Реконструкция систем водоснабжения и водоотведения

Л. Д. Терехов Г. И. Воловник Е. Л.Терехова






                РЕКОНСТРУКЦИЯ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ




Учебное пособие











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 628.1
ББК 38.761

    Т35




Рецензенты: кафедра городского строительства и хозяйства Иркутского государственного технического университета (заведующий кафедрой доктор технических наук, профессор
В. Р. Чупин);
доктор технических наук, профессор Пензенской государственной архитектурно-строительной академии, член Учебно-методического объединения Ассоциации строительных вузов Российской Федерации Ю. И. Вдовин




    Терехов, Л. Д.
Т35 Реконструкция систем водоснабжения и водоотведения : учебное пособие /Л. Д. Терехов, Г. И. Воловник, Е. Л. Терехова. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 144 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1152-3

          Излагаются принципиальные подходы к вопросам усиления и реконструкции систем водоснабжения и водоотведения. Наиболее полно отражены сведения по реконструкции основных элементов водонесущих систем: водозаборных сооружений, насосных станций, систем подачи и распределения воды, очистных сооружений водоснабжения и канализации в условиях повышенной гидравлической перегрузки, высоких требований к качеству очистки воды, а также к иловому хозяйству.
          Для студентов направления 08.04.01 «Строительство» специальности «Водоснабжение и водоотведение», изучающих дисциплины «Водоснабжение и водоотведение промышленных предприятий», «Реконструкция инженерных систем и сооружений». Может быть полезно специалистам, занимающимся вопросами интенсификации и реконструкции сооружений систем водоснабжения и водоотведения.


                                                                             УДК 628.1 ББК 38.761












ISBN 978-5-9729-1152-3

    © Терехов Л. Д., Воловник Г. И., Терехова Е. Л., 2023
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

    ВВЕДЕНИЕ


    Анализ результатов эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения нередко показывает необходимость их усиления. Это связано с изменениями условий функционирования систем сравнительно с исходными (проектными) данными, а также с недостатками проектных решений.
    Усиление достигается как новым строительством с заменой или расширением существующих объектов, так и реконструкцией. В последнем случае реализуются неиспользуемые потенциальные производственные возможности объектов, и подлежат замене или разгрузке только те лимитирующие элементы, которые не способны нормально работать в требуемых более жестких условиях. Специфика реконструкции заключается в том, что она должна проводиться с учетом существующей ситуации: стесненности производственных площадей, расположения объектов, их габаритов и технического состояния, недопустимости нарушения производственных процессов и т. д. Реконструкция -наиболее эффективный способ усиления, так как она требует меньшего объема работ, чем новое строительство. Разумеется, при рассмотрении альтернативных способов усиления следует проводить техникоэкономические сравнительные расчеты.
    В учебном пособии рассмотрены общий подход и направления решения характерных задач по реконструкции водопроводных и водоотводящих систем. Материал пособия основывается на лекционных курсах «Реконструкция инженерных систем» и «Водозаборные сооружения», которые на протяжении ряда лет читались авторами в ДВГУПС.

3

    1. РЕКОНСТРУКЦИЯ ОБЪЕКТОВ КАК МЕТОД УСИЛЕНИЯ СИСТЕМ

    1.1. Общие положения

    Основные объекты водопроводных и водоотводящих систем рассчитаны на длительный период эксплуатации, в течение которого исходные условия их функционирования вполне закономерно изменяются.
    Возникающее несоответствие между фактическими условиями и производственными возможностями негативно сказывается на качестве эксплуатации. Ухудшение экологической обстановки требует изменения степени очистки воды и сточных вод, рост количества абонентов приводит к гидравлической перегрузке всех основных объектов водоснабжения и водоотведения, невыполнению ими своих функций и т. д. Изменение некоторых природных факторов способно снизить надежность отдельных сооружений. Например, при увеличении мутности речной воды, активизации эрозионной деятельности рек, снижении статического уровня подземных вод нарушается работа водозаборов, что приводит к их отказам.
    Улучшение таких показателей качества эксплуатации, как экономичность и безопасность персонала, нередко достигается изменением конструкций или технологических схем сооружений.
    Обязательным условием проведения работ по усилению является их обоснованность, поскольку очень часто причины невыполнения объектами своих функций объясняются элементарными ошибками в эксплуатации. Так, гидравлическая перегрузка водопровода может быть связана с отсутствием должного учета расходов воды и большими утечками систем водоотведения - с неконтролируемой инфильтрацией грунтовых вод в безнапорные коллекторы. Совершенно очевидно, что возникающие проблемы следует разрешать не усилением систем, а улучшением эксплуатационного процесса.
    Следует объективно оценить техническое состояние и производственные возможности объектов с учетом износа. С этой целью производится их обследование, уточнение габаритов, а в необходимых случаях - специальные исследования: определение гидравлических сопротивлений трубопроводов, коэффициентов использования объемов отстойных сооружений, дебитов водозаборных скважин. Иногда усилению предшествует капитальный ремонт объектов, например, санация и восстановление пропускной способности трубопроводов. В процессе

4

обследований решается вопрос о целесообразности дальнейшего использования того или иного элемента или его замене (реновации). Наконец, расчетами или путем других обоснований определяются значения параметров, которые должны быть обеспечены после усиления объекта (расход, качество очищенной воды и др.).
    В системах отдельные объекты связаны, и реконструкция одного из них скажется на других. Так, изменение напора реконструируемого водовода повлияет на работу водопроводной сети. Поэтому результаты реконструкции необходимо заранее прогнозировать и оптимизировать в интересах всей системы.
    Как правило, усиление системы сочетает разные методы: реконструкцию и новое строительство.


    1.2. Методика решения задач по реконструкции

    Решение задач по реконструкции требует выяснения конкретных причин, по которым данный объект не может нормально функционировать. Только после этого возможен поиск приемлемых путей реконструкции объекта.
    Как правило, решение задачи складывается из ряда этапов:
      1) выявления элементов (на основании технологических расчетов), у которых требуемые условия работы не соответствуют производственным возможностям;
      2) анализа конкретных причин, по которым эти элементы не способны выполнять свои функции;
      3) разработки инженерных мероприятий по преодолению указанных причин;
      4) прогноза влияния результата реконструкции на функционирование других элементов системы. Реконструкция не должна нарушать нормальное функционирование этих элементов.
    Для уяснения методики решения задач по реконструкции рассмотрим следующий пример.
    Насосы второго подъема должны подавать по водоводу в водонапорную башню воду с расходом Qp, превышающим проектный. Гидравлический расчет показывает, что требуемая подача превышает пропускную способность водоводов, а необходимый для этого напор насосов второго подъема оказывается больше расчетного и равен Hi. Напомним, что пропускная способность трубопровода - расход, при котором потери напора равны проектным. Таким образом, перегруженным элементом объекта являются насосы второго подъема, не способные создавать напор Hi при расходе Qp (рис. 1.1).
    Задача решается заменой насосов второго подъема либо их количественным регулированием (изменением числа оборотов).


5

    Ограничивающим фактором следует считать допустимость повышения давления в водоводе, что, в свою очередь, зависит от его технического состояния и вида труб.
    При другом пути решения лимитирующими элементами объекта становятся водоводы, имеющие недостаточную пропускную способность. Единственный способ повышения их пропускной способности -увеличение количества ниток. В этом случае по результатам гидравлического расчета напор насосов второго подъема составит H2 < Hi при подаче, равной Qp. Возможно, что потребуется одновременная замена насосов или их регулировка.


Рис. 1.1. Напорные линии и условия работы насосов:
I - вариант 1;11 - вариант 2; 1 - резервуар чистой воды;
2 - насос второго подъема; 3 - водовод; 4 - водонапорная башня

    Таким образом, первый вариант решения предусматривает реконструкцию насосной станции, второй - прокладку дополнительного водовода.                                            ___________
    Преимущество первого варианта - в меньшем объеме строительно-монтажных работ, недостаток - в росте потребления электроэнергии (в расчете на единицу объема перекачиваемой воды), так как она должна подаваться при большом напоре. При втором варианте реконструкции, наоборот, объем строительно-монтажных работ больше, а удельное потребление энергии - меньше. Выбор варианта требует технико-экономического сравнения.



ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. При каких условиях возникает необходимость в проведении работ по реконструкции систем водоснабжения и водоотведения?
2. Какие предварительные работы следует выполнить, прежде чем приступить к выработке стратегии реконструкции?

    2. РЕКОНСТРУКЦИЯ ГОЛОВНЫХ СООРУЖЕНИЙ ВОДОПРОВОДОВ

    2.1. Общие положения

    Головные сооружения предназначены для забора воды из источников водоснабжения и для подачи ее на станцию очистки. В состав головных сооружений входят водозабор, насосная станция первого подъема, коммуникации. Функция головных сооружений заключается в подаче расчетного суточного расхода воды проектного качества, т. е. такого, которое учитывалось при проектировании очистных сооружений.
    Характерная причина реконструкции - необходимость в увеличении расхода воды сравнительно с проектными данными. Реконструкция может быть связана также с изменением природных условий, влияющих на забор воды из источника, либо проводиться в связи с необходимостью повышения качества эксплуатации (надежность и др.).
    Увеличение производительности головных сооружений зависит не только от их производственных возможностей, но и от характеристики источника водоснабжения. Устойчивый прием из водотоков допустим, если водоотбор составляет менее 0,25 от минимального дебита источника. В противном случае вероятна потеря водотоком транспортирующей способности, обмеление, в суровых климатических условиях - перемерзание зимой и т. д. [1].
    Производительность подземных водозаборов ограничивается эксплуатационными запасами подземных вод. Как известно, эксплуатационными запасами называют объемы воды, которые могут быть получены из месторождения при помощи водозабора данной конструкции при заданном режиме эксплуатации и при проектном значении показателей качества забираемой воды [2]. Эксплуатационные запасы реализуются при установившемся и неустановившемся режимах их пополнения. Превышение эксплуатационных запасов сокращает продолжительность использования источника, а недопустимое понижение уровня подземных вод нарушает условия питания, приводит к поступлению воды из неиспользуемых источников и может вызвать ухудшение ее качества.
    Таким образом, увеличение производительности головных сооружений не всегда возможно и ограничено природными условиями.


7

    2.2. Реконструкция головных сооружений поверхностных источников

2.2.1. Условиязабора воды

    В соответствии с нормативами [3], условия приема воды из источника подразделяются на легкие, средние или тяжелые. С учетом этого ограничиваются скорости втекания воды в водоприемные окна водозаборов. Для приема наиболее чистой воды в проектах обосновываются значения высот порога и забрала.
    Изменения условий водоприема носят сезонный характер (шуга, появление рыбной молоди и др.), что учитывается проектами. Вместе с тем возможны радикальные изменения в водном источнике, вызываемые деятельностью по формированию русла и требующие обязательной реконструкции водозаборов или проведения дополнительных крупных гидротехнических работ.
    Водозабор включает элементы, предназначенные для грубой очистки воды, защиты насосов первого подъема и коммуникаций от ускоренного износа и засорения. Первичная очистка производится на входе в водоприемник, где установлены решетки, а в отдельные периоды года - кассеты для задержания мальков рыбы. Водоприемная часть сеточного колодца (аванкамера), в которой вода находится 3035 с, играет роль отстойника-песколовки; сетки в сеточном колодце задерживают водоросли, кору, другой плавающий сор, а также мелкую рыбу.
    Насосы первого подъема устанавливаются под заливом или постоянно, либо часть года работают с созданием вакуума (не под заливом).


2.2.2.  Реконструкция головных сооружений с русловыми затопленными водоприемниками

    На рис. 2.1 приводится схема водозабора с русловым затопленным водоприемником. Перепады уровней равны потерям напора на отдельных участках гидравлической схемы. При минимальном уровне в источнике Zo высота всасывания насоса первого подъема Z3 - Z2 максимальна. Рассмотрим условия работы водозабора при гидравлической перегрузке. В этом случае уровни воды в аванкамере и в отделении всасывающих труб понизятся, а высота всасывания насосов первого подъема увеличится сравнительно с расчетной. Лимитирующим элементом водозабора становятся насосы первого подъема.
    Вакуумметрический напор отечественных центробежных насосов редко превышает 6-7 м. Увеличение высоты всасывания и одновременно возрастание потерь напора во всасывающей линии способны


8

привести к кавитации либо к срыву вакуума и полному отказу насоса. Другим фактором, способным нарушить работу насосов, является прорыв воздуха во всасывающую линию. При понижении уровня в отделении всасывающих труб (отметка Z2) возникает опасность образования «воздушных шнуров» (рис. 2.2). Такое явление происходит, если заглубление входных воронок менее некоторого критического значения:

Рис. 2.1. Схема водозабора с затопленным русловым водоприемником:
1 - водоприемник; 2 - самотечная линия; 3 - сеточный колодец;
4 - аванкамера; 5 - отделение всасывающих труб; 6 - всасывающая труба;
7 - насос первого подъема; 8 - входное окно с решеткой; 9 - сетка;
Ai - высота порога; А2 - толщина забрала

Ькр

          Z       \0,55
= 0,5ПвхI -S- I , \ ■уЭ^вх J

(2.1)

где Икр - критическое заглубление (глубина), м;
    Увх - скорость входа в воронку, м/с;
    Ювх - диаметр входной воронки, м.

Рис. 2.2. Образование воздушного шнура при входе во всасывающую линию: 1 - всасывающий трубопровод

    Например, при скорости входа в воронку 1 м/с, ее диаметре 0,25 м критическое заглубление равно 0,08 м, т. е. 0,32 Овх. Рекомендуется

9

заглублять вход в воронку на 0,6-1,2 DBX. Опасность подсоса воздуха во всасывающие трубы уменьшается, если снабдить входные воронки козырьками или разместить вокруг труб плавающие плотики. Считается, что в этом случае критическая глубина может быть уменьшена на 20-25 %.
    В [35] отмечается, что в условиях снижения уровня и уменьшения полезной вместимости аванкамеры увеличивается опасность захвата воздуха всасывающими линиями насосов, и водоприемные отверстия труб следует заглублять не менее чем на

h =

8,5 Q F

> 2 D^,

(2.2)

где Q - расход воды, м³/с;
    F - площадь зеркала воды в отделении всасывающих труб, м².
    Для увеличения высоты всасывания насосов применяется перепуск воды из напорной линии насосов во всасывающую линию (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Реконструкция всасывающей линии на водопроводе г. Омска [16]

    Вода, поступающая из напорной линии, находится под большим напором, а следовательно, обладает большей удельной энергией, чем всасываемая. Рассеивание (дессипация) избыточной энергии повышает общую энергию потока.
    Увеличение высоты всасывания указанным способом рекомендуется определять по номограмме (рис. 2.4). В номограмме приняты следующие обозначения: dc - диаметр сопла, мм; D - диаметр всасывающей линии насоса, мм; ДН - требуемое увеличение высоты всасывания, м; Н - скоростной напор при истечении из сопла, м. Для примера, приведенного на рис. 2.4, dc / D = 0,12 (принято); ДН = 2,0 м; Н = 70 м. Пусть D = 500 мм, тогда dc = 60 мм. Скорость истечения из сопла V = фд/2дН . При ф ® 1,0, V = 37,1 м/с.

10