Projektowanie sieci. Układ przewodu w ulicy.
Położenie przewodu w ulicy powinno być dostosowane do warunków lokalnych. Podstawowymi materiałami wyjściowymi do projektowania są:
- plan zagospodarowania przestrzennego
- plan sytuacyjno - wysokościowy z aktualnym naniesionym uzbrojeniem nadziemnym i podziemnym terenu.
Projektując sieć wod-kan musimy przestrzegać pewnych zasad co do głębokości, jak i odległości od innych istniejących elementów uzbrojenia. Trasowanie przewodów powinno być ściśle zsynchronizowane z trasami przewodów innego rodzaju. Przewody wodociągowe powinny być układane z minimalnym spadkiem 0,5 ‰, pozwala to na odpowietrzenie sieci i jej odwodnienie w przypadku awarii (należy unikać układania przewodów poziomo). Przewody należy układać w miarę możliwości równolegle do nawierzchni ulicy zachowując jednakowe przykrycie (zależy ono od strefy przemarzania w danym rejonie) oraz należy uwzględnić obciążenia dynamiczne i statyczne.
Układ przewodów rozdzielczych
W każdej ulicy powinien znajdować się przewód rozdzielczy, do którego są podłączane połączenia domowe. Przewody wodociągowe rozdzielcze o średnicy do 250 mm umieszczane są sytuacyjnie pod chodnikiem, wzdłuż krawężnika, w odległości co najmniej 3 m od linii rozgraniczającej oraz 1 m od lica krawężnika. Głębokość przewodów rozdzielczych mieści się w granicach 1,4 m ÷ 1,8 m (zależnie od średnicy i strefy klimatycznej).
Układ przewodów magistralnych
Z uwagi na większe średnice wymaga większych odległości od linii rozgraniczającej, dla średnic do 500 mm odległość ta powinna wynosić 5 m, dla przewodów większych - ponad 500 mm odległość ta powinna wynosić 8 m oraz z reguły większą głębokość ze względu na konieczność przepuszczenia ponad magistralą innych przewodów tzn. rozdzielczych i połączeń domowych.
Głębokość przewodu magistralnego można obliczyć wg wzoru (rys. 1). Na rys. 2 i 3 przedstawione są przekroje poprzeczne ulicy z rozmieszczeniem różnego innego uzbrojenia.
Rozmieszczenie uzbrojenia
Zasuwy - na przewodach rozdzielczych ustawiane są przy węzłach dla oddzielenia przewodów bocznych oraz ustawione są na długich odcinkach prostych przewodów. Zasuwy ze względów pożarowych należy rozmieszczać tak, aby dla wyłączenia danego odcinka sieci nie trzeba było zamykać więcej jak 5 zasuw oraz aby na wyłączonym odcinku nie było więcej jak 4 zasuwy.
Warunki rozmieszczenia zasuw węzłowych:
przewód rozdzielczy oddzielić zasuwą od przewodu magistralnego;
przewód o mniejszej średnicy oddzielić zasuwą od przewodu o średnicy większej;
w przypadku awarii danego odcinka zasilenie w wodę sąsiednich przewodów rozdzielczych powinno być zapewnione przez właściwe rozmieszczenie zasuw zgodnie z kierunkiem zasadniczego przepływu wody;
rozmieszczenie zasuw na odcinkach prostych w odległościach mniejszych jak 400 m dostosowując ich położenie do rozmieszczenia hydrantów a nie odwrotnie; zasuwy na magistrali mogą być umieszczane w odległości 500 ÷ 700 m
Hydranty - rozmieszczenie wzdłuż ulic i dróg oraz na skrzyżowaniach lub w ich pobliżu.
maksymalna odległość hydrantu do obiektu budowlanego wynosi 75 m od ściany budynku co najmniej 5 m; przy wysokim promieniowaniu ciepła co najmniej 25 m
od zewnętrznej krawędzi jezdni, drogi lub ulicy do 15 m; odległość między hydrantami do 150 m
hydranty należy zakładać także w punktach najwyższych i najniższych (odpowietrzenie i płukanie sieci)
Rozmieszczenie hydrantów wykonuje się w sposób następujący:
- najpierw należy je umieszczać w punktach skrzyżowań ulic, następnie między tymi punktami rozmieszcza się pozostałe hydranty; hydranty powinny swym zasięgiem obejmować cały obszar chroniony
- poza obszarami miejskimi odległość między hydrantami powinna być dostosowana do gęstości istniejącej planowanej zabudowy
Wydajność minimalna hydrantu zewnętrznego, przeciwpożarowego przy ciśnieniu nominalnym 0,2 MPa mierzony na zaworze hydrantowym podczas pobierania wody w zależności od jego średnicy nominalnej Dn powinna wynosić co najmniej:
dla hydranty nadziemnego Dn= 80 ÷ 10 dm3/s
dla hydrantu nadziemnego Dn= 100 ÷ 15 dm3/s przez okres 2 godzin
dla hydrantu podziemnego Dn= 100 ÷ 10 dm3/s
Odpowietrzniki, napowietrzniki, odwadniaki - zakładane są na sieci magistralnej, tranzytowej. W sieci rozdzielczej rolę tę spełniają hydranty przeciwpożarowe.
Plany sytuacyjne i profile przewodów wodociągowych (rys. 4, 5, 6, 8) - plany powinny dokładnie określać położenie przewodu, jego trasę, uzbrojenie, zagłębienie, średnicę, spadki, naniesione skrzyżowania z innym rodzajem uzbrojenia (ewentualne kolizje), oznaczenia graficzne na rysunkach, urządzenia i sieć zewnętrzna wod-kan (PN-B-01700:1999);
Węzły i trasy przewodów - węzły (rys.5) oznacza się numerami. Głębokość przewodów przy zasuwach i hydrantach oraz długości odcinków prostych między węzłami i kształtkami podajemy w [m]. przykładowy profil przewodu wodociągowego (rys. 6). Zaprojektowanie układu sieci w planie - nazywamy TRASOWANIEM. Do wykonania trasowania polegającego na nadaniu sieci kształtu geometrycznego zależy od ukształtowania terenu. Niezbędny jest plan warstwicowy miasta, osiedla czy dzielnicy w skali od 1:10 000 do 1:1000. Wybór skali uzależnia się od powierzchni projektowanego obszaru od planu zagospodarowania przestrzennego terenu z zaznaczeniem stref zabudowy, gęstości zaludnienia, rozmieszczenia zakładów np. przemysłowych itp. Dodatkowo na planach powinno być uwidocznione innego rodzaju uzbrojenie terenu. Trasę przebiegu projektowanej sieci należy uzgodnić z właścicielami innego rodzaju uzbrojenia, np. zakład energetyczny, gazownia, telekomunikacja, drogi i mosty, gospodarka cieplna, zieleń miejska, sanepid, ochrona środowiska. Samo trasowanie polega na wykreśleniu linii przewodów wzdłuż ciągów komunikacyjnych i ulic. Projektowanie sieci dla miasta czy osiedla rozpoczynamy od ustalenia sieci magistral stanowiących zasadniczy szkielet sieci, który podlega obliczeniu hydraulicznemu. Zaprojektowanie sieci rozdzielczej jest czynnością wtórną wykonywaną zazwyczaj w późniejszym okresie i według oddzielnych opracowań. Zasadnicze kierunki magistral powinny odpowiadać kierunkom, którymi będą płynęły największe ilości wody od źródeł zasilania do punktów odbioru. Przy trasowaniu należy mieć stale na uwadze:
usytuowanie punktów zasilania sieci;
rozmieszczenie zbiorników sieciowych wyrównawczych;
układ komunikacyjny miasta;
rozmieszczenie dzielnic mieszkaniowych, przemysłowych i punktów większego rozbioru wody i terenów zielonych itp.;
istnienia naturalnych i sztucznych przeszkód takich jak: strumienie, rzeki, linie kolejowe, drogi itp.;
rzeźbę terenu, na którym projektowana jest sieć;
należy starać się łączyć najkrótszą drogą punkty zasilania głównych dzielnic, gdzie wskutek największej gęstości zaludnienia występuje największe zapotrzebowanie wody, również najkrótszej drogi szukamy do zbiornika sieciowego, jeśli taki jest przewidywany.
magistrale korzystnie jest prowadzić na wzniesieniu (po najwyższych warstwicach), jeśli układ terenu na to pozwala;
magistrala prowadzona w dolinie (po najniższych punktach) jest narażona na zwiększone ciśnienie - częstsze awarie (rys.7)
Ciśnienie w sieci wodociągowej
Wymagane ciśnienie gospodarcze (rys. 16) - jest to takie ciśnienie, które wystarczy do normalnego funkcjonowania punktów czerpalnych (w szczególności w punkcie miarodajnym - jest to zazwyczaj punkt najdalej i najwyżej położony). Minimalne ciśnienie w sieci miejskiej H0 w punkcie połączenia domowego (na poziomie terenu) powinno być co najmniej równe sumie strat ciśnienia na pokonanie wszystkich oporów liniowych i miejscowych od przewodu ulicznego do najwyżej i najdalej położonego zaworu czerpalnego i strat ciśnienia na oporach miejscowych (kształtki, uzbrojenie), straty przy przepływie przez węzeł wodomierzowy, zapewnienie wysokości ciśnienia wylotowego H2 w punkcie czerpalnym najwyżej i najdalej położonym i zrównoważenia geometrycznej wysokości odnoszenia wody co możemy zapisać wzorem:
H0 = H1 + H2 + H3 + H4
H4 = H4' + H4'' + H4'''
gdzie:
H0 - najmniejsze ciśnienie w sieci miejskiej niezbędne do pokonania wszystkich wyżej wymienionych oporów alby doprowadzić wodę do najbardziej niekorzystnego punktu czerpalnego w [m słupa wody].
H1 - geometryczna wysokość położenia najniekorzystniej usytuowanego punktu czerpalnego w m słupa wody
H2 - niezbędne ciśnienie wylotowe w punkcie czerpalnym [m słupa wody] przyjmowane wg normy PN-92/B-01706
H3 - strata ciśnienia na wodomierzu [m słupa wody]
H4 - suma strat ciśnienia w przewodzie, łącznie ze stratami miejscowymi na kształtkach, uzbrojeniu itp. [m słupa wody]
H4' - straty ciśnienia na odcinku od B do C (rys. 16)
H4'' - straty ciśnienia na odcinku od W do B
H4''' - straty ciśnienia na odcinku od A do W
Ciśnienie H0 powinno być równe lub mniejsze od ciśnienia roboczego (dyspozycyjnego) Hr panującego w rurociągu ulicznym.
Hr - najniższe ciśnienie robocze w sieci miejskiej nad terenem w miejscu połączenia domowego po uwzględnieniu strat na połączeniu domowym i obiekcie. Wymagane ciśnienie gospodarcze podane jest przykładowo (tab. 2, rys 15,16).
Maksymalne i minimalne ciśnienie robocze w sieci - miarodajne przy obliczeniu sieci wodociągowej jest ciśnienie gospodarcze jako większe od ciśnienia pożarowego. Ogólnie przyjętą zasadą jest aby w każdym punkcie ciśnienie nie było mniejsze od ciśnienia gospodarczego, a następnie sprawdzenie sieci na przepływ pożarowy z warunkiem zachowania ciśnienia pożarowego (0,2 MPa na hydrancie). W dużych sieciach sprawdzanie to jest zbędne. Przy ciśnieniu w sieci 25 ÷ 35 m słupa wody (częściej spotykane) bezpośrednio mogą być zasilane budynki 5-kondygnacyjnych. Dla wyższych należy stosować urządzenia do podnoszenia ciśnienia - hydrofornie, instalacje strefowe, zbiorniki wyrównawcze. Maksymalne ciśnienie robocze w godzinach najmniejszego rozbioru, lub braku rozbioru nie powinno przekraczać maksymalnego dopuszczalnego ciśnienia w sieci ≤ 0,6 MPa (60 m słupa wody) w przewodach i żadnym punkcie zasilania sieci. Minimalne ciśnienie robocze w godzinach maksymalnego rozbioru oraz równocześnie maksymalny rozbiór godzinowy + rozbiór pożarowy nie powinno spaść w żadnym punkcie sieci obszaru zasilania poniżej ciśnienia pożarowego Hpoż gwarantującego możliwość czerpania wody z hydrantów przeciwpożarowych przez motopompy (Hpoż = 10 m słupa wody). W hydrantach zewnętrznych przeznaczonych do bezpośredniego gaszenia pożaru ciśnienie minimalne nie powinno być mniejsze niż 20 m słupa wody. Na rys. nr 17 pokazano układ linii ciśnienia przy różnych wielkościach rozbioru wody: Qhmax, Qhmin, Qhmax + Qpoż oraz wielkości ciśnień minimalnych Hpoż i Hrmin oraz maksymalnych Hrmax. Przy projektowaniu musimy uwzględnić:
Hrmin ≥ Hmin
Hrmax ≤ 0,6 MPa
Hr'min ≥ Hpoż = 10 m słupa wody,
w przypadku hydrantów Hpoż ≥ 20 m słupa wody, przez dwie godziny.
Systemy wodociągowe zaopatrzenia w wodę
W większości przypadków ujęcia wodociągowe położone są poniżej obszaru zaopatrzenia w wodę. Wówczas istnieje potrzeba sztucznego podnoszenia wody na taką wysokość by po doprowadzeniu do miasta czy osiedla zapewnione było odpowiednie ciśnienie robocze w sieci. Możemy wyróżnić dwa podstawowe sposoby pompowania wody:
1. Jednostopniowe pompowanie, gdy urządzenia uzdatniające wodę pracują pod ciśnieniem
2. Dwustopniowe, gdy urządzenia uzdatniające pracują grawitacyjnie.
Straty ciśnienia przy przejściu przez urządzenia do uzdatniania wody są zwykle rzędu kilku metrów słupa wody i w razie potrzeby należy je uwzględnić we właściwym punkcie urządzeń wodociągowych.
Dostosowanie wydajności pompy do zmiennego zapotrzebowania wody przez konsumentów byłoby nie tylko trudne, ale i nieekonomiczne, bowiem sprawność pomp byłaby w pewnych okresach obniżona. Dla zachowania jednostajnej wydajności pomp buduje się zbiorniki wyrównawcze, przeznaczone do magazynowania wody podawanej w pewnych okresach w nadmiarze w stosunku do zapotrzebowania. Tworzy się w ten sposób zapas do wykorzystania 'w następnym okresie, gdy zapotrzebowanie jest większe od wydajności pomp. Wskutek zastosowania zbiornika może być zachowana równomierna praca pomp oraz urządzeń do uzdatniania wody, co jest najdogodniejsze dla eksploatacji. Zapas wody w zbiorniku powinien być taki, aby wystarczył do pokrycia różnicy między zapotrzebowaniem a wydajnością pomp w okresie najczęściej dobowym. Zbiorniki sieciowe (w odróżnieniu od zbiornika stacyjnego usytuowanego między urządzeniami uzdatniającymi a pompami) charakteryzują się wysokim położeniem w stosunku do sieci, umożliwiające bezpośrednie (grawitacyjne) spływanie zawartej w nim wody do sieci. Potrzeba zastosowania zbiornika maleje ze wzrostem sieci, ponieważ chwilowe wahania rozbioru wody w dużych sieciach są stosunkowo nieznaczne wobec dużych przekrojów rur i pojemności sieci oraz większa liczba zespołów pompowych pozwala na łatwiejsze stopniowanie ogólnej wydajności w okresach parogodzinnych przez kolejne włączanie lub wyłączanie ich z pracy. W miastach o małej stosunkowo powierzchni a w stosunku do zaludnienia stosowanie zbiorników jest wręcz niezbędne.
Rozróżniamy :
a) Systemy jednostrefowe
b) Systemy wielostrefowe
c) Systemy grupowe
Systemy a, b, c można podzielić:
- Grawitacyjne, jeżeli ujęcie znajduje się powyżej obszaru zasilania
- Pompowe - ujęcie położone poniżej obszaru zasilania. Woda z ujęcia podawana jest za pomocą pompowni I-go stopnia do stacji uzdatniania, a następnie za pomocą pompowni l-go stopnia tłoczona jest do sieci wodociągowej (przy zastosowaniu do uzdatniania ciśnieniowych urządzeń, pominięty jest drugi stopień pompowania).
Ad a) Systemy jednostrefowe - charakteryzują się tym, że obszar zasilania mieści się w jednej strefie wymaganego i wywołanego ciśnienia. A pojedyncze budynki wysokie nie mają wpływu na sposób rozwiązania układu w całym mieście (budynki posiadające dodatkowe lokalne urządzenia hydroforowe lub pompowo-zbiornikowe podnoszące ciśnienie wody do najwyższych kondygnacji).
Na rys. 18 przedstawiono schemat wodociągu jednostrefowego grawitacyjnego.
Warunki, które musza być spełnione to:
- Przy całkowitym napełnieniu zbiornika, ciśnienie hydrostatyczne w sieci (linia cis. 7) Hmax = 60 m sł. wody
- Minimalne ciśnienie robocze Hrmin (w czasie maksymalnego rozbioru Qhmax) > Hmin
(warunek może być nie spełniony w strefie zabudowy wysokiej gdzie Hmin2 > od minimalnego ciśnienia roboczego linia 8)
Na rys. nr 19 - przedstawiono schemat wodociągu jednostrefowego ze zbiornikiem końcowym pompowego ze stacja uzdatniania i pompownią II-go stopnia - w układzie tym w zależności od wartości rozbioru wody w rurociągach tranzytowych i sieci rozdzielczej występują zmienne ciśnienia (linia 11,12,13 i 14). W okresie minimalnych rozbiorów wody (skrajny przypadek Qh = 0), przy pompowni pracującej woda tłoczona do sieci przepływa przez rurociągi i dopływa do zbiornika górnego 10 (napełnienie zbiornika). Występujące ciśnienia charakteryzuje linia cis. nr 11 odpowiadająca najwyższym ciśnieniom w końcowej fazie napełnienia zbiornika. Największe ciśnienie w sieci rozdzielczej Hrmax występujące na początku obszaru zasilania powinno być ≤ Hmax. W czasie postoju pomp i całkowitym napełnieniu zbiornika przy zerowym rozbiorze wody ciśnienie maksymalne. W sieci jest maksymalnym ciśnieniem hydrostatycznym. Przy max. rozbiorze wody Qhmax zasilenie sieci następuje z dwóch stron: pompownia tłoczy wodę z ujęcia z ilości Qp a reszta wody dopływa ze zbiornika wyrównawczego ( Qhimax = Qp + Qzb). W końcowej fazie maksymalnego rozbioru wody wyczerpany zostanie zapas wody użytkowej w zbiorniku, a ciśnienia w sieci przyjmą wartości minimalne (linia 13). W miejscu najniższego ciśnienia w obszarze zasilania ciśnienie robocze będzie miało wartość
Hrmin i powinno być większe od wymaganego ciśnienia minimalnego Hmin (Hrmin ≥ Hmin)
Jeżeli w czasie największego rozbioru wody wybuchnie pożar wówczas zasilenie miasta wodą od strony pompowni Q'''p i od strony zbiornika Q''zb musi pokryć zapotrzebowanie na wodę Qhmax + Qpoż. Ciśnienie w sieci w najniekorzystniejszym miejscu nie powinno być niższe od Hpoż = 10 m sł wody. W ostatniej fazie pożaru ciśnienia ułożą się według linii 14 przy całkowitym opróżnieniu zbiornika (łącznie z zapasem p-poż.).
Na rys. nr 20 przedstawiono schemat wodociągu jednostrefowego pompowego jak poprzednio, lecz ze zbiornikiem centralnym. Zasada nieprzekraczania max. ciśnień oraz utrzymania ciśnienia, co najmniej minimalnego, jak również min. ciśnień pożarowych jest jak w uprzednio przedstawionych układach obowiązująca.
Na rys. nr 21 przedstawiono układ wodociągu jednostrefowego pompowego - ze zbiornikiem przepływowym początkowym. Jak widać na schemacie układ wodociągowy części grawitacyjnej nie różni się od typowego układu wodociągu grawitacyjnego (rys. nr 17). Natężenie dopływu wody do zbiornika równe jest wydajności pompowni, a przepustowość rurociągu grawitacyjnego od zbiornika do obszaru zasilania odpowiada maksymalnemu rozbiorowi Qhmax (linia cis. 10) i powinna być sprawdzona dla Qhmax + Qpoż (linia cis. 11).
Na rys. nr 22 przedstawiono układ wodociągu jednostrefowego pompowego - ze zbiornikiem przepływowym początkowym bocznym.
Zbiornik początkowy boczny 6 połączony jest z rurociągiem przewodem tłocznym 5. W czasie zerowego rozbioru woda tłoczona przez pompownię 3 dopływa w całości do zbiornika i wypełnia go. Odcinek rurociągu 4a ma charakter rurociągu tłoczno-grawitacyjnego: w czasie największego rozbioru wody Qhmax część wody jest tłoczona do sieci rozdzielczej Q'p, a reszta zapotrzebowania na wodę pokryta jest dopływem ze zbiornika wyrównawczego Q'zb, a więc Ohmax = Q''p + Q'zb. W końcowej fazie max rozbioru wody ciśnienia w sieci ułożą się wg linii minimalnego ciśnienia roboczego (linia 11) i nie powinny spaść poniżej wymaganego ciśnienia minimalnego (w czasie pożaru i maksymalnego rozbioru linia może spaść niżej (12). W najniekorzystniejszych miejscach sieci rozdzielczej musi być dotrzymany warunek wymaganych ciśnień minimalnych i dopuszczalnych maksymalnych (Hmin, Hpoż, Hmax)
Ad b) Systemy wodociągowe wielostrefowe
W przypadku, gdy obszar zasilania odznacza się dużym zróżnicowaniem wysokościowym (nie można utrzymać ciśnień roboczych w granicach jednej strefy) wówczas w celu zaopatrzenia w wodę całego obszaru zasilania należy utworzyć dwie lub więcej stref.
Systemy wodociągowe wielostrefowe grawitacyjne Typowy układ wodociągu dwustrefowego przedstawiono na rys. nr 22. Układ ten jest układem dwustrefowym szeregowym. Przez strefę I z ujęcia płynie cała ilość zapotrzebowanej wody przez dwie strefy, do strefy II dopływa zaś jedynie woda równa zapotrzebowaniu na wodę strefy II. Każda strefa ma swój własny zbiornik przepływowy, z tym, że zbiornik strefy I jest zbiornikiem wyrównawczym dla obu stref. Jak widać na rysunku konieczne było utworzenie dwóch stref ciśnienia, gdyż obszar strefy drugiej znajdował by się pod zbyt dużym ciśnieniem, większym od dopuszczalnego. Redukcja ciśnienia następuje tutaj w zbiorniku przejściowym strefy II nr 9.
Na rys. nr 24 przedstawiono układ wodociągu dwustrefowy szeregowy, grawitacyjny z jednym zbiornikiem wyrównawczym górnym. Na pograniczu obu stref umieszczono zamiast zbiornika wyrównawczego zawór redukcyjny 8, w którym maksymalne ciśnienie robocze po stronie odpływu zostało ustalone na wysokości dopuszczalnego ciśnienia maksymalnego (HIIrmax ≤ Hmax). Woda po przejściu przez zawór redukcyjny 8 spływa rurociągiem grawitacyjnym 9 do sieci rozdzielczej 10 i obszaru zasilania 11 strefy II.
Systemy wielostrefowe pompowe
Występują wówczas, gdy ujęcie wody położone jest niżej od obszarów zasilania a różnice terenowe między obszarami zasilania wykluczają możliwość zastosowania układu jednostrefowego
lub gdy występuje duża rozciągłość obszaru zasilania.
Rozróżniamy trzy systemy strefowe pompowe:
System szeregowy - rys. nr 25
System równoległy - rys. nr 26 - przedstawia graniczne ciśnienia występujące w układzie strefowym dla strefy I i n .Ciśnienie w rurociągu tranzytowym nie powinno przekroczyć Htr ≤ 80 m sł. wody
System dwustrefowy pompowy w terenie płaskim i rozległym rys, nr 27 - stosowany zwłaszcza, gdy w mieście powstają nowe dzielnice peryferyjne
Ad c) Systemy wodociągowe grupowe
Systemy wodociągowe grupowe charakteryzują się tym, że umożliwiają zaopatrzenie w wodę miejscowości, które z powodu małego zapotrzebowania lub zbytniego oddalenia od źródeł wody nadającej się do ujęcia nie mogły być wyposażone w urządzenia wodociągowe z powodu dużych kosztów jednostkowych. Wodociągi grupowe mogą dostarczać wodę do osiedli pozbawionych wody, wysoko położonych, które we własnym zakresie nie mogłyby rozwiązać problemu zaopatrzenia w wodę. rys. nr 28 przedstawia schemat siedmiostrefowego wodociągu grupowego.