Проектирование дренажных систем для сточных вод: Руководство для городских инженеров по созданию устойчивых систем

В августе 2023 года прибрежный город в Юго-Восточной Азии получил 220 мм осадков за 24 часа. Улицы, которые десятилетиями адекватно отводили воду, превратились в реки. Канализационная сеть, построенная на основе мелкодиаметровых бетонных труб, установленных в 1980-х годах, не смогла быстрее отвести такую ​​количество воды. Ущерб от наводнений превысил стоимость замены всей системы.

Если вы проектируете, определяете требования или закупаете коммунальную дренажную инфраструктуру, вы понимаете, на что идет ставка. Проектирование дренажных систем для сточных вод - это не только отвод воды с дорог. Это определяет, будут ли наводнения в кварталах, останутся ли дороги проходимыми во время штормов и сможет ли ваша система справиться с режимом осадков в течение следующих 30 лет.

В этом руководстве вы узнаете основные принципы проектирования дренажных систем для сточных вод, начиная от анализа осадков и расчета стока до определения диаметра труб и выбора материалов. Вы также увидите, как крупнодиаметровые спиральные профилированные трубы из ПЭВУ/ПП вписываются в современные системы дренажа сточных вод и как Yongke Machinery помогает производителям труб, нуждающимся в надежном производственном оборудовании.

Что такое проектирование дренажных систем для сточных вод?

Проектирование дренажных систем для сточных вод - это инженерное направление, которое включает сбор, транспортировку и управление стоками дождевой воды с искусственных поверхностей. Цель состоит в предотвращении наводнений, защите имущества, уменьшении эрозии и сохранении качества воды до того, как стоки попадают в естественные водоемы или совместные канализационные системы.

Полное проектирование дренажной системы для сточных вод учитывает:

• Интенсивность, продолжительность и частоту дождей в месте проведения проекта

• Бассейн сбора, использование земель и проницаемость поверхности

• Коэффициенты стока и оценки пиковых расходов

• Размеры, наклон и пропускная способность сточных водопроводов

• Входные отверстия, люки, энергогасящие устройства и выходные отверстия

• Структуры задержки и накопления воды для борьбы с наводнениями

• Очистка воды, если это требуется нормативными документами

При проектировании каждого водопровода необходимо учитывать экстремальные ситуации. Система, рассчитанная только на средние дождевые осадки, не справится с ситуацией во время шторма, который определяет срок службы проекта.

Инженерное примечание: Стандартные ливни обычно определяются по периодам возврата, таким как события с периодом возврата 10, 25 или 100 лет. Ливень с периодом возврата 100 лет имеет 1%-ную годовую вероятность превышения в любом данном году, это не означает, что он обязательно случится один раз в столетие.

Почему проектирование сточных вод имеет важность больше, чем когда-либо

Урбанизация изменяет поведение дождя. Природная почва впитывает воду. Дороги, парковки и крыши этого не делают. Каждый гектар асфальтированной поверхности увеличивает объем и скорость стока, поступающего в канализацию.

Стоимость недостаточного проекта системы

Недостаточное проектирование системы сточных вод приводит к:

• Затоплению дорог и нарушению движения

• Ущербу имущества в низменных районах

• Размыву каналов и прибрежных земель

• Перегрузке комбинированных канализационных систем, вызывающих перелива

• Штрафам муниципалитетов по требованиям нормативных актов

• Увеличению затрат на техническое обслуживание из-за накопления осадков и мусора

Американское общество гражданских инженеров (ASCE) и другие организации, занимающиеся инфраструктурой, регулярно сообщают, что системы дренажа во многих регионах устарели и не соответствуют первоначальным предположениям о их емкости. Климатические данные также показывают, что интенсивность дождей увеличивается во многих районах, что делает старые стандарты проектирования менее надежными.

Проектирование для будущего

Прогрессивное проектирование дождевой канализации учитывает:

• Обновленные кривые интенсивности - продолжительности - частоты (IDF) дождя

• Будущие изменения землепользования в водосборе

• Зеленую инфраструктуру, такую как биосваи и проницаемая асфальтовая дорожка

• Устойчивые к коррозии и истиранию материалы труб

• Доступ для технического обслуживания и управление осадками

Города, которые инвестируют в надежную городскую дождевую канализацию, избавляются от цикла аварийных ремонтов и восстановления после наводнений, которые истощают городские бюджеты.

Основные этапы проектирования дождевой канализации

Каждый проект дренажной системы для сточных вод следует логической последовательности. Пропуск этапов или использование устаревших предположений создает риски в нижнем течении.

1. Определите проектный шторм

Проектный шторм устанавливает дождевую ситуацию, которую система должна справиться. Инженеры выбирают период возврата и продолжительность на основе местных стандартов, характеристик водосборного бассейна и последствий неисправности.

Общие проектные стандарты включают:

• Малые системы: 5-летний или 10-летний период возврата для дренажа улиц

• Основные системы: 25-летний, 50-летний или 100-летний период возврата для борьбы с наводнениями

• Критическая инфраструктура: 100-летнее событие или более высокий для больниц, аэропортов и экстренных маршрутов

Размеры труб для сточных вод должны соответствовать выбранному проектному шторму. Труба, рассчитанная на 10-летнее событие, будет перегружена во время 100-летнего шторма.

Данные о дождях обычно поступают от национальных метеорологических служб или региональных кривых интенсивности-дурации-частоты. Затем выбранная интенсивность дождя применяется к водосборному бассейну для оценки стока для определения размеров труб для сточных вод и маршрутизации сети.

2. Рассчитайте сток с использованием рационального метода

Для многих муниципальных проектов рациональный метод предоставляет практичный способ оценки пикового стока:

Q = CiA

Где:

• Q = пиковый расход (м³/с или фут³/с)

• C = коэффициент стока, основанный на типе поверхности

• i = интенсивность дождя (мм/ч или дюйм/ч)

• A = площадь водосбора (га или акры)

Коэффициенты стока варьируются в зависимости от поверхности. Асфальтные покрытия и крыши создают большой сток. Лужайки и открытые земли создают гораздо меньше. Для смешанных водосборов инженеры рассчитывают взвешенный коэффициент.

Более сложные водосборы могут потребовать гидрологического моделирования с использованием программного обеспечения, такого как EPA SWMM, HEC-HMS или местные аналоги. Эти инструменты моделируют дождь, инфильтрацию и движение воды по сети с течением времени.

3. Определите размер труб с использованием уравнения Мэннинга

Как только известен пиковый поток, инженеры начинают расчеты по проектированию дренажных труб, используя уравнение Мэннинга для открытого канала:

V = (1/n) × R^(2/3) × S^(1/2)

Q = A × V

Где:

• V = скорость потока (м/с или фут/с)

• n = Коэффициент шероховатости Маннинга

• R = гидравлический радиус

• S = уклон трубы

• A = площадь поперечного сечения потока

Точное определение размеров труб для сточных вод позволяет достичь баланса между пропускной способностью и скоростью потока. Слишком низкая скорость приводит к осаждению осадков. Слишком высокая скорость вызывает эрозию трубы. Для полных круглых труб уравнение можно упростить для определения требуемого диаметра. Общие цели проектирования включают:

• Минимальная скорость 0,6 - 0,75 м/с для предотвращения осаждения осадков

• Максимальная скорость 3 - 4,5 м/с для ограничения истирания и эрозии

• Достаточный зазор и запас пропускной способности для событий, выходящих за пределы проектной мощности

4. Разработать схему сети

Схема системы дренажа сточных вод включает:

• Сливные ямы и водоприемные устройства, расположенные для сбора поверхностного стока

• Трубы для транспортировки, соединяющие входы с люками и стоками

• Люки для доступа, осмотра и технического обслуживания

• Стоковые устройства, отводящие воду в каналы, прудовы-регуляторы или приемные воды

• Энергопоглотители в местах, где высокоскоростной поток может размыть выход

Размещение должно минимизировать длину труб, сохранять благоприятные уклоны и обеспечивать доступ для очистки и видеоконтроля.

5. Выберите материал труб

Материал труб влияет на гидравлические характеристики, срок службы конструкции, стоимость установки и требования к техническому обслуживанию. Общие варианты включают:

Для крупноразмерных муниципальных дождевых систем спирально профилированная труба HDPE/PP представляет собой удачное сочетание структурной жёсткости, химической стойкости и гидравлической эффективности. Дождевые трубы HDPE широко используются в случаях, когда возникают проблемы с коррозией, весом или надежностью соединений.

Наша статья о сравнении спирально профилированных труб и двухстенных гофрированных труб детально рассматривает эти варианты.

Выбор диаметра и материала труб для дождевых систем

Подбор размеров труб при проектировании дождевого дренажа требует баланса между пропускной способностью, скоростью потока, стоимостью и технологичностью строительства. Трубы с избыточным диаметром ведут к потере денег. Трубы с недостаточным диаметром вызывают наводнения.

Когда становится необходимым использование труб большого диаметра

Трубы большого диаметра для сточных вод требуются, когда:

• Площадь водосбора велика, а пиковый сток высок

• Ровная местность ограничивает доступный уклон

• Система должна пропускать крупные потоки при сильных дождях

• Существующие трубы имеют недостаточный размер и нуждаются в замене

• Длинные трубы набирают поток из нескольких подводосборов

Проекты в этой категории часто требуют труб от DN1200 мм до DN4000 мм или большего диаметра. Спирально-ребристые трубы обычно используются в этом диапазоне, так как они имеют конструкцию с несущей стенкой и постоянную кольцевую жесткость при больших диаметрах.

Спирально-ребристые трубы из HDPE/PP в проектировании дренажных систем для сточных вод

Спирально-ребристые трубы из HDPE/PP изготавливаются путем экструзии профилированной полосы и ее спиральной намотки на оправку с последующей сваркой перекрывающихся частей для формирования трубы с несущей стенкой. В результате получается легкая труба с высоким соотношением жесткости к весу и превосходной коррозионной стойкостью.

Для проектирования дренажных систем для сточных вод спирально-ребристые трубы для сточных вод предлагают:

• Диаметр от DN300 мм до DN5000 мм

• Настраиваемые классы кольцевой жесткости, такие как SN4, SN8 и SN16

• Гладкая внутренняя поверхность для хорошей гидравлической пропускной способности

• Стойкость к кислотам, солям и микробной коррозии, распространенным в сточных водах

• Длительный срок службы при минимальном обслуживании

• Возможность производства труб на месте для крупных инфраструктурных проектов

Yongke Machinery производит машины для производства спирально-ребристых труб из HDPE/PP для внутреннего производства этих труб. Для муниципальных подрядчиков это означает, что крупнодиаметровые трубы для сточных вод из HDPE могут быть изготовлены на месте проекта в рамках комплексного процесса проектирования дренажных систем для сточных вод. Это снижает транспортные расходы и риски доставки.

Сравнение спирально-ребристых и гофрированных труб

И спирально-ребристые трубы, и двухстенные гофрированные трубы используются в проектировании дренажных систем для сточных вод, но они различаются по важным параметрам. Выбор между ними является частью практического проектирования дренажных труб для муниципальных систем.

Для полного технического сравнения прочитайте наш гид по трубам большого диаметра в диапазоне от DN300мм до DN5000мм.

Общие ошибки в проектировании сточных водоотводов

Даже опытные инженеры допускают ошибки при проектировании сточных водоотводов. Избегание этих ошибок защищает как бюджет проекта, так и безопасность общественности.

1. Использование устаревших данных о осадках

Кривые интенсивности-дохода-физического времени (ИДФ) меняются со временем. Проект, основанный на данных о осадках, полученных 30 лет назад, может недооценивать интенсивность современных ливней. Всегда используйте самые свежие доступные данные для местоположения проекта.

2. Игнорирование изменений землепользования

Район сбора воды, который в настоящее время является сельским, может стать городским в течение срока службы системы. Будущее развитие увеличивает площадь непроницаемых поверхностей и пиковый сток. Проектирование только с учетом текущих условий создает риск наводнений в будущем.

3. Недостаточный размер водоприемников и ливнеприемников

Даже правильно подобранный диаметр трубы не сможет отвести воду с улицы, если водоприемники слишком малы или расположены неудачно. При подборе диаметра труб необходимо учитывать пропускную способность водоприемников, тип решеток и возможность засорения мусором.

4. Неучет доступа для технического обслуживания

Системы сточных вод собирают осадки, листья и мусор. Люки и очистные колодцы должны быть расположены так, чтобы бригады технического обслуживания могли осматривать и чистить трубопровод. Плохой доступ увеличивает долгосрочные эксплуатационные расходы и риск отказа системы.

5. Выбор материала труб только на основе начальной стоимости

Наименьшая начальная цена труб не всегда означает минимальные затраты на весь жизненный цикл. При выборе материала необходимо учитывать коррозию, истирание, поломку соединений и стоимость замены. Спирально-фигурные трубы из ПЭВП/ПП часто снижают затраты на жизненный цикл в агрессивных почвенных или водных условиях. Ознакомьтесь с нашей машиной для производства спирально-фигурных труб из ПЭВП/ПП, чтобы узнать о возможностях производства.

6. Несовместимость с другими коммуникациями

Сливные трубы часто располагаются в одном коридоре с водопроводами, канализацией, газопроводами и электрическими кабелями. Необходимо заранее проверить требования по горизонтальному и вертикальному расстоянию между коммуникациями на этапе проектирования, чтобы избежать конфликтов при строительстве.

Пример проекта: муниципалитет в Восточной Европе заменил неисправную бетонную сливную магистраль диаметром DN1500 мм на спирально-фигурную трубу из ПЭВП диаметром DN1800 мм. Первоначальная труба имела смещение соединений и внутреннюю коррозию. Гладкий внутренний слой новой трубы улучшил гидравлическую пропускную способность, а возможность производства длинных отрезков на месте работ снизила количество соединений и время установки.

Как интегрировать проект дренажа поверхностных сточных вод с устойчивыми практиками

Современные системы управления поверхностными сточными водами выходят за рамки просто транспортировки воды. Они все чаще включают контроль на источнике и очистку воды как часть комплексного проекта дренажа поверхностных сточных вод. Муниципальные проекты дренажа поверхностных сточных вод теперь регулярно сочетают серую инфраструктуру с зеленой инфраструктурой, чтобы достичь нормативных целей и обеспечить устойчивость.

Этот раздел относится к инженерам, разрабатывающим планы проектирования дренажа поверхностных сточных вод, которые балансируют гидравлические характеристики с охраной окружающей среды.

Зеленая инфраструктура

Зеленая инфраструктура уменьшает объем стока до его попадания в трубопроводную сеть:

• Проницаемая асфальтовая дорожка позволяет воде просачиваться на парковках

• Биологические канавки замедляют и фильтруют сток вдоль дорог

• Зеленые крыши уменьшают пиковый сток с зданий

• Дождевые сады задерживают и очищают сток на источнике

Эти меры могут уменьшить необходимый размер труб для дренажа поверхностных сточных вод и отсрочить наводнения в нижнем течении.

Задержка и удержание

Бассейны задержки временно хранят сточные воды и медленно их отпускают, чтобы предотвратить всплески воды в нижнем течении. Бассейны удержания удерживают воду дольше, позволяя осаждаться осадкам и иногда обеспечивая фильтрацию. Оба типа бассейнов широко используются в проектировании дренажных систем для коммерческих и жилых объектов.

Очистка воды от загрязнений

Сточные воды могут содержать масла, осадки, тяжелые металлы и питательные вещества. Методы очистки включают:

• Разделители масла и гравия для сточных вод с парковок

• Сточные бассейны для удаления частиц

• Медианные фильтры для удаления растворенных загрязнителей

• Растительные полосы для биологической фильтрации

Требования к качеству воды в различных регионах могут различаться, но все чаще они становятся частью стандартов проектирования дренажных систем.

От проектирования к производству: изготовление водостоковых труб

После завершения проектирования водостоковой системы необходимо изготовить, доставить и установить соответствующие трубы. Для крупных проектов производство труб на месте может быть стратегическим преимуществом.

Преимущества производства на месте

Производство HDPE/PP спирально - профильных труб на месте проекта или вблизи него предоставляет несколько преимуществ для проекта дренажного водоотведения:

• Снижение транспортных расходов на крупно диаметральные трубы

• Возможность производства непрерывных длин, соответствующих схеме траншеи

• Быстрый ответ на изменения в проекте

• Нижние требования к запасам и хранению

• Местной контроля качества и тестирования

Машина для производства HDPE/PP спирально - профильных труб обеспечивает функции экструзии, навивки, сварки и резки, необходимые для этого метода производства. Yongke Machinery настраивает эти линии для целевого диапазона диаметров. Стандартный диапазон - от DN300 мм до DN5000 мм.

Контроль качества при производстве труб

Трубы для водоотведения дождевой воды должны соответствовать конструкционным и размерным стандартам. Контроль качества во время производства включает:

• Измерение диаметра и толщины стенки

• Тестирование кольцевой жесткости в соответствии с EN 13476 или ISO 9969

• Тестирование прочности сварных соединений профилей

• Визуальный осмотр на предмет дефектов и загрязнений

• Маркировка и записи о отслеживаемости

Для получения рекомендаций по выбору поставщика оборудования для проекта по проектированию дренажных систем для сточных вод см. нашу статью о выборе производителя трубного оборудования.

Практический рабочий процесс по проектированию дренажных систем для сточных вод

Вот как опытные муниципальные инженеры подходят к проектированию дренажных систем для сточных вод от концепции до строительства.

1. Сбор данных. Собрать топографические карты, планы землепользования, данные о почве, записи о существующих коммуникациях и информацию о осадках.

2. Определение критериев проектирования. Установить периоды возврата, допустимые пределы наводнения, диапазоны скорости и нормативные требования.

3. Определение водосборов. Разделить площадь проекта на подводосборы с аналогичным землепользованием и характеристиками стока.

4. Рассчитывайте сток. Применяйте рациональный метод или гидрологическое моделирование для оценки пиковых расходов.

5. Определяйте размер и маршрут труб. Используйте уравнение Маннинга и гидравлическое моделирование для определения диаметров, уклонов и маршрутов труб.

6. Проектируйте водоприемники и сооружения. Определяйте расположение водосборников, люков, сбросов и энергогасящих устройств.

7. Выбирайте материалы. Сравнивайте материалы труб на основе конструкционных требований, коррозионной стойкости, гидравлических характеристик и стоимости на протяжении всего жизненного цикла.

8. Подготавливайте чертежи и технические условия. Документируйте проект для тендерных процедур на строительство и получения разрешений.

9. Участвуйте в координации с заинтересованными сторонами. Проверяйте конфликты с коммуникациями, получайте экологические разрешения и планируйте этапы строительства.

10. Поддерживайте строительство и пусконаладочные работы. Осматривайте монтаж, тестируйте систему и проверяйте ее работу в соответствии с проектными предположениями.

Планируете крупный проект по дренажу дождевой воды? Запросите техническое коммерческое предложение на линию производства HDPE/PP спиралеобразных профильных труб, настроенную на нужные вам диаметры труб.

Заключение

Проектирование дренажных систем для сточных вод является основополагающей дисциплиной для устойчивых городов. От анализа осадков и расчета стока до определения размеров труб и выбора материалов каждое решение влияет на работу системы в экстремальных погодных условиях.

Основные выводы:

• При проектировании дренажных систем для сточных вод необходимо учитывать текущие и будущие уровни осадков, землепользование и поведение стока.

• Метод рационального расчета и уравнение Маннинга предоставляют практические инструменты для многих муниципальных проектов.

• Выбор материала труб влияет на гидравлическую способность, срок службы и стоимость на протяжении всего жизненного цикла.

• Спиральные трубы из HDPE/PP хорошо подходят для крупнодиаметровых сточных водных систем от DN300 мм до DN5000 мм.

• Применение устойчивых практик, таких как зеленая инфраструктура и временное удерживание воды, может уменьшить размеры сточных водных труб на нижнем течении и снизить риск наводнений.

• Местное производство труб может улучшить логистику и контроль затрат для крупных дренажных проектов.

Если вы планируете проект дренажа поверхностных сточных вод или рассматриваете возможность производства большего диаметра труб на собственном предприятии, запросите техническое коммерческое предложение. Наша инженерная команда может порекомендовать подходящую машину для производства HDPE/PP труб с спиральным профилем для вашего проекта.