Димитър Аличков, доц. д-р инж. d.alitchkov@abv.bg, Таня Игнева-Данова, гл.ас. д-р инж., igneva@mail.bg, Емил Цанов, гл.ас д-р инж., e.tzanov@mail.bg, Борислав Инджов, ас. инж. bindjov4525@abv.bg, УАСГ-катедра ВКПВ ТЕОРЕТИЧНИ ОСНОВИ ПРИ ПРОЕКТИРАНЕ НА КРЪГЛИ РЕВИЗИОННИ ШАХТИ И НЕСЪОТВЕТСТВИЯ ПРИ ТЯХНОТО ПРОМИШЛЕНО ПРОИЗВОДСТВО THEORETICAL BASIS OF STANDART SEWER MANHOLES DESIGN AND INADEQUACIES IN PREFABRICATED SEWER MANHOLES PRODUCTION Dimiter Alitchkov, Assoc.Prof. PhD. Civ.Eng. d.alitchkov@abv.bg, Tanya Igneva-Danova, Senior Ass.Prof. PhD, Civ. Eng., igneva@mail.bg, Emil Tzanov, Senior Ass.Prof. PhD, Civ. Eng., e.tzanov@mail.bg, Borislav Indzhov, Assistant. Civ.Eng. bindjov4525@abv.bg, University of Architecture, Civil Engineering and Geodesy- Department of Water Supply, Sewerage, Water and Wastewater Treatment Summary: The importance of the manholes for the proper performance of the sewerage networks is usually underestimated. The present paper presents the basis and overview of the main requirements and relations for the design of manholes, as well as an analysis of the most common inadequacies, observed in the produced prefabricated manholes. These problems are partly due to the lack of collaboration between the designers and the manufacturers, partly of insufficient understanding of the laws under which the wastewater flows through the manholes. Especialliy it refers to manholes with joining flows, where the theoretical requirements are not consitered. The channel shape is important to ensure the hydraulic conductivity of the facility and the sewerage network. Recomendations for improving the chanel shape production of prefabricated sewerage manhole are proposed. Key words: sewerage network, standart manholes, prefabricated manholes, manhole channel design 1. Въведение Ревизионните шахти са най-често проектираното съоръжение по канализацинната мрежова система. Те се проектират и изграждат с цел да се осигури нормална експлоатация на канализационните мрежи. Тези съоръжения се предвиждат при промяна на напречното сечение или наклона на тръбопровода, при изменение на трасето в хоризонтална или вертикална посока, в местата, където се включват или започват други канализационни участъци, както и през определени разстояния при дълги прави участъци. Ревизионните шахти са предназначени за извършване на ревизия и инспекция през тях. Те осигуряват достъп за поддръжка, рехабилитация и извършване на контрол при възникването на повреди, като запушване по канализационната мрежа, разрушаване на тръбен участък и др. Въпреки ролята, която изпълняват за правилното функциониране на канализационната мрежа, важността на шахтите като съоръжения обикновено се подценява. Промишленото производство на ревизионни шахти има редица предимства: готовият продукт притежава постоянно качество; дъната се изработват предварителноиисемонтират на обекта за кратко време; 26
монолитното изпълнение на дъната на обекта изисква повече време в сравнение с предварителното им изготвяне в заводски условия и не гарантира постоянно високо качество. Целта на настоящата статия е извършване на обзор върху основните изисквания при проектиране на ревизионните шахти и анализиране на найчестите грешки, които се допускат при индустриализираното им производство. Тези проблеми от части се дължат на липсата на връзка между проектант и производител. Липсва достатъчно разбиране на режима на движение на отпадъчната вода в ревизионите шахти особено в случайте на събиране на потоци, както и необходимостта за спазването на теоретичните предпоставки при оформяне на кюнетата. Водните количества, които протичат през шахтите преминават по оформен открит канал, наречен кюнета. Начинът на оформление на кюнатата е от особено значение за осигуряване на хидравличната проводимост на съоръжението и на канализационната мрежа. 2. Изисквания относно оформлението на кюнетите Правилното проектиране и изпълнение на кюнетите в хидравлично отношение е от особено значение за осигуряване на хидравлична проводимост и нормално функциониране на цялата канализационна мрежа. При хидравлично неиздържани и лошо изпълнени кюнети се появяват завихряния на течението, мъртви зони, възможно е да се появи и хидравличен скок, както и по-големи местни загуби и подприщвания на потока. Вследствие на разбиване на водната струя може да се получи повишено отделяне на газова фаза сероводород от водата и при наличие на бетонови дъна, може да се получи корозия. Друг проблем е възникването на неблагоприятни явления като подприщване на потока на движението на водата вследствие на неправилно включване на второстепенни клонове, както и възникването на големите местни загуби по протежение на течението. Всичко това води до намаляване на хидравличната проводимост на канализационната мрежа. Отменените Норми за проектиране на канализационни системи ( РД-02-14-140 от 17.04.1989 г.) бяха по-стриктни по отношение на начина на оформяне на кюнетата. Изискванията според този нормативен документ определят дълбочината на кюнетите в шахтите на канализационни мрежи за битови отпадъчни води като равна на диаметъра или височината на найголямата тръба, свързана с шахтата. Със същата дълбочина се приемат и тези за промишлени или за смесени битови и промишлени отпадъчни води. При канализационни мрежи за смесени отпадъчни води дълбочината се проектира с 10 до 15 сm по-голяма от пълнежната височина на на максималното оразмерително водно количество в сухо време. При ревизионните шахти по смесена канализационна мрежа, отпадъчните води по време на дъжд се разливат върху площадките, но след намаляване на оттичащото се водно количество, отпадъчните води отново протичат само през кюнетите. При канализационни мрежи за дъждовни води дълбочината на кюнетите се приема 2/3 от диаметъра на най-голямата тръба. При малки дълбочини на полагане на каналите се допуска дълбочина на кюнетите 1/3 от диаметъра. Тези препоръки и досега се прилагат от проектантите при разработване на инвестиционни проекти. Актуалната НАРЕДБА РД-02-20-8 от 17 май 2013 г. за проектиране, изграждане и експлоатация на канализационни системи [1] предвижда кюнетите на ревизионните шахти да се проектират така, че да създават най-добри хидравлични условия за движение на отпадъчните води и безопасна експлоатация на съоръжението. Така дефинираните изисквания за оформяне на кюнетите не дават категорично предписание и дава възможност за различно тълкование, както от проектанти, така и от производители. 27
Експериментално е доказано от Willi H. Hager [2], че най-малки хидравлични съпротивления се създават, когато дълбочината на основната кюнета е равна на дълбочината на отвеждащия канал. В този контекст, ако се спази НАРЕДБА РД-02-20-8 от 17 май 2013 г., би следвало дълбочината на кюнетата да се приема равна на дълбочината на отвеждащия канал. Местните загуби на напор в канализационната мрежа зависят в голяма степен от оформлението на кюнетите на ревизионните шахти. При по-голям радиус и по-плавен преход от тръбите към кюнетата се получават по-малки хидравлични загуби. По-плавен преход се постига, ако оста и съответната дъга на кюнетата са части от окръжности, чиито допирателни са осите и стените на тръбите (Фиг. 1). Фиг. 1. Оформление на кривината на кюнетите при еднакви диаметри на каналите У нас е прието радиусът на оста на кюнетата, R да бъде равен най-малко на диаметъра D на включващия се канал [3]. В някои страни [2] се препоръчва R да е от един и половина пъти до три пъти диаметъра на тръбата. Най-неблагоприятни по отношение на изискването за възможно най-голям радиус на кюнетите се случаите, при които каналите са под прав ъгъл. Обикновено при произвеждане на ревизионни шахти в заводски условия това изискване не се спазва. При по-големи диаметри, които се включват или правят завой под 90 о това изискване трудно се изпълнява или не се изпълнява изобщо Няма нормативни изисквания за минимални размери на площадките за обслужване в ревизионните шахти. Необходимо е проектантите да се съобразяват с получените размерите на площадките при свързване на тръбите и оформяне на кривите на кюнетите с работната площ, която се формира. При включване на второстепенен канал към главен канал при височина на пада не по-голяма от 50 cm, включващото се водно количество се поема със странична кюнета, която плавно се присъединява към основната. Обикновено наклонът на кюнетата на дъното на предварително изработените дънни части от определен производител е с някаква избрана стойност, например 1 % или 0 %. Това означава, че ще има известно увеличаване на местните загуби по протежение на един прав канализационен участък с междинни РШ и с наклон на тръбите, различен от наклона на кюнетите на предварително изработените дънните части. 2.1. Изисквания относно взаимното разположение на довеждащия и отвеждащия тръбопровод Довеждащият и отвеждащият тръбопровод трябва да бъдат проектирани така, че котите на водните нива в двата тръбопровода да следват напорната 28
линия. За тази цел трябва да бъдат определени действителните пълнежни височини в двата тръбопровода при преминаване на съответното оразмерително водно количество. При хидравличното оразмеряване на канализационните мрежи при смесени системи се приема, че съотношението между височината на водния пълнеж към диаметъра е равно на единица (h/d=1). Затова на практика свързването на довеждащия и отвеждащия тръбопровод може да се извърши теме с теме (Фиг. 2), като загубите на напор в ревизионната шахта се пренебрегват. Когато двата канала са с различни диаметри има две възможности по отношение на свързването на дъната на тръбите: с пад или плавно свързване. Предпочита се плавно свързване, тъй като при пада се получава поголямо завихряне. На Фиг. 2 е показано плавно свързване на канали от смесена мрежа и водни нива в сухо време. Фиг. 2. Свързване на тръбопроводи в ревизионни шахти - разположение на довеждащ и отвеждащ тръбопровод в РШ и оформление на кюнетата При хидравличното оразмеряване на канализационната мрежа може да се получи диаметър на отвеждащия тръбопровод, по-малък от този на довеждащия. Това е възможно, когато например теренът след ревизионната шахта е със значително по-голям наклон в сравнение с наклона на терена преди шахтата. В този случай се изравняват котите на дъната на тръбопроводите [3], а загубите на напор в шахтата се пренебрегват. 2.2. Изисквания относно разположението на вливащ се тръбопровод При проектирането и оразмеряването на канализационната мрежа, трябва да се спазват едновременно две основни изисквания, които осигуряват непотопено изтичане на отпадъчните води от вливащия се (включващия) тръбопровод [3]: 1) котата на дъното на включващия се тръбопровод да бъде равна или поголяма от котата, която съответства на 2/3 от диаметъра на отвеждащия тръбопровод (Фиг. 3). 2) котата на водното ниво във включващия се тръбопровод да бъде над котата на водното ниво в ревизионната шахта при преминаването през нея на съответното оразмерително водно количество. Изискването за пад dh 2.D/3 създава условия, които намаляват завихрянията и мъртвите зони на потока в кюнетата. Препоръчва се падът да се проектира в мястото на свързването на кюнетите на вливащия се канал към основния канал. Чрез изискването за непотопено изтичане се избягва подприщването на включващия се поток. В някои случаи след преценка за последствията от напорно движение в края на включващия се канал в резултат на подприщване, се налага компромис с изискването за по-високо водно ниво в него спрямо водното ниво в основния канал. Това може да се получи при голям диаметър на основния канал и малък на включващия се. Основен проблем при произвеждането на ревизионни шахти в заводски 29
Фиг. 3. Разположение на вливащ се тръбопровод условия е неспазването на изискванията за включващия се тръбопровод. Обикновено на производителят е полесно да изпълни един тип ревизионна шахта при определени диаметри на довеждащ, отвеждащ и включващ се тръбопровод (Фиг. 4). Това се постига просто като тръбопроводите се свържат дъно с дъно, без да се вземе под внимание пропускния капацитет на така конструираната шахта. Когато двете изисквания са изпълнени и в случай че разликата между котите на дъната на включващия се и отвеждащия тръбопровод е до 0,5 m, тогава може да се оформи кюнета, чрез която да се създадат възможно най-добри хидравлични условия за движение на отпадъчните води през ревизионната шахта. Когато разликата между котите на дъната на включващия се и отвеждащия тръбопровод е по-голяма от 0,5 m, тогава вместо ревизионни шахти трябва да се проектират шахти с пад (каскадни шахти). Фиг. 4. Разположение на тръбопроводите при индустриално произведени шахти 2. 3. Изисквания относно разположението на тръбопровод, който започва от ревизионна шахта В случай, когато дадена ревизионна шахта се явява начална за даден канализационен клон, в самото начало на клона при нормални експлоатационни условия не трябва да се допуска навлизане на отпадъчни води от ревизионната шахта. Това е причината котата на дъното на канализационен клон, който започва от дадена ревизионна шахта да бъде най-малко с 0,05 m [3] по-голяма от котата на водното ниво в ревизионната шахта при преминаване на съответното оразмерително водно количество (Фиг. 5). По този начин се гарантира, че този канализационен клон действително започва от шахтата и при нормални експлоатационни условия няма хидравлична връзка с водния поток в нея. 30
Фиг. 5. Разположение на тръбопровод, който започва от ревзионна шахта Ако условието за разлика между котата на дъното на началото канализационния клон с поне 0,05 m от котата на максималното водно ниво в ревизионната шахта не е възможно да бъде изпълнено, тогава може да се изгради преградна стена, с която да се предотврати навлизането на отпадъчни води в започващия клон. Обикновено това изискване се спазва от производителите. 2. 4. Изисквания относно плавно оформяне на кюнетата Друг проблем, който възниква при индустриално произведени пластмасови дъна за ревизионни шахти е образуването на вътрешни ръбове при оформянето на кюнетата от отделни елементи. Тези ръбове изгаят ролята на допълнителни местни съпротивления (Фиг. 6). При бетоновите шахти, поради естеството на материала, този проблем се елиминира. 3. Определяне на месните загуби на напор В класическия случай местните загуби на напор при спокойно състояние на потока се използва формулата на Вайсбах: (1) където z м е коефициент на местно съпротивление; v скорост на течението след съпротивлението; g земно ускорение. За определяне на коефициентите на местно съпротивление се препоръчва използването на различни стойности или зависимости, изведени при конкретни експериментални условия. Основен недостатък на подхода за използване на горепосочените коефиценти е тяхната валидност, а именно предпоставката, че са в сила при равномерно движение и спокойно течение. В действителност в канализационните мрежови системи в много случаи се реализира неравномерно движение и бурно състояние на потока. Фиг. 6. Оформяне на кюнетата при индустриално произведени шахти 3. 1. Методика за определяне на местните загуби на напор при ревизионни шахти според ATV- DVWK-A 110 (напорни загуби в зависимост от височината на кюнетата). Гореспоменатите изисквания за оформяне на кюнетите и начина на включване на второстепенни клонове към главния клон имат за цел получава- 31
нето на оптимални хидравлични условия в ревизионните шахти. Друг особено важен въпрос е точното определяне на местните загуби на напор. Съществуват различни теоретични модели за определянето им, като в техническия норматив ATV-DVWK-A 110 [4] директно са препоръчани конкретни стойности. 3. 1. 1. Коефициент на местните напорни загуби за ревизионни шахти с височина на кюнетата поголяма или равна на диаметъра на най-голямата тръба Височина на кюнетата влияе върху хидравличните загуби в ревизионната шахта по време на отток в сухо време или по време на дъжд. Посочените стойности на коефициента на местните напорни загуби в Tабл. 1 са препоръчителни според ATV-DVWK-A 110 [4], получени са експериментално и характеризират загубите при спокойни течения. Стойностите отчитат местните напорни загуби в шахтата, но не и тези по дължината й. При липса на други данни може да се използват Таблица 1 тези, представени в Табл. 1 изанекръгли напречни сечения на тръбите. 3. 1. 2. Коефициент на местните напорни загуби за ревизионни шахти с височина на кюнетата по-малка от диаметъра на найголямата тръба Посочените стойности на коефицента на местните напорни загуби в Табл. 2 са препоръчителни според ATV- DVWK-A 110 [4] и са получени експериментално и характеризират загубите при спокойни течения. Стойностите отчитат местните напорни загуби в шахтата, но не и тези по дължината й. Аналогично на горния случай при липса на други данни може да се използват тези, представени в Табл. 2 и за некръгли напречни сечения на тръбите. Основен недостатък на горепосочените коефициенти е тяхната валидност, а именно предпоставката, че са в сила само при спокойни течения. В действителност в канализационните мрежови системи в много случаи се реализира бурно състояние на потока. Таблица 2 3. 2. Oпределяне на месните загуби на напор според други източници Според изследване на Liebmann (1970) [5] за тръби под напор и различни височини на кюнетата е изведена следната формула за местните загуби на напор: (2) където DHs е месната загуба на напор, v скорост на потока, g земно ускорение. При изследванията направени от Lindvall (1984) [6], местните загуби на напор са изведени като функция от диаметъра на ревизионната шахта D s и диаметъра на тръбата D: 32
(3) Общите загуби на напор (енергия) в ревизионните шахти по изследвания на Stewart Stein и др.(1996) [7] зависят освен от диаметрите на шахтата и изходящата тръба, но така също от: С 1 - сравнителен коефициент, зависещ от размерите на шахтата и изходящия диаметър; С 2 - коефициент, зависещ от дълбочината на водата в кюнетата; С 3 - коефициент, зависещ от броя на входящите тръби; С 4 - сравнителен коефициент, зависещ от площите на напречните сечения на входящите и изходящите тръби. (4) където ΔЕ е загубите на енергия (напор); ω - корекционен коефициент, който зависи от оформянето на кюнетата; v o 2 /2g - скоростната височина (напор). Коефициентът на местно съпротивление при крива под ъгъл 90 0 по формула, предложена в [8] се определя по формулата: (5) където a и b коефициенти, които се отчитат от номограма, Fr число на Фруд. Коефициентът на местно съпротивление при събиране на потоци под ъгъл 90 0 по формула на Сахаров [8] се определя както следва: (6) където Q пр водно количество от вливащ(и) се клон, Q см водно количество на смесения поток след шахтата, Fr 0,5 число на Фруд при h/d=0,5. Заключение Основен проблем при производството на ревизионни шахти в заводски условия е неспазването на изискванията за свързването на включващите се тръбопроводи към основния канал. Обикновено производителят свързва тръбопроводите дъно с дъно, като по този начин се намалява пропускния хидравличен капацитет, както на ревизионната шахта, така и на канализационната мрежа като цяло. Препоръчва се при индустриално производство на шахти стриктно да се спазват описаните по-горе теоретични изисквания за свързване на каналите. Коефициентите на местно съпротивление при ревизионните шахти зависят от начина на оформяне на кюнетите им. Поради сложния характер на движение на водата в тях, който се различава значително от теоретичните постановки, точното им определяне е изключително важно и е възможно само след експериментално изследване на конкретните видове ревизионни шахти. Литература: 1. НАРЕДБА РД-02-20-8 от 17 май 2013 г. за проектиране, изграждане и експлоатация на канализационни системи. 2. Hager, Willi H.(2010), Wastewater hydraulics: Theory and Practice, Springer, ISBN 978-3-642-11382-62. 3. Ръководство за проектиране на канализационни мрежи, изд. Техника, 2015 г., Р. Арсов, Др. Драганов, Т. Игнева-Данова, Б. Борисов 4. ATV-DVWK-A 110 Standarts. 5. Liebmann, H. (1970). Der Einfluss von Einsteigschächten auf den Abflussvorgang in Abwasserkanälen (Effect of manholes on sewer flow). Wasser und Abwasser in Forschung und Praxis 2. Erich Schmidt: Bielefeld. 6. Lindvall, G. (1984). Head losses at surcharged manholes with a main pipe and a 90? lateral. Third Int. Conf. on Urban Storm Drainage Göteborg 1: 137 146. 7. Stein, S. M., Dou Xibing, E.Umbrell, J.Jones, Storm Sewer Junction Hydraulics and Sediment Transport 8. Цочев, Ц., Цачев, Ц., Гърданов, Т.(1997), Хидравлични изчисления на водоснабдителни и канализационни системи, изд. Техника. 33