Гидравлический расчет разводящей сети труб сводится к определению диаметров труб отдельных ее участков и потерь напора в них. Для гидравлического расчета сети необходимо знать не только конфигурацию сети и протяженность всех линий, но также надо знать в каких узлах и как производится разбор воды из нее населением и крупными водопотребителями. Установить точно, как производится отбор воды из сети различными потребителями, задача весьма трудная. Поэтому в расчетах водопроводных сетей условно принимается упрощенная схема водоразбора, допускающая, что часть воды, поступающая в сеть, отбирается в определенных (заданных) узлах, а остальная часть воды расходуется равномерно по длине сети.
Расходы воды, отбираемые в определенных узлах сети, называются сосредоточенными расходами. К ним относят расходы воды таких потребителей, как промышленное предприятие, животноводческий сектор, баня, прачечная, больница и др.
Расход воды, отбираемый равномерно по всей длине сети, называется путевым расходом сети. К нему относят расход воды коммунальным сектором и полив зеленых насаждений. Для определения расчетных путевых и сосредоточенных расходов воды из сети, необходимо знать режим отбора ее из сети различными водопотребителями.
Рис. 2.1 Схема разводящей сети.
Расчет разводящей сети на пропуск секундного максимального расхода воды
Предполагается, что qс.пут.сети разбирается равномерно по всей длине. Общая длина сети Σl из которой вода разбирается равномерно по всей длине будет (см. рис. 2.1):
Σl = l1-2+l2-3+l2-6+l3-4+l6-4+ l7-6+l7-1, м (2.1)
Подставив в эту формулу значения длин участков, получаем:
Σl = 500 + 500 + 750 + 500 + 500 + 750 + 500 = 4000 м
Удельный расход qуд в л/с на один погонный метр сети определяется по формуле:
qуд = 
= 0,0128 л/с на п/м (2.2)
Путевые расходы для каждого участка qпут.уч в л/с определяется по формуле:
qпут.уч= qуд· lуч . (2.3)
где lуч - длина участка сети в м.
Узловой расход воды в любом узле сети qуз в л/с определяется по формуле:
qуз 
(2.4)
где Σqпут.уч - сумма путевых расходов участков сети, примыкающих к данному узлу в л/с.
Номера узлов, из которых отбираются сосредоточенные расходы (баня, больница, прачечная, животноводческий комплекс или промышленное предприятие) определятся местом их расположения на генплане населенного пункта.
Определение путевых расходов участков сети и узловых расходов удобно свести в таблицу 2.1.
Полученные в таблице 2.1 путевые и узловые расходы наносятся на рисунке 2.1.
Таблица 2.1
Вычисление путевых и узловых расходов воды
| № узлов | Линии сети | Длина линий,м | Удельный расход, qуд , л/с | Путевой расход, qпут , л/с | Узловой расход, qуз , л/с | Крупные потребители | Полный узловой расход, qполн.уз, . л/с | |
| Наим. | Расход воды | |||||||
| 1-2 1-6 | 0,0128 л/с на п.м. | 6,41 6,41 | 6,41 | 6,41 | ||||
| 1-2 2-3 2-5 | 9,61 6,41 6,41 | 11,21 | Произ- водст. сектор | 0,34 | 11,55 | |||
| 2-3 3-4 | 9,61 6,41 | 8,005 | 8,005 | |||||
| 4-5 3-4 | 9,61 6,41 | 8,005 | Живот. сектор | 11,05 | 19,055 | |||
| 4-5 5-6 2-5 | 9,31 6,41 6,41 | 11,21 | 11,21 | |||||
| 5-6 1-6 | 6,41 6,41 | 6,41 | 6,41 | |||||
| Всего | 51,25 | 11,39 | 62,64 |
Контроль:
1. Итог графы 6 равен qс.пут.сети.
2. Итог графы 8 равен Σqс.соср .
3. Сумма итогов 6 и 8 граф равна итогу графы 9, который равен qс.макс.
После определения узловых расходов задаются точкой схода потоков и на схеме сети намечают стрелками направление движения воды по всем участкам (рис.2.2).
Ориентировочной распределение расчетных расходов воды по участкам сети поясним на примере.
К расчету сети на пропуск максимального - хозяйственного расхода.
Распределение расходов можно начинать от 1 узла и идти далее по направлению движения воды к узлу 7, а можно начать с самого удаленного от башни узла сети (узел 7) и идти по участкам сети башне против движения воды.
Для примера покажем, как производится распределение первых прикидочных расходов, по участкам сети начиная от башни.
Из башни вытекает qс.макс .=62,64л/с. В узле 1 отбирается узловой расход 6,41 л/с (см.рис.2.2). Следовательно, суммарный расчетный расход на последующих участках за узлом 1 будет: 62,64 – 6,41 = 56,23 л/с.
Определить сразу, сколько воды будет оттекать по участку 1-2 в узел 2 и по участку 1-6 в узел 6, (чтобы сеть сразу увязалась) очень трудно.
Рис. 2.2. Распределение расходов по сети с последующей увязкой
В 7 узле сосредоточен животноводческий сектор, в узле 2 – промышленный сектор.
Поэтому эти расходы намечают ориентировочно, но и не произвольно, а с учетом вычисленных узловых расходов и принятого направления потоков по участкам сети. Определение ориентировочных (первых прикидочных расчетных расходов) начнем с участков 1-2, 1-6, 2-3, 2-5, 3-4 и 5-6.
Из узла 1 к узлу 2 (участок 1-2) надо направить такое количество воды, чтобы его хватило полностью на питание узлов 2 и 3 11,21+0,34+8,005=19,555л/с (см.рис.2.2), и на питание, половины (ориентировочно) расхода в узле 4 (8,005/2 = 4,00 л/с) и половины расхода, оттекающего из узла 4 в узел 7 по линии 4-5 (11,05/2=5,525 л/с).
Таким образом, по участку 1-2 к узлу 2 надо направить расход не менее чем 19,555+4,00+5,525=29,08 л/с. Однако, учитывая, что из узла 2 к узлу 5, по линии 2-5, тоже вытекает количество воды, направим ориентировочно по участку 1-2 в узел 2 расход 34,69 л/с.
Из количества воды 34,69 л/с притекающего в узел 2, в самом узле 2 отбирается 11,21+0,34=11,55 л/с.
Отток воды из узла 2 к узлу 5 по участку 2-5 ориентировочно принимаем равным 7,34л/с, тогда отток воды из узла 2 к узлу 3 по участку 2-3 будет равен 34,69-7,34-11,55= 5,80 л/с.
Расход, на участке 3-4 равен притоку воды к узлу 3 минус узловой расход в узле 3, т.е. 15,80 - 8,005 = 7,795 л/с.
Теперь рассмотрим участки 1-6, 5-6 и 5-4. К узлу 1 по участкуБ-1 притекает 62,64 л/сотбор в узле 1 составляет 6,41 и оттекает из узла 1 к узлу 2 по участку 1-2 расход - 34.69 л/с. Таким образом, из узла 1 оттекает к узлу 6 по участку 1-6 расход равный 62,64 - 6,41- 34,69 = 21,54 л/с.
В узле 6 отбирается узловой расход 6,41 л/с, тогда отток из узла 6 в узел 5 по участку 5-6 будет 21,54 – 6,41 = 15,13 л/с.
К узлу 5 притекает вода из узлов 6 и 2 в количестве 15,13+7,34=22,47 л/с. Отбирается в узле 5 расход 11,21 л/с следовательно, из узла 5 к узлу 4 по участку 5-4 будет идти расход равный 22,47 – 11,21 = 11,26 л/с.
К узлу 4 притекают расходы с участка 3-4 в количестве 7,795 л/с и участка 5-4 в количестве 11,26 л/с. Таким образом, общий приток к узлу 4 будет 11,26 + 7,795 = 19,055 л/с.
Отбор в узле 4 равен 8,005л/с, следовательно, из узла 4 в узел 7 оттекает расход 19,055 - 8,005 = 11,05л/с, что равно узловому расходу в узле 4. Это подтверждает то, что ориентировочное распределение расходов воды по участкам сети сделано правильно.
Учитывая, что водоводы от башни к узлу 1 и от узла 4 к узлу 7 прокладываются каждый в две нитки, расчетные расходы каждой нити будут:
-на участке Б-1 равен 62,64/2 = 31,32 л/с
- на участке 4-7 равен 11,05/2 = 5,525 л/с.
После определения первых прикидочных расчетных расходов по участкам сети задаются материалом труб, руководствуясь рекомендациями [1,2,4,8,9], п.8.20. В примере приняты асбоцементные трубы - ГОСТ 539-78, класса ВТ-9 (на давление 0,9 МПа).
По ориентировочно намеченным расходам каждого участка сети необходимо подобрать диаметры труб, руководствуясь указаниями [1,6].
Диаметры труб следует принимать с учетом экономического фактора по таблицам Шевелева [6], либо по номограмме проф. В.Г. Лобачева (рис.2.3).
В этих таблицах при заданных расходах область экономически выгодных скоростей и диаметров труб помечена жирной линией.
При увязке сети по методу инж. М.М. Андрияшева потери напора по участкам сети h (м) определяют по формуле /6/
h = 1000 i · l; (2.5)
где l - длина участка сети в км.; 1000 i -потери напора в метрах на длине 1000м принимаем по таблице IV Ф.А.Шевелева для асбестоцементных труб ВТ-9.
Так, на участке 1-2, при расходе 34,69 л/с и l = 500м, экономически выгодный диаметр будет (d=200 мм, 1000 i =8,01м и потери напора равны:
h1-2 = 1000 i l = 8,02 · 0,50 = 4,01м
На участке 2-5 при расходе 7,34л/с, l = 500 м и (d=125мм, потери напора равны: h2-5=4,34 · 0,50 = 2,17м.
Аналогично вычислены потери напора на других участках и равны: h1-6=1,66м; h5-6=0,87м; h2-3=5,9м; h3-4=5,70м; h4-5=7,22м.
Рис 2.3. Номограмма определения экономических наивыгоднейших диаметров труб.
Потери напора на смежном участке 2-5 подсчитаны в первом кольце. Подсчитанные потери напора на участках сети нанести на схему сети.
Потери напора условно принимают со знаком плюс на тех участках сети, на которых направление потока совпадает с направлением движения часовой стрелки, и со знаком минус на тех участках, на которых движение потока направлено против часовой стрелки.
После первого тура подсчетов потерь напора определяют невязку в каждом кольце для первого кольца невязка.
ΔhI = (4,01м+2,17м) - (0,87м+1,66м) = 3,65м
ΔhII = (5,90м+5,70м) - (7,22м+2,17м) = 2,21м
В каждом кольце расчетной схемы сети указывается стрелками (сплошная линия) наиболее нагрузочные участки сети. Наиболее нагрузочными участками считаются участки сумма потерь напора, на которых по абсолютному значению больше.
В начале каждой стрелки проставляются цифра, указывающая номер тура увязки, в конце стрелки - абсолютное значение невязки в кольце в м.
Так как невязка в обоих кольцах больше допустимой ±(0,2-0,4 м.), необходимо определить для каждого кольца поправочный (увязочный) расход Δq.
Величину поправочного расхода Δq в л/с для каждого кольца, имеющего невязку ±Δh в м, М.М. Андрияшев рекомендует определять по приближенной формуле /4/:
(2.6)
где ±Δ h -невязка потерь напоров в кольце (берется со знаком) в м; Σh - сумма абсолютных величин потерь напора по кольцу в м.
Средний расход всех входящих в кольцо участков в л/с определяется по формуле:
(2.7)
Σ qi -арифметическая сумма расходов всех участков кольца в л/с; n-число участков в кольце.
В примере (рис. 2.2) послепервого тура, поправочные расходы равны: - для первого кольца:
Δq I= 
4,12 л/с
- для второго кольца:
Δq II= 
0,56 л/с
Вычисленные поправочные расходы указываются на расчетной схеме сети (рис. 2.2) пунктирными стрелками, направленными в противоположное направление стрелок Δh. В начале каждой стрелки проставляется цифра, указывающая номер тура увязки, а цифра, стоящая в конце стрелки обозначает абсолютное значение поправочного расхода в кольце. Исправляют первые прикидочные расходы каждого участка на соответствующие Δq. При этом Δq кольца прибавляется к первым прикидочным расчетным расходам тех участков, на которых направление стрелки Δq (пунктирная стрелка) совпадает с направлением движения воды на участке и вычитается от расчетных расходов тех участков, на которых направление стрелки Δq не совпадает с направлением движения воды на участке.
На смежных линиях (участок 2-5)исправление первых прикидочных расходов производится дважды: исправление вносится со стороны первого кольце на Δq1 и со стороны второго кольца на ΔqII.
Пример: после первого тура увязки исправленные расходы будут (рис.2.2):
- на участке 1-2, q1-2 = 34,69 – 4,12 = 30,57л/с;
- на участке 2-3 q2-3 = 15,80 – 0,56 = 15,24л/с;
- на смежном участке 2-5 q2-5 = 7,34 – 4,12 + 0,56 = 3,78л/с
- и т.д.
После исправления расчётных расходов на всех участках сети производится второй тур увязки, третий и т.д., до тех пор, пока невязка в каждом кольце не будет превышать допустимой, а по внешнему контуру не больше ±1,0 м. В приведенном примере сеть увязана после четвертого тура.
Невязки составляют:
Δh3I = (3,16+1,04) - (1,38 + 2,34) = 0,48 м
Δh3II = (5,11+4,34) - (8,68 + 1,04) = - 0,07 м
По объемлющему контуру:
ΔНк= (3,16+5,11+4,34) - (8,68 +1,38 + 2,34) = - 0,21м
Инж. М.М. Андрияшев предложил после первого тура увязки выделять контуры, охватывающие несколько колец, имеющих невязки одинаковых знаков и увязывать в начале их. Такой искусственный прием оправдывается тем, что поправочные расходы воды на смежных участках колец выбранного контура будут иметь разные знаки, и алгебраическая сумма их будет близка к нулю. При увязке объемлющих контуров каждый раз проверяются невязки в кольцах контура. Этот метод применяется при большем числе колец после первого тура увязки, увязку можно вести по "интуитивному" способу. Этот способ заключается в том, что поправочные расходы колец во втором и последующих турах увязки назначаются ориентировочно, и на величину этой поправки уменьшаются расходы на более нагруженных линиях и увеличиваются на менее нагруженных. Пропуская увязочный расход по кольцам сети необходимо соблюдать правило: количество воды, протекающее по, узлу, должно быть равно количеству воды, вытекающей из узла.
В целях уменьшения арифметических вычислений М.М, Андрияшев предложил после первого тура увязки колец поправочный расход кольца Δ q в л/с определять по более приближенной формуле:
(2.7)
где Δq0 и Δh0 - соответственно поправочный расход в л/с к невязке в м. предыдущего тура увязки; ±Δh - невязка в м., которую требуется уничтожить.
После увязки колец необходимо подобрать диаметры водоводов (тупиков) и определить потери напора в них. Каждый водовод имеет длину более200 м. и поэтому они приняты в две нитки каждый [2], п. 8.5. Расходы воды каждой нитки будут равны:
q ВБ-1 = 
= 31,32 л/с;
q 4-7 = 
= 5,525 л/с
По таблицам Ф.А. Шевелева [6] по расходам в водоводах экономически выгоднейший диаметр каждой нитки принятый из асбестоцементных труб должны быть равен: dВБ-1 = 200мм.;. d4-7= 100 мм.
Однако, учитывая, что при расчете сети на пожар расходы в этих тупиках значительно возрастут и потери напора в них еще в большей степени увеличится, необходимо принять ближайшие большие, рядом стоящие по ГОСТ-539-73 диаметры, а именно: dБ-1 = 250 мм.; d4-7 = 150 мм.
Работу тупиков надлежит проверить: при нормальном режиме и в период аварии на одной из ниток.
Потери напора в каждой нитке тупика при нормальном, режиме будут:
Участок ВБ-1
Расход одной нитки 31,32 л/с, dБ-1 = 250м, по таблицам Ф.А. Шевелева находим значение 1000 i = 2,73 при длине водовода l = 0,5 км, тогда потери напора будут: hВБ-1 = 2,73 · 0,50 =1,37 м
Участок 4-7
Расход одной нитки 5,525 л/с, и d4-7= 150мм., l = 0,45 км, находим 1000 i = 1,12 м, потери напора будут: h4-7 =1,12 · 0,45 = 0,51 м.
При отключении одной нитки тупиковой линии (в случае – аварии) расчетные расходы в водоводах будут равны:
Участок ВБ-1 qВБ-1= 0,7 · qс.макс = 0,7 · 62,64 = 43,85 л/с.
Участок 4-7 q4-7= 0,7 · q4-5 =0,7 · 11,05 = 7,74 л/с.
При подсчитанных расходах и ранее принятых диаметрах водоводов, потери напора в них при аварии будут:
УчастокВБ - 1: hБ-1 = 4,95 · 0,50 = 2,48м;
Участок 4-7: h4-7 = 2,64 · 0,45 = 1,19м.
