вод, которые имеют широкий спектр применения благодаря своим конструктивным
особенностям и способности выдерживать большие нагрузки. Примером такой инновационной
конструкции открытых систем водоотвода является система водоотвода компании
ACO Industries Tabor s.r.o. (Чешская Республика) марки АСО Qmax [21], [22], [23], [24], [25].
Системы каналов АСО Qmax могут применяться для сбора и отведения поверхностного
стока с водосборных бассейнов различного функционального назначения, в том числе:
паркингов для легковых и грузовых автомобилей; на пересечениях дорог; автострадах и шоссе;
в промышленных зонах с движением грузовых автомобилей; причалах и пристанях; лётных
полях аэродромов; АЗС; транспортных терминалах и складах; ТЦ и магазинах; мойках
автотранспорта, пешеходных и парковых зонах. Однако, применению данной системы
водоотвода препятствует отсутствие методики их гидравлического расчёта, в том числе таблиц
для подбора сечений (диаметров) каналов, которая бы удовлетворяла требованиям российской
нормативно-методической базы проектирования систем отведения поверхностных сточных вод
и реальному проектированию [24], [25], [26].
В этой связи представляется актуальным исследование эксплуатационных и
гидравлических характеристик трубопроводов, каналов (лотков) инновационной системы
водоотвода АСО Qmax, разработка новых принципов их расчёта с учётом адаптации для
российских условий и нормативных требований и обоснование рекомендуемых параметров
путём сравнения результатов гидравлических расчётов коллекторов и каналов с
использованием актуализированного программного обеспечения и экспериментального и
теоретического моделирования процессов.
Степень разработанности темы. Основные принципы расчёта систем сбора и отвода
поверхностного стока рассмотрены в работах М. И. Алексеева, В.С Дикаревского, А.М.
Курганова, Калицуна В.И., Игнатчика В.С., Верещагиной Л.М., Пупырева Е.И., Соколовой Е.В.,
Швецова В.Н., Muthukaruppan M., Ellis, J. B. Morrison, G. M. и др. Большинство из них
выполнены во второй половине ХХ века и ориентированы на централизованную систему
водоотведения поверхностного стока и традиционные методы эксплуатации, не учитывают
современные инновационные материалы и возможности информационных технологий [27],
[28], [29], [30], [31], [32].
В существующих российских нормативных документах при расчёте расхода дождевых вод
используются степенные зависимости, при этом расход зависит от времени добегания
дождевого стока до расчётного створа, которое отсутствует в расчётной формуле европейского
норматива BS EN 752:2017, что требует исследований гидравлических и эксплуатационных
характеристик [33], [34], [35], [36], [37].
При проектировании систем водоотвода АСО Qmax данный факт может давать
искажённые результаты определения размеров сечений (диаметров) каналов системы
водоотвода АСО Qmax. Очевидно, что при проектировании инновационных систем водоотвода
АСО Qmax при выполнении гидравлических расчётов невозможно применять «Таблицы для
гидравлического расчёта канализационных сетей и дюкеров по формуле акад.
Н.Н. Павловского» [29].
Таким образом, актуальна научная задача – совершенствование эффективности
функционирования трубопроводов и сооружений открытой системы сбора и отвода ПСВ на
основе экспериментальных исследований, разработки новых алгоритмов и методики
гидравлических расчётов и адаптации этих систем для российских условий. Сформулированная
научная задача исследований логически вытекает из степени научной разработанности темы и
соответствует потребности на нормативном и законодательном уровне в новых методах и
моделях расчета инновационных систем водоотвода ПСВ.
Объектом исследования является система водоотвода АСО Qmax, которая относится к
открытой системе водоотвода поверхностных сточных вод, формирующихся при выпадении
атмосферных осадков.
Предметом исследования является совершенствование эффективности
функционирования трубопроводов и сооружений открытой системы сбора и отвода
поверхностных сточных вод и методов их расчёта.
Цель работы – разработка и научное обоснование методики расчёта и
совершенствования эффективности функционирования трубопроводов и сооружений открытой
системы сбора и отвода поверхностных сточных вод.
Научная гипотеза, сформулированная на основе анализа классических подходов к
описанию гидравлических характеристик трубопроводов – поиск универсальных зависимостей,
пригодных для использования в любых граничных условиях, создающих основу для решения
инженерных задач проектирования и эксплуатации инновационных систем сбора и отвода
поверхностных сточных вод.
Задачи исследования. Поставленная цель реализуется путём решения следующих
взаимосвязанных основных задач:
1. Анализ законодательных и нормативно-методических документов РФ,
регламентирующих гидравлические расчёты самотёчных водоотводящих трубопроводов
и проектирование систем сбора и отведения поверхностных сточных вод.
2. Анализ европейского документа BS EN 752:2008 «Расчет наружной канализации» и
сравнение его с российскими стандартами.
3. Анализ алгоритма и зарубежного программного обеспечения для гидравлического
расчёта системы водоотвода АСО Qmax.
4. Исследование конструктивных и гидравлических характеристик инновационных систем
сбора и отвода поверхностных сточных вод.
5. Гидравлический расчёт системы водоотвода АСО Qmax, используя разработанные
алгоритм и программное обеспечение АСО Qmax и расчет по российским нормативным
документам на основе разработанного алгоритма. Сравнительный анализ результатов
расчёта.
6. Экспериментальные исследования гидравлических характеристик трубопровода АСО
Qmax и их интерпретация.
7. Разработка алгоритма и методики гидравлического расчёта системы водоотвода АСО
Qmах сбора и отведения поверхностных сточных вод и таблиц гидравлического расчёта.
Научная новизна диссертационной работы основана на решении задачи повышения
эффективности функционирования трубопроводов и сооружений инновационной системы
сбора и отвода ПСВ и разработки новой методики гидравлического расчёта открытых каналов
системы водоотвода АСО Qmax и заключается в:
моделировании течения ПСВ в открытых канала АСО Qmax и переносе
экспериментальных данных с модели на натурный объект;
разработки алгоритма гидравлического расчёта открытых каналов системы водоотвода
АСО Qmax;
уточнены формулы расчёта овоидального типа труб для возможности включения их в
алгоритм гидравлического расчёта;
отказом в гидравлических расчётах от применения коэффициента β, понижающего
расход дождевых вод;
учётом при расчёте периода однократного превышения расчётной интенсивности дождя
условий устройства и расположения закрытой коллекторной сети, принимающей дождевой
сток, отводимый открытыми каналами АСО Qmax (во избежание подтопления территорий даже
при расчётном дожде).
Теоретическая значимость работы основана на:
− исследовании конструктивных и гидравлических характеристик инновационных
систем сбора и отвода поверхностных сточных вод;
− разработке алгоритма программного обеспечения для гидравлического расчёта
системы водоотвода АСО Qmax и интерпретации результатов расчёта для реального объекта;
− моделировании особенностей течений и переносе экспериментальных данных с
модели на натурный объект;
− сравнительном анализе российских и зарубежных законодательных и нормативно-
методических документов, регламентирующих гидравлические расчёты самотёчных
водоотводящих трубопроводов и проектировании систем сбора и отведения поверхностных
сточных вод, и особенностях их применения в практике проектирования.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке:
1. Новой методики гидравлического расчёта открытых каналов системы водоотвода
поверхностных сточных вод.
2. Таблиц гидравлического расчёта открытых каналов системы водоотвода
поверхностных сточных вод, позволяющих проектировать и применять инновационные
системы сбора и отвода поверхностных сточных вод на территории России.
3. Обосновании преимуществ системы водоотвода АСО Qmax, которые выделяют её по
отношению к стандартным решениям в части отвода поверхностных сточных вод и позволяют
эффективно их использовать.
Методология и методы исследования.
Методологической базой исследования послужили методы математического
моделирования и классической гидравлики.
Положения, выносимые на защиту:
1. Алгоритм программного обеспечения для гидравлического расчёта расхода и подбора
необходимых диаметров коллекторов для отведения поверхностного стока и результаты
расчёта для реального объекта.
2. Экспериментальные исследования и моделирование гидравлических характеристик
трубопровода системы водоотвода АСО Qmax.
3. Сравнительный анализ результатов гидравлического расчёта системы водоотвода
АСО Qmax, используя алгоритм и программное обеспечение АСО Qmax и разработанный
новый алгоритм расчёта, соответствующий требованиям российских нормативных документов.
4. Уточненные гидравлические параметры каналов овоидального сечения системы АСО
Q max.
5. Новая методика гидравлического расчёта открытых каналов системы водоотвода АСО
Qmax, адаптированная для российских условий формирования и отвода ПСВ.
Результаты исследований нашли отражение при проектировании
АО «МосводоканалНИИпроект» систем отвода и очистки поверхностных сточных вод и
АО ПИНИБ «ГИТЕСТ» при разработке схемы водоотведения города Тюмени.
Степень достоверности результатов исследования.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается
согласованием расчётно-аналитических результатов с основными законами гидравлики и
данными выполненных исследований граничных экспериментальных гидравлических
характеристик открытой системы водоотвода в различающихся условиях, а также применением
стандартной техники измерений в условиях лаборатории, результатами практических расчётов
открытой системы сбора и отвода поверхностных сточных вод.
Личный вклад автора состоит в разработке и обосновании алгоритма и новой методики
гидравлического расчёта открытых каналов системы водоотвода поверхностных сточных вод,
личном участии в выполнении основного объёма экспериментальных исследований, анализе и
интерпретации экспериментальных данных, в написании научных статей и внедрении
результатов работы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и
обсуждались на научно-практических конференциях и симпозиумах: «Технологии в
инженерно-экологическом строительстве, механизации и жилищно-коммунальном комплексе»,
МГСУ (2017 год); Матес веб-конференций МГСУ (2018 год); Conference Schedule VI
International Scientific Conference Integration, Partnership And Innovation In Construction Science
And Education (IPICSE-2018); Международной конференции: Четвёртые Виноградовские чтения
(2020); Третьем Всероссийском научно-практическом семинаре «Современные проблемы
гидравлики и гидротехнического строительства» (2020 г.). Более подробно информация
приведена в приложении А.
Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 17 изданиях,
8 из представленных работ опубликованы в научных журналах, входящих в «Перечень
рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные
результаты диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, на соискание степени
доктора наук». 5 работ опубликованы в изданиях, индексируемых в международных
реферативных базах (Scopus).
Список опубликованных научных работ Тена А.Э. (лично и в соавторстве) приведен в
Приложении А.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из
введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Общий объём – 158 страниц,
в том числе: 25 таблиц, 58 рисунков. Список литературы содержит 92 наименования.
ГЛАВА 1. ОБЗОР ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И
НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ ПО РАСЧЁТУ СИСТЕМЫ СБОРА И ОТВЕДЕНИЯ
1. Выполнен сравнительный анализ законодательных и нормативно-методических
документов РФ, регламентирующих гидравлические расчёты самотёчных водоотводящих
трубопроводов и проектирование систем отведения и очистки поверхностных сточных вод, и
анализ европейского документа BS EN 752:2017.
2. Исследованы конструктивные и гидравлические характеристики инновационной
системы сбора и отвода поверхностных сточных вод АСО Qmax.
Установлено, что система водоотвода АСО Qmax, обладает рядом преимуществ, которые
выделяют её по отношению к стандартным решениям в части отвода поверхностных сточных
вод: транспортабельность, монтаж, обслуживание и срок службы. Однако применению системы
водоотвода АСО Qmax на территории Российской Федерации препятствует отсутствие
методических указаний, в том числе таблиц для гидравлического расчёта, которые советовали
нормативно-методической базе проектирования систем водоотведения и практике
проектирования в России.
В связи с этим в работе впервые проведены исследование гидравлических характеристик
трубопроводов, каналов (лотков) инновационной системы водоотвода АСО Qmax, разработаны
новые принципы их расчёта с учётом адаптации для российских условий и нормативных
требований и дано обоснование их параметров путём экспериментального и теоретического
моделирования процессов.
3. Сделан вывод о том, что программу ACO Qmax невозможно использовать и
адаптировать в соответствии с нормативными документами РФ. Для проведения
гидравлических расчётов коллекторов сетей ливневой канализации на территории городов и
поселений России впервые разработан алгоритм расчёта с возможностью расчёта овоидальных
типов труб.
Была проведена оценка возможности применения алгоритма расчета программы ACO
Qmax для выбора диаметров каналов с учётом нормативных требований Российской
Федерации.
4. Сравнение результатов определения расходов поверхностного стока, полученных
согласно нормативному документу BS EN 752:2017 и по российским нормативно-методическим
документам, показало невозможность применения формул европейского стандарта BS EN
752:2017 для создания гидравлической электронной модели программного обеспечения
расчетов в соответствии с требованиями российских нормативов.
5. Выполнены экспериментальные исследования гидравлических характеристик
трубопровода АСО Qmax. Значение шероховатости по Маннингу, полученное в результате
обработки опытных данных составило n = 0,022 – 0,024. Частичное заиливание канала в
пределах гофра лотковой части практически не оказывает влияния на его пропускную
способность.
6. Приведённая в работе новая методика гидравлического расчёта открытых каналов
системы водоотвода поверхностных сточных вод и таблиц их гидравлического расчёта,
позволяет проектировать и применять инновационные системы сбора и отвода поверхностных
сточных вод системы АСО Qmax на территории Российской Федерации.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы:
1. Усовершенствование методики расчёта основных параметров работы и конструктивных
элементов инженерных сооружений систем сбора и отведения поверхностных сточных вод,
учитывающих изменение коэффициентов стока в связи с увеличением плотности городской
застройки, применением новых водопроницаемых покрытый, высокотехнологичных элементов
и новых систем сбора и отвода дождевых стоков.
2. Учёт результатов исследований при актуализации СП 32.13330.2018 СНиП
«Канализация. Наружные сети и сооружения» в части проектирования инновационных систем
водоотвода поверхностных сточных вод из полимерных материалов.
3.Проведение гидравлических испытаний эксплуатируемых систем водоотвода АСО Qmax
с целью совершенствования их конструкции и работы и разработки регламента эксплуатации.
Публикации автора в научных журналах
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!