ВОДОНАПОРНАЯ БАШНЯ

Водонапорная башня в системе водоснабжения служит для создания напоров в сети и для регулирования расходов воды.

Создание напора в сети осуществляется расположением резервуара водонапорной башни на определённой, расчётной высоте.

Регулирование расходов воды в сети происходит следующим образом. В часы минимального расхода в водопроводной сети излишки воды, подаваемой насосами, поступают в водонапорную башню, а когда расход в водопроводной сети превышает производительность насосов или в период, когда насосная станция не работает, недостающее количество воды поступает из башни в сеть.

Водонапорные башни в ряде случаев служат также для хранения противопожарного запаса воды.

Водонапорные башни характеризуются объёмом и отметкой расположения дна бака по высоте. Месторасположение водонапорных башен в общей схеме водопроводных сооружений имеет весьма существенное значение. Оно зависит от топографических условий, принятой схемы водоснабжения и разводящей водопроводной сети, а также противопожарных мероприятий.

В зависимости от взаимного расположения точки питания сети и водонапорной башни различают сети с проходной водонапорной башней (резервуаром) и с контррезервуаром.

Размещение водонапорной башни в основном определяется рельефом местности. Если высокие отметки совпадают с точкой питания, то устраивают сеть с проходным резервуаром, т.е. башню располагают в начале сети. Питание такие сети получают всё время от одной точки (от башни). Если повышенные отметки находятся в противоположной от точки питания стороне или в середине сети, применяют сеть с контррезервуаром. Башню, называемую в этом случае контррезервуаром, располагают в конце или середине сети в самых высоких точках. В системах с контррезервуаром сеть в часы максимального водопотребления получает воду с двух сторон – от водовода и от контррезервуара, а в часы минимального водопотребления избыток воды, подаваемый насосной станцией, транзитом проходит по сети от водовода к контррезервуару и пополняет его.

а – с проходным резервуаром; б – с контррезервуаром;

Н.С. – насосная станция; Б – водонапорная башня.

Рисунок 7

Одновременно с этим водонапорные башни располагают, возможно, ближе к основным потребителям, что позволяет лучше обеспечить подачу воды и даёт более экономичную разводящую сеть.

а – с проходным резервуаром; б – с контррезервуаром;

НС - насосная станция; Б – водонапорная башня.

Рисунок 7 – Схема размещения водонапорной башни на водопроводной сети.
7.1 Определение высоты водонапорной башни

Под высотой водонапорной башни следует понимать высоту её поддерживающей конструкции (ствола), т.е. это расстояние от поверхности земли в месте установки водонапорной башни до дна резервуара.

Вода должна подаваться к отдельным потребителям не только в нужном количестве, но и с необходимым давлением, достаточным для подъёма её к месту установки водоразборных кранов, душей, автопоилок, производственного оборудования и других водопроводных приборов. Для этого в водопроводной сети должен постоянно поддерживаться определённый свободный напор, под которым понимают напор в трубах водопроводной сети, отсчитанный от поверхности земли. Иначе говоря, свободный напор есть разность между отметкой пьезометрического уровня воды в трубах и отметкой поверхности земли.

Свободный напор должен быть достаточным во всех точках разводящей водопроводной сети, в том числе и в самых удалённых и имеющих наиболее высокие отметки. В таких неблагоприятных «диктующих» точках сети свободный напор не должен быть ниже указанного в существующих нормах.

Таким образом, для правильного определения высоты водонапорной башни необходимо прежде всего найти диктующую точку на водопроводной сети.

Диктующей точкой разводящей водопроводной сети называется точка, куда труднее всего подать воду. Диктующая точка определяется расчётом. Для этого на плане разводящей сети выбираются несколько неблагоприятных точек, одна из которых может быть диктующей. Затем выбирается общеразводящая точка, ближайшая к неблагоприятным, из которой вода поступает в них. Определяя отметку пьезометрического напора в общеразводящей точке для пропуска воды в выбранные неблагоприятные точки и сравнивая величины их пьезометрических отметок, находят диктующую точку – ту для которой величина пьезометрической отметки будет больше. Величину пьезометрической отметки в общеразводящей точке находят по следующей зависимости:

Ñ_{п.о.т.® н.т.} = Ñ_н.т. + ∑h _{о.т.® н.т.} + Н_св.н.т. (31)

где Ñ_{п.о.т.® н.т.} – пьезометрическая отметка в общеразводящей точке, м;

Ñ_н.т. – отметка земли в неблагоприятной точке, м;

∑h _{о.т.® н.т.} – сумма потерь напора на участках от общеразводящей точки до неблагоприятной точки, м;

Н_св.н.т. – свободный напор в неблагоприятной точке, м (приложение М).

Определив диктующую точку, рассчитывают высоту водонапорной башни по формуле:

Н_В.Б. = (Ñ_Д - Ñ_В.Б.) + ∑h _Б-Д + Н_св.д. (32)

где Н_В.Б. – высота водонапорной башни, м;

Ñ_Д – отметка земли в диктующей точке, м;

Ñ_В.Б. – отметка земли в месте установки башни, м;

∑h _Б-Д –сумма потерь напора на участках от башни до диктующей точки, м;

Н_св.д. – свободный напор в диктующей точке, м (приложение М).

7.2 Определение ёмкости бака водонапорной башни

Ёмкость бака водонапорной башни зависит от размеров водопотребления населённого пункта, характера водопотребления и режима работы насосной станции 2-го подъёма.

Общая полезная ёмкость резервуара водонапорной башни определяется исходя из условий обеспечения подачи воды: в часы перерыва работы насосной станции, в часы наибольшего водоразбора (часы пик), когда воды, подаваемой насосами, недостаёт, для нужд пожаротушения (при хранении в резервуаре пожарного запаса воды).

Таким образом, общий объём бака водонапорной башни можно выразить зависимостью:

W_общ. = W_рег. + W_пож. (33)

где W_общ. – общий объём бака, м³;

W_рег. – регулирующий объём бака, м³;

W_пож. – пожарный объём бака, м³.

Рассмотрим метод определения регулирующей ёмкости бака водонапорной башни графическим способом, с помощью интегральных кривых потребления и подачи (рисунок 8).

По данным суточного графика водопотребления или данным таблицы строят интегральную кривую потребления, для чего по горизонтальной оси откладывают часы суток, а по вертикальной - суммарное потребление от начала суток до каждого часа. На этом же графике строят интегральную кривую (прямую) подачи воды насосной станцией 2-го подъёма, каждая точка которой показывает суммарный объём поданной воды от начала суток до данного часа.

По совмещённому графику кривых потребления и подачи легко определить избыток или недостаток воды в любой момент. Если кривая подачи проходит выше кривой потребления, то это означает, что суммарный объём воды, поданный насосами с начала суток, превышает суммарный объём потребления.

Если кривая подачи проходит ниже кривой потребления, то это означает, что объём потребления с начала суток больше объёма поданной воды. Сумма максимальных избытка и недостатка и даёт значение регулирующей ёмкости бака водонапорной башни, который определяется по следующей формуле:

W_рег. = (34)

где W_рег. – регулирующий объём бака, м³;

Q_{max сут. пос.} – максимальный суточный расход посёлка, м³/сут;

а – максимальная разность ординат кривых подачи и потребления по недостатку воды, %;

в - максимальная разность ординат кривых подачи и потребления по избытку воды, %.

Способ определения регулирующей ёмкости бака водонапорной башни с помощью интегральных графиков прост и достаточно точен для практического пользования. Этим методом особенно удобно пользоваться в тех случаях, когда насосная станция работает не круглосуточно (что часто встречается

в сельскохозяйственном водоснабжении), причём можно найти выгодное время работы насосной станции.

Определение пожарного запаса воды, находящегося в баке водонапорной башни, необходимого для тушения пожара до запуска основных пожарных насосов осуществляется по формуле:

W_пож. = (35)

где n – число пожаров, которые одновременно могут возникнуть в населённом пункте (приложение Н);

t – время, в течение которого необходимо включить основные пожарные насосы (t = 10 мин.);

q_пож. – расход воды на тушение пожара, л/с (приложение Н);

60 – переводной коэффициент минут в секунды;

1000 – переводной коэффициент литров в кубометры.

Рисунок 8 – Интегральный график водопотребления и работы насосной станции

Полученный общий объём бака водонапорной башни позволяет определить размеры бака. Так как наиболее распространёнными являются цилиндрические баки, а оптимальное отношение высоты бака к его диаметру обычно находится в пределах 0,6 – 1,0, определяем диаметр и высоту бака водонапорной башни, в котором находится регулирующий и пожарные объёмы воды.

, (36)

W_общ. = , (37)

W_общ. = , (38)

W_общ. = , (39)

D_бак = (40)

где D_бак – диаметр бака водонапорной башни, м;

W_общ. – общий объём бака водонапорной башни, м³.

Исходя из оптимального соотношения высоты бака к его диаметру, находим высоту бака Н_бак.

Н_бак. = 0,7 ∙ D_бак. (41)

где Н_бак. – высота бака водонапорной башни, м.

Строительный объём бака водонапорной башни будет несколько больше за счёт превышения стенок бака над уровнем воды и объёма, предусмотренного для выпадения осадка из воды. Строительная высота бака будет равна:

Н_стр. = Н_бак. + 0,2 + 0,25 (42)

где 0,2 – величина, предусматривающая превышение бортов бака над уровнем воды, м;

0,25 – величина, предусматривающая осадок в баке, м.

Тогда строительный объём бака водонапорной башни определится по формуле:

W_стр. = (43)

7.3 Построение продольного профиля фрагмента водопроводной сети и пьезометрической линии

После того как определена высота водонапорной башни и рассчитаны объём и размеры её бака выполняется построение пьезометрической линии. Рассмотрим направление от водонапорной башни до диктующей точки (Рис. 9) по участкам 0 – 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 9 – 10.

По принятому направлению в масштабе (горизонтальный 1:10000 или 1:20000, вертикальный 1:200 или 1:500) по геодезическим отметкам строят профиль поверхности земли. В соответствии с глубиной заложения труб намечают профиль дна траншеи.

После нанесения пьезометрических отметок в узлах сети и построения пьезометрической линии находят значения свободных напоров Н_св.. Пьезометрические отметки снижаются в направлении движения воды от башни к диктующей точке, свободный напор в которой во время максимального водопотребления будет минимальным. Если в какой-либо точке сети напор окажется меньше нормативного, то диктующая точка определена неверно.

Рисунок 9 – Продольный профиль фрагмента водопроводной сети

7.4 Конструкция водонапорной башни

К водонапорным башням относят напорно-регулирующие сооружения, у которых бак размещён выше поверхности земли на искусственной опоре. Основные части водонапорной башни – бак, опорная конструкция (ствол) и шатёр.

Опорная конструкция (ствол) водонапорной башни возводится из железобетона, кирпича, стали и реже из камня и дерева. В зависимости от этого башни называют железобетонными, кирпичными, стальными и т.д.

Конструкция ствола может быть в виде сплошных цилиндрических или призматических стаканов (из железобетона или кирпича) или в виде сквозных рам и ферм (из стали, железобетона и дерева).

Применяют также каркасные конструкции ствола с заполнением панелей кирпичом или пустотелым камнем. При сквозной конструкции ствола трубы, ведущие к баку, помещают, как правило, в утепляющем кожухе.

Баки водонапорных башен делают из листовой стали или из железобетона. На небольших объектах временного водоснабжения или строительных площадках применяют деревянные баки. Форма баков различна. Наибольшее распространение получили цилиндрические баки с разной формой днища – плоской, конической, сферической и др. Реже применяют баки шаровой, грушевидной, грибовидной и других форм.

Соотношение размеров цилиндрических баков выбирают с учётом технических и экономических факторов. Чем выше бак и меньше его диаметр, тем меньше размеры опорной части; однако с увеличением высоты бака возрастает высота подъёма воды и затраты электроэнергии. Кроме того, в высоких баках увеличиваются колебания напора в сети. Оптимальное отношение высоты цилиндрической части баков к их диаметру обычно находится в пределах 0,6 – 1,0.

Шатёр предохраняет бак от замерзания и других атмосферных влияний, а также от попадания загрязнений. Его устраивают из лёгких материалов, обладающих слабой теплопроводностью (пустотелых камней, пенобетона, дерева и др.). В условиях тёплого климата устройство шатра не обязательно. Бесшатровые башни с металлическими баками, имеющими наружную теплоизоляцию, можно строить и в местностях с умеренным климатом, при условии, что в баке будет обеспечен хороший водообмен. При сильных морозах на стенках бака допускается образование ледяной корки, нарастание которой постепенно замедляется, а потом и прекращается, так как лёд служит теплоизолятором.

Оборудование водонапорной башни трубами и специальной арматурой показано на рисунке 10.

Для подачи воды в бак и отвода её из бака служит подводяще- разводящая труба 6, на которой расположены два отвода. По отводу 8 вода поступает на нужды водопотребления, а по отводу 9 – на пожарные нужды. На отводе 8 установлен обратный клапан 7. При поступлении воды в башню обратный клапан закрывается, и вода по стояку направляется в верхнюю часть бака. При расходовании воды из башни клапан 7 открывается и вода из нижней части бака отводится к водопотребителям. Такая система подачи и отвода воды предупреждает образование в баке застойных зон. Для выключения башни внизу на подводяще-разводящей трубе устанавливают задвижку 10. Иногда башни оборудуют отдельными подводящими и разводящими трубами.

Для сброса воды в случае переполнения бака устраивают переливную трубу 4, на которой запорную арматуру не устанавливают. Для опорожнения

бака и удаления скапливающегося на дне осадка служит грязевая труба 5 с задвижкой, которая присоединяется к переливной трубе. На подающе- разводящей и переливной трубах устанавливают компенсаторы 11, предупреждающие возникновение опасных напряжений в трубах и днище бака при колебаниях температуры и осадке сооружения.

Трубопроводы в пределах башни делают из стальных труб. Башня оборудована лестницами для доступа в шатёр, внутрь бака и на крышу. На крыше башни устанавливают молниеотвод.

1 – ствол, 2 – бак, 3 – шатёр, 4 – переливная труба, 5 – грязевая труба,

6 – подводяще-разводящая труба, 7 – обратный клапан,

8 – фильтр для отбора воды на нужды водопотребления, 9 – фильтр для отбора воды на пожарные нужды, 10 – задвижки, 11 – компенсаторы,

12 – молниеотвод.

Рисунок 10

7.5 Расчёт напорных трубопроводов на прочность. Определение толщины стенки трубопровода

Тонкостенные цилиндрические сосуды, подверженные внутреннему давлению, широко применяются в инженерной практике. Это различного рода трубопроводы, котлы, ёмкости, заполненные жидкостью или газом.

Одной из важнейших инженерных задач является умение рассчитать толщину их стенок.

Пусть имеется трубопровод с внутренним диаметром D, заполненный жидкостью, находящейся под действием манометрического (избыточного) давления Р_м. Длина трубы L.

Рисунок 11 – Расчётная схема

Под действием этого давления стенки трубы испытывают действие разрывающей силы Р_разр., которая стремиться оторвать один полуцилиндр от другого. Так как труба имеет круглое сечение, то эта сила по любой из плоскостей симметрии будет одинакова. Величина этой силы, если пренебречь весом жидкости в трубе будет равна

(44)

Этой разрывающей силе будет противодействовать нормальная внутренняя сила (сила сопротивления материала трубы) Р_вн. Из «сопромата» величина этой силы для двух швов разрыва будет равна

(45)

где δ – толщина стенки трубы;

|σ| – допускаемое напряжение на разрыв.