Гидравлический расчет безнапорных трубопроводов

12 мая 2016 г.

В основе гидравлических расчетов безнапорных (самотечных) трубопроводов лежит условие соблюдения установившегося равномерного движения воды в трубах по двум основным формулам:

  • формула неразрывности потока

g=ω·V

  • формула Шези

V=C·√R·i

где q — расход жидкости, м3/с; ω — площадь живого сечения, м2; V — скорость движения жидкости, м/с; R — гидравлический радиус, м; i — гидравлический уклон (равный уклону трубы при установившемся равномерном движении); С — коэффициент Шези, зависящий от гидравлического радиуса и шероховатости смоченной поверхности трубопровода, м0,5/с.

Основная трудность при проведении гидравлических расчетов заключается в определении коэффициента Шези.

Рядом исследователей предложены собственные универсальные формулы (эмпирические или полуэмпирические зависимости), в той или иной степени описывающие зависимость коэффициента Шези от гидравлического радиуса, величины шероховатости стенок трубопровода и других факторов:

  • формула Н, Н. Павловского:

С=1/n·Ry

где п — относительная шероховатость стенки трубы; для определения показателя степени у используется формула

у=2,5·√n-0,13-0,75·√R·(√n-0,1)

  • формула А. Маннинга:

С=1/n·R1/6

  • формула А. Д. Альтшуля и В. А. Лудова для определения у.

у=0,57-0,22·lgC

  • формула А. А. Карпинского:

у=0,29-0,0021·С.

На базе указанных и других аналогичных зависимостей построены таблицы гидравлического расчета и номограммы, которые позволяют инженерам-проектировщи- кам проводить гидравлический расчет безнапорных сетей и каналов из различных материалов. Расчет безнапорных самотечных трубопроводов рекомендуется производить с использованием известной формулы Дарси — Вейсбаха:

i=λ/4R · V2/2g

где λ — коэффициент гидравлического трения; g — ускорение свободного падения, м/с2.

Коэффициент Шези можно определить как:

С=√8g/λ

Наиболее апробированными и лучше других согласующимися с опытными данными, из отмеченных ранее формул, полученных отечественными исследователями, являются формулы Н. Н. Павловского. Справедливость этих формул подтверждена и проверена инженерной практикой, и не вызывает сомнений возможность дальнейшего их использования для гидравлического расчета безнапорных сетей из керамики, бетона и кирпича, т. е. тех материалов, где коэффициент шероховатости п составляет порядка 0,013-0,014, а также полимерных с определенными поправочными коэффициентами.

Современные тенденции широкого использования новых труб из различных материалов (в том числе полимерных) в период ремонта и реконструкции старых сетей приводят к тому, что водоотводящая сеть городов из года в год становится все более разнородной, что сказывается на трудностях оценки гидравлических показателей, а также на затруднении эксплуатации, так как для каждого разнородного участка трубопровода должны применяться соответствующие методы обслуживания (например, прочистки и т. д.).

Для трубопроводов из новых материалов на сегодняшний день пока нет строгих гидравлических зависимостей изменения коэффициентов С и λ, Более того, каждый производитель новых типов труб обнародует свои, подчас необъективные критерии оценки гидравлической совместимости труб из различных материалов. Задача еще более усугубляется, когда таких материалов много и каждый из них находит свою нишу при ремонте сетей. В результате появляется некое подобие сети с «заплатками». Это не исключает гидравлического дисбаланса, т. е. возможных негативных тенденций, связанных с подтоплением в местах стыковки труб или на определенных расстояниях от мест стыковки.

Таким образом, проектировщику на каждый вид материала трубопровода или защитного покрытия желательно иметь унифицированные зависимости изменения гидравлических характеристик, т. е. результаты натурных экспериментов по определению коэффициентов Шези, Дарси и других параметров труб из различных материалов. Отсюда в качестве вывода надо констатировать значимость проведения экспериментальных гидравлических исследований. Полученные в период экспериментов на одном диаметре опытные значения коэффициента Шези могут являться критерием приближенного гидравлического подобия для перехода на другие диаметры.