2. Zasady i zakres projektowania. (tekst: Katarzyna Majewska-Mrówczyńska)
Projektowanie kanałów (przewodów sieci kanalizacyjnej) sprowadza się do obliczeń hydraulicznych, które obejmują wyznaczenie ich przekrojów (tj. wymiarowanie), określenie napełnień oraz prędkości przepływu ścieków. Obliczenia przeprowadza się, uwzględniając odcinki obliczeniowe kanałów ograniczone węzłami, na podstawie uprzednio wyznaczonych
maksymalnych przepływów i przyjętych spadków. W rozwiązaniach klasycznych grawitacyjnych przyjmuje się – ze względu na
konieczność zapewnienia wentylacji kanałów i właściwą pracę instalacji wewnętrznych – częściowe wypełnienie przewodów kanalizacyjnych, co oznacza, że przepływ ścieków jest bezciśnieniowy, ze swobodnym zwierciadłem i odbywa się pod działaniem siły ciężkości. Dla uproszczenia obliczeń przyjmuje się wiele założeń. Zakłada się, że natężenie
przepływu ścieków na odcinkach obliczeniowych nie zmienia się w czasie, w związku z czym występuje przepływ ustalony. Ponadto zakłada się, że natężenie przepływu, spadek dna kanału oraz chropowatość jego ścian na odcinku obliczeniowym nie zmieniają się. Powyższe założenie jest równoznaczne z przyjęciem, że na odcinku będzie występować przepływ
jednostajny. Założenie niezmienności natężenia przepływu w czasie może być spełnione tylko w bardzo krótkich okresach, gdyż w rzeczywistości przepływ ścieków podlega ciągłym zmianom na skutek nierównomiernego zużycia wody, bądź też na skutek zmian natężenia deszczu w czasie oraz jego zasięgu. Natężenie przepływu ścieków ulega też zmianom na
długości kanałów. Przyczyną tego są dopływy boczne ścieków komunalnych przez przykanaliki oraz dopływy ścieków deszczowych przez wpusty podwórzowe i uliczne. Zatem w rzeczywistości przepływ ścieków w kanałach odbywa się ze zmianami natężeń w czasie i na długości odcinka obliczeniowego. Do obliczeń odcinka kanału przyjmuje się maksymalną wartość natężenia przepływu w dolnym końcu tego odcinka. Postępowanie takie prowadzi do przewymiarowania górnej
części odcinka, a także do zawyżenia napełnienia i prędkości przepływów na tym odcinku. Założenie niezmienności spadku dna obliczeniowego odcinka kanału, podobnie jak niezmienności przekroju oraz chropowatości, jest bliskie rzeczywistości. Spełnienie tego założenia zależy od jakości przewodów kanalizacyjnych oraz dokładności wykonania kanałów.
Sieć ściekową kanalizacji rozdzielczej projektuje się z uwzględnieniem następujących wskazań:
– sieć powinna obejmować cały obszar miasta, zarówno dla stanu istniejącego, jak i okresu perspektywicznego,
– kanały powinny być prowadzone w dostosowaniu do planu ulic w mieście, jednocześnie należy dążyć do zachowania spadków kanałów zgodnych ze spadkami ulic lub terenu miejskiego,
– należy dążyć do zachowania grawitacyjnego odpływu ścieków przy jednoczesnym utrzymaniu minimalnych zagłębień kanałów,
– ze względów eksploatacyjnych zaleca się stosowanie zamkniętych układów sieci.
Na obszarze kanalizowanego terenu miasta można zastosować jeden, dwa lub nawet kilka układów sieciowych.
Najlepszym rozwiązaniem jest jeden układ sieciowy dla całego miasta. Projektowanie układu sieci należy rozpoczynać od wytrasowania głównego kolektora z wylotem do oczyszczalni ścieków, a dalej do odbiornika oraz wytrasowania głównych odgałęzień bocznych.
Główny kolektor oraz inne zbieracze zaleca się prowadzić po najniższych rzędnych terenowych, z możliwie najmniejszymi spadkami. Najdogodniejszym rozwiązaniem prowadzenia kanałów jest ich równoległe usytuowanie w stosunku do powierzchni terenu. Przy takim rozwiązaniu udaje się zazwyczaj utrzymać zagłębienie kanału nie przekraczające zagłębienia minimalnego. Rozwiązanie takie jest możliwe, gdy spadek terenu jest większy niż przyjęty minimalny spadek kanału, ale nie przekracza dopuszczalnego spadku kanału. Jeżeli spadek terenu jest mniejszy niż minimalny przyjęty spadek kanału, to zagłębienie
kanału jest zmienne i zawiera się w granicach od zagłębienia minimalnego do maksymalnie dopuszczalnego. Prowadzenie kanału na dalszych odcinkach, po osiągnięciu zagłębienia maksymalnego, wymaga stosowania pompowni ścieków, których zadaniem jest podniesienie ścieków z poziomu odpowiadającego maksymalnemu zagłębieniu na poziom odpowiadający
zagłębieniu minimalnemu. Jeżeli spadek jest większy od przyjętego maksymalnego spadku kanału, to po osiągnięciu
minimalnego zagłębienia kanału należy stosować studzienki przepadowe, zapewniające obniżenie zagłębienia kanału do maksymalnej wartości dopuszczalnej. Kanały boczne powinny mieć większe spadki niż spadki kolektorów. Układ sieci w planie zależy od spadków terenu. Jednym z podstawowych zagadnień występujących przy projektowaniu sieci jest określenie minimalnego zagłębienia kanałów, gdyż rzutuje ono na zagłębienia całej sieci i na koszty związane z jej budową. Drugim, oprócz zagłębienia, istotnym czynnikiem wpływającym na rozwiązanie wysokościowe sieci oraz związane z tym koszty budowy jest właściwe dobranie spadków. Do określenia minimalnych spadków kanałów z jednoczesnym zachowaniem warunku, aby przy określonym napełnieniu kanału ściekami prędkość nie spadła poniżej prędkości samooczyszczania, przy której na dnie kanału nie mogą się tworzyć osady. Prędkość ta nie powinna być mniejsza od 0,8 m/s.
W warunkach małych przepływów ścieków nie można osiągnąć prędkości samooczyszczania, nawet stosując minimalne wymiary kanałów (minimalna średnica kanału 0,20 m), co powoduje zamulanie dna kanału. W celu usuwania pozostającego zamulenia należy przewidzieć należyte płukanie sieci lub mechaniczne usuwanie osadów ściekowych. Zastosowanie urządzeń do płukania sieci może doprowadzić do spłycenia kanałów oraz do zmniejszenia spadków. Maksymalne dopuszczalne spadki wynikają z ograniczenia prędkości przepływu. Przepływ ścieków przez odcinek kanału należy określać jako iloczyn wskaźnika ilości ścieków w dm3/(s×h) oraz powierzchni zlewni w ha oraz powiększając ten przepływ o ilość wód infiltracyjnych. Jako przepływ obliczeniowy danego kanału przyjmuje się przepływ tuż przed połączeniem kanałów. Przepływ na całym odcinku między węzłami jest zatem jednakowy i równy przepływowi w dolnym przekroju tuż przed węzłem. Tok projektowania sieci ściekowej:
1. Na planie sytuacyjno-wysokościowym miasta opracowuje się układ sieci, na który składają się: plan sieci kanałów z wyznaczoną trasą głównego kolektora i trasami innych kolektorów oraz kierunki przepływów określone przez spadki kanałów wynikające z układu wysokościowego miasta oraz przyjętych rzędnych dna projektowanych kanałów.
2. Po przyjęciu za podstawę sieci i podziale terenu kanalizowanego na zlewnie wylicza się maksymalne obliczeniowe przepływy na poszczególnych odcinkach sieci między węzłami, ustala się wymiary kanałów oraz oblicza ostatecznie ich rzędne i spadki, a ponadto napełnienia i średnie prędkości w przewodach. Wyniki zestawia się w tabelach.
3. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń wykreśla się plan sieci z uzbrojeniem oraz przekroje poprzeczne kanałów. Należy przy tym stosować oznaczenia zgodne z normami. Jednocześnie prędkość przepływu ścieków w kanałach o wysokości do 1,75 m nie powinna przekraczać 1,5 m/s, a w kanałach wyższych – 1,0 m/s. Przepływ miarodajny w kanałach deszczowych odpowiada przepływowi obliczeniowemu dla określonej częstotliwości występowania deszczu. Przy wymiarowaniu kanałów
deszczowych dopuszcza się całkowite ich wypełnienie. Przepływ miarodajny w kanałach ogólnospławnych jest sumą maksymalnego godzinowego przepływu ścieków komunalnych i przepływu ścieków deszczowych określonego dla deszczu o określonym prawdopodobieństwie występowania. Kanały te mogą być wymiarowane na całkowite wypełnienie.
Projektując zagłębienie sieci kanalizacyjnej należy dążyć do zapewnienia grawitacyjnego odpływu ścieków z budynków oraz ścieków opadowych z terenu, zapewnienia odpowiedniego przykrycia kanału, jak również do uzyskania rozwiązania najwłaściwszego z punktu widzenia ekonomii budowy sieci, jak i eksploatacji sieci. Zagłębienie kanałów powinno zapewnić grubość warstwy przykrywającej większą od głębokości przemarzania gruntu i nie przekraczać 6-6,5 m. Maksymalna głębokość jest uwarunkowana czynnikami ekonomicznymi. W uzasadnionych przypadkach dopuszcza się odstępstwa od tego warunku, przestrzegając ułożenia kanału na takiej głębokości, aby nie kolidował on z innymi podziemnymi sieciami miejskimi. Mniejsze zagłębienia kanałów dopuszcza się pod warunkiem odpowiedniego ich zabezpieczenia przed zamarzaniem oraz uszkodzeniami mechanicznymi.
Zagłębienie projektuje się uwzględniając następujące czynniki:
– zapewnienie grawitacyjnego odpływu do sieci kanalizacyjnej,
– zapewnienie dostatecznego przykrycia kanału ze względu na obciążenia dynamiczne i ze względu na przemarzanie,
– uniknięcie kolizji z innymi sieciami i urządzeniami podziemnymi,
– ekonomikę budowy i eksploatacji sieci.
Zagłębienie kanału ściekowego w sieci rozdzielczej zależy przede wszystkim od:
– odległości kanalizowanego obiektu od kanału,
– zagłębienia pomieszczeń kanalizowanych,
– długości i spadku przykanalika,
– różnicy rzędnych terenu przy budynkach i nad kanałem.
Zagłębienie kanałów deszczowych w sieci kanalizacji rozdzielczej zależy od tego, czy do kanału podłączone są tylko wpusty ściekowe uliczne, czy także rury deszczowe odprowadzające wodę z dachów lub wpusty podwórzowe.
Maksymalna prędkość przepływu ścieków w kanałach ściekowych z rur betonowych i ceramicznych nie powinna przekraczać 3,0 m/s, a w rurach żelbetowych i żeliwnych – 5,0 m/s. W kanałach deszczowych systemu rozdzielczego całkowicie napełnionych prędkość przepływu nie powinna być mniejsza niż 0,8 m/s. W kanałach sieci ogólnospławnej o całkowitym napełnieniu prędkość przepływu nie może być mniejsza od 1,0 m/s. W kanałach deszczowych i ogólnospławnych można dopuścić prędkość do 7,0 m/s.
Spadek kanałów
W systemach kanalizacyjnych, spadek dna (i) kanałów grawitacyjnych powinien zawierać się w granicach:
imin < i < imax
zależnie od wymiaru (średnicy D) kanału i spadku terenu. Spadek mniejszy od minimalnego (imin – dla danej średnicy), w efekcie zbyt małych prędkości przepływu ścieków, prowadziłyby do odkładania się osadów i w efekcie do zamulenia kanału. Spadek większy od maksymalnego (imax – dla danej średnicy) prowadziłyby do niszczenia kanałów – wskutek erozji, powodowanej głównie zawiesiną mineralną przy znacznych prędkościach przepływu.
Powszechnie w literaturze zalecana jest formuła Imhoffa na spadek minimalny (imin):
imin = 1/D
gdzie: imin – spadek minimalny w ‰
D – średnica kanału w [m]
W wytycznych technicznych projektowania (WTP) miejskich sieci kanalizacyjnych z 1965 roku, sformułowano zasadę zachowania minimalnej prędkości (Vmin) przepływu ścieków przy całkowitym wypełnieniu kanałów, jako warunku ich „samooczyszczania się”, odpowiednio:
• w systemie kanalizacji rozdzielczej, tj. w kanałach bytowo-gospodarczych, przemysłowych oraz deszczowych: Vmin = 0,8 m/s,
• w systemie kanalizacji ogólnospławnej: Vmin = 1,0 m/s.
Wychodząc z powyższych założeń i stosując np. wzór Manninga możliwie było ustalenie wartości minimalnych spadków dna kanałów ze względu na „samooczyszczanie”, podanych w tabeli dla przykładowych średnic.
* wartości stosowane w praktyce
Maksymalne spadki (imax) dna kanałów określano (wg WTP) w podobny sposób, tj. przy całkowitym wypełnieniu, prędkość przepływu ścieków nie powinna przekraczać wartości:
- Vmax = 3,0 m/s – w kanałach bytowo-gospodarczych i przemysłowych dla rur betonowych i ceramicznych,
- Vmax = 5,0 m/s – w kanałach bytowo-gospodarczych i przemysłowych dla rur żelbetowych i żeliwnych,
- Vmax = 7,0 m/s – w kanałach deszczowych i ogólnospławnych, niezależnie od materiału kanałów, jako że kanały takie przy znacznym wypełnieniu działają okresowo, w porównaniu z kanałami bytowo-gospodarczymi i przemysłowymi.
Tabela Maksymalne spadki dna kanału obliczone według wzoru Manninga
