Author: Аронов С.Н.
Tags: строительство строительные конструкции издательство москва проектирование водоводов
Year: 1953
Text
С.Н. АРОНОВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
В ОДО ВОДО в
ф
МОСКВА'1953
С. II. АРОНОВ
Кандидат технических наук
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ВОДОВОДОВ
Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н О Е ИЗДАТЕЛЬСТВО
ЛИТЕР А Т У р Ы П О С ТРО И Т Е Л Ь С Т В У И А Р X И Т Е К Т У Р Е
М о с к >, •> ~ 1 г! 5 3 — Л с и и н г р а д
11,1' I I bi 11 ,1 • I, JI I I >1)
lavK <1 M. l\o'ti<juiK<>i>
В книге приводятся методы гидравлического
и теплового расчета водоводов и технико-эконо-
мические показатели строительства их в разных
случаях. Даются указания по назначению трассы
и профилей отдельных участков водоводов с уче-
юм местных условий. Рассматриваются схемы
и детали устройства линий, узлов, сооружений.
Приводятся основные сведения по управлению
водоводами и их защите о г повреждений.
Изложение сопровождается примерами расче-
тов и конструктивных 'решений.
Книга предназначена для инженеров и тех;:
ков, работающих в области проектирования и
гроительс гва водоводов.
ПРЕ ДИ С Л О ВИ Е
Намеченные в директивах XIX съезда партон пи пятому
пятилетнему плану грандиозные работы но дальнейшему разви-
тию социалистического народного .хозяйства включают в себя
и работы по сооружению систем водоснабжения па многочислен -
ных промышленных предприятиях, в городах и других насолен-
ных пунктах.
Весьма важным элементом систем водоснабжения являются
водоводы как по удельному весу их в этих системах, та?; v по
относительной стоимосги.
Особенно большое значение имеют водоводы в районных си-
стемах водоснабжения, где они служат для распределения водь
среди крупных потребителей — промышленных предприятий, на-
селенных пунктов, поливных полей сельского хозяйства. ГХротж-
жение водоводов в таких системах измеряется десяы-шмк и даже
С ОТН я Vi и ки ломот ров.
Большие работы по строительству водоводов проводятся и
будут проводиться в ближайшие годы в районах великих строек
коммунизма и во многих других районах. Так, па строительстве
Главного Туркменского канала должно быть проложено 1 100 км
только крупных водоводов и большое количество более мелких
распределительных водоводов. Значительное число водоводов
будет построено в районах и других строек коммунизма — для
снабжения водой многочисленных предприятий и населенных
пунктов, которые возникнут в этих районах, а также для ороше-
ния прилегающих земель.
Вопросам проектирования и строительства водоводов долж-
но быть уделено весьма большое внимание. Проектирование
современных водоводов большого протяжения, включая все со-
оружения и устройства на них, представляет собой сложную
комплексную задачу, разрешение которой требует вниматель-
ного и умелого применения разносторонних знаний из различных
областей науки и техники, в первую очередь из гидравлики,
строительной механики, теплотехники, грунтоведения, электро-
химии, телемеханики.
з
Настоящая книга должна служить практическим пособием
по проектированию водоводов. Вопросы, которые относятся не-
посредственно к специальности водоснабжения, рассматрива-
ются в ней подробно и сопровождаются примерами; по вопро-
сам, касающимся смежных специальностей (грунтоведения,
строительной механики, теплотехники и Др.), даются только
основные сведения, необходимые для специалиста по водоснаб-
жению, поскольку ему как основному руководителю и состави-
телю проектов водоснабжения приходится принимать участие
в разрешении и этих вопросов.
Некоторые положения, главным образом, относящиеся копре-
делению глубины заложения водоводов, высказываются впервые
и естественно потребуют уточнения в дальнейшем в соответ-
ствии с опытом эксплуатации, лабораторными работами и тео-
ретическими исследованиями.
Приводимые в книге материалы касаются в основном проек-
тирования укладываемых в грунт водоводов большого протяже-
ния диаметром до 600 мм, но частично могут быть использованы
и при проектировании других водоводов, а также и вообще тру-
бопроводов, транспортирующих разные жидкости и газы.
При составлении книги использованы данные из опублико-
ванных за последние годы работ научно-исследовательских ин-
ститутов, производственных организаций, а также типовые
проекты ведущих проектных институтов, преимущественно
Гипроспецнефти.
ГЛАВА I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДОВОДАХ
!1. ЗНАЧЕНИЕ ВОДОВОДОВ В СИСТЕМЕ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Водоводы предназначаются для подачи воды к населенным
пунктам, промышленным предприятиям, железнодорожным стан-
\циям, энергетическим установкам. В некоторых системах водо-
снабжения водоводы могут быть и • промежуточным звеном,
мкгидравлически связывающим отдельные части системы водо-
Жснабжения, служащие для подъема (насосные станции), очистки
я,(очистные станции), охлаждения (охладительные сооружения) и
«хранения воды (запасные резервуары).
№. При централизованном водоснабжении крупных районов
В водоводы могут обслуживать группы городов, поселков, пред-
в приятий.
и Протяженность водоводов может быть весьма различна: от
десятков метров при близком расстоянии между сооружениями
систем водоснабжения до десятков и даже сотен километров.
Особенно значительна длина водоводов может быть при водо-
снабжении линейных сооружений (железных дорог, магистраль-
ных нефтепроводов и др.) в районах с ограниченными водными
ресурсами, когда приходится чстраивать так называемые «про-
дольные водоводы»
В зависимости от местных условий напор' воды в водоводах
также может быть различен. Величина напора зависит от гео-
; метрической разности отметок в начале и конце водовода, а так-
же от гидравлических сопротивлений'в 'водоводе. При длинных
водоводах рабочее давление у насосных станции может дости-
гать десятков атмосфер, причем на водоводе может быть не-
.сколько последовательно работающих станций. Лишь в тех слу-
чаях, когда источник водоснабжения находится на возвышенном
месте, возможно устройство водоводов без искусственного подъ-
ема ‘воды, но и в этих случаях напор в водоводе может быть
[значительным, ввиду гидростатического давления в пониженных
'его точках.
Как правило, режим эксплуатации водоводов устойчив, так
как в течение суток подача воды обычно бывает равномерна.
5
Путевой сброс воды из водоводов производится сравнительно
редко, обычно только в районных системах.
Роль водоводов в общей схеме водоснабжения весьма велика.
Перерыв в подаче воды водоводами может повлечь за собой
серьезные осложнения и даже крупные аварии на производстве
в системах промышленного водоснабжения и на энергетических
установках. Также недопустим перерыв в питании систем про-
тивопожарного и хозяйственно-питьевого водоснабжения. Неко-
торое временное сниже-
ние подаваемого по водо-
водам расхода обычно до-
пускается до величины,
составляющей так назы-
ваемый аварийный рас-
ход. Величина этого рас-
хода определяется рядом
соображений; часто она
назначается в 0,70—0,75
от полного расчетного
расхода. Иногда вместе с
водоводами сооружаются
резервуары, предназна-
ченные для питания объ-
ектов водой во время вы-
нужденного перерыва или
уменьшения подачи воды,
а также для регулирова-
ния неравномерности рас-
хода. При подаче по во-
доводу свежей воды в
Рис. 1. Характерные схемы водоснабжения
оборотные системы водо-
/ — водоприемник; 2—насосная станция; 3— фильтро-
вальная станция; 4—резервуар чистой воды; 5— на-
сосная станция II подъема; 6- водовод; 7—водона-
порная башня; 8—городская сеть; 9—охладитель-
ные сооружения; 10— предприятие; 11 — резервуары;
12— сети и сооружения
снабжения роль таких за-
пасных емкостей могут
играть резервуары водо-
охладительных сооруже-
ний (бассейны с брызга-
лами и 'бассейны под градирнями). При транспортировании воды
по водоводам' требуется выдерживать определенный темпера-
турный режим, что необходимо во избежание либо замерзания
воды', либо чрезмерного ее нагревания. Последнее может иметь
значение для некоторых видов производства, а также и в хозяй-
ственно-питьевых водопроводах, где нагревание воды может от-
разиться на ее вкусе.
Относительная стоимость водоводов в системах водоснабже-
ния может быть весьма различна и доходить до> 70% и даже
flwree or общей стоимости системы водоснабжения. Схемы водо-
снабжения! включающие в себя водоводы, также могут быть
весьма р пенообразны. На рис. 1,а представлена характерная
а
схема речного водоснабжения города. Водоводы 6 предназна-
чены для подачи воды от насосной станции II подъема 5 к во-
донапорной башне 7 и в водопроводную сеть города. Рис. 1, б
показывает одну из возможных схем оборотного водоснабжения
предприятия. Питание свежей водой оборотной системы водо-
снабжения производится по водоводам 6, подающим воду
в охладительные сооружения 9. На рис. 1,в изображена схема
продольного водовода большого протяжения. Водовод 6 проло-
жен в одну нитку значительной длины (десятки километров).
У объектов водоснабжения сооружаются резервуары 11, рассчи-
танные на хранение запасов воды на несколько! суток. Из резер-
вуаров получают питание местные системы водоснабжения 12,
которые (могут включать в себя водоочистные сооружения, на-
сосные станции, резервуары и др.
2. ЭЛЕМЕНТЫ ВОДОВОДОВ
В состав водовода входит собственно трубопровод и относя-
щиеся к нему сооружения и оборудование.
Для водоводов могут быть применены трубы из разных ма-
териалов: стали, чугуна, железобетона, асбестоцемента, дерева.
Особенности труб из разных материалов рассмотрены в
главе II.
Для высоконапорных водоводов могут быть применены только
стальные трубы. Водоводы оборудуются задвижками для выклю-
чения отдельных их участков, специальными клапанами и дру-
гими приборами для предотвращения или смягчения гидравличе-
ских ударов, вантузами для выпуска и впуска воздуха, выпу-
сками для опорожнения.
Развивающаяся диспетчеризация систем водоснабжения, не-
обходимость оборудования их устройствами для дистанционного
управления, а также для автоматического выключения повреж-
денных участков вызывают необходимость в установке на водо-
водах специальной довольно сложной аппаратуры. Аппаратура
эта и примыкающие к ней линии связи состоят в свою очередь
из частей механических и электрических с соответствующими
источниками питания.
Пересечение водоводами естественных или искусственных
препятствий требует сооружения дюкеров, переходов, эстакад,
мостов. Для размещения задвижек, клапанов, вантузов, выпу-
сков, сигнализаторов, реле и другого оборудования на водоводах
должны быть устроены камеры переключения и колодцы.
Для предохранения трубопроводов от внешней коррозии,
помимо нанесения изоляционных покрытий в ряде случаев может
Потребоваться устройство систем катодной защиты.
s Таким образом, водоводы представляют собою довольно
сложные сооружения с большим количеством разнообразных
элементов.
7
3. РАСЧЕТНЫЕ НАГРУЗКИ, НОРМЫ ИСПЫТАНИЯ
Во многих случаях (необходимые толщины стенок водовода
следует определять статическим расчетом, исходя из заданных
Нагрузок и несущей способности конструкции трубы.
При статическом расчете учитываются следующие нагрузки
и воздействия.
а) внутреннее рабочее давление;
б) давление грунта (для трубопроводов среднего и большого
диаметра примерно выше 300 мм)-,
в) подвижная нагрузка (для участков, проходящих в местах,
где возможен проезд транспорта);
г) собственный вес трубы и воды (для водоводов большого
диаметра примерно более 600 мм)\
д) температурные воздействия (для водоводов с жесткими
стыками, в частности сварными);
е) испытательное давление.
Кроме того, следует учитывать отдельные местные особен-
ности (устройство искусственых оснований, прокладку на крутых
подъемах, пучение и т. д.).
Расчет трубопровода надо производить по отдельным участ-
кам на нагрузки, указанные в пп. а, б, в, г, д, а затем проверять
прочность его стенок на испытательное давление. При проверке
на испытательное давление никаких других нагрузок учитывать
не следует. Внутреннее рабочее давление определяется по кри-
вой изменения напора, отвечающей эксплуатационному режиму
водовода. Необходимо учитывать возможность закрытия задви-
жки, на конце водовода и. возможность установления вследствие
этого гидростатического напора. Ввиду возможности неполного
совпадения расчетного и фактического режимов эксплуатации
внутреннее расчетное давление рекомендуется принимать с за-
пасом в 5—10%.
Усилия, которые могут возникнуть вследствие гидравличе-
ского удара, обычно при расчете не учитываются, так как, при-
нимая соответствующие меры, можно защитить трубопровод от
действия гидравлического удара.
Давление грунта принимается с учетом его хорошей трам-
бовки вокруг тела трубы, предусмотренной техническими усло-
виями на производство работ. Необходимо отметить, что при от-
сутствии плотного опирания трубы на грунтовое основание и
слабом обжатии грунта вокруг трубы значительно возрастают
напряжения в стенках от внешнего давления.
Сезонная разность температур воды, а также разность тем-
ператур трубопровода в момент укладки и при эксплуатации
оказывают существенное влияние на напряжения в водо-
водах с жесткими стыками. При наличии раструбных эластич-
ных стыков температурные напряжения не учитываются, так
как такие стыки в значительной степени являются компенсато-
рами.
8
IF»
При расчете должны также учитываться усилия, возникаю-
1^Ицие в трубопроводах на поворотах в горизонтальной и верти-
||^Кальной плоскостях вследствие реактивных усилий, а также
|^Мгсилия от собственного веса трубопроводов, появляющиеся в
^Иклучае прокладки их на крутых подъемах. Величина испыта-
^Иртельного давления для магистральных водоводов на основании
гост 5870-51 вычисляется с учетом коэффициента перегрузки
Mt по формуле:
Ра ~ Рр 03)
где
Лрр— внутреннее рабочее давление в трубопроводе в ати
'Л* с учетом возможных отклонений от нормальной расчетной
,W величины;
К — коэффициент, зависящий от места укладки трубопровода,
Ж величины внутреннего рабочего давления в трубопроводе,
К разности 01 — температура окружающего воздуха
W во время сварки стального трубопровода, a t2 — темпе-
ратура транспортируемой жидкости).
',Й Величина коэффициента К для трубопроводов принимается
'I ПО табл. 1 и 2.
’ Т а б лица I
Величины коэффициента К для стальных сварных трубопроводов
Место укладки трубопровода Рр =3 ~ 10 ати Рр > 10 ати
- Z2 в град
От 0 до-20 От-21 до—40 и от 0 до+20 ?Й40 ! От Одо-20 От-21 до—40 и от 0 до+20 От+21 до+40
В легко доступ- ной открытой местности 1,05 1,10 1,16 1,10 1,16 1,22
В городах и поселках 1,10 1,16 1,22 1,16 1,22 1,27
В трудно доступ- ных местах под руслами рек, под железными доро- гами и т. д. 1,27 1,32 1,39 . 1,32 1,39 1,46
При К >1,22 должны быть проверены кольцевые напряже-
ния в стенках стального трубопровода по формуле:
Д^-<0,85а„ (1.2)
9
где ри—-величина испытательного давления в кг’см--,
d — диаметр трубопровода в см-,
В — толщина стенки трубопровода в см-,
ат — предел текучести материала стенки трубопровода
в кг; см?.
Таблица 2
Величины коэффициента К для чугунных и стальных трубопроводов,
имеющих эластичные стыки
Место укладки трубопровода ?р = 3 -Г- 10 ати Рр > 10 ат:.
В легко доступной открытой местности 1,05 1.10
В городах и посел- ках 1,10 1,16
В трудно доступных местах, под руслами рек, под железными дорогами и т. п. 1,27 1,32
Испытательное давление для смонтированного водовода не
должно превышать испытательное давление, которому подвер-
гаются трубы, фасонные части, арматура.
Величина испытательного давления для низконапорных тру-
бопроводов с внутренним рабочим давлением до 3 ати должна
приниматься не менее 5 ати. Полный статический расчет с уче-
том всех усилий при проектировании водоводов обычно необхо-
дим лишь в том случае, если укладываются трубы, которые мо-
гут иметь разную толщину стенок, т. е. преимущественно сталь-
ные трубы среднего и большого диаметров. При укладке труб
малого и среднего диаметра из других материалов (чугуна,
железобетона, асбестоцемента, дерева), которые имеют большую
толщину стенок и сравнительно эластичные соединения стыков,
внутреннее давление, как правило, является решающим. Тол-
щина стенок этих труб рассчитывается при изготовлении труб
на сравнительно небольшое внутреннее давление. Поэтому рас-
чет па прочность таких труб упрощается и обычно сводится
к проверке толщины стенок по заданному внутреннему дав-
лению.
4. ЧИСЛО НИТОК ВОДОВОДОВ. СПОСОБЫ ИХ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
Число ниток водовода может быть различно и зависит от
ряда условий, определяемых особенностями снабжаемого водой
объекта.
Наиболее существенными особенностями являются: ответ-
ственность системы водоснабжения, возможность снижения на
то или иное время, а иногда и полного1 прекращения подачи
10
воды по водоводу, развитие водопотребления, длина водовода,
наличие и объем промежуточных и конечных запасных емкостей.
По противопожарным нормам (п. 64 НСП 102-51) в системах
водоснабжения промышленных предприятий и населенных мест
с пожарным расходом воды 25 л/сек и менее допускается подача
воды к запасным резервуарам по одному водоводу. Для пред-
приятий с пожарным расходом воды более 25 л!сек подача воды
к запасным резервуарам по одному водоводу допускается при
условии хранения в резервуарах не менее 6-часового расхода
воды на пожарные нужды. Кроме того, в резервуарах должен
находиться соответствующий запас воды на хозяйственный и
иные расходы.
В системах промышленного' водоснабжения, если не может
быть допущено перерывов в подаче воды, водоводы из одной
нитки могут быть уложены только в том случае, если система
питается из нескольких пунктов, а также при наличии значи-
тельных запасных емкостей.
Последний случай является также характерным для продоль-
ных водоводов районного значения (рис. !,<?). Устраиваемые
при таких водоводах емкости вмещают запасы воды на время,
достаточное для ликвидации аварий, обычно на 1—2 суток.
Число ниток в этих случаях обычно диктуется экономическими
соображениями. Например, при расходе воды 5 000 м3)сутки
диаметр водовода равен 300 мм, что соответствует скорости про-
тока воды 0,82 м!сек. При полуторасуточном запасе воды объем
резервуара должен быть 7 500 м3. При двух нитках емкость,
резервуара может быть принята самой минимальной, необходи-
мой только для работы насосной станции, т. е. допустим, по-
рядка 750 м3. Необходимое в первом случае увеличение емкости
резервуара на 6 750 м3 соответствует по стоимости водоводу
длиной 3—4 км. Таким образом, если нет каких-либо других
обстоятельств, вызывающих необходимость во второй нитке во-
довода или препятствующих сооружению крупных емкостей, то
устройство ее при длине водовода, меньшей 3—4 км, экономи-
чески невыгодно. Дополнительными условиями, влияющими на
решение вопроса о числе ниток могут быть санитарные требова-
ния (возможность ухудшения качества воды при длительном
хранении ее В' крупных резервуарах), сложность работ по строи-
тельству трубопровода или резервуаров, условия планировки
и т. д. Существенное влияние на решение вопроса о- числе ниток
водоводов оказывает быстрый рост водопотребления. При зна-
чительном периоде намечаемого развития водоснабжения и
большой разнице в подаче воды в первую очередь и при полном
развитии число ниток, как правило, больше, чем при осущест-
влении водоснабжения сразу на полную мощность. На каждую
очередь развития водопровода должен производиться гидравли-
ческий расчет водоводов с учетом режима работы насосной стан-
ции и емкости резервуаров, при условии обеспечения надежной
11
работы всей системы водоснабжения и в зависимости от этого
расчета должно назначаться число ниток на каждую очередь.
Водоводы свежей воды при оборотном водоснабжении по
сравнению с водоводами при прямоточном водоснабжении предъ-
являют менее строгие требования в отношении числа ниток, так
как водоохладительные сооружения, особенно бассейны с брыз-
галами, имеют, как правило, значительную емкость, что делает
допустимым сравнительно длительное снижение или даже пре-
кращение подачи воды.
Обычно водоводы устраиваются в две нитки, а в системах
с длительным сроком'развйти;я’:=^^трТ‘''нитки. Рекомендуется
диаметры отдельных ниток водоводов назначать одинаковые, так
как при этом упрощаются ремонт и строительство и улучшаются
гидравлические условия работы водовода. Желательно, чтобы
число ниток водовода отвечало числу насосовГ
-''''"Во многих случаях на предприятиях допускается некоторое
(на 10—15 м) кратковременное снижение напора у потребителей.
Это дает возможность при прямоточном водоснабжении в слу-
чае аварии на одной из ниток водовода пропускать по другим
ниткам увеличенный расход за счет увеличения в них скорости
движения воды и потерь напора.
В водоводах оборотных систем водоснабжения такого сни-
жения напора не допускают, так как напор в них диктуется рас-
положением охладительных сооружений (уровня воды в резер-
вуаре).
Схемы переключения отдельных ниток водоводов могут быть
различны; они зависят в основном, как от числа ниток, так и от
размещения в колодцах с переключениями дополнительных
устройств: вантузов, выпусков, предохранительных клапанов,
сигнализаторов аварий и др. Излишнее усложнение узлов пере-
ключений вредно, так как создает слабые точки в системе и
усложняет эксплуатацию. В общем при проектировании схемы
узлов переключений на водоводах надо руководствоваться пра-
вилом, чтобы при наименьшем числе перекрываемых задвижек
был достигнут наибольший эффект.
На рис. 2 представлены некоторые схемы узлов переключе-
ний для водовода из двух ниток. Схемы а и б предусматривают
размещение в колодцах лишь задвижек. Разница между этими
схемами в том, что при схеме а в случае необходимости ремонта
или смены задвижки на поперечной соединительной линии,
а также в случае аварии на этой линии требуется выключение
обеих ниток водовода; при схеме же б в обоих этих случаях
одна из ниток водовода не выключается, так как можно пере-
крыть вторую задвижку, установленную на соединении. Поэтому
применение схемы а возможно только в тех случаях, когда до-
пустимо кратковременное прекращение подачи воды по водоводу
(ншпримср, при подаче свежей воды в оборотную систему водо-
снабжении).
42
В случае расположения выпусков в камерах переключения
может быть применена схема в. Все выпуски из примыкающих
участков обеих ниток водовода (два или четыре выпуска в за-
Рис. 2. Схемы узлов пере-
ключений двух водоводов
висимости от того, в какую сторону направлены уклоны на уча-
стках с той или иной стороны от выпуска) могут быть объеди-
нены в одну общую линию, отводящую спускаемую воду в
Рис. 3. Схемы узлов переключений трех водоводов
ближайший водоем, канаву и т. п. В случае размещения ванту-
зов на коммуникации типа а она получает вид, представленный
на схе'ме г.
На рис. 3 показаны некоторые из возможных схем переклю-
чений трех водоводов. Схема б имеет то преимущество перед
13
схемой а, что при меньшем числе задвижек позволяет выключать
соединительную линию без выключения участков основных во-
доводов. Недостаток ее в йхЛм’, что усложняется устройство сое-
динительной линии и возникает необходимость в устройстве
поворотов, а также подставок и креплений, не желательных при
значительных давлениях
в водоводах и крупном их
диаметре.
Переключения при
большем числе ниток
принципиально нс отлича-
ются от рассмотренных.
Иногда применяют попар-
ные переключения водо-
водов с расположением
их «вразбежку» (рис. 4).
Минимальное расстоя-
ние между линиями водо-
вода обычно принимается
в 10 м, но при наличии^
специальных требований
это расстояние значи-
тельно может быть уве-
личено. Переключения следует располагать в доступных местах,
I------!
’______1
Рис. 4. Схема расположения узлов пере-
ключения „вразбежку* при четырех линиях
водовода
предпочтительно вблизи дорог.
Расстояние между камерами переключений (длина так назы-
ваемого ремонтного участка) определяется местными условиями.
Желательно, чтобы участки были примерно равной длины. Длина
эта преимущественно зависит от общего протяжения водоводов
и рельефа местности, а также от относительной величины допу-
стимого при аварии уменьшения подачи воды и напора. При
длинных магистральных водоводах обычно решающим является
первое условие, при сравнительно коротких — второе. Гидравли-
ческие условия подачи расчетного количества воды могут потре-
бовать нескольких переключений даже при малом расстоянии от
точки подачи до пункта потребления (см. главу III).
В среднем расстояние между камерами переключений при-
нимается от 1 до 2—3 км.
На водоводах крупного диаметра переключающие задвижки
могут быть установлены диаметром, несколько меньшим, чем
диаметр трубопровода, а именно:
при диаметре трубопровода в мм . 1 000 900 800 700 600 500
диаметр задвижек в мм............ 800 700 600 500 5Г0 400
400
350
Диаметры соединительных линцй, принимая во внимание их
небольшую длину, могут быть на 20—30% меньшими, чем диа-
метры водоводов.
Обычно водоводы не имеют попутных ответвлений. Лишь в
редких случаях возможно устройство мелких присоединений для
14
WWi
снабжения водой отдельных зданий или групп зданий. При не-
обходимости питания водой более крупных потребителей, распо-
ложенных на трассе водовода, обычно прокладывается особая
йКЛИния, к которой присоединяются эти потребители, а уже эта ли-
Жяия присоединяется к водоводу. Это делается с той целью, чтобы
работа водовода, являющегося ответственной частью системы
•j‘’ водоснабжения, не нарушалась частыми оперативными вклю-
чениями и выключениями присоединений, а также с целью умень-
шения числа колодцев и фасонных частей, являющихся обычно
слабым местом любого трубопровода.
5. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СТРОИТЕЛЬСТВА
Стоимость строительства водоводов, затраты времени, труда
и материалов в значительной мере зависят от местных условий
и могут иметь большие индивидуальные отклонения. »
Ниже приводятся некоторые примерные данные о расходе
' денежных средств, труда и механизмов, относящиеся к проклад-
ке магистральных водоводов и сетей малого и среднего диамет-
ров, характеризующие средние условия производства работ.
Эти данные могут быть использованы для сравнения вариантов
и исчисления ориентировочной стоимости работ1.
При составлении данных по стальным трубопроводам приня-
ты следующие исходные положё'нйя':
Т) трубы принимаются по ГОСТ 3101-46 (трубы диаметром
больше 426 мм применительно к этому ГОСТ);
2) соединение труб при помощи электросварки от передвиж-
ных агрегатов;
3) рытье траншей в грунтах средней плотности без крепле-
ний, в откосах с крутизной стенок 1 : 0,5 и 1 -. 0,67 в сухих грун-
тах и 1 : 1 в мокрых грунтах; траншеи глубиной до 1,25 м имеют
вертикальные стенки;
4) механизированным способом (экскаваторами) произво-
дится 80% зйм'ляных работ и вручную 20%;
' 5) засыпка траншей производится бульдозерами; защитный
слой толщиной 20 см от верхней образующей трубопровода за-
сыпается вручную;
• 6) водоотлив при работе в мокрых грунтах — средний; мок-
f рый грунт начинается с глубины 1,25 м\
( 7) изоляция на протяжении 66% нормальная, 31% —усилен-
>9, ная, 3% — весьма усиленная;
Ж 8) стоимость переходов и колодцев на магистральных водо-
М водах учтена увеличением на 10% стоимости укладки труб, по-
W лученной по калькуляциям;
й 9) в основу нормирования для магистральных водоводов взя-
Ж ты временные нормы на монтаж, утвержденные НКНП в 1940 г.,
1 V 1 При составлении этих данных использованы укрупненные измерители,
Ж разработанные в Гипроспецнефти инж. Д. Л. Тейвелем.
15
*а для сетей — из ч. IV СУПР; коэффициенты для пересчета в
цены 1950 г. приняты, введенные с 1 июля 1950 г. для строек
V группы;
10) цены и нормы приняты действующие с 1 июля 1951 г.;
11) цены на материалы взяты для строительства в районе
Куйбышева;
12) накладные расходы на прямые затраты исчислены в раз-
мере 20 %; удорожание вследствие производства работ в зимнее
время не введено.
Исходя из указанных положений, в табл. 3 приводятся дан-
ные о средней ориентировочной стоимости строительства 1 км
магистральных стальных трубопроводов. При этом на основе
данных по ряду объектов принято, что около 85% работ ведется
в сухих грунтах и около 15% работ — в мокрых (начиная с глу-
бины 1,25 м). Состав работ: рытье траншей в откосах с обрат-
ной засыпкой; сварка и укладка труб с испытанием и промыв-
кой их; изоляция трубопроводов, устройство' камер переключе-
ния на расстоянии 1—3 км и небольших переходов под путями
и через овраги. Крупные переходы через реки и под магистраль-
ными двухпутными дорогами в стоимость не включены.
Таблица 3
Средняя стоимость в руб. строительства 1 км стальных водоводов
в открытой местности
Диаметр водовода в мм При глубине заложения до низа трубы в м
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
200 85 100 115 130 145
250 ПО 125 140 155 170
300 145 160 175 190 205
350 185 200 220 235 250
400 230 245 260 275 295
500 300 315 330 345 365
600 360 375 390 405 425
В табл. 4 приведены средние стоимости в тыс. руб. на 1 км
водовода одних земляных работ при разных грунтовых усло-
виях. Мокрые грунты принимаются с глубины 1,25 м.
Частично водоводы приходится прокладывать в условиях
стесненной территории на промышленных предприятиях или
в населенных местах. Условия строительства в этих случаях
близко подходят к условиям строительства водопроводных сетей,
но лишь с меньшим числом колодцев. Кроме того, земляные ра-
боты производятся в креплениях п с большей затратой ручного
груди.
В табл, б шриведены средние стоимости в тыс. руб. прокладки
I км стальных водоводов в условиях стесненной территории.
16
Таблица 4
Средняя стоимость земляных работ в тыс. руб. на 1 км водовода
Глубина заложения в м При диаметре труб 150 — 300 мм При диаметре труб. 350 -600 мм
при грун- тах на 15% мокрых и на 85()/0 сухих при грун- тах сухих на всем протяже- нии при грун- тах мокрых на всем протяже- нии при грун- тах на 15% мокрых и на 85% сухих при грун- тах сухих на всем протяже- нии при грун- тах мокрых на всем протяже- нии
1,0 3 4
1,25 — 4 — — 5 —
1.5 20 12 64 22 13 • 69
2,0 31 19 100 34 21 Ill
2,5 46 27 154 50 29 163
3,0 61 36 198 66 39 216
Данные приведены для сухих и мокрых грунтов отдельно; мок-
рые грунты приняты по всей глубине траншеи.
Стоимость чугунных труб в настоящее время больше стои-
мости стальных, но зато чугунные трубопроводы более долго-
вечны, чем стальные, особенно в условиях коррозийных грунтов.
В табл. 6 приведены средние стоимости в тыс. руб. на 1 км
водоводов из чугунных труб при прокладке их в креплениях.
Стоимость определена, исходя из тех же предпосылок, что для
стальных трубопроводов.
Таблица 5
Средняя стоимость в тыс. руб. 1 км стальных водоводов
в стесненных условиях
Диаметр водовода в мм При глубине заложения до 2 м При глубине заложения до 3 л
в сухих грунтах в мокрых грунтах в сухих грунтах в мокрых грунтах
150 100 150 по 200
200 120 170 140 230
250 150 210 170 260
300 180 250 200 300
350 210 300 230 330
400 250 350 260 370
500 330 450 350 460
600 440 560 480 600
► 700 540 670 600 720
| 800 630 780 700 830
I ’ Средняя стоимость в тыс. руб. 1 км водоводов из асбестоце-
Иентных труб диаметром 200 и 300 мм при прокладке их в креп-
Иениях указана в табл. 7.
| На рис. 5 приведена диаграмма стоимости прокладки мати-
ИТральныхстальных трубопроводов диаметром 200, 300, 400, 500
Гц 600 мм в грунтах средней плотности, частично (на 15% про-
тяжения) мокрых. На диаграмме штриховкой выделена стоимость
[Вемляных работ. Для водоводов диаметром, например, 400 мм
С. Н, Аронии
17
Таблица 6
Средняя стоимость в тыс. руб. 1 км чугунных водоводов
в стесненных условиях
Диаметр водовода в мм При глубине заложения до 2 м При глубине заложения до 3 м
в сухих грунтах в мокрых грунтах в сухих грунтах в мокрых грунтах
150 120 170 150 240
200 135 195 175 260
250 170 240 200 310
300 200 280 230 360
350 250 340 280 400
400 310 390 3 Ю 4(4)
500 400 510 430 580
600 510 620 540 700
700 660 790 710 880
800 810 940 860 1030
стоимость земляных работ при глубине траншеи в 1 м состав-
ляет около 2% от общей стоимости строительства, при глубине
Рис. 5. Диаграмма стоимости прокладки 1 км стальных трубопроводов
в грунтах средней плотности, частично (на 15°'о протяжения) мокрых
Па рис. 6 показан график стоимости одних земляных работ
при рытье траншей для магистральных стальных водоводов диа-
метром от 200 до 600 мм в грунтах средней плотности на всем
протяжении, сухих, мокрых на протяжении 15% и мокрых на
всем протяжении, причем мокрые грунты начинаются в обоих
случаях с глубины 1,25 м.
18
Таблица 7
Средняя стоимость в тыс. руб.
1 км асбестоцементных водоводов
Диаметр водовода в мм При глубине заложения до 2 ж При глубине заложения до 3 ж
в сухих грунтах в мокрых грунтах в сухих грунтах В мокрых грунтах
200 по 170 130 220
300 160 220 180 290
Таблица 8
Потребность в рабочей силе и
механизмах при прокладке 1 км
стального водовода диаметром
400 мм в сухих г. унтах средней
плотности
Глубина траншеи в м Количество рабочей силы в чел.-днях .Число машино- смен экскавато- ров и бульдо- 1 зеров
1,0 129 6
1,5 306 17
2,0 398 29
2,5 575 44
3,0 725 60
Стоимость земляных работ в сухих грунтах (траншеи без
креплений) при глубине траншеи в 2 ж в 6 раз больше, а при
глубине траншеи в 3 м в 10 раз больше, чем при глубине в 1 м,
В мокрых грунтах стоимость возрастает с глубиной еще зна-
чительнее.
Рис. 6. График стоимости земляных работ для магистральных стальных
трубопроводов диаметром 200, 250, 300, 400, 500, 600 мм в грунтах средней
плотности
ft /—сухие грунты; 2-мокрые грунты на 15% протяжения трубопровода; 3—мокрые грунты на
№ всем протяжении трубопровода
К В табл. 8 приведены сравнительные данные о потребности
Кв рабочей силе и механизмах для выполнения земляных работ
Кяри прокладке стального водовода диаметром 400 мм и длиной
Дв 1 км |На разных глубинах. Как видно из таблицы, для рытья
Ирраншеи глубиной в 2 м требуется почти втрое больше рабочей
К,Силы и впятеро больше механизмов, чем для траншеи глубиной
Врв 1 м. Для траншеи глубиной в 3 м требуется рабочей силы уже
в 6 раз и механизмов в 10 раз больше.
2*
Г ЛАВА К
ТРУБЫ, ИХ СОЕДИНЕНИЯ И АРМАТУРА НА ВОДОВОДАХ
1. ТРУБЫ И ИХ СОЕДИНЕНИЯ
Стальные трубы
Наибольшее распространение при строительстве высокона-
порных водоводов -большого протяжения получили стальные тру-
бы вследствие их прочности, относительной дешевизны, хорошей
транспортабельности, небольшого' веса и сравнительной простоты
соединений.
Укладка водоводов из стальных труб производится в настоя-
щее время индустриальными поточно-скоростными методами
с широким применением (меха,низании.
Недостатком стальных труб является то, что они легко под-
даются коррозии. Поэтому стальные трубы требуют специальной
защиты против внешней, а иногда и внутренней коррозии. Ме-
роприятия по защите груб от коррозии, как правило, довольно
сложны. Во многих случаях недостатком стальных труб является
и жесткость сварных стыковых соединений. Срок службы сталь-
ных трубопроводов меньше, чем чугунных.
Стальные трубы, применяемые для прокладки водоводов и
наружных водопроводных сетей, изготовляются нескольких ви-
дов. Трубы стальные бесшовные из углеродистой и легированной
стали выполняются по ГОСТ 3101-46 и 301-50.
Испытательное давление этих труб согласно ГОСТ опреде- .
льется по формуле
где s — минимальная толщина стенки в мм\
Rx — допускаемое напряжение в кг/мм?> принимаемое для
труб из углеродистой стали в 35% предела прочности;
для труб из легированной стали в отожженном или
нормализованном состоянии — в 40% предела прочности
и для труб, поставляемых без нормирования химиче-
ского состава и механических свойств—в 10 кг/мм2;
d— внутренний диаметр трубы в мм.
20
Каждая труба должна быть испытана на внутреннее давле-
ние, исчисленное по формуле (П.З), но не более 400 ати и
только с согласия потребителя на меньшее давление.
Для водоводов наиболее употребительны трубы, изготовлен-
ные из стали .марок Ст. 2 и Ст. 4, которые характеризуются свой-
ствами, указанными в табл. 9.
Таблица 9
Свойства стали марок Ст. 2 и Ст. 4 кг/мм2
Марка стали Предел прочности при растяжении в к?! мм- Предел текучести (нормативное сопро- тивление) в кг!мм1 Относительное удлинение
8.
не менее не менее
Ст. 2 34 22 20 24
Ст. 4 42 24 17 20
ГОСТ 3101-46 установлено деление на классы стальных бес-
шовных труб, изготовляемых наружным диаметром от 146 до
426 мм, применяемых для нефте- газо- и водопроводов. Трубы
I класса применяются для ответственных магистральных трубо-
проводов (в частности, водоводов), а трубы II класса—-для
обычных. Трубы I класса имеют длину от 8 до 19 м, а II клас-
са— от 5 до 19 м. Допускается овальность1 в Р/г %, отклоне-
ние по толщине стенки (разностенность) —до + 15%.
Толщины стенок и веса стальных бесшовных труб по ГОСТ
3101-46 с учетом ГОСТ 301-50 приведены в табл. 10. В этой же
таблице приведены величины заводских испытательных давле-
ний, вычисленные по формуле (П.З) с указанным в ГОСТ наи-
большим пределом заводского испытательного давления для
труб, изготовленных из стали Ст. 4.
Из данных табл. 10 видно, что стальные бесшовные трубы,
выпускаемые по ГОСТ 3101-46 и 301-50, могут применяться при
рабочих давлениях, измеряемых десятками и даже сотнями
^атмосфер. Следует отметить, что при давлениях ниже 50—
1б0 ати, т. е. почти во всех случаях применения этих труб для
Ьодоводов, они имеют излишние запас прочности, толщину сте-
Иок и вес. Поэтому перед промышленностью поставлена задача
выпуска тонкостенных бесшовных труб с одновременным повы-
шением их механических свойств. Пока стальные бесшовные
Грубы изготовляются наибольшего наружного диаметра в 426 мм
Йили номинального диаметра 400 мм.
1 Овальностью называется разность между наибольшим и наименьшим
диаметрами в одном сечении; выражается в миллиметрах или в процеигах
ОТ нормативного диаметра.
Таблица 10
Толщина стенок и вес стальных труб по ГОСТ 301-F0
Наружный диаметр трубы в мм Толщина стенки в мм Испытательное давление в ати при изготовлении труб из стали Ст. 4 Теоретический вес 1 пог. м труб в кг при толщине стенки
наимень- шая наиболь- шая 1 наимень- шее наиболь- шее наимень- шей наиболь- шей
146 4,5 36 90 400 15,70 97,66
168 5 45 87 400 20,10 136,50
194 6 45 91 400 27,82 165,36
219 6 45 81 400 31,52 193,10
245 7 45 71 400 41,09 221,95
273 7 45 75 400 45,92 253,03
299 8 45 79 400 57,41 281,88
325 8 45 73 400 62,54 310,73
351 8 45 67 377 67,67 339,59
377 10 35 78 272 90,51 295,20
426 11 25 76 173 112,58 337,49
1 В таблице приведена наибольшая толщина по данным указанных ГОСТ,
которыми предусматривается изготовление труб разного назначения. Для
водоводов практически применяются трубы с толщиной стенки не более
10—12 мм.
Трубы стальные сварные изготовляются по ГОСТ 4015-48 из
мягкой, хорошо сваривающейся листовой стали по ГОСТ 380-41
и ОСТ 10019-39. По технологическим условиям изготовления
трубы имеют продольный сварной шов. Трубы должны выдер-
жать пробное гидравлическое давление в 15 ати или, по требо-
ванию потребителя, другое, технически обоснованное пробное
гидравлическое давление. Поэто'м'у эти трубы (без особо огово-
ренных условий поставки можно применять для трубопроводов
Таблица И
Толщина стенок и вес стальных труб по ГОСТ 4015-48
Диаметр условного прохода Наружный диаметр трубы- Толщина стенки в мм
9 10 1' 12 13 14
В ММ Теоретический вес 1 пог. м трубы в кг
400 426 92,56 102,6 112,6 122,5 132,4 142,3
450 478 104,1 115,4 126,7 135,0 149,1 160,3
500 529 115,4 128,0 140,5 153,0 165,4 177,8
600 630 137,8 152,9 167,9 182,9 197,8 212,7
700 720 157,8 175,1 192,3 209,5 226,7 243,8
800 820 180,0 199,8 219,5 239,1 258,7 278,3
900 920 202,2 221,1 246,6 268,7 290,8 312,8
1 000 1 020 224,4 249,1 273,7 298,3 322,8 347,3
1 200 1 220 — 298,4 328,0 357,5 387,0 416,4
1 400 1 420 — — 382,2 416,7 451,1 485,4
0,0120
Рис. 7. Стальной раструб-
и средних диаметров, изготовляе-
с пробным давлением до 15 ати или рабочим в зависимости от
расчета в среднем 10—12 ати-, длина труб —от 5 до 6 м. Сорта-
мент стальных сварных труб по ГОСТ 4015-48 указан в табл. 11.
Отклонения по толщине в отдельных местах трубы в преде-
лах шва не должны превосходить 10%. Овальность трубы с уче-
том сплющивания трубы от ее собственного веса не должна пре-
вышать
11 6 \
1 “I- — । мм,
s J
где D — наружный диаметр трубы;
$— толщина стенки.
Концы труб диаметром до 630 мм включительно калибру-
ются на длине не менее 200 мм с допускаемым отклонением по
наружному диаметру +2 мм.
В настоящее время осваивается также производство спи-
рально сварных труб малых
мых из ленты.
Электросварные трубы по
ГОСТ 1753-48 выпускаются
пока максимальным диамет-
ром лишь до 125 мм, поче-
му они могут быть приме-
нены для водоводов лишь
в очень редких случаях.
Испытательное давление для
этих труб установлено в
40 ати с возможностью обо-
снованного увеличения. Со-
единение стальных труб производится сваркой, на раструбах и*
на фланцах с болтами.
Наиболее распространено соединение стальных труб водово-
дов встык при помощи сварки. Сварка производится, главным
образом, электр о дуговая. За последнее время применяется и
газопрессовая сварка при помощи специальной машины. Свари-
ваемые концы труб разогреваются кольцевой газовой горелкой,
а затем они при помощи домкратов сильно, сжимаются друг
с другом, в результате чего получается прочное соединение. Зна-
чительные перспективы может представить разогрев, торцов труб
электричеством с последующим сжатием. Широко внедряется
также автоматическая сварка под слоем флюса по методу, раз-
работанному акад. Е. О. Патоном.
При сварке труб их концы должны быть обработаны (снята
фаска под определенным углом); трубы по ГОСТ 3101-46 до-
ставляются с завода со снятыми фасками. Достоинством свар-
ного соединения является большая его прочность и герметич-
ность. Сварной трубопровод представляет собой монолитную
конструкцию, что особенно важно при больших давлениях, когда
23
возникают напряжения, отвечающие высокой несущей способ-
ности' стенок самой трубы.
В отдельных случаях предусматриваются раструбные соеди-
нения стальных труб. В исключительных случаях раструбное
соединение стальных труб может выполняться при помощи чу-
гунных муфт (по сортаменту чугунных труб) или при помощи
специальных раструбов, привариваемых к телу трубы, как пока-
зано на рис. 7. Применение чугунных муфт допустимо для труб
диаметром до 600 мм, так как при больших диаметрах толщины
чугунных и стальных труб значительно расходятся. Раструбные
соединения обычно применяются при давлении до 10—15 ати.
Рис. 8. Приварные фланцы
а—для условного давления 10 кг/см?; d-для условного давления 25 кг/см2; в —для условного
давления 40—100 к гем 2
Фланцевые соединения применяются, главным образом,
для присоединения задвижек, клапанов и другой арматуры; раз-
мещаются они в колодцах, в местах, легко доступных для
осмотра и ремонта; фланцевые соединения без колодцев приме-
нять не рекомендуется, так как болты в грунте быстро ржавеют.
Для уплотнения соединений рабочая поверхность фланцев
обрабатывается. Между фланцами зажимаются прокладки из
резины, промасленного картона или паронита. Тип фланцев за-
висит от величины давления. Размеры и конструкции фланцев,
а также число болтов установлены ГОСТ с 1233-41 до 1273-41
для ступеней давления 2, 5, 6, 10, 16, 25, 40, 65, 100 ати. Фланцы
привариваются к трубе.
Для давлений в 2, 5,- 6, 10 ати предусмотрены стандартные
фланцы на трубы условным проходом до 1 200 мм, для давле-
ния 16 ати — условным проходом до 600 мм, для давлений 25 и
40 ати- -500 мм, для давлений 65 ати — 400 мм и давления
100 ати — 300 мм.
Конструкции фланцев на условное давление руСЛ= 10, 25,
40 ТОО кг/см* представлены на рис. 8.
24
Чугунные трубы
Чугунные водопроводные трубы изготовляются <по ГОСТ
5525-50. Этот ГОСТ распространяется на чугунные водопровод-
ные трубы и соединительные фасонные части к ним при нор-
мальном давлении — не
более 10 кг/см2 и при по-
вышенном давлении — не
более 16 кг/см2. Чугунные
трубы обладают большой
долговечностью (имеются
примеры службы труб до
100 лет и более). Они
слабо подвергаются кор-
розии. Недостатка/мй труб
являются некоторая хруп-
кость, сравнительно не-
большое рабочее давле-
ние при котором они мо-
гут быть применены, и
значительный расход ме-
талла (примерно в 2—
2,5 раза более, чем на
стальные трубы). В на-
стоящее время чугунные трубы изготовляются только раструб-
ные внутренним диаметром от 50 до 1 000 мм.
Общий вид раструбной трубы и деталь раструба по ГОСТ
5525-50 представлены на рис. 9.
В табл. 12 приведены основные данные по раструбным
трубам.
Раструбное соединение при соответствующей заделке обла-
дает некоторой эластичностью, что имеет значение в отношении
улучшения статической работы конструкции при наличии тем-
пературных напряжений, подвижности грунта и т. д. Соеди-
нение это позволяет производить небольшой поворот труб (на
1°—2°).
Достоинством раструбного соединения являются также его
простота, сравнительно небольшая стоимость, долговечность.
В то же время раструбное соединение имеет и недостатки:
сравнительно небольшое рабочее давление, которое оно может
выдерживать, слабая сопротивляемость растягивающим воздей-
ствиям. Последнее особенно' существенно при мелкой прокладке
водоводов, когда возрастает влияние подвижной нагрузки.
Заделка раструбных соединений производится на 2/з раструба
просмоленной пеньковой прядью, а затем асбестоцементом. В не-
которых случаях (например, при аварийных срочных ремонтных
работах) вместо асбестоцемента допускается применять другие
материалы: свинец, алюминий, серосплавы.
25
Таблица 12
Основные данные о размерах и весе чугунных раструбных труб
Гилмеры труб и раструба в мм
Вес в кг
а a ъ h / К L раструба (на чер- теже двойная штриховка) всей трубы
60 7,5 65 28 31 65 10 35 8 2000 4,22 23,9
75 8 91 29 32 65 10 40 8 3 000 5,78 51,2
100 8,5 117 30 33 65 15 40 8 3 000 7,72 70,7
125 9 143 31 33 65 15 45 8 3000 9,34 91,8
150 9,5 169 33 34 70 15 45 8 3000 11,9 115
200 10,5 221 35 35 70 15 50 8 4 000 18,2 218
250 11,5 273 38 36 75 15 50 8 4000 21,7 296
300 12,5 325 40 38 75 20 55 8 4 000 29,1 385
350 13 375 43 39 80 20 60 10 4000 38,3 468
400 14 428 45 40 80 20 65 10 4000 46,0 574
450 15 480 48 41 85 20 70 10 4000 56,3 692
500 16 532 50 43 85 20 75 10 5000 66,0 1 006
600 18 636 55 45 90 25 80 10 5000 91,4 1 358
700 21 742 60 48 95 25 85 10 5000 124 1 763
800 24 848 65 50 100 30 90 12 5 000 165 2 320
900 27 954 70 53 105 30 100 12 5 000 214 2 955
1000 30 1060 75 55 ПО 35 ПО 12 5 000 275 3 794
Для водопроводных узлов и для присоединения арматуры ши-
роко применяются чугунные фасонные части с фланцами. Между'
фланцами, поверхность которых делается гладкой, зажимается
плоская резиновая кольцевая прокладка толщиной около 3 мм..
Соединение выполняется посредством плотно завинчиваемых,
болтов. Фланцевое соединение является весьма жестким.
Железобетонные трубы
Применение бетонных, а затем железобетонных труб практи-
куется уже в течение 100 лет, вначале для безнапорных линий.
Наблюдения, произведенные над уложенными в грунт трубами,
показали, что при хорошем качестве работ, и правильной экс-
плуатации они могут работать 30—40 и более лет.
Значительная прочность, относительно, небольшой расход ме-
талла, простота производства работ по укладке и сравнительно
невысокая стоимость способствуют широкому внедрению желе-
зобетонных труб для строительства водоводов среднего и круп-
ного диаметров. Как некоторый недостаток железобетонных труб
можно отметить большой вес и затруднительность транспорти-
рования на далекие расстояния. В силу этого, а также потому,
что основную часть конструкции труб составляют местные мате-
риалы (гравий, песок), изготовление труб стремятся осущест-
влять в районе их укладки.
Современные заводы напорных железобетонных труб пред-
ставляют собою довольно крупные и сложные предприятия, по-
26
чему организация их более целесообразна при большом объеме
работ.
Широкое применение за последние 20 лет получило произ-
водство труб центробежным .способом. При этом способе в ме-
таллическую форму закладывают арматуру в виде заранее за-
готовленного каркаса из продольных прутьев и спиральных вит-
ков, после чего в форму вводят бетон соответствующего состава
и форму приводят во вращение. Под действием центробежной
Бетонный защитный слой
Продольная предваритель-
но напряженная армату-
ра
Рис. 10. Труба железобетонная, предварительно напряженная с гибкими
стыками
силы происходит уплотнение бетона, труба приобретает необхо-
димую прочность и гладкость. Приготовленные таким образом
трубы пропариваются в течение некоторого времени.
В целях наиболее эффективного использования материалов и
для облегчения веса труб за последние годы стал широко при-
меняться способ изготовления железобетонных труб с предвари-
тельно напряженной арматурой.
Соединение железобетонных труб производится на муфтах.
Указания по изготовлению и укладке железобетонных напорных
труб приведены во «Временных технических условиях на трубы
железобетонные, предварительно напряженные, напорные и со-
единительные муфты к ним» (ТУ-67-51) МСПТИ 1 [29].
Трубы предназначаются для водоводов с внутренним рабо-
чим давлением до 10 ати включительно.
Трубы и муфты изготовляются в три стадии. В первой ста-
дии изготовляется сердечник на центробежных станках или при
1 Дальше приводится описание труб в основном по этим техническим
условиям.
27
помощи вибрирования, вакуумирования, вибропрессования или
других надежных методов. Во второй стадии производится на-
вивка на сердечник предварительно напряженной арматуры ме-
ханическим путем при постоянном контроле величины напряже-
ния. В третьей стадии наносится защитный слой на наружную
поверхность сердечника при помощи вибрирования или торкре-
тирования.
Предусматривается устройство для соединения труб гибких
или жестких стыков. Для гибких стыков применяются муфты
Защитный слой
। бетонный 1
Железобетонный
сердечник
< > Продольная предварительно
напряженная арматура
V
^Спиральная предварительно
напряженная арматура
Рис. 11. Труба железобетонная, предварительно напряженная
с жесткими стыками
с резиновыми кольцами. Эти стыки допускают продольное пере-
мещение труб в пределах 3—5 мм и поворот концов до 1,5°.
Жесткие стыки на муфтах уплотняются прядью и заделываются
асбестоцементом или другим проверенным опытом материалом.
Устройство жестких стыков допускается для соединения на-
порных труб при рабочем давлении до 6 ати, при этом через
каждые 25 м должны устраиваться гибкие стыки.
Трубы делаются 5 типов (НЖ-I, НЖ-П, НЖ-Ш, НЖ-IV,
НЖ-V) для рабочего давления 6,8 и 10 ати. Типы труб установ-
лены в зависимости от заданного рабочего давления, способа
производства работ, глубины заложения и вида грунта.
Для случаев применения гибких стыков трубы выполняются
с уступами на концах, защищенными стальными цилиндрами
толщиной 3 мм (рис. 10). При соединении на жестких стыках
применяются трубы с гладкими концами (рис. И).
Допускается применение надвижных чугунных муфт по ГОСТ
5525-50 в тех случаях, когда разность между внутренним диа-
метром муфты и наружным диаметром конца трубы не превы-
шает 40 мм.
Ос ионные данные из сортамента труб при гибких стыках
даны в табл. 13.
2Н
Таблица 13
Сортамент железобетонных труб при гибких стыках
Размеры в мм Справоч- ный вес трубы в кг
Внут- ренний проход трубы D в Длина трубы L Наружный диаметр Толщина стенки нормали- зованных концов трубы d ’ Длина нор- мализованных концов Длина стального цилиндра 6
нормали- зованных концов сердеч- ника Яс
6
300 5 000 370 370 35 150 110 310 750
400 5 000 480 480 40 160 115 350 1 040
500 5 000 600 600 50 170 120 360 1 540
600 5 000 720 720 60 180 125 380 2 090
700 5 000 840 840 70 190 130 415 2 770
800 5 000 940 940 70 200 135 425 3 170
900 5 000 1 060 1 060 80 210 140 435 3 960
1 000 5 000 1 160 1 160 80 220 145 440 4 450
1 200 4 000 1 400 1 400 100 ' 230 150 440 5(Ю0
1500 3 000 1 740 1 740 120 250 170 500 5 000
Установлены допуски: по длине трубы +25 мм-, по диаметру
нормализованных концов от —2,5 до —5,5 мм (в зависимости от
диаметра); по толщине стенки от Ц-4 до 7 мм (в зависимости от
диаметра); по длине нормализованных концов 4-10 мм.
Различная длина нормализованных (особенно тщательно вы-
полняемых в пределах допусков) концов вызывается условиями
сборки стыка на соединительных муфтах.
Такие же сведения из сортамента труб при жестких етыках
(рис. 11) представлены в табл. 14.
Таблица 14
Сортамент железобетонных труб при жестких стыках
Размеры в мм
Внутренний проход трубы яв Длина трубы L Наружный диаметр Толщина стенки норма- лизованных концов трубы d Длина норма- лизованных концов трубы 6 Справочный вес трубы в кг
нормали- зованных концов я, сердеч- ника Яс
300 5 000 400 370 50 180 750
400 5 000 510 480 55 180 1 050
500 5 000 630 600 65 200 1 550
600 5000 750 720 75 200 2 100
700 5 000 870 840 85 250 2 790
800 5 000 970 940 85 250 3 200
900 5000 1 090 1 060 95 250 3 980
1 000 5 000 1 190 1 160 95 250 4 480
1200 4 000 1 430 1 400 115 250 5 000
1500 3 000 1 770 1 740 135 250 5000
29
Трубы могут иметь отклонения по длине +25 мм, а по на-
ружному диаметру и толщине стенок—от 2 до 7 мм в зависи-
мости от диаметра.
Для укладки в местах, где требуется устройство гибкого сты-
ка на линии с жесткими стыками, предусмотрены трубы, один
конец которых обработан под жесткий стык, а другой —подгиб-
кий. Длина этих труб такая же, как и указанная в табл. 13 и 14.
Рис. 12. Соединительная муфта (тип МН-К)
для железобетонных напряженно
армированных труб с гибкими
стыками
а—деталь стыка; б—продольный разрез муфты.
Каждая половина этих труб в зависимости от того, к какому
стыку (жесткому или гибкому) она примыкает, имеет форму и раз-
меры, соответствующие указанным на рис. 10 и 11 ив табл. 13
и 14. Соединение труб с гибкими стыками рекомендуется осу-
ществлять посредством муфт (типа МН-К), показанных на
рис. 12.
Муфты типа МН-К изготовляются из чугуна. Болты для муфт
стальные с антикоррозийным покрытием. Данные по сортаменту
муфт приведены в табл. 15. Возможны допуски по внутреннему
диаметру труб от +2 до +3 мм.
Соединение труб с жесткими стыками производится посред-
ством железобетонных (с предварительным напряжением) муфт
(типа МН«Ц), представленных на рис. 13.
30
Табли ца 15
Сортамент муфт типа МН-К
Размеры в мм Справоч- ный вес муфты в кг
Внутренний проход труб ^в Наружный диаметр концов труб Внутренний диаметр Длина втулки, муфты 1 Число болтов п Диаметр болтов
DM *4
300 370 374 382 100 6 18 51
400 480 484 492 100 6 18 74
500 600 604 614 120 8 18 105
600 720 724 734 130 8 22 180
700 840 844 854 140 10 24 210
800 940 945 957 140 12 24 270
900 1 060 1 065 1 077 150 14 24 320
1000 1 160 1 165 1 177 160 16 30 360
1 200 1 400 1 405 1 417 170 18 32 500
1 500 1740 1 745 1 760 200 28 36 800
Рис. 13. Соединительная муфта (тип МН-Ц) для
железобетонных напряженно армированных труб
с жесткими стыками
а—деталь стыка; б—продольный разрез муфты
31
Сортамент муфт типа МН-Ц приведен в табл. 16.
Таблица 16
Сортамент муфт типа МН-Ц
Размеры в мм Справоч- ный вес муфты в кг
Внутренний проход трубы Внутренний диаметр муфты 7>м Наружный диаметр сердечника муфты Длина муфты Расстоя- ние от тор- ца муфты до канавки а Ширина канавки т Глубина канавки k
300 424 500 300 20 25 54
400 534 620 300 20 25 8 74
500 658 758 350 20 25 8 123
600 780 890 350 20 30 8 166
700 900 1 030 400 25 35 10 248
800 1002 1 134 400 25 35 10 278
900 1 124 1 275 400 25 35 10 375 .
I 000 1 226 1 374 400 25 40 10 370
1 200 1 470 1 654 400 25 40 10 611
1 500 1 810 2 020 450 25 40 10 920
Размеры муфт имеют допуски от 2 до 7 .о в зависимости
от диаметра.
При изготовлении железобетонных труб и муфт употреб-
ляется цемент марки не ниже 400; марка бетона сердечников
должна быть не ниже 300 с показателем плотности не ниже 0,9.
Для продольной арматуры применяется катанка из стали Ст. 3
или холоднотянутая проволока из стали Gt. 3 или Ст. 0с; для
стальных цилиндров — сталь Ст. 3 или Ст. 0с. Для предвари-
тельно напряженной спиральной арматуры рекомендуется хо-
лоднотянутая углеродистая проволока диаметром от 2 до 5 мм
с пределом прочности при растяжении 10 000—-18 000 кг/см2.
Продольные стержни арматуры для труб диаметром менее
900 мм при жестких стыках подвергаются предварительному на-
пряжению <*> созданием в сердечнике продольных сжимающих
усилий не менее 20 кг/см2. Спиральная арматура навивается
с шагом не менее 7 мм и не более 3/4 толщины стенки сердеч-
ника.
Защитный слой толщиной 15 мм выполняется из цементного
раствора марки не ниже 300. Внутренняя поверхность труб дол-
жна быть гладкой. При возможности воздействия агрессивных
грунтовых вод на трубу поверх защитного слоя должна быть до-
полни! ельно нанесена антикоррозийная изоляция.
Асбестоцементные трубы ,
Асбестоцементные трубы изготовляются на машинах из
волокнистого асбеста не ниже IV сорта (20—25*%)) и портланд-
цемента марки нс ниже 300 (75—80%).
32
Достоинства асбестоцементных труб заключаются в их срав-
нительно большой прочности, небольшом весе, хорошей сопро-
тивляемости внешней и внутренней коррозии, гладкости стенок.,
небольшой теплопроводности!; трубы легко поддаются резке. Не-
достаток труб — малая сопротивляемость даже слабым ударам
и необходимость вследствие этого принимать особые меры пре-
досторожности при транспортировке и укладке, так как незамет-
ные волосяные трещины в процессе эксплуатации могут повести
к авариям.
Водоводы из асбестоцементных труб не следует проклады-
от работающих поблизости тяжелых машин, железнодорожного
транспорта и др. Асбестоцементные трубы и соединительные
муфты изготовляются по ГОСТ 539-48, согласно которому уста-
новлены три марки труб:
марка ВНД-10 на рабочее давление в 10 ати
. ВИД- 8 „ , 8 „
, ВИД- 5 „ „ „ 5 „
Концы труб обтачиваются, чтобы асбестоцементные трубы
можно было соединять с чугунными трубами и фасонными ча-
стями.
Эскиз асбестоцементной трубы представлен на рис. 14.
Основные размеры и вес асбестоцементных труб приведены
в табл. 17. Установленные допуски по диаметру от —1,5 до
•—5,5 мм, по длине от +5 до —150 м,м в зависимости от диа-
метра.
Соединение асбестоцементных труб производится при помощи
специальных муфт. Предусмотрены муфты двух типов: чугунная
с болтовым соединением и асбестоцементная. Первая из них
такая же, как и применяемая для соединения железобетонных
труб (рис. 12, табл. 15).
Асбестоцементная муфта изображена на рис. 15. Уплотнение
муфтовых соединений достигается резиновыми кольцами.
Применение асбестоцементных муфт предпочтительнее, чем
чугунных.
Размеры и вес муфт приведены в табл. 18.
3 С. II, Аронин
Таблица 17
Размеры в мм и вес асбестоцементных труб
Внутренний диаметр чугунной трубы Внутренний диаметр асбесто- цементной трубы Наружный диаметр обточенных концов Толщина стенки обточен- ных концов Длина трубы Длина обточен- ных концов трубы не менее Справочный вес трубы
Do D 5 L 1 в кг
Трубы марок ВНД-10 и ВНД-8
50 50 68 9 3 000 10,0
75 75 93 9 3 000 14,3
100 100 122 11 3 000 23,0
125 119 143 12 3 000 28,5
150 141 169 14 3 000 41,0
125 119 143 12 4 000 ’ 350 38,0
150 141 169 14 4 000 54,5
200 189 221 16 4 000 82,0
250 235 273 19 4 000 121,0
300 279 325 23 4 000 173,0
350 322 376 27 4 000 235,0
400 368 428 30 4 000 380 300,0
500 456 532 38 4 000 430,0
600 546 636 45 4 000 425 665,0
тру бы марки ВНД-5
50 50 68 9 3 000 1 10,1
75 75 93 9 3 000 14,3
100 100 120 10 3 000 20,8
125 123 143 10 3 000 25,0
150 147 169 11 3 000 33,0
125 123 143 10 4 000 350 33,3
150 147 169 11 4000 44,0
200 195 221 13 4 000 65,3
250 243 273 15 4 000 96,3
300 291 325 17 4000 130,0
350 338 376 19 ’ 4 000 170,0
400 386 428 21 4 000 380 214,0
500 482 532 25 4 000 338,0
600 576 636 30 4 000 . 425 456,0
700 672 742 35 4 000 615,0
800 768 848 40 4 000 325 785,0
900 864 954 45 4 000 1 025,0
1 000 960 1 060 50 4 000 1 270,0
II р и м и ч ан и я. 1. В первой графе указаны внутренние диаметры чу-
гунных груб, соединяемых с соответствующими асбестоцементными.
2. Трубы марки ВНД-10 наружным диаметром 532 и 636 мм не изгото-
вляются,
Рис. 15. Эскиз асбестоцементной муфш
Таблица 18
А Размеры в мм и вес асбестоцементных муфт для асбестоцементных
W 1г' труб
d Dt А А Dt 1 bt Й1 С1 Вес в кг
Муфт ы мар! <и ME ШД-10 и МВН Д-8
68 108 78 75 71 1,5
93 133 103 100 96 111—16 1,9
122 170 134 131 125 2,9
143 191 155 152 140 150 5-7 7—10 12-16 14-19 2,9
169 217 181 178 172 3,4
221 269 233 230 224 4,2
273 327 285 282 276 6,0
325 387 337 334 328 8,5
376 449 391 388 379 1 3,7
428 511 443 440 431 J 180 5-7 7-10 12-60 1 17—22 18,3
532 631 547 544 535 1 27,9
636 754 654 651 639 200 ' 19-24 44,3
Муфт ы мар ки МВЕ 4Д-5
68 108 78 75 71 .1,5
93 133 103 100 96 } 7—11 } 11—16 1,9
120 168 132 129 123 2,8
143 191 155 152 146 2,9
169 217 181 178 172 150 3,4
221 269 233 230 224 14—19 4,2
W' 273 321 285 282 276 10-14 5,1
325 373 337 334 328 5-7 7—10 6,1
376 431 391 388 379 9,2
428 494 443 440 431 j 180 117-22 13,5
532 603 547 544 535 18,3
636 720 654 651 639 28,3
742 836 760 757 745 } 200 12—16 } 19-24 34,8
848 956 870 867 851 48,8
954 1 072 976 973 957 j 250 } 15-19 j 22—27 67,8
1060 1 184 1082 1079 1063 82,3
К П р и м е ч а н и е. Ука занные на рис. 15 разме] )Ы Й2 и с2 должн ы при-
мерно соответствовать размерам hi и Ср
3* 35
34
Деревянные трубы
Деревянные трубы бывают звеновые или непрерывные. Зве-
новые трубы изготовляются из клепок путем стягивания их про-
волокой; соединяются они посредством раструба или муфт.
Длина этих труб 3—6 м, диаметр —100—300 мм, допускаемое
внутреннее давление—до 3 ати. Звеновые трубы применяются
сравнительно редко вследствие малого допускаемого давления
и небольшого их сечения. Чаще применяются непрерывные де- г
ревянные трубопроводы, изготовляемые из клепок, стянутых
Рис. 16. Деревянный непрерывный трубопровод
бандажами, главным образом, для водоводов большого диаметра
(более 500 мм) и большого протяжения, работающих при срав-
нительно небольших напорах (до 5—6 ати). Сравнительно часты
случаи применения непрерывных клепочных трубопроводов в ка-
честве напорных трубопроводов гидроэлектростанций.
Деревянные непрерывные трубопроводы большого диаметра
(1 м и более), как правило, укладываются незасыпанные на по-
верхности земли. Лишь трубопроводы диаметром до 1 м засы-
паются грунтом.
Общий вид деревянного непрерывного трубопровода пред-
славлен на рис. 16.
При устройстве водоводов особое значение имеет плотное и»
соединении клепок и равномерность натяжспия стягивающих их
бандажей. Вновь уложенный деревянный водовод из клепки дай
обычно сильную утечку, которая в дальнейшем ври разбухании
36
клепок значительно' уменьшается. Поэтому начальное заполне-
ние водой деревянных водоводов должно производиться мед-
ленно, с постепенным увеличением напора до расчетного.
Основные технические показатели по деревянным, непрерыв-
ным напорным трубопроводам установлены ГОСТ 3393-46, пре-
дусматривающим использование их для гидроэлектрических
станций. Эти же показатели обычно распространяются и на во-
доводы другого назначения. Клепка выполняется из сосны, кедра
или лиственницы и пропитывается антисептиком (рис. 17, о).
Для труб диаметром до 700 мм клепка шпунтованная; для труб
диаметром 700 мм и больше — без шпунта. Торцы клепок со-
в)
Рис. 17. Детали деревянного непрерывного трубопровода
а—клепка; б~язычок; в—башмак на бандаже; г—деревянная опора-седло
единяются посредством металлических или деревянных «язы-
ков» (рис. 17,6). Бандажи делаются из круглой стали марок
Ст. 3 и Ст. 2 диаметром 10—25 мм и устанавливаются через
150—300 мм в зависимости от внутреннего давления. Бандажи
стягиваются башмаками стальными или из литого серого чугуна
(рис. 17, в). Непрерывные трубопроводы укладываются на опо-
рах. Опоры изготовляются из дерева (рис. 17, г), бетона, желе-
зобетона или металла. При этом железобетонные и металличе-
ские опоры допускаются для трубопроводов любых диаметров,
бетонные — для трубопроводов диаметром до 1,5 м, деревян-
ные— диаметром до 2 м. Повороты водоводов осуществляются
путем плавных закруглений. Длина радиуса закругления долж-
на быть при трубах диаметром до> 1 м не менее 50 диаметров и
при трубах диаметром от 1 до 2 м—не менее 60 диаметров.
По всей трассе трубопровода должен быть обеспечен отвод
фильтрующейся из него воды. На водоводах, кроме обычных
Устройств для впуска воздуха, выпуска воды и осадка должны
быть предусмотрены смотровые люки на расстоянии не более
1 000 м друг от друга.
37
Достоинством деревянных труб является меньший по сравне-
нию с (металлическими расход металла. Основной же недостаток
их заключается в том, что трудно обеспечить герметичность,
вследствие чего постоянная утечка является обычной для дере-
вянных труб. Деревянные трубы могут быть раздавлены при
вакууме, почему не допускается их применять при внутреннем
давлении, меньшем 0,5 ати.
Возможность применения деревянных труб для хозяйствен-
ных и противопожарных водопроводов в каждом случае следует
согласовывать с санитарными и противопожарными органами
ввиду возможной водопроницаемости стенок и слабой сопро-
тивляемости труб механическим воздействиям. Значительная’
толщина стенок и малая их теплопроводность уменьшают опас-
ность замерзания воды в трубах, особенно при большом ее
количестве.
2. ФАСОННЫЕ ЧАСТИ
Для стальных труб обычно применяются фасонные части,
сваренные из отрезков труб. Для присоединения к арматуре
к фасонным частям привариваются фланцы.
Рис. 18. Тройник и отвод, сваренные из стальных труб
На рис. 18 показан для примера тройник (пунктиром кресто-
вина) и отвод, сваренные из отрезков стальных труб.
Из отрезков стальных труб могут быть сварены и целые
узлы.
В местах поворота стальных трубопроводов часто применя-
ются отводы большого радиуса, полученные путем изгиба отрез-
ков труб в холодном состоянии при помощи специальных при-
слкх'облений — трубогибочных станков. Для образования весьма
пологих поворотов с радиусами, измеряемыми сотнями метров,
иногда трак ттикуе тся укладка стальных трубопроводов без
зн
устройства вставных отводов, а с изгибом их по плавной кривой
большого радиуса.
Фасонные части для чугунных труб выполняются по ГОСТ
5525-50 (рис. 19).
Рис. 19. Чугунные фасонные части
/—тройник фланцевый; 2—тройник раструб-фланец; 3—крестовина фланцевая; 4—крестовина
раструб-фланец; 5- отвод раструбный; 6—отвод раструб-гладкий конец; 7—колено фланцевое;
8—колено раструбное; 9— колено раструб-гладкий конец; 10— переход фланцевый; // — переход
раструб-фланец; /2—патрубок раструб-фланец; 13—патрубок фланец-гладкнй конец; 14—двой-
ная муфта; 15— надвижная муфта; /6-свертная муфта
Для закрытия концов трубопровода применяются заглушки
для присоединения мелких ответвлений — седелки фланцевые и
с резьбой, для опорожнения водоводов — выпуски.
На водоводах из асбестоцементных труб для поворотов, при-
соединения ответвлений употребляются также чугунные фасон-
ные части.
39
3. ЗАДВИЖКИ И ОБРАТНЫЕ КЛАПАНЫ
На водоводах устанавливается разнообразная арматура. Для
переключения отдельных ниток водовода применяются задвиж-
ки различных типов. Выпуск и впуск воздуха обычно произво-
дится посредством вантузов> или специальных клапанов. Для
опорожнения водоводов устанавливаются тройники или так на-
зываемые выпуски. Иногда устанавливаются обратные клапаны,
пропускающие воду только в одном направлении. Для предо-
хранения от гидравлического удара применяются противоудар-
ные клапаны. В редких случаях устанавливаются редукционные
клапаны, служащие для понижения напора в> водоводе. На водо-
водах могут размещаться и устройства для измерения расходов
воды.
Для лучшей подвижности узлов иногда устанавливаются
шарнирные стыки и компенсаторы. Подробное описание арма-
туры приводится в специальной литературе [33] и заводских
каталогах.
В настоящей главе даются некоторые сведения, относящиеся
к задвижкам, обратным клапанам, вантузам и выпускам, кото-
рые являются основной арматурой водоводов. Данные по про-
тивоударным клапанам рассмотрены в главе III.
Задвижки
Задвижки изготовляются на условные давления от 2,5 до
100 кг!см? при условных проходах от 50 до 1 000 мм. Задвижки
могут быть с круглым или (цилиндрическим) овальным, или
плоским корпусом.
Строительные длина и номенклатура задвижек по ГОСТ
3706-47 приведены в табл. 19.
Заводы изготовляют пока задвижки с размерами, отличаю-
щимися от размеров, приведенных в указанном ГОСТ.
При малых и средних диаметрах и невысоких давлениях наи-
более распространены параллельные задвижки с выдвижным
шпинделем. Для таких задвижек требуются колодцы больших
размеров, но зато наличие выдвижного шпинделя позволяет
легко контролировать степень открытия задвижки.
При диаметрах 400 мм и более применяются задвижки с не-
выдвижным шпинделем.
Круглые и овальные задвижки диаметром 500 мм и более
снабжаются обводной линией для облегчения их открытия и за-
крытия. В случае необходимости обводов для задвижек с пло-
ским или укороченным корпусом они устраиваются на самом
трубопроводе.
Задвижки диаметром 600 мм и выше изготовляются с зубча-
той конической передачей, которая значительно облегчает управ-
ление ими.
•40
Таблица 19
Строительная длина задвижек по ГОСТ 3706-47
Длина задвижек в мм
чугунных | стальных
плоских | овальных | круглых | овальных j круглых
прн величине условного давления в кг1см2
В мм 1 2,5 4 6 10 16 25 16 25 40 64 100
50 250 250 250 250 250 250 250 250
80 — — 280 300 300 280 280 310 310 310
100 -— — 190 300 330 330 300 300 350 350 350
125 — — 200 — 325 360 360 325 325 400 400 400
150 — — 210 — 350 400 400 350 350 450 450 450
200 — — 230 — 400 480 480 400 400 550 550 550
250 — — 250 — 450 550 550 450 450 650 650 650
300 — — 270 — 500 630 630 500 500 750 750 750
350 — 290 550 700 700 550 550 850 850 850
400 — 310 — 600 780 780 600 600 950 950 950
(450) — 330 — — 650 850 850 650 650 1 050 1 050 —
500 —» 350 — — 700 930 930 700 700 1 150 1 150 —
600 — 390 —. 800 1 000 800 — — — —
700 430 430 —- 900 900 1 130 — 900 — — — —
800 470 470 — 1000 1 000 1 250 —. 1000 — — — —
900 510 510 — 1 100 1 100 1 350 — — — — — —
1 000 550 550 — 1200 1 200 1500 — — — — — —
Задвижки выполняются чугунные или стальные с уплотняю-
щими кольцами из латуни или бронзы.
Задвижки присоединяются к трубам на фланцах, причем за-
движки поставляются заводами с просверленными отверстиями
на фланцах или без отверстий.
Задвижки бывают двух основных типов: параллельные и кли-
новые. В параллельных задвижках проход перекры-
вается двумя параллельно расположенными шиберами, раздви-
гаемыми одним или двумя расположенными между ними
клиньями при вращении шпинделя. В к л и н о в ы х задвиж-
ках проход перекрывается одним клинообразным круглым
диском (клинкетом), помещаемым в гнездо между наклонными
уплотняющими кольцами корпуса.
На рис. 20 показана параллельная чугунная задвижка с вы-
движным шпинделем; такие задвижки изготовляются условным
проходом от 50 до 400 мм для давления рраб =10 кг/см2.
В табл. 20 приведены применительно к рис. 20 размеры и
вес чугунных параллельных задвижек, выпускаемых заводами
Главармалита.
На рис. 21 изображена чугунная параллельная задвижка с не-
выдвижным шпинделем, обводной линией и конической переда-
41
Рис. 20. Задвижка параллельная Рис. 21, Задвижка параллельная чугунная с невыдвижным шпинделем
чугунная с выдвижным шпинделем с обводом и зубчатой передачей
чей. Такие задвижки изготовляются условным проходом от 600
до 1 000 мм для давлений рраб от 6 до 10 кг/см2.
Заводом Мосводопровода выпускаются задвижки укорочен-
ные на давление рраб =2,5 кг/см2 с условным проходом 700,
‘900 и 1 000 мм, длиной соответственно 420, 550 и 600 мм.
Таблица 20
Размеры в мм и вес чугунных параллельных задвижек
Условный проход d0 L D D, Dq н н, L Вес в кг
50 180 165 125 200 280 340 19
80 210 200 160 240 390 475 — 32
100 230 220 180 240 445 550 — 42
125 255 250 210 280 510 635 58
150 280 285 240 280 575 730 — 75
200 330 340 295 320 730 940 — 120
250 450 395 350 360 875 1 130 — 190
300 500 445 400 360 1 010 1 320 —, 255
350 550 505 460 400 1 150 1510 — 350
400 600 565 515 450 1310 1720 — 475
450 650 615 565 600 1280 — — 725
500 700 670 620 600 1350 — 560 865
600 800 780 725 600 1515 — 625 1 536
700 900 895 840 600 1668 — 625 2 500
800 1 000 1 015 950 900 1995 .— 765 3406
900 1 380 1 115 1050 900 2120 —. 790 4.00
1000 1 200 1 230 1 160 903 2 325 — 880 5135
Для водоводов, работающих с высоким давлением (рраб =
= 25^-100 кг/см2}, применяются стальные клиновые задвижки
с обводами. В задвижках dQ = 5004- 600 мм в целях уменьше-
ния усилия при открывании введены шарикоподшипники и про-
межуточная зубчатая передача. В задвижках, рассчитанных на
Р раб = 25 4 64 кг/см2, имеется невыдвижной шпиндель, а в за-
движках— на Рраб =25-4 ЮО кг/см2 — выдвижной.
Общий вид клиновой стальной задвижки с выдвижным шпин-
делем d0 = 50 мм представлен на рис. 22. Такие задвижки из-
готовляются условным проходом от 50 до 600 мм.
В табл. 21 приведены применительно к рис. 22 размеры и
вес стальных клиновых задвижек, выпускаемых Главармалитом.
Задвижки, требующие больших усилий для открывания, а так-
же в некоторых других случаях (например, при дистанционном
управлении) снабжаются электродвигателями. Электродвига-
тели применяются обычно трехфазного тока мощностью 1—2 кет,
напряжением 220/380 в с числом оборотов 1 450 в 1 мин. и рас-
считываются на открытие задвижки в течение 1—3 мин.
43
Таблица 21
Размеры в мм и вес стальных клиновых задвижек
Тип Условный проход d L D н я. А 1 •Рраб в кг/см" Вес кг
С невы- 150 350 300 705 880 280 420 360
движным 200 400 360 815 1 040 360 456 385
шпинде- 250/200* 450 425 815 1 040 360 456 470 2о
лем 300 500 485 1 295 1 625 500 625 500 —
50 250 180 480 545 250 225
100 350 250 670 800 360 340 146
150 450 345 840 1 000 400 440 375 280
200 550 415 1045 1265 500 512 490 Ь4 445
250/200* 650 470 1 045 1 265 500 512 490 470
ЗоО 750 530 1 305 1 615 640 684 520 865
400/300* 950 670 1 305 1615 640 684 660 980
500/400* 1 150 800 1 850 2 310 1 000 900 840 2 270
50 250 195 480 550 280 69
100 350 265 700 820 400 — 100 175
150 450 355 890 1 065 500 — — 354
С выдви- 100 350 250 650 360 340 140
жным 150 450 345 810 — 360 410 64 254
шпинде- 200 550 41' 800 — 600 480 390 336
лем 250 650 470 930 — 600 545 425 562
300 750 520 1 055 — 500 655 — 750
500 700 730 1900 450 915 910 25
600 800 845 2055 — 450 1 070 910 —
* В этих задвижках с целью уменьшения усилия на маховике и облег-
чения веса проходы в затворе уменьшены до размеров, указанных в знаме-
нателе.
В щелях облегчения манипулирования задвижками они ино-
гда оборудуются колонками управления, которые располага-
ются на перекрытии (глубоких камер). В последнее время
н практике водоснабжения начинают применять задвижки кони-
ческие и кольцевые [13, 33J]. Эти задвижки обеспечивают более
плавное закрытие отверстий. Они могут быть как ручные, так и
с электроприводом.
44
Рис. 22. Задвижка клиновая стальная с выдвижным шпинделем
< Обратные клапаны
Обратные клапаны обычно устанавливаются.дрл жаждом,на^
сосе, а иногда также и в начале водоводов при выходе j*x_ из
насосной станции. Обратные клапаны препятствуют течению
воды в водоводах в обратную сторону, которое могло бы вы-
звать опорожнение водовода через насос и вращение насоса в об-
ратную сторону, что является недопустимым для многих типов
насосов и соединенных с ними электродвигателей. Обратный
клапан предохраняет насос от возможного гидравлического
удара.
Обратные клапаны изготовляются разнообразных конструк-
ций. На водоводах малого и среднего- сечения наиболее распро-
45
Рис. 23. Обратный клапан типа
«захлопка*
странены обратные «ла-
паны типа «захлопка^
(рис. 23). При нормаль-
ной работе водовода за-
хлопка приподнята кверху
и пропускает воду. При
обратном движении воды
захлопка опускается под
действием собственного
веса и давления воды,
прижимаясь к седлу, и
закрывает проход воде.
Эти клапаны изготовля-
ются чугунные на давле-
ние р раб = 10 кг (см2 и
стальные на давление
lanoB «захлопка» приведе-
ны ,в табл. 22.
Подобного же типа клапаны на различные давления изготов-
ляются и сварные.
На водоводах большого сечения обычно устанавливаются так
называемые групповые обратные клапаны. В этих клапанах име-
ются не одна, а несколько захлопок (тарелок), благодаря чему
уменьшается их ударное действие при закрытии.
= 40 кг(см2. Размеры и вес
Таблица 22
Размеры в мм и вес обратных клапанов типа «захлопка*
Условный проход rf0 Чугунные клапаны Стальные клапаны
L D Dx н Вес в кг L D D, н Вес в кг
50 250 165 168 128 19 230 165 180 180 27
80 310 200 214 155 36 310 200 230 225 52
100 350 220 246 175 50 350 225 270 255 83
150 480 285 314 220 97 480 300 360 295 161
200 500 340 — — — 550 375 400 295 210
250 600 395
300 700 445 485 352 280 — — 1 1 —
350 800 505 — — — — — — — —
400 900 565 -1— — — 950 660 700 490 950
450 1000 615 —. — — .— — — — —
500 1 100 670 735 565 550 .— — — —- —
600 1 300 780 855 648 750 — — — — —
На рис. 24 представлен обратный групповой чугунный кла-
пан условным проходом 800 и 1 000 мм на pp.,rt « 10 кг/см2
с семью тарелками. Для уравновешивания давления предусмот-
рена обводняя линия.
46
- L
------/ ----------.J
Рис. 24. Групповой обратный клапан
В табл. 23 приведены размеры и вес этих клапанов.
Таблица 23
Размеры в мм и вес групповых обратных клапанов
Условный проход d0 L D Dq А н dt Вес в кг
800 1500 1015 1 610 800 815 150 3 480
1 000 1 900 1230 2 040 500 1 025 200 5 890
Помимо указанных, имеются обратные клапаны и других
видов, удовлетворяющие специальным требованиям, например,
клапаны с ускоренной посадкой, с замедленной посадкой, нехло-
пающие клапаны и др.
4. ВАНТУЗЫ И ВЫПУСКИ
Вантузы устанавливаются в повышенных точках водоводов.
Они служат для отвода воздуха, выделяющегося из воды, кото-
рый попал в нее через неплотности в соединениях на насосных
станциях и на линиях, а также во время заполнения водоводов.
Наличие значительного количества воздуха в водоводах не-
допустимо, так как образующиеся воздушные пробки затруд-
17
няют эксплуатацию, создают дополнительные сопротивления и
могут способствовать возникновению гидравлических ударов
вследствие быстрого соединения разорвавшихся столбов воды
(см. стр. 98).
При заполнении водоводов должен быть обеспечен быстрый
отвод воздуха. Частично он удаляется через вантузы, а частич-
но — через специально устроенные отростки с установленными
на них задвижками.
При опорожнении водоводов необходимо обеспечить быстрый
впуск в них воздуха во избежание образования вакуума в тру-
бах. Для этого служат вантузы уже другого типа (для впуска
воздуха). Как правило, количество воздуха, который необхо-
димо впустить в трубопровод при его опорожнении, настолько
велико, что, кроме вантузов, необходимо предусматривать от-
ростки с задвижками, открываемыми вручную.
Таким образом, устанавливаемые на водоводах приборы для
выпуска и впуска воздуха, обычно объединяемые общим наиме-
нованием вантузов, можно разделить на четыре группы:
а) эксплуатационные вантузы, предназначенные для постоян-
ного удаления воздуха, выделяющегося из воды;
б) вантузы для выпуска воздуха при заполнении водоводов
водой;
в) вантузы для впуска воздуха при опорожнении водово-
дов— противовакуумные вантузы (называемые также аэрацион-
ными клапанами);
г) отростки с задвижками для впуска или выпуска воздуха
(воздушные краны).
Вантузы первых трех групп являются основными и действуют
автоматически, вантузы четвертой группы в основном являются
вспомогательными и управляются преимущественно вручную или
дистанционно.
Все перечисленные приборы устанавливаются в колодцах.
В этих же колодцах могут быть расположены задвижки для пе-
реключения и другая арматура. Ввиду того что вантузы должны
быть расположены на водоводе в определенных местах, а места
расположения задвижек для переключений строго не фиксиру-
ются, то в целях уменьшения числа колодцев целесообразно
в одном колодце совмещать установку вантузов и задвижек за
счет изменения длины участков переключений в допустимых
пределах.
На рис. 25 показана установка на водоводе диаметром
1 200 мм эксплуатационного вантуза, аэрационного клапана, от-
ростка с задвижкой для выпуска воздуха. Кроме того, установ-
лен клапан для впуска воздуха в колодец при быстром опорож-
нении водовода, так как иначе колодец может быть разрушен
атмосферным давлением, ввиду образования в нем вакуума.
Схема установки вантузов в камере переключений была по-
казана на рис. 2, г.
48
Опорожнение водоводов может потребоваться в случаях их
ремонта или промывки. Для опорожнения устраиваются выпу-
ски, представляющие собой ответвления с задвижками в пони-
женных местах водовода. Ответвления укладываютсй до бли-
жайших водоемов, оврагов, канав и т. п. В некоторых случаях,
если топографические условия не позволяют устроить такой вы-
пуск, он заканчивается в так называемом «мокром» колодце,
откуда вода откачивается насосом.
Выпуски .могут быть расположены как в специальных колод-
цах, так и в камерах переключений.
Рис. 25. Установка вантузов на водоводе
/-эксплуатационный вантуз; 2— аэрационный клапан; 3—отро-
сток с задвижкой для выпуска воздуха-, ./—клапан для впуска
воздуха в колодец
На рис. 26 показаны некоторые из возможных схем устрой-
ства выпусков из трубопроводов двойного водовода.
При значительном диаметре водоводов1 и расположении ка-
меры переключений в пониженном месте поблизости от реки
выпуск обычно1 устраивают по схеме “рис. 26, а. Коммуникация
задвижек позволяет через один выпуск опорожнять как первый,
так и второй трубопроводы. Для уменьшения стоимости выпуска
его лишь вначале, где он проходит на большой глубине, устраи-
вают в виде закрытой трубы, которая выходит в канаву, закан-
чивающуюся у реки. В месте выхода трубы в канаву, а также
на берегу реки делают оголовки простейшего типа.
Схема по рис. 26, б может быть применена при устройстве
выпуска из камеры переключений {три отсутствии водоема; Для
каждой из ниток водовода устраивается свой так называемый
«мокрый» колодец, из которого вода откачивается насосом. По-
добное устройство неудобно и дорого в эксплуатации, особенно
4 С. Н. Аронов 491,
4
при иодоводах большого диаметра, так как требует лишнего
оборудования, но его приходится применять по необходимости
При неблагоприятных топографических условиях и большом рас-
стоянии между нитками водовода.
На рис. 26, в показана простейшая схема выпуска в общий
ДЛЯ Двух ниток водовода «мокрый» колодец при отсутствии
в данном месте колодца или камеры переключений. В этом слу-
чае выключение опоражниваемого участка водовода произво-
дится в колодцах переключений, находящихся по обе стороны от
выпускного колодца.
Рис. 26. Схемы расположения выпусков из водоводов
Закрытая часть выпускных линий работает под напором и
поэтому делается из металлических труб. Длина ее зависит от
местных условий и может колебаться в очень широких преде-
лах— от 3 до 30 м и более.
Продолжительность опорожнения водоводов задается техни-
ческими условиями эксплуатации и составляет обычно от 1 до
5 час. Продолжительность заполнения водоводов при испытании
и пуске их в работу также определяется соответствующими нор-
мами. Количество воздуха, выпускаемого или впускаемого при
этих операциях в единицу времени, находится в строго опреде-
ленной зависимости от количества воды, вытекающей из водо-
вода или нагнетаемой в него.
При размещении вантузов и выпусков приходится учитывать
рельеф местности, допустимую продолжительность опорожнения
и наполнения водоводов, наличие удобных пунктов сбросов
50
воды из выпусков, степень насыщенности воды воздухом, давле-
ние в водоводе и изменение его по длине.
В основном расстояние между вантузами и выпусками на
водоводах большого протяжения определяется длиной так на-
зываемых ремонтных участков. Если на ремонтном участке во-
довода имеется выпуск для
опорожнения этого участка*
то на нём должен быть и
вантуз для впуска воздуха.
Чем больше длина ре-
монтных участков, тем дол-
жны быть больше сечения
вантузов и выпусков.
В среднем расстояние ме-
жду вантуз.а'Ма-...на “водово-
дах среднего и (м'алого диа-
метров принимается от 1 до
5 км. На водоводах диа-
метром больше 1 000 мм это
расстояние обычно умень-
шается.
Для обеспечения правиль-
ной и безотказной работы
вантузов и выпусков долж-
но быть организовано по-
стоянное и тщательное на-
блюдение за ними.
При проектировании и
эксплуатации водоводов
большого диаметра из сталь-
ных и деревянных труб осо-
бое внимание надо уделять
установке противоваку ум-
ных клапанов. Недостаточ-
ное число таких клапанов
Рис. 27. Эксплуатационный вантуз обыч-
ного типа
7-----
'н
может привести к сплющиванию и разрушению водово-
дов в случае, например, быстрого опорожнения при ава-
риях.
На рис. 27 показан обычный эксплуатационный вантуз.
Вантуз представляет собой цилиндрический чугунный кор-
пус 1 с верхним 2 и нижним 3 фланцами. К верхнему фланцу
прибалчивается чугунная крышка 4 с отверстием в центре, в ко-
торое вставлена бронзовая гайка 5 с отверстием диаметром
3—5 мм. Это отверстие в*о избежание засорения прикрыто сверху
колпачком 6 со щелями для выхода воздуха. Внутри корпуса
вантуза находится плавающий шар 7, сделанный из дерева и
пробки, обтянутых резиной или тонкостенный металлический,
а иногда стеклянный.
51
Внутри корпуса 1 имеются приливы 8, на которые садится
шар в нижнем своем положении.
При отсутствии в водоводе воздуха корпус вантуза целиком
заполнен водой, и шар плотно прижат к отверстию в бронзовой
гайке. По накоплении же выделяющегося из .воды воздуха в кор-
пусе вантуза уровень воды в нем снижается, шар опускается,
открывает отверстие, через которое выходит воздух. После этого
шар снова занимает прежнее положение вверху корпуса. Такой
вантуз применяется при рабочем давлении до 10 ат и незначи-
тельном количестве отводимого воздуха.
Размеры и вес вантуза указаны в табл. 24.
Таблица 24
Размеры в мм и вес вантузов_______
Условный проход da н D d Вес в кг
50 407 165 150 16
75 487 200 165 20
Для отвода воздуха в более значительном количестве приме-
няется вантуз с двойным клапаном — импульсным и основным
Рис. 28. Вантуз с двойным клапаном
импульсным и основным
(рис. 28). В этом вантузе,
помимо основного клапана
с выпускным отверстием Б
диаметром 15 мм, и’м'еется
импульсный клапан с отвер-
стием А диаметром 3 мм.
Импульсный клапан закры-
вает отверстие, имеющееся
в основном клапане.
Вантуз состоит из сле-
дующих основных часпей:
цилиндрического корпуса 1,
стального полого шара 2 с
вертикальным штоком 3,
расположенным в направ-
ляющей 4, шпинделя 5 им-
пульсного клапана, непо-
движной головки 6 и по-
движной крышки плунже-
ра 7 основного клапана,
скользящей в бронзовой ру-
башке головки 6.
Головка 6 и плунжер 7
основного клапана образуют
промежуточную камеру, со-
общающуюся с атмосферой
52
через отверстие А. С внутренней полостью корпуса вантуза эта
камера сообщается отверстием В в нижней части головки основ-
ного 'клапана.
Действие клапана происходит таким образом. При опуска-
нии шара 2 в результате скопления воздуха в 'корпусе вантуза
открывается малое отверстие А импульсного клапана, вследствие
чего внутренняя полость клапана сообщается с атмосферой.
, Благодаря этому опускается основной клапан, и воздух выхо-
дит через большое отверстие.
Вантуз с двойным клапаном сконструирован на рабочее дав-
ление 16 ат; вес его 45 кг; диаметр нижнего (установочного)
отверстия 50 мм.
На водоводах большого диаметра (больше 800—1 000 мм)
применяются двойные вантузы. Вантуз такого типа, применяе-
мый на Московском водопроводе, представлен на рис. 29. Этот
вантуз рассчитан на рабочее давление 16 ат. Диаметр устано-
вочного отверстия 100 мм. Каждый из вантузов работает по
принципу вантуза с импульсным и основным клапанами.
Вантузы устанавливаются на тройниках. Для лучшего по-
ступления воздуха в отросток тройника диаметр, отростка реко-
мендуется принимать 0,5—0,75 диаМ'етра водовода.
53
Для того чтобы можно было снять вантуз без выключения
водовода, между отростком тройника и вантузом устанавли-
вается задвижка.
Для водоводов' высокого давления (более 15—20 ат) вантузы
описанного типа для постоянного выпуска воздуха не применя-
ются, так как при больших давлениях выделение воздуха отно-
сительно невелико, конструкция же вантузов, рассчитанных на
высокое давление, получается слишком массивной. В таких слу-
чаях, как правило, можно ограничиваться установкой в колод-
цах отростков с задвижками (воздушных кранов), с периодиче-
ским выпуском через них воздуха.
На рис. 30 показаны примернее схемы установки вантуза на
водоводе на обычном тройнике с фланцем, на тройнике с кони-
ческим переходом и на тройнике с коническим отростком.
Рис. 30. Схемы установки вантузов на водоводах
а-на тройнике с фланцем; d’-на тройнике с переходом; в-на
тройнике с коническим отростком
Впуск небольшого количества воздуха может осуществляться
через эксплуатационные вантузы. При значительном же количе-
стве воздуха, которое бывает в водоводах большого протяжения
и большого диаметра, необходима установка особых противо-
вакуумных вантузов (аэрационных клапанов).
На рис. 31 показан пружинный противовакуумный вантуз
(аэрационный клапан), разработанный Гипроспецнефтью.
Отверстие клапана обычно закрыто тарелкой, прижатой
к корпусу пружиной. При образовании в водоводе пониженного
давления тарелка открывается, и воздух через корпус клапана
входит в водовод.
Применяется также рычажный противовакуумный клапан
конструкции Мосводопровода со впускным отверстием диамет-
ром 200 мм. Он предназначен для впуска весьма значительного
количества воздуха в крупные водоводы.
Противовакуумпые клапаны можно использовать также и
для выпуска воздуха, для чего требуется открыть вручную их
отверстие.
м
Рис. 33. Выпуски
а—чугунные; <5 —стальные
На рис. 32 представлен клапан с двумя шарами, предназна-
ченный как для удаления воздуха из водовода при заполнении
его водой и во время нормальной эксплуатации, так и для впу-
ска воздуха.
Правая часть вантуза П в основном служит для выпуска
воздуха из водовода в эксплуатационных условиях, левая Л —
для впуска воздуха при нормальном или аварийном опорожне-
нии.
Выпускное воздушное отверстие правой части вантуза нахо-
дится выше, чем отверстие левой части.
В случае кратковременного опускания правого шара при вы-
пуске небольшого количества воздуха левый шар остается при-
жатым к своему отверстию и работать не будет. При опорожне-
нии же водовода уровень воды в обеих частях вантуза резко
снижается, и оба шара под влиянием' собственного веса опу-
скаются вниз, открыв доступ большому количеству воздуха.
Выпуски представляют собой специальные фасонные части.
Они изготовляются чугунные или сварные стальные.
Чугунные раструбный и фланцевый выпуски по ГОСТ
5525-50 показаны на рис. 33, а. В выпусках большого диаметра
(500—1 000 мм) устраиваются лазы.
Сварные стальные выпуски диаметром 200—400 мм, длиной
I = 600 мм (по Водоканалпроекту) изображены на рис. 33, б.
В табл. 25 приведены основные размеры и вес сварных вы-
пусков. Размеры и вес чугунных выпусков приведены в> ГОСТ
5525-50.
Таблица 25
Размеры в мм и вес стальных выпусков
Условный проход i Условный проход 1 5 Вес выпуска в кг
ствола Do отростка du
200 100 225 6,5 26,1
250 100 259 7.5 32,9
300 100 275 8,0 43,5
350 100 300 8,0 50,4
400 150 385 9,0 66,7
ГЛАВА HI
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИИ
ПРИ ДВИЖЕНИИ ВОДЫ ПО ТРУБАМ
Движение воды по трубам может происходить при ламинар-
ном и турбулентном режимах.
При ламинарном движении, частицы жидкости двигаются
параллельно стенкам трубы, образуя концентрические им слои.
Рис. 34. Эпюра скоростей при ла-
минарном режиме движения воды
по трубам
Рис. 35. Эпюра скоростей при
турбулентном режиме движе-
ния воды по трубам
На рис. 34 изображена эпюра скоростей при ламинарном
режиме движения воды.
Турбулентный режим движения воды по трубам характери-
зуется беспорядочным колебательным движением частиц, нали-
чием пульсации в потоке. Степень трубулентности потока в тру-
бе может быть различна.
На рис. 35 показана эпюра скоростей при турбулентном
режиме.
Режимы движения жидкости характеризуются предложенным
Рейнольдсом критерием подобия:
т, vd
Re — —,
(Ш.1)
57
где v — скорость движения в м;сек\
d — диаметр трубы в м\
v — коэффициент кинематической вязкости жидкости (в дан-
ном случае воды) в м^/сек.
В табл. 26 приведены значения коэффициента кинематиче-
ской вязкости воды при различных ее температурах t.
Таблица 26
Кинематическая вязкость воды
Температура t в град. Коэффициент кинема- тической вязкости в м?сек Температура t в град. Коэффициент кинема- тической вязкости в м1сек
0 0.000001789 40 0.000000658
5 0,000001515 45 0.000000601
10 0,000001306 50 0,000000556
15 0,000001142 60 0,000000478
20 0,000001006 70 0.000000415
25 0,000000896 80 0.000000366
30 0,000000805 90 0,000000326
35 0,000000725 100 0,000000294
В результате затраты энергии на внутреннее трение происхо-
дит падение давления (потеря напора) при движении жидкости
по трубам.
Потеря напора в общем виде выражается формулой
h = -Р1~= к — , (Ш. 2)
7 d?g
где рх — давление в начале трубы в кгм--.
р2 — давление в конце трубы в кг, мг\
Т —объемный вес жидкости в кг]м?\ для воды 7= 1 000;
К — коэффициент гидравлического сопротивления;
I — длина трубы в м\
d—расчетный диаметр в м-,
v — средняя по сечению скорость в м'[сек\
£ = 9,81 мсек2— ускорение силы тяжести.
Потеря напора на единицу длины трубы или гидравлический
уклон (величина безразмерная) равна
i = A = (Ш.З)
Учитывая, что d — 4R,
лой трубы, получаем:
i — К----— а -
$gR
I 2gd
где R — гидравлический радиус круг-
V2 > V2 ,,,,
5R
Вводя обозначение
(Ш. 5)
(Ш. 6)
величина
в м3!сек.
имеем
. V2
г =----,
С2/?
откуда получаем так называемую формулу Шези
v = CVRl.
Коэффициент гидравлического сопротивления к
1
безразмерная, коэффициент С имеет -размерность— .
Если выразить среднюю скорость v через расход (
и диаметр d в м, а также подставить численное значение вели-
чины g, то из выражения (Ш.З) получим
f = 0,0827k(Ш. 7)
d5
Как видно из выражений (Ш.З) и .(Ш.5), для определения
гидравлического уклона i (потери напора) необходимо устано-
вить зависимости коэффициентов к или С от режима движения
воды по трубам.
Величина коэффициента сопротивления к в общем виде за-
висит от числа Рейнольдса (Re), а также от состояния стенок
труб. Последнее в гидравлическом отношении характеризуется
степенью шероховатости.
Относительная шероховатость стенок труб выражается черев
— , где k — высота выступа шероховатости и г — радиус трубы.
г
Обратная относительной шероховатости величина ~ называется
относительной гладкостью.
При ламинарном режиме движения обычно Re < 2 000. При
этом шероховатость стенок не оказывает влияния на величину
коэффициента сопротивления к и значение его определяется фор-
мулой
х = (ill. 8)
Re
Между значениями Re от 2 000 до 4 000 коэффициент сопро-
тивления резко повышается. Эту область называют переходной
от ламинарного к турбулентному режиму или зоной неопреде-
ленности потока. При более значительных величинах Re имеет
место уже турбулентный режим движения воды по трубам. При-
нятием специальных мер успокоения потока отдельным экспери-
ментаторам удавалось обеспечивать ламинарный режим при зна-
чениях Re, доходящих до 15 000 и даже более. Турбулентный
режим движения охватывает три области с различными зако-
нами гидравлических сопротивлений:
а) область гидравлически гладких труб, где X -не зависит от
шероховатости стенок, а зависит лишь от величины Re;
б) переходную область, в которой X зависит как от относи-
тельной шероховатости стенок труб, так и от величины Re;
в) квадратичную область, в которой X зависит лишь от отно-
сительной шероховатости стенок, но не зависит от Re.
Изучением вопросов о^ гидравлических сопротивлениях при
движении жидкости по трубам занимаются советские научно-
исследовательские и проектные институты. Особенно следует
отметить работы последних лет института Водгео, Всесоюзного
теплотехнического института им. Дзержинского, ЦАГИ, Москов-
ского нефтяного института им. Губкина и др. Всесторонне иссле-
дуются водоводы и другие трубопроводы разного сечения и из
разных материалов, находящиеся в различных эксплуатацион-
ных условиях.
Исследования показали, что на величину X влияет не только
сама величина —. Существенное значение имеет степень равно-
мерности распределения выступов на внутренней поверхности
трубы, соотношение размеров отдельных выступов и их геомет-
рическая форма.
В настоящее время при определении влияния на гидравличе-
ские сопротивления той или иной шероховатости труб принято
учитывать так называемую «эквивалентную шероховатость» труб
k3 , характеризующую состояние поверхности стенок трубопро-
вода.
Под эквивалентной шероховатостью подразумевается та ве-
личина шероховатости в расчетном уравнении, при которой
в условиях квадратичного режима коэффициент сопротивления
для данной.трубы имеет то же значение, что и при фактической
шероховатости этой трубы.
Таблица 27
Приближенные значения величины эквивалентной
шероховатости
Характеристика трубы Значение /тэ в мм
Новые (не бывшие в употреблении) сталь-
ные бесшовные трубы 0,05-0,15
Стальные бесшовные трубы при кратковре- 0,10-0,50
менной эксплуатации
Стальные бесшовные трубы заржавленные, 1,0 - 1,5
после продолжительной эксплуатации . .
Чугунные трубы новые 0,25-0,50
Чугунные трубы, бывшие в эксплуатации 1,0 -1,5
60
Точное значение величины эквивалентной шероховатости мо-
жет быть определено расчетом на основе экспериментальных
данных, полученных при наблюдениях за искусственно создан-
ным в трубе турбулентным движением воды в квадратичной об-
ласти.
Коэффициент сопротивления Л
Рис. 36. Зависимость коэффициента сопротивлений стальных труб
от относительной гладкости г/#э по данным ВТИ
Приближенно величина эквивалентной шероховатости может
приниматься по табл. 27.
На рис. 36 даны, полученные Г. А. Муриным во Всесоюзном
теплотехническом институте им. Дзержинского, значения коэф-
фициентов гидравлических сопротивлений при прокачке воды по
новым стальным бесшовным трубам диаметром от 38 до 200 мм,
причем относительная гладкость этих труб у была в пределах
от 50 до 7 500.
61
Обстоятельные исследования проведены Водгео по выявле-
нию законов гидравлических сопротивлений для водоводов боль-
шого сечения. Результаты некоторых работ Водгео представле-
ны на графике, построенном в так называемых универсальных
координатах (рис. 37), где сопоставлены данные, полученные
институтом, с данными лабораторных опытов Никурадзе, отно-
сящимися к трубам с искусственной равномерной шерохова-
Рис. 37. Опытные данные Водгео по гидравлическим
с опротивлениям водоводов
гостью и с результатами расчетов по формуле Кольбрук-Уайта
[9]. Сходные данные получены и другими исследователями при
опытах над трубами с натуральной «торговой» шерохова-
тостью [46(].
Для определения границ гидравлической работы водоводов,
отвечающих различным режимам и областям движения по ним
воды, могут служить предельные значения критерия Re, отве-
чающие переходу от ламинарного режима к турбулентному,
а в пределах последнего — из переходной области в квадратич-
ную.
Расчеты и исследования показывают, что ламинарного ре-
жима практически в водо1водах не бывает, так как он возможен
лишь при крайне малых скоростях. Например, в водоводе диа-
метром 600 мм при температуре 20° переход от ламинарного
62
режима к турбулентному происходит уже при скорости, превы-
шающей
ReKp^ 2 000-0,000001 п ллоо /
т>кр =---d =----------------= °>°°33 м/сек.
Квадратичная область турбулентного режима в трубах с ма-
лой и средней шероховатостью обычно наблюдается при скоро-
стях, превышающих экономически целесообразные.
В водоводе диаметром 600 лии из новых сравнительно гладких
труб граница между переходной и квадратичной областями от-
вечает скорости порядка 3,0 м/сек, а из старых сильно' шерохо-
ватых труб—около 1,0 м/сек.
С уменьшением диаметра труб при той же абсолютной шеро-
ховатости стенок уменьшается значение скорости, граничной ме-
жду этими областями. При повышении температуры воды и
уменьшении ее вязкости происходит увеличение расчетной ско-
рости, отвечающей началу области квадратичного закона гидра-
влических сопротивлений. е
В большинстве случаев водоводы работают в переходной об-
ласти турбулентного режима, где коэффициент гидравлического
сопротивления к выше, чем в квадратичной области. Поэтому
при гидравлическом расчете водоводов надо определять режим
их работы и подбирать соответствующие ему расчетные фор-
мулы.
2. ФОРМУЛЫ И ТАБЛИЦЫ ДЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО
РАСЧЕТА
На основании опубликованных исследований последнего вре-
мени, произведенных в основном советскими учеными и инжене-
рами, для гидравлического расчета водоводов из ряда формул
особенно можно рекомендовать приводимые ниже формулы.
Для коэфф'иценита сопротивления X в области гидравличе-
ски гладких труб рекомендуется формула П. К- Конакова [32]
(1,8 lg Re—1.5)2 '
(Ш.9)
Для квадратичной области турбулентного режима можно
принимать как основную формулу акад. Н. И. Павловского,
предложенную им в результате систематизации и анализа об-
ширного материала
C = ~Ry, (III. 10)
п
где /г — коэффициент шероховатости;
R — гидравлический радиус, равный для круглых труб-- ;
у — переменный показатель степени, определяемый выра-
жением :
63
_у== 2,5/1-0,13-0,75]//? (]/ ti -0,10). (III. 11)
Эта формула справедлива при /? от 0,1 до 3 м.
Выражения для у по указанию акад. Павловского можно за-
менять приближенными более простыми
п р и J? >1 м
(Ш.]12)
при R < 1 м __
уя1,3¥п. (III. 13)
Приведя формулу (ШЛО) к виду, определяющему непосред-
ственно потерю напора на единицу длины (гидравлический
уклон), получаем выражение
1= 1,621 , (III. 14)
rf5+2y 1 7
где Q — расход в м^сек.
В. Г. Лобачевым указана взаимозависимость коэффициента
шероховатости п и выступа шероховатости k3 [10]
6___
п = . (III. 15)
Ли
Величина z сравнительно мало меняется при изменении отно-
сительной гладкости —.
k
Для k3 , выраженного в мм, z в среднем можно принять рав-
ной 0,0125.
В табл. 28 приведено сопоставление различных значений
коэффициента п в формуле акад. Павловского с отвечающими
им величинами эквивалентного выступа шероховатости
Таблица 28
Сопоставление значений п и кэ
Значение коэффициента п в формуле акад. Павлов- ского Величина эквива- лентного выступа . шероховатости к9 в мм, определенная по формуле (ill-15) Округленное зна- чение величины ; эквивалентного j выступа шерохо- ватости к3 в мм
0,010 0,263 0,3
0,011 0,463 0,5
0,012 0,785 0,8
0,013 1,27 1,3
0,014 1,97 2,0
Попутно отмечаем, что результаты расчетов подформуле
акад. Павловского с упрощенным выражением для у близки
к результатам расчетов по формуле Маннинга, а данные, полу-
чаемые из формулы Маннинга при п = 0,012 примерно соответ-
tit
ствуют данным, получаемым из формулы Вильямса-Хазена при
Свх= 120.
В практике расчета металлических водоводов наиболее упо-
требительны величины эквивалентной шероховатости 0,5; 0,8—
1,0 и 1,25—1,5 мм. Соответствующая величина коэффициента п
в формуле акад. Павловского, как видно из табл. 28, будет со-
ставлять около 0,011; 0,012 и 0,013.
Отсюда формула (III.14) после подстановки значения из фор-
мулы (II 1.12) примет вид:
прип = 0,011 / = 0,00121 ; (III.16)
прил = 0,012 / = 0,001482-^-; (Ш.17)
при п = 0,013 / = 0,00176 -^-. (III.18)
По формуле (III. 17) составлены широко распространенные
таблицы проф. Н. Н. Гениева [12].
Достаточно просто все гидравлические расчеты водоводов
можно производить и непосредственно по формулам (III.16),
(III.17), (III.18), если привести их к виду:
i = AQ\ (Ш.19)
где А — модуль.
В табл. 29 приводится значение модуля А при разных вели-
чинах п и d.
Таблица 29
Значения модуля А
Диаметр трубы d в мм Значения модуля А
при л=0,011 0,00121 1/5,32 при я=0,012 0,001482 </5,33 при п=0,013 0,00176 </5,34
100 269,0 319,2 387,0
125 81,6 97,1 111,7
150 30,8 36,7 44,4
200 6,64 7,92 9,55
250 2,03 2,41 2,90
300 0,756 0,911 1,093
350 0,339 0,400 0,481
400 0,165 0,196 0,235
450 0,088 0,1045 0,1253
500 0,0503 0,0597 0,0714
600 0,0190 0,0226 0,0270
700 0,00834 0,00993 0,0118
800 0,00410 0,00487 0,00581
900 0,00218 0,00260 0,00309
1000 0,00124 0,001482 0,00176
1100 0,00746 0,00089 0,00106
1200 0,000470 0,00056 0,000665
1300 0,000308 0,000366 0,000433
1400 0,000208 0,000246 0,000292
1500 0,000144 0,000170 0,000202
5 С. II. Аронов
65
Величина потерь напора Н по всей длине / водовода (в м)
определится из выражения
H=il = AQ4. (III.20)
Для переходной области, где законы гидравлических сопро-
тивлений особенно сложны, пока не опубликовано всесторонне
обоснованных и практически проверенных формул. Пользование
для этой области формулой (III.17) и другими формулами, от-
вечающими квадратичной области, приводит к неточностям.
Поэтому пока рекомендуется для определения гидравличе-
ского уклона (потери напора), отвечающего переходной области
движения воды по водоводам, применять формулу акад. Пав-
ловского (11.14) или составленные по ней таблицы, вводя пере-
менные поправочные коэффициенты.
Работами института Водгео [9\ на основе наблюдений, про-
веденных над действующими водоводами московского водопро-
вода, определена система поправочных коэффициентов к этой
формуле, относящихся к водоводам большого диаметра (от 600
до 1 200 мм). Эстраполяция данных Водгео, на основе рассмот-
ренных выше общих законов изменения гидравлических сопро-
тивлений дает практически приемлемую возможность распро-
странения этой же системы поправок и на водоводы меньшего
сечения, что и сделано1 автором.
Подсчет потерь напора с применением указанных поправок
заключается в том, что значения величин потерь напора, опре-
деленные по таблицам, составленным по формуле (III. 17), при
коэффициенте шероховатости п = 0,012 [12] умножаются на по-
правочные коэффициенты а и b [91. Здесь а — коэффициент пе-
рехода от коэффициента шероховатости п = 0,012 к расчетному
и b — поправочный коэффициент, учитывающий отклонение от
квадратичной зависимости.
'Значения коэффициента а Водгео рекомендованы следующие:
1) для трубопроводов, находящихся в эксплуатации 10—15
лет, применительно к условиям московского водопровода и им
подобным (слабо коррозионная вода), при отсутствии дополни-
тельных мероприятий по борьбе с коррозией внутренней поверх-
ности стенок трубопровода — а = 1,174;
2) для новых, хорошо уложенных трубопроводов (соедине-
ние стальных труб без значительных выступов* в стыках и при
хорошем качестве внутреннего битумного защитного покры-
тия)— а = 0,918.
Значения поправочного коэффициента Ь, зависящего от рас-
четной скорости движения воды, рекомендуется принимать раз-
личные для стальных и чугунных труб, пользуясь табл. 30 при
а= 1,174 и табл. 31 при а = 0,918.
Введение в формулу (III. 17) поправочного коэффициента
а = 1,174 соответствует увеличению в формуле (III.17) значения
п (примерно до 0,013), т. с. переходу к формуле (III.18) или,
М
Таблица 30
Значения поправочного коэффициента b для гидравлического
расчета стальных и чугунных водопроводных труб средних
и больших диаметров (при а=1,174, соответствующем условиям
• длительной эксплуатации*)
Диаметр тру- бопровода в мм Значения поправочного коэффициента b при скорости v в м!сек
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 1,4-гЗ
200 1,06 1,03 1,02 1,01 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
1,11 1,06 1",03 1,02 1,01 1,01 1,00" 1,00 1,00
250 1,06 1,03 1,02 1,01 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
1,12 1,07 1,03" 1,03 1,01 1,01 1,00 1,00 1,00
300 1,06 1,03 1,02 1,01 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
1,13 1,08 1,04 1,03 1,01 1,01 1,00 1,00 1,00
350 1,07 1,04 1,02 1,01 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
1,14 1,09 1,05 1,03 1,01 1,01 1,00 1,00 1,00
400 1,07 1,04 1,02 1,02 1,01 1,00 1,00 1,00 1,00
1,14 1,09 1,06 1,04 1,02 1,01 1,00 1,00 1,00
450 1,08 1,04 1,03 1,02 1,01 1,00 1,00 1,00 1,00
- 1,07 1,04 1,02 мм. - —• 1,00
1,15 1,10 1,02 1,00 1,00
500 1,08 1,05 1,03 1,02 1,01 1,00 1,00 1,00 1.00
1,15 1,10" 1,07 1,05 1,03 1,02 1,00 1,00 1,00
600 1 08 1,05 1,03 1,02 1,01 1,00 1,00 1,00 1,00
1,16 1,11 1,08 1,05 1,03 1,02 1,01 1,00 1,00
700 1,09 1,06 1,04 1,03 1,02 1,01 1,00 1,00 1,00
1,1/ 1,12 1,09 1,06 1,04 1,03 1,02 1,00 1,00
800 1,09 1,06 1,04 1,03 1,02 1,01 1,00 1,00 1,00
1,18 1,13 1,10 1,07 1,05 1,03 1,02" 1,00 1,00
900 1,10 1,07 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01 1,00 1,00
1,19 . 1,14 1,11 1,08 1,06 1,04 1",03 1,01 1,00
1000 1,10 1,07 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01 1,00 1,00
1,20 1,15 1,12 1,09 1,07 1,05 1,04 1,02" 1,00
1 200 1,11 1,08 1,06 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01 1,00
— — — — — — — — —
<|ГТ* В числителе указаны значения поправочного (коэффициента b для
стальных труб, в знаменателе — для чугунных труб.
Ж .
5*
67
а б л и ц a 31
Значения поправочного коэффициента b для гидравлического
расчета стальных и чугунных водопроводных труб средних
ц больших диаметров (при а=0,918, соответствующем новым, хорошо
уложенным трубам)*
Диаметр трубопро- вода в мм Значения поправочного коэффициента Ъ при скорости v в м/сек
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2.5
200 1,18 1,15 1,13 1,Н 1,10 1,08 1 1,07 1,05 1,04 1,03 1,01 1,00 1,00
1,42 1,33 1,28 1,24 1,19 1,16 1,13 1,10 1,06 1,03 1,01 1,00 1,00
250 1,18 1,15 1,13 1.11 1,10 1,08 1,07 1,05 1,04 1,03 1,01 1,00 1,00
1,42 1,33 1,28 1,24 1,19 1,16 1,13 1,10 1,06 1,03 1,01 1,00 1,00
300 1,19 1,16 1,13 1,11 1,10 1,09 1,07 1,06 1,04 1,03 1,02 1,00 1,00
1,43 1,34 1,24 1,25 1,20 1,17 1,14 1,11 1,07 1,04 1,02 1,01 1,00
350 1,19 1,16 1,14 1,11 1,10 1,09 1,08 1,06 1,04 1,03 1,02 1,01 1,00
1,43 1,34 1,30 1,25 1,21 1,18 1,15 1,12 1,08 1,05 1,03 1,02 1,01
400 1,19 1,16 1,14 1,12 1,10 1,09 1,08 1,06 1,04 1,04 1,02 1,02 1,01
1,44 1,35 1,31 1,26 1,22 1,19 1,16 1,13 1,09 1,06 1,04 1,03 1,02
450 1,20 1,16 1,14 1,12 1,11 1,10 1,08 1,06 1,05 1,04 1,03 1,03 1,01
1,44 1,36 1,32 1,26 1,23 1,20 1,17 1,14 1,10 1,07 1,05 1,04 1,02
500 1,20 1,45 1,17 1,37 1,14 1,33 1,12 1,27 1,11 1,24 1,10 1,21 1,09 1,18 1,07 1,14 1,05 1,11 1,04 1,08 1,03 1,06 1,03 1,04 1,01 1,03
600 1,20 1,17 1,14 1,12 1,11 1,10 1,09 1,07 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01
1,46 1;38 1,33 1,28 1,25 1,22 1,19 1,15 1,12 1,09 1,07 1,0э 1,03
700 1,21 1,48 1,18 1,40 1,15 1,34 1,13 1,29 1,12 1,26 1,11 1,23 1,10 1,20 1,08 1,16 1,06 1,13 1,05 1,10 1,04 1,08 1,03 1,06 1 02 1,04
800 1,21 1,18 1,15 1,13 1,12 1,11 1,10 1,08 1,06 1,05 1,04 1,03 1,02
1,50 1,41 1,35 1,30 1,27 1,24 1,21 1,17 1,14 1,11 1,09 1,07 1,04
900 1,22 1,19 1,16 1,14 1,13 1,12 1,11 1,09 1,07 1,06 1,05 1,04 1,03
1,52 1,42 1,36 1,31 1,28 1,25 1,22 1,18 1,15 1,12 1,10 1,08 1,05
1000 1,22 1,19 1,16 1,14 1,13 1,12 1,11 1,09 1,07 1,06 1,05 1,04 1,03
1,54 1,44 1,37 1,32 1,29 1,26 1,23 1,19 1,16 1,13 1,11 1,09 1,06
1200 1,23 1,20 1,17 1,15 1,14 1,13 1,12 1,10 1,08 1,07 1,06 1,05 1,04
— —— — — — — —- 1 —
*) В числителе указаны значения поправочного коэффициента b для
стальных труб, в знаменателе — для чугунных труб.
68
что то же, к большей величине выступа шероховатости /гэ; на-
против введение поправочного коэффициента а = 0,918 прибли-
жает результаты расчетов к результатам, получаемым при
уменьшенном п (порядка 0,0115) или при меньшей величине
выступа шероховатости.
Для расчета трубопроводов, работающих в других условиях,
величину коэффициентов надо соответственно корректировать.
Как видно из табл. 30, для водоводов, находящихся в усло-
виях длительной эксплуатации, при нормальных скоростях дви-
жения воды значение поправочного коэффициента b близко
к 1, а в большинстве случаев и равно' 1. Это объясняется тем,
что при длительной эксплуатации расчетная величина выступов
эквивалентной шероховатости k3 увеличивается. При значитель-
ной же относительной шероховатости — или, что то же самое,
г
Г
малой относительной гладкости—вступление в квадратичную
область гидравлических сопротивлений происходит при сравни-
тельно меньших значениях критерия Re (см. стр. 63). Этим зна-
чениям Re при одинаковых диаметре водовода и температуре
воды отвечает меньшая скорость движения.
Таким образом, общим выражением величины потери напора
в водоводе с учетом поправок а и b является
h = ilab, (III. 21)
где I — гидравлический уклон, который вычисляется по фор-
муле (III. 14), в частном случае при я = 0,012 и при-
ближенном значении у—по формуле (III. 17) ;
I — длина водовода;
а и b — поправочный коэффициенты при определении i по
формуле (III. 17), т. е. при п — 0,012.
В качестве вспомогательного пособия при определении /слу-
жит табл. 29 модулей совместно с формулой (III. 19) или же
полные таблицы потерь напора [12].
Принимая во1 внимание формулу (III.19), получаем выраже-
ние для потерь напора:
h = AQ4ab, (III. 22)
откуда
(III-23)
Скорость движения воды в водоводе при известных cl и Q
определяется из выражения
= —= -^- = 1,276 — . (Ш. 24)
F nd* d‘ '
69
В процессе эксплуатации водоводов состояние поверхности
стенок изменяется. При гидравлическом расчете водоводов
надо обязательно учитывать это изменение, так как оно сказы-
вается на величине потерь напора и влияет на пропускную спо-
собность трубопровода и на величину необходимого напора
насосных станций.
Примеры гидравлического расчета водоводов
Пример 1
Задание. Требуется определить потерю напора в водоводе длиной
I = 8 000 ju из чугунных труб диаметром d — 0,6 м = 600 мм при расходе
воды Q = 0,25 м^/сек. Заданная пропускная способность водовода должна
быть обеспечена в течение 10 лет. Вода—слабо корроз-ионна.
Решение. При п. = 0,012 модуль А по табл. 29 равен 0,0226. По фор-
муле (III.19) гидравлический уклон
i = AQ* = 0,0226-0,252 = 0,00142.
Скорость движения воды по формуле (III.24)
о = 1,276-^- = 1,276 -в’-— = 0,88 м/сек.
rf2 0,62 1
Полную потерю напора в водоводе с учетом поправок определяем по
формуле (III.22), принимая а =1,174 и b по табл. 30 равным 1,02.
Отсюда
h = ilab = 0,00142-8000-1,174-1,02 = 13,60 м.
Пример 2
Задание. Требуется определить уменьшение пропускной способности
через 15 лет водовода из стальных труб диаметром d = 0,5 л = 500 мм,
длиной I = 9 000 м при условии, что величина потери напора в начале ра-
боты водовода и через 15 лет одинакова и равна 10 м. Вода—-слабо кор-
рознонна.
Решение. Для трубы диаметром 500 мм при п — 0,012* по табл. 29
модуль А = 0,0597.
Для начального периода работы а = 0,918.
Полагая сначала b — 1,0, находим из формулы (Ш.23) расход
~~ V7" Jdab ~ J//Z"~0,0597 • 9 000 • 0,918 • 1 = 0,142 мЧсек-
Скорость по /формуле (Ш.24):
Q 0,142
v = 1,276 = 1,276-^- = 0,72 м/сек
по табл. 31 при скорости 0,72 м/сек, b = 1,12. Отсюда получаем уточненный
первоначальный расход
Qi = —г—------=0,137 м^/сек = 0,137 л/сек
F 0,0597-9 000-0,918-|,12 <
„ 0,137
и скорость — 1,276-------- = 0,70 м/сек.
0,52
Для конечного периода работы а =1,174.
70
По формуле (Ш.23) при 6=1,0 расход
Q' = 1/ ЛЬ_____= 1/------------12----------= 0,125 м31сек,
4 V Alab V 0,0597.9 000.1,174.1 ‘
откуда скорость
Q Л „ 0,125 Л
v = 1,276-— = 1,276 ——• = 0,64 м]сек.
’ (fl 0,52 '
По табл. 30 6 = 1,03.
Отсюда уточненный конечный расход
Q^-l/__________10________
2 V 0,0597.9 000 • 1,174-1,03
= 0,124 м^сгк = 124 л/сек.
Уточненная скорость в конечный период будет:
0,124
о2 = 1,276 ' == 0,63 м]сек.
Таким образом, при изменении состояния поверхности стенок водовода
пропускная способность его понизилась на
2, 137 '°
На столько же изменилась и скорость, так как она пропорциональна
расходу.
3. МЕСТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Кроме рассмотренных выше потерь напора на прямолиней-
ных (участках водовода, возникают местные потери напора при
проходе воды через задвижки, повороты, сужения и пр. Эти по-
тери напора, так называемые местные сопротивления, суще-
ственно сказываются на общей величине потери напора при
большом числе их и относительно малой длине водоводов. При
расчете водоводов большого протяжения местными сопротивле-
ниями ввиду их относительной незначительности обычно прене-
брегают.
Общее выражение для учета потерь напора в водоводах
вследствие местных сопротивлений имеет вид:
= , (Ш.25)
где =— скоростной напор;
С — коэффициент местного сопротивления.
Иначе:
где Q — расход в мР/сек.
<о — площадь поперечного сечения в м2.
71
Коэффициент местного сопротивления Z обычно определяется
опытным путем.
Приведем некоторые наиболее достоверные значения С, причем
значения скоростного напора в трубе при этих значениях С
имеют место непосредственно за сопротивлением [1, 24, 31 и
1. Вход в трубу при острых кромках С = 0,5; при слегка за-
кругленных кромках С = 0,25; при закругленных кромках С =
= 0,10.
2. Выход из трубы в резервуар С= 1,0.
Рис. 38. Схемы для определения местных сопротивлений
3. Внезапное расширение трубы от сечения до сечения а)2,
иногда называемое потерей на удар (рис. 38, а), при котором С
определяется по табл. 32.
Таблица 32
со, 0,01 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
с 0,98 0,81 0164 0,36 0,16 0,(М 0
4. Внезапное сужение трубы (рис. 38,6) от сечения до
сечения «>., (С по табл. 33).
72
Таблица 33
8 | 8 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
С 0,50 0,42 0,34 0,25 0,15 0
5. Диафрагма (рис. 38, в) с площадью отверстия % в трубе
площадью сечения ш (С по табл. 34).
Таблица 34
W 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
с 960 243 51,2 18,3 8,15 3,77 1,80 0,79 0,27 0,06
6. Приемный клапан с сеткой в зависимости от конструкции
; == 5,0—10,0.
7. Задвижка (рис. 38, г) С по табл. 35 в зависимости от сте-
пени открытия задвижки.
Таблица 35
h d 1 7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8
Отношение сечений 1,0 0,948 0,856 0,740 0,609 0,466 0,315 0,159
С 0,0 0,07 0,26 0,81 2,06 5.52 17,0 97,8
Ввиду того что практически даже полностью открытая за-
движка все же оказывает некоторое сопротивление, рекомен-
дуется принимать для открытой задвижки С =0,1.
8. Обратный клапан при угле поворота клапана а =
= 70°, С = 1,70.
9. Колена (рис. 38, д) при центральном угле а = 90°
(рис. 38, d), С по табл. 36 в зависимости от отношения диаметра
трубы к радиусу закругления.
Таблица 36
d 0,2 0,4 0,6 1 | 0,8 1.0 .,2 ! 1,4 1,6 1,8 2,0
0,131 0,138 0,158 0,206 0,295 0,440 0,661 0,977 1,408 1,978
При других значениях центрального угла а значения коэф-
фициента сопротивления С находятся из выражения
= (III.27)
73
10. Тройники при разделении потока (рис.
38, е).
Потери «напора вычисляются по формулам
= (1П-28)
v2
Чох = ^рох-1~ (П1.28')
Значения С приведены' в табл. 37.
Таблица 37
Фот в Фсовм 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
^•отв 0,95 0,88 0,89 0,95 1,10 1,28
г ълрох 11. Т р О Й Н Значения С 0,04 и ки п р приведен -0,08 | -0,05 и соединени ы в табл. 38. 0,07 И П ОТ О 0,21 к а (рис Та 6 0,35 . 38, ж) лица 38
Фотв Qcobm 0.0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
^отв -1,2 —0,4 0,08 0,47 0,72 0,90
^лрох 0,04 0,17 0,30 0,41 0.51 0.60
12. Сходящиеся конусы (переходы) (рис. 38,з). Ве-
личина С в зависимости от угла схода а принимается по табл. 39.
Таблица 39
а 70 4-10° 15° 20° 25° 30° 50° 60’
с 0,16 0,18 0,20 0,22 0,28 0,31 0,32
13. Расходящиеся конусы (переходы) (рис. 38,и).
Величина С в зависимости от угла расхождения а принимается
по табл. 40 (рис. 30, и)
Таблица 40
а 10° 15° 20° 26° 30° 40° < Б0° 60°
с 0,40 0,54 0,60 0,67 0,72 0,79 0,88 0,91
71
Таблица 41
Значения модулей местных сопротивлений
\ Наиме- \ нова- \ ние Диа- \ метр в \ мм \ Закругленный вход в трубу С=0,25 Выход из трубы С-1,0 Приемный клапан с сеткой С—10 Задвижки открытые С-0,10 1. Обратный клапан а=70°; С=1,7 Колено
—-0,6 Д С=0,158 — = 1,0 R С-0,295 7 § •ч| * 7
100 206,8 827,1 8 271 82,7 1406 130,5 244 546
125 84,9 339,6 3 396 33,9 577 53,6 100,2 224
150 40,9 163,4 1634 16,3 277 25,8 48,2 108,0
200 12,9 51,7 517 5,2 87,9 8,17 15,3 34,2
250 5,29 21,2 212 2,1 36,0 3,35 6,25 14,0
300 2,55 10,2 102 1,0 17,4 1,61 9,01 6,7
350 1,38 5,51 55,13 0,55 9,4 0,87 1,63 3,64
400 0,808 3,23 32,32 0,32 5,49 0,51 0,95 2,14
450 0,503 2,02 20,16 0,20 3,43 0,32 0,59 1,33
500 0,331 1,32 13,24 0,13 2,22 0,21 0,39 0,87
600 0,159 0,64 6,38 0,06 1,09 0,10 0,19 0,4?
700 0,086 0,35 0,45 0,04 0,59 0,054 0,010 0,23
800 0,051 0,20 2,02 0,02 0,34 0,032 0,059 0,12
900 0,032 одз 1,26 0,01 0,21 0,020 0,037 0,083
1000 0,021 0,08 0,827 0,008 0,141 0,013 0,024 0,055
1 100 0,014 0,056 0,565 0,006 0,096 0,0069 0,0107 0,0374
1200 0,0099 0,040 0,399 0,004 0,068 0,0063 0,0118 0,0264
1300 0,0072 0,029 0,290 0,003 0,049 0,0046 0,0085 0,0192
1400 0,0054 0,021 0,215 0,002 0,036 0,0034 0,0063 0,0142
1 500 0,0041 0,016 0,163 0,002 0,028 0,0026 0,0048 0,0108-
Способ соединения фасонных частей в узлах коммуникаций
оказывает существенное влияние на величину местных сопротив-
лений в этих узлах. Простое суммирование потерь, возникающих
в каждой фасонной части в соответствии с приведенными дан-
ными, может применяться лишь при наличии прямого участка
между фасонными частями, равного' 20—50 диаметрам трубопро-
вода. В противном случае для ответственных водоводов должны
производиться специальные исследования сопротивлений в узлах.
Так, например, исследования показывают, что для соединений»,
75
-составленных из одинаковых отводов по схемам рис. 39, коэф-
фициент сопротивления должен быть:
при соединении по типу I—ЗС
„ П-4С
где с — коэффициент местного сопротивления для одного отвода,
входящего в узел коммуникаций.
В соответствии с формулами (III.25) и (III.26) общая вели-
чина сопротивлений может быть выражена
Рис. 39. Схемы для опреде-
ления местных сопротивле-
ний узлов коммуникаций
где Ai — соответствующий модуль,
определяемый для сечения
трубы, следующего за местом
сопротивления.
Значения модулей Ai для наиболее
часто встречающихся фасонных час-
тей и арматуры при диаметрах труб
от 100 до 1 500 мм приведены в
табл. 41 на стр. 75.
Общую величину потерь напора в водоводе с учетом местных
сопротивлений можно определить путем умножения суммы соот-
ветствующих модулей на квадрат расхода. При этом в случае
отклонения от квадратичного закона сопротивлений (при скоро-
стях ниже критических) надо вносить соответствующие поправки
только для потерь напора на трение
применительно к табл. 30 или 31 в
роховатости стенок.
(потерь по длине водовода)
зависимости от
степени
ше-
Пример
Задание. Определить общую величину потери напора в водоводе дли-
ной /= 1 000 м, диаметром d = 500 мм из чугунных труб. Водовод рас-
считывается на пропускную 'Способность, которая должна быть обеспечена
через 10 лет. Вода — слабо коррозионна. Расход воды Q=0,25 м3/сек —
= 250 л/сек. Скорость v — 1,27 м/сек. Местные сопротивления представляют
d
собой четыре колена в 90° при ~~ = 1,
f\
расположенные на значительном
расстоянии друг от друга, две открытые задвижки и вход в резервуар.
Решение. По табл. 29 модуль для трубы d — 500 мм при п = 0,012
равен 0,0597, по табл. 41 модуль для колен — 0,39, для задвижки — 0,13,
для входа в резервуар — 1,32.
Значение модуля
для трубы А — 0,0597 • 1000 = 59,7;
для фасонных частей Ai ~ 0,39 • 4 -|- 0,13 • 2 + 1,32 = 3,14.
В соответствии с указаниями Водгео [9] коэффициент а ра#ен 1,174;
коэффищиенгг b мри заданной скорости равен единице.
Общая потеря напора составит:
Л => ( V/ 4- /I,) Q* (59,7-1,174 4- 3,14)-0,252 1,53 м.
76
Величина местных сопротивлений составляет лишь около 5% общей
потери напора даже при сравнительно коротком водоводе. Поэтому в дан-
ном случае местные сопротивления можно было бы не учитывать.
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА ВОДОВОДОВ
ПО ЭКОНОМИЧЕСКИМ СКОРОСТЯМ
Диаметр водовода при заданном расходе воды должен на-
значаться из того условия, чтобы соотношение стоимости строи-
тельства и стоимости эксплуатации было наивыгоднейшим.
Стоимость строительства водоводов складывается' из стои-
мостей самих труб, их (монтажа, земляных работ, колодцев и
других сооружений.
Стоимость прокладки водоводов даже одного и того же диа-
метра и из одного и того же материала в значительной мере за-
висит от местных условий: глубины прокладки, характера грунта,
количества переключений и т. д.
В общем виде стоимость строительства водовода может быть
выражена формулой [13]:
C,=S^ (a + fdi)Z„ (Ш.зо)
где п — число участков водовода с разными диаметрами;
Z; — длина каждого из этих участков;
а, Ь, а—коэффициенты, характеризующие стоимость труб и
оборудования, а также стоимость прокладки водо-
вода.
В частном случае при одинаковом диаметре труб на всем
протяжении водовода и одинаковых условиях выполнения работ
на отдельных его участках стоимость водовода составляет
Св = {а -ф ЬсГ) L, (Ш.31)
где L — общая длина водовода.
Стоимость эксплуатации водоводов представляет собой часть
общей стоимости эксплуатации системы водоснабжения и в чрез-
вычайно большой степени зависит от местных условий. Она
складывается из отчислений на амортизацию и капитальный ре-
монт, стоимости электроэнергии, содержания обслуживающего
персонала, расходов на текущий ремонт и содержание зданий и
сооружений, из плановых накоплений и т. д.
В общем виде эксплуатационные затраты за один год могут
быть выражены формулой:
Z=C"W + ^,, (111.32)
где Св — строительная стоимость водоводов;
Р — процент отчислений на амортизацию и капитальный
ремонт;
77
Z, — ежегодные прямые расходы по эксплуатации водо-
водов (стоимость электроэнергии, содержание обслу-
живающего персонала, затраты на текущий ремонт
и хозяйственные нужды, плановые накопления).
Главным фактором, определяющим стоимость строительства
водоводов, является их диаметр. При уменьшении диаметра
уменьшается стоимость строительства.
В то же время это уменьшение приводит к возрастанию рас-
ходов на .электроэнергию. Лишь в самотечных системах и систе-
мах, использующих избыточный напор, уменьшение диаметра
водоводов до известного предела не увеличивает расходов на
эксплуатацию. При наличии избыточного напора диаметр водо-
вода определяется, исходя из того условия, чтобы потери напора
были меньше располагаемого избыточного напора и чтобы ско-
рости при этом были не больше допустимых. Наименьшему при-
нятому из этих условий диаметру и отвечает наименьшая стои-
мость строительства и эксплуатации и поэтому выбор наиболее
экономичного диаметра очевиден.
Необходимо учитывать, что в ряде случаев уменьшение диа-
метра водовода, приводя к возрастанию потерь напора и расхода
электроэнергии, позволяет в то же время уменьшить глубину за-
ложения, использовав образующуюся теплоту трения для повы-
шения температуры подаваемой воды (см. главу VI).
Это уменьшение глубины заложения может весьма ощути-
тельно снизить стоимость строительства.
Значительно' сложнее определение экономически наивыгод-
нейшего диаметра водовода, подающего воду под напором на-
сосной станции. В этом случае задача сводится к нахождению
минимума функции, зависящей от переменных факторов строи-
тельства и эксплуатации.
Для определения диаметра водоводов различными авторами
предложены выражения, включающие эти факторы.
Формула В. Г. Лобачева [24] для водовода с равномерным
расходом воды имеет вид:
t/ = xQ3z, (III.33)
где х и х — коэффициенты, зависящие от стоимости укладки и
эксплуатации, причем величина х изменяется в
пределах от 0,8 до 1,2, а / равно примерно 0,14;
Q — расход воды в м31сек.
Подставив указанные значения коэффициентов, получим фор-
мулу:
д? == 0,8 4-1,2 Q0’42. (Ш.34)
Если выразить расход в функции диаметра, то йолучим
_ / d \2,38 / d \2,38
«=(4-) Дт?) • (п,-35)
78
В табл. 42 приводятся наибольшие и наименьшие величины
’ расходов воды, пропускаемой по водоводам различного диа-
• метра, определенные по формуле (III.35), а также отвечающие
। этим расходам значения скоростей.
Таблица 42
Расходы воды по водоводам разных диаметров
Диаметр в мм Расход воды Q в л!сек Скорость v в м!сек
наибольший наименьший наибольшая наименьшая
100 6,9 2,4 0,88 0,31
125 12,Г 4,6 0,98 0,37
150 19,0 6,9 1,08 0,40
200 36,9 14,0 1,18 0,45
250 62,9 23,9 1,27 0,49
300 96,8 36,9 1,37 0,52
350 139,8 53,2 1,46 0,56
400 196,6 73,2 1,57 0,58
450 254,2 96,8 1,60 0,61
500 327,0 124,6 1,66 0,64
600 489,7 196,6 1,73 0,70
700 727,8 277,4 1,89 0,73
800 1 000 381 1,99 0,75
900 1 322 490 2,07 0,77
1000 1 700 648 2,16 0,82
Ввиду чрезвычайного многообразия условий, влияющих на
i стоимость строительства и эксплуатации водоводов, определение
наивыгоднейшего диаметра их по экономическим формулам и,
г следовательно, по табл. 42 надо рассматривать как ориентиро-
вочное.
Как видно из табл. 42, одному и тому же значению расхода
воды могут отвечать 2—3 значения экономически рациональных
диаметров водоводов, из которых и надлежит произвести окон-
чательный выбор.
[ Для выбора диаметра следует стоимость эксплуатации, водо-
? вода привести к так называемой капитализированной стоимости
; эксплуатации, т. е. величине капиталовложений, равной по
; эффективности эксплуатационным расходам.
В настоящее время общепризнанной методики выбора вари-
антов в общем виде пока еще не имеется. Она требует учета
многих факторов, вытекающих из народнохозяйственной конъ-
юнктуры.
79
Обычно рекомендуется капитализированную стоимость опре-
делять, исходя из ежегодных эксплуатационных затрат, т. е.
капитализированная стоимость
(Ш.36)
где Z —ежегодные эксплуатационные расходы, определенные
по формуле (111.32);
Т — расчетная продолжительность в годах окупаемости
эксплуатационных расходов (срок окупаемости).
Полученную капитализированную стоимость следует приба-
вить к строительной стоимости водовода, после чего по общей
приведенной стоимости
n=C. + Kc (III.37)
производить экономическое
сравнение водоводов того
или иного диаметра [22].
Расчетный срок окупае-
мости Т обычно оказывает
решающее влияние на выбор
наиболее экономичного ва-
рианта, и эта величина дол-
жна быть заранее установ-
лена органами, утверждаю-
щими проект. Обычно значе-
ние Т берется в пределах
от 10 до 15 лет. Часто ва-
рианты сравниваются при
Рис. 40. Графическое определение при-
веденной стоимости водовода и выбор
наивыгоднейшего диаметра
двух-трех значениях вели-
чины Т. Очевидно, что при больших эксплуатационных рас-
ходах (основную часть которых составляет стоимость электро-
энергии) экономически выгодными являются водоводы относи-
тельно большего диаметра. Снижение же эксплуатационных рас-
ходов в результате снижения стоимости электроэнергии и все-
растущего применения автоматизации обслуживания систем
водоснабжения приводит к снижению величины экономически
выгодного сечения водоводов.
Наглядный графический способ экономического сравнения
вариантов по приведенной стоимости показан на рис. 40 [24?.
Наивыгоднейший экономически диаметр водовода отвечает
наименьшей ординате кривой приведенной стоимости.
Пользование таким графиком особенно удобно в тех случаях,
когда приходится рассматривать выбор наивыгоднейшего диа-
метра при нескольких возможных значениях Z и Т.
Годовая стоимость электроэнергии при равномерной подаче
воды составляет:
д QceK/724-365m __ 85,7QCCK///n
75-1,36 v] 7)
(Ш.38)
80
где QceK— секундный расход в л;
Н—полный напор насосов в
/м — стоимость электроэнергии за 1 квпг-ч в руб;
vj — к. п. д. насосной станции.
Некоторые данные о величине амортизационных отчислений
приводятся в< приложении II и о стоимости электроэнергии —
в приложении III.
Пример выбора диаметра водовода путем экономического сравнения
Задание. Подача «воды производится равномерно по двум ниткам водо-
вода одинакового диаметра. Секундный расход составляет QceK = 180 л или
по 90 л на каждую нитку. Длина каждой нитки водовода равна 5 000 м,
геометрический подъем — 30 м. Водовод из стальных труб прокладывается
на средней глубине около 2 м. Грунты средней плотности и влажности;
район -строительства — центральный.
Стоимость электроэнергии т = 0,15 руб. за 1 квт-ч; к. п. д. насосной
установки = 0,7. Срок окупаемости Т = 10 лет.
Решение. По табл. 42 расходу 90 л/сек отвечают возможные экономи-
ческие диаметры 300, 350 и 400 мм, между .которыми и следует сделать
выбор.
Согласно данным экономической части проекта, полная стоимость
I пог. м водовода при указанных условиях прокладки составляет
(см. главу I):
для труб диаметром 300 мм 175 руб.
„ „ , 350 , 220 .
„ , „ 400 , 260 ,
Отсюда общая стоимость прокладки двух ниток водовода составляет;
СВ1 = 175-5 000-2 = 1 750 000 руб.
Св2 = 220-5 000-2 = 2 220 000 „
Св3 = 260-5 000-2 = 2 600 000 „
Потери напора Л, определенные по таблицам проф. Н. Н. Гениева
(составленным по формуле акад. Павловского при п — 0,012), а также ско-
рости движения, воды v, составляют:
в водоводе диаметром 300 мм /1=0,728-50=36.4 м; 0=1,27 м/сек',
, я 350 , /г=0,328-50= 16,4 м; и=0,94 м/сек;
„ „ 400 , /1=0,159-50= 7,9 м, о=0,72 м1сек.
Общая высота подъема Н соответственно будет:
36,4 + 30 = 66,4 м; 16,4 + 30 = 46,4 л/; 7,9 + 30 = 37,9 м.
Годовая стоимость электроэнергии по формуле (Ш.38): для водовода
диаметром 300 мм
Э, _ 85.7Qce>/fa _ 85,7-180-66.4^15. = ₽у(. .
0,7
для
водовода. диаметром 350 мм
85,7-180-46,4-0,15 ,
Э2 = —--------—----------= 153000 руб.,
для
0,7
водовода диаметром 400 мм
85-7-180-37-90,15 1псппп ,
Э3 =-----------------------—----------= 126000 руб.
0,7
б с. и Аронов
81-
Содержание обслуживающего персонала, текущий ремонт и мелкие
эксплуатационные (расходы (по смете) составляют около 20 000 руб. в год;
эти расходы практически одинаковы для водовода всех сравниваемых
диаметров.
Отсюда прямая стоимость эксплуатации соответственно равна:
Z31 = 220 000 + 20 000 = 240 000 руб. Z3„ = 153 000 + 20 000 = 173 000 руб.
гЭз = 126 000 + 20 000 = 146 000 руб.
Полные эксплуатационные затраты, отнесенные к одному году для водо-
водов- указанных трех диаметров с учетом отчислений на амортизацию и
капитальный ремонт р=3,5% согласно данным приложения II, составляют
по формуле (II 1.32)
Р 3,5
Zi = Св -— 4- Z3 = 1 750 000----+ 240 000 = 301 000 руб.
1 В1 100 31 100
Р 3 5
Z2 = Св — + z3 = 2 200 000• -2- + 173 000 == 250 000 руб.
2 ^в2 100 т э2 юо -г
Р 3,5
z3 = Св„ — + Z3, = 2 600000.-— + 146 000 = 236 000 руб.
3 3 100 3 100
Капитализированная стоимость 7\с при Т — 10 годам, согласно фор-
муле (III.36) составит соответственно по вариантам:
КС1 = Zv Т = 301 000-10 -3 100000 руб.
Кс2 = Z2- Т = 250 000-10 = 2 500 000 „
КСд = Z3- Т = 236 000-10 = 2 360 000 я
Общая приведенная стоимость по формуле (III.37) для разных вариан-
тов определится величиной:
ГЦ = СВ1 + Kcj = 1 750 000 + 3 100 000 = 4 850 000 руб.
Я2 = СВ2 = КСо = 2 200 000 + 2 500 С00 = 4 700 000 ,
/73 = СИз +/<с.; = 2 600 000 + 2 360 000 4 960 000 я
Наименьшее значение имеет П2. Поэтому принимаем водоводы диамет-
ром 350 мм, которому соответствует ГЦ.
5. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ВОДОВОДОВ И НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ
При исследовании совместной работы водоводов и насосных
станций необходимо- иметь ясное представление об условиях
взаимной работы насосов, установленных на станции при раз-
личных режимах такой работы. В связи с этим ниже приводятся
основные сведения, касающиеся индивидуальной и совместной
работы насосов.
Между производительностью и высотой подъема центробеж-
ного насоса при постоянном числе оборотов существует зависи-
мость, изображенная на рабочей характеристике насоса (рис. 41)
в виде кривой Q — Н. К- п. д. насоса различен при разных зна-
«2
чениях расхода и напора и изменяется по кривой Q—а необ-
ходимая для работы насоса мощность представлена кривой
Q — N. Рабочая характеристика поршневого насоса при постоян-
ном числе ходов поршня резко отличается от характеристики
центробежного, как это видно' на рис. 42.
Производительность поршневого насоса почти не зависит от
напора; лишь при значительном возрастании преодолеваемого
напора производительность насоса несколько снижается вслед-
ствие увеличения объемных потерь, что показано пунктиром.
Рис. 42. Графическая характеристи-
ка поршневого насоса для различ-
ных чисел оборотов и2, и3
При изменении числа оборотов п центробежного насоса рас-
ход воды Q изменяется по закону:
q2 п • (111.^)
Напор Н насоса изменяется при этом согласно уравнению
^1 /ПТ /G.
н2 ~~ П./ • (ШлО)
мощность N изменяется по выражению.
М Л3)
W2 П23
Потребляемая
(III.41)
В поршневом
ционально числу
стоянным.
насосе расход увеличивается прямо пропор-
ходов поршня; напор же остается почти по-
6*
83
Производительность центробежного насоса может быть умень-
шена путем обрезки его колес (в пределах до 10—20% диа-
метра), что незначительно (на 1—2%) уменьшает к. п. д. При
этом производительность уменьшается пропорционально диа-
метру колес, а напор пропорционально квадрату диаметра.
Регулирование производительности напора центробежного
насоса может осуществляться посредством изменения числа обо-
ротов насоса или посредством прикрытия задвижки, установлен-
ной на напорной линии насоса.
При непосредственном соединении насоса с электродвигате-
лем изменение числа оборотов насоса возможно путем измене-
ния числа оборотов электродвигателя. Однако регулирование
числа оборотов электродвигателей переменного тока возможно
только при условии установки асинхронных двигателей специ-
ального типа, что обычно связано бывает с большими затрудне-
ниями.
В последнее время начали применять соединение насоса и
электродвигателя при помощи гидромуфт, которые позволяют
регулировать число оборотов насоса при постоянном числе обо-
ротов двигателя. Чаще же всего применяется регулирование
произардител ьности и напор а. .центробежного насосалосредством
дросселирования регулирующей задвижкой на напорном трубо-
s проводе. Путем прикрытия задвижки создается дополнительное
? сопротивление в системе насос — водовод, вследствие чего подача
? воды сокращается и изменяются к. п. д. и потребляемая мощ-
/ ность.
Полный напор, который преодолевает насос, составляет
яп = hr + Ан 4- hB 4- h3 = Ar + s//n, (III. 42)
где hr—геометрическая (статическая) высота подъема, т. е.
разность отметок уровней подачи и забора воды;
hH — потери напора на гидравлические сопротивления в
напорной линии;
7zB— то же, во всасывающей линии;
h3 — потери напора в регулирующей задвижке.
Потери в напорной и всасывающих линиях могут быть выра-
жены
zZ = Z,
а сопротивление регулирующей задвижки
А3 = Д^2, *
где Д и Д|—соответственно модули для трубы и регулиру-
ющей задвижки;
Q— расход воды.
fit
Поэтому полный напор насоса, необходимый для преодоле-
ния всего сопротивления системы, равен
Hn = hT + AQ21 + (III. 43)
Рис. 43. Характеристика водовода
Отложив по оси ординат напоры, а по оси абсцисс расходы
воды, проходящие по водоводу, получаем график (рис. 43), ха-
рактеризующий работу водовода, так называемую характери-
стику водовода.
Прямая / с постоянной ординатой hr обозначает геометри-
ческий подъем воды. Кривая II с переменной ординатой hr -L-
~г hn -j- hB — величину общего подъема с учетом потерь напора
в нагнетательной и вса-
сывающей линиях, а кри-
вая III дает общий подъ-
ем Нп, включая потери
напора в задвижке h3.
Работа насоса проис-
ходит таким образом, что
напор, создаваем'ый им
при подаче определенного
количества воды, отве-
чает напору, необходимо-
му для пропуска этого же
количества воды по водо-
водам. Совмещая рабо-
чую характеристику насо-
са с характеристикой во-
довода, получаем совме-
щенную характеристику
работы насоса и водовода (рис. 44). Пользуясь этим графиком,
можно легко решать графически задачи, относящиеся к совмест-
ной работе насоса и водовода.
Точка А пересечения характеристик насоса и водовода назы-
вается предельной рабочей точкой насоса. Как видно из рис. 44,
при постоянном геометрическом подъе'ме hr изменение величины
сопротивлений в водоводе (AH-j-^e) вызывает изменение распо-
ложения предельной рабочей точки насоса (точка В) и расхода
воды, а также необходимого напора (а, следовательно, мощности
и к. п. д. насоса).
Произведем анализ совместной рабогы насоса и водовода
в более сложном случае, представленном рис. 45. Как показано
на схеме в левой части рисунка, от насоса идет один водовод,
разветвляющийся затем на два, подающие воду в напорные ре-
зервуары 1 и 2, находящиеся на разных отметках. Вначале
строим кривую сопротивлений h на общем участке водоводов
Б — Б. Вычитая ее ординаты из рабочей характеристики на-
соса Q — Н, получаем кривую Qi — Hi. Затем отдельно наносим
характеристики Hi и Н2 разветвленных частей водовода. Так как
85
Рис. 44. Совмещенные характеристики центробежного насоса
)! водовода
они работают параллельно, то при установившемся режиме ра-
боты насоса напор в обеих частях водовода будет одинаков,
если суммарный расход равен производительности насоса.
Суммарную характеристику всего подовода Ноба1 получаем
сложением абсцисс кривых обоих насосов, например, ав -f- ас =
= ad. Пересечение кривой /7об.ц с характеристикой Qi — НА
дают предельную рабочую точку А, т. е. отвечающую произво-
дительности фд насоса при открытой напорной задвижке. Через
точку А проводим линию А — .Ль Пересечение ее с кривыми
Н[ и Н2 в точках В и С определяет расходы Qi и Q2, подавае-
мые в каждую из частей водовода, причем Qi + Q2 = Q/i, На-
пор насоса в рабочей точке А находится прибавлением к ординате
Рис. 46. Совмещенная характеристика двух одинаковых центро-
бежных насосов и водовода
кривой Яобщ ординаты потерь напора h на общем участке Б—Б
при расходе Qa. Таким образом, величина рабочего напора на-
соса выразится ординатой D — Qa»
Если параллельно. паботают__д&а_?или более центробежных
насосов, строится говмещетная их характеристика (рис. 4GJ7~'~
Построение совмещенной характеристики производится путем
сложения абсцисс характеристик / (//) параллельно работаю-
щих насосов (в данном случае двух).Так, точку 2 совмещенной
характеристики I + // получат путем сложения абсциссы 7—3
с равной ей абсциссой 3— 2, точку 4 — путем сложения аб-
сциссы 6—5 с абсциссой 5—4 и т. д.
Пересечение характеристики водовода Яобц с кривыми ра-
бочих характеристик одного насоса / (//) и двух насосов I -р II
дает две точки: точку 1, определяющую расход Qi при работе
одного из насосов на тот же водовод, и точку 2 при параллель-
ной работе обоих насосов. Если провести линию 7— 2, то
в месте пересечения ее с рабочей характеристикой насоса I (II)
получим точку 3. Точка 3 определяет режим работы одного на-
соса при параллельной работе обоих насосов; равные отрезки
7—3 и 3—2 показывают производительность каждого из насо-
сов. Производительность одного насоса при параллельной ра-
боте, выражаемая отрезком 7—3, менее производительности Q).
К7
выражаемой отрезком 11—1 .при одиночной работе этого насоса.
Степень уменьшения производительности насоса при параллель-
ной работе зависит от характеристики насоса Q — //и характе-
ристики водовода Яоб.ц . В данном случае уменьшение произво-
дительности выражается отрезком Qi — Q}.
С увеличением числа центробежных насосов, параллельно
работающих на общий водовод, подача каждого насоса умень-
шается. Это уменьшение тем больше, чем больше гидравличе-
ские потери в водоводе, т. е. больше удельное сопротивление и
длина водовода. При крутых рабочих характеристиках насосов
уменьшение производительности меньше, чем при пологих.
Построение характеристики параллельной работы разных
Рис. 47. Совмещенная характеристика двух различных
центробежных насосов и водовода
насосов производится принцициально так же, как и одинаковых
насосов.
На рис. 47 показана суммарная характеристика I -4- II насос-
ной станции при параллельной работе двух насосов с разными
характеристиками / и II. Характеристика построена путем сло-
жения абсцисс характеристик насосов, например, абсциссы
9—5 с абсциссой 9—4, дающего точку 3.
Если напор одного из насосов на одном из участков, его ха-
рактеристики более высокий, чем у другого насоса (как в дан-
ном случае на участке 6—8), то на этом участке при параллель-
ной работе данного насоса с другим насосом общий напор будет
не более напора, развиваемого вторым насосом.
На этом же графике приведена и характеристика водовода
Расход одного насоса в отдельности при индивидуальной ра-
боте на водовод составляет Qi , а другого насоса — Qu. Общий
их расход при совместной работе Qj+h- Если через точку 3 про-
вести горизонтальную линию 3—9, то точки 4 и 5 покажут ве-
личины расходов Q[ и Q!I(, подаваемых каждым из насосов
в водовод три совместной их работе.
88
Построение характеристик работы системы насос — водовод
принципиально не изменяется, если один из насосов поршневой,
а другой — центробежный (рис. 48).
Рабочая характеристика центробежного насоса изображена
кривой /, а поршневого—прямой II. Суммарная характеристика
I + П, так же как и в предыдущем случае, получается сложе-
нием абсцисс линий I и II, что в данном случае равносильно
переносу точек линий / вправо на величину 6—7, соответствую-
щую производительности Q,i. Точка 3 характеризует работу
одного центробежного насоса при работе в водовод с расходом
Qi , а точка 4 показывает производительность обоих насосов г
при параллельной их работе в тог же водовод.
Рис. 48. Совмещенная характеристика поршневого
и центробежного насосов и водоводов
При параллельной работе насосов^ центробежный насос дает
расход воды QJ, т. е. меньше, чем Qi в то время, как подача
поршневого насоса не изменяется. t
Таким образом, изменение гидравлических характеристик
водовода отражается на подаче только центробежных насосов,
на подачу же поршневых насосов оно практически не влияет.
При проектировании водоводов исследование работы системы
насос — водовод обязательно. Оно дает возможность правильно
определять проходящие расходы воды и напоры в отдельных
точках водоводов. Такое исследование особенно необходимо при
изменении условий работы водовода в процессе эксплуатации,
изменении пропускаемых по нему расходов' воды (например,
увеличение расхода при пожаре), выключении отдельных уча-
стков при авариях и т. п. Кроме того, необходимо учитывать, что
сопротивления в водоводе возрастают со временем вследствие
увеличения шероховатости стенок и зарастания сечения водо-
вода.
Проектирование устройств сигнализаций на водоводах с ди-
станционным и автоматическим управлением также должно про-
изводиться на базе всестороннего анализа гидравлических усло-
вий водоводов с учетом совместной работы насосов и водоводов.
89
6. РАСЧЕТ ПЕРЕКЛЮЧЕНИИ
Как уже указывалось, водоводы, как правило, проклады-
ваются в несколько ниток; обычно их предусматривается две,
а в некоторых случаях — три и даже более. Условия, опреде-
ляющие число ниток водоводов, были рассмотрены в главе. I.
Число переключений,щащодо.водах назначается из. тех условий,
чтобы бьТлаобёспечена подача заданного расхода воды при ава-
'рйи~на одном из участков, между переключениями и чтобы уча-
стки между переключениями были такой длины, при которой
было бы возможно быстрое и удобное обслуживание водоводов.
Расчет числа переключений с учетом условий водовода про-
изводится на основе рассмотрения характеристик системы на-
сос —водовод.
Для выявления общего характера зависимости подачи воды
от числа переключений рассмотрим простейшую схему, представ-
ленную на рис. 49.
Вода, поступающая от насосной станции (И.С.), проходит по
водоводу из двух ниток одинакового диаметра Hi изливается
в резервуары (Р).
Длина водовода L, причем он разделен на п равных уча-
стков длиной / = —.
п
В условиях нормальной эксплуатации по каждой линии про-
ходит расход - , а всего по водоводу Qi.
Характеристика водовода выражается кривой / (рис. 50).
Пересечение ее с характеристикой Q — Н насосной станции
дает точку а, отвечающую потере напора Н' в водоводах. При
геометрическом подъеме hr полный напор насосов будет
\ Аг-Ь н’.
При аварии на одном из участков любой нитки водовода,
например, правой и выключении этого участка характеристика
водовода изменится и будет выражаться кривой II. Пересечение
кривой II с кривой Q — Н дает точку Ь.
Расход в системе будет равен Q2, причем по всем участкам
к Qi
каждой нитки водовода будет проходить расход , за исключе-
нием участка а — б левой нитки (рис. 49), по которому прохо-
дит полный расход Q2. Как видно из рис. 50, потеря напора
в водоводах выразится величиной Н". Полный напор насосов
будет:
лг+н",
при этом •
Q,<Qi и Н">Н'.
90
Обозначим сопротивление на одном участке при пропуске
полного расхода Q2 через s. Тогда при пропуске расхода Qi по
водоводу при отсутствии аварии потеря напора в них составит:
При возникновении аварии и выключении одного из участков
общий подаваемый расход станет равным Q2 и потеря напора
составит: на —1) участках s (и—1) /—» а на участке
а — б, по которому в этом случае протекает полный расход
Q2, потеря будет sQ22.
доводов и насосной станции при
изменении числа переключений
Полная потеря напора в водоводах при аварии будет:
Че^.. больше переключений на водоводе, тем меньше будут
различаться нормальные и аварийные значения расходов и на-
боров.
В общем случае зависимость между числом переключений и
расходом в системе при аварийном и нормальном режимах ра-
боты выражается отношением:
а s(« + 3) л 2 . snQ,2 (n + 3)Q22 (Щ441
а------5— q2 . —г~ — —• UH.44)
Обычно допустимое снижение расхода воды в системе при
аварии задают, исходя из условий эксплуатации объекта. Водо-
воды, подающие воду и для пожаротушения, при аварии на
91
одной из ниток должны обеспечивать подачу не менее 70% ко-
личества воды, требуемого для пожаротушения и хозяйственных
нужд (п. 64НСП 102-51).
Необходимое число переключений в соответствии с допусти-
мым снижением расхода воды наиболее точно определяется,
исходя из графика совместной работы насосной установки и во-
доводов при аварийных и нормальных условиях.
Если на насосной установке имеется несколько агрегатов, то
на основе анализа кривых Q — Н можно добиться такой их ра-
боты, при которой напоры при аварийном и нормальном режи-
мах были бы равны. Например, можно добиться того, чтобы
установка работала при аварии по кривой III, пересекающейся
в точке с (рис. 50) с кривой потерь напора в водоводах.
В этом случае, исходя из равенства потерь напора при нор-
мальной работе водовода и при аварии на одном из его участ-
ков, получаем:
Sn Q 2 __ (П + 3) q 2
/| 1 /| >
откуда расход воды, проходящий по водоводу при аварии, со-
ставляет:
(III.45)
Величины аварийного расхода Q2 по отношению к нормаль-
ному расходу Qi при разном числе участков переключений оди-
наковой длины на водоводе из двух ниток приведены .в табл. 43.
Таблица 43
<
^Уменьшение расхода воды при выключении одного участка водовода
$ в зависимости от общего числа участков
Число участков переключений п Отношение аварийного расхода Q2 к нормаль- ному Qi Число участков переключений п Отношение аварийного расхода к нормаль- ному Qi
2 0,63 6 0,81
3 0,71 7 0,83
4 0,76 8 0,85
5 0,79 9 0,87
10 0,88
Обычно на водоводах небольшой длины для пропуска допу-
стимого расхода в 65—75% нормального расхода^ без суще-
ственного изменения напора насосной станции требуется 2—
4 участка переключения.
Дальнейшее увеличение числа участков переключения срав-
нительно мало изменяет подачу воды при аварии на одном из
участков.
V2
Можно также добиться сохранения при аварии начального
расхода воды. Для этого нужно увеличить общий напор насос-
ной станции, например, путем включения дополнительных агре-
гатов, как это видно из рис. 50 (точка d).
Из выражения (III.45) следует, что на величину расхода
воды, подаваемой при аварии, длина участков переключений
не влияет. Поэтому при длинных водоводах число переключений (
определяется не столько 'из заданного аварийного расхода, )
сколько расстояниями между камерами переключений, завися- ]
"щимибт эксплуатационных условий их обслуживания.
7. РАСЧЕТ ВАНТУЗОВ И ВЫПУСКОВ
При расчете выпусков следует иметь в виду, что основную
часть гидравлических сопротивлений составляют сопротивления
в месте излива воды через выпуски. Они обычно во много раз
превышают величину потерь напора в самом водоводе. Поэтому
последними при расчете выпусков можно пренебрегать.
Метод расчета выпусков предложен проф. А. А. Суриным [43].
Этот метод может быть применен при длине ремонтных участков
до 1,5 км, длине выпускных ответвлений не менее 2 м и отно-
шении диаметра выпуска к диаметру водовода около 0,35. Та-
кие условия бывают обычными на практике. Точность расчета
составляет около 5%.
Ниже рассматриваются три основные случая расчета вы-
пусков.
1-й случай (рис. 51, а)
Через выпуск диаметром dQ, длиной /о спускается вода из
одного участка водовода диаметром D, длиной L\, верхняя точка
водовода превышает точку выпуска на величину Н\.
Продолжительность опорожнения водовода в секундах при
размерности всех других величин в метрах определяется по
формуле:
где
(Ш.46)
£ = 2]/а
(Ш.47)
Здесь Хо — коэффициент сопротивления для определения потери
напора в отростке выпуска; значения Хо приведены
в табл. 44.
Показатель степени 3,4 В последнем члене формулы берется
при отношении близком к 0,35, что соответствует среднему
значению при стандартных размерах выпусков. Если же, напри-
93
мор, близко к 0,6, то показатель степени равен 3,7, т. е.
меняется незначительно.
Рис. 51. Схемы к расчету выпусков
Таблица 44
Значения коэффициента сопротивления Хо
d, в мм в мм ^0 d., В мм
100 0,0403 250 0,0314 500 0,0229
125 0,0385 300 0,0287 600 0,0212
150 0,0367 300 0,0267 750 0,0195 1
200 0,0352 400 0,0251
1
По мере опорожнения водовода скорость движения воды в
нем будет изменяться. Наибольшее значение скорости -будет в
начальный период, когда излив происходит под напором Н\.
Начальная скорость протекания воды в водоводе:
(III.48)
94
2-й случай (рис. 51,6)
Через выпуск диаметром do, длиной /0 одновременно опораж-
ниваются два прилегающих участка водовода одинакового диа-
метра D и с одинаковым превышением Н2 верхней точки водо-
вода над точкой выпуска; длина водоводов различна — Li и L3,
причем Li > £з-
Продолжительность опорожнения в секундах будет:
где
причем
(III.49)
(III.50)
(Ш.51)
Начальная скорость движения воды при опорожнении водо-
вода: . __
г,ни=|/^. (Ш.52)
3-й случай (рис. 51, в)
Через выпуск диаметром do, длиной /о одновременно опораж-
ниваются два участка водовода длиной L2 и L3 одинакового диа-
метра Dq и при разном превышении верхних точек водоводов
над точкой выпуска Hi и Н2.
Продолжительность в секундах общего опорожнения обоих
участков определяется по формуле:
U. = 2 /а -4- (//Л - VH\} + 2VC , (Ш.53)
У “2
где первый член выражает продолжительность опорожнения ле-
вого участка водовода на высоту Hi—Н2, а второй — продолжи-
тельность опорожнения левого и правого участков на высоту Н2.
Значения величин а и С те же, что и в предыдущих фор-
мулах.
Начальная скорость движения воды при опорожнении водо-
вода приближенно может быть определена по формуле (III.48)
Скорость движения воды при наполнении водовода следует
принимать, исходя из производительности насосов.
Расчет вантузов необходимо производить на следую-
щие случаи:
1) при нормальной эксплуатации (выпуск воздуха);
93
2) при начальном заполнении водовода (выпуск воздуха);
3) при опорожнении водовода (впуск воздуха).
Исходя из условий равенства объемов воды и воздуха при
начальном заполнении или опорожнении водовода, Я. Л. Абра-
мовичем предложено выражение, уточненное проф. А. А. Сури-
ным:
где d — диаметр воздуховыпускного или воздуховпускного
отверстия вантуза в м-,
— скорость движения воздуха в отверстии вантуза в
м/сек-.
D — диаметр водовода в м;
ц2 — наибольшая скорость движения воды в водоводе при
его наполнении или опорожнении в м/сек-,
— коэффициент,, равный 0,9.
Решая уравнение (III.54) относительно d, получим:
(111.55)
Диаметр отростка водовода, на котором установлен вантуз,
принимается, как указано ранее, равным 0,5—0,7 D.
Значение d, полученное по формуле (III.55), обычно- является
решающим, так как диаметр вантуза, определяемый примени-
тельно к другим условиям, бывает меньше. Зная количество на-
ходящегося в воде воздуха, можно рассчитать и сечение ванту-
зов, необходимое для их нормальной эксплуатации.
Пример расчета выпуска и вантуза
Задание. Водовод диаметром D = 600 мм состоит из двух участков, при-
чем £1 = 1000 м, 7/1 = 30 м, £2 = 2 000 м, Н2—15 м, £з = 600 м.
Диаметр (выпуска dQ = 200 мм, длина его /о — 50 м. Скорость движе-
ния воды (в -водоводе при его начальном наполнении в соответствии с про-
изводительностью -насоса v — 0,8 м/сек. Скорость движения воздуха Vi —
— 50 м/сек.
Требуется определить продолжительность опорожнения водовода и
размеры вантуза.
Решение. Схема работы соответствует третьему, наиболее сложному
случаю (рис. 51, в).
Fid формуле (III.47);
2g
19,62
По формуле (III.51):
/ 4- L3 1 000 + 600
—-------2- =--------х-------= 1,6.
Al 1 000
По формуле (III.50):
D \4 / , /0 \ ID \3,4
— № 1 +Х-4- + 2,6№ ——
“0 / \______“О /_______\ «о /
2^
/ 0,6 V / 50 \ / 0,6 \3,4
— 1,62 1+0,0352 — + 2,6-1,62
\ 0,2 / \ 0,20/ \ 0,2 /
19,62
118,
Продолжительность опорожнения по формуле (III.53) 'Составит:
Л>бщ = 2/7 -А (/^ _ /я2) +2/С =2/43 X
Hi у я2 зо
X (/30 —/15) + 2/118 у=- « 7000 сек. « 1,9 часа.
Для определения типа и размера вантуза, рассчитываемого на дей-
ствие во время опорожнения водовода, находим по формуле (III.48) на-
чальную скорость протекания воды в водоводе при его опорожнении:
Т'нач = 1/ —- — 1/ ~ 83 м/сек, что несколько выше скорости напол-
F tZ F т О
нения водовода, равной 0,80 м/сек.
Следовательно, величину отверстия вантуза надо определять из условия
впуска воздуха при скорости опорожнения водовода 0,83 м/сек.
Диаметр воздухотпускного отверстия согласно формуле (III.55) должен
быть: ____
rf = £>'|/A=0,6 |Zo,9-^- = 0,6-0,122 = 0,073 м^75 мм.
Исходя из рассмотренных условий работы водовода, на нем должны
быть установлены:
а) эксплуатационный вантуз импульсного типа для постоянного отвода
собирающегося воздуха;
б) иротивовакуумный (аэрационный) клапан диаметром не менее 75 мм\
в) отросток диаметром 75 мм для выпуска воздуха при заполнении
водовода водой.
Эксплуатационный вантуз и противовакуумный клапан могут быть сов-
мещены в одном приборе в виде комбинированного вантуза, изображенного
на рис. 32.
8. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАР И МЕРЫ БОРЬБЫ С НИМ
Резкое изменение расхода воды, протекающего по трубо-
проводу, вызывает резкие колебания давлений в трубопроводе
(чередующиеся повышение* и понижение давления). В резуль-
тате изменения давления возникает явление гидравлического
удара в трубопроводе. Сила удара может быть настолько значи-
тельной, что вызовет повреждение труб и арматуры.
7 С. Н Ариной 97
Исследование причин аварий нд крупных водопроводных си-
стемах, не имеющих надежных защитных устройств против уда-
0 12 мин
Время
Рис. 52. Диаграмма давления в водоводе
при аварийном прекращении работы на-
сосов
ров, показало, что свыше
80% аварий на водово-
дах и сети происходит
вследствие гидравлическо-
го удара и лишь около
20% по другим причинам.
Изучению явления гид-
равлического удара и мер
борьбы с ним посвящены
многие работы, из кото-
рых в первую очередь на-
до назвать труды лроф.
Н. Е. Жуковского, отно-
сящиеся еще к 1898 г.
[пд.
В каждом проекте водоводов должны быть проработаны ме-
роприятия, препятствующие возникновению гидравлических уда-
ров или сводящие к минимуму их воздействие.
Причинами резкого изменения расхода воды, вызывающего
гидравлический удар, могут быть:
1) закрытие обратного клапана у насоса при прекращении
•подачи воды вследствие перерыва в питании электроэнергией;
2) быстрое закрытие задвижки в конце водовода или тупика
‘•сети;
3) переключение задвижек на насосной станции или на во-
, доводах;
4) разрыв потока воды в водоводе вследствие скопления воз-
духа и последующее мгновенное соединение его.
В случае прекращения работы насоса из-за перерыва в по-
даче электроэнергии он перестает подавать воду, но масса воды
по инерции продолжает двигаться в прежнем направлении, а
давление в трубопроводе вблизи насосной станции падает. По
израсходовании силы инерции масса воды под действием тяжести
устремляется обратно и встречает захлопнувшийся обратный
клапан, вследствие чего давление воды резко повышается. Обра-
зующаяся ударная волна давления, отразившись от клапана,
распространяется по трубопроводу в обратном направлении, за-
тем она снова идет в прежнем направлении и это явление пов-
торяется с переменным знаком несколько раз со все уменьшаю-
щейся силой.
На рис. 52 представлена диаграмма давления в водоводе
при аварийной остановке насосов системы водоснабжения, на ко-
торой не имеется противоударного' оборудования. От одного
конца водовода до другого (например, от резервуара до насосной
ч I
станции) волна давления доходит в промежуток времени — ,
48
где I — длина водовода, а с —скорость распространения удар-
ной волны по водоводу. Длина пути волны в прямом и обратном
направлении равна 21. Полная продолжительность пробега волны
давления (длительность фазы) составит:
91
t = ~ . (Ш.56)
Если продолжительность t' закрытия задвижки или клапана
меньше продолжительности t, т. е. если
,, . 21
t < — .
с
то получается прямой удар, при котором по трубопроводу до за-
крытия задвижки успевает пробежать волна одного знака. Если
же до закрытия задвижки пробегает волна как основная, так и
отраженная, то наблюдается непрямой удар, при этом
21
с
Наибольшее повышение давления наблюдается при прямом
ударе. В длинных водоводах возникает преимущественно прямой
гидравлический удар.
Н. Е. Жуковским [17] выведено следующее выражение для
скорости с распространения ударной волны:
с =---------------, (Ш.57)
1/ Ро _1_ ^оРо
где р0 —плотность воды до удара, равная
7 ' ООО . 2 / 4.
— = -тип- = Ю2 кгсек2 м*\
g 9,81 '
s — модуль упругости воды (отношение увеличения дав-
ления к уменьшению объема, отнесенное к единице
объема) в кг;м?-,
г0 — радиус трубы до удара в м\
Е — модуль упругости материала стенки трубы в кг/л£2;
В —толщина стенки трубы в м.
После преобразований и подстановки значения р0 фор-
мула (III.57) получает более простой вид (46):
1425
(III.58)
где s—модуль упругости воды в кг)см1\
d — диаметр трубы в см-,
Е—мопулъ упругости материала стенки трубы в кг[см?\
8 —толщина стенки трубы в см.
99
Значения модуля упругости воды и некоторых материалов
стенок труб приводятся в табл. 45.
Таблица 45
Значения модуля упругости
Материал Модуль упругости в кг/см2 Материал Модуль упругости в кг/см3
Вода 21 000 Бетон 150000—200 000
Сталь 2100 000 Асбестоцемент . 200000
Чугун 1 000 000 Дерево .... 100 000
При одном и том же диаметре трубопровода скорость рас-
пространения ударной волны тем больше, чем толще стенка и
чем больше модуль упругости материала труб.
Приращение давления в трубе в результате прямого удара
по Н. Е. Жуковскому выражается формулой:
(Ш.59)
где v0— скорость движения воды до удара;
у=1 —объемный вес воды в тп!;мА-,
£=9,81 м[сек — ускорение силы тяжести.
При непрямом ударе величина давления меньше, чем при
прямом. Методы определения этих давлений довольно сложны
и описываются в специальной литературе.
Приближенно можно считать, что' при непрямом ударе при-
ращение давления в трубе во столько раз меньше, чем при пря-
мом, во сколько продолжительность закрывания задвижки
больше длительности фазы [31].
Допустимое при ударе давление должно быть не выше давле-
ния, назначаемого при испытании трубопроводов (см. главу!).
Прочность стенок водовода должна быть проверена на напряже-
ния, возникающие во время удара. При этом для водоводов
Малого и среднего диаметров (примерно до 300 мм) практически
допустимо пренебрегать всеми другими воздействиями.
Обычно гидравлический удар вызывает напряжения настолько
большие, что они могут быть опасны для прочности трубопро-
вода. Однако применение труб с большей толщиной стенок не-
целесообразно, так как это приводит к большому перерасходу
материала. В необходимых случаях должны быть применены
противоударные устройства в виде защитной аппаратуры, спе-
циально приспособленной запорной арматуры и др. С этой же
целью должен быть установлен определенный режим эксплуата-
ции. Наиболее совершенным способом борьбы с гидравлическими
ударами, возникающими в результате внезапной остановки на-
сосов, являс'1ся установка автоматического гасителя гидравличе-
100
ских ударов. Из нескольких предложенных конструкций остано-
вимся на гасителе удара системы Укрводгео, оправдавшем себя
на практике. Схема установки этого гасителя на водоводе пока-
зана на рис. 53. КлапаИ устанавливается в начале водовода ря-
дом с обратным клапаном,.. Нижний 'фланец гасителя 'Присоеди-
няется к задвижке, установленной на отростке водовода. Боко-
вой фланец присоединяется к сбросной линии, отводящей воду в
резервуар, реку или в другое какое-либо место. Принцип дей-
ствия гасителя заключает-
ся в следующем. При нор-
мальной работе водовода
давление воды в нем пе-
редается на клапан, рас-
положенный внизу цилин-
дрической части гасителя,
и стремится открыть его.
В этом же направлении
действует и усилие груза,
связанного с клапаном по-
средством штока. Одно-
временно давление воды в
водоводе передается в ци-
линдрическую часть гаси-
теля по трубке а. Это
давление действует на
расположенный вверху ци-
линдрической части пор-
шень диаметром, боль-
шим, чем диаметр клапа-
на, и стремится удержать
клапан в закрытом состо-
янии. Поршень находится
на том же штоке, что и
Рис. 53. Схема установки на напорном
водоводе гасителя гидравлического удара
системы Укрводгео
клапан. Площади поршня и клапана,
а также вес и расположение груза подобраны таким образом,
что при нормальной работе водовода усилие, действующее на
поршень и стремящееся закрыть гаситель, больше, чем усилие
груза, стремящееся открыть клапан. Поэтому клапан, нахо-
дится в закрытом состоянии. При внезапном выключении насоса,
когда давление в водоводе резко падает до определенной вели-
чины, значительно меньшей статического давления, усилие, дей-
ствующее на поршень, уменьшается, груз преодолевает сопротив-
ление поршня и быстро' открывает клапан, через который вода и
направляется на излив. При восстановлении нормального дав-
ления в водоводе усилие, передающееся на поршень, вновь воз-
растает и преодолевает усилие груза, вследствие чего клапан
закрывает гаситель. Наличие масляного тормоза обеспечивает
плавность закрытия клапана.
101
Основные габаритные размеры клапана dy = 150 мм-. Н =
=;945 мм; L = 1 460 мм, вес около 390 кг, площадь условного
прохода — 0,018 м2-, клапана dy =200 мм: Н = 1 450 мм, L —
= 1 760 мм, вес около 590 кг, площадь условного прохода —
0,031 ж2. Необходимо, чтобы площадь условного' прохода гаси-
теля удара составляла не менее 10% площади сечения водово-
дов. Если это' требование не удовлетворяется, устанавливают
несколько клапанов.
Пример. Задание. Определить величину .гидравлического' удара, (возни-
кающего в стальном водоводе из Ст. 4 диаметром d = 400 мм, длиной
/= 10 000 м и подобрать гаситель гидравлического удара. Подача воды
производится в количестве Q = 180 л!сек со скоростью v0= 1,44 м/сек. Ра-
бочее давление рРа5 в водоводе может достигать 50 кг/см2. Толщина
стенки '• = 0,8 см. Испытательное давление составляет Лисп = /%аб X 1»16 —
= 58 кг/см2. Возникновение удара возможно в случае прекращения подачи
электроэнергии и последовавшего быстрого закрытия установленного на
водоводе обратного клапана типа «захлолка».
Решение. Скорость распространения ударной волны по водоводу со-
ставляет согласно формуле (III.48):
/. г- -1, -ч " — — -• /— 1 . - А • X \JCz ( С С Д •
1Л erf -1/ 1 21000-40 1
V + V +2 К’0 000 ОД
Продолжительность пробега волны давления по формуле (Ш.56) равна:
2Z 2-10 000
t = -----= -----------= 17,2 сек.
X 1 163
При /обратных клапанах обычной конструкции время t', в течение которого
происходит их закрытие, выражается долями секунды, поэтому в данном
случае будет прямой удар. В случае подачи расхода Q = 180 л/сек со
скоростью v0 = 1,44 м/сек приращение давления, к трубе составит [по фор-
муле (Ш.59)]:
vocy 1,44-1 163-1
Р лоб =------ — оQ1-------=171 м = 17,1 кг/см2
g 9-ч1
и общая величина давления при ударе составит
Рмакс = Рраб + Рлоб = 50 + 17,1 = 67,1 кг/см2
т. е. на 34% выше нормального.
Так как рмакс>Рисп> то гидравлический удар представляет опасность
для прочности водовода. Поэтому проектом водовода следует предусматри-
вать постановку соответствующих (противоударных устройств.
Площадь условного прохода гасителя удара должна быть не
менее 10% прохода водовода D, т. е. составлять не менее 0,785 • 0,42-0,10 =
- 0,013 м2. Площадь условного прохода клапана диаметром 150 мм со-
ставляет 0,018 м2. Поэтому достаточно установить один клапан.
Надежным мероприятием может быть также установка на
водоводе (на патрубке) непосредственно у обратного клапана
особой легко разрушаемой диафрагмы [43;, которая выдержи-
102
вала бы нормальное давление и мгновенно разрушалась -при его
повышении вследствие удара. Диафрагмы обычно делаются из-
тонкого стального листа. Недостатком диафрагм является зна-
чительная утечка воды, так как она может быть прекращена
только путем закрытия задвижки (по получении соответствую-
щего сигнала, на что требуется значительное время).
Однако излишней потери воды можно избежать, если приме-
нить автоматически действующее устройство, закрывающее во-
доотводное отверстие при восстановлении первоначального дав-
ления. Это устройство должно быть связано и с системой сигна-
лизации, дающей знать о происшедшей сработке диафрагмы.
Известные конструктивные затруднения представляют определе-
ние точной толщины диафрагмы, а также устройство водоотвода.
Ниже указываются устройства, ~ значительно смягчающие
гидравлический удар.
П. Обратные клапаны с обводной линией. В этом случае
часть воды (10—20%) проходит всегда по обводной линии. При
ударе примерно такое же количество воды пропускается в об-
ратном направлении в обход клапана через насос в водоприем-
ник. Если на всасывающей линии нет приемного' обратного' кла-
пана и конструкции насоса и электромотора допускают обратное
вращение без вреда для них, то обратные клапаны с обводной,
линией дают положительный профилактический эффект. Такой,
же примерно эффект дают обратные клапаны с неполностью за-
крывающейся захлопкой [33].
2. Обратные клапаны с ускоренной посадкой. Такие клапаны
были успешно применены на одном из водопроводов Дон-
басса [45]. В этом случае закрытие клапана происходит в то
время, когда скорость обратного движения воды при ударе
близка к нулю.
3. Обратные клапаны с замедленной посадкой. Замедление
посадки осуществляется посредством масляного тормоза. Про-
должительность закрытия рассчитывается в зависимости от
длины водовода, его диаметра и скорости движения воды. При-
менение таких клапанов требует обеспечения возможности сброса
части воды через насос.
4. Задвижки особых типов (конические, кольцевые и др.)
с механическими, гидравлическими или электрическими приво-
дами.
5. Воздушные колпаки.
Недостатком колпаков является быстрый унос из них воздуха
и необходимость вследствие этого частой подкачки воздуха, что
затрудняет эксплуатацию.
Во избежание возникновения гидравлического удара нельзя
допускать быстрого открытия и закрытия задвижек. Продолжи-
тельность закрытия должна быть такой, чтобы получался только
непрямой удар (см. стр. 99).
ГЛАВА IV
ПРЕДОХРАНЕНИЕ ВОДОВОДОВ ОТ ЗАРАСТАНИЯ
И КОРРОЗИИ
1. УМЕНЬШЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ВОДОВОДОВ
В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Данные по отдельным системам водопроводов показывают,
Рис. 54. Изменение характеристики водовода и пропуск-
ной способности системы в процессе эксплуатации
1 — характеристика водовода в начале эксплуатации; 2, 3 и 4—то же,
через 5, 10 и 15 лет эксплуатации
причем увеличение это может быть весьма различным: от 10
до 300% и более.
На рис. 54 приведен ряд построенных на основании наблю-
дений характеристик водовода диаметром, равныкм 450 мм, в на-
чале и через 5, 10 и 15 лет эксплуатации. Характеристики водо-
вода совмещены с кривой Q—Н насоса типа 8-НДв [19].
Через 15 лет работы производительность данной системы сни-
зилась с 200 до 135 л/сек, т. е. на 33%, а к. п. д. насоса умень-
шился на 5%. При пропуске по водоводу первоначального
304
расхода потери напора возрастают в 3,2 раза, вследствие чего
необходимо будет заменить насос другим значительно более
мощным.
Подобное изменение условий работы системы водоснабжения,
конечно, недопустимо, так как приводит к громадному перерас-
ходу электроэнергии.
Исследования показали, что увеличение гидравлических со-
противлений водоводов зависит, кроме срока службы, также от
состава воды, материала труб и первоначального состояния по-
верхности стенок труб и режима эксплуатации. Попытки соста-
вить формулы, дающие зависимость роста потерь напора лишь
в зависимости от срока эксплуатации, не привели, да и не могли
привести к удовлетворительным результатам.
Рис. 55. Вид отложений в трубопроводах
/ — бугристые; 2 — донные сплошные; 3 — комбинированные;
4—неравномерные сплошные; ^-равномерные сплошные; б—дон-
ные бугристые
Внутренняя поверхность стенок водоводов в процессе экс-
плуатации сильно изменяется, а сечение водоводов обычно за-
растает.
Образующиеся в трубах отложения можно классифицировать
следующим образом [19]: 1) бугристые отложения, расположен-
ные как в верхней, так и в нижней части труб; 2) оплошные
донные отложения; 3) комбинированные отложения (донные и
бугристые); 4) неравномерные сплошные отложения; 5) равно-
мерные отложения по всему периметру; 6) донные бугристые
отложения.
На рис. 55 показаны характерные виды отложений. Бугри-
стые отложения образуются в основном вследствие коррозийного
действия воды на внутреннюю поверхность труб и представляют
собой отдельные или сплошные бугры, высота которых достигает
30—40 мм. Эти отложения обладают большой твердостью и зна-
чительной силой сцепления с внутренней поверхностью труб.
Наибольшую твердость имеют коррозийные отложения, обра-
зующиеся в стальных трубах. Донные отложения образуются
1С5
при транспортировании воды, содержащей значительное количе-
ство взвешенных веществ или растворенного' железа.
Эти отложения имеют аморфную структуру, слабо сцепля-
ются с внутренней поверхностью стенок труб, но постепенно
уплотняются настолько, что удалить их простой промывкой
невозможно. Подобные же отложения образуются при попада-
нии в трубы песка.
Неравномерные сплошные отложения образуются в водово-
дах, главным образом, при транспортировании воды, пересыщен-
ной карбонатом кальция.
Такие же отложения образуются в результате жизнедеятель-
ности микроорганизмов, поселившихся в трубах. В трубах ма-
лого сечения сплошные отложения возникают при коррозийном
воздействии воды.
Равномерные по всему периметру отложения встречаются
сравнительно редко и образуются преимущественно при транс-
портировании воды, пересыщенной карбонатами кальция или в
системах горячего' водоснабжения. Донные бугристые отложения
образуются при протекании воды, содержащей значительное ко-
личество взвешенных веществ или растворенного железа и ока-
зывающей также коррозийное действие на внутреннюю поверх-
ность труб. При этом верхняя часть труб также покрывается
буграми коррозийного происхождения, а нижняя — отложениями
взвешенных веществ. Осадки коррозийного происхождения обра-
зуются, главным образом, в результате электрохимической кор-
розии, когда происходит разрушение металла в одном месте и
осаждение вторичных продуктов коррозии — гидроокиси же-
леза — в другом. Явления коррозии стальных труб протекают
гораздо сильнее, чем чугунных.
Выпадение карбоната кальция в осадок начинается тогда,,
когда концентрация СаСО3 становится больше ее растворимости,
и происходит до' тех пор, пока не наступит состояние равновесия.
В процессе движения воды по трубам устанавливается известное
стабильное состояние, почему в начале водовода, как правило,
отмечается более энергичное выпадение карбонатных отложений,
чем в конце его.
Находящееся в воде обычно в виде двууглекислой соли же-
лезо переходит в гидрат окиси и выпадает в виде хлопьев, кото-
рые с течением времени, абсорбируя частицы песка и ила, обра-
зуют плотную массу.
Зарастание водоводов массами микроорганизмов наблюдается
преимущественно в системах производственных водопроводов^
хотя железистые бактерии, образующие своеобразные и значи-
тельные бугорки, часто наблюдаются и в коммунальных водо-
проводах.
Зарастание водоводов и изменение шероховатости стенок но-
сят таким образом весьма разнообразный характер как в каче-
ственном, так и в количественном отношении.
106
Они зависят от значительного ряда факторов, как-то: содер-
’ жания железа, органических веществ, щелочности, минерального
i состава и в основном от показателя стабильности воды. Уста-
| новлена неправильность существовавшего до недавнего времени
। представления о возможности характеризовать степень воздей-
\ ствия воды лишь показателем pH.
2. БОРЬБА С ЗАРАСТАНИЕМ
К настоящему времени уже довольно обстоятельно изучены
' условия образования различного' вида зарастаний сечения водо-
водов. Эти условия связаны преимущественно с составом транс-
! портируекмой воды.
Зная состав воды и учитывая его изменчивость по временам
года, можно с известной степенью точности составлять прогнозы
явления зарастания как в, качественном, так и в количественном
отношении и находить предупредительные меры борьбы с умень-
шением пропускной способности труб.
Как уже сказано выше, важнейшим критерием для оценки
влияния воды на образование зарастаний является показатель
стабильности воды.
По ГОСТ 3313-46 стабильность воды характеризует ее
свойство не выделять и не растворять осадок карбоната каль-
ция.
Показатель стабильности исследуемой воды Св вычисляют
по формуле
___ рНиссл
В“ рНнас ’
где рНиссл — концентрация водородных ионов исследуемой во-
ды, определенная потенциометрическим методом;
рНнас — то же, соответствующая предельному насыщению
ее карбонатом кальция.
Вода считается стабильной, если величина Св = 1.
При Св > 1 вода считается пересыщенной карбонатом каль-
ция и способна к выделению солей жесткости; при Св 1 bo-
s’ да коррозионна вследствие наличия в ней агрессивной угле-
кислоты и способна к дополнительному растворению карбоната
- кальция.
В первом случае вода обладает способностью давать карбо-
натные, а во втором случае коррозионные отложения.
Если рНК1^л ~ р!~Цас составляет около 0,3—0,5, то внутрен-
няя поверхность труб покрывается защитной карбонатной плен-
кой, которая оказывает благоприятное влияние на пропускную
способность трубопроводов.
При высокой концентрации хлоридов и сульфатов (300—
400 жг/л) значительные коррозионные отложения могут иметь
107
место при малых положительных значениях показателя стабиль-
ности.
Следует учитывать, что химический состав воды может резко
меняться в различные периоды года. Рекомендуется вначале
обрабатывать воду таким образом, чтобы получилось небольшое
(порядка, 0,3—0,5) превышение р//иссл над /?/7нас, что вызовет
образование на стенках труб тонкой защитной карбонатной
пленки, а затем показатель надо снижать, сделав его близким
к нулю, но все же выше его.
При концентрации железа в воде свыше 3 мг/л трубопроводы
постепенно зарастают отложениями железа, причем наиболее
интенсивно зарастают участки с малыми скоростями. При кон-
центрации железа более 2 мг/л и значении pH <[ 6,5 может иметь
место интенсивное развитие железобактерий [19].
На основании исследования работы ряда систем водоснабже-
ния с одновременным определением физико-химических свойств
транспортируемой воды А. Г. Камерштейном предложено клас-
сифицировать природные воды по следующим категориям
(названных автором вонами), в зависимости от влияния
их на уменьшение пропускной способности трубопроводов' [21].
I. Слабо минерализованные некор роз ионные воды с разно-
стью величин /?/7[[ССЛ — pHmQ от —0,2 до + 0,2; воды с незначи-
тельным содержанием органических веществ и растворенного
железа.
II. Коррозионные, слабо минерализованные воды с отрица-
тельной разностью величин рНиссл —- р/Унас до—1,0; воды, со-
держащие органические вещества или растворенное железо в ко-
личестве 3 мг/л.
III. Сильно коррозионные воды с отрицательной разностью
величин — pHtiaz от — 1,0 до —2,5, но с малым содержа-
нием сульфатов и хлоридов; воды с содержанием железа бо-
лее 3 мг/л.
IV. Коррозионные воды с отрицательной разностью рНиссл—
—pHnaz, но с большим содержанием сульфатов и хлоридов (бо-
лее 500—700 жг/л); воды с превышением /?//ИССл— р/7нас до +0,8;
необработанные воды с большим содержанием органических
веществ'.
V. Воды, характеризующиеся значительной карбонатной
жесткостью (20—25°) с превышением pHnczn — рНпас более чем
на +0,8, сильно минерализованные и коррозионные воды с плот-
ным остатком более 2 000 мг/л.
Общее представление об уменьшении пропускной способно-
сти водоводов с течением времени в разных случаях дают кри-
вые, изображенные на рис. 56 и характеризующие каждую из
указанных пяти категорий.
Левые кривые каждой категории показывают уменьшение
пропускной способности труб диаметром 150 300 мм, а пра-
вые —- диаметром 400—600 мм.
108
После того как -будет определена величина возможного умень-
шения пропускной способности водовода, проектом должны быть
назначены соответствующие технические мероприятия.
Они могут итти по двум направлениям:
а) борьба с зарастанием;
б) проектирование водоводов и всей системы с учето1м воз-
можности будущего снижения пропускной способности и следо-
вательно, с учетом необхо-
димости повышения мощ-
ности станций, прокладки
дополнительных линий и т. д.
Борьба с зарастанием
труб может быть организо-
вана как предупредительное
мероприятие против возмож-
ности этого зарастания нили
как планомерная очистка
заросших линий. Предупре-
дительные против зараста-
ния меры вытекают из са-
мой причины зарастания.
Посредством их надо воду
сделать такой, чтобы она не
вызывала зарастания. Эти
меры заключаются в стаби-
Рис. 56. Уменьшение в °/0 пропускной
способности трубопроводов в зависимо-
сти от срока службы и свойств воды
лизационной обработке воды.
При стабилизационной об-
работке воды, пересыщенной карбонатом кальция, необходимо
понизить pH, а при обработке воды, обладающей агрессивными
свойствами, pH следует повысить. В связи с этим для обработки
воды применяется подкисление или подщелачивание воды.
Установки по стабилизационной обработке воды конструк-
тивно следует объединять с другими водопроводными сооруже-
ниями в первую очередь с водоочистными, проработав техноло-
гическую схему совместной эксплуатации.
Как показывают экономические расчеты, стоимость эксплуа-
тации установок по стабилизации воды обычно в 5—10 раз ме-
нее стоимости электроэнергии, необходимой для подачи воды с
увеличенным напором по заросшему водоводу.
В качестве предупредительного (Мероприятия против корро-
зионного воздействия воды может быть применено покрытие
стенок цементным раствором при помощи специальных при-
боров.
Значительный интерес представляет возможность нанесения
устойчивых внутренних химических покрытий, напри-
мер, на базе пластмасс.
С целью борьбы с бактериальным зарастанием трубопроводов
практикуется хлорирование воды. Для уничтожения
109
•основных видов микроорганизмов, вызывающих зарастание,
достаточна доза активного хлора порядка 2—2,5 мг/л. При
этом хлорирование может быть не постоянным, а периоди-
ческим.
Если зарастание вызвано рыхлыми отложениями, не успев-
шими уплотниться, целесообразно применять промывку
труб. Это в основном относится к железистым отложениям и
осаждающимся взвешенным веществам. Промывку надо вести
со скоростью в 4—6 раз выше эксплуатационной и производить
участками длиной примерно по 250 м. Хорошие результаты дает
применение шаров, создающих увеличенные местные скорости.
Заслуживает внимания применение ледяных шаров. Введение
сжатого воздуха значительно увеличивает эффективность про-
мывки.
Хорошие результаты дает механическая
очистка труб скребками разного типа. Среди них можно
отметить шарнирные и бесшарнирные скребковые очистители,
разработанные в 1947 г. в ЛНИИКС.
Очистка линий ведется отдельными участками длиной 150—
300 м. Трубоочиститель протаскивается при помощи лебедки или
под напором воды, причем эта операция обычно повторяется
2—3 раза.
После протаскивания трубоочистителя линия тщательно про-
мывается с удалением промывной воды через временный выпуск.
•Стоимость очистки составляет в среднем 8—12% от стоимости
строительства новой водопроводной линии.
Может быть применена также химическая очистка
труб путем растворения осадков серной или соляной кислотой
концентрации порядка 20%. Она успешно применяется при
осадках коррозионного, карбонатного и органического происхо-
ждения.
Очистка производится путем вливания кислоты bi трубопро-
вод, где она оставляется на 15—20 час., после чего удаляется,
а трубопровод промывается чистой водой.
Во избежание разъедания тела трубы в кислоту добавляется
ингибитор, замедляющий и останавливающий реакцию кислоты
с металлом.
Химическая очистка трубопровода ведется участками длиной
до 500—600 м.
При особо твердых отложениях кислота их полностью
не растворяет, но все же значительно размягчает, после чего
отложения могут быть удаляемы посредством скребков и
щеток.
Недостатком химической очистки является воздействие кис-
лоты па металл стенок, что делает их в дальнейшем более чув-
ствительными к коррозии. Стоимость химической очистки со-
ставляет в среднем около 5—6% стоимости строительства нового
трубопровода.
по
Эффективность тщательно проведенной очистки трубопрово-
дов весьма велика. Потери напора в очищенных линиях могут
быть снижены почти до первоначальной расчетной величины для
нового трубопровода. Основным недостатком механической и
химической очистки является сравнительная кратковременность
периода полноценной эксплуатации, так как в среднем через
2—4 года трубы надо вновь очищать. Поэтому для проектируе-
мых водоводов рекомендуется предусматривать стабилизацион-
ную обработку воды с самого начала их работы, если, конечно,
она не противоречит технологическим требованиям к качеству
воды. В старых трубопроводах рекомендуется применять стаби-
лизационную обработку после предварительной очистки их.
В каждом проекте водоводов необходимо на основе анализа
условий будущей их ' работы предусматривать меры борьбы
с возможным зарастанием во избежание значительного роста
гидравлических сопротивлений и снижения пропускной способно-
сти линий или повышения мощности насосных установок.
3. ГРУНТОВАЯ КОРРОЗИЯ СТЕНОК водоводов
Уложенные в грунт трубопроводы подвергаются воздействию
окружающей их среды, вызывающей коррозию трубопроводов.
В зависимости от состава и влажности, грунта, а также степени
насыщенности его теми или иньп'м'и веществами, влияние грунта
на стенки трубопровода может быть чрезвычайно различно.
Кроме того, особо важное значение имеет материал стенок. Из
металлических трубопроводов стальные подвергаются воздей-
ствию грунта в значительно большей степени, чем чугунные. Это
объясняется как большой стойкостью самого чугуна, так и нали-
чием стыков, играющих роль изоляторов. Коррозия или разъеда-
ние (разрушение) 1металлов происходит в результате электро-
химических процессов. Грунтовая вода содержит растворенные
соли и является в той или иной мере электролитом, т. е. средой,
проводящей электрический ток. Подземные трубопроводы про-
ходят в грунтах различного состава, и влажности. Состав метал-
ла также не совсем однороден. Вследствие этого отдельные уча-
стки трубопроводов приобретают различные потенциалы, что
приводит к возникновению местных электрических токов,, выхо-
дящих из тела трубы через анодные участки поверхности и вхо-
дящих через катодные.
В тех местах, где ток выходит из тела трубы (т. е. на анод-
ных участках) и где потенциал положителен, происходит раз-
рядка тока в грунт и идет процесс разрушения металла.
Разрушение может происходить и вследствие непосредствен-
ного действия кислорода, находящегося в почве.
В зависимости от свойств грунта, особенностей структуры и
состава металла, а также ряда разных местных химических фак-
торов интенсивность коррозии трубопровода может быть весьма
111
различна. Иногда уже через 2—3 года эксплуатации происходит
значительное повреждение стенок труб, а часто подобные же
трубопроводы лежат в грунте по 20—30 лет без практически
ощутимого разрушения. Коррозия стенок труб, как правило, не
бывает равномерной, а проявляется в виде отдельных изъязвле-
ний поверхности (в виде точек и небольших пятен). При этом
начавшийся процесс обычно протекает бурно и, если не принять
мер к защите трубопровода от разрушения, этот процесс быстро
приводит к образованию местных сквозных отверстий со значи-
тельной утечкой через них воды.
Борьба с коррозией должна быть направлена: а) на создание
условий, ослабляющих интенсивность воздействия внешней среды
на металл; б) на изменение электрического потенциала анодных
участков, поверхности трубопровода, где идет разрушение.
Практикующееся же иногда и до сих пор увеличение тол-
щины стенок стальных труб «на ржавление», вызывающее зна-
чительный расход металла, не достигает цели.
Как показала практика эксплуатации стальных трубопрово-
дов, наиболее целесообразно1 вести защиту от коррозии в обоих
направлениях, т. е. прокладывать трубы, снабженные покровной
изоляцией, и предусматривать, а иногда и сразу включать в дей-
ствие так называемую катодную защиту, изменяющую электри-
ческий потенциал участков трубопровода.
Исследование коррозийных свойств грунтов на трассах водо-
водов производится преимущественно .путем измерения величины
электрических сопротивлений грунтов, так как обычно чем выше
электрическое сопротивление грунтов, т. е. чем менее они
электропроводны, тем ниже их коррозийность. Одновременно
данные о коррозийности уточняются часто путем непосредствен-
ного измерения коррозийного воздействия грунта на опытные
образцы металла, а также путем изучения химических анализов
водных вытяжек и определением содержания кислорода. Вели-
чины электрических сопротивлений грунта определяются в- этом
случае посредством специальных передвижных установок —
четырехэлектродной или двухэлектродной. Непосредственное из-
мерение коррозийного действия грунта на металл производится
путем определения потери веса образца. Из шурфов или скважин
забирают грунт, просушивают его, размельчают и равномерно
увлажняют, после чего помещают в специальную банку, куда
закладывают стальную трубку. Затем подключают батарею на-
пряжением 6 в, создавая электрическую цепь: положительный
полюс батареи — трубка; грунт — отрицательный полюс батареи.
В цепь включают также вольтметр и амперметр. Образец под
током оставляют на 24 часа, после чего тщательно определяют
потерю веса трубки.
Измерение сопротивления по всем указанным методам про-
изводят через определенные интервалы (шаги замера) —обычно
величиной 100 м. В отдельных местах, где можно ожидать уве-
112
личения коррозийности (солончаки, болота, отвалы мусора и от-
ходов производства и т. п.), шаги замера учащают.
В случае определения электрического сопротивления почвы
при помощи четырехэлектродной установки, ее четыре электрода
вводятся в почву на глубину нескольких сантиметров таким
образом, чтобы они располагались на одной прямой (рис. 57).
Через два крайних электрода от источника тока (батареи) по-
сылается ток. При помощи внутренних электродов и потенцио-
метра определяется разность потен-
циалов между точками создаваемо-
го в почве электрического поля и
рассчитывается величина электриче-
ского сопротивления.
При измерении электрического
сопротивления грунта двухэлектрод-
Рис. 57. Схема определения кор-
розийности почвы посредством
четырехэлектродной установки
1 — миллиамперметр; 2 — потенциометр;
3—батарея; 4 — электроды; 5 — силовые
линии
Рис. 58. Схема определения кор-
розийности почвы посредством
двухэлектродной установки
/—батарея напряжением 3 а; 2—миллиам-
перметр; 3-шунт; 4—стальные колпачки
на стержнях;5— стержень катода-, б—стер-
жень анода; 7 — стальные сердечники
ной установкой (рис. 58) предварительно пробуривают два
отверстия до глубины заложения трубопровода и в них не-
посредственно перед замером наливают по 50 см? дестиллиро-
винной или хорошо прокипяченной воды. Затем в отверстия
вводят стержни (электроды) установки и пропускают постоян-
ный ток от батареи, замеряя величину электрического сопротив-
ления. Обычно величины электрических сопротивлений при
четырехэлектродной и двухэлектродной установках выражают
в ом/м и ом!см. Результаты исследований коррозийных свойств
грунтов после их надлежащей обработки оформляют в виде
профиля-графика по всей трассе трубопровода. Профиль-график
разбивают затем на участки с различной степенью коррозий-
ности и указывают на нем необходимые типы противокоррозий-
ных покрытий.
Степень коррозийности почвы принято классифицировать по
5 категориям (табл. 46) в зависимости от примерного срока по-
8 С; Н. Аронов
113
явления первого сквозного проржавления на стальном трубопро-
воде диаметром 300' мм с толщиной стенки 8—10 мм, уложен-
ном без защитной изоляции [40].
Таблица 46
Категории почвы в зависимости от
коррозийности
Степень
коррозийности
Ожидаемый срок
появления сквозного
проржавления
Низкая...............
Нормальная...........
Повышенная...........
Высокая..............
Весьма высокая . .
Выше 25 лет
10-25 ,
5-10 ,
3-5 .
1—3 года
В табл. 47 приведены установленные практикой показатели
степени коррозийности грунтов при разных методах ее опреде-
ления [40].
Таблица 47
Показатели степени коррозийности грунтов
Метод Измери- тель Коррозийность
низкая нормаль- ная повышен- ная высокая весьма высокая
Четырехэлек- тгродная установ- «ка ом/м Выше 100 20-100 10-20 5-10 0-5
Двухэлектрод- >ная установка . . ом]см Выше 10 000 2 000— 10 000 1 000- 2000 500 — 1000 0—500
По потере ве- са образцом . . . г Менее 1 1-2 2-3 3-6 Более 6
На основании данных табл. 47 определяют необходимый на
отдельных участках трубопровода тип внешней покровной изо-
ляции.
При оценке коррозийности того или иного участка трассы
трубопровода надо учитывать, пользуясь профилем-графиком,
общий характер коррозийности по трассе, избегая чрезмерной
дробности. При наличии отдельных точек, указывающих на по-
вышенную коррозийность, следует относить весь участок к кате-
гории, требующей более надежной изоляции. По производствен-
ным условиям участки с нормальным покрытием желательно
иметь длиной не менее 500 м, с усиленным покрытием не менее
200 м и с весьма усиленным покрытием не менее 50—100 м.
Результаты электрометрических определений служат также для
проектирования установок катодной защиты.
114
4. ВНЕШНЯЯ ПОКРОВНАЯ ИЗОЛЯЦИЯ
Внешняя- покровная изоляция стальных трубопроводов имеет
основной своей целью ослабить воздействие на металл внешней
коррозийной среды. Изоляция должна удовлетворять следующим
требованиям: она должна быть водонепроницаема и диэлектрична
и не повреждаться механически в условиях укладки труб в
грунте, прочно прилипать к трубе.
Изоляция не должна оказывать разъедающего действия на
металл. Она должна обладать способностью хорошо наклады-
ваться слоями толщиной не более 4 мм и не иметь никаких, в
том числе и игольчатых отверстий, не должна быть текучей
при температуре трубопровода до -J-700 и хрупкой в случае сни-
жения температуры до -0, а в особых условиях и при темпера-
туре до — 5 4-— 10°.
Изоляция должна быть достаточно прочной и удовлетвори-
тельно сопротивляться механическим воздействиям, возникаю-
щим при укладке и эксплуатации трубопровода. Необходимо,
чтобы изоляцию можно было легко ремонтировать. Важным
требованием является экономичность изоляции.
Внешняя покровная изоляция в основном состоит из грун-
товки (праймера) и покрытия (эмали, мастики). Кроме того,
в состав изоляции .может входить усиливающая обертка (гидро-
изол) и защитная обертка (крафтбумага).
Предназначаемые для изоляции покрытия трубопровода из-
готовляются на базе нефтяного асфальта (битума) или каменно-
угольного пека с прибавлением наполнителей. В качестве напол-
нителей в настоящее время преимущественно применяется као-
лин, который может быть заменен известняком, размельченным
до тонкости портландцемента, асбестом, кислотоупорным цемен-
том, слюдой. Основное назначение наполнителей — снижение те-
кучести покрытия при заданных температурных пределах ра-
боты. ।
Наибольшее распространение имеет защитное покрытие, при-
готовленное из нефтяных асфальтов; оно обладает большой пла-
стичностью как при высоких, так и при низких температурах.
Покрытие из каменноугольного пека характеризуется большой
хрупкостью при низких температурах. Смешение битума и
пека производить не следует. Защитное покрытие приготовляется
для нанесения в холодном и горячем виде. Покрытие, наносимое
в горячем виде, значительно надежнее. Холодное покрытие допу-
стимо лишь при производстве работ зимой, когда выполнение
горячего покрытия затруднительно. Покрытие для нанесения в
холодном виде приготовляется растворением битума в бензине
или каменноугольного пека в бензоле до надлежащей консистен-
ции.
Покрытие, предназначенное для нанесения в горячем виде,
приготовляется преимущественно на заводах и на месте лишь
8* 115
разогревается в котлах. Состав битумного покрытия для противо-
коррозийной изоляции наружной поверхности стальных трубо-
проводов при положительных температурах обычно применяется
указанный в табл. 48 [44].
Таблица 48
Состав битумного покрытия
Температура воздуха при производстве работ в град. Марка битумного покрытия Состав битумного покрытия в % по весу
битум БМ битум БТ каолин
5-10 БМ-25К 75 25
10-20 БТ-15К — 85 15
Выше 20 БТ-25К — 75 25
Наносимая на трубу перед покрытием грунтовка приготов-
ляется путем растворения в бензине битума такой же марки,
который идет для покрытия.
В качестве усиливающей обертки применяется гидроизол,
приготовляемый из асбестовой бумаги путем пропитки ее нефтя-
ным битумом. Защитной оберткой, предохраняющей изоляцию
от 'механических повреждений, служит крафтбумага.
Покровная изоляция стальных трубопроводов состоит из не-
скольких слоев и может быть различных типов, указанных в
табл. 49 [44].
Крафтбумага применяется, главным образом, в целях предо-
хранения изоляции от повреждения во время монтажа и засыпки
трубопроводов'. Поэтому нормальную и усиленную изоляцию ре-
комендуется применять защищенную крафтбумагой. Что касается
весьма усиленной изоляции, то защита ее обеспечивается боль-
шим числом слоев битумного покрытия и двумя слоями гидро-
изола.
Выбор противокоррозийной изоляции того или иного типа
производится в проекте в зависимости от степени коррозийности
грунта с учетом сравнительной ответственности того или иного
участка трубопровода.
При этом рекомендуется пользоваться данными табл. 50.
Данные о расходе основных материалов для внешней битум-
ной противокоррозийной изоляции на 1 км стальных трубопро-
водов приводятся в- табл. 51.
Стоимость покрытия изоляцией стального трубопровода со-
ставляет в среднем на 1 м2:
для нормальной изоляции.....................около 6 руб.
для усиленной , ....................... 14 ,
для весьма усиленной ....................• . , 23 „
Перед наложением грунтовки поверхность труб должна быть
тщательно очищена от грязи, ржавчины и пыли до металличе-
116
Таблица 49
Типы противокоррозийной изоляции
Наименование типа изоляции
№ слоя, считая от поверхно- сти трубы нормаль- ная защищен- ная нор- мальная усиленная защищенная усиленная весьма усиленная специ- альная
1 2 3 4 5 6
1 2 ! 5 1 6 7 i 8 1 9 Г рунтовка Битумное покрытие То же Г рунтовка Битумное покрытие То же Крафт- бумага Грунтовка Битумное покрытие То же Гидроизол Битумное покрытие То же Грунтовка Битумное покрытие То же Г идроизол Битумное покрытие То же Крафт- бумага Грунтовка Битумное покрытие То же Гидроизол Битумное покрытие То же Гидроизол Битумное покрытие То же По осо- бому про- екту
Общая толщина изоляции в мм 3-4 Т 4-5 ИП ИЗОЛЯЦЬ 7-9 1И для разн1 8-10 ых участков 11-14 Т а б л и По про- екту ц а 50
Степень коррозийности грунта Типы (по табл. 49) применяемых покрытий трубопровода на участках
обычных ответственных особо ответ- ственных
г Низкая 1 1 3
\ Нормальная 1 2 3
; Повышенная 2 3 4
| Высокая 3 4 5
i Весьма высокая 4 5 6
. ского блеска. Наложение каждого слоя изоляции должно произ-
водиться только после того, как остыл предыдущий.
В настоящее время проводятся работы, главным образом,
? институтом НИИСтройнефть, по уточнению приведенного выше
^состава покрытий и улучшению их качества [161.
Этим институтом выработана рецептура покрытий, наклады-
ваемых на трубопровод при производстве работ при темпера-
117
ю
я
X
s
я
хо
я
св
X
118
турах ниже + 5°, когда битум теряет пластичность и становится
хрупким.
Разработаны также составы покрытий, противостоящих отри-
цательной температуре (например, при мелком заложении трубо-
проводов) .
Эти покрытия сохраняют пластические свойства при отрица-
тельных и имеют необходимую прочность при положительных
температурах.
Для обеспечения пластических свойств в покрытие вводится
небольшое (2 4- 5% по весу) количество нефтяного масла (зе-
леного, осевого, лакойля и др.), которое является пластификато-
ром (смягчителем).
Для обеспечения прочности при положительных температурах
добавляется порошкообразный наполнитель.
Применяемый обычно в настоящее время в качестве напол-
нителя каолин наряду с положительными свойствами (увеличе-
ние прочности покрытия, удобоукладываемость) является гигро-
скопическим, что делает покрытие проницаемым для воды и
электролитов почвы.
Лучшие показатели в этом отношении дают негигроскопиче-
ские наполнители — маршалит, асбест или пыль слюды.
Экспериментальные исследования показывают, что сила сцеп-
ления хорошо наложенного пластифицированного покрытия с те-
лом трубы настолько велика, что изоляция не сдирается с трубы
даже при продавливании ее через слой грунта.
Технология изготовления и нанесения пластифицированных
покрытий на трубу почти такая же, как и для обычных покры-
тий. Стоимость пластифицированных покрытий лишь на 3—8%,
больше.
Помимо покровной изоляции, на базе битума или пека для-
стальных трубопроводов могут применяться и другие виды изо-
ляции, хотя они не получили пока еще широкого применения:
цементная облицовка и пластмассы.
Получают распространение стальные трубы с покрытием со-
ответствующего состава, нанесенным заводским способом с та-
ким расчетом, чтобы на месте оставалось изолировать лишь,
места стыков.
Чугунные трубы, подвергающиеся коррозии в значительно-
меньшей степени, чем стальные, покрываются изоляцией (ас-
фальтируются) на заводах. Изоляция железобетонных труб вы-
полняется на месте по рецептуре, сходной с противокоррозийной
изоляцией других тонкостенных железобетонных сооружений.
5. ПРИНЦИПЫ катодной защиты
Покровная изоляция металлического трубопровода даже при
тщательном наложении предохраняет его от воздействия грун-
товой влаги лишь на время. С течением времени покровная изо-
ляция разрушается («стареет») и постепенно теряет свои свой-
119
ства. Поверхность трубы становится при этом анодом по отно-
шению к земле. Через дефектные места изоляции металл (ионы
железа) постепенно уносится в грунт и происходит разъедание
тела трубы, приводящее к уменьшению толщины стенки в от-
дельных местах и образованию отверстий.
Для борьбы с этим явлением может быть применена катод-
ная защита, которая изменяет направление электрических токов
и не допускает выхода токов из трубопровода в электролит
грунта. Благодаря этому предотвращается унос инонов железа и,
следовательно, приостанавливается коррозийное разрушение сте-
7
Рис. 59. Принципиальная схема катодной защиты внеш-
ним током
/ — труба анодного заземления; 2—растекание тока из анодного заземле-
ния; 3— кабель; /—источник постоянного тока; 5—изолированный тру-
бопровод; б—дефекты изоляции
нок стального трубопровода. Поверхность трубы, бывшая ранее
анодной, становится катодной по отношению к грунту.
Изоляционное битумное покрытие при катодной защите в
основном служит для увеличения сопротивления электрическим
токам при их разрядке с анодного заземления на трубопровод;
предохранение же от разъедания металла трубы осуществляется
катодной защитой. Необходимым условием устройства катодной
защиты является электрическая непрерывность трубопровода.
При сварном соединении она обеспечивается полностью; в слу-
чае же муфтовых раструбных или фланцевых соединений сле-
дует устраивать мостики в местах соединений, т. е. соединять
концы труб проводником.
Катодная защита бывает двух видов: катодная защита внеш-
ним током и катодная защита автономными анодами (протек-
торная защита).
На рис. 59 показана принципиальная схема катодной защиты
внешним током. Идущий от положительного полюса источника
ток через анодные заземлители поступает в грунт и через него
направляется к трубе. Войдя в места повреждения изоляции, ток
протекает по трубе, а затем через присоединенный проводник
попадает к отрицательному полюсу источника тока. Анодный
заземлитель подвергается при этом разрушению, так как ионы
120
металла уносятся с него в грунт. Поверхность же трубопровода
предохраняется от коррозии, так как получает отрицательный
потенциал. Чем меньше электропроводность покрытия, тем
меньше расход тока, необходимого для защиты данного участка
трубопровода и тем, следовательно, менее требуемая мощность
источника тока.
Станция катодной защиты состоит из следующих основных
элементов: 1) источника тока; 2) регулирующих и регистрирую-
щих устройств; 3) соединительных проводников; 4) анодного
заземления.
Мощность установок катодной защиты колеблется в самых
широких пределах — от сотых долей до десятков киловатт. Она
Рис. 60. Схемы катодной защиты автономными анодами
зависит от ряда факторов, главные из которых следующие:
а) протяженность защищаемого участка трубопровода; б) тип и
состояние изолирующего покрытия трубопровода; в) диаметр
трубопровода; г) толщина стенки труб; д) коррозийность почвы;
е) конструкция анодного заземления.
Длина защищаемого одной станцией участка трубопровода
может быть весьма различна, в среднем она составляет от 1
до 20 км; длина эта в основном зависит от величины электриче-
ской проводимости изоляционного покрытия.
Для катодной защиты могут быть использованы любые
источники постоянного тюка: а) генераторы постоянного тока,
приводимые в действие электромоторами, нефтяными, газовыми
или ветровыми двигателями; б) преобразователи тока — выпря-
мители (при получении переменного тока от общей сети);
в) аккумуляторные батареи; г) сухие и гальванические эле-
менты. Выбор источника тока определяется местными условиями.
Обычно при значительной требуемой мощности применяются
генераторы, при очень малой мощности — аккумуляторные ба-
тареи и гальванические элементы.
Анодные заземлители выполняются преимущественно из ста-
рых труб диаметром от 50 до 200 мм вертикально забиваемых
в грунт. Длина заземлителей принимается в 2—3 м; расстояние
между ними и от трубопровода колеблется в широких пределах
и определяется расчетом.
121
Катодная защита автономными анодами осу-
ществляется без подвода тока от постороннего источника. Трубо-
провод защищается током, вырабатываемым гальванической па-
рой, создаваемой в результате укладки в землю анода, металл
которого имеет больший отрицательный электрохимический по-
тенциал, чем металл трубы. Труба с анодом соединяется провод-
ником. На рис. 60 показана схема катодной защиты автоном-
ными анодами.
Аноды обычно выполняются из магниевого сплава в виде
круглых стержней длиной 50—120 см, весом 2—10 кг. Внутри
стержней залита спираль из стальной проволоки, присоединяе-
мая к проводнику, припаянному в свою очередь к трубопроводу.
Аноды устанавливаются вертикально в пробуренные в грунте
отверстия. Для засыпки отверстий применяют специальные смеси
с малым электрическим сопротивлением. Глубина установки
анодов определяется в зависимости от глубины заложения трубо-
провода и уровня грунтовых вод; в среднем она составляет 2 м.
Расстояние анодов от трубопровода принимается от 2 до 4 м.
Расстояние между анодами зависит от диаметра защищаемого
трубопровода, качества и состояния изоляционного покрытия,
электрического сопротивления грунта; в среднем это расстояние
составляет 10—30 м. Сила тока, получающаяся в установках
с автономными анодами, находится в пределах 15—100 ма.
Эффективность катодной защиты внешним током и катодной
защиты автономными анодами может быть одинакова. Преиму-
щество катодной защиты автономными анодами заключается в
отсутствии необходим ости во внешнем источнике тока, вслед-
ствие чего она предпочтительнее в тех пунктах, где отсутствуют
линии электропередач, затруднительно или нерентабельно уст-
ройство генераторных установок.
Для предохранения металлических трубопроводов от корро-
зии, развивающейся под действием блуждающих токов, вызы-
ваемой электрическими системами (главным образом, электри-
ческими железными дорогами), применяется защита электри-
ческим дренажем, представляющим собой один из видов катод-
ной защиты. При этом блуждающие токи отводятся с трубопро-
вода специальными устройствами в ту часть электрической си-
стемы, где потенциал ниже, чем на трубопроводе. Электрический
дренаж попутно предохраняет трубу и от воздействия грунтовой
коррозии.
Перед проектированием устройств катодной защиты должны
быть определены анодные зоны трубопровода, которым отвечает
максимум на кривой распределения потенциал^. Измерения
обычно производятся потенциометром при помощи неполяризую-
щихся электродов. Расстояние между пунктами замеров увязы-
вается с пикетажем трассы и принимается обычно в 25—50 м.
ГЛАВА V
ОСНОВНЫЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
1. ТЕМПЕРАТУРА ГРУНТОВ ПРИ ЕСТЕСТВЕННОМ ИХ ЗАЛЕГАНИИ
Температура грунтов зависит от многих факторов: географи-
ческого положения, рельефа местности, температуры воздуха,.
мощности снежного покрова, состава, влажности и пр.
На одинаковой глубине температура грунта !м’ожет быть раз-
лична даже в одном и том же географическом пункте.
С увеличением глубины суточные колебания температур грун-
та весьма быстро затухают и обычно уже на глубине порядка
0,3—0,8 м суточная амплитуда их (разность между максимумом
и минимумом) практически неощутима.
На подземные сооружения и трубопроводы оказывают влия-
ние годовые колебания внешних метеорологических факторов.
На рис. 61 показаны
результаты наблюдений
за среднемесячными тем-
пературами воздуха, а
также грунта при оголен-
ной его поверхности в од-
ном из городов СССР.
Из графика видно, что с
увеличением глубины ам-
плитуда колебаний темпе-
ратуры сильно умень-
шается.
• Крутое вначале паде-
ние кривых температур
грунта, по мере возраста-
ния глубины становится
все более пологим. На
некоторой глубине кри-
вые наибольших и наи-
меньших температур схо- -
дятся, а амплитуды го-
довых колебаний равны
Рис. 61. Среднемесячные температуры
/—воздуха; 2—грунта
123
нулю. Ниже этой глубины на тепловом состоянии грунтов годо-
вые колебания температур воздуха уже не сказываются.
Установленная исследованиями закономерность в колебаниях
температур воздуха и верхних слоев грунта позволила предло-
жить математические выражения для вычисления температур
грунта. При их выводе принято допущение, что грунт представ-
ляет собой тело однородной структуры и бесконечных размеров
и что тепло в этом теле распространяется лишь путем теплопро-
водности, причем одна из сторон тела имеет плоскую поверх-
ность, температура которой колеблется по закону косинусоиды.
Поэтому предложенные выражения носят приближенный харак-
тер. Исходя из указанных условий температура грунта tx на глу-
бине hx может быть вычислена по формуле:
~hx
tx — ^сР ~h Л е
(V. I)
где 7"ср— средняя годовая температура грунта в град.;
At — максимальное отклонение температуры от средней
температуры поверхности тела в град.;
е — основание натуральных логарифмов;
а — температуропроводность грунта, выраженная фор-
мулой:
а = гр м2[час-, (V. 2)
стгр
\.р — коэффициент теплопроводности грунта в ккал[м час град.-,
с — удельная теплоемкость в ккал [кг град.-,
7гр— объемный вес грунта в кг[м*-,
т — продолжительность периода колебаний температур в ча-
сах (для одного года равная 8 760 час.);
г —время, истекшее от начала периода колебаний, в часах.
Из выражения (V.1) вытекают три закона, сформулирован-
ные Фурье.
Первый закон. Периодические изменения температуры на
поверхности земли распространяются в глубину так, что период
колебания температуры остается неизменным, а амплитуда ко-
лебаний с увеличением глубины уменьшается.
При возрастании глубины в арифметической прогрессии
амплитуда колебаний температур уменьшается в геометрической
прогрессии.
—и 1/"—
Ah=>Aoe а\ (N.S)
где Ah — амплитуда колебаний температуры на глубине А;
Ао — амплитуда колебаний температуры на поверхности.
124
Второй закон. Время наступления максимума и минимума
температуры запаздывает пропорционально глубине по отноше-
нию к максимуму и минимуму температуры на поверхности, т. е.
-7’ = V’> <v-4)
^2 “2
где hx и Л2 — глубины слоев в м\
Zj и z2 — время в часах, на которое запаздывает наступ-
ление максимума и минимума температуры в со-
ответствующем слое.
Это запоздание показывает смещение кривых температур раз-
личных слоев грунта на рис. 61. Например, в средней полосе
СССР минимум температур воздуха отмечается в январе—фев-
рале, а максимум — в июле, в то время как на глубине около 2 м
минимум температур грунта наблюдается в марте—апреле, а
максимум — в августе—сентябре.
Третий закон. Глубины, на которых амплитуды температур-
ных колебаний волн разных периодов составляют одну и ту же
долю от амплитуды температурных колебаний на поверхности,
относятся как корни квадратные из периодов колебаний темпе-
ратур
Al: h2 = V : ]/т2 . (V. 5)
Температура естественного грунта под снежным и раститель-
ным покровом значительно отличается от температуры естествен-
ного грунта с оголенной поверхностью при одинаковых других
условиях.
На рис. 62 показаны усредненные наибольшие и наименьшие
температуры гр унта, на разных глубинах при естественной и ого-
ленной поверхностях, полученные путем обработки результатов
наблюдений в ряде пунктов СССР.
Толщина и плотность снегового покрова в течение зимы ме-
няются. Плотность увеличивается при положительных темпера-
турах воздуха, а также под действием ветра, вызывающего пере-
мещение и раздробление снежинок. К концу зимы плотность
обычно достигает 0,3—0,4 г!см? и даже больше.
Коэффициент теплопроводности снега зависит от его плот-
ности. По Абельсу:
при плотности снега 0,2 г)см3 его теплопроводность 0,1 ккал(м час град
. . . 0,3 , , , 0,2 » ,
. . , 0,4 . , 0,4 . .
„ » » 0,5 , , „ 0,6 , »
Для предварительных расчетов можно считать, что слой снега
толщиной 30—40 см, пролежавшего длительный срок, по тепло-
проводности соответствует слою среднего грунта 'толщиной 1 м.
На температуру грунта существенно влияет время образова-
ния снежного покрова. Большой снегопад и образование устой-
125
чивого покрова в начале зимы часто приводят к относительно
небольшой глубине проникновения отрицательных температур
даже в суровые зимы.
Замечено также, что защитное действие снегового покрова
0,0 0,8 1,6 32
О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,d
Глубина 8 м
Рис. 62. Среднее изменение с глубиной наиболь-
ших и наименьших температур грунта
/ — оголенная поверхность; 2—естественная поверхность
Сложность учета всех приведенных факторов часто заставляет
прибегать к оценке влияния снегового покрова по эмпирическим
формулам.
П. И. Колосковым [21] предложена следующая формула для
примерного определения разницы глубины проникновения в
грунт температуры 0° при оголенной поверхности и при наличии
снегового покрова.
А =/гог _ Асн = hs [3,7 _ о,О2 Е(— Т)\ см (V. 6)
А„г = Лся + й,[3,7-0,02Е(-Г)]( (V. 7)
126
где hs — высота снегового покрова в см\
Е(—Т)—сумма среднемесячных отрицательных температур;
Лог— глубина проникновения температуры 0° при оголен-
ной почве в см-,
ЛС1!— глубина проникновения температуры 0° при почве со
снеговым покровом в см.
Слой снега определенной толщины способен полностью пре-
дохранить почву от проникновения в нее отрицательных темпе-
ратур.
Из формулы (IV.7) при hCH = 0 получим размер этого слоя
5 3,7 —о,02 Е(— Т)
Толщина естественного слоя снега зависит, в частности, от
состояния поверхности земли. Так, для одного и того же уча-
Рис. 63. Схема действия снегового щита
стка были отмечены следующие значения толщины слоя снега;
на вспаханном осенью поле — 8 см, на лугу—15 см, на поле
со жнивьем пшеницы и овса (средней высоты) — 18 см, в осин-
нике с орешниковым подлеском — 28 см, в подсолнечнике —
29 см.
Толщина снегового покрова может быть увеличена установ-
кой щитов или созданием полосы насаждения, подобно тому как
это применяется на железных дорогах для защиты их от зано-
сов, в результате чего масса снега скапливается в определен-
ном отдалении от пути.
На рис. 63 показана схема действия снегового щига. Высокая
и густая трава может повести к снижению не только летних, но
и зимних температур грунта.
Осушение грунта и создание растительности, не требующей
большого количества влаги и не затеняющей почву от солнеч-
ных лучей, также позволяет отеплить грунт.
Тепло, получаемое единицей земной поверхности вследствие
солнечной /радиации, пропорционально косинусу угла, образуе-
мого, перпендикуляром к земной поверхности и направлением по-
тока лучистой энергии. Чем больше этот угол, тем меньше коли-
чество лучистой энергии, приходящееся на единицу земной по-
верхности. В большом масштабе иллюстрацией этого явления
служит различие между температурами тропиков и полюсов.
127
Угол падения лучистой энергии сказывается и на микро-
рельефе — буграх, впадинах, склонах разного наклона по отно-
шению к странам света [42].
В табл. 51 показана интенсивность облучательной способно-
сти солнца в ясный день на 40-й параллели в ккал/м2 час [34].
Таблица 52
Интенсивность облучательной способности солнца
в ккал/м2 нас
Время дня в час Вертикальная поверхность, обращенная на Горизонтальная поверхность
восток юг запад
6 195 40
9 525 70 .— 580
12 — 210 — 815
15 — 70 525 £80
18 — — 470 40
Отклонение поверхности грунта от горизонтальной плоскости
и ориентация склонов местности к той или иной стране света
сильно влияет на проникновение в грунт изотерм, отвечающих
тем или иным температурам.
Рис. 64. Влияние затенения на
температуру грунта
Даты
Рис. 65. Сравнительный ход промер-
зания и оттаивания грунта с северной
и южной стороны здания и на откры-
той площадке
/—южная сторона; 2-открытая площадка; З-се-
верная сторона
На крутых склонах проникновение температуры в 0° с южной
стороны меньше примерно на 10%, а с северной больше на 15%,
чем на горизонтальной поверхности. Даже при пологих склонах
(с углом наклона порядка 3—4°) можно ожидать на южной сто-
ин
ране проникновение температуры 0° на 4—5% меньше, а у се-
верной— на 10—12% больше, чем на горизонтальной пло-
щадке.
Существенное влияние на глубину проникновения в грунт от-
рицательных температур оказывает также затенение поверхности.
На рис. 64 приведены результаты наблюдений за температурой
грунта после установки забора, направленного с востока на за-
пад. Рис. 65 изображает сравнительный ход промерзания и от-
таивания грунта с северной и южной сторон здания и на от-
крытой территории (41]. Как видно из этих рисунков, затенен-
ность увеличивает глубину проникновения нулевой изотермы
с северной стороны примерно на 12—15%.
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ГРУНТОВ
Связанные с передачей тепла физические особенности раз-
личных грунтов в значительной мере определяются их пористо-
стью^ представляющей собой отношение объема пор к общему
объему образца грунта. Пористость зависит от степени одно-
родности зерен Грунта, их формы и размера. При так называе-
мой кубической кладке шаровидных зерен равной величины по-
ристость составляет 47,6%, а при наиболее плотной кладке —
типа тетраэдра — пористость равна 26,2%.
При однородности зерен пористость не зависит от их размера.
Общая же поверхность всех частиц, заключенных в данном
объеме, увеличивается с уменьшением размера частиц (зерен)
грунта, т. е. с увеличением дисперсности.
Природные грунты состоят из зерен разной фор!мы, располо-
женных в различном порядке; поэтому пористость грунтов ко-
леблется в довольно широких пределах.
Для рыхлых осадочных пород — песков, суглинков, глин по-
ристость увеличивается с увеличением глинистности, а именно:
пористость песка меньше, чем суглинка и значительно меньше,
чем глины. Для песков характерна пористость порядка 25—35%,
тогда как для глин она достигает 40—45% и более. При этой
пористости объемный вес природных грунтов' составляет в сред-
нем величину порядка 1,8—1,4 т/м3.
Объемный вес скелета грунтов с достаточной точностью мож-
но принимать равным 2,6 т/м3\ лишь гранит дает значительные
отклонения от этой величины.
По профилю почво-грунтов в их естественном залегании са-
мые верхние гумусированные слои отличаются малым объемным
весом и высокой пористостью. Обычно уже с глубины около 0,3—
0,5 м объемный вес и пористость груЫтов изменяются слабо. В
качестве примера на рис. 66 представлены кривые изменения т
зависимости от глубины объемного веса и пористости (скваж
ности) почв, полученные И. С. Васильевым [8] по трем опыт-
ным площадкам, расположенным на легко суглинистых грунтах.
9 С. Н. Aponoi
подстилаемых средними и тяжелыми суглинками с линзами и
прослойками гравелистого леска.
/Рис. 66. Изменение объемного веса и скважности (пористости) грунта
на опытных площадках
В отношении механического состава грунтов часто прини-
мается классификация [51] с так называемым двухчленным от-
ношением глины к песку (табл. 53).
Таблица 53
Классификация грунтов
Наименование грунта
Соотношение содержания глнны
с размерами фракций < 0,01 мм
и песка с размерами фракций
> 0,01 мм
Глинистая почва .
Тяжелый суглинок
Средний суглинок
Легкий суглинок
Супесь..........
Глинистый песок
1:0,54-1
1:24-3
1:4
1 : 5 :-б
1:74-Ю
1 :114-30
Поры грунта заполнены влагой, водяным паром и почвенным
воздухом. При расчетах пользуются понятиями весовой или объ-
емной влажности. Наибольшая возможная объемная влажность
равна пористости.
Свойства воды, заполняющей поры грунта, имеют чрезвы-
чайно большое значение при установлении тех или иных тепло-
вых и механических качеств грунта как сложной системы.
130
Согласно классификации А. Ф. Лебедева (25) вода в грун-
тах различается по следующим категориям.
1. Парообразная вода, находящаяся в порах всегда вместе
с почвенным воздухом и переходящая из мест с большой упру-
гостью пара в места с меньшей упругостью.
2. Гигроскопическая вода, представляющая собой водяной
пар, адсорбированный частицами грунта, и образующая на их
поверхности весьма тонкий слой, имеющий размерность моле-
кул. Гигроскопическая влажность грунта возрастает с уменьше-
нием размера его частиц.
3. Пленочная вода, покрывающая частицы грунта сверх
гигроскопической воды. Подобно гигроскопической она удержи-
вается силами молекулярного притяжения. Передвижение пле-
ночной воды происходит под действием сил поверхностного на-
тяжения.
Гигроскопическая и пленочная вода называется связанной.
Связанная вода иМ'еет 'следующие свойства: температуру замер-
зания много ниже нуля, большую плотность и меньшую тепло-
емкость, чем у свободной воды.
Влажность грунта, соответствующая максимальному возмож-
ному содержанию в нем связанной воды, называется максималь-
ной .молекулярной влагоемкостью. Максимальная молекулярная
влагоемкость очень близка к так называемому нижнему пределу
пластичности [39].
Пределы значений максимальной молекулярной влагоемко-
сти для разных групп грунтов по В. В. Охотину [36] указаны
в табл. 54.
Таблица 54
Максимальная молекулярная влагоемкое>ь
грунтов
Наименование грунта Максимальная молекулярная влаюемкость в °/0 к весу грунта
Глина Более 24
Тяжелый с Vi ли ок . . . 24-16
Средлий суглинок . . . 16-12
Лei кий суглин<>к 12—8
। «желая супесь . . 8-5
Легкая супесь и песок Менее 5
4. Гравитационная вода, заполняющая полностью или частич-
но поры грунта. Различают несколько состояний гравитационной
воды:, капиллярную, подвешенную, собственно гравитационную.
Температура замерзания капиллярной воды независимо от сте-
пени ее минерализованности, всегда ниже нуля и падает с умень-
шением радиуса капилляра.
9*
131
Влажность грунта, соответствующая максимальному содер-
жанию в нем связанной воды, а также капиллярной и подвешен-
ной, называют капиллярной влагоемкостью грунта или влаго-
удерживающей способностью. Капиллярная влагоемкость отве-
чает количеству воды, которое почва может удерживать в подве-
шенном состоянии над свободной водной поверхностью за счет
капиллярных сил, т. е. за счет разности поверхностного натяже-
Рис. 67. Изменение весовой влажности грунта на
разной глубине в разные периоды года
/ — влажность на 1 сентября 1939 г.; 2— влажность на 1 декабря
1939 г; 3-влажность на 1 февраля 1940 г.; 4—влажность на 1 де-
кабря 1940 г.; 5 — влажность на 1 февраля 1940 г.; 6— полная
влагоемкость
зеркала. С увеличением дисперсности и пористости грунта вла-
гоудерживающая способность его растет.
5. Грунтовая вода, целиком заполняющая поры и пустоты
грунта и наблюдающаяся на определенной глубине. Содержание
грунтовой воды не зависит от пористости и иногда может быть
выше ее.
Влажность грунта в естественном залегании изменяется в
широких пределах в зависимости от местных условий. При от-
сутствии высоких грунтовых вод обычно самые верхние слои
грунта имеют резко меняющуюся влажность, а слои, находя-
щиеся в зоне укладки трубопроводов, —довольно устойчивую.
Как пример, по данным тех же исследований [8] иа рис. 67
изображены кривые изменения весовой влажности грунта на раз-
ной глубине по одной из площадок в засушливый 1939 г. и
132
весьма влажный 1940 г. Кривые относятся к характерным пери-
одам: началу зимы, концу зимы и концу лета.
Интересно отметить влияние низких зимних температур на
режим влажности, а также то, что даже в мокрый год влаж-
ность почвы, приближаясь к полной влагоемкости, все же не
достигает ее, повидимому, вследствие наличия в почве «защем-
ленного» воздуха.
За полную влагоемкость (влаговместимость) принимается
количество воды, содержащееся в грунте, когда водное зеркало
лежит на одном уровне с поверхностью, т. е., когда все поры
почвы заполнены водой. Полная влагоемкость соответствует об-
щей пористости (скважности) грунта.
3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА В ГРУНТАХ
как пра-
из трех
(скелета),
68. Сравнительная теплопровод-
Рис.
ность кварцевого и известкового песков
Передача тепла в сухих пористых грунтах происходит вслед-
ствие теплопроводности скелета грунта и воздуха, конвекции и
лучеиспускания.
Процесс обмена тепла в грунте почти всегда происходит все-
ми тремя путями. Это объясняется тем, что грунт представляет
собою систему,
вило, состоящую
фаз: твердой
жидкой (воды) и газообраз-
ной (водяных паров, почвен-
ного воздуха).
Бывают, однако, одно-
фазные грунты в виде спло-
шной скалы и двухфазные—
при отсутствии влаги или
при полном насыщении ею.
Основную роль в про-
цессе играет передача тепла
за счет теплопроводности
скелета грунтбв.
Теплопроводность воздуха
100° колеблется от 0,02 до 0,03 ккал!м час град, она во много
раз меньше теплопроводности скелета. Поэтому общий коэффи-
циент теплопроводности резко снижается с увеличением пори-
в пределах температур от 0 до
стости.
При размерах пор, встречающихся в обычных природных
грунтах, передача тепла конвекцией и лучеиспусканием практи-
чески почти не имеет значения.
С ростом температуры теплопроводность сухого грунта не-
сколько повышается по линейному закону и, например, теплопро-
водность песка при 100° приблизительно на 15% больше тепло-
проводности при 20°.
133
При наличии в грунте влаги теплопроводность его возрастает.
Это объясняется большей по сравнению с воздухом теплопро-
водностью воды, составляющей при 0° — 0,477, при 20° — 0,513
и при 40° — 0,543 ккал/м час град.
Обязательным условием влияния влажности является нали-
чие смыкания пленок воды, обволакивающих частицы грунта.
На рис. 68 показаны кривые сравнительной теплопроводности
кварцевых и известковых песков при разной влажности по иссле-
Рис. 69. Зависимость теплопроводности, температуропроводности
и теплоемкости образца песчаного грунта от влажности
дованиям А. Ф. Чудновского [51] *. При опытах были взяты
пески равных пористости (40%) и размеров зерна (1,0—0,1 мм).
Как видно из рис. 68, больший коэффициент теплопровод-
ности обнаружен у кварцевого песка, что* объясняется более вы-
сокой теплопроводностью материала скелета.
Зависимость теплопроводности, температуропроводности и
объемной теплоемкости одного’ из образцов мелкозернистого пес-
чаного грунта от влажности представлена на рис. 69 [51].
* Здесь и в дальнейшем данные различных исследований приведены
автором к единой технической системе измерений.
134
Абсолютное значение теплопроводности грунта увеличивается
с ростом влажности, но относительное влияние влажности на
теплопроводность постепенно уменьшается. При увеличении
влажности сверх влагоудерживающей способности возрастание
теплопроводности грунтов уменьшается, а затем величина тепло-
проводности начинает падать. Это объясняется потерей грунтом
своей структуры и обращением его в грунтовую массу, в кото-
рой незначительно соприкосновение частиц скелета и превали-
Рис. 70. Сравнительная теплопроводность кварцевых песков и супесчаных
грунтов разных пористости и влажности
рует теплопроводность воды. Одновременно несколько повы-
шается передача тепла конвекцией.
С увеличением влажности теплоемкость возрастает по линей-
ному закону. Температуропроводность грунта вначале резко
возрастает, что связано с возрастанием теплопроводности более
интенсивным, чем возрастание теплоемкости. Достигнув некото-
рого максимума, температуропроводность обычно снижается.
В равных условиях влажности при одном и том же материале
зерен грунта и при более или менее одинаковой их крупности
теплопроводность меняется сравнительно слабо, уменьшаясь
135
<с уменьшением размера зерен. Чем более грунт имеет глинистых
частиц и меньше песка, тем меньше его теплопроводность .
Уменьшение пористости грунта приводит к увеличению теп-
лопроводности.
В результате сопоставления данных ряда исследований [15,
5-1, 540 автором построена представленная на рис. 70 система
кривых, отображающая общую примерную зависимость тепло-
проводности кварцевых песков и супесчаных грунтов от главных
факторов — влажности и пористости. Как видно, из рис. 70, при
равных влажности и пористости теплопроводность песков выше,
чем супеси. Чем больше пористость материалов равной влаж-
ности или чем выше влажность при равной пористости, тем зна-
чительнее разница в их теплопроводности. Особенно сильно ска-
зывается на теплопроводности грунтов изменение влажности
при небольших ее значениях. В природных условиях пористость
грунтов находится в сравнительно узком диапазоне. Влажность
же, особенно в самом верхнем слое грунта, меняется значи-
тельно, и это является основным фактором, изменения теплопро-
водности грунтов по трассе. Наибольшая возможная теплопро-
водность грунтов имеет место при влагоемкости, близкой к пол-
ной.
При влажности, близкой к пористости, теплопроводность
грунтов в интервале 20°—0° практически почти постоянна. По
мере снижения влажности и возрастания пористости разница
теплопроводности грунтов при температуре 20° и нуле стано-
вится все значительнее.
При замерзании грунтов происходит изменение их коэффи-
циента теплопроводности. В основном это объясняется разницей
теплопроводности воды (Х?«0,50 ккал/м час град) и льда (Хя^
«^2,0 ккал/м час град). Количество замерзающей воды разных
категорий (см. выше) изменяется с температурой и зависит от
характера грунта.
Величину влажности, вводимую в> тепловые расчеты, принято
называть термоактивной влажностью. Приближенно ее можно
считать для песков близкой к 100%, для суглинков — около 90%,
для глин — от 85 до 50% от общей влажности.
Примерно можно считать, что природные мерзлые грунты
имеют отношение
2мерзл = 1,104-1,50,
Хтал
причем большие значения относятся к грунтам с большей влаж-
ностью.
Некоторые сведения о значениях коэффициента теплопровод-
ности природных грунтов и простейших изоляционных материа-
лов в талом и мерзлом состоянии приводятся в табл. 55 |15].
В природных условиях одного и того же пункта трассы на
разной глубине грунты обычно неоднородны как по своему со-
(36
Таблица 55
Значение коэффициента теплопроводности
Грунты и материалы Влажность в °/0 от веса сухого веще- ства (весовая) Коэффициент теплопровод- ности К в ккал/м/час град
талого грунта мерзлого грунта
Песок крупный (1—2 мм)
Плотный 10 1,3 1,6
Плотный 18 2,1 2,7
Рыхлый 10 1,0 1,2
Рыхлый 18 1,5 2,3
Песок мелкий и средний (0,25—1 мм)
Плотный 10 1,8 2,2
Плотный 18 2,7 3,3
Рыхлый 10 1,3 1,7
Рыхлый 18 2,5 3,0
Песок сухой различной крупности . Супеси, суглинки, пылеватые грун- <1 0,2-0,35 0,2-03.
ты, растительная земля 15—25 1,0—1,2 1,3-1,7
Глины 20- 5 0,7-1,0 1,0-1,3
Вода — ~0,5 —
Лед — — ~2,0
Снег неуплотненный — — 0,2
Снег уплотненный — — 0.5
Торф спрессованный, насыщенный 0,59
водой . . — —-
Торф неспрессованный 270-235 0,27—0,40 0,28-0,49
Мох воздушносухой, спрессованный — 0,062 —
Паровозный шлак объемным весом 0,39-0,48
900 кг/м3 ' 33 0,39—0,44
Сосновая хвоя воздушносухая, плот- 0,05
но спрессованная —— —
Сосновая хвоя, увлажненная до 0,34
полного насыщения —
ставу, так и по пористости и влажности, т. е. носят как бы слои-
стый характер.
Часть грунта, близкая к поверхности, при сравнительно низ-
ких температурах воды зимой обычно бывает в мерзлом состоя-
нии, а сама поверхнос1ть покрыта снегом.
В тепловые расчеты в таких случаях следует вводить экви-
валентную теплопроводность грунта. Приближенно^
хэк»= а .6, • (V '9)
~+ V4” • х„
здесь 32 и т. д.—толщина слоя грунта, а
Х2 и т. д.— соответствующие коэффициенты тепло-
проводности.
Таким образом, величина коэффициента теплопроводности
грунтов меняется в- широких пределах и зависит от пористости,
влажности, температуры, материала скелета. Точное определение
137
возможно при исследованиях, охватывающих всю совокупность
свойств грунта. Для начальных стадий проектирования, за от-
сутствием точных сведений о грунтах можно пользоваться приве-
денными выше (материалами, в частности, рис. 70, табл. 54.
При уточнении расчетов, а также при корректировании про-
филей водоводов в рабочих чертежах обязательно' следует
использовать материалы изысканий, включающих сведения
о теплофизических свойствах грунтов на разной глубине по
трассе водоводов. Весьма важно использовать данные, получен-
ные из практики эксплуатации находящихся в. интересующем
районе линий водопровода, теплофикации и т. д., а также мате-
риалы наблюдений, связанных с сельским и лесным хозяйством.
4. ПРОМЕРЗАНИЕ ГРУНТОВ
Под промерзанием грунта принято понимать переход его
в .уплотненное, как бы сцементированное состояние вследствие
замерзания находящейся в порах грунта воды. Глубиной промер-
зания грунта обычно^ считают глубину залегания нижнего гори-
зонта смерзшегося грунта.
Общее влияние ряда условий — внешних температур состоя-
ния поверхности грунта, изменения состава грунтов по глубине,
переменной влажности последних и пр. — создает крайне слож-
ные зависимости от этих условий глубины промерзания и рас-
пределения температур в толще естественного грунта. Особенно
большое значение в> промерзании грунта имеет его влажность.
Увлажнение грунта, с одной стороны, увеличивает его коэффи-
циент теплопроводности, т. е. как бы способствует большему
проникновению отрицательных внешних тем'ператур, а с дру-
гой, — препятствует этому проникновению вследствие выделения
скрытой теплоты льдообразования (около 80 ккал на 1 л воды).
Для промерзания 1 м? влажного грунта требуется в среднем от
20 000 до 50 000 ккал холода. Увлажненность грунта чрезвы-
чайно тормозит процесс сезонного промерзания и оттаивания
грунта. При одинаковых условиях естественного увлажнения
влажность дренируемых песчаных, а особенно каменных пород,
меньше, чем глинистых. Влияние грунтовой влаги в глинистых
грунтах, тормозящее промерзание, сказывается сильнее, чем
в песчаных, отчасти поэтому песчаные грунты промерзают на
более значительную глубину, чем глинистые.
В ходе замерзания грунтов значительную роль играет соот-
ношение в грунте количества воды различных категорий. Как
указано выше, воды всех категорий, кроме собственно гравита-
ционной грунтовой воды, замерзают при температуре ниже нуля.
Надо строго различать понятия — глубина промерзания грун-
та и глубина проникновения в него изотермы температуры 0°.
Наличие температуры, близкой к 0°, знаменует собой лишь
начало процесса замерзания части воды в грунте. Чем больше
1 is
в грунте связанной и капиллярной воды, тем ниже температура
замерзания. В особенности это относится к мелкодисперсным
। глинистым грунтам.
Процесс замерзания грунта по П. И. Андрианову и
М. Н. Гольдштейну [16] протекает следующим образом. По на-
> ступлении переохлаждения грунта начинается замерзание воды
’ в нем — льдообразование, 'сопровождаемое некоторым повыше-
нием температуры (b> пределах отрицательных ее значений).
‘ В процессе дальнейшего замерзания поды, находящейся -в грунте,
' происходит увеличение объема образца. При достижении опре-
’ деленного предела, названного температурой замерзания, не-
[ смотря на то, что количество замерзающей воды продолжает
еще расти,„объем грунта в целом больше не растет и начинает
> даже уменьшаться, так как температурное сжатие его больше,
I чем расширение замерзающей воды. Такое уменьшение объема
в некоторых опытах началось, например, при— 18,5°.
I Проведенными исследованиями установлено также, что тем-
пературы переохлаждения не находятся в прямой связи с тем-
, пературамп замерзания. Для одного и того же грунта тем-
' пература его замерзания почти не зависит от его начальной
• влажности. Температуры переохлаждения и льдообразования за-
висят от скорости охлаждения грунта.
Сложный ход процесса показывает, что нельзя употреблять,
; как это часто делается, термин «температура замерзания грунта»
« без указания, к какому именно моменту процесса он отно-
f сится.
[ Сообразуясь с данными ряда исследований, можно прини-
мать следующие температуры, при которых основная часть воды
| переходит в лед:
в средне- и мелкопесчаных грунтах.......................—0,3°
: в суглинках...............................—0,6°
в глинах.............................—1,0— 1,5°
Но и при этих температурах грунт сохраняет значительную
часть незамерзшей воды. Так, при температуре порядка —10°
в суглинках было отмечено наличие незамерзшей воды в количе-
стве около 20% первоначальной влажности грунта.
Для некоторых глинистых грунтов имеются, например, опыт-
ные данные [14], указанные в табл. 56. .
Само замерзание грунта происходит постепенно. Во время
замерзания не перешедшая еще в лед вода находится в пере-
охлажденном состоянии, причем процесс происходит скачками
с чередованием' переохлаждения воды и выделения льда. Так
как заключающаяся в грунте вода является солевым раствором,
то в ходе льдообразования концентрация солевого состава неза-
мерзшей воды увеличивается, а температура ее переохлаждения
снижается.
139
Таблица 56
Количество незамерзшей воды в образце
глинистого грунта
Температура в град. Количество незамерзшей воды в °/0 к весу абсолютно сухого грунта при начальной влажности в °/0
49,5 32,6 15,3
—2,1 20,5 19,9
-6,5 12,7 11,8 11,3
-11,0 9,6 10,2 10,4
—18,5 5,1 8,0 9,9
Для суглинков и глин температура относительного пере-
охлаждения может достигать —34-4°.
Н. А. Цытовичем [49] опубликован ряд данных, показыва-
ющих, что и грунтах при отрицательных температурах, содер-
жится значительное количество незамерзшей воды.
При этом количество незамерзшей воды, содержащейся в
мерзлых грунтах, не остается постоянным, а изменяется с изме-
нением внешних воздействий, находясь в равновесном состоянии
с последними (принцип равновесного состояния воды в мерзлых
грунтах, выдвинутый и обоснованный Н. А. Цытовичем).
Под влажностью мерзлых грунтов принято понимать общее
содержание воды и льда в, порах грунта, выраженное в процен-
тах к весу сухого грунта. При этом отношение веса только льда,
находящегося в порах грунта, называется «льдистостью». Раз-
ность между влажностью и льдистостью мерзлого грунта пред-
ставляет собой содержание в грунтах незамерзшей воды.
Обычно при промерзании в естественных условиях влажность
мерзлого грунта становится выше, чем его влажность в талом
состоянии. Это явление особенно заметно в самых верхних слоях,
как это видно, например, на рис. 67. Объясняется оно в ряде
случаев подтягиванием воды из нижних слоев (миграцией ее),
а также в определенной мере дестилляцией парообразной влаги.
В сухих почвах, где легкоподвижной влаги нет, и передви-
жение влаги может происходить лишь в виде пара или в виде
разобщенных друг от друга тонких пленок, в процессе промерза-
ния миграция влаги практически отсутствует.
В почвах, увлажненных до такой степени, что в них обра-
зуется легкоподвижная влага и перемещение последней проис-
ходит в жидком виде, отмечено сильное обогащение влагой верх-
них слоев за счет обезвоживания нижнего слоя; обезвоживание
последнего доходит до 60—70% его наименьшей полевой влаго-
емкости ’.
‘Наименьшей полевой влагоемкостью называется количество воды,удер-
живаемое почвой, когда зеркало свободной ,воды лежит так глубоко, что
залегающий над ним слой капиллярного насыщения не достигает юочвы.
140
Таблица 57
Температура замерзания
растворов
Концент- рация раствора в % Температура замерзания в град.
раствора хлористого кальция раствора хлористого натрия
5 - 1.7 — 2,8
10 — 5,0 — 5,3
15 — 10,8 —11,1
20 —19,4 —16,6
Наблюдения В. И. Морошкина [16] над промерзанием глини-
стого грунта, подстилаемого слоем песка, показали снижение
влажности песка и повышение влажности глины.
Минерализованность грунтовой воды сказывается на темпе-
ратуре ее замерзания. В табл. 57 указаны температуры замерза-
ния растворов некоторых солей.
Вследствие скрытой тепло-
ты при переходе через 0° про-
исходит дополнительная за-
держка в распространении теп-
ла или холода.
М. И. Сумгиным это явле-
ние названо «нулевой завесой».
На рис. 71 приведены кривые
хода температур грунта по на-
турным данным М. И. Сумги-
на, показывающим влияние ну-
левой завесы на проникнове-
ние тепла в глубь грунта в определенном пункте [42].
Как видно из табл. 54, замерзшие влажные грунты обладают
большей теплопроводностью, чем талые, что в основном объяс-
няется тем, что теплопроводность льда примерно в 4 раза выше
теплопроводности воды.
Даты наблюдений
Рис. 71. Влияние нулевой завесы на проникновение
тепла внутрь грунта >
На рис. 72 представлен ряд кривых, показывающих фактиче-
ски наблюдавшиеся наименьшие из средних значений темпера-
туры грунта в пунктах, находившихся в разных условиях (см. да-
лее табл. 58), причем по некоторым из них указаны сведения,
относящиеся как к оголенной, так и к естественной поверхности.
Для наглядного изображения общей картины явления про-
мерзания и прогревания грунтов были совм'ещены данные отем-
141
пературе грунта .на разных глубинах для значительного ряда
пунктов.
Средние величины этих данных, отвечающие примерно цент-
ральной части территории Союза, приведены на графиках рис. 62.
При подсчетах промерзания для определения продолжитель-
ности промерзания грунтов можно пользоваться формулой
В. С. Лукьянова [27]. При выводе формулы В. С. Лукьяновым
принимались следующие предпосылки: а) разность температуры
наружного воздуха и температуры промерзания грунта постоян-
на; б) грунт однороден; в) распределение температур в грунте
от поверхности до границы промерзания идет по прямой; г) оте-
пление поверхности учитывается назначением соответствующей
величины сопротивления теплоотдаче поверхности; д) тепловой
поток к нулевой зоне из глубины постоянен и равен среднему
за расчетную продолжительность промерзания; е) скорость пере-
мещения границы промерзания определяется скоростью отвода
наружу теплоты, освобождающейся при замерзании воды на
границе промерзания и при дальнейшем охлаждении всей толщи
ранее замерзшего грунта, а также теплоты, поступающей к гра-
нице промерзания из нижележащих палых слоев.
Расчетное выражение имеет вид:
Z = ( Q+c—V —? 8-------------------(V. 10)
где Z — продолжительность промерзания в часах слоя грунта
толщиной в h
Q — количество скрытой теплоты льдообразования в ккал
на 1 м? грунта;
X; — коэффициент теплопроводности мерзлого грунта
в ккал м час град\
142
h — глубина промерзания в м\
с — теплоемкость грунта в ккал!кг град’,
t — разность температур наружного воздуха и замерзания
грунта;
q— тепловой поток из талого грунта к границе замерза-
ния в ккал[м2 час;
В — толщина фиктивного слоя мерзлого грунта, как бы
заменяющего сопротивление теплоотдачи поверхности
В = —; здесь а — коэффициент теплоотдачи с поверхности.
а
Правильное назначение температуры наружного воздуха
играет весьма важную роль. Вследствие затухания тепловых
волн в толще грунта надлежит брать среднюю величину темпе-
ратуры 'воздуха за некоторый промежуток времени.
Для слоев грунта, лежащих на глубинах порядка 1—1,5- м,
можно брать среднемесячную температуру воздуха.
При больших глубинах период следует увеличивать, и для
глубин 2—3 м температуру воздуха следует принимать среднюю
за 1,5—2 месяца.
Математический расчет глубины- промерзания при достаточ-
ной надежности исходных данных и взятых допущений возмо-
жен. Но ввиду того, что часто 1м1ногих из этих данных не имеется,
значительное распространение получил расчет проникновения в
грунт изотермы 0° и других температур по эмпирическим фор-
мулам. Эти формулы в основном включают величины, оцени-
вающие главные факторы: внешнюю температуру, характер
грунта, влажность грунта. Поверхность грунта принимается го-
ризонтальной.
Из значительного числа предложенных равными авторам'и
формул отметим:
а) уточненную формулу Г. И. Лапкина
д =/00,09 2 (-£) 4-70] см, (V.11)
где h—-глубина проникновения изотермы 0° в см^
Х(—0—1 сумма морозоградусодней, т. е. сум'м'а среднедневных
отрицательных температур за год;
К—коэффициент, зависящий от характера грунта; для супе-
сей и суглинков с влажностью до 30% при оголенной
поверхности К = 1,0; для тех же грунтов с влажностью
'более 30% К — 0,75; для гравелистых песков и крупно-
обломочных грунтов К = 1,33;
б) формулу В. С. Яблонского
h=K'№(-t) м, (V.12)
где/С — для суглинков — 0,035, для супесей — 0,047, для‘песка—
0,067; поверхность оголенная;
143
в) формулу из «Указаний по производству строительных ра-
бот в зимнее время»:
h = W(4P-P*}K" -2hs см, (V.13)
где h — глубина промерзания в см (отнесенная примерно к изо-
терме 0°);
Р___ %
1 000 ’
(Z— число дней с отрицательными температурами, 70 —
средняя температура воздуха в течение этого периода);
К" — для глины 1,00, для суглинка — 1,06, для супеска
1,10, для песка 1,12;
hs—средняя толщина плотного снегового покрова за
весь период с отрицательными температурами.
На рис. 73 даны сравнения величины проникновения 0° по
разным эмпирическим формулам для оголенной поверхности [4].
Там же показаны точки, отвечающие Фактическим данным
наблюдений на пунктах с оголенной поверхностью. Как видно
из рисунка, формула (V.11) дает результаты, довольно близкие
к средним фактическим данным. Крестиком отмечены данные, от-
носящиеся к искусственному грунту, из песка и щебня.
Глубины проникновения 0° в отдельных пунктах могут сильно
отличаться от расчетной величины. Поэтому данные о темпера-
114
туре грунтов следует брать по уточненным материалам наблю-
дений местных метеоролдгических станций, расчетными же дан-
ными М'ожно пользоваться лишь для предварительных сообра-
жений.
Глубина проникновения в грунт в данном пункте наблюдений?
изотермы 0° в значительной мере зависит от характера зимы.
В короткие, но суровые зимы получаются большие значения
этой глубины, чем в мягкие продолжительные, если даже общее
число морозоградусодней одинаково в обоих случаях. Разность
между глубинами проникновения нулевой изотермы в разных
грунтах увеличивается с возрастанием среднегодовой темпера-
туры местности.
В приложении I приводятся данные о среднемесячных темпе-
ратурах воздуха за холодный период года по многолетним
наблюдениям в различных пунктах СССР.
При средних равных метеорологических условиях для цент-
ральных районов приближенно м'ожно считать отношение глу-
бины промерзания тяжелых глинистых, суглинистых и песчаных
грунтов примерно как 0,75 : 1,00 : 1,30.
Для сопоставления результатов указанных выше зависимо-
стей в табл. 58 приведены сравнительные данные по 6 пунктам
о среднем и максимальном проникновении в грунт (в основном
в суглинки и супеси) изотермы, соответствующей темпера-
туре 0° при оголенной и естественной поверхности [4].
Из таблицы видны как значительная разница глубины про-
никновения средней и Максимальной температур 0° в разных слу-
чаях, так и чрезвычайное отклонение от средней величины их
отношений по разным пунктам. Разница особенно велика в пунк-
тах с более мягким (Климатом.
Для определенных района и участка по длительным наблю-
дениям за температурой воздуха и измерениям глубины промер-
зания грунта и глубины проникновения температуры 0° можно
построить интегральные графики зависимости температуры грунта
от температуры воздуха. Наличие ряда таких графиков с по-
правками к ним на снеговой покров и влажность позволит в бу-
дущем' по данным прогноза температуры воздуха делать про-
гнозы температур грунта.
Часто необходимо знать распределение температур в толще
грунта, располагая сведениями о температуре грунта у его по-
верхности и о глубине промерзания или глубине проникновения
нулевой изотермы при оголенной поверхности грунта. Темпера-
тура грунта у его поверхности может быть взята по данным
ближайших метеорологических станций для наиболее холодного
периода года. Глубина проникновения температуры 0° при ого-
ленной почве берется по данным метеорологических станций,
удочненным- применительно к рассматриваемому участку трассы,
а при отсутствий" этих сведений вычисляется приближенно по
приведенным выше формулам.
Ю С. Н. Ароно!
I4S
Таблица 58
Величины глубины проникновения изотермы 0°
Показатели п У н к т ы
1 2 3 4 5 6 Сред- нее
Среднее проникновение тем- пературы 0° при естествен- ной поверхности а в см . . 33 55 20,6 107,2 108,1 217,1 90,1
То же, при оголенной поверх- ности b в см 74 148,6 137,2 249,1 305,9 269,1 197,3
а Отношение -у- 0,45 0,37 0,15 0,43 0,35 0,81 0,46
Максимальное проникновение температуры О’ при естест- венной поверхности с в см . 102 88 59 48 194 251 140,3
То же, при оголенной по- верхности d в см 149 206 155 280 320 284 232,3
с Отношение 0,68 0,43 0,38 0,53 0,61 0,88 0,60
_ Ь Отношение — с 0,73 1,69 2,32 1,69 1,58 1,07 1,40
п d Отношение у- 2,0 1,39 1,13 1,12 1,05 1,06 1,18
_ с Отношение — • . а 3,1 1,6 2,8 1,38 1,78 1,15 1,55
Как было указано выше, влияние снегового покрова на глу-
бину промерзания и глубину проникновения температуры 0°
чрезвычайно велико.
Наличие слоя снега толщиной hs значительно изменяет тем-
пературу грунта, причем глубины hL и hx уменьшаются на при-
веденную толщину слоя грунта
Лпр = М- (V.14)
Значение k при естественных грунтах средней плотности и
влажности обычно составляет от 2 (плотный снег) до 4 (рыхлый
снег); в среднем & = 2,5 4-3,0.
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ГРУНТОВ ПО ТРАССЕ
ВОДОВОДОВ
Природные факторы по трассе водоводов встречаются в раз-
нообразных комбинациях. В находящихся на расстоянии лишь
нескольких километров один от другого пунктах могут быть
разные грунты и различные ориентации склонов, по которым
.проходит трасса по отношению к странам света. Условия обра-
146
зевания снегового покрова различны в защищенной от ветра ло-
щине или на возвышенности. На тепловых особенностях грунтов
трассы сказывается также прохождение ее по открытой или за-
пененной местности. В пунктах, расположенных на очень отда-
ленных друг от друга параллелях, наблюдаются иногда со-
вершенно одинаковые глубины проникновения нулевой изо-
термы.
Определение температур грунта, исходя из общих метеороло-
гических и почвенных условий района, может дать материал
лишь для предварительных суждений о некоторых средних вели-
чинах проникновения в грунт тех или иных температур. Откло-
нение от этих средних величин на отдельных пунктах трассы
бывает весьма значительным — иногда в два раза и более.
Распространенное в строительной практике принятие одина-
ковых глубин проникновения тех или иных температур только
по данным ближайшей метеорологической станции совершенно
неправильно. Это часто ведет как к неоправданным излишним
расходам из-за чрезмерной глубины заложения труб, так иногда
и к недостаточной глубине их прокладки [3, 4].
Магистральные водоводы и другие трубопроводы, как пра-
вило, проходят в местах с естественным покровом. Поэтому для
определения наихудших вероятных условий температурного ре-
жима грунтов следует ориентироваться на естественную поверх-
ность при максимальном проникновении температуры 0°.
Данные табл. 58 показывают, что максимальное проникнове-
ние температуры 0° в грунт при естественной поверхности во
всех рассмотренных случаях менее среднего проникновения тем-
пературы 0° в грунт при оголенной поверхности, за исключе-
нием первого пункта, расположенного в южной части территории
СССР с небольшим снеговым' покрытием и малым промерзанием
грунтов. Располагая данными о толщине снегового покрова и
сумме отрицательных месячных температур, можно, например,
по формуле П. И. Колоскова (V.6) приближенно переходить от
глубины проникновения температуры 0° при оголенной поверх-
ности к глубине проникновения этой температуры при естествен-
ной поверхности и обратно.
На основе специальных изысканий с учетом всей совокупно-
сти местных условий и указанных выше соображений, могут
быть определены точные величины проникновения в грунт тех
или иных температур. Как пример в табл. 59 приведены сравни-
тельные данные о средней глубине проникновения в грунт тем-
пературы 0° для двух расположенных в центральной полосе
пунктов а и б при разных грунтах, различном покрове и, кроме
того, отличающихся экспозицией склона.
При составлении табл. 59 принято: а) сумма среднемесячных
отрицательных температур равна 50°; б) средняя глубина про-
никновения темпер ан уры 0° в глинистый грунт при оголенной
горизонтальной поверхности равна 150 см; в) при других грун-
10*
147
тах средняя глубина проникновения температуры 0° определена
с поправочным коэффициентом, входящим в формулу (V.11);
г) изменение наклона учитывается соответствующим коэффи-
циентом; д) влияние снегового покрова на глубину проникнове-
ния температуры 0° учтено формулой (V.6); е) затененность уве-
личивает глубину нулевой изотермы с северной стороны на 12%.
Таблица 59
Сравнительные данные о глубине проникновения в грунт
температуры 0°
Пункт Грунты Покров Склон Средняя глу- бина проник- новения тем- пературы 0° в грунт в см Поправка при нали- чии склона или снега
а Глина Оголенный грунт Г оризонталь- ная поверх- ность 150 —
То же То же Наклон к югу 142 150X0,95 = 142
» * Наклон к се- веру 165 150 X 1.1 = 165
9 Снег 25 см Горизонталь- ная поверх- ность 82 150 — 25(3,7 — — 0,02 X 50) = 82
б Песок Оголенный грунт То же 200* —
То же То же Наклон к югу 190 200 X 0,95 = 190
я * Наклон к се- веру с зате- нением 246 200XL 1X1,12=246
* Снег 25 см Горизонталь- ная поверх- ность 132 200 — 25 (3,7 — — 0,02 X 50) - 132
* Средняя глубина проникновения температуры 00 в песчаных грунтах
принята на основании формулы (V II), увеличенной на 33% по сравнению
со средней глубиной проникновения в глинистых грунтах.
Как видно из таблицы, в отдельных случаях отношение вели-
чин средней глубины проникновения температуры 0° в соседних
пунктах достигает 3, колеблясь от 82 до 246 см\ даже при ого-
ленной поверхности это отношение приближается к 2.
В табл. 59 для упрощения не учтено влияние различной сте-
пени влажности, что может еще более увеличить разницу в тем-
пературах грунта.
ГЛАВА VI
ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ
1. ТЕПЛОВЫЕ РЕСУРСЫ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Как уже указывалось в главе IV, период наибольшего про-
новения нулевой изотермы б грунт сдвинут по отношению
ериоду наименьших температур воздуха. Наблюдается также
хвиг минимальных температур воды естественных источников
этношнию к температуре воздуха. В речных водохранилищах
Рис. 74. Интенсивность теплового потока через дно
' водохранилища
более низкая за год температура воды наблюдается в самом
але зимы, (непосредственно в момент образования ледяного
рова. После замерзания наступает повышение температуры,
следующее изменение температуры носит различный характер,
исящий от особенностей водохранилища [23].
На рис. 74 представлен в виде примера график интенсивности
лового потока, построенный по данным наблюдений.
149
Изменение температуры в водохранилищах происходит вслед-
ствие теплообмена воды как с дном водохранилища, так и с
окружающей атмосферой. Тепловой поток, идущий через дно
водохранилища, значителен, особенно в осенние и зимние месяцы.
Кроме изменения средней температуры воды водохранилищ,
происходит изменение температуры отдельных слоев как за счет
явлений внешнего теплообмена, так и за счет местной конвек-
ции. Величина возрастания температуры воды, отвечающей ста-
ционарному термическому режиму, прямо пропорциональна рас-
ходу тепла, поступающего от дна, и обратно пропорциональна
скорости течения. Теплоотдача дна при заданных климатических
условиях приблизительно одинакова
Рис. 75. Изменение средней температуры
воды в водоемах осенью, зимой и весной
1—Белое озеро 1924—1925 гг ; 2— Акуловское водо-
хранилище 1940-1941 гг.; 3—Озеро Зюрат-Куль 1942 —
1943 г.; 4 — Иваньковское водохранилище 1940—1941 гг.
для всех водоемов, находя-
щихся в каком-либо рай-
оне, поэтому различия в
характере термического
режима водоемов опреде-
ляются в основном ско-
ростью течения. Чем бы-
стрее движется поток, тем
ниже температура воды.
Величина изменения
температур подвержена
значительным’ индивиду-
альным колебаниям. В
стоячих и малопроточных
водоемах начавшееся по-
сле ледостава нарастание
температуры длится в те-
чение всей зимы. В про-
точных водохранилищах
после повышения температуры, следующего за ледоставом, на-
ступает опять некоторое ер понижение, но температура все же
остается более высокой, чем перед замерзанием.
На рис. 75 представлены кривые изменения средней тем-
пературы воды в четырех водоемах за осенний и зимний пери-
оды. Кривые 1 к 3 характерны для малопроточных и стоячих
водоемов, 2 и 4 — для водоемов большой проточности.
После образования ледового покрова наряду с общим повы-
шением средней температуры отмечается значительная разница
температуры воды на разных глубинах. Рис. 76 изображает тем-
пературные разрезы одного из водохранилищ в разные периоды-
года [231.
В открытых реках и каналах разница теператур воды на разг
ных глубинах незначительна. На рис. 77 даны в качестве при-
мера температурные разрезы, снятые в один и тот же период
времени (конец зимы), но в водоемах различной проточности.
Производя тепловой расчет водоводов, идущих от водозабор-
ных сооружений и насосных станций, питающихся водой откры-
150
тых водоемов, надлежит учитывать эти термические особенности
водоисточников и имеющиеся таким образом тепловые ресурсы
их. Следует принимать во внимание как колебания температур
Рис. 76. Температурные разрезы водохранилища в разные
периоды года
л—летом—15 июля-, б—перед замерзанием —6 декабря; в—зимой—5 января
воды в осенне-зимнее время, так и несовпадение времени, отве-
чающего минимуму температуры воды, со временем наиболь-
шего проникновения нулевой изотермы в грунт. Как правило»
да
3,50
5,00
0,02°
0.02°
$оФ>
22 Февраля
777777
0,02°
Рис. 77. Температурные разрезы, снятые с водоемов различной
проточности
а—проточный канал £=35 000 м31сутки: б-проточное водохранилище £=5 000
м31сутки; в—малопроточное водохранилище £=500 м3,'сутки
в момент минимума температуры грунта на уровне заложениж
водовода температура транспортируемой воды будет превосхо-
дить ее возможный минимум. Во время же минимума темпера-
туры воды в водохранилищах .температура грунта будет еще да-
лека от низшего возможного значения.
151
В тех случаях, когда температура воды, поступающей в водо-
вод близка к нулю, надо учитывать явления, связанные с воз-
можным появлением внутриводного льда [7J.
При /поступлении в водовод воды из реки вместе с шугой
температура получающейся смеси воды и шуги близка к нулю.
Однако теплота трения (см. ниже) препятствует замерзанию
воды. Замерзанию препятствует также и повышение давления
в водоводе по сравнению с давлением в пункте входа воды
с шугой.
Возможно образование льда и в массе воды, уже протекаю-
щей по водоводу. Свободные кристаллы льда могут образоваться
лишь в том случае, если вода при температуре плавления льда
имеет тенденцию переохладиться. В водоводе переохлаждение
движущейся воды может произойти при падении давления. Если
перед участком с большим падением давления температура
воды была близка к температуре таяния льда, то наступает
кристаллизация воды.
Подземные воды, питающие системы водоснабжения, обычно
обладают устойчивой температурой в пределах 5—10°. Минимум
температуры воды, не совпадающий с минимумом температуры
воздуха, также сильно сдвинут и по отношению к минимуму
температуры грунта на уровне заложения водоводов.
При оборотных системах водоснабжения вода, подаваемая на
охлаждение, имеет высокую температуру, и снижение ее зимой
является желательным. Что же касается летнего времени, то во
избежание еще большего повышения температуры по пути при
мелком заложении линий необходимо анализировать условия
работы и в летнее время.
2. ТЕПЛОТА ТРЕНИЯ
Производя тепловой расчет водоводов, следует учитывать
теплоту трения, образующегося в процессе прохождения воды
через насосы и по водоводам (самонагрев воды). Причиной об-
разования теплоты трения является потеря напора на преодоле-
ние сил трения частиц воды о стенки насосов и труб, а также
между собой. Теряемый напор переходит в тепловую энергию,
что вызывает самонагрев транспортируемой воды [26.21. Чем
с большей скоростью движется вода и чем больше шерохова-
тость стенок и другие местные сопротивления протоку, тем
больше получающаяся тепловая энергия или теплота трения
воды.
К. п. д. современных центробежных насосов* составляет ве-
личину порядка 0,704-0,85; около 0,3040,15 от потребляемой
мощности насоса теряется вследствие перехода в тепловую энер-
гию. Из этой тепловой энергии примерно 90% уносится с водой,
повышая ее температуру, й около 10% остается в пределах на-
сосной станции.
152
Отсюда на подогрев воды при секундном расходе ее Qo л и
высоте подъема Н затрачивается энергии:
2V' = 0,9 — 1 j QqH кгм/сек.
Теплота трения, образующаяся в насосах:
<^ = 0,9 Р— = 7,6р— ljQ0Z/««aj/4ac(VI.l)
Это тепло вызовет повышение температуры воды в пределах на-
сосной станции на величину:
Ш (^-1)Я = 0,0021(^-1)Яград. (VI.2)
Затрата энергии на преодоление сил трения при протекании-
воды по водоводам составляет:
Д/" = Q ? Ц кгм)сек,
где Q —количество протекающей воды в м31сек\
7 — объемный вес воды, равный 1 000 кг/мй',
I — длина водовода в м\
i — гидравлический уклон.
1 кгм работы равен 427 ккал тепла, почему количество
теплоты трения, выделяющейся на 1 пог. м водовода при про-
пуске по нему воды, будет:
,, кт» Q-3600-1000г о лол I
<7 тр= N"= —---427-----= 8 430 Qz ккал/М час. (VI 3)
На всю длину водовода количество теплоты трения составит
= q"rp I ккал/час. (VI.4)
Температура воды в водоводе в результате трения (без учета
потери тепла) возрастает на величину
(VI.5)
Чч
где Q4— расход Роды1 в л!час.
Гидравлический уклон может быть определен, например, по
указанной выше формуле акад. Павловского (III. 14):
Выразив расход воды Q через 0,785 d2v, где d внутренний
диа1метр трубы в м, a v — скорость в м!сек, получим следующие
153
формулы, определяющие величину теплоты трения, выделяю-
щейся на 1 пог. м длины водовода для различных значений
коэффициента шероховатости п [4].
при п~ 0,010 ?тр (VI. 6;
„ /7 = 0,011 ^тр = 4,9d°>™ v3 (VI. 7)
„ /г = 0,012 Qrp = 6,0d0’67 v3 (VI. 8)
„ 77 = 0,013 Qrp = 7,2d°’Q5v3 (VI. 9)
Исходная формула (III. 14) не учитывает потерь вследствие
местных сопротивлений и исходит из законов гидравлических
сопротивлений в квадратичной области (см. главу III). Поэтому
полученные по формулам (VI.6)— (VI.9) значения теплоты тре-
ния обычно несколько занижены против вероятных фактических
ее величин при протекании в условиях переходной области, чем
можно пренебречь.
Теплота трения во многих случаях может быть значительна.
Поэтому ее необходимо учитывать при тепловом расчете водо-
водов и определении конечной температуры воды.
При переменном режиме работы водоводов следует прини-
мать <?"р отвечающим наименьшей скорости и расходу в случае
длительного их значения.
Формулы (VI.5) — (VI.9) показывают, какое существенное
значение при определении q"XX) имеет состояние поверхности труб.
Очень важна также величина скорости.
Количества теплоты трения q'xp , выраженные в ккал/м час
при скорости движения воды и=1 м!сек и различных диамет-
рах труб, приведены в табл. 60.
Таблица 60
Количество теплоты трения при скорости в 1 м/сек
Коэффи- циент ше- роховато- сти n Количество теплоты трения в ккал,час при диаметре труб в мм
100 150 200 250 300 350 4С0 500 600 700 800
0,010 0,80 1,06 1,23 1,52 1,72 1,91 2,10 2,46 2,79 3,10 3,42
ООП 1,00 1,32 1,62 1,88 2,13 2,37 2,60 3,04 3,44 3,83 4,19
0,012 1,28 1,69 2.04 2,37 2,68 2,97 3,25 3,77 4,26 4,72 5,16
0,013 1,57 2,06 2,49 2,88 3,25 3,59 3,93 4,56 5,14 5,06 6,20
При других скоростях v значение q"xp находится путем умно-
жения на и3.
При значительных величинах снижение температуры
воды при движении ее по водоводу благодаря теплоте трения
может быть весьма незначительным, а в некоторых случаях
температура воды может даже повыситься. Учет у' позволяет
в некоторых случаях укладывать постоянно действующие водо-
154
воды даже с низкой начальной температурой воды выше линии
нулевых изотерм, без опасения замерзания воды. Чем выше раз-
ница температур воды и внешней среды, т. е. чем на меньшей
глубине при прочих равных условиях проложен водовод, тем
большую скорость должна иметь в нем вода в целях компенса-
ции потерь тепла теплотой трения.
Рис. 78. График сопоставления теплоты трения и тепло-
потерь при разных скоростях v движения воды при глу-
бинах заложения й= 1,5 и 2,5 м
Графиком рис. 78 представлены значения количества теп-
лоты трения, выделяющейся при разных скоростях движения
воды по трубам, в сопоставлении с величинами теплопотерь при
различных значениях разности температур воды в трубе tR и
внешней среды trn. Количество теплоты трения определено по
формуле (VI.8), а теплопотери — по формуле (VI.16) при коэф-
фициенте теплопроводности грунта л = 2,0 ккал}м час град. Глу-
бина заложения водовода принималась 1,5 и 2,5 м. В каждой
паре кривых tB—irp глубине 1,5 м соответствует верхняя пунктир-
155
ная линия, глубине 2,5 м— нижняя (^в—температура воды,
/гр—естественная температура грунта на уровне оси водовода).
При скорости движения воды 1,00—1,25 м/сек даже в срав-
нительно мелко заложенных водоводах поддерживается по-
стоянная разность tB — trp около 1°. При увеличении скорости
разность tB — ^гр также увеличивается. Так, при скорости
2,0 м/сек она составляет уже около 5°, а при скорости
2,5 м/сек — около 10°, причем, чем больше диаметр трубопро-
вода, тем больше разность tB — ^гр.
Сопоставление величины теплоты трения qrp и величины теп-
лоотдачи водовода может являться одним из критериев, опреде-
ляющих глубину заложения постоянно действующего водо-
вода, а также необходимые мероприятия по тепловой изо-
ляции.
Создание в водоводе больших скоростей, увеличивая экс-
плуатационные расходы на электроэнергию, приводит одновре-
менно к значительному увеличению q“. При устойчивом ре-
жиме работы водовода в ряде случаев это может позволить сни-
зить глубину его заложения и уменьшить благодаря этому
строительную стоимость. Таким образом, если при водоводах,
уложенных ниже линии нулевых изотерм грунта, расход энер-
гии на преодоление сил трения является неизбежной и 'бесцель-
ной потерей, то при мелко заложенных водоводах расход энер-
гии на преодоление сил трения сопровождается выработкой
тепла, позволяющего снизить глубину прокладки и тем умень-
шить стои1мость строительства водовода.
При проектировании водоводов, в> частности при назначении
диаметра и глубины заложения, приходится решать ряд задач,
связанных с величиной #"р как функцией диаметра d, ско-
рости о и коэффициента шероховатости п.
Обычно приходится определять величину теплоты трения при
пропуске воды по водоводу заранее определенного диаметра при
заданном материале и расчетной шероховатости стенок.
В ряде случаев требуется определить, с какой скоростью и,
следовательно, в каком количестве надо пропускать воду для
получения теплоты трения в количестве, обеспечивающем необ-
ходимую температуру воды в водоводе.
Часто необходимо сравнивать тепловой режим водоводов при
выборе их диаметра.
Рассматриваются также задачи изменения теплового режима
водоводов при пропуске расходов воды, отвечающих разным
очередям развития системы водоснабжения, при изменении шеро-
ховатости стенок и др.
Для удобства решения всех перечисленных задач построена
номограмма, представленная на рис. 79. По номограмме можно
быстро анализировать совокупность вопросов., связанных с теп-
ловым расчетом водоводов.
156
Скорость движения воды
Рис. 79. Номограмма для определения количества теплоты трения, вырабатываемой продвижении воды по трубам
157
Назначая режим работы мелко заложенных водоводов, реко-
мендуется предусматривать возможность создания в них увели-
ченных скоростей для получения повышенных величин теплоты
трения в отдельные неблагоприятные моменты, при особо суро-
вых зимах со значительной глубиной промерзания и малым сне-
говым покровом. Эти скорости можно достичь путем общего
увеличения подачи воды или уменьшения числа работающих
ниток. Для этого на насосных станциях должна быть преду-
смотрена установка соответствующих насосов и устройство необ-
ходимых переключений коммуникаций.
Пример 1. Определение теплоты трения при заданном расходе воды,
напоре и диаметре водовода
. Задание. В насосной станции установлены один рабочий и один запас-
ный насосы производительностью Qo = 100 л/сек каждый с напором 90 м.
Вода подается на завод равномерно по .водоводу из старых чугунных труб
диаметром 300 мм, длиной 1 = 6 000 м. Скорость воды v = 1,42 м/сек.
К. п. д. насоса = 0,75.
Требуется определить повышение температуры воды при прохождении
через насосную станцию и по водоводу без учета потери тепла в грунт.
Решение. Для водовода из старых чугунных труб коэффициент п можно
принять равным 0,012. По таблицам проф. Н. Н. Гениева [12] i = 0,009;
потеря напора при прохождении воды по водоводу составит 0,009 6 000 =
= 54 м. Остальной напор насоса 90—45 = 45 м расходуется на геометриче-
ский подъем воды.
Вода, проходя через насос, получает теплоту трения, равную согласно
формуле (VI. 1)
дтр' = 7,6 — 1 j Qo Н = 7.6 q 75 — 1^ 100-90 « 20 000 ккал/час.
Вследствие трения ib водоводе образуется тепло в количестве, которое
может быть определено по формуле (VI.8)
qTp" I = 6d°’67v3/ = 6-0,30°’67 -1,423-6 ООО « 47 000 ккал/час.
Количество тепла может быть также определено по номограмме
рис. 79. Для этого из точки на оси абсцисс (в левой части номограммы),
соответствующей d = 0,3 м, проводим вертикальную линию до пересечения
с кривой значения п = 0,012. Из точки пересечения проводим горизонталь-
ную линию до пересечения (в правой части номограммы) с кривой
и = 1,42 м/сек. Проведя вертикальную линию из этой точки, получим коли-
чество теплоты 7,9 ккал/м час. Умножив эту величину на длину линии
/ = 6 000 м, будем иметь
7,9-6 ООО « 47 000 ккал/час.
Общее количество теплоты трения q тр =20 000 4- 47 000 = 67 000 ккал/час.
В насосной станции согласно формуле (VI.2) произойдет повышение
температуры воды на величину
АГ = 0,0021 Н= 0,0021 (-90 « 0,06е.
При прохождении через водовод температура воды изменяется на вели-
чину, равную по формуле (VI.5):
47000
Q4 33 100-3600
- 0,13е.
158
Общее повышение температуры составит
М = 0,06 + 0,13 0,19°.
Пример 2. Определение скорости протекания воды, обеспечивающей
необходимую величину теплоты трения
Задание. Водовод диаметром 400 мм, длиной 4 000 м из стальных труб
при коэффициенте шероховатости п = 0,012 уложен в таких условиях, что
потери тепла от него в грунт составляют 50 000 ккал/час.
Установить, с какой скоростью и в каком количестве должна быть про-
пущена по водоводу вода для получения на всем протяжении водовода
теплоты трения, компенсирующей эту потерю.
Решение. На длину в 1 пог. м водовода должна быть получена теплота
трения в среднем:
50 000
<7тр" = . ааа = 1215 К^Л1М час-
4 000
В левой части номограммы рис. 79 от точки шкалы диаметров труб,
отвечающей 400 мм, проводим вертикальную линию до пересечения с кри-
вой, отвечающей коэффициенту шероховатости п = 0,012, и из этой точки
проводим горизонтальную линию в правую часть номограммы. Проводя за-
тем вертикальную линию через точку шкалы, отвечающую q "ip=
= 12,5 ккал/час, находим в (месте пересечения с горизонтальной линией зна-
чение искомой скорости, равное 1,55 м/сек. Соответствующий расход состав-
ляет 194 м/сек.
Такое же значение скорости находим, решая уравнение (VI.8) относи-
тельно V.
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ТЕПЛА И ТЕРМИЧЕСКИХ
СОПРОТИВЛЕНИИ
Находящийся в грунте водовод, как правило, имеет иную
температуру, чем окружающая его среда. Под влиянием раз-
ности температур происходит переход тепла от водовода в грунт
или обратно—вокруг водовода создается температурное поле.
При установившемся режиме теплообмена получается стацио-
нарное поле, при переменном — нестационарное.
В плоскопараллельном поле, возникающем под влиянием на-
гретой плоскости, изотермические поверхности представляют со-
бой параллельно расположенные плоскости, перпендикулярно
к которым идут линии теплового потока.
Величина теплового потока изотермической плоскости:
q = — — £2) ккал!м2 час, (VI. 10)
где л. — коэффициент теплопроводности среды в ккал/м час град-,
/j — температура одной плоскости;
^—температура другой плоскости;
х — расстояние между плоскостями в м.
В простом радиальном поле изотермы имеют форму концен-
трических окружностей, по радиусам которых направлены ли-
нии теплового потока.
159
Величина теплового потока на 1 пог. м изотермической по-
верхности цилиндра составляет:
q = -2тсЛ ккал[м час, (VI. 11)
In —
где с1г и d2 — диаметры внутренней и наружной окружностей
изотерм в
ti и t2 — соответствующие данным изотермам температуры.
Простое радиальное поле возникает от точечного источника
тепла, находящегося в однородном теле неограниченных разме-
ров. Условия распространения тепла в этом теле одинаковы во
все стороны.
В случае наличия нескольких таких источников тепла одного
или разных знаков возникает обобщенное радиальное поле.
В улучав двух источников тепла или источника и приемника
тепла изотермы приобретают вид эксцентрических окружностей.
Одна из изотерм, расположенная симметрично по отношению
к источникам, представляет собою прямую линию. Грунт можно
рассматривать как твердое тело с примерно изотермической по-
верхностью, имеющей в сечении вид прямой линии. Считая воз-
дух над землей приемником тепла и полагая, что источник
тепла находится в грунте, мы приближенно имеем обобщенное
тепловое поле одного источника и одного приемника тепла.
Нахождение потерь тепла для водоводов обычно производят
приближенно, принимая установившийся характер работы для
каждого из расчетных периодов. При такой предпосылке линей-
ное термическое сопротивление теплопередаче одиночного го-
лого трубопровода на 1 пог. м длины его будет:
R м час град/ккал, (VI. 12)
где <7о — потеря тепла при разнице температуры в 1°;
7() = ——— ккал м час град, (VI. 13)
*тр ‘О
здесь q — потеря тепла при имеющейся разнице температур
UTP -Л);
typ — температура стенки водовода, практически при тонко-
стенных металлических трубах не отличающаяся от
температуры воды;
tn — температура внешней среды.
Отсюда:
—-^2—А. м час град!ккал. (VI. 14)
Согласно сказанному выше грунт рассматривается как одно-
родное тело, ограниченное сверху горизонтальной плоскостью.
160
Основным расчетным выражением для определения потерь
тепла трубопроводами, уложенными в грунт, обычно служит из-
вестное уравнение:
д _______ 2 тс X (£тр А>)
ч
In
ккал[м час,
(VI.15)
где q —потеря тепла на 1 пог. м трубопровода в ккал/час.;
— температура наружной поверхности трубы;
t0—температура внешней среды;
h — заглубление до оси трубы- в м;
D —наружный диаметр трубы в м.
При расчете тонкостенных водоводов обычных сечений при-
ближенно можно принимать наружный диаметр труб равным
внутренне'м'у ввиду малой разницы между ними, т.е. D^d.
Рис. 80. Расчетное температурное поле трубопровода
При > 2,5 уравнение (VI.15) с достаточной точностью
(около 1%) может быть заменено уравнением:
q = _^-.Утр~У_. ккал!м час . (VI, 16)
Вывод уравнения (VI. 15) произведен, исходя из следующих
положений: а) собственный тепловой поток в грунте отсутствует,
т. е. температура грунта во всех точках одинакова и /о есть тем-
пература поверхности: б) температура поверхности грунта над
трубой постоянна; в) тепловое сопротивление на границе грую
воздух отсутствует; г) тепловой поток вдоль труб также отсут-
ствует; д) грунт представляет собой полностью однородную
среду.
Изотермы температурного поля уравнения (VI. 15) представ-
ляют собой эксцентрические окружности (рис. 80). Радиусы этих
окружностей постепенно увеличиваются и в пределе равны бес-
конечности. Изотермы поля не пересекают поверхности грунта.
Поле имеет вид обобщенного радиального.
И С. Н. Аронов
161
Наблюдающиеся температурные поля отличаются от простого
обобщенного поля, но ближе к нему, чем к радиальному полю.
На рис. 81 показано распределение температур в грунте по
наблюдениям, произведенным под руководством А. М. Чекотилло
и К. С. Зарембо на газопроводе Саратов—Москва в 1948 г.
Институтом мерзлотоведения Академии наук СССР.
Расчетные условия, принятые уравнением (VI. 15), в чистом
их виде на практике не имеют места. В частности, температура
поверхности грунта над трубой всегда переменна и непосред-
ственно над трубой она выше, чем в, отдалении от нее. Разница
между фактическими и расчетными потерями тепла тем больше,
Л т.
чем меньше отношение . Изотермы всегда пересекают поверх-
ность грунта.
Как показали исследования, потери тепла, вычисленные по-
уравнению (VI.15), несколько расходятся с полученными в ре-
зультате наблюдения, даже если не учитывать собственный
тепловой поток в грунте. Разница наиболее значительна при ма-
лых отношениях и большой температуре теплоносителя.
Одной из причин отклонения расчетных величин от наблюденных
является недоучет теплового сопротивления на границе грунт-воз-
дух и принятие температуры поверхности грунта постоянной.
Е. П. Шубин [53] предложил учитывать это тепловое сопро-
тивление путем введения так называемого фиктивного слоя грун-
та, имеющего толщину-^-, где X—коэффициент теплопровод-
ности грунта, а а — коэффициент теплоотдачи от поверхности
грунта к воздуху. Заглубление грубы при этом как бы увеличи-
вается на величину фиктивного слоя, температура поверхности
которого равна температуре воздуха. Крайние изотермы пере-
секают поверхность грунта. Уравнение (VI. 15) с поправкой на
фиктивный слой получает вид:
Так как выражение —-—по форме соответствует —-—, то
«Р Nu
можно написать уравнение в виде:
2лХ (^тр t0}
2/i , 2 ~
P + Nu+[/(d + Nu
ккал!м час (VI. 18)
- 1
162
При больших значениях и Nu можно принять:
2тск (Гтр t(l)
q = ~Т~4Л---^4—1 ккал!м час • (VL 19)
In ---4-----
L D Nu J
С a D «т
увеличением ——- = Nu потери тепла, определенные по
К
/равнению (VI.18), приближаются к потерям тепла, подсчитан-
шм по уравнению (VI. 15).
В 1935 г. Всесоюзный телотехнический институт поставил
опытное лабораторное определение потерь тепла и сравнил его
Расстояния в м
Рис. 81. Распределение температур в грунте на теплом участке магистраль-
ного газопровода в 10 км о г компрессорной станции
с расчетными. При этом уравнение (VI. 18) показало отклонение
от данных опыта лишь на +6%. Для тепловых расчетов трубо-
проводов, находящихся в грунте, обычно пользуются уравне-
ниями (VI. 15) или (VI.16) и (VI.18).
Решение этой задачи дали также И. Л. Чарный и другие
исследователи.
Сравнительные расчеты показали, что результат этих иссле-
дований практически весьма близок к результатам, получаемым
по формуле (VI.18); они отличаются на несколько процентов
h
лишь при очень малых .
Сопоставляя уравнения (VI.18) с (VI.14) и учитывая (VI.12),
получаем, что линейное термическое сопротивление теплопере-
даче через грунт равно:
<7о Q
Г 2h , 2 , /'Г2Т" 2"?- “
pTp-Z0)ln^ D 4- Nu 4-у ( p + Nu )
2тсА (^тр — /0)
IP
163
м час градская. (VI. 20)
—-L—+1 Л—+-2-V-1
D 1 Nu ' у I D Nu / .
2як
Вводя обозначение
(VI. 21)
переписываем формулу (VI. 20) в виде:
На рис. 82 представлены значения безразмерной величины р;
вычисленные для разных величин критерия Nu и отношений-—.
161
Приняв в уравнении (VI.18) Nu—ос, получим уравнение
(VI.15). Таким образом, для расчетов потерь тепла различными
трубопроводами можно пользоваться как уравнением (VI. 15),
так и уравнением (VI.18), носящим более общий характер. Надо
только учитывать указанные выше условия их применения,
а также особенности назначения расчетных величин, в частности
температуры внешней среды.
Вследствие наличия теплового поля грунта температурное
поле водовода подвергается значительному изменению по срав-
нению с температурным полем источника тепла, находящегося
в среде с постоянной температурой.
Аналитическое определение потери тепла трубой, уложенной
в грунт, известно пока лишь для случая, когда температура
грунта не изменяется по глубине (grad 7’ = 0°), т. е. без учета
собственного теплового поля грунта, причем принимается ста-
ционарность тепловых процессов и другие указанные выше до-
пущения.
Это решение приводит к уравнениям типа (VI.15) и (VI.18),
если принимать в них за to постоянную температуру поверхности
грунта.
По предложению А. Г. Колесникова, оправданному исследо-
ваниями методами электрического моделирования, температур-
ное поле вокруг трубы при изменении температуры по линей-
ному закону (при grad Т = А) можно рассматривать как сум-
марное, состоящее из поля трубы 1\ и собственного поля грунта
Т2. Эти исследования показали также, что влияние собственного
теплового поля грунта может быть значительным. Так, напри-
мер, определение температуры грунта в предположении, что
grad Т — 0° (в то время как в действительности Т = 2°) для
точки, расположенной на глубине 2 м, привело к погрешности
в 35%, а при grad Т = 4° ошибка составила 110% (11].
Приняв, что изменение естественной температуры грунта про-
исходит приближенно по линейному закону, можно получить
соответствующий корректив к величине потери тепла трубой
с учетом собственного теплового поля грунта. Для этого нужно
в исходном выражении (VI. 15) изменить величину расчетной
температуры внешней среды на усредненную разность между
температурой поверхности и температурой грунта на уровне тру-
бопровода, т. е. при определенных условиях принять to близкой
к температуре грунта на глубине заложения оси трубопровода.
Эта поправка особо существенна при сравнительно больших
л ,
значениях и п.
Строгое решение задачи нахождения расчетных значений
температуры внешней среды t0 и потерь тепла q с учетом тепло-
вого поля грунта представляет самостоятельный сложный во-
прос, не являющийся предметом рассмотрения в настоящей
книге. В особо ответственных случаях для нахождения to, q и R,
165
особенно В' условиях нестационарного режима теплопередачи,
должны производиться специальные теплофизические исследо-
вания Для обычных целей на основе приведенных выше сооб-
ражений можно руководствоваться следующими предложе-
ниями. При значительных температурах воды, измеряемых де-
сятками градусов, и при величине примерно менее 2 (что на
практике имеет место сравнительно редко и может наблюдаться,
например, в подающих линиях оборотных систем водоснабже-
ния) следует исчислять потери тепла по уравнению (VI.18).
Уравнение (VI.17) и преобразованное из него (VI.18) выведены
из условий необходимости учета значительного термического
сопротивления, возникающего на границе грунт-воздух при боль-
ших тепловых потоках от трубы. Температура внешней среды t0
в этих уравнениях (с некоторым запасо(м.) есть температура воз-
духа, принимаемая как средняя за определенные периоды вре-
мени (при малых—около месяца).
Чем больше отношение-^-, тем больше должен быть период
усреднения температуры для получения расчетной tQ. У водово-
дов, имеющих, как правило, низкую температуру и, следователь-
но, малые тепловые потоки, термическое сопротивление на гра-
нице грунт-воздух мало. При сколько-нибудь значительных отно-
h
шениях-р влияние теплового поля водовода на температуру по-
верхности грунта ничтожно, и эта температура близка к есте-
ственной без учета влияния водовода.
При значительных температурах теплоносителя влияние теп-
лового поля грунта на потери тепла трубопроводом не суще-
ственно, но при малых температурах оно заметно сказывается.
Так, по данным В. С. Лукьянова [27], тепловой поток к Гранине
промерзания составляет для центральных частей территории
СССР величину 4,5—7 ккал/м2 час. Приближенно можно пола-
гать, что при усреднении значений естественных температур
грунта в точках, находящихся на условной границе температур-
ного поля водовода, эти температуры дают значение, близкое
к естественной температуре грунта на уровне оси трубопровода.
Все указанные соображения приводят к тому, что при низких
температурах воды (несколько градусов) и значительных отно-
h
шениях-р- (примерно более 3—4 при h более 1 — Р/г я), наибо-
лее правильное решение задач по определению потерь тепла
1 Значительный интерес гари этом тред став л нет использование приборов
и методов электрических и гидравлических аналогий, разработанных
Л. И. Гутешмахером и В. С. Лукьяновым.
166
водоводами дают уже уравнения (VI.15) или (VL16), если счи-
тать в них за t0 естественную температуру грунта на уровне оси
водовода. Сходная рекомендация для расчета тепловых сетей
дается «Руководящими указаниями» [32].
Из рис. 82 видно, что по мере увеличения отношения — из-
менение величины Nu оказывает все более слабое влияние на
значение р. Поэтому при значительных и малых температу-
рах воды практически достаточно точное решение дает расчет-
ное уравнение (VI.18) с величиной Nu-^ооили уравнение
(VI. 15) с указанными выше его упрощениями.
Рис. 83. Схемы расположения водоводов по отношению
к естественной нулевой изотерме грунта
Величина коэффициента теплопроводности грунта 1, завися-
щая от ряда естественных факторов, указанных в главе V, не-
сколько изменяется во время работы водоводов, но практически
этими изменениями можно пренебречь.
При проектировании водоводов приходится сталкиваться со
случаями прокладки их в грунтах СО' слоями, имеющими различ-
ный коэффициент теплопроводности. Точный расчет в таких слу-
чаях затруднителен, так как требуется построение тепловых по-
лей источника, находящегося в неоднородной среде. При этом
расчет следует вести по усредненному значению коэффициента
теплопроводности, учитывая относительную толщину и тепло-
проводность отдельных слоев.
Приближенный же прием часто допустим и при тепловом
расчете водоводов, прокладываемых в зоне естественного мерз-
лого грунта. Толщина слоя талого грунта, окружающего трубу
(«талика») и лежащего над ним мерзлого грунта, определяется,
например, по нахождению £>тал способами, указанными ниже.
В зависимости от температуры грунта, температуры водо-
вода, а также глубины его заложения можно отметить следую-
щие основные случаи расположения водоводов по отношению
к естественной нулевой изотерме грунта, схематически представ-
ленные на рис. 83.
lf>7
1. Водовод расположен ниже самого глубокого естественного
проникновения в грунт нулевой изотермы. Нулевая изотерма
в месте прохода' водовода как бы приподнята над естественной
нулевой изотермой (рис. 83,а).
2. Водовод расположен несколько выше естественной нулевой
изотермы грунта, но при работе водовода нулевая изотерма
грунта сливается с нулевой изотермой теплового поля водовода
и образует выпуклость (рис. 83,6).
3. Водовод расположен выше естественной нулевой изотермы
грунта. При этом между нулевой изотермой поля водовода и
нулевой изотермой естественного грунта имеется зона отрица-
тельных температур (рис. 83, в).
При длительном прекращении протока воды во время ава-
рий, температура окружающего водовод грунта сравнивается
с его естественной температурой. У водоводов, уложенных по
схемам 1 и 2, температура окружающего их грунта становится
отрицательной.
Коэффициент а теплоотдачи от поверхности, входящей в вы-
ражение Nu = , представляет собой сумму двух коэффициен-
тов: коэффициента теплоотдачи конвекцией ак и коэффициента
теплоотдачи лучеиспусканием ал. При отсутствии ветра
можно принимать равным 3—4 ккал/м2 час град. При наличии
ветра скоростью 0,6—2,0 м/сек ал колеблется в пределах
5—10 ккал/м2 час град.
В зависимости от вида поверхности и наблюдающейся в экс-
плуатации разницы температур грунта и воздуха значения ал
колеблются примерно от 1 до 5 ккал/м2 час град. Общее значе-
ние а=ак4-алс учетом ветра обычно составляет величины порядка
6—15 ккал]м2 час град и должно приниматься с учетом факти-
ческих местных условий.
Пример определения величины линейного термического сопротивления
теплопередачи
Задание. Грунт — супесь с влажностью 20% и пористостью 30%. Тем-
пература поверхности грунта несколько выше 0°. Сильных ветров не наблю-
дается. Поверхность обнаженная. Водовод d = 300 мм на глубине h = 2 м.
Решение. По графику рис. 70 коэффициент теплопроводности грунта
равен около 1,6 ккал/м2 час град.
Коэффициент а теплоотдачи с поверхности примем равным около
10 ккал/м час град-,
наружный диаметр трубы D практически близок к внутреннему
d » 300 мм или 0,3 м; глубина заложения трубы h — 2.00 м\ отношение
h 2,00
D = 0,30 ==6,7;
168
По графику «а рис. 82 при Nu = 1,87 и = 6,7 р — 0,54. Согласно*
формуле (VI.22) линейное термическое сопротивление
р 0,54
R = " = • = 0,34 м час град/ккал
0,52
при Nu = оо р = 0,52 и R = । у- = 0,32 м час град [ккал.
Вследствие некоторой неточности самих исходных данных, следует счи-
тать разницу в полученных значениях несущественной и линейное терми-
ческое сопротивление равным около 0,34 м час град/ккал.
4. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДОВОДА
При постоянном гидравлическом и тепловом режимах работы
водовода, уложенного в грунт, на каждом его участке устанав-
ливается баланс тепла, выражаемый уравнением
(7полн <7 пот (7тр> (VI.23)
где <7ПОЛН — полное количество тепла;
^пот — потери тепла, находимые по формулам, приведен'
ним в п. 3;
7тр — теплота трения, определяемая по формулам п. 2.
Расчет изменения температур по длине уложенного в грунт
оголенного водовода вследствие потерь тепла может быть произ-
веден следующим образом.
Обозначим длину водовода через I, температуру окружаю-
щей среды (грунта) через Zrp, температуру воды в начале водо-
вода t\, в конце t2 и среднюю . Линейное термическое со-
противление R м час град/ккал. Вырежем из водовода участок
бесконечно малой длины dl и обозначим температуру воды в на-
чале этого участка через а падение температуры через dt.
Расход воды по водоводу—Q4 л/час, теплоемкость — с.
Уравнение теплопотерь для рассматриваемого бесконечно
малого участка:
~*rv~dl=~Q4cdt
К
или
Произведя интегрирование выражения (V.24) в пределах из-
менения температуры t' от t\ до t2 и изменения длины участка
водовода от 0 до Z, получим
/1 О
Г dt _ _ f dl
J t' — /Гр J AQq C '
169
Учитываем, что для воды с= 1, и вводим обозначение
^7 = ?. (VI.25’)
•откуда
In ~/гр = с?. (VI.26)
‘2 *гр
Выражая расход воды в л/сек вместо л/час, обозначив его
через Qo, и измеряя длину водовода в км вместо м и обозначив
•ее через £, получим
• <VL27>
ЛЧ()
Решая уравнение (VI.26) в отношении t\ и /г, имеем:
+ (VI.28)
^ = а.-Ме_’+*п>- (VI.29)
Общая потеря тепла водоводом составляет
^общ = Q4 (Л — 4>) ккал/час (VI. 30)
или в среднем на 1 пог. м
q = ^2) KKCL/LjM цас (VI. 31)
Формулы (VL28) — (VI.31) —основные для определения
изменения температуры воды, движущейся по водопроводу и
потерь тепла без учета теплоты трения.
Общее изменение температуры воды, движущейся по водо-
воду, определяется в результате совместного учета уменьшения
теплоты воды вследствие потерь тепла, находимого по форму-
лам (VI.28) — (VI.31), и повышения теплоты воды вследствие
выделения теплоты трения, находимого по формулам (VI. 1)
и (VI.4).
На рис. 84 представлена схема изменения температуры водо-
вода по его длине.
Расчетная температура /р в каком-либо поперечном сечении
водовода, например 1—1, равна температуре, получившейся в ре-
зультате снижения начальной температуры Л воды источника
вследствие потерь тепла в грунт и повышения температуры
вследствие выделения теплоты трения.
170
Повышение температуры воды вследствие выделения теплоты
трения в свою очередь определяется суммой двух величин: по-
стоянной величины t'mp— теплоты трения, выделяющейся в на-
сосной станции, и переменной величины fmp —теплоты трения,
выделяющейся по длине водовода.
Для нахождения,конечной температуры водовода с учетом
теплоты трения следует к величине температуры водовода, най-
] ис. 84. Изменение температуры воды в водоводе по его длине
денной по формуле (VI.29), прибавлять величины повышения
температур, определяемые по формулам (VL2) и (VI.5).
Для удобства ведения расчетов в табл. 61 приводятся вели-
чины е'* и ПРИ наиболее часто встречающихся значениях <$.
СР
Величины е и е
Таблица 61
<р (Р е1 -СР е т — СР е <Р ф Г*
0,00 1,000 1,000 0,45 1,568 0,637 1,30 3,600 0,272
0,05 1,051 0,951 0,50 1,648 0,606 1,40 4,060 0,246
0,10 1,105 0,905 0,60 1,820 0,546 1,50 4.50 0,22
0,15 1,162 0,861 0,70 2,013 0,496 1,60 4,95 0,20
0,20 1,221 0,819 0,80 2,225 0,449 1,70 5,55 0,18
0.25 1,284 0,779 0,90 2,461 0,406 1,80 6,05 0,17
0,30 1,350 0,741 1.00 2.718 0,367 1,90 6,63 0,15
0,35 1,415 0,704 1,10 3,000 0,332 2,00 7,39 0,14
0,40 1,492 0,670 1,20 3,320 0,301
В табл. 62 приводятся значения натуральных логарифмов
некоторых наиболее употребительных в расчетах чисел.
171
Таблица 62
Значения In некоторых чисел N
N in N 1п In
0,05 — 2,9957 1,0 0,0000 8,5 2,1401 22 3,0910
0,10 — 2,3026 1.5 0.4055 9,0 2,1972 23 3,1355
0,125 — 2,0794 2,0 0,6932 9,5 2,2513 24 3,1781
0,15 — 1,8971 2,5 0,9163 10 2,3026 25 3,2188
0,20 — 1,6104 3.0 1,0986 И 2,3979 30 3,4012
0,25 — 1,3863 3,5 1,2528 12 2,4849 35 3,5554-
0,30 — 1,2040 4,0 1,3863 13 2,5649 40 3,6888
0,35 — 1,0497 4,5 1,5041 14 2,6391 45 3,8066
0,40 — 0,9163 5,0 1,6094 15 2,70*1 50 3,9120
0,45 — 0,7985 5,5 1,7047 16 2,7726 60 4,0943
0,50 — 0,6932 6,0 1,7918 17 2.8332 70 4,2485
0,60 - 0,5108 6,5 1,8718 18 2,8904 80 4,3820
0.70 — 0,3567 7,0 1,9459 19 2.9444 90 4,4998
0,80 — 0,2231 7.5 2,0149 20 2.9957 100 4,6052
0,90 — 0,1054 8,0 2,0794 21 3,0445 1000 6,9077
Пример определения температуры воды
в конце водовода
Задание. Диаметр водовода d = 200 мм — 0,2 м (внешний диаметр
тонкостенной стальной трубы считаем примерно равным внутреннему диа-
метру), длина водовода I — 10 000 м = 10 км. Расход воды Q4 = 140 000 л!час
или Qo = 38,9 л/сек, (скорость и — 1,23 м/сек. Вода подается насосами с на-
пором Н = 180 м при к. п. ед. Y] == 0,75.
В Источнике водоснабжения у начала водовода температура воды
Л = 2°. Естественная температура грунта на уровне заложения водовода
/гр = 0°. Линейное термическое сопротивление грунта 7?=0,39 м час град/ккал.
Требуется определить температуру воды в конце водовода и общую
потерю тепла без учета и с учетом теплоты трения.
Решение. По формуле (VL26) находим
I 10 U00
KQ4 = 0,39-141)000 =°'183-
По формуле (VI.29) температура воды в (конце водовода без учета
теплоты трения будет
// = _ /гр) + ггр= (2 - 0) а"0'183 + 0 = 1,66°.
Общая потеря тепла по формуле (VI.31):
*7общ = Сч (А — ') = 140 000 (2 — 1,66) 48 000 ккал^ис.
Повышение температуры вследствие теплоты трения в насосной станции
по формуле (VI.2) составит:
St' -- 0,0021 — Л Н = 0,0021 (-QT5- — 1) 180 % 0,12°.
172
Благодаря теплоте трения ‘по длине водовода температура воды согласно
формуле (VI.5) возрастет на величину
дг 10 000дтр"
Q4 140 000
= 0,071 д'тр.
При коэффициенте шероховатости труб /г = 0,011 по номограмме рис. 79
или формуле (VI.7) q" р равно около 3,0 ккал)м час.
Отсюда Lt составит 0,071 • 3 0,21°.
Таким образом, теплота трения изменит температуру в конце водовода
на величину:
Lt = Lt' + Lt" = 0,12 + 0,21 = 0,33°.
С учетом теплоты трения температура воды в конце водовода будет
равна
/2" = t2' + Lt = 1,66 + 0,33 = 1,99° « 2,0°,
т. е. снижения температуры воды по отношению к температуре ее в источ-
нике практически не произойдет.
В данном случае теплота трения повышает абсолютную величину тем-
пературы воды в конце водовода на:
Lt 100 0,33-100
t2’ " 1?66 = 20°'°’
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ОСТЫВАНИЯ ВОДЫ
В случае прекращения движения воды происходит остывание
водовода, проложенного в зоне грунта с возможными в зимние
периоды года температурами, более низкими, чем температура
воды. Если температура грунта отрицательная, то продолжитель-
ное остывание может повести к замерзанию воды и к образова-
нию ледяных пробок. Тепловыми расчетами можно установить
продолжительность периода времени от момента прекращения
движения воды до начала замерзания, чтобы оценить степень
опасности и наметить необходимые мероприятия.
В те периоды, когда естественные отрицательные темпера-
туры находятся на уровне действующего водовода, он окружен
талым грунтом. В зависимости от частных температурных усло-
вий водовода пояс талого грунта вокруг водовода или смы-
кается с естественным талым грунтом или разобщен от него
мерзлым грунтом. В процессе промерзания и оттаивания грунта
взаимное положение границ естественного талого грунта и нуле-
вой изотермы температурного поля водовода соответственно ме-
няется. Изменяется и толщина пояса талого грунта, окружаю-
щего водовод, проложенный выше линии проникновения в- грунт
естественной нулевой изотермы.
С момента прекращения течения воды в водоводе, проложен-
ном в зоне отрицательных температур, до начала процесса за-
мерзания воды должны произойти остывание пояса талого грунта
(«талика») до нуля и замерзание значительной части талика:
кроме того, должна остынуть и переохладиться вода в самом
173
водоводе. Общая продолжительность периода остывания грунта,
окружающего водовод %ст, складывается в основном из двух
составляющих: периода охлаждения грунта до момента начала
замерзания грунтовой влаги %хл и периода перехода термо-
активной части грунтовой влаги окружающего водовод грунта
в замерзшее состояние тзгм.
Температура воды в водоводе переменна по длине. При под-
счетах продолжительности остывания надо, конечно, ориентиро-
ваться на наиболее опасные сечения водовода, производя в
сомнительных случаях ряд расчетов.
Расчетные выражения для определения продолжительности
остывания воды в водоводе при прекращении протока находим
на основании приводимых ниже соображений.
В 1939 г. были произведены опыты над охлаждением трубы
и окружающего грунта после прекращения течения нагретой
воды [5]. При этом в грунте предварительно устанавливалось
стационарное тепловое поле. Согласно выведенной на основе
этих опытов А. А. Аронсом и С. С. Кутателадзе формуле
продолжительность охлаждения, выраженная в часах, состав-
ляет:
+ (VI, 32)
где D — внешний диаметр трубы в
а — температуропроводность грунта в м^час, равная
X
с? ’
h — глубина заложения трубы от поверхности до оси в щ
X и К—опытные коэффициенты, зависящие от отношения на-
чальной разности температур трубы и грунта Д^ к
конечной разности ДА,;
Nu — параметр, равный ——.
А
Значения коэффициентов X и У были определены опытным
путем.
На рис. 85 приведены кривые значения коэффициентов X и У.
Величины коэффициентов даны в зависимости от отноше-
А/о у-*
ния выраженного в процентах. В данных опытах не учиты-
валось замерзание воды в грунте, и поэтому Аохл формулы
(VL32) дает значения лишь части обшей продолжительности
периода остывания, предшествующего началу замерзания воды
в водоводе.
Продолжительность перехода термоактивной части грунтовой
влаги в замерзшее состояние может определяться на основании
следующих соображений. Для перехода в замерзшее состояние
талика с расчетной площадью поперечного сечения F м2 и термо-
активной объемной влажностью п % должна быть отнята
171
Рис. 85. Кривые значений коэффициентов; X и Y для определения времени
охлаждения грунта вокруг трубы
скрытая теплота льдообразования грунтовой влаги на 1 пог. ю
длины талика:
^зам = f8°i^)00n == ккал)м . (VI. 33)
На рис. 86 показана схема областей талого и мерзлого»
грунта при расположении трубы в зоне отрицательных температур
175
в случае глубокого про-
мерзания грунта, когда
окружающий трубу та-
лик не смыкается с
естественным грунтом,
имеющим положитель-
ную температуру. Та-
кой случай является
наиболее неблагоприят-
ным. В других случаях
потери тепла будут
меньше, а продолжи-
тельность промерзания
талика несколько боль-
ше. Площадь попереч-
ного сечения талика,
показанного на рис. 86,
F = = 0,785 < VL 34)
где £>тал — диаметр талика;
D — внешний диаметр трубы.
Пренебрегая эксцентриситетом с талика по отношению к
трубе, можно выразить потерю тепла через талик подобно потере
тепла через концентрическую изоляцию при радиальном поле,
принимая на внешней грани талика температуру 0°.
Область
мерзлого грунта
Облает»
талого грунта
Нулевая
изотерма
Водовод
Рис. 86. Схема расположения водовода
в зоне мерзлого грунта
q = ккалм час, (VI. 35)
“ , ^тал
где £гр — температура внешней поверхности стенки трубы,
практически совпадающая с температурой воды при
металлическом трубопроводе и турбулентном режиме
движения воды в нем;
Xi — коэффициент теплопроводности грунта талика.
Температура внешней грани талика принята равной 0°.
Отсюда
D™=De Ч . (VI. 36)
Величина потери тепла трубой одновременно равна потере
тепла таликом, исчисленной по формулам (VI.15), (VI.16),
(VI. 18) с учетом соображений, высказанных выше о границах
применения этих формул.
Пользуясь приближенной формулой (VI. 16), можно считать
2тс Хо (0 — /гр)
q —----1— -------ккал!м час •
1п
^тал
(VI. 37)
176
В данном случае талик рассматривается как труба с темпе-
ратурой стенок 0°; труба отдает тепло во внешнюю среду, тем-
пература которой Zrp примерно равна температуре грунта на
уровне заложения оси трубопровода. л2 —теплопроводность
грунта, отвечающая мерзлому его состоянию.
Совместное решение уравнений (VI.35) и (VI.37) дает значе-
ние диаметра талика
ка /гр In D - л, / In
м. (VI. 38)
Формула (VI.39) представляет интерес в том отношении, что
она позволяет учитывать различную теплопроводность талого и
мерзлого грунтов. Она удовлетворяет большинству случаев
практики.
При весьма малом заложении трубы и необходимости особо
точных решений потери тепла надо исчислять по формуле
(VI.18), учтя соображения, приведенные выше, а границы та-
лика— находить, пользуясь уравнением температурного поля
водовода с учетом поля грунта.
Продолжительность замерзания талика определяется как
частное от деления общего количества отводимого тепла на его
часовую отдачу.
В процессе замерзания размеры талика сокращаются от D Tajl
до D, почему в расчет часовой отдачи с небольшой погрешно-
стью можно ввести средний диаметр талика у трубы. Часовая
отдача тепла определяется по формуле (V.15).
Замерзание талика обычно происходит неравномерно. В тех
случаях’ когда заложение трубы мало по сравнению с общей
глубиной промерзания грунта, диаметр талика незначителен и
нижняя часть его отделена от естественной нулевой изотермы
большим слоем мерзлого грунта — явление замерзания талика
идет примерно одинаково интенсивно со всех сторон. Когда же
диаметр талика велик, эксцентриситет с большой и, особенно,
если нижняя часть талика смыкается с естественной нулевой
изотермой, может наступить промерзание верхней части талика
в то время, когда нижняя его часть остается еще талой. Замер-
зание же одной верхней части талика опасно, в отношении на-
чала замерзания воды, находящейся в трубе. Однако интенсив-
ность замерзания несколько смягчается тем, что в более быстро
замерзающей верхней части талика происходит увеличение
термоактивной влажности вследствие миграции влаги.
Вследствие всех указанных причин в расчетной значении т31М
надо учесть неравномерность и неполноту замерзания введением
коэффициента т, причем величина т колеблется в, среднем
от 1,5 до 2 в зависимости от совокупности факторов, влияющих
на замерзание грунта, примыкающего к трубе. Учитывая все это,.
12 с. н. Аронов
177
выводим из формул (VI.15), (VI.33) и (VI.34) выражение для
продолжительности замораживания талика.
= _ <7зам = 800-0,785 (2)2тал — Р2) л Г _2Л_ .
зам qm — 2кХ3 £гр т 7)тал + D
L 2
Общая продолжительность остывания уложенного в грунт
трубопровода без учета явлений обмерзания внутреннего сече-
ния составит
Тост %хл ~Ь %ам • (^1- 40)
Величина ~зам обычно является диктующей.
При общем охлаждении стенок водовода, происходящем
вследствие теплоотдачи в грунт, а также в результате выделения
из воды осаждающегося на стенках труб внутр иводного льда
может возникнуть внутреннее обледенение водоводов. Оно при-
водит к уменьшению сечения труб и к увеличению скорости про-
текания воды. Последнее В' определенной степени препятствует
дальнейшему ходу замерзания из-за увеличения выделения теп-
лоты трения. Предел этого увеличения скорости зависит от воз-
можной величины потери напора в водоводе, зависящей от ха-
рактеристики насосов, установленных в насосной станции, от ко-
торой идет водовод.
Пример определения продолжительности остывания
водовода при прекращении течения воды
Задание. Диаметр водовода D = 0,2 м, глубина заложения h = 1,5 м.
Естественная температура грунта на уровне заложения трубы /гр =—3°.
Глубина проникновения нулевой изотермы 2,0 ж. Наименьшая возможная
температура воды в водоводе к ‘моменту прекращения движения воды
бр =4-3°. Допустимо снижение температуры /воды до 0°. Коэффициент
теплопроводности талого грунта А, = 1,5 ккал/м час и мерзлого А? =
= 2,0 ккал/мчас. Минимальная объемная термоактивная влажность — 7%.
Объемный »ес грунта 7 = 1 800 кг/ж3.
Теплоемкость грунта с = 0,3 ккал/кг град, коэффициент теплоотдачи
а — 10 ккал/ж2 час град. Требуется определить продолжительность остывания
водовода при прекращении движения воды.
Решение. Начальная разность температур трубы и грунта A fj =
= 3--(—3) = 6°, конечная разность Д/а = 0—(—3) = 3°:
отношение
3
6
Д/2
ДЛ
= 0,5.
178
По графику рис. 85 находим х = 0,3; У = 0,6.
10-0,2
Nu = - , 1,33.
1,5
Темпер атуропроводность грунта
“ = ту = 0.3.'18б0 = 00028 m2Iw-
Продолжительность времени охлаждения окружающего водовод грунту
составит по формуле (VI.32):
D‘4 v । Y \ h 0,22 / °>6 \ 1,5
тохл~ а 1^+ Nu J ln D = 0,0028 ( 0’3 + 1,33 / 1п щГ =
= 14,3 (0,3 + 0,45; In 7,5 21 часу.
Диаметр талика по формуле (VI.38):
Mrpln D - О <тр1п 4/1 2,- З.-К,1-1,5.3.1.70
,. 777 — ).. / 2.—3—1,5.з
79тал — & гр - тр = в — 0,86 Л/.
Таким образом, нижняя часть талика смыкается с естественной нулевой
изотермой,, и значение /п должно быть принято около 2.
Продолжительность замерзания талика по формуле (VI.39)
Общая продолжительность периода времени от момента останоаки
течения воды по трубопроводу до наступления опасного охлаждения со-
ставит по формуле (VI.40):
тост = тсхл + тзам = 21-4-98 — 119 час.,
или около 5 суток, т. е. время, достаточное для весьма крупного ремонта.
6. НАГРЕВАНИЕ ВОДЫ В ТЕПЛОМ ГРУНТЕ
Одним из условий хорошего качества воды, идущей для
питьевого водоснабжения, является надлежащая ее температура.
Теплая вода (с температурой выше 20—25°) невкусна.
Ряд производств также предъявляет жесткие требования
к температуре воды. Вода, идущая для охлаждения, должна
иметь возможно более низкую температуру.
Температура воды в поверхностных источниках может ко-
лебаться в широких пределах, примерно' от 0 до 25°. Темпера-
тура воды подземной обычно более низка и устойчива. Поэтому
при возможности выбора источника часто предпочитают исполь-
зовать более холодные подземные воды.
12* 179
Во время подачи этой воды к потребителям весьма важно
обеспечить также условия, чтобы она по пути не нагревалась.
Такой нагрев может быть особенно нежелателен в жарком
климате при мелком заложении труб.
Одна из задач расчета водоводов' в этом случае заключается
в определении нагрева воды по пути, чтобы можно было принять
меры к его уменьшению путем увеличения заглубления труб,
устройства термоизоляции и др.
Расчет температуры воды и необходимого термического со-
противления водоводов следует производить по указанным выше
в пп. 3 и 4 формулам, выявляя одновременно необходимые тех-
нические мероприятия и останавливаясь на тех из них, которые
дают надлежащий эффект при наименьшей стоимости.
Пример расчета нагрева воды в водоводе
Задание. Диаметр стального водовода D = 200 мм. Длина 1 = 4 500 м =
= 4,5 км. Расход воды Q4 = 70 000 л/час = 19,4 л/сек. Скорость v =
= 0,62 м/сек. Температура воды в начале водовода Л — 10°. Напор насо-
сов — 30 м.
Требуется определить температуру воды в конце водовода при про-
кладке его на глубине (до оси) 1,0 м, если наибольшая среднемесячная
температура грунта на этой глубине /Гр —20°. Теплопроводность грунта
Л== 1,75 ккал/м час град.
Решение. Отношение глубины заложения водовода к его диаметру
_Л_ _1Д_
ТО = 0,2 5-
Полагая теплоотдачу в летнее время с поверхности ничтожной и кри-
терий Nu равным примерно 0,5, находим по графику рис. 82 или фор-
муле (VI.21) значение безразмерной величины р=0,54.
Линейное термическое сопротивление по формуле (VI.22):
Р 0,54
R = — = "руу = 0,31 м час град/ккал.
По формуле (VI.26) находим:
I 4 500
0,31-70 000 ~ 0’207-
Температура 1вОды в конце водовода согласно формуле (VI.29):
/2 = (^ _ /гр) + /гр = (Ю - 20) е~°’207 + 20 = 12°.
При протоке вода получает тепла:
9общ = <?ч (4 — ti) = 70 000 (12 — 10) = 140 000 ккал/час.
Теплотой трения пренебрегаем ввиду крайне малой ее величины при задан-
ной скорости движения 'воды по водоводу и напоре насосов.
Г Л А В A VII
ТРАССИРОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛУБИНЫ
ЗАЛОЖЕНИЯ
1. ПРИНЦИПЫ ТРАССИРОВАНИЯ И ПРОФИЛИРОВАНИЯ
ВОДОВОДОВ
Трасса водовода должна соединять место подачи и приема
воды по возможно более короткому расстоянию. Соотношение
стоимости строительства и эксплуатации трубопровода, проло-
женного по этой трассе, должно быть наиболее экономичным.
Довольно часто наименьшая возможная стоимость строительства
вызывает более значительную стоимость эксплуатации, опти-
мальные условия прокладки определяются в результате сравне-
ния вариантов, представляющего собою при проектировании до-
вольно сложную задачу.
Во всех случаях надо стремиться к тому, чтобы был обеспе-
чен свободный доступ к водоводу как при постройке, так и при
эксплуатации.
Значительное внимание следует уделять пересечениям с
железнодорожными линиями, шоссе и реками. Число! этих пере-
сечений должно быть возможно малым.
При прокладке в незастроенной местности желательно водо-
воды трассировать вдоль имеющихся дорог. Это упрощает и
удешевляет как строительство, так и эксплуатацию водоводов.
В лесу трассу желательно вести по имеющимся просекам. Про-
кладку водоводов по болотам и вообще по местам с 'высоким
стоянием грунтовых вод, а также по затопляемым поймам рек
следует избегать. В равной мере следует избегать прокладки
через каменистые гряды, передвигающиеся песчаные отсыпи и
барханы. Одним из существенных вопросов изысканий является
установление мест, угрожаемых в отношении оползней. Про-
кладка водоводов в таких местах не допускается. Неблаго-
приятны трассы, проходящие по вершинам обдуваемых хребтов
и водоразделов, где обычно велика и глубина про'мерзания грунта.
Для стальных водоводов особое значение имеет предохранение
от внешней коррозии. В первую очередь оно достигается трасси-
рованием водоводов по местам наименее опасным в отношении
воздействия сильно корродирующих почв и влияния блуждаю-
щих токов от электрических железных дорог. Отмечены случаи,
181
когда даже при усиленной внешней изоляции стальных водово-
дов значительные участки их в засолоненных грунтах приходили
в негодность через 8—10 лет эксплуатации.
Не должно быть сильного притока поверхностной воды к
трассе.
Профилирование водоводов (расположение их в вертикаль-
ной плоскости) надо производить таким образом, чтобы был
обеспечен как спуск воды в случае выключения какого-либо уча-
стка, при необходимости его опорожнения, так и выпуск воз-
духа. Следует избегать прокладки линий без уклона. Значитель-
ные переломы в профиле допускать не рекомендуется, так как
они влекут за собой дополнительные напряжения в материале
труб и в основании. Глубина заложения водоводов определяется
по расчету с учетом местных условий.
В городах и на промышленных предприятиях выбор трассы
производится В' первую очередь на основании данных о суще-
ствующей застройке и красных линиях будущей планировки.
Одновременно производится увязка в плане и по высоте с много-
образными коммуникациями подземного хозяйства. При трасси-
ровании водоводов должны быть учтены специальные требова-
ния, обусловленные их назначением.
Трасса водоводов, подающих воду для хозяйственных целей,
должна быть согласована с органами Госсанинспекции и .удов-
летворять санитарным требованиям; она не может проходить по
свалкам, скотомогильникам, кладбищам, вблизи уборных и т. п.
В виде исключения прокладка водопроводной линии на терри-
тории свалки, скотомогильника, кладбища и других мест, не
благоприятных в санитарном отношении, допускается лишь при
условии выполнения мероприятий, полностью гарантирующих
изоляцию водопроводной сети от загрязнений (выемка загряз-
ненного грунта с заменой его чистым на расстоянии не менее
1 м во все стороны от трубы, прокладка труб в кожухе). При
пересечении хозяйственно-питьевых водопроводных линий с ка-
нализационными трубопроводами, а также при параллельной
прокладке их водопроводная линия должна располагаться вне
возможного влияния на нее загрязнений от канализационной
линии. Водопровод в местах пересечения, как правило, должен
быть уложен выше канализации, причем расстояние между стен-
ками труб должно быть не менее 0,5 м.
В исключительных случаях, по согласованию с органами
санитарного надзора, это расстояние может быть уменьшено,
а также может быть допущена укладка канализационных труб
выше водопроводных. В этих случаях необходимо принять спе-
циальные меры: применение в местах пересечения для водопро-
водной линии стальных труб или для канализации — чугунных
с заделкой стыков асбестоцементом. Длина таких участков дол-
жна быть не менее 5—10 м в каждую сторону от точки пересе-
чения в зависимости о г угла пересечения (большая длина
182
берется при меньшем угле пересечения) и от характера
грунта.
При пересечении водопроводных труб с другими трубопро-
водами вертикальное расстояние между ними должно быть не
менее 0,10 м.
Параллельная укладка водопроводных и канализационных
труб диаметром выше 200 мм допускается на расстоянии не ме-
нее 3 м. Если же водопроводная труба хозяйственно-питьевого
водопровода укладывается ниже канализационной, то это рас-
стояние необходимо увеличить до 5 м. Укладка водопроводной
и канализационной труб в одной траншее не разрешается.
В тоннеле они могут быть уложены вместе при условии располо-
жения водопроводных труб выше канализационных. В случае
прокладки водоводов по незастроенным землям под трассу’ от-
водится полоса земли. Полоса эта передается в> ведение органов
ведомства, в которое входит данный объект водоснабжения.
Применительно, к положению, установленному в 1951 г. для
министерства нефтяной промышленности ширина этой полосы
отвода в открытых местах устанавливается: для одного трубо-
провода— 10 м, для параллельно уложенных в отдельных тран-
шеях двух трубопроводов—30 м и трех — 40 м при расстоя-
нии между осями труб параллельных трубопроводов 10 .и. На пе-
риод строительства ширина полосы отвода устанавливается: для
одного трубопровода в 20 м, для двух трубопроводов — 30 м,
для трех трубопроводов — 40 м. На подводных переходах (дКже-
рах) магистральных трубопроводов устанавливается охранная
(заградительная) зона, отмеченная сигнальными знаками, на
расстоянии 100 м от оси трубопроводов и подводных кабелей в
обе стороны.
2. НАПРЯЖЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ В СТЕНКАХ ВОДОВОДОВ
ПРИ РАЗНОЙ ГЛУБИНЕ УКЛАДКИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВНУТРЕННИХ
И ВНЕШНИХ СИЛ
По энергетической теории прочности общая величина дей-
ствующих в стенке водовода напряжений выражается форму-
лой [7]:
% — аз2 — (°1 а2 а2 + сз ai) кг:см2, (VII. I)
где Oj — кольцевые напряжения от внутреннего и внешнего
давления;
<з2 — продольные напряжения, возникающие преимущест-
венно вследствие изменения температур;
53 — радиальные напряжения от внутреннего давления.
При этом кольцевые напряжения:
pD . 6М л -гг
с1 = 44- 4- -г- кг^см-, i\ II.2)
1 zo 1 О ' 1 ’
153
где р — внутреннее давление в кг/см2;
D — расчетный диаметр трубы в см\
8 — толщина стенки в см\
М — изгибающий момент в кгсм\ изгибающий момент по-
является в результате давления грунта и подвижной
нагрузки.
Продольные температурные напряжения в стальном сварном
трубопроводе, полностью защемленном грунтом:
32 темп ~ & Е (^св ^э) К2 СМ , (VII.3)
где а — коэффициент линейного расширения стали, равный
в среднем 0,000012;
Е — модуль упругости стали, равный 2100000 кг/см2-,
4в — температура во время сварки плетей (температура
сварки);
^ — температура во время эксплуатации (температура
эксплуатации).
Отсюда
темп = 0,000012• 2 100 000 (£св —
25 (^св — Q кг)см2.
(VII,4)
Продольные напряжения темп возникают в сварных трубо
проводах, при чугунных и других трубах с несварными стыко-
выми соединениями <з2темп практически отсутствуют.
Наличие некоторых перемещений, как это было отме-
чено например, при наблюдениях Института мерзлотоведения
АН СССР на сварном стальном газопроводе Саратов — Москва
в 1948—1949 гг. приводит к уменьшению с2темп.
В сварных трубопроводах сравнительно большого диаметра,
проложенных на малую глубину, следует также учитывать до-
полнительные температурные напряжения вследствие неравно-
мерности по высоте как температуры воды, так особенно грунта..
Эти напряжения могут быть весьма существенны в периоды
перерыва работы водоводов, сопровождающиеся замерзанием
верхней части талика у трубы.
На участках трубопроводов, уложенных с уклоном и поворо-
тами, возникают особые продольные напряжения <з2'. На кон-
цевых участках появляются продольные растягивающие напря-
жения ^2 вследствие внутреннего давления.
Радиальными напряжениями <з3 можно пренебречь ввиду их
сравнительно малой величины.
Отсюда на прямолинейных защемленных грунтом участках
имеем для стальных сварных трубопроводов:
=>д = + (VII. 5)
184
Для чугунных и других трубопроводов с несварными стыками
(VII. 6)
Температура эксплуатации зависит от ряда условий. В слу-
чае подачи, например, по коротким линиям подогретой воды
в системе оборотного водоснабжения или подачи артезианской
воды температура эксплуатации обычно довольно высока и мало
зависит от температуры грунта и глубины укладки. В случае
же водоводов большого протяжения, особенно подающих реч-
ную воду, температура эксплуатации близка к температуре
грунта на глубине заложения. Для предохранения от замерза-
ния воды минимальная температура ее при эксплуатации дол-
жна превосходить 0°. Летом /э магистральных речных водоводов,
значительного протяжения, укладываемых, как правило, на глу-
бине не менее 1,00—1,5 м и не более 2,5—3,0 м, близка к тем-
пературе воды в реке и к температуре грунта на уровне зало-
жения водоводов. Для районов средней полосы Союза изменение
в зависимости от глубины наибольших и наименьших темпера-
тур грунта примерно отвечает данным рис. 62. В каждом част-
ном случае эти данные должны быть, конечно, проверены.
Величина кольцевых напряжений определяемых по фор-
муле (VII.2), зависит от рода нагрузок и от диаметра и тол-
щины стенок трубопровода.
Основными расчетными нагрузками, определяющими кольце-
вые напряжения, возникающие в стенках трубопроводов, явля-
ются, как уже указано, внутреннее давление, давление грунта,
подвижная и статическая нагрузки.
В стальных магистральных водоводах внутреннее давление
может достигать 50 и даже более ат. В чугунных водоводах оно
может быть до 10, а при трубах повышенного качества — до
15 ат.
Величина давления грунта связана с глубиной прокладки и
в сильной степени зависит от плотности и величины отпора
окружающего грунта, а также от вида основания.
Подвижными нагрузками считаются нагрузки от грузовых
тяжелых автомашин и тракторов; они учитываются при расчете
определенных участков трубопроводов, а иногда и по всей их
трассе.
На графике рис. 87 нанесены расчетные значения кольце-
вых напряжений, возникающих в стенках стальных и чугунных
трубопроводов диаметром 300 и 500 мм, заложенных в грунт
на разную глубину.
Величина внутреннего давления для стальных труб принята
в 50 ат и для чугунных— 10 ат с запасом в 10% на случайное
повышение давления.
Грунт принят с коэффициентом постели, равным 2; угол
охвата основанием 180°. Подвижные нагрузки составляют 13-т
грузовая автомашина и 60-т гусеничный трактор.
185
Рис. 87. Кольцевые напряжения в стенках
стальных и чугунных трубопроводов, уло-
женных в грунт
/ — стальной 4—529x9 мм; Р=50 атиУАД; 2-сталь-
ной, 4=325X8 мм, Р = 50 атиХ1;1; 3 — чугунный,
4=500x16 мм р=Ю amuxl,l; 4~чугунный, 4 = 300х
Х12.5 мм, р = 10 атиХ1,1
и среднего диаметров дает малый
жения.
Как видно из графика,
изменение глубины зало-
жения мало влияет на
возникающие напряжения,
особенно при стальных
трубопроводах. Напри-
мер, увеличение глубины
заложения с 1 до 2,5 м
повышает напряжение в
их стенках лишь на
5 4-7%. Попутно на ДО' от-
метить, что при тех же ус-
ловиях изменение степени
уплотнения грунта, окру-
жающего трубу (трамбов-
ка), и угла охвата осно-
ванием оказывается зна-
чительно' сильнее. Поэто-
му при прочих равных ус-
ловиях в водоводах и дру-
гих трубопроводах, уло-
женных с хорошим уплот-
нением грунта, в частно-
сти с тщательной затрам-
бовкой пазух у основа-
ния, возникают значи-
тельно меньшие напряже-
ния, чем во вновь уложен-
ных, без надлежащего
уплотнения пазух. Коли-
чество аварий на первых
отмечается гораздо мень-
шее, чем на вторых.
Подвижные нагрузки
оказывают сильное влия-
ние лишь при очень ма-
лых глубинах заложения,
начиная с глубины поряд-
ка 0,80—1.0 м до верха
трубы, подвижная нагруз-
ка в водоводах (м'алого
прирост величины напря-
Из сопоставления данных рис. 62 и данных вычислений по-
лучаем приведенные на рис. 88 кривые, показывающие вели-
чину дополнительных напряжений в зависимости от сезонной
разности (амплитуды) температур в стальных сварных водово-
дах при разной глубине их заложения.
1 ьь
При заполнении водовода водой в его стенках также возни-
кают дополнительные температурные .напряжения. Величина их
может быть найдена по формуле (VII.4), причем в данном слу-
чае tx — температура стенки водовода без воды, практически
равная температуре грунта, a t2 — температура воды. Разность
этих температур обычно невелика (например 10°) и соответ-
ствующие напряжения незначительны.
Общее расчетное значение величины продольных температур-
ных напряжений в трубопроводах со сварными соединениями
Рис. 88. Температурные напряжения в стенках сталь-
ных сварных трубопроводов, возникающие вслед-
ствие сезонной разности температур грунта
определяется ,в зависимости от соотношения температур сварки
во время замыкания плетей, температуры воды, сезонной ампли-
туды температур грунта на разных глубинах.
Как видно из рис. 88, разность температурных напряжений
вследствие сезонного изменения (амплитуды) температур грунта
при естественной его поверхности в случае укладки стального
сварного водовода даже на разной глубине, например 1,0 и 2,5 м,
составляет всего только 337—450= 187 кг/см2, т. е. лишь около
10% величины .напряжений, возникающих обычно в стенках
стальных трубопроводов^ под воздействием всех усилий.
Отсюда следует, что дополнительные температурные напря-
жения вследствие изменения глубины заложения стальных свар-
ных водоводов (мало влияют на и изменяют его на величину,
обычно не имеющую практического значения.
В водоводах из раструбных труб температурных продоль-
ных напряжений вообще не возникает ни при каких глубинах.
Находя общие действующие напряжения в стенках стальных
сварных водоводов^ по формуле (VII.5), можно определить их
зависимость от глубины заложения и от других факторов.
187
Как показывают расчеты, при глубинах заложения, изменяю-
щихся в пределах 1,0—2,5 м, соответствующее изменение напря-
жений, возникающих в стенках водоводов малого и среднего
диаметров (примерно до 500—600 мм), обычно составляет
3—8% от общей допускаемой величины, т. е. почти не имеет
практического значения.
3. ОСНОВАНИЯ ВОДОВОДОВ
Согласно техническим условиям на производство и приемку
работ и другим руководящим материалам [28, 47, 52] укладка
металлических и асбестоцементных труб в траншею должна
производиться на ненарушенный грунт. Для обеспечения этого
при рытье траншей дно их не добирается: в сухих грунтах при
рытье вручную на 2—5 см\ при механическом рытье, а в грун-
тах, насыщенных водой, также и при ручном, — на 20 см. За-
чистка дна траншей до проектной отметки производится непо-
средственно перед укладкой труб.
В случае нарушения при рытье траншей естественной плот-
ности основания нарушенный грунт следует удалить, а при не-
обходимости выдержать отметки заглубления труб — заменить
снятый грунт песчаной или гравелистой подсыпкой.
В скальных грунтах дно траншей выбирается на 10—15 см
ниже отметки низа трубы для устройства песчаного или граве-
листого основания под прокладываемые трубопроводы. Это осно-
вание предохраняет трубопровод и его противокоррозийную изо-
ляцию от повреждения.
При укладке водоводов в заболоченных местах и на уча-
стках с грунтами, не выдерживающими нагрузки более
0,25 кг/см2, под водоводом должно 'быть устроено искусственное-
основание, чтобы уложенный на него трубопровод не давал про-
садок после засыпки его грунтом.
Уложенный В' грунт трубопровод в начале присыпается грун-
том равномерными слоями толщиной не более 20 см, на высоту
20—30 см над верхом труб. Грунт в пазухах между трубой и
стенками траншеи должен быть особенно тщательно утрамбо-
ван. Последнее чрезвычайно важно с точки зрения прочности
водоводов, так как при недостаточно плотной утрамбовке в па-
зухах значительно повышаются напряжения в стенках трубо-
провода (см. стр. 186), что может привести к авариям.
Укладка железобетонных труб непосредственно на грунт
должна производиться на отпрофилированное по форме трубы
основание с последующей засыпкой грунтом, как показано на
рис. 89, а. В слабых грунтах применяется укладка на бетонное
основание по рис. 89, б.
При укладке железобетонных труб с гибкими стыками
в скальных и полускальных грунтах должна быть устроена
песчаная подушка толщиной не менее 20 см. Трубы с жесткими
188
стыками в этом случае укладываются в бетон на высоту 0,25
диаметра трубы [29J.
В случае прокладки водоводов выше «глубины промерзания»
(выше нулевой изотермы) водовод во время аварий может вре-
менно оказаться в зоне отрицательных температур грунта вслед-
ствие прекращения отепляющего действия воды в водоводах.
Однако следует учитывать, что практически водоводы укла-
дываются на глубине не менее 0,7—1,0 м и поэтому можно счи-
тать, что температура грунта в основании водоводов будет не
ниже минус 2—3°.
.Бетонное основание
J5 4
47 '
Утрамбованная засыпка /
-j ^'Подготовка из щебня
или гравия------------
Естественное
основание
±D+15cm
Рис. 89. Способы укладки железобетонных труб
e-на естественном основании; б—на искусственном основании
Необходимо рассмотреть возможность деформации основа-
ния таких водоводов вследствие пучения грунта, вызываемого
замерзанием и оттаиванием находящейся в грунте воды.
Как указано в главе V, основная часть воды в суглинистых
и глинистых грунтах замерзает при температуре ниже минус Г,
причем даже при температуре, например, минус 10° в су-
глинках и глинах остается незамерзающей воды около 20% пер-
воначальной влажности. Это указывает на наличие некоторой
пластичности связных грунтов в условиях небольших отрица-
тельных температур.
Механические свойства этих грунтов при малых отрицатель-
ных температурах приближаются к 1механическим свойствам
в талом их состоянии при влажности, соответствующей коли-
честву незамерзшей воды в грунте.
Замерзание воды начинается в наиболее крупных порах
грунта. К этим порам перемещается еще незамерзшая вода из
189
прилегающих более мелких пор. Вода, замерзая, образует рас-
тущие кристаллы льда, переходящие в крупные линзы и про-
слойки льда. Примыкающий к ним грунт уплотняется за счет
воды, отданной на образование льда.
Устойчивость оттаивающих грунтов зависит от наличия или
отсутствия в них линз и прослоек льда. Установлено, что нали-
чие трещин, заполненных водой и образовавшихся на месте
оттаявших линз льда, является 'основной причиной пониженного
сопротивления грунта и его деформации при оттаивании.
Наблюдения показывают также, что «при влажности грунта,
незначительно превышающей предел пластичности, и при темпе-
ратуре не ниже —3° нормальное льдовыделение отсутствует,
либо оказывается незначительным» [14].
Увеличение влажности грунта в процессе замерзания приво-
дит иногда к возникновению избыточной влажности и избыточ-
ного льдовыделения, создающих в связных грунтах условия, не
благоприятные в отношении возможности пучения.
Рядом мероприятий (осушением, уплотнением и т. д.) может
быть достигнуто снижение избыточной влажности грунтов.
В песчаных грунтах замерзание и оттаивание, как известно,
не представляют опасности в отношении пучения.
Отсюда следует, что' в значительной части связных грунтов
и в грунтах песчаных небольшие отрицательные температуры
грунта, йорядка до минус 3°, не приводят к практически опас-
ным деформациям оснований. Точные данные с этом отно-
шении получаются на основании геотехнических исследований
в характерных точках трассы. Наблюдения, проведенные на
Урале и под Москвой [41], позволили прийти к выводу, что
с глубины примерно 1 —1,25 м величина деформаций грунта
вследствие замерзания и оттаивания ничтожна.
Опыт эксплуатации газопровода Саратов — Москва показал,
что на участках стального трубопровода, проложенного в зоне
естественных небольших отрицательных температур, было не
больше аварий, чем на участках, проложенных ниже глубины
промерзания.
Водовод в Свердловске, уложенный также в зоне отрица-
тельных температур, уже несколько лет работает вполне удовле-
творительно.
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛУБИНЫ ЗАЛОЖЕНИЯ ВОДОВОДОВ
Определение глубины заложения водоводов представляет
собою комплексную задачу, разрешаемую в результате анализа
местных климатических, топографических и грунтовых условий,
а также производства ряда исследований и расчетов, охваты-
вающих гидравлические, термические и статические условия ра
боты водоводов [4].
190
Экономическое значение возможного изменения глубины
прокладки водоводов чрезвычайно велико. Если, например,
стальной водовод диаметром 400 мм уложить на глубину 2 м
вместо 2,5 м, то в среднем на каждом километре это позволит
снизить стоимость строительства на 15 тыс. руб., уменьшить
потребность в рабочей силе на 150 чел.-дней и сократить про-
должительность работы механизмов на 15 машино-смен. Глу-
бину заложения водоводов следует назначать такой, чтобы обес-
печивалось удовлетворительное действие системы водоснабже-
ния и в то же время были исключены излишние затраты мате-
риальных ресурсов, времени и труда на земляные работы.
При этом должны быть соблюдены следующие основные тре-
бования:
1) во время нормальной эксплуатации вода не должна за-
мерзать, а также нагреваться выше температуры, заданной тех-
нологическим режимом или санитарно-вкусовыми требова-
ниями;
2) на случай аварийной остановки действия водовода время
от момента остановки до начала возможного образования
льда на стенках трубы или внутриводного должно быть доста-
точным для производства ремонта;
3) основание водовода не должно пучиться при нормальном
или аварийном выключении водовода из работы, когда воз-
можно снижение температуры прилегающего грунта ниже нуля;
4) напряжения, возникающие в теле трубопроводов как от
давления грунта и подвижной нагрузки, так и от изменения
температуры в разные моменты эксплуатации, не должны пре-
восходить несущей способности стенок и стыковых соединений;
5) арматура водоводов- должна быть предохранена от мест-
ного переохлаждения, могущего вызвать замерзание воды;
6) противокоррозийная изоляция не должна повреждаться
при тех температурах, которые могут быть у стенок трубопро-
вода как в условиях нормальной эксплуатации, так и при
авариях.
При рассмотрении всех внешних и внутренних условий,
влияющих на назначение глубины заложения водоводов, недо-
учитывать следующие соображения, вытекающие из всего ска-
занного выше по этому вопросу.
1. Изменение с глубиной естественной температуры грунта
следует примерно параболическому закону, т. е. по мере увели-
чения глубины изменение температуры происходит менее интен-
сивно; поэтому «утепляющее» действие верхних слоев больше,
чем нижних.
2. Глубина проникновения в- грунт нулевой изотермы в зна-
чительной степени определяется мощностью и плотностью- снего-
вого покрова, а также временем его образования. Сильное влия-
ние на эту глубину оказывает также наклон поверхности отно-
сительно стран света .и степень затененности.
191
На температуру грунтов- и глубину их промерзания, кроме
покрова, влияют их состав, пористость, влажность и дисперс-
ность. В одном и том же пункте в зависимости от снегового
покрова, а также от вида и состояния грунтов глубина проник-
новения нулевой изотермы может быть весьма различна (до
2—3 раз и более).
3. При трассировании водоводов по незастроенным террито-
риям нет основания принимать глубину проникновения нулевой
изотермы как для искусственно' оголенной поверхности. Глубину
проникновения нулевой изотермы надо принимать, учитывая
фактический естественный покров и принимая во внимание воз-
можность изменения вида покрытия, предусмотренную плани-
ровкой территории.
4. В целях уменьшения глубины заложения водоводы надо
трассировать по возможности в местах с устойчивым снеговым
покровом, на южных склонах, по незатененной местности, так
как в этих местах меньше глубина промерзания. Следует прора-
батывать вопрос о целесообразности утепления трассы путем
искусственного увеличения толщины снегового покрова, напри-
мер, засевом трав с жесткими стеблями, постановкой ветровых
щитов. В некоторых случаях могут быть целесообразны меро-
приятия по изменению режима влажности грунтов (например,
дренаж) или даже замена их.
5. При расчетах глубины заложения надо учитывать, что
период наименьших температур воды обычно- не совпадает с пе-
риодом наибольшего проникновения нулевой изотермы в грунт.
6. Необходимо также учитывать, что температура воды в во-
доводах может повыситься за счет теплоты трения в трубах и
насосах.
7. На глубинах заложения 0,8—1,0 м и больше до верха
трубы напряжения, возникающие в стенках и стыках трубопро-
водов' малого и среднего диаметров, практически не изменяются
с глубиной.
8. Многие постоянно действующие водоводы могут быть про-
ложены выше нулевой изотермы.
При этом должны быть сопоставлены строительная стои-
мость прокладки водоводов со стоимостью их эксплуатации, за-
висящей в известной степени от глубины заложения (расходы на
тепловую мелиорацию трассы, подогрев, воды, утепление колод-
цев и т. д. при небольшой глубине заложения).
9. Глубина заложения одиночных водоводов речной воды,
питающих систему водоснабжения, в которой не имеется значи-
тельных резервных емкостей, как правило, должна отвечать наи-
большему проникновению в грунт нулевой изотермы, определен-
ному для естественной поверхности с минимально возможным
снеговым покровом.
10. Водоводы речной воды, в которых допускается путем пе-
реключения отдельных линий пропуск воды со значительными
192
скоростями, способствующими нагреву воды, или возможен пе-
риодический подогрев воды другими способами, в большинстве
случаев могут быть проложены выше наибольшего проникнове-
ния нулевой изотермы. Такая прокладка должна быть оправ-
дана тепловыми расчетами и наличием данных исследования
грунтов основания, подтверждающих отсутствие возможности
опасного пучения. Необходимо также утеплить арматуру во из-
бежание ее обмерзания.
11. Водоводы грунтовой воды и воды, поступающей из ;м'ало-
проточных водохранилищ и озер, как правило, можно проклады-
вать значительно выше наибольшего проникновения нулевой
изотермы. При этом необходимо выполнять тепловые расчеты,
проверять надежность основания и предусматривать меры за-
щиты арматуры от обмерзания.
12. Противокоррозийная изоляция надлежащей рецептуры
является достаточно устойчивой при небольших отрицательных
температурах грунта и, следовательно, она не является препят:
ствием для заложения трубопроводов в зоне отрицательных
температур.
Определение глубины заложения водоводов в> стадии техни-
ческого проекта рекомендуется производить в следующем по-
рядке:
1. Уточняются расчетные расходы воды при нормальной экс-
плуатации и аварийные, а также возможность создания времен-
ных повышенных скоростей движения воды.
2. Выявляется геологическая характеристика грунтов по
трассе (минералогический состав, дисперсность, пористость,
влажность) по данным шурфов и скважин в среднем через
0,25—0,5 км.
3. По данным натурных наблюдений устанавливаются рас-
четная температура воздуха и поверхности оголенного грунта,
а также температурные разрезы грунта в характерных пунктах
трассы (в среднем через 2—5 км). При недостатке материалов
наблюдений можно частично заменить их данными расчетов, вы-
полненных по формулам, приведенным в главах V и VI.
4. Устанавливается минимальная наблюдавшаяся величина
снегового покрова по возможным трассам, а также экспозиция
склонов по странам света и степень защищенности и обдувае-
мости трассы.
5. Выявляются пучинные свойства основания водоводов по
материалам геотехнических исследований, выполняемых по
грунтам наиболее характерных типов.
6. Фиксируется температура воды в источнике водоснабже-
ния или ином месте в начале водовода в характерные периоды
года.
7. Выполняются тепловые расчеты, которые носят преиму-
щественно проверочный характер, так как глубины заложения
задаются предварительно на основании приведенных выше об-
13 С. Н. Ароиов
193
щих соображений и расчетных формул. Точная глубина заложе-
ния устанавливается при составлении рабочих чертежей с ис-
пользованием материалов дополнительных изысканий.
8. Указываются основные условия будущей эксплуатации.
Для проектных заданий глубина заложения назначается,
а затем проверяется ориентировочным расчетом на основании
тех же, но менее полных данных. Для рабочих чертежей необ-
ходимо уточнять результаты определения глубины заложения на
основе дополнительных материалов, изысканий.
Значительную пользу во всех случаях представляют сведения
по эксплуатации водоводов- в- данном районе.
Рассматриваемые далее приемы определения глубины зало-
жения водоводов по чисто термическим условиям заключаются
в нахождении наименьшей возможной глубины водоводов,
исходя из заданных температур грунта. При этом предпола-
гается, что расчеты температур воды и выявление тепловых по-
терь и термических сопротивлений выполняются с использо-
ванием способов, указанных в главе VI.
Необходимую температуру грунта £гр, обеспечивающую за-
данную температуру воды h в конце водовода, при известной
температуре воды ti в начале водовода можно найти, преобра-
зуя формулу (VI.26):
4 — ' (VII. 7)
е~^ - 1
Имея кривую распределения минимальных температур грунта
на разной глубине (рис. 90), можно непосредственно определять
Рис. 90. График наименьших темпера-
тур грунта для определения глубины
заложения водовода
необходимую глубину заложе-
ния водовода. Для этого нуж-
но через точку, отвечающую
расчетной температуре грунта
4Р провести линию, параллель-
ную оси глубин до пересечения
с кривой минимальных темпе-
ратур грунта и из точки пере,
сечения опустить перпендику
ляр на ось глубин.
Данные по температурам
разных слоев грунта получают
ся на основании материалов
метеорологических ст анций
При недостаточной полноте
этих материалов приходите?
производить вычисления мето
дами, приведенными в главе V
Так, зная сумму годовых отри-
цательных температур и име?
194
Рис. 91. График фактических и вы-
численных наименьших температур
грунта
Рис. 92. График наивысших темпе-
ратур грунта для определения глу-
бины заложения водовода
характеристику грунта, можно получить приближенную величину
проникновения температуры 0° в грунт по формулам) (V.7),
(V.ll), (V.13):
Можно построить кривую наименьших температур грунта,
исходя из закона изменения температур в грунте при оголенной
поверхности, который приближенно может быть представлен
формулой [14]: •
= (VII. 8)
где Лг — температура на глубине hx\
tn — температура на поверхности (средняя за наиболее
холодный месяц);
ht—глубина проникновения температуры 0° в м.
На рис. 91 совместно с кривой фактических температур
грунта frp, приведенной ранее на рис. 90, показана кривая наи-
меньших температур, вычисленных по формуле (VI.8). Как
видно из графика, обе эти кривые близко совпадают. Поэтому
глубину заложения труб hx можно определить аналитически
путем совместного решения уравнений (VI.7) и (VI.8)
Л'=А--Л']/<VIL9)
Эта глубина должна быть проверена из условия надежности
основания, прочности труб при внешних нагрузках и др.
Подобным же образом по графику наивысших значений
естественных температур грунта в данном пункте (рис. 92) опре-
13* 195
делается глубина заложения водовода, температура которого не
должна превосходить определенной наивысшей величины, задан-
ной из санитарных или технологических соображений. В этом
случае происходит не охлаждение, а нагревание водовода и бе-
рется температура грунта, отвечающая жаркому периоду года,
е учетом явлений относительного сдвига во времени максимума
температуры источника по отношению к максимуму температу-
ры грунта.
Предлагаемая методика комплексного определения глубины
заложения водоводов, исходя из анализа местных условий, пред-
ложена автором в результате проработки и обобщения ряда ма-
териалов практических и литературных данных. Некоторые из
положений, расчетных формул и графиков должны быть еще
уточнены на основе опыта. Поэтому при определении глубины
заложения указанным способом должен приниматься некоторый
запас порядка 10—20%. В случае определения глубины предла-
гаемым способом, как правило, достигается довольно значитель-
ное уменьшение стоимости строительства.
Для более четкого уяснения способов определения глубины
заложения водоводов ниже приводятся три примера определения
глубины заложения водоводов в наиболее характерных условиях.
б. ПРИМЕРЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ ЗАЛОЖЕНИЯ
ВОДОВОДОВ
Пример 1. Одиночный водовод от речного водозабора
Задание. Источник водоснабжения — река с большим расходом. Мини
мальная температура воды на уровне водозаборных окон состав-
ляет 0,2—0,3° и остается почти стабильной за время от ледостава до ледо-
хода. Шутовых явлений не наблюдается.
Водовод чугунный диаметром 400 мм, длиной 10 км подает воду на
завод, где крупных запасных емкостей не имеется. Наибольшее зарегистри-
рованное в районе водовода проникновение нулевой изотермы в грунт при
оголенной поверхности равно 2,60 м. Минимальная толщина hs снегового
покрова по трассе равна 0,25 м. Минимальная среднемесячная температура
воздуха близ поверхности равна минус 12?. Грунты на трассе — однородные
суглинки с наибольшей усредненной влажностью 20% и пористостью 30%.
Расход воды Qo = 125 л/сек или Q4 = 448 000 л/час при скорости
v — 1,0 м/сек. Потери напора на трение — 31,0 м. Геометрический подъем —
59 м. Общая высота подъема насосов Н = 90 м, к. п. д. 0,75. ,
Расчет. Наибольшее проникновение нулевой изотермы в грунт при
естественной поверхности меньше, чем при оголенной (формула V.14) на
величину
йпр = hsk = 0,25-2,5 = 0,62 м.
Отсюда наибольшее проникновение нулевой изотермы в грунт при есте-
ственной поверхности .составляет:
hc = Лог — Лпр = 2,60 — 0,62 = 1,98 к 2,00 м.
196
Принимаем глубину заложения водовода до верха его на 0,1 м 'больше
наибольшей глубины проникновения в грунт нулевой изотермы при есте-
ственной поверхности, т. е. 2,00 4- 0,10 = 2,10 м или до низа 2,50 м.
Проверяем условия работы водовода при отсутствии снегового покрова
по всей трассе.
По формуле (VI.2) температура воды увеличится в пределах насосной
станции на величину:
At’ - 0,0021 - 1) Н = 0,0021 [-i — 1) . 90 = 0,06°.
\ J \ v, / О 1
По номограмме рис. 79 или по формуле (VI.8) при п — 0,012 и ско-
рости v = 1,0 м/сек в водоводе выделится теплота трения на 1 пог. м;
д" )р = (id0-67 о» = 6-0.40-67 • 1,03 = 3,25 ккал/м час,
а на всю длину
v gip* == 3,25 • 10 000 — 32 500 ккал!час,
что вызовет повышение температуры воды на
£ отр" 32 500
а Qq . 3 600 - 125-3600 ~ u,uz
Общее повышение температуры воды составит
At . At' 4- At" = 0,06 + 0,07 = 0,13°.
Температура воды в начале водовода будет
0,2+0,06 = 0,26°
По формуле (VII.8) температура оголенного грунта на глубине зало-
жения оси водовода составит:
/ _19
*гр = <г /~2 (Л/ - h г)2 = (2,60 - 2,30)2 = - 0,16°,
а на глубине, .отвечающей низу основания трубы, т. е. 2,5 м /гр — 0,1°
При заданных грунтах согласно графику рис. 70 коэффициент тепло-
проводности грунта:
X = 1,8 ккал/м час.
Так как грунт будет проморожен, то его теплопроводность повысится
примерно до
kM » X-1,3 = 2,3 ккал!м час.
Отношение глубины заложения трубы к диаметру
Значение Nu принимаем равным бесконечности. Согласно графику
Л
рис. 82 при -^==5,75 м Nu==c-o; .безразмерный параметр р — 0,5. По фор-
муле (VI.22) линейное термическое сопротивление:
197
р
R = =* -туу == 0,22 м час град/ккал.
По формуле (VI.36) величина
I 10000
? RQ4 “ 0,22 • 448 000 ~ °’101-
По формуле (VI.29) температура в конце водовода будет:
/2 = _ ^гр) е~Ч + = [0,26 - (-0,16)] б'0’101 +
+ (— 0,16) = 0,42 • 0,9 — 0,16 « 0,22°,
а с учетом теплоты трения по длине t2 = 0,22 + 0,07 = 0,29°.
Таким образом, конечная температура воды в водоводе будет даже не-
много (на 0,09°) выше начальной, и охлаждения воды не произойдет. От-
сюда следует, что с учетом теплоты трения даже на период отсутствия сне-
гового покрова назначенная глубина заложения водовода приемлема.
Температура грунтов в основании .водовода в .случае аварии его и дли-
тельной остановки составит около —0,1°; при такой температуре .в супесча-
ных грунтах замерзнет лишь небольшая часть влаги и опасаться пучения
не следует.
В целях предохранения от обмерзания арматуры колодцы следует
тщательно утеплить на зимний период.
Как видно из примера, значительные .скорость движения воды и напор
насосов с одной стороны и сравнительно высокая начальная температура
воды в реке позволили запроектировать глубину заложения (водовода
на 0,5 м выше глубины проникновения (нулевой изотермы и' уменьшить
стоимость строительства примерно на 10 • 10 = 100 тыс. руб. Если бы ско-
рость, напор или температура воды были меньшими, глубина заложения
до верха водовода должна была бы больше приблизиться к глубине нуле-
вой изотермы или даже .совпасть с ней.
Пример 2. Водовод в две линии от водозабора из водохранилища
Задание. Источник водоснабжения — малопроточное водохранилище,
температурные разрезы которого представлены на рис. 76. На уровне водо-
заборных отверстий температура воды перед замерзанием равна 0,10°, зимой
в январе равна 0,70°. Шуговых явлений. не наблюдается. Вода подается
на завод. Наименьшая температура воды, допускаемая в конце водовода
во время наибольшего промерзания грунта, — около 0,3°.
Подача воды нормально производится по двум стальным трубопроводам
диаметром 350 мм, длиной L— 16 км.
Расход воды по водоводу равномерен и составляет 160 л/сек или
Qo = 8O л/сек\ Q4= 288 000 л!час по каждой нитке, скорость и = 0,83 м/сек.
В случае выключения одной нитки допускается временное снижение
расхода до 70% расчетного или до Qo = 112 л/сек, Q4 =403 200 л/час
с пропуском по одной нитке со скоростью 1,17 м/сек.
Потеря напора (при и = 0,011) нормально составляет 0,216X160 =
= 34,6 м, а во время пропуска уменьшенного расхода по одной линии
0,425X160 = 68,0 м. Геометрическая высота подъема равна 80 м. Полный
напор насосов таким образом (составляет нормально Я'= 34,6+ 80= 114,6 м,
а во время исключительного режима с сокращенньпм водопотреблением он
повышается до // = 68 + 80= 148 м, что примерно соответствует кривой
Q—Н установленного насоса. К- п. д. насоса = 0,75. Насосов два — рабо-
чий и запасной.
Трасса водоводов проходит в супесчаных непучинистых грунтах со сред-
ней пористостью около 30—35% и влажностью осенью и зимой порядка
10—15%.
198
Наибольшая глубина проникновения нулевой изотермы в грунт при
естественной поверхности составляет 1,70 м. Данных наблюдений о глубине
проникновения нулевой изотермы гари оголенной 'поверхности нет. Высота
снегового покрова обычно составляет около 35 см. К этой величине покрова
и относятся данные о глубине проникновения нулевой изотермы. Бывают
отдельные почти бесснежные зимы. Наибольшая сумма отрицательных
среднемесячных температур воздуха равна 60° и дневных за год 1 900°
Наименьшая среднемесячная температура поверхности tn- близкая к 'средне-
месячной температуре воздуха, составляет около минус 17°.
Расчет. Глубина проникновения в пручт нулевой изотермы при 'оголен-
ной поверхности по формуле (V.7) (составит:
hor = hCH + hs 13.7 0,02 £ (--JT)] = 170 4- 35 (3,7 — 0,02 -60) = 257 см.
По формуле (V.11):
h К |0.(П v ( 0 + 70] = 1,0 (0,09 • 1900 + 70) = 241 см.
По формуле (V.13):
h = 60 (I/’ - Р2) К' = 60 (4 • 1,9 — 1,92) . 1 до = 263 см.
Принимаем глубину проникновения в грунт нулевой изотермы под ого-
ленной поверхностью, как среднюю между полученными значениями, т. е.
Принимаем глубину заложения водовода равной 1,70 м доегооси, т. е.
наибольшей возможной глубине проникновения нулевой изотермы при есте-
ственной поверхности. До верха трубы заложение равно около 1,55 м .и де
низа—1,90 м. Одновременно проверяем термические условия работы водо-
вода для редких 'случаев бесснежных зим, когда ось трубы будет на
255—170 = 85 см выше нулевой изотермы, а низ трубы выше нее на
255—190 = 65 см. По графику рис. 70 коэффициент теплопроводности талых
грунтов А. равен в среднем 1,2 ккал/мчас, а для мерзлых грунтов он ио-
h 170 Л Л
высится примерно до 1,20 X 1.25 = 1,5 ккал/м час-, отношение =4,9.
При Nu=oo по графику рис. 82 параметр р ==0,47.
Линейное термическое сопротивление по формуле (VI.22) равно:
Р 0,47
А’ •- = -£ = — $ = 0,31 м час град/ккал
w
по формуле (VI.27):
0,278 L 0,278-16
? = Яф0 = 0,31 • 80 = °’18-
По формуле (VII.8) имеем температуру грунта на уровне оси водовода
4 — 17
“ h^2 = <2’55 - 1>70)2 = ~ 1’90°-
Пренебрегая теплотой трения, получим по формуле (VI.29) темпера-
туру 'воды в конце водовода, учитывая, что начальная температура воды
к середине зимы повысится с 0,10 до 0,70°:
199
h = to - М & + /гр = [0,70 - (— 1,90)] е”0,18 + (- 1,90) =
= 0,27*, т. е. на 0,03’ менее, чем допустимо по заданию.
Учитываем теплоту трения в насосах при работе обеих ниток водовода,
Согласно формуле (VI.2) она поднимает температуру воды на величину
W = 0,0021 — 1] Н' = 0,0021 ( ' 114,6 = 0,08°
и таким образом в конце водоводов температура воды составит 0,27+0,08 =
= 0,35°>0,30°, т. е. задание удовлетворено.
Если же учесть теплоту трения в трубах, то согласно формуле (VI.5),
беря данные из номограммы рис. 79, получаем увеличение температуры
воды при пропуске воды по обеим ниткам водовода:
q"iPl 1,3-16 000
- Qq' - 288 000 = °'07°
и при пропуске по одной нитке 70% полного расхода
д'\р1 4,0-16000
- Q4" - 403200 -и-^-
Таким образом, если учесть теплоту трения в насосной станции и водо-
водах. особенно при пропуске воды по одному водоводу, то температура
воды довольно значительно повысит заданный минимум, и опасность пере-
охлаждения воды исключается даже при самых неблагоприятных условиях.
Принятая и обоснованная поверочным расчетом глубина заложения
'водовода до верха примерно на 0,9 м менее той, которая получилась 'бы,
если бы трубопровод был заложен на глубине, отвечающей наибольшему
проникновению в грунт нулевой изотермы при оголенной поверхности. Это
уменьшает стоимость строительства на сумму около 15. 16.2 = 480 тыс. руб,
(см. главу 1).
Из расчета видно, какое большое значение имеет учет как зимнего по-
вышения температуры воды в водохранилище, так и теплоты трения.
В целях предохранения арматуры от местного охлаждения колодцы
должны быть хорошо утеплены.
Пример 3. Водоводы от грунтового водозабора
Источник водоснабжения — грунтовые воды, получаемые из глубоких
скважин. Температура воды зимой Л = 6°. Вода подается в город по сталь-
ному водоводу из двух ниток диаметром 250 мм, длиной 12 км. Общий
расход воды 60 л/сек; по каждой линии пропускается расход Qo'= 30 л/сек,
или = 108 000 л/час; скорость v' = 0,61 м/сек. Городские запасные резер-
вуары вмещают двухсуточный расход воды. Температура воды, поступаю-
щей в резервуары, может быть до 3°. Аварийный расход воды допу-
скается 70% расчетного или Qo" = 42 л/сек = 151 200 л/час, проходящих
90 одной линии со скоростью v" = 0,86 м/сек.
, .. Потеря напора нормально составляет 0,217X12 = 26,04 м. а при ава-
рийном пропуске 42 л/сек по одной линии 0,424 X 12 = 50,88 м. Геометри-
ческий подъем 20 м. Необходимая полная высота подъема насосов состав-
ляет нормально Н' = 26,04 + 20 = 46,04 м и при аварии Н" = 50,88 + 20 =
= 70,88 м, что отвечает кривой Q—Н насоса. К- п. д. насоса т) = 0,75.
Водовод уложен в сухих гравелисто-песчаных грунтах пористостью
35—40%, термоактивной влажностью около 5%, полной — около 6%. Наи-
большая глубина проникновения нулевой изотермы при оголенной поверх-
иости составляет 2,60 м и средняя при естественной—1,20 м. В отдельные
знмы наблюдается почти полное отсутствие снега. Наинизшая среднемесяч-
ной
пая температура воздуха, близкая к температуре поверхности грунта
tn =—15°. Коэффициент теплоотдачи с поверхности «^12 ккал/м? час град,
теплоемкость грунта с = 0,3; объемный вес 1 700 кг/м3.
Расчет. По графику рис. 70 коэффициент теплопроводности талого
грунта 1,0 ккал/мчас\ в мерзлом грунте он повышается доМ =
= 1,25 ккал/м час.
Так как в данном случае вода источника имеет высокую устойчивую
температуру, водовод 'состоит из двух ниток, .имеются запасные резервуары
большой емкости, и опасность пучения исключается, то при назначении глу-
бины заложения водоводов можно значительно отступить от глубины про-
никновения нулевой изотермы в /грунт.
Предварительно принимаем величину линейного термического 'сопротив-
ления /?=0,37 м час град/ккал. По формуле (VI.27):
0,278 L 0,278-12 „ „
<р = = -Q-gy ^0 = 0,30, откуда по табл. 61 е • = 0,74.
За отсутствием точных данных о температурах отдельных слоев грунта!
определяем их расчетом по формуле (VII.8). При заданных температуре
воды в начале водовода t\ = 6°, и в конце ti = 3°, глубине проникновения
нулевой изотермы Л/ = 2,50 м и принятом R глубина заложения до ос»
должна составить по формуле (VII.9) не менее
hr = hj — hi 1/"-Л-—? = 2,60 — 2,60 1 f 6-L0,74______L_
V У (0,74—1). -15
= 1,10 м.
Отношение
A 1,10 л (
D ~ 0,25 ~4’4’
Nu -
aD
К
12 • 0,25
~ 1,25 ~2’4'
По графику рис. 82 при Nu = 2,4 и -р =4,4 параметр р = 0,47.
Проверяем истинную величину линейного термического сопротивление
Р 0,47
W^ 0’385-
Полученное значение R весьма близко к первоначально принятому, »
повторного расчета не требуется.
Принимая во внимание некоторую условность расчета из-за недостаточ-
ности фактических данных, увеличиваем расчетную глубину заложения
водовода примерно на 10% и принимаем ее равной 1,25 м до оси водо-
вода, что близко к средней 'глубине проникновения нулевой изотермы в грунт
при естественной поверхности.
Минимальная температура оголенного грунта на этой глубине по фор-
муле (VII.8) составляет
<« jfr (14-м-(2.60- 1.25)?= -Г.
Определяем продолжительность остывания « замерзания грунта вокруг
трубы в случае аварийной остановки работы водовода.
20 В
Начальная разность температур трубы и грунта:
^1=/1-/х = 3-(-4) = 7в.
Конечная разность температур трубы и грунта:
Д/2 = 0 — (- 4) = 4°.
Отношение
М? 4
37Г = —"О’57-
По графику рис. 85 X = 0,25; Y — 0,55.
Температуропроводность грунта
X 1,25
а = ~ = 0 3 . j 7qq = 0,0025 м2/час.
По формуле (VI.32) продолжительность охлаждения грунта вокруг
трубы составит:
D9- f У \ h 0,252 / 0,55 \
т°хл ~ а + Nu / n D = 0,0025 (°’25 + 2,4 /1п 4,4 = 18 час’
Диаметр талика, образующегося зимой вокруг трубы по формуле (VI.38),
•будет:
Х2 frp In D - X, /тр In 4/i 1>25, _ 4 1п 0,25 — 1-3 In 5
Продолжительность замерзания талика с учетом скрытой теплоты льдо-
образования по формуле (VI.39):
100 (1)2тал _ Z)2) п Г 4/г / / 4/г \2
Тзам~^ -МгрЮ 1П |/>тал+/)+ ]/ (Дал + Я/ 1 =
100(0,802 —0,252) . 5 Г 5 /~/ 5 V
~ - 1,25 .-4-2 1п 0,80 + 0,25 + 1/ ( 0,80 + 0,25/ ~ 1 ==
— 75 час.
Общая продолжительность остывания и замерзания составляет по фор-
муле (VI.40):
тост = ^охл + тзам = 18 + 75 == 93 час. или почти 4 суток, т. е. время,
достаточное для производства крупного ремонта.
Ввиду незначительности нормальных 'скоростей протока, а также не-
большого напора насосов, теплоту трения в расчет не вводим. В случае же
выключения одной линии водовода она приобретает практическое значение
и может быть учтена при разработке мероприятий аварийного характера.
Колодцы водоводов должны быть тщательно утеплены.
Полученная глубина заложения водоводов (до верха) на величину
около 1.50 м менее, чем глубина приникновения в грунт нулевой изотермы
при оголенной поверхности. Поэтому при укладке водоводов на глубине
1,5 м. вместо глубины большей, чем глубина проникновения нулевой изо-
термы получается экономия в 'Стоимости строительства в сумме 24- 12-2=*
= 576 « 580 тыс. руб. (см. главу I).
ГЛАВА VIII
ЛИНЕЙНЫЕ СООРУЖЕНИЯ
К линейным сооружениям, входящим в состав водоводов, от-
носятся камеры и колодцы; переходы через железные дороги
и шоссейные пути; переходы через реки, .каналы, овраги; упоры;
искусственные основания.
Для обслуживания водоводов, особенно имеющих большое
протяжение, часто устраиваются также специальные системы
сигнализации, дороги, связь, а также блок-посты для обходчиков.
1. КАМЕРЫ И КОЛОДЦЫ
Устраиваемые на водоводах камеры и колодцы предназна-
чаются преимущественно для размещения задвижек, служащих
для выключения участков водоводов, ответвлений и отдельных
ниток водоводов. Кроме того, в камерах и колодцах располага-
ются вантузы, выпуски, предохранительные и обратные клапа-
ны, сигнализаторы. Камерами принято называть колодцы боль-
ших размеров, в которых имеется оборудование, требующее от-
носительно частого его осмотра. Размеры, форма и материал
камер и колодцев могут быть весьма различны в зависимости
от диаметра водоводов, схемы коммуникаций, вида оборудова-
ния, гидрогеологических условий,, наличия тех или иных строи-
тельных материалов. В целях возможно большего удешевления
строительства при проектировании надо стремиться к макси-
мальному использованию местных строительных материалов и
компактному расположению необходимого оборудования. Для
ускорения строительства путем механизации строительных работ
большое значение имеет применение типовых камер и колод-
цев, а также сборных строительных конструкций. Следует обра-
щать особое внимание на удобство эксплуатации оборудования,
размещенного в колодцах.
Расстояние от фланцев фасонных частей и арматуры до сте-
нок колодцев рекомендуется принимать не менее 25 см, высоту
от пола до трубы — не менее 20 см.
203
На рис. 93 изображен типовой круглый кирпичный колодец
диаметром 2 м, сооружаемый в сухих грунтах. Колодец имеет
конусное перекрытие. Из условий обеспечения допустимого свеса
рядов кирпича высота hi конической части должна быть не ме-
нее определенной величины (для колодца диаметром 2 м — не
менее 132 см). Высота h2 определяется размером задвижек.
Кирпичная кладка колодца обычно ведется на смешанном
растворе марки 50. Дно колодца выполняется из кирпича, уло-
женного плашмя на щебеночной подготовке, пролитой смешан-
ным или известковым раствором. Отверстия для прохода труб
заделываются кирпичом на глине. При малом1 размере колодцев
часто целесообразно устраивать их из бетонных колец. Нижнюю
часть делают из кирпича или набивают на месте из бетона.
На рис. 94 пока&ан сооружаемый в сухих грунтах колодец
диаметром 1,5 м с верхней частью из бетонных колец и нижней
Рис. 93. Кирпичный колодец с конусным
перекрытием
Рис. 94. Колодец из бетонных ко-
лец с нижней частью из кирпича
кирпичной. В тех случаях, когда размеры кирпичных колодцев
в плане значительны, конусное перекрытие нерационально из-за
необходимости увеличения высоты колодца. Поэтому для таких
колодцев применяется перекрытие в виде усеченного конуса,
покрываемого железобетонными сборными стандартными эле-
ментами. На рис. 95 представлен круглый кирпичный колодец
диаметром 2,5 м с перекрытием из сборных железобетонных эле-
ментов четырех типов.
В практике строительства большей частью приходится встре-
чаться с периодически или постоянно мокрыми грунтами. В этом
случае должны быть устроены колодцы с водонепроницаемыми
стенками и днищем и должны быть обеспечены особая плот-
ность заделки в месте прохода труб через стенки колодца, проч-
ность днища против гидростатического давления снизу и устой-
чивость на всплывание. Особо высокие требования в отноше-
нии водонепроницаемости предъявляются при установке в колод-
цах аппаратуры с электрическими контактами. Иногда необхо-
204
димо принимать меры и против агрессивного’ воздействия грун-
товых вод.
В зависимости от продолжительности и высоты стояния грун-
товых вод, вида размещаемого оборудования и пр. материал
колодцев, а также и меры
гидроизоляционной защи-
ты могут быть различны.
Если горизонт воды не-
высок, т. е. напор ее не
особо значителен (до
0,7—1,0 м) и она появ-
ляется только периодиче-
ски, то можно применять
кирпичные же колодцы с
гидроизоляцией, так как
для оборудования (напри-
мер, для задвижек с руч-
ным управлением) крат-
ковременное наличие не-
Рис 95. Кирпичный колодец с перекрытием
из сборных элементов
1 — сборный элемент типа 1; 2 — то же, типа 2 и 3;
3~то же, типа 4
большой сырости не пред-
ставляет опасности. Типы гидроизоляции могут быть различны.
На рис. 96 приведены два 'вида гидроизоляции большого кир-
пичного колодца, устраиваемого в мокрых грунтах. По <ва-
С)
Кирпичная клад{
на на цемент,
растворе.
Г. в. /
Мятая /
жирная pKt
глина-р ч -
-3 -
20
38
М2 слоя горячего
Д битума
J по штукатурке
__200.
Цементная штукатурка
с церезитам 3=1,5___
-------~300---------
Цементная штука -
турка 1,5
ГВ
пат
- . 3-’
-4- Мятая жирн.
( „ глина ‘
136
Днище бетонноемарки.ЭО
Стяжка цементная с церезитомЗ-3
Подготовка щебеночная 3-10 __
Днище бетонное марки 90
2 слоя горячего битума
Стяжка цементная 3-3
Подготовка щебеночная В=10<
Рис. 96. Кирпичный колодец для мокрых грунтов
а—гидроизоляция штукатуркой с церезитом; б—гидроизоляция битумом и глиной
рианту а защитой от проникновения воды в основном служит
цементная штукатурка с церезитом, а по варианту б — цемент-
ная штукатурка, покрываемая двумя слоями горячего битума
с обкладкой мятой жирной глиной.
205
Места прохода труб через стены защищаются толстым слоем
глины, а при большом притоке воды и возможности осадки
колодца на трубах устанавливаются сальники. Толщина бетон-
ного днища должна быть рассчитана на восприятие напора грун-
товой воды. Вместо бетонного может быть устроено железобе-
тонное днище. При эксплуатации колодцы, находящиеся в мок-
Приямок
Тощий бетон
Рис. 97. Железобетонная прямоугольная камера, устраиваемая
в затопляемой пойме реки
рых грунтах, должны осматриваться более часто; накопившаяся
на дне их вода должна откачиваться, ч1тобы оборудование было
сухим.
Камеры больших размеров при значительном подпоре грун-
товой воды обычно выполняются из железобетона.
На рис. 97 показана для примера крупная прямоугольная
железобетонная камера, устраиваемая в. затопляемой пойме
реки. Высокая степень водонепроницаемости достигается моно-
литной конструкцией всей камеры, оклеенной изоляцией стен
и днища, а также заделкой ребристых патрубков в местах про-
хода труб через стенки. Люки герметические. Отмостка выве-
дена выше горизонта высокой воды.
206
На рис. 98 показана кирпичная прямоугольная камера боль-
ших размеров, в которой размещены три задвижки диаметром
600 мм и вантуз. Значительные размеры арматуры и фасонных
частей не позволяют выполнять демонтаж и монтаж их через
люки обычного размера, поэтому часть перекрытия сделана из
съемных железобетонных плит.
На водоводах большого диаметра в ряде случаев^ целесооб-
разно устраивать специальные, так называемые ремонтные от-
Размерь! b мм
Рис. 98. Кирпичная прямоугольная камера с частично съемным
перекрытием
верстия для доступа внутрь трубопроводов в целях их осмотра
и ремонта. Над ремонтными отверстиями устраиваются колодцы
небольших размеров. При этом водовод может лишь частично
выступать в колодец (рис. 99).
. 2. ПЕРЕХОДЫ ПОД ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫМИ
И ШОССЕЙНЫМИ ПУТЯМИ
Водоводы при пересечении с железнодорожными и шоссей-
ными путями, как правило, проходят под ними. Лишь в исключи-
тельных случаях при пересечении путей водопроводные линии
прокладываются в путепроводах или на специально устраивае-
мых эстакадах.
В месте перехода под железнодорожными путями, а во мно-
гих случаях и под шоссейными, обычно водовод заключается
207
Рис. 99. Колодец над "смотровым отверстием Рис. 101. Деталь расположения стальной трубы диаметром 350 мм
крупного водовода в кожухе диаметром 600 мм
в стальной кожух-футляр, как показано на рис. 100. В тех слу-
чаях, когда переход должен быть устроен без нарушения движе-
ния по железнодорожному или шоссейному пути, кожух прокла-
дывается путем проталкивания его в грунт мощными домкра-
тами. По концам кожуха устанавливаются колодцы. В колодце,
находящемся ниже по уклону, устраивается выпуск. Кожух имеет
два назначения: он предохраняет трубопровод от раздавлива-
ния, а в случае аварии с трубопроводом по нему отводится
^Отм.ш.рмьса ^елезиодорожное
полотно
Водопроводная труба д=200мм
(Железобетонная рубашка 6= 10
Гидроизоляция б
{Железобетонные блоки 6=25
Рис. 102. Проходной тоннель круглого сечения
вода в колодцы, что предохраняет путь от размыва. В зависи-
мости от местных условий вода выходит из колодца самотеком
или откачивается.
Диаметр кожуха обычно принимается на 200—300 мм больше
диаметра водовода. На трубопровод при помощи хомутов при-
крепляются ползунки из круглой арматурной стали (рис. 101),
необходимые для облегчения передвижения трубопровода при
укладке его в кожухе.
Некоторым недостатком переходов, укладываемых в кожу-
хах, является небольшое сечение последних, не позволяющее
вести постоянное наблюдение за состоянием труб.
В случае необходимости прокладки под железнодорожными
путями нескольких труб устраивают тоннель, обычно про-
ходной.
Пример тоннеля круглого сечения диаметром 3 м показан
на рис. 102. Тоннель устроен способом щитовой проходки.
Стенки тоннеля выполнены из железобетонных блоков толщи-
ной 25 см, а по ним наклеивается гидроизоляция, после чего
И С. И. Аронов
209
делается железобетонная рубашка толщиной 10 см. В тоннеле
уложены три водопроводные линии диаметром 350 мм, одна диа-
метром' 200 мм и два электрокабеля. Трубы уложены на метал-
лические полки, а кабели подвешены на крюках. В середине
тоннеля имеется проход шириной около 1 м, позволяющий вести
осмотр и необходимый ремонт. Для большего удобства смены
труб и доставки материалов в верхней части тоннеля установ-
лен монорельс с «кошкой» грузоподъемностью 0,5 т. Пол тон-
неля расположен на 6,9 м ниже линии л
Рис. 103. Проходной тоннель прямоуголь-
ного сечения из монолитного железобетона
полотна железной дороги.
Щитовая проходка позво-
ляет осуществить устрой-
ство тоннеля без переры-
ва движения на железной
дороге. В ряде случаев
бывает необходимо уст-
роить проходной тоннель
большого сечения, обычно
прямоугольного. Устрой-
ство такого тоннеля воз-
можно только открытым
способом. Такой способ
относительно дешев и
прост, если трубы прокла-
дываются на небольшой
глубине, а железнодорож-
ные пути или еще не проложены или допускается длительный
перерыв движения по ним. На рис. 103 показана схема моно-
литного железобетонного тоннеля высотой 1,8 м и шириной
3,1 м, в котором уложены два водовода диаметром 600 мм. При
•наличии грунтовых вод устраивается гидроизоляция путем' нане-
сения водонепроницаемой штукатурки, или оклеенная с тонкой
защитной кирпичной стенкой. t
При пересечении водоводом пути (обычно внутриплощадоч-
ного), допускающем временное выключение, переход может вы-
полняться без принятия каких-либо специальных мер защиты
пути и водовода. Требуется лишь укладка под путем труб соот-
ветствующей механической прочности (обычно стальных), рас-
считанных на воздействие подвижной нагрузки. По обеим сторо-
нам пути устанавливаются задвижки, перекрываемые в случае
аварии, после чего производятся отрытие и ремонт линии.
3. ПЕРЕХОДЫ ЧЕРЕЗ РЕКИ, КАНАЛЫ И ОВРАГИ
Пересечение рек, каналов или оврагов может производиться
путем укладки труб под ними в виде дюкера или над ними.
Существенное преимущество первого способа заключается
в скрытности сооружения. Во избежание повреждения якорями
судов, а при мелких водоемах и во избежание замерзания дю-
210
oi'st u и
ониц)9'и
Ol)'£l)iOl
OO'M
Oo'i
os's-
OSDlOZ'S
0301 os's
0011Il'S
ooiioz'g-^-
co'oi ог'в—
09'0119'1^
- 03'11
~ OSOl 98'8
!' ! h
ози
os'ei 18’of^-
08'81
oo'v
S S
--------030103'0 —
------ooeiis'oi—
oo'u
oo'u^
oolt—
Рис. 104. Дюкер из двух линий стальных сварных труб rf=500
4
керы укладываются таким образом, чтобы от верха трубы до
дна реки было не менее 0,7 м. Для устройства перехода должно
быть выбрано такое место, где не происходит подмыва дна и бе-
регов, опасного для прочности дюкера. Следует иметь в виду, что
Рис. 105. Дюкер из двух линий на одиночном водоводе
ремонтные подводные работы весьма сложны и дороги и для их
производства может потребоваться выключение дюкера, что не
всегда возможно по условиям работы водовода. При прокладке
Рис. 106. Подвеска трубы диаметром
200 мм под пешеходной частью моста
/—хомут; 2-кожух из кровельной ста >и;
3—деревянн .ie бруски; -/—утепление войло-
ком; 5— труоа диаметром 200 мм
водоводов в две и более ниток
число дюкеров обычно прини-
мается равным числу водово-
дов. На рис. 104 показан дю-
кер из двух стальных трубо-
проводов, представляющих со-
бой части параллельных водо-
водов.
По обеим сторонам дюкера
расположены колодцы с обору-
дованием, позволяющим произ-
водить переключение и опо-
рожнение линий. Часто в верх-
нем из этих колодцев устанав-
ливаются вантузы. Расстояние
между линиями дюкера при-
нимается не менее расстояния
между линиями водовода. При
значительных диаметрах водо-
вода диаметр дюкера может быть несколько меньше, чем диа-
метр водовода. Это снижает стоимость сооружения, увеличенные
же скорости противодействуют зарастанию; небольшое увеличе-
ние потерь напора на коротком участке несущественно.
При прокладке одиночного водовода дюкер при’переходе че-
212
рез реку устраивается обычно из двух линий (рис. 105). Если
водовод может быть выключен на некоторое время, то можно
дюкер не дублировать.
При необходимости проложить через реку водовод неболь-
шого диаметра часто используются существующие мосты, к ко-
торым подвешивается трубопровод. На рис. 106 показан пример
подвески трубопровода диаметром 200 мм под пешеходной
частью железобетонного моста.
Рис. 107. Мостик для прокладки водовода диаметром 200 мм,
пересекающего арык
1—мостик из угловой стали 50x50x5 мм и рифленой стали толщиной
6 мм; 2—перила и стойки из газовых труб диаметром 19 мм; 3—кожух из
труб диаметром 400 мм; 4—бетонные опоры 60X 90 см
При пересечении глубоких оврагов, арыков, небольших кана-
лов водовод иногда целесообразно прокладывать по специаль-
ным мостикам или эстакадам, которые используются также для
пешеходного движения. На рис. 107 показан мостик длиной 8 м
и шириной 1 м, по которому проложен водовод диаметром
200 мм, пересекающий арык. В некоторых случаях прокладка
водоводов даже большого диаметра не может быть выполнена
в виде дюкеров. Тогда приходится возводить довольно крупные
мосты и эстакады той или иной конструкции, по которым и
укладываются водоводы; иногда эти же мосты используются для
движения пешеходов и транспорта. Есть примеры устройства
водоводов через реки в виде арок [20].
4. УПОРЫ
В тех случаях, когда прочность и плотность соединений труб
при работе или испытании водоводов недостаточны, должны
быть приняты меры к уменьшению сил, действующих на соеди-
213
нения. Одной из таких мер является сооружение упоров, воспри-
нимающих действующие на трубу силы и предохраняющих та-
ким образом стыки от повреждения (раскрытия). Для трубо-
проводов' со сварными соединениями, которые обладают обычно
достаточной' прочностью, упоры необходимы лишь в исключи-
тельных случаях. При раструбных стыках трубопроводов упоры
устанавливаю гея. главным "
образом, на крутых поворо-
тах-в гор и зонта л ьной или
вертикальной плоскости и на
концах тупиков. Кроме того,
иногда‘упоры могут требо-
ваться на тройниках со сто-
роны, противоположной от-
ростку для восприятия реак-
тивного усилия.
Рис. 109. Упор на повороте трубопро-
вода в горизонтальной плоскости
Рис. 108. Схема действия сил
на упор
Как видно из схемы действия сил (рис. 108), усилие от гид-
ростатического напора, передающееся на упор, расположенный
в месте поворота, составляет
S = 2Psin — = 2po)sin-|- , (VII. I)
где Р — наибольшее возможное внутреннее давление (обыч-
но во время испытания);
а —угол поворота;
р —- внутреннее давление, отнесенное к единице площади
сечения трубы;
® — площадь, поперечного сечения трубы.
Усилием от скоростного напора за незначительностью его
обычно пренебрегают.
При малых углах поворота (5—10°) и небольшом внутреннем
давлении давление на упор, определяемое формулой (VII.1),
214
обычно столь мало, что его воспринимает грунт с допустимыми
напряжениями и деформациями, почему устройства упоров мо-
жет не требоваться. Материалами для упоров могут быть бут,
бетон, железобетон, кирпич. Предпочтительнее использовать
местный наиболее дешевый материал, обычно бут.
Упор следует устраивать таким образом, чтобы он вплотную
примыкал к ненарушенному грунту, непосредственно передавая
Рис. НО. Упор при повороте трубопровода вниз
усилия на него. Если между упором и грунтом образуется щель,
то она должна быть заполнена бетоном.
Участок трубы, примыкающий к упору, должен плотно при-
касаться к нему и в то же время обладать способностью осажи-
ваться независимо от упора. Последнее достигается устройством
деформационного шва.
На рис. 109 показана конструкция упора при повороте тру-
бопровода в горизонтальной плоскости.
При повороте трубопровода в вертикальной плоскости вниз
упор собственным весом и весом лежащей на нем земли должеи
противодействовать возникаю-
щим усилиям. Пример соответ- J —(Гг~г\
ствующей конструкции бетон- f 11 О
ного упора приведен на рис. 110. Т Л.
При повороте в вертикальной ____________~ —и-»1—'
плоскости вверх также возни- J--------- - -k J-°-°”Z-‘yL
кают усилия, но направленные
вниз. Они должны восприни- Рис. 1Ц. Упор при повороте трубо-
маться грунтом с таким расче- провода вверх
том, чтобы напряжения и де-
формации грунта не превосходили допустимых и не происходило
раскрытия стыков. На рис. 111 показан пример упора, устанав-
ливаемого в этом случае.
Расчет упоров производят, исходя из следующих условий:
1) давление на грунт, передаваемое рабочей плоскостью
упора, не должно превосходить допускаемого;
21Я
2) во избежание выпирания грунта давление упора должно
быть менее пассивного отпора грунта;
3) толщина и остальные размеры упора должны быть та-
кими, чтобы напряжения в кладке не превосходили допускаемых;
4) деформация грунта под действием упора не должна пре-
восходить такой величины, которая вызывает нарушение плот-
ности и прочности стыков;
5) при направлении силы вверх вес упора и лежащей на нем
земли должен превышать эту силу.
Для наиболее часто встречающихся в практике случаев по-
ворота в горизонтальной плоскости размеры рабочей плоскости
упора, непосредственно примыкающей к грунту, предварительно
назначают, исходя из первого условия. Площадь рабочей плос-
кости упора при этом составит:
Г= —, (VI. 2)
а
где а — допускаемое давление на грунт, принимаемое по табл.
63, содержащей некоторые данные, применительно к
нормам и техническим условиям МСПТИ проектиро-
вания естественных оснований промышленных и граж-
данских зданий (Н и ТУ-6-48). При этом рабочее
внутреннее давление считается как основное силовое
воздействие, а испытательное давление, как особое си-
ловое воздействие.
Таблица 63
Допускаемое давление на грунт
Грунты Допускаемые давления а в кг/см3
при рабочем внутрен- нем давлении при испытательном давлении
Скала сильно трещиноватая .... Мергели Щебенистые и галечниковые грунты Пески средней крупности Пески мелкие влажные Пески пылеватые, насыщенные во- дой Супеси при коэффициенте пори- стости: е = 0,5 е = 0,7 15,0-6,0 7,5-2,5 4,0—2,5 2,5 1,5 1,0 3-2,5 2,5—1,5 18,0-7,0 9,0-3,0 5,0-3,0 3,0 1,8 1,2 3,5-3,0 3,0-1,8
Суглинки при коэффициенте ристости: е = 0,5 ... £ = 0,7 ... пори- 3,0-2,5 2,5-1,8 3,5—3,0 3,0-2,0
Глины при коэффициенте пористо- сти: е = 0,6 е 0,8 е- 1,1 5,0-3,0 3,0-2,0 2,5-1,0 6,0-3,5 3,5-2,5 3,0-1,2
216
В целях исключения чрезмерных деформаций грунта реко-
мендуется брать нижние пределы значений □.
Затем назначают остальные размеры упоров с последующей
проверкой, исходя из других указанных условий. Пассивный
отпор грунта (второе условие) при вертикальном расположе-
нии рабочей плоскости упора может быть определен по фор-
муле £10]:
т - Qf + tg2 (45»- 7 (V - h*)fb 4-
+ V tg2 (45°+ -*-) [ (V ~(VII.3)
где Q — вес упора с лежащей на нем землей в т;
у —объемный вес грунта (в среднем 1,6 яг/ж3);
b — толщина упора в м\
I — длина упора в ж;
<р — угол внутреннего трения грунта (в среднем 25—35°);
Л2 — глубина заложения подошвы упора от поверхности
грунта в
hx — расстояние от верха упора до поверхности грунта в лг;
/— коэффициент трения кладки о грунт (в среднем 0,4—
-0,5).
Для удовлетворения второго условия должно быть выпол-
нено требование
т
(VII. 4)
Напряжения, действующие в кладке упора при расчете их по
третьему условию, не должны превосходить пределов проч-
ности, деленных на коэффициенты запаса.
В табл. 64 приводятся данные о пределах прочности некото-
рых видов каменной ,и бетонной кладки. При расчете конструк-
ций упоров к указанным пределам прочности должны быть вве-
дены коэффициенты запаса. Для расчета на случай внутреннего
рабочего давления коэффициент запаса можно принимать рав-
ным 3,0—3,5 и на случай испытательного давления — равным
2,0—2,5, относя нижние пределы к сжатию и верхние к растя-
жению при изгибе.
Четвертое условие требует, чтобы допускаемая у рабочей
плоскости упора деформация грунта не превосходила допусти-
мого перемещения крайнего стыка. Последнее обычно прини-
мается не более 0,2—0,3 см. Необходимо также, чтобы давле-
ние на грунт не превосходило 0,3 от коэффициента постели
грунта.
При отсутствии точных данных о величине коэффициента
постели грунта его предварительно можно принимать в среднем,
в пределах 3,5—6 кг!см3, относя меньшее значение к глубине
заложения подошвы упора около 2,0 м и большие — к глубине
4 - 5 м.
2|Г
Пределы прочности кладки
Таблица 64
Материал кладки
Предел прочности в кг) см?
(Кирпич и другие виды камня правиль-
ной формы марки 200 на растворе
марки 50 ..............................
То же, марки 100 на растворе марки 50 .
Бут из камня марки 200 на растворе
марки 50 ..............................
Камни слабых пород марки 15 на рас-
творе марки 10 ........................
Кладка из камней правильной формы на
растворе марки 50 .....................
Бутовая кладка на растворе марки 50 . .
Бетон марок:
ПО.....................................
70.................................
50.................................
ПО..................................
70.................................
50.................................
При сжатии:
40
30
18
8
При растяжении (при изгибе):
6
4
При сжатии:
88
56
40
При растяжении (при изгибе):
11
8,5
6,5
При расчете упоров, воспринимающих усилия, направлен-
ные вверх (пятое условие), требуется подбирать размеры упора
такие, чтобы был обеспечен коэффициент запаса 1,4—1,5 [201.
Упоры, воспринимающие силу, направленную вниз, рассчи-
тываются подобно фундаментам зданий при допускаемой осадке.
Иногда упор располагают в колодце. Тогда стенка колодца,
к которой непосредственно примыкает упор, рассчитывается на
продавливание, а весь колодец в целом — на допустимое пере-
мещение.
При слабых грунтах водоводы укладываются на искусствен-
ные основания, представляющие собой бетонные подушки или
.ростверки разных типов. Размеры и конструкции таких основа-
ний определяются по расчету, аналогичному расчету упоров.
ГЛАВА IX
СОСТАВ И ОБЪЕМ ПРОЕКТОВ ВОДОВОДОВ
1. СОСТАВ И ОБЪЕМ ПРОЕКТОВ ПО СТАДИЯМ
Проекту водоводов являются составной частью общего про-
екта водоснабжения объекта (промышленного предприятия или
населенного пункта). Проект водоснабжения в свою очередь
в большинстве случаев представляет собой часть проекта про-
мышленного предприятия или населенного пункта. Поэтому тре-
бования, предъявляемые к проектам водоводов, вытекают из
установленных правительством требований, предъявляемых к
проектам объектов.
В соответствии с установленными правилами проектирование
может проводиться по двум или по трем стадиям. При проекти-
ровании по двум стадиям составляются проектное задание со
сводным сметно-финансовым расчетом (первая стадия) и рабо-
чие чертежи (вторая стадия). Проектирование по двум стадиям
ведется при возможности широкого использования типовых про-
ектов и типовых решений или повторного использования имею-
щихся экономичных проектов аналогичных предприятий, зда-
ний и сооружений.
При проектировании по трем стадиям составляются проект-
ное задание со сводным сметно-финансовым расчетом (первая
стадия), технический проект со сводной сметой (вторая стадия)
и рабочие чертежи (третья стадия). Проектирование по трем
стадиям ведется при отсутствии возможности использования ти-
повых и имеющихся экономичных проектов, при проектировании
предприятий с новым неосвоенным производством или сложным
технологическим процессом, при проектировании зданий и со-
оружений особой строительной сложности, а также при проек-
тировании объектов жилищно-гражданского строительства вы-
дающейся архитектурной значимости.
При проектировании по трем стадиям крупных промышлен-
ных предприятий, а также комплексов жилищно-гражданского
строительства, возведение которых предусматривается в течение
ряда лет, технические проекты должны разрабатываться на от-
дельные производства, цехи, объекты, здания и сооружения по
очередям строительства ближайших 2—3 лет.
219
Согласно действующим правилам, проектное задание
имеет целью выявить техническую возможность и экономиче-
скую целесообразность предполагаемого строительства в> данном
месте и в намеченные сроки. Оно должно установить основные
технические решения проектируемых объектов, общую стоимость
строительства и основные технико-экономические показатели.
Проектное задание должно содержать только те материалы
и данные, которые необходимы для обоснования основных тех-
нических решений проектируемых объектов' и определения их
стоимости и технико-экономических показателей строительства.
При проектировании по двум стадиям заказы на основное обо-
рудование производятся по данным' проектного задания.
В части водоводов в состав проектного задания должны вхо-
дить следующие чертежи:
а) план района в масштабе 1 : 25 000—1 : 50 000 с горизон-
талями соответственно через 5 или 10 м с нанесением общей
схемы водоснабжения, с указанием трасс и диаметров водово-
дов и очередности их строительства;
б) генеральный план предприятия или населенного пункта
в ^масштабе 1 :2 000—1 : 5 000 с горизонталями через 1—2 м
с нанесением всех водоводов и магистралей и указанием очере-
дей строительства (при двухстадийном проектировании);
в) схематические профили особо 'крупных по длине и диа-
метру водоводов с основными отметками, пьезометрическими
кривыми, с указанием длин, диаметров и глубины заложения
(как правило, лишь при двухстадийном проектировании).
Пояснительная записка в части водоводов должна содер-
жать:
а) обоснование числа ниток, диаметра их, материала труб;
б) определение потерь напора, скоростей движения воды;
в) обоснование выбранной глубины заложения;
г) соображения о мерах защиты от внешней и внутренней
коррозии;
д) выбор типов линейных сооружений;
е) предварительную спецификацию на трубы и основное обо-
рудование (при двухстадийном проектировании);
ж) сводный сметно-финансовый расчет стоимости.
В техническом проекте должны (быть детально проработаны,
принятые в проектном указании решения. Уточняются выбор и
количество оборудования, а также объем строительства. Выяв-
ляются технико-экономические показатели и окончательные дан-
ные, необходимые для заказа основного оборудования и разра-
ботки рабочих чертежей.
Технический проект разрабатывается для строительства пер-
вой очереди; для последующих очередей приводятся лишь схемы
сооружений и основные расчетные данные.
Чертежи технического проекта должны быть составлены на-
столько подробно, чтобы они давали полное представление о со-
220
оружени'И и чтобы по ним можно было составить смету. На них
должны быть указаны объемы работ и приведены спецификации
на строительные детали и оборудование.
В отношении водоводов должны быть составлены следую-
щие чертежи:
а) план района в масштабе 1 : 2 500—1 : 5 000 с горизонталя-
ми соответственно через 5 или 10 м с. нанесением уточненной по
сравнению с проектным заданием общей схемы водоснабжения
и трасс водоводов;
б) генеральный план предприятия или населенного пункта
в масштабе 1 :2 000—1 : 5 000 с горизонталями через 1—2 м
с занесением всех водоводов и магистралей;
в) профили крупных водоводов строительства первой очереди
в масштабах горизонтальном 1 :2 000—1 :5 000 и вертикальном
1 : 200—1 : 500 с показанием полосы трассы, геологических дан-
ных в характерных точках, пьезометрических кривых, материала
и диаметров труб, глубины их заложения, деталировки, типа
противокоррозийной изоляции, местоположения линейных соору-
жений, объема работ на трубы с фасонными частями и армату-
рой.
На плане или профиле должны быть приведены специфика-
ции на трубы, фасонные части и арматуру.
г) чертежи основных линейных сооружений крупных камер,
дюкеров, переходов под железнодорожными путями в масштабе
1 : 100—1 : 50 с указанием объемов работ и со спецификациями
оборудования;
д) схемы и основные детали устройств телеуправления, катод-
ной защиты, линейной связи.
Пояснительная записка должна содержать все необходимые
данные и основные расчеты, обосновывающие выбранный тип,
размеры и конструкцию сооружений и их элементов. В поясни-
тельной записке должны быть обоснованы соответствующими
расчетами выбранные диаметры, число ниток, глубина заложе-
ния водоводов. В записку должны быть включены необходимые
данные, полученные в результате изысканий и специальных
исследований.
Кроме того, в записке должны быть описаны выбранные
типы линейных сооружений, антикоррозийной изоляции по от-
дельным участкам трассы, устройства для телеуправления, ка-
тодной защиты, связи, проектируемые дороги. Приводится также
описание методов производства работ по сооружению сложных
линейных сооружений.
При особых условиях эксплуатации (например, переключе-
ние водоводов в целях повышения теплоты трения) должны
быть приложены соответствующие инструкции, устанавливаю-
щие режим эксплуатации водоводов.
Рабочие чертежи, относящиеся к проекту водоводов, должны
содержать:
221
а) подробные планы трасс в масштабе 1 : 1 000—1 :2 000
с топографической съемкой полосы отвода, указанием располо-
жения всех колодцев и других линейных сооружений, ведо-
мостью координат колодцев и углов поворота трассы, детали-
ровкой фасонных частей;
План
трассы
Деталировка
й U0растит.слои
Коррозийность
Коррозийность низкая
ЗРмергелистая ।
|ъ I глина | I
^Коррозийность низкая
t III
УкЛОурЩ^—--
' -расстояния
Красные отметки
(низ трубы)
Черные
отметки
Расстояния
L = 10 050,0
fl20'растит слой
суглинок
мергелистая глина
tjff'co щебнем избест-
ня на и мергеля
\70fl \50fl5Sfl\60fl\ 85,0 2^,50,о\ 70,0 \ 65,0^ 65,0 \60,0\ ZUpO ' j
0=2x60055 ' 1=300,0______JP‘ 1=Ь35,О, 3=2*600
~N5~s=fl^'= N^i
N7
>—N6-
n 3=500
I 8=500
Ba; 'тузы d=50
с двойным клапаном
8=600
8=600
Выпуск 5=200
Вантузы d=50
с двойным кто. ;анам
Рис. 112. Профиль водовода
б) профили водоводов в масштабе горизонтальном 1 : 1 000—
1 :2 000 и вертикальном 1 : 100—1 : 200 с указанием геологиче-
ских разрезов в характерных точках и коррозийных свойств
грунтов на разных участках; указываются также расположение
всех линейных сооружений, их отметки и основные размеры. На
плане или на профиле приводится ведомость координат колод-
цев и углов поворота;
в) рабочие чертежи колодцев, дюкеров, переходов и других
линейных сооружений в достаточно крупном масштабе (1 :20—
1 :50);
г) чертежи устройств управления водоводами, катодной за-
щиты, связи, дорог в масштабах, достаточных для производства
работ;
д) чертежи предметов нестандартного оборудования.
К рабочим чертежам должны быть приложены записка
с уточненными расчетами и данными по гидравлическим1 и тер-
мическим условиям работы и по обоснованию глубины заложе-
ния водовода, а также уточненные спецификации оборудования
и ведомости объемов работ.
На рис. 112 представлен пример рабочего чертежа профиля
чугунного водовода из двух ниток диаметром 600 мм.
При стальных водоводах под профилем даются дополнитель-
ные графы, где приводятся сведения о степени коррозийности
грунтов и принятом типе изоляции.
2. ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
К числу основных данных, необходимых для проектирования,,
относятся:
1) расчетные расходы воды по очередям развития водопро-
вода и временам года; коэффициенты неравномерности;
2) назначение водоводов в схеме водоснабжения; наличие
резервных емкостей, их величина абсолютная и по отношению
к суточному расходу воды; возможные последствия прекраще-
ния питания водой объекта и его частей 1 на тот или иной срок;
3) допустимое аварийное уменьшение расхода воды, проте-
кающей по водоводам; наличие резервных источников питания
водой и энергией;
4) состав и основные особенности транспортируемой воды
(PH, количество взвеси, солевой состав, коррозийные свойства);
5) характеристика агрегатов, устанавливаемых в насосных
станциях, питающих водоводы;
6) топографическая съемка трассы;
7) геологическая и теплофизическая характеристика грунтов*
по трассе (минералогический состав, пористость, влажность, теп-
лопроводность, пучинные свойства) в характерных пунктах в раз-
ное время года;
8) коррозийные свойства грунтов, в частности электропрово-
димость;
9) условия производства земляных работ и сведения о меха-
низмах, которые могут быть использованы для строительства:
10) данные для исчисления стоимости прокладки водоводов»
а также затраты труда;
11) сведения о наличии местных строительных материалов»
а также сведения об условиях получения утепляющих материа-
лов для водоводов и сооружений на них;
1 Данные этого пункта выявляются при составлении общего проекте
водоснабжения объекта.
223
12) температура воды в источнике водоснабжения в разное
время года или в начале водовода, либо в разных точках водо-
забора (на разной глубине). Возможность шугохода в реке и
образования внутриводного льда в водоводах;
13) абсолютные значения и пределы допустимого изменения
температуры воды зимой и летом в конечных пунктах водовода;
14) многолетние среднемесячные температуры воздуха в рай-
оне строительства; отклонения от них в отдельные годы;
15) глубина проникновения в грунт нулевой изотер’м'ии (наи-
•большая, средняя, наименьшая) при оголенной и естественной
поверхности в характерных пунктах трассы, где меняется вид
грунтов и их состояние; температура отдельных слоев грунта:
зимняя — в условиях центральной и северной полосы, летняя —
на юге;
16) характер покрова грунтов по трассе (трава, мостовая
и др.); плотность и толщина слоя снега в обычных условиях
эксплуатации; данные о возможности изменения покрова В' бли-
жайшие годы;
17) экспозиция склонов трассы по отношению к странам
•света; степень их обдуваемости и затененности;
18) сведения, о пересекаемых водоводами реках, каналах,
оврагах (поперечное сечение, устойчивость откосов, горизонты
воды и др.);
19) сведения о пересекаемых водоводами железных и шос-
сейных дорогах (профиль в месте пересечения, величина на-
грузки от транспорта); требования управления дороги к типу
переходов;
20) сведения о пересекаемых водопроводных, канализацион-
ных, газовых и других магистралях (отметки заложения, диа-
метр, особые требования в отношении устройств пересечения);
21) специальные требования в отношении расстояния между
нитками водовода, числа их, характера пересечения препятствий,
трассирования и др.;
22) сведения по эксплуатации водоводов и водопроводных
сетей, имеющихся в ближайших районах в отношении замерза-
ния, внешней и внутренней коррозии, просадок основания и пр.
Полнота данных зависит от того, для какой стадии проекти-
рования они требуются. Для проектного задания сведения по
пп. 4—9, 11—20, 22 могут быть приближенные, позаимствован-
ные в основном из справочной литературы, из отчетов о пред-
варительных обследованиях, из мелкомасштабных съемок и т. п.
Более полные данные необходимы для технического проекта.
Для рабочих чертежей требуются самые полные сведения, дол-
жны быть произведены детальные топографические съемки,
шурфование и пр., причем по пп. 4, 7, 8, 13, 15 и 16 следуе!
проводить специальные натурные и лабораторные исследования.
Программа этих исследований зависит от местных природных
условий, диаметра, длины и назначения водоводов.
224
ПРИЛОЖЕНИЕ /
Среднемесячная температура воздуха за холодный период года
по многолетним наблюдениям в различных пунктах СССР1
Пункты Среднемесячная температура воздуха по месяцам
Октябрь Ноябрь Декабрь Январь Февраль Март А пре л 1,
В Европейской части СССР и на Урале
Астрахань .... 4-9,7 +2,2 3,0 - 7,1 — 5,1 + 0,4 + 8,6
Барнаул : . . . . + 1,4 —8,5 14,6 -17,6 - 16,1 —10,3 +0,3
Вологда +2,5 4,2 9,5 - 12,0 - 10,3 - 5,3 + 2,1
Горький +3,7 -3,8 - 9,2 12,1 -- 8,9 - 4,9 + 3,9
Гурьев +7,9 —0,1 - 5,5 - 10,5 — 8,9 — 2,5 + 8)2
Златоуст .... +0,1 —7,5 -13,2 - 15,8 — 13,4 — 8,1 + 0,7
11ваново +3,3 — 8,6 - 9,1 -12,0 - - 9,0 — 5,0 + 3,4
Казань +3,4 +5 -10,3 -13,6 -11,5 - 6,2 +3,5
Киров + 1,1 -6,8 -12,3 -15,1 — 12,3 — 7,0 + 1,6
Курск +5.7 —1,4 - 6,4 — 9,3 — 7,8 - 9,3 +5,3
Ворошиловград . + 8,1 + 1,1 - 3,5 7,0 - 5,3 - 0,1 + 8,4
Москва +3,7 -2,3 -- 7,5 -10,8 — 9,1 — 4,8 +3,4
Молотов .... + 1,0 -7,4 —13,1 -16,0 -12,8 — 7,0 + 1,8
Орел + 5,1 — 1,8 — 6,8 — 9,8 - 8,3 — 3,9 + 4,6
1 М. Н. Гольдштейн, В. С. Лукьянов. В. 11. Нечаев.
В. П. Пономарев, Сооружение земляного полсина в зимнее время,
Трансжелдориздат, 1916 г.
15 С. Н. Аронов 226
ирииилжение приложения /
Пункты Среднемесячная температура воздуха по месяцам
Октябрь Ноябрь Декабрь Январь Февраль Март | Апрель
Ростов-на-Дону . + 1,8 + 2,3 — 2,5 - 1,1 — 4,0 + 1,0 +9,0
Саратов +6,51 - 1,57 — 7,43 -11,0 — 9,5 — 4,3 +5,27
Свердловск . . . +0,4 — 7,8 -13,5 —16,2 —13,1 - 7,4 + 1,6
Смоленск .... +4,5 - 1,5 - 6,1 — 8,4 - 7,2 - 3,3 +4,2
Сталинград . . . +8,0 -0,0 - 5,8 - 9,9 - 7,8 - 2,4 +7,8
Тамбов +5,0 — 2,3 — 7,7 -11,1 — 9,5 — 4,6 + 4.9
Умань +7,6 + 0,9 — 3,3 - 6,1 - 4,8 - 0,2 + 6,8
Харьков +6,9 + 0,2 - 4,8 — 7,7 - 5,0 - 1,2 + 7,0
Чкалов В Азиатской части СССР +5,1 -1,8 - 6,8 - 9,8 - 8,8 — 3.9 + 4,6
Акмолинск . . . + 1,7 - 7,3 -13,6 —17,0 -16,5 —11,0 — 0,9
Алма-Ата .... +7,2 — 0,3 - 5,6 - 8,6 - 7,5 — 0,2 + 9,6
Енисейск .... -1,3 —12,5 —20,2 -22,2 -18,2 —10,6 — 1,4
Иркутск -0,3 —10,7 -18,2 —20,9 -18,5 —10,3 + 0,4
Минусинск . . . 4-1,0 - 9,0 — 16,5 -19,7 -17,9 —10,3 + 2,3
Омск +0,9 — 9,4 -16,1 -19,6 -17,6 -11,6 — 0,1
Семипалатинск +3,5 — 6,4 —12,7 —16,0 -15,8 — 9,9 + 3,0
Томск —0,1 -10,7 -16,9 -19,4 -16,6 -10,1 — 1,0
Тюмень +0,9 — 8,3 -14,3 -17,5 —14,3 — 8,1 + 1,7
Чита —1,7 -14,5 -24,1 -27,4 —22,3 —12,4 —
Якутск —8,0 -28,0 —40,0 -43,5 -35,3 -22,7 — 7,9
ПРИЛОЖЕНИЕ 11
Амортизационные отчисления и сроки службы трубопроводов
и сооружений на них
Наименование трубопровода или сооружения Срок службы в годах Процент амортизации
на вос- производ- ство на капи- тальный ремонт общий
Чугунные трубопроводы 50 2,0 0,8 2,8
Стальные трубопроводы 40 2,5 1,0 3,5
Асбестоцементные трубопроводы . . Бетонные, железобетонные трубо- 40 2,5 0,7 3,2
проводы 40 2,5 0,7 3,2
Колодцы каменные, бетонные . . . 40 2,5 1,0 3,5
22b
ПРИЛОЖЕНИЕ III
Стоимость 1 квт-ч электроэнергии в копейках, получаемой
от энергосистем Министерства электростанций СССР*
Наименование электроснабжающей организации При установленной мощности трансформаторов
50 ква и выше до 50 ква
Азэнерго 16,1 27,0
Арменэнерго 6,6 8,0
Астраханская ГРЭС 28,1 а
Баксанский комбинат 11,4 16,0
Барнаульская ТЭЦ 19,6 22,0
Белоруссэнерго ' 60,9 80,0
Брянский комбинат 27.5 33,0
Варзобская ГЭС 17,2 —
Воронежский комбинат 24,6 25.4
Главуралэнерго . • 15,0 32,0
Горэнерго 20,3 36,0
Грузэнерго 8,5 14,0
Дальэнерго 35,7 60,0
Днепрэнерго 8,5 10,0
Донбассэнерго 10,0 10,0
Иванэнерго 19,4 28,4
Казэнерго 15,7 30,0
Казахэнерго 36,6 42,0
Калининградэнерго 30,6. 57,0
Калининэнерго 30,1 35,0
Карагандаэнерго 18,7 30,0
Кемеровоэнерго 12,2 24,0
Киевэнерго 15,7 37,0
Кировэнерго 40,5 46,0
Колэнерго 6,1 15,0
Кондопожская ГЭС 8,3 15,0
Краснодарэнерго 21,5 25,0
Красноярскэнерго 25,2 30,0
Крымэнерго 21,7 41,0
Куйбышёвэнерго 15,2 35.0
Латвэнерго 22.2 75,0
Ленэнерго 21,6 19,0
Литовэнерго 60,2 100,0
Львовский комбинат 15,9 28,7
Мосэнерго 16,8 22,0
Николаевский комбинат 30,3 41,5
Новосибирскэнерго 12.0 20,0
Одесский комбинат 29,5 41,0
Омскэнерго 19,9 28,0
Пензенский комбинат 30,0 30,0
Ростовэнерго 10,5 20,0
Саратовэнерго 21,3 29,0
Севкаиэнерго 17,7 33.0
* Государственный комитет Совета Министров СССР по делам строи-
тельства, Инструкция о порядке пересчета единичных расценок на строи-,
тельные работы в цены, вводимые с 1 июля 1950 г., Строииздат, 1950,
15»
продолжение приложения Ш
I При установленной мощности
,, , I трансформаторов
Наименование элсктроснаожающеи г -г г г
организации 50 ква н выше до -50 ква
Сталинградский комбинат 10,8 22,0
Томский комбинат 20,6 27,0
Узбекэнерго (Ташкентский район) . 11,7 17,0
Узбекэнерго (Ферганский район) . . 18,9 23,0
Уфимэнерго 34,4 35,0
Харьковэнерго 14,4 35,0
Чебоксарская ГЭС 65,5 —
Чкаловэнерго 27,9 36,0
Эстонэнерго 42,9 100,0
Ярэнерго 20,8 35,0
Примечания. 1. Стоимость 1 квт-ч электроэнергии указана за уста-
новленную мощность трансформатора и дополнительную плату за каждый
отпущенный квт-ч активной энергии, учтенной счетчиком.
2. При установленной мощности трансформатора свыше 50 кеа стои-
мость 1 квт-ч, определяемая по двустйвочному тарифу Министерства элек-
тростанций, в настоящей таблице приведена к одноставочному тарифу.
ОСНОВНАЯ ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. А г р о cik ин И. И., Дмитриев Г. Т. и Пикалов Ф 11., Гидрав-
лика, Госэнергоиздат, 1950.
2. Андрпяшев М. М., Техника расчета водоводов и .водопроводных се-
тей, изд. Министерства коммунального хозяйства РСФСР, 1949.
3. Аронов С. Н„ О глубине заложена ! водопроводных труб, «Водоснаб-
жение и санитарная техника» № 10—11, 1940.
4. Аронов С. Щ Определение глубины заложения водоводов. Строй-
ная ат, 1950.
5. А р о н с А. А. и К у 1 а те л а д з е С. С., Теплопередача от неизолиро-
ванных труб в грунте в нестационарном состоянии, сборник «Проблемы
теплофикации», ОНТИ, 1936.
6. Б е л я е в Н. М., Сопротивление материалов, Изд. технико-теоретиче-
ской литературы, 1949.
7. Богословский П. А., Ледовый режим трубопроводов гидроэлектри-
ческих станций, Госэнергоиздат, 1950.
8. В а с и л ь е в И. С., Водный режим подзолистых почв, Труды почвен-
ного института им. В. В. Докучаева, т. XXXII, изд. Академии наук СССР,
1950.
9. ВНИИ Водгео, Указания к гидравлическому расчету металлических
-водопроводных труб больших диаметров, над. ВНИИ Водгео, 1950.
228
10. Водоснабжение промышленных йредприятий и населенных мест под
редакцией проф. II. Н. Гениева, ч. II, Кожинов В. Ф., Конюш-
ков А. М., Лобачев В. Г. и др., Водопотребление, водопроводные
сооружения и сеть, Гос стройиздат, 1938.
11. Вялов С. С. и Коган Л. Г., Решение некоторых теплотехнических
задач методами электрического моделирования, Известия Академии наук
СССР, отд. техн, наук № ,1, 1951.
12. Гениев Н. II., Таблицы для гидравлического расчета водопроводов.
Стройиздат 19 К.
13. Гениев II. II, Абрамов Н. Н. и Павлов В. И., Водоснабжение,
Стройиздат, 1950
14. Гольдштейн М. Н., Деформация земляного полотна и оснований
сооружений .при промерзании и оттаивании, Транажелдориздат, 1948.
15. Го л ь д шт р й н М. Н., Лукьянов В. С., Нечаев В. И., Пон о-
марев В. II.,Сооружение земляного полотна в зимнее время, Транс-
желд оризд ат, 194 7.
16. Жуков В. И., Пластифицированные битумные изоляционные покрытия
для стальных трубопроводов, Труды НИИСтройнефти, вып. II. Гостоп-
техиздат, 1951.
17. Жуковский Н. Е., О гидравлическом ударе в водопроводных трубах,
Изд. техникой еор-ети ческой литературы, 1949.
18. Инструкция <> порядке пересчета единичных расценок на строительные
работы в цепы, вводимые с 1 июля 1950 г., Стройиздат, 1950.
19. Камер штейн А. Г., Мероприятия по сохранению пропускной спо-
собности водопроводных труб, Стройиэдат, 1950.
20. Кожинов В. Ф„ Трубопроводы при пересечении водных протоков
и на поворотах трасе, изд. Министерства коммунального хозяйства
РСФСР, 1951.
21. Колосков П. И., Глубина зимнего промерзания почвы в Европейской
части СССР и Казахстане, «Мерзлотоведение», т. II, вып. 1, 1947.
22. Коню ш ков А. М._ Водоснабжение предприятий тяжелой промышлен-
ности, Стройиздат, 1950.
23. Крицкий С. Н., Менке ль М. Ф., Российский К. И., Зимний
термический режим водохранилищ, рек и каналов, Госэнергоиздат, 1947.
24. Л атышенков А. М. и Лобачев В. Г., Гидравлика, Госстрой-
издат, 1945.
25. Л е б е д е в А. Ф., Почвенные и грунтовые воды, изд. АН СССР, 1936.
26. Л е й б е н з о н Л. С., Руководство по нефтепромысловой механике,
ч. 1„ Гидравлика, ГНТИ, 1931.
27. Л у к ь я н о в В. С., Методика расчета глубины промерзания грунта.
Транажелдориздат, 1951.
28. Министерство строительства предприятий тяжелой индустрии, Времен-
ная инструкция на производство работ по укладке и ручной свайке
стальных трубопроводов внешних водопроводных сетей (И-151-50), Гос-
стройиздат, 1951.
29. Министерство строительства предприятий тяжелой индустрии. Времен-
ные технические условия на трубы железобетонные предварительно на-
пряженные, напорные и соединительные муфты к ним (ТУ-67-51), 1951.
30. Министерство электростанций СССР, Руководящие указания по проек-
тированию тепловых сетей, ГОНТИ, 1939.
31. Михайлов К. А. и Богомолов А. И., Гидравлика, гидрология,
гидрометрия, ч. I, Дор изд ат, 1950.
32. Михеев М. А., Основы теплопередачи, Госэнергоиздат, 1949.
33. М о с к в и т и н А. С., Механическое оборудование и арматура водопро
водов, Стройиздат, 1949.
34. Мош нин Л. Ф., Методы технико-экономического расчет водопровод
ных сетей, Стройиздат, 1950.
35. Овсянкин В. И., Железобетонные напорные грубы ('.i р<>йп.|да г, 1951
36. О хотин В. В., Грунтоведение, изд. ВТАКА, 1940.
229
7. Петруничев Н Н. и Шадрин Г. С., Определение тепловых по-
терь' трубопроводом, уложенным в мерзлый грунт, при установившемся
режиме, Известия НИИ Гидротехники, т. XXX, 1941.
8. Попов В. Н., Гидравлический расчет напорных трубопроводов, Гос
энергоиздат, 1950.
9. П р и к л о н с к и й К. А., Общее грунтоведение, Госгеологиздат, 1943.
0. П р и т у л а В. А., Катодная защита трубопроводов, Гостоптехиздат, 1949.
1. С и з о в В. Н., Строительные работы в зимнее время, Стройиздат, 1948.
2. Сумгин М. И., Качурин С. П., Толстихин Н. И., Тумель
В. Ф, Общее мерзлотоведение, изд. АН СССР, 1940.
3. С у р и н А. А., Гидравлический удар в водопроводах и борьба с ним,
ТрансжелдО'р.издат, 1946.
4. Технические условия на производство и приемку общестроительных и
специальных работ, т. II, Стройиздат, 1947.
5. Трощенко А. Н., Борьба с гидравлическим ударом на насосных
станциях и главных водоводах, «Слесарь-водопроводчик» № 4, 1936.
6. Флятау Р. С„ Гидравлические расчеты трубопроводов, Гостоптех-
издат, 1949.
7. Ф р о л о в Г. Ф., Задачник по метеорологии, Гидрометиздат, 1940.
8. Цикерман Л. Я., Защита трубопроводов, изд. Министерства комму-
нального хозяйства РСФСР, 1950.
9. Ц ы т о в и ч Н. А., О незамерзающей воде в рыхлых горных породах,
Известия АН СССР, Серия геологическая № 3, 1947.
Ю. Цытович Н. А., Сумгин М. И., Основания механики мерзлыхгрун
тов, изд. АН СССР, 1937.
> 1. Ч у д н о в с к и й А. Ф., Физика теплообмена в почве, Гостехиздат, 1948.
> 2. Ширин П. К., Магистральные стальные трубопроводы, Стройиздат,
1949.
> 3. Шубин Е. П., О тепловых потерях трубы, уложенной в грунт, Изве
стия ВТИ им. Дзержинского № 4, 1934.
54. Ш у б и н Е. П., Новые данные о теплопроводности грунтов, Известия
ВТИ им. Дзержинского № 3, 1935.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие.................................................. 3
Глава I. Общие сведения о водоводах
1. Значение водоводов в системе водоснабжения................. 5
2. Элементы водоводов......................................... 7
3. Расчетные нагрузки, нормы испытания........................ 8
4. Число ниток водоводов. Способы их переключения............ 10
5. Экономические показатели строительства.................... 15
Глава II. Трубы, их соединения и арматура на водоводах
1. Трубы и их соединения..................................... 20
2 Фасонные части........................,................... 38
3. Задвижка и обратные клапаны...........'................... 40
4. Вантузы и выпуски......................................... 47
Глава III. Гидравлические расчеты
1. Основные законы гидравлических сопротивлений при движении
воды по трубам.............................................. 57
2. Формулы и таблицы для гидравлического расчета............. 63
3. Местные сопротивления..................................... 71
4. Определение диаметра водоводов по экономическим скоростям . . 77
5. Совместная работа водоводов и насосных станций............ 82
6. Расчет переключений....................................... 90
7. Расчет вантузов и выпусков................................ 93
8. I идравлический удар и меры борьбы с ним.................. 97
Глава IV. Предохранение водоводов от зарастания и коррозии
1. Уменьшение пропускной способности водоводов в процессе экс-
плуатации ..................................................104
2. Борьба с зарастанием.................................... 107
3. Грунтовая коррозия стенок водоводов .................... Ill
4. Внешняя покровная изоляция................................115
5. Принципы катодной защиты..................................119
Глава V. Основные теплофизические свойства грунтов
1. Температура грунтов при естественном их залегании.........123
2. Физические особенности грунтов............................129
3. Теплопередача в грунтах...................................133
4. Промерзание грунтов.......................................138
б. Определение температуры грунтов по трассе водоводов . . 146
231
Стр.
Глава VI. Тепловые расчеты
1. Тепловые ресурсы источников водоснабжения................149
2 Теплота трения ......................................... 152
3. Определение потерь тепла и термических сопротивлений .... 159
4. Расчет температуры водовода..............................169
5. Определение продолжительности остывания воды ............173
6. Нагревание воды в теплом грунте..........................179
Глава VII. Трассирование и определение глубины заложения
1. Принципы трассирования и профилирования водоводов........181
2. Напряжения, возникающие в стенках водоводов при разной глу-
бине укладки под действием внутренних и внешних сил.........183
3. Основания водоводов......................................188
4. Определение глубины заложения водоводов..................190
5. Примеры определения глубины заложения водоводов..........196
Глава VIII. Линейные сооружения
1. Камеры и колодцы.........................................203
2. Переходы под железнодорожными и шоссейными путями .... 207
3. Переходы через реки, каналы и овраги.....................210
4. Упоры....................................................213
Глава IX. Состав и объем проектов водоводов
1. Состав и объем проектов по стадиям.......................219
2. Данные для проектирования................................223
Приложения..................................................225
Основная использованная литература..........................228
Редактор издательства С. Л4. Князева
Художник Г. В. Бекетов
Технические редакторы М. Н. Персон и К. П. Воронин
Подписано к печ. 12/Х-1952 г. Т-09727. Формат бум. 60X92*/^ --
- 7^4 бум.—14,5 печ. л. (16,24 уч.-изд. л.). Изд. № V1-8797. Заказ № 841.
Тираж 8000 экз. Цена 8 р. 10 к. Переплет 1 р.
Типография № 2 Гос. издательства литературы по строительству
и архитектуре. Ленинград, Бульвар Профсоюзов, 4.
ЗАМЕЧЕННЫЕ ОПЕЧАТКИ
Строка Напечатано Следует читать По чьей вине
22 сверху в руб. в тыс. руб. Автора
8 сверху Ст. 2 и Ст. 4 кг!мм2 Ст. 2 и Ст. 4 у
6 снизу 0,00124 0,00121 яг
2 снизу С 1 Ci 1 V
19 сверху т е !/~ Ро , 2го°> г г ' £8
19 сверху (Ш.48) (III. 58) м
20 сверху X = ... = 1,163 м/сек с = ... == 1 163 м/сек
21 21
22 сверху f “ X t = с •
4 сверху табл. 54. габл. 55. г»
20 сверху табл. 54, табл. 55, 9
3 сверху (VI. 25i) (VI. 26)
5 сверху (VI. 26) (VI. 251) •
9 сверху (VI. 39) (VI. 38) 9
22 сверху (VI. 26): (VI. 29): 9
6 сверху 1 : 2 500 — 1 : 5 000 1 -.25 000- 1 :50 000 9
з п
Utna S p. 10 A