Оценка совместной работы колодца-поглотителя и отводящего коллектора мелиоративной сети

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОЦЕНКА СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ КОЛОДЦА-ПОГЛОТИТЕЛЯ И ОТВОДЯЩЕГО КОЛЛЕКТОРА МЕЛИОРАТИВНОЙ СЕТИ

В.М. Макоед; Г.В.Хмелевская - канд. техн. наук

РУП «Институт мелиорации», г. Минск, Республика Беларусь

Выявлены особенности совместной работы колодца-поглотителя с отводящим коллектором для условий безнапорного и напорного режимов движения воды. Показано, что при высокой водоприемной способности колодцев-поглотителей лимитировать пропускную способность системы «колодец-поглотитель-отводящий коллектор» будут параметры отводящего коллектора, работающего в напорном режиме, а именно, его диаметр, длина и уклон. Разработаны графики для определения параметров отводящего коллектора.

There are revealled particularities of collaboration of pit-absorber with conducting collector for conditions free-surface and pressure mode of water flow. There are shown that under high water-recieving ability of pit-absorbers parameters of conducting collector working in pressure mode will limit reception capacity of the "pit-absorber-conducting collector" system be a as follows, its diameter, length and gradient. There are designed graphs for determination of conducting collector parameters.

При реконструкции и восстановлении мелиоративных систем одним из эффективных мероприятий отвода избыточных поверхностных вод из замкнутых понижений рельефа является устройство колодцев-поглотителей.

Для оценки совместной работы колодца-поглотителя и отводящего коллектора выполнен расчет параметров отводящего коллектора для условий безнапорного и напорного режимов движения воды.

В настоящее время параметры отводящего коллектора колодца-поглотителя рассчитываются по методике пособия и формулам безнапорного движения воды в коллекторе, в которых не учитывается совместная работа отводящего коллектора с колодцем-поглотителем [1]. В расчет при незатопленном дренажном устье вводится значение физического уклона коллектора, а при затопленном устье - гидравлического уклона (с учетом гидростатических и гидравлических потерь напора, методика определения которых не приводится).

Для уточнения методики расчета отводящего коллектора необходимо учесть особенности совместной работы колодца-поглотителя с отводящим коллектором.

Для условий безнапорного режима движения воды расчетная формула имеет вид:

где Q - расход отводящего коллектора; D - диаметр отводящего коллектора; i - уклон коллектора; n - коэффициент шероховатости керамической трубы (n = 0,017).

По формуле (1) проведен расчет скоростей и расходов коллекторов диаметром 75…200 мм при уклонах i 0,002…0,007 с незатопленным дренажным устьем (табл. 1).

Таблица 1

Расходы Q (л/с) и скорости V (м/с) отводящего коллектора из керамических дренажных труб в безнапорном режиме

колодец поглотитель коллектор мелиоративный

При проектировании коллекторов из керамических дренажных труб одним из основных является требование обеспечения отсутствия заиления (V > 0,30 м/с) и размыва (V < 1,5 м/с). Условие отсутствия заиления выполняется для коллекторов диаметром 175 и 200 мм при уклонах i ? 0,002, для коллекторов диаметром 125 и 150 мм - i ? 0,003, при диаметре 100 мм - i ? 0,004, а при диаметре 75 мм - только при i ? 0,006. При этом пропускаемые коллектором в безнапорном режиме расходы, например, при диаметре коллектора от 100…200 мм и обычно применяемом уклоне i = 0,003 составляют всего от 2,16…13,7 л/с. Пропускная способность самих колодцев-поглотителей достигает 50 л/с, и проектируемый коллектор должен пропустить максимально возможный расход, обеспечивающий требуемые сроки сброса поверхностных вод.

Так как проведенные ранее лабораторные гидравлические исследования пластмассовых и керамических дренажных труб диаметром 50…100 мм показали, что при напорах воды 0,7…1,5 м дренажные трубы работают в напорном режиме, то необходимо провести расчет отводящего коллектора при работе его в напорном режиме [2]. При этом необходимо учитывать местные сопротивления, возникающие как в самой конструкции колодца-поглотителя, так и гидравлические сопротивления (потери на трение по длине отводящего коллектора).

Порядок расчета пропускной способности отводящего коллектора следующий (рис. 1).

По значениям расходов, полученным на модели в натуральную величину колодца-поглотителя с отводящим коллектором (диаметр - 200 мм), и исходя из основной формулы движения воды в напорных трубопроводах [3], определяем коэффициент расхода колодца-поглотителя

,

где Q - расход воды, м3/с; Н - действующий напор воды в опыте, м; F - площадь поперечного сечения отводящего трубопровода, м2

Рис. 1. Расчетная схема колодца-поглотителя с отводящим коллектором

Н - напор над входным сечением коллектора, м; Н0 - глубина заложения колодца-поглотителя, м; hкп - слой воды перед колодцем-поглотителем, м; I, L - соответственно, уклон и длина отводящего коллектора; Нзат - слой воды над устьем коллектора, м

Н= Но + hкп + iL -Нзат,

График изменения коэффициента расхода м от величины пропускаемого расхода представлен на рис. 2.

По формуле (4) и значению коэффициента расхода определяем суммарный коэффициент сопротивления м конструкции колодца-поглотителя (КП)

Далее по формуле Н.Н. Павловского определяем коэффициент гидравлического трения л [3]

,

где g - ускорение силы тяжести; n - коэффициент шероховатости коллектора, для керамических труб n = 0,017; D - диаметр отводящего коллектора.

В условиях Белорусского Поозерья применяются, в основном, керамические дренажные трубы, приведем данные расчетов для керамических коллекторов.

Значения коэффициента гидравлического трения л для керамических труб диаметром 75, 100, 125, 150, 175 и 200 мм, соответственно, составляют 0,107; 0,096; 0,088; 0,082; 0,077 и 0,073.

Зная коэффициенты сопротивления колодца-поглотителя и гидравлического трения труб отводящего коллектора, можно определить коэффициент расхода Мсовм колодца-поглотителя с от-

Рис. 2. Коэффициент расхода колодца-поглотителя водящим коллектором определенной длины

,

где б - коэффициент Кориолиса, равный 1; Уж - суммарный коэффициент местных сопротивлений колодца-поглотителя; ж вх - коэффициент сопротивления на вход в отводящий коллектор, ж вх=0,5; L, D - длина и диаметр отводящего коллектора, м.

По известной величине Мсовм определяем модуль расхода колодца-поглотителя с учетом его совместной работы с отводящим коллектором Ксовм

,

где F - площадь поперечного сечения отводящего коллектора, м2.

Тогда пропускная способность отводящего коллектора будет определяться по зависимости

,

где Н - действующий в выходном сечении коллектора напор воды, м (см. рис. 1).

По предложенному алгоритму расчета были обработаны результаты гидравлических лабораторных исследований работы модели колодца-поглотителя. В качестве исходного расхода брали величину, которая получена в опыте на гидравлическом стенде. Далее рассчитывали расходы отводящего коллектора при различной его длине. Результаты расчета представлены на рис. 3.

Кривые наглядно показывают, насколько быстро снижается расход коллектора с увеличением его длины. Если к колодцу-поглотителю подсоединить отводящий коллектор диаметром 200 мм и длиной 50 м, то отводимый расход при глубине воды перед колодцем hКП = 0,35 м составит 32,8 л/с, а если увеличить длину отводящего коллектора до 100 м, то его расход уменьшится до 26,8 л/с. Чем меньше слой воды перед колодцем-поглотителем, тем меньше исходные скорости и расходы и тем менее интенсивно снижаются расходы отводящего коллектора при увеличении его длины: при hКП = 0,15 м и L = 50 м расход коллектора равен 16,3 л/с, при L = 100 м расход снизится всего на 0,5 л/с и составит 15,8 л/с.

Рис. 3. Пропускная способность отводящего коллектора, D = 200 мм (hКП = 0,15...0,35 м, QКП = 17...56 л/с, Н0 = 1,1 м, i = 0,003)

Поскольку лабораторные гидравлические исследования проводили только с моделью отводящего коллектора диаметром 200 мм, то для определения суммарных коэффициентов сопротивления ж и коэффициентов расхода для коллекторов других диаметров используем зависимость, приведенную в работе [4]

где жd, жd(i) - суммарные местные сопротивления КП, отнесенные, соответственно, к исследованному и i-му диаметру отводящего коллектора; d, d(i) - соответственно, диаметры исследованного и i-го отводящего коллектора; жвх, жвх(i) - коэффициенты сопротивления на вход, соответственно, исследованного и i-го диаметра отводящего коллектора.

По формуле (3) и экспериментальным данным для диаметра коллектора 200 мм были рассчитаны суммарные местные сопротивления для других диаметров отводящего коллектора - 175, 150, 125, 100 и 75 мм. На рисунке 4 приведены полученные расчетные кривые жd(i) = f(Q) и эмпирические формулы для их определения.

Преобразуя формулу (2) относительно , можно записать зависимость для определения коэффициента расхода КП i при других диаметрах отводящего коллектора

Далее по вышеописанному алгоритму расчета определяли пропускную способность отводящего коллектора при разных значениях его диаметра и длины.

Рис. 4. Суммарные коэффициенты местного сопротивления модели колодца-поглотителя

Рис. 5. Пропускная способность колодца-поглотителя с отводящим коллектором (Н0 = 1,1м, i = 0,003, hКП = 0,35м, QКП = 56 л/с)

В таблице 2 и на рис. 5 приведены результаты расчетов пропускной способности

КП с отводящим коллектором диаметром 75…200 мм и длине до 1000 м (слой воды перед КП 0,15…0,35 м).

Таблица 2

Расходы и скорости отводящего коллектора из керамических дренажных труб при работе в напорном режиме (глубина заложения Но= 1,1 м, уклон I = 0,003)

Q - расход, л/с; V - скорость, м/с; hкп - высота слоя воды перед колодцем-поглотителем, м.

Расчеты показывают, что чем меньше диаметр и больше длина отводящего коллектора, тем менее эффективна его работа. График (рис. 5) удобен для выбора оптимальных параметров отводящего коллектора при известном расстоянии колодца-поглотителя от водоприемника.

При расчете керамических отводящих коллекторов необходимо соблюдать требование отсутствия в коллекторе размывающих скоростей (V < 1,5 м/с) [1]. Как видно из табл. 2, это требование выполняется во всем диапазоне hкп = 0,15…0,35 м при длине коллекторов свыше 16…20 м (в зависимости от их диаметров).

Выводы

1. Анализируя лабораторные гидравлические испытания моделей колодцев-погло-тителей в натуральную величину и расчеты их совместной работы с отводящим коллектором, следует, что при больших потенциальных возможностях колодцев-поглотителей (расход 50 л/с и более) пропускную способность практически определяют гидравлические сопротивления в отводящем коллекторе.

2. Выявлены особенности совместной работы колодца-поглотителя с отводящим коллектором для условий безнапорного и напорного режимов движения воды, и уточнена методика их расчета. Показано, например, как по уточненной методике рассчитать параметры отводящего коллектора, отвечающие нормативным срокам сброса поверхностных вод на мелиорированных землях.

3. Для удобства проектирования по уточненной методике расчета разработан график для выбора параметров отводящего коллектора колодца-поглотителя при пропуске расчетных расходов.

4. При проектировании необходимо учитывать, что при работе отводящего коллектора с уклоном 0,003 и диаметром менее 125 мм в безнапорном режиме происходит заиление коллектора. При работе коллекторов в напорном режиме заиления коллектора практически происходить не будет.

Библиографический список

1. Пособие П1-98 к СниП 2.06.03-85 «Проектирование и возведение мелиоративных систем и сооружений». - Минск, 1999. 85 с.

2. Макоед В.М., Хмелевская Г.В. Гидравлические и фильтрационные исследования усовершенствованных колонок-поглотителей и их элементов. //Мелиорация переувлажненных земель. - Минск, 2007. №2 (58). С. 58-68.

3. Чугаев Р.Р. Гидравлика. - Л.: Энергия, 1975. 599 с.

4. Шаулис В.Б. Способы отвода поверхностных вод с дренированных земель (на примере Литовской ССР). Автореф. дис….канд. техн. наук. - Кедайняй, 1987. 24 с.

Размещено на Allbest.ru