CC BY
20
УДК 628.2
doi 10.24411/2221-0458-2020-10049
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ СЕТЕЙ КОММУНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ВОДООТВЕДЕНИЯ
Майны Ш.Б.
Тувинский государственный университет, г. Кызыл
IMPROVING THE OPERATIONAL RELIABILITY OF UTILITY WATER
DISCHARGE NETWORKS
Sh.B. Mayny Tuvan State University, Kyzyl
Канализационные трубопроводы являются одним из основных элементов системы водоотведения, определяющих ее надежность и экономичность. Проанализирована связь между аварийностью канализационных сетей и материалом труб, применяемых в настоящее время в их строительстве. Установлено, что на устранение засоров и профилактические прочистки трубопроводов от осадка приходится около 80% трудовых затрат по обслуживанию сетей водоотведения. Показано, что наиболее неблагоприятные условия и режимы работы возникают в сетях диаметром до 500 мм. Установлено, что увеличение уклонов сетей водоотведения только при неблагоприятных условиях строительства может вызвать необходимость устройства одной дополнительной насосной станции на начальных участках сети, т. е небольшой производительности). Стоимость сетей водоотведения диаметром до 400 мм (с учетом применении труб диаметром 200 мм для безрасчетных участков сети) увеличивается до 2,5%, а коллекторов диаметром 400 мм и более уменьшается на 2% по сравнению с вариантом по СНиП2.04.03-85.
Ключевые слова: эксплуатация; надежность; канализационные сети; водоотведение
Sewer pipelines are one of the main elements of the drainage system, which determine its reliability and efficiency. The relationship between the accident rate of sewer networks and the material of pipes currently used in their construction is analyzed. It was found that the elimination of blockages and preventive cleaning of pipelines from sediment account for about 80% of labor costs for the maintenance of drainage networks. It is shown that the most unfavorable conditions and operating modes occur in networks with a diameter of up to 500 mm. It has been established
that an increase in the slopes of drainage networks only under unfavorable construction conditions can necessitate the construction of one additional pumping station at the initial sections of the network, i.e., of low productivity). The cost of drainage networks with a diameter of up to 400 mm (taking into account the use of pipes with a diameter of 200 mm for non-design sections of the network) increases to 2.5%, and collectors with a diameter of 400 mm or more are reduced by 2% compared to the option according to Building Regulation and Rules 2.04.03-85.
Keywords: operation; reliability; sewerage networks; water disposal
Опыт эксплуатации свидетельствует о том, что в работе сетей водоотведения часто возникают отказы, связанные с образованием засоров и выпадением осадка в трубах. Например, на Украине эксплуатация наружной канализационной сети в городах и поселках осуществляется специальными службами районов или участков, входящими в состав управлений водопроводно-канализационного хозяйства или соответствующих отделов при городских и поселковых коммунальных органах. На промышленных предприятиях эксплуатацию канализационной сети осуществляют специальные службы, входящие обычно в состав отдела главного механика. В эксплуатационные службы каждого района могут входить службы производственных участков, обслуживающие сеть протяженностью до 100-150 км. Наблюдение за техническим состоянием сети включает следующие работы. Наружный осмотр сети выполняется одним или двумя обходчиками. Технический осмотр канализационной сети выполняется 1-2 раза в год бригадой из трех слесарей.
Целью обследования является выявление повреждения сети (состояний люков, скоб, лотков), наличия инфильтрации, и эксфильтрации, степени наполнения труб, необходимости прочистки и ремонта сети.
На устранение засоров и профилактические прочистки трубопроводов от осадка приходится около 80% трудовых затрат по обслуживанию сетей водоотведения. Вместе с этим из-за низкого уровня механизации работ неблагоприятных условий труда во многих городах образовалась острая нехватка обслуживающего персонала сетей водоотведения, составляющая в среднем 40-50%, что вряд ли может быть ликвидировано в будущем, в связи с общей нехваткой трудовых ресурсов в народном хозяйстве [2, 3, 4].
Учитывая огромный масштаб строительства систем водоотведения, а также трудности привлечения и в будущем дополнительных трудовых ресурсов для их обслуживания, необходимо признать, что повышение эксплуатационных показателей сетей водоотведения стало острой и
актуальной проблемой, требующей решения по нескольким направлением.
В частности, наряду с повышением уровня механизации работ по обслуживанию сетей необходимо на стадии их проектирования принимать такие технические решения, которые обеспечивали бы более надежную работу трубопроводов и снижение трудовых затрат на устранение засоров и профилактические прочистки.
На основе анализа эксплуатационных данных систем водоотведения, ряда городов было установлено, что существующие рекомендации по гидравлическому расчету и конструктивным решениям сетей водоотведения не обеспечивают в должной мере надежность их работы, а также соответствие расчетных режимов фактическим. При этом наиболее неблагоприятные условия и режимы работы возникают в сетях диаметром до 500 мм. Так, из общего числа засоров в сетях более 98% приходится на трубы указанных диаметров. Из полученного распределения частоты засоров вытекает, что их соотношение на 1 км труб уличной сети диаметром 150, 200 и 250 мм в среднем составляют 3:1, 2:0, 6, а для дворовых сетей - 3:1, 7:1.
Однако по абсолютной величине количество засоров на дворовых сетях в несколько раз больше, чем уличных. Уменьшение частоты засоров, увеличение диаметра труб объясняется несколькими
причинами. Случайно попадающие в сети водоотведения крупные предметы по своим размерам соизмеримы с диаметром труб 150 и 200 мм и поэтому в них они и задерживаются в первую очередь. Вместе с этим действует естественный процесс освобождения жидкости от крупных примесей по мере ее движения по сетям с увеличивающимися диаметром труб и соответственно скоростями течения сточных вод. Немаловажное значение имеет также то, что с увеличением диаметров труб уменьшается неравномерность расходов сточных вод. Установлено также, что на частоту засоров существенно влияют уклоны труб.
Существенного снижения частоты засоров можно достигнуть за счет увеличения минимального диаметра труб для безрасчетных участков сетей их уклонов. На основе выполненных технико-экономических сравнений определено, что минимум приведенных затрат получается для труб диаметром 200 мм, если учитывать уменьшение эксплуатационных затрат только за счет решения частоты засоров из-за диаметров труб. Экономический эффект будет еще выше, если при этом увеличить минимально допустимые уклоны труб. Таким образом, для снижения частоты засоров рекомендуется при проектировании дворовых сетей водоотведения районов с
современной застройкой применять трубу с минимальным диаметром 200 мм.
Для небольших населенных пунктов с малоэтажной застройкой можно допустить применение для дворовых сетей труб диаметром 150 мм.
Исследование причин, обусловливающих необходимость в частых профилактических прочистках трубопроводов от выпадающего в них осадка (до 8 раз в год при неблагоприятных условиях) показали, что это называется существенным различием расчетных и фактических режимов работы сетей водоотведения по транспортировке тяжелых примесей в сточных вод. Так, многочисленные анализы проб осадка из труб разных диаметров показали, что он на 75% состоит из частиц размером не менее 1,0, мм и на 50% - из частиц размером не менее 0,5 мм.
Средневзвешенный размер частиц осадка, состоящего в основном из песка, близок к 1,0 мм.
Следовательно, можно утверждать, что сети не работают в расчетном режиме самоочищения, при котором в трубах практически не должен выпадать песок крупностью менее 1 мм.
Причин здесь несколько. Во-первых, нужно отметить, что имеющиеся рекомендации по минимальным расчетным скоростям (формулы С.В. Яковлева, Н.А. Масленников, Н.В. Федорова) в
большинстве своем исходят из условия «критического» состояния частиц в точке равенства подъемных условий,
возникающих в турбулентном потоке, силам тяжести частиц песка, заданного размера в воде. Следовательно, при их соблюдении по трубам могут транспортироваться частицы, находящиеся во взвешенном состоянии и при расходах жидкости близких к максимальному, на что ведется расчет сетей. Если же частицы песка выпадут в осадок, то для их размыва нужны скорости больше, чем для транспортирования во взвешенном состоянии. По некоторым данным возникающие силы сцепления в осадке требуют увеличения размывающих скоростей на 20-25%. Во-вторых, фактический режим транспортирования песка в сетях водоотведения - донно-грядным при переменном расходе сточных вод. Поэтому в часы суток, когда расход жидкости близок к минимальному, может происходить интенсивное осаждение песка с постепенным в более широком диапазоне времени увеличением высоты гряд осадка, поскольку их размыв в часы максимального притока происходит не полностью. Можно указать также, что сам расчетный случай формулируется не точно. Поскольку минимально допустимые скорости должны обеспечиваться при минимальном расходе, а не при максимальном, как сейчас принято. Не случайно за рубежом имеются
публикации с рекомендациями проводить расчет условий самоочищения труб по минимальным расходам.
Немаловажно также то, что при существующем методе расчета не учитывается транспортирующая способность потока в сетях водоотведения, которая изучена недостаточно. С учетом изложенного, представляется, что подход к установлению расчетных самоочищенных скоростей должен быть другим и более определенным. В связи с этим предлагается исходить из условия размыва заиленного донно-грядными отложениями трубопровода в период максимального расхода сточных вод. В этом случае задача установления самоочищающих скоростей становится определенной и, например, можно исходить из фактического фракционного состава осадка. Это имеет принципиальное значение, так как в формулах упомянутых ранее авторов для определения самоочищающих скоростей принимаются различные средние диаметры частиц песка (0,5 мм или 1 мм) поскольку истинную величину трудно определить из-за выпадения части песка в трубах, а части в песколовках очистных сооружений [6, 7, 8].
На основе анализа условий работы сетей водоотведения различных диаметров по гидравлическому режиму, транспортированию взвеси и вентиляции, а также с учетом современных принципов градостроительства рекомендуется расчетное
наполнение труб диаметров до 300 мм увеличить с 0,6 до 0,7 диаметра. При этом запас пропускной способности по абсолютной величине будет примерно таким же, какой будет получаться по СНиП2.04.03-85 [1].
Технико-экономические сравнения вариантов устройства сетей водоотведения по рекомендуемым нормативам и по СНиП2.04.03-85 [1], выполненные для условного города, расположенного на местности с нулевым уклоном и двух реальных объектов - сети микрорайона и участка коллектора длиной 3,0 км показали целесообразность предлагаемых путей повышения эксплуатационной надежности сетей водоотведения.
Так, установлено, что увеличение уклонов сетей водоотведения только при неблагоприятных условиях строительства (уклон местности близки к) может вызвать необходимость устройства одной дополнительной насосной станции (в условном городе населением 225 тыс. чел.) на начальных участках сети, т.е. небольшой производительности). При уклонах местности более 0,002 такая необходимость отпадает.
Стоимость сетей водоотведения диаметром до 400 мм (с учетом применении труб диаметром 200 мм для безрасчетных участков сети) увеличивается до 2,5%, а коллекторов диаметром 400 мм и
более уменьшается на 2% по сравнению с вариантом по СНиП2.04.03-85 [1].
С учетом соотношения протяженности труб, указанных диаметром в системах водоотведения городов и существенной разницы в абсолютных величинах их стоимости, можно считать, что в реальных условиях стоимость строительства трубопроводов практически не возрастет. Вместе с тем будет достигнуто указанное снижение трудовых затрат на устранение засоров и частоты профилактических прочисток сетей, что в сумме дает условное сокращение обслуживающего персонала в среднем на
Библиографический список
1. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения. - Текст : непосредственный.
2. Алексеев, М. И. О специфике показателей надежности водоотводящих сетей. Водоснабжение и санитарная техника / М. И. Алексеев, Ю. А. Ермолин. - 2015. - № 5. - С. 4-7.
3. Майны, Ш. Б. Температурный режим сезоннопромерзающих грунтов (на примере г. Кызыла) / Ш. Б. Майны. - Текст : непосредственный // Промышленное и гражданское строительство. - 2010. - № 10. - С. 50-51.
4. Майны, Ш. Б. Проблемы бесканальной прокладки трубопроводов в горных регионах (на примере Республики Тыва) / Ш. Б. Майны. -Текст : непосредственный // Естественные и технические науки. - 2014. - № 7 (75). - С. 114118.
5. Терехов, Л. Д. Экспериментальное исследование оттаивания грунта вокруг канализационных трубопроводов мелкого заложения в зимнее время / Л. Д. Терехов, Ш. Б. Майны, Н. А. Черников. - Текст : непосредственный // Вода и экология : проблемы и решения. - 2019. - № 4 (80). - С. 71-78.
6. Терехов, Л. Д. Исследование изменения теплового режима канализационных сетей в
ISSN 2077-6896
35-45%. Поэтому приведенные затраты в вариантах по рекомендуемым нормативам на 2,8-4,1% (для реальных объектов) оказались ниже, чем в вариантах по СНиП2.04.03-85 [1].
Таким образом, предложения по повышению эксплуатационной надежности сетей водоотведения на основе их проектирования по нормативам,
предлагаемым НИИ, АКХ, обеспечивают технико-экономический эффект и будут способствовать решению социальной задачи уменьшения доли
неквалифицированного труда в городском хозяйстве.
зимний период / Л. Д. Терехов, Ш. Б. Майны. -Текст : непосредственный // Водоснабжение и санитарная техника. - 2019. - № 12. - С. 42-47.
7. Майны, Ш. Б. Особенности взаимодействия безнапорных канализационных трубопроводов подземной прокладки с несогласующимися грунтами / Ш. Б. Майны, С. С. Седип. - Текст : непосредственный // Естественные и технические науки. - 2015. - № 1(79). - С. 144146.
8. Чооду, О. А., Майны Ш. Б. Обеспеченность дорожно-эксплуатационных предприятий дорожно-строительной техникой, состояние и влияние на экологию / О. А. Чооду, Ш. Б. Майны. - Текст : непосредственный // Актуальные проблемы исследования этноэкологических и этнокультурных традиций народов Саяно-Алтая : материалы III международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 20-летнему юбилею Тувинского государственного университета, Году народных традиций в Республике Тыва. -Кызыл : Тувинский государственный университет, 2015. - С. 264-266.
References
1. SNiP 2.04.03-85. Kanalizacija. Naruzhnye seti i sooruzhenija [Building Regulations 2.04.03-85.
Sewerage. External networks and facilities]. (In Russian)
2. Alekseev M. I., Yermolin Yu. A. O specifike pokazatelej nadezhnosti vodootvodjashhih setej. Vodosnabzhenie i sanitarnaja tehnika [On the specifics of the indicators of the reliability of drainage networks. Water supply and sanitation]. 2015, no. 5, p. 4-7. (In Russian)
3. Mainy Sh. B. Temperaturnyj rezhim sezonnopromerzajushhih gruntov (na primere g. Kyzyla) [Temperature regime of seasonally freezing soils (on the sample of Kyzyl)]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2010, no. 10, p. 50-51. (In Russian)
4. Mainy Sh. B. Problemy beskanal'noj prokladki truboprovodov v gornyh regionah (na primere Respubliki Tyva) [Problems of channelless laying of pipelines in mountainous regions (on the sample of the Republic of Tuva)]. Estestvennye i tehnicheskie nauki [Natural and Technical Sciences]. 2014, no. 7 (75), p. 114-118. (In Russian)
5. Terekhov L. D., Mainy Sh. B., Chernikov N. A. Jeksperimental'noe issledovanie ottaivanija grunta vokrug kanalizacionnyh truboprovodov melkogo zalozhenija v zimnee vremja [Experimental study of soil thawing around shallow sewer pipelines in winter]. Voda i jekologija : problemy i reshenija [Water and Ecology: problems and solutions]. 2019, no. 4 (80), p. 71-78. (In Russian)
6. Terekhov L. D. Issledovanie izmenenija teplovogo rezhima kanalizacionnyh setej v zimnij period [Study of changes in the thermal regime of sewer networks in winter]. Vodosnabzhenie i sanitarnaja
tehnika [Water supply and sanitation]. 2019, no. 12, p. 42-47. (In Russian)
7. Mainy Sh. B., Sedip S. S. Osobennosti vzaimodejstvija beznapornyh kanalizacionnyh truboprovodov podzemnoj prokladki s nesoglasujushhimisja gruntami [Features of the interaction of free-flow underground sewer pipelines with non-conforming soils]. Estestvennye i tehnicheskie nauki [Natural and Technical Sciences]. 2015, no. 1(79), pp. 144-146. (In Russian)
8. Choodu O. A., Mainy Sh. B. Obespechennost' dorozhno-jekspluatacionnyh predprijatij dorozhno-stroitel'noj tehnikoj, sostojanie i vlijanie na jekologiju [Provision of road maintenance enterprises with road construction equipment, condition and impact on the environment]. Aktual'nye problemy issledovanija jetnojekologicheskih i jetnokul'turnyh tradicij narodov Sajano-Altaja : materialy III mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh, aspirantov i studentov, posvjashhennoj 20-letnemu jubileju Tuvinskogo gosudarstvennogo universiteta, Godu narodnyh tradicij v Respublike Tyva [Relevant Issues of ethno-ecological and ethno-cultural traditions research of the Sayan-Altai region: Materials of the 3d International Scientific-Practical Conference of young researchers, graduates, dedicated to the 20th anniversary of Tuvan State University, the Year of National Traditions in the Republic of Tuva]. Kyzyl, Tuvan State University, 2015, pp. 264-266. (In Russian)
Майны Шончалай Борисовна - старший преподаватель кафедры городского хозяйства Тувинского государственного университета, г. Кызыл, e-mail: [email protected]
Shonchalay Borisovna Mainy - Senior Lecturer, Tuvan State University, Kyzyl, e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 24.11.2020.
