Заиление русел каналов и рек

Во взвесенесущем потоке происходит распределение частиц по крупности: мелкие легкие частицы находятся во взвешенном состоянии, а более тяжелые частицы оседают на дно. Частицы, выпавшие на дно русла, приводят к заилению русла, образованию на дне слоя частиц и уменьшению площади сечения русла. Возникновение заиления труб может привести к аварийным ситуациям в системах водоотвода.

Для потоков в открытых руслах скорость увеличивается от дна к свободной поверхности, поэтому легкие частицы, транспортируемые потоком частицы, находятся в верхней части русла; тяжелые частицы смещаются ко дну русла.

В потоке сточной жидкости кроме тяжелых минеральных частиц, имеются также органические включения, плотность которых значительно меньше плотности воды, и они транспортируются потоком на свободной поверхности или около нее.

На транспортирование взвеси самотечным безнапорным потоком жидкости затрачивается дополнительная энергия. Уклон водоотводной трубы при переносе взвеси должен быть больше, чем уклон при транспортировании чистой воды.

В самотечной водоотводной трубе полураздельной системы водоотвода, в которой одновременно транспортируются бытовые, дождевые и промышленные сточные воды, происходит разделение частиц, на переносимые во взвешенном состоянии и влекомые потоком по дну трубы.

В отличие от течения взвесенесущих потоков в системах водоотвода, в которых движение происходит в жестких руслах, взвесенесущие потоки в грунтовых каналах и реках перемещаются в размываемых грунтах. Поэтому русло канала и реки сильно деформируется. Размыв русла приводит к насыщению потока грунтом. Задачей расчета течения взвесенесущих потоков в каналах является определение максимальной неразмывающей, и минимальной незаиляющей скоростей. Максимальная неразмывающая скорость зависит от характеристики грунтов, слагающих русло канала и реки, глубины потока, насыщения потока взвесью.

В результате определенного насыщения потока жидкости твердыми частичками и уменьшением скорости потока может происходить их отложение на дно русла, в результате русло заиляется, уменьшается площадь его поперечного живого сечения.

Для предотвращения заиления русла и его размыва необходимо соблюдение следующего условия:

V_мин≤V≤V_макс ,

где V_мин – минимально допустимая средняя скорость течения жидкости (воды) в русле при равномерном движении;

V_мах – максимально допустимая не размывающая средняя скорость при равномерном движении;

V – средняя скорость потока в русле.

Считается, что если средняя скорость в русле V<V_мин (V_нз), то будет происходить заиление русла в результате отложения тяжелых твердых частиц.

В случае, когда V>V_мах(V_нр) русло будет разрушаться в результате его размыва. Это относится к руслам каналов в естественном состоянии (см. главу 3).

Минимально допустимая средняя скорость зависит от геометрической формы канала, шероховатости его стенок русла объемной концентрации гидросмеси, гранулометрического состава материала переносимого потоком. В общем виде минимальную скорость можно выразить следующей зависимостью:

Vmin= ,                                            (33)

где k – коэффициент пропорциональности зависящей от типа грунта, или материала частиц;

R – гидравлический радиус русла;

u_оср. – средняя гидравлическая крупность материала;

С_о – объемная концентрация.

Особый интерес представляет заиление труб, по которым осуществляется транспортирование сточных вод. В сточной воде находится большое содержание взвесей, различных по крупности, удельному весу и виду (органика, тяжелые разнородные минеральные частицы).

Для не заиливающей допустимой скорости V_мин (м/с) при движении бытовых и дождевых вод Н. Федоровым предложена формула, полученная на основании обработки результатов экспериментов

Vmin=А ,                                               (34)

где R - гидравлический радиус, м;

А=1,42; n=4,5+0,5R.

Исходя из условия на осаждение взвеси на дно безнапорных труб при транспортировании сточных вод А. Курганов предложил следующую зависимость при определении не заиливающей скорости:

V_мин=u₀λ^-2/3≈0,55u₀ С₀^4/3    .                                   (35)

Для упрощения расчетов А. Курганов рекомендует находить V_мин по таблице 4.

 

                                                                                                                          Таблица 4

D, мм	200	400	600	800	1200	1600	2000	3000
Vмин	0,75	0,87	0,96	1,02	1,12	1,19	1,25	1,37

  

Минимально допустимая скорость связана с уклоном дна, который называют минимальным уклоном водовода i _мин.

При расчетном наполнении для всех видов систем водоотведения согласно Строительных норм и правил (СНиП) наименьший уклон для водоотводных труб минимальных диаметров может быть выбран согласно таблице 5.

                                                                                                                          Таблица 5

Диаметр трубы, мм	150	200	1250
Наименьший уклон i мин	0,008	0,005	0,0005

 

В СНиПе предлагается, принимать V_мин и а _мах=  при известном составе сточных вод при u₀=0,05м/с.

i _min=0,0050 .                                          (36)

Данная формула хорошо согласуется с предложенной С. Яковлевым экспериментальной зависимостью

i _min= ,                                                      (37)

где D – диаметр трубы в миллиметрах, при расходе Q в л/с.

С учетом гидравлической крупности частиц в потоке при полном заполнении коллекторов дождевого водоотвода:

i _min=2,77 .                                               (38)

При расчетных наполнения труб бытовой сети:

i _min=2,38 .                                             (39)