Подземные самотечные канализационные трубопроводы (далее ПСКТ) устроены из труб как из традиционных материалов (керамических,асбестоцементных, чугунных и стальных), так и полимерных (полиэтиленовых, полипропиленовых из непластифицированного поливинилхлорида). Их параметры могут изменяться во времени на протяжении всего жизненного цикла. Например, это наблюдается на московской самотечной канализационной сети, о чем широкая научнотехническая общественность ранее уже оповещалась [1, 2].
Совсем еще недавно в Москве происходило уплотнение существующей застройки. В сложившихся на сегодняшний момент городских микрорайонах возводились здания, причем, как правило, значительно большей этажности, нежели рядом стоящие. Возведенные вновь здания имеют внутреннюю канализацию, стоки из которой сбрасываются в существующие самотечные канализационные сети. И оказалось так, что у действующей канализации оказался достаточный ресурс пропускной способности, чтобы безо всяких проблем принять стоки от новых пользователей.
К тому же, увеличенные расходы стоков (ведь вновь возводимые здания иногда достигают нескольких десятков этажей, и по этой причине сброс от них стоков будет эквивалентен сбросу от нескольких находящихся рядом домов старой застройки, по сравнению с ранее транспортируемыми стоками) положительно сказались на работе существующих ПСКТ. Это объясняется, в первую очередь, увеличением заполнения ПСКТ принимающего стоки от новостроек.
При увеличенном расходе стоков наполнение (H/D)2 ПСКТ превышает расчетное наполнение (H/D)1 которое было принято при проектировании подземной канализационной сети (здесь D — это внутренний диаметр трубопровода, а H — высота стоков в трубопроводе). Наибольшие расчетные наполнения H/D (согласно требований СНиП [3]: для диаметров 150 и 200 мм — 0,6; 300 и 400 мм — 0,7; от 450 до 900 мм — 0,75 и для больших диаметров — 0,8) предусматривались на расчетный период действия ПСКТ, принимающих расчетные (на то время) расходы, которые сейчас резко снизились, в том числе и из-за приостановки точечных застроек московских территорий.
То есть, в данном случае эти требования не соблюдаются. Здесь просматривается еще несколько причин не соблюдения этих требований.
Подземные самотечные канализационные трубопроводы (далее ПСКТ) устроены из труб как из традиционных материалов (керамических, асбестоцементных, чугунных и стальных), так и полимерных (полиэтиленовых, полипропиленовых из непластифицированного поливинилхлорида)
С одной стороны, уменьшились расчетные расходы, а, с другой стороны, за счет роста этажности зданий расходы увеличились таким образом, что это привело к увеличению средней скорости течения стоков V, количества движения потока 0, усилий сдвига G и, естественно, наполнения H/D. Прежде при выборе расчетного наполнения проектировщиками предусматривалось возможное перспективное (в 15-20 лет) развитие канализационной сети и по этой причине его значения принимались с некоторым запасом.
На практике большинство ПСКТ раздельных систем водоотведения запроектированы на полное наполнение труб (H/D = 1) при скорости течения стоков V = 1 м/с и расчетном расходе стоков с резервом пропускной способности в 100 %, то есть, фактически пропуск максимального расчетного расхода обеспечивался при 50 % заполнении.
Имеются и другие причины, сказывающиеся на заполняемости ПСКТ сбрасываемыми во внутреннюю канализацию зданий канализационных стоков.
Во-первых, расчетное водопотребление в Советском Союзе при проектировании ПСКТ предусматривалось с перспективным ростом, в действительности же оно оказалось значительно меньшим, а в последствие может уменьшиться и еще более существенно [4].
Во-вторых, использование водяных счетчиков практически в каждой квартире, как на холодном, так и на горячем водопроводах, привело к снижению интенсивности отбора воды и, как следствие этого, уменьшению объемов сброса стоков во внутреннюю канализацию и далее в ПСКТ.
В-третьих, в городские ПСКТ сбрасываются стоки от промышленных предприятий, функционирование которых, по сравнению с советским периодом, снизилось в десятки раз, — количество стоков значительно уменьшилось.
В-пятых, из-за ветхости ПСКТ, прослуживших не один десяток лет сверх расчетного срока эксплуатации и находящихся по этой причине в таком состоянии происходит постоянная утечка (инфильтрация) стоков в грунт.
В-шестых, в такие ПСКТ могут непрерывно поступать грунтовые воды (эксфильтрация).
Из-за всевозможных отклонений наполнений ПСКТ от расчетных значений происходило постоянное изменение кинетичности потока стоков. Новое наполнение (H/D)h ПСКТ в случае поступления дополнительных расходов стоков превышало расчетное (H/D)p. При этом возрастала кинетичность потока стоков. Это можно достаточно точно учесть аналитически [5], используя коэффициент у, отражающий соотношение средних кинетических энергий потоков сточной жидкости при частичных Wч и полном WH заполнениях.
Например, при изменении наполнения самотечного канализационного трубопровода с 50 % на 73 % благодаря возрастанию скорости течения стоков кинетичность потока при одном и том же расходе канализационных стоков повышается на 18 % (рис. 1).
Это, естественно, способствует выносу осадка. Ведь в реальных условиях осадок в ПСКТ может накапливаться даже при их функционировании в расчетных режимах (табл. 1, столб. 4). Совершенно другое можно наблюдать на ПСКТ [6] в настоящее время (сравните данные столбцов 4 и 5 табл. 1).
Появление большого количества бытовых стиральных машин, сбрасывающих, порой, значительные расходы горячей воды привело к тому, что жиры, находящиеся в бытовых стоках, стали проявлять сильные адгезионные свойства и благодаря этому налипать на внутренние стенки ПСКТ. При этом началось обрастание стенок ПСКТ другими твердыми составляющими бытовых канализационных стоков, которые «цементировались» жирами.
Использование водяных счетчиков как на холодном, так и на горячем водопроводах, привело к снижению интенсивности отбора воды и, как следствие этого, уменьшению объемов сброса стоков во внутреннюю канализацию и далее в ПСКТ
Как правило, быстро на стенках ПСКТ, выполненных из традиционных материалов — керамики, асбоцемента и бетона, значительно медленнее на ПСКТ, выполненных из полимеров — ПЭ, ПП и НПВХ.
В результате этого живое сечение ПСКТ сужалось до тех пор, пока не возникало засора канализационной сети. Для устранения таких засоров потребовалось применение весьма трудоемких и высокотрудозатратных методов [7] очистки внутренних полостей ПСКТ.
В случае сильного зарастания старого ПСКТ очистку его внутренней полости производят методами, выбираемыми в зависимости от размеров труб, их соединений и видов отложений на их стенках (табл. 2).
Стенки очищают от различных отложений, появившихся в период эксплуатации канализационной сети, корней деревьев, проросших через неплотные соединения в трубопровод.
Наиболее распространенной группой очистных аппаратов являются скребки, перемещающиеся по трубопроводу под действием гидродинамического давления жидкости. Они используются для удаления твердых отложений. Скребок, как правило, состоит из корпуса, держателей и очистных инструментов. В корпусе или вне его располагаются приспособления для создания и регулирования усилий со стороны очистных инструментов на очищаемую поверхность. Для перемещения по канализационному трубопроводу под действием гидродинамического давления жидкости скребки снабжаются уплотнительными элементами, чаще всего резиновыми манжетами, создающими перепад давления до и после скребка.
Имеются скребки, отличающиеся способом воздействия на очищаемую поверхность: с неподвижным нерегулируемым креплением очистного инструмента; с регулируемой, но одинаковой нагрузкой на все очистные инструменты; с автономно регулируемой нагрузкой на каждый очистной инструмент; с вращением очистных инструментов; с вращением корпуса скребка, на котором закреплены очистные инструменты.
У скребков с нерегулируемым креплением отсутствуют держатели очистных инструментов (последние крепятся непосредственно на корпусе). Диаметр скребков может изменяться незначительно, только за счет упругой деформации самих инструментов — жестких проволочных щеток или пружинных полос.
Такие скребки отличаются простотой конструкции. Их основной недостаток заключается в том, что их можно использовать только для очистки трубопровода одного диаметра. Они обеспечивают постоянное усилие со стороны очистных инструментов на очищаемую поверхность независимо от характера отложений. Более совершенными являются скребки с регулируемой силой прижатия очистных инструментов к очищаемой поверхности: у одних очистные инструменты имеют механическую связь и при воздействии внешних сил на любой из них приходят в действие все остальные; у других очистные инструменты воздействуют на очищаемую поверхность автономно. Скребки, имеющие механическую связь между очистными инструментами, целесообразно применять для очистки трубопроводов с равномерно распределенными отложениями при отсутствии смещений труб и разрушений в их стенках.
Наиболее распространенной группой очистных аппаратов являются скребки, перемещающиеся по трубопроводу под действием гидродинамического давления жидкости
Для очистки внутренних поверхностей, на которых могут иметься места с неравномерно распределенными отложениями и смещений труб, предпочтительнее использование скребков с автономно регулируемыми очистными инструментами. В них очистные инструменты крепятся на рессорных или пружинных держателях, могут регулироваться или не регулироваться перед вводом скребка в трубопровод, но обязательно меняют свое состояние при встрече с препятствием.
Такой скребок передвигается под давлением перекачиваемой среды, воздействующим на уплотнительные элементы, расположенные в корпусе зигзагообразно и имеющие возможность радиального перемещения. В корпусе скребка выполнены пазы, которые сообщаются с полостью трубопровода, находящегося под давлением. Для устойчивости сравнительно короткого корпуса скребок оборудован направляющими роликами. Благодаря радиальному перемещению уплотнительных элементов под действием давления среды обеспечивается стабильное уплотнение, что повышает качество очистки.
У некоторых скребков очистные инструменты выполнены из пружинных полос таким образом, что, упруго деформируясь в процессе очистки, могут в значительной степени изменять диаметр скребка. Одни из них содержат цилиндрический корпус с параболоидной заходной частью, образованной навивкой плоских пружинных полос. В рабочей зоне витки расположены под углом к очищаемой поверхности. При подаче в трубопровод транспортируемой жидкости на скребке создается перепад давления, за счет которого межвитковые зазоры оголовка, уменьшаясь, обеспечивают достаточно хорошее уплотнение. Счищаемые отложения смываются струями, протекающими через периферийные отверстия. Основным недостатком скребка является невозможность предварительного регулирования прижатия очистных инструментов к очищаемой поверхности. При определенных условиях эффективны скребки с вращающимися очистными инструментами. У них грубую очистку осуществляют резцы, выполненные в виде крючкообразных металлических полос, один конец которых закреплен шарнирно на валу турбинки. Диск со щетками, который крепится на валу лопастного колеса, производит доочистку внутренней поверхности трубопровода. Разновидностью таких скребков являются аппараты, осуществляющие виброочистку трубопровода. При движении их по трубопроводу приводятся во вращение направляющие ролики. На одном из них установлена звездочка, вращение которой через передаточный механизм приводит во вращение синхронизированные дебалансы вибратора. Последний через стержень передает колебательные движения очистным инструментам. Скребок может быть применен для очистки от твердых отложений, поскольку последние будут быстро разрушаться под действием ударных нагрузок. К скребкам с переменным сечением корпуса относятся устройства, образованные спиральной пружиной, навитой с переменным радиусом, а также скребки с корпусом, выполненным из эластичного материала, имеющие внутри корпуса приспособление для поджатия оболочки к очищаемой поверхности.
Для очистки внутренней поверхности трубопроводов от отложений средней твердости и мягких применяется гидромеханический (гидравлический) способ, который заключается в промывке трубопровода струями воды или другой жидкости, имеющими скорость истечения в несколько раз большую, чем скорость обычного течения транспортируемой в процессе эксплуатации трубопровода жидкости, и поэтому оказывающими значительное гидродинамическое давление на очищаемую поверхность.
Такие струи создают за счет перепада давления на очистном аппарате при применении специальных насадок с высоким коэффициентом скорости, которые являются частью очистного аппарата (то есть без вспомогательных устройств), а также применением насосов, например винтовых, создающих струи необходимых параметров. Приводом для насосов служат турбины, приводимые в действие вследствие перепада давления на очистном аппарате.
Для удаления разрыхленных, но несмываемых отложений, а также для ускорения промывки трубопроводов после очистки может применяться гидромеханический метод. В этом случае очистными устройствами, перемещающимися по трубопроводу под действием давления жидкости, являются поршни, банники и шары, которые используются для очисти внутренней поверхности трубопроводов от мягких и твердых отложений. Поршни применяются без очистного инструмента. Банники и шары могут иметь закрепленные на поверхности навитые металлические полосы или нанесенные на их поверхность абразивные материалы. В гидромеханическом очистном аппарате без вспомогательных устройств насадок иногда может быть выполнен из двух конусов. Внешний служит направляющей втулкой, жестко связанной с корпусом; внутренний может перемещаться под действием динамического давления, увеличивая или уменьшая зазор между конусами и, следовательно, изменяя расход жидкости для смыва отложений.
При длительной остановке трубопровода для его очистки целесообразны аппараты, перемещающиеся вдоль трубопровода под действием давления воздуха, создаваемого близко расположенной компрессорной станцией или передвижными высокопроизводительными компрессорами.
Наиболее эффективным в отношении очистки трубопроводов от твердых отложений является гидровибрационный метод, основанный на использовании энергии турбулентных пульсаций и эффекта кавитаций. Устройство, с помощью которого осуществляется указанный метод, представляет собой деревянный шар, окованный металлом. Шар соединен с тросом скобой, имеющей подшипник, который позволяет шару вращаться и не скручивать при этом трос. Скорость продвижения шара по трубопроводу регулируется скоростью вращения барабана лебедки, с которого разматывается канат, удерживающий шар. Диаметр шара выбирают таким образом, чтобы скорость движения потока, обтекающего его, достигала 8-12 м/с. Очистка трубопровода происходит в результате биения шара о стенки под действием давления. Кроме того, большая скорость обтекания шара вызывает появление в отложениях кавитационных каверн, что способствует качественной очистке. При протягивании очистного аппарата тросом упрощается конструкция скребков с вращением очистных инструментов. В этом случае в качестве привода для вращения очистных инструментов могут быть использованы пневмо- или электродвигатели. Недостаток этих аппаратов заключается в неудобстве подачи электроэнергии (сжатого воздуха) с помощью кабеля (шланга) большой протяженности.
При длительной остановке трубопровода для его очистки целесообразны аппараты, перемещающиеся вдоль трубопровода под действием давления воздуха
Для очистки самотечных канализационных трубопроводов на интервалах между смотровыми колодцами можно применять аппараты, удерживаемые или протягиваемые тросом, а также самодвижущийся скребок, который приводится в действие электродвигателем (электроэнергия подается по кабелю). Электродвигатель посредством упругой муфты передает вращение валу, имеющему дебаланс. На корпус очистного аппарата надеваются кольца с пружинящими ножами. Во время работы электродвигателя благодаря дебалансу на валу очистного устройства возникают вибрационные колебания, которые передаются стальным пружинящим ножам. Последние, колеблясь, производят очистку стенок и перемещают весь аппарат со скоростью 70-150 м/ч.
В последнее время, практически, для всех районов городской канализационной сети ГУП Мосводоканал» приобрел специальные гидроочистительные машины, правда, пока что только зарубежного производства. Несмотря на то, что это потребовало серьезных капитальных вложений, тем не менее, можно смело ожидать того, что такие гидроочистительные машины должны быстро, примерно за несколько лет, окупиться. К тому же, их использование резко повысило качество, производительность и безопасность труда работников на ПСКТ, что в настоящее время имеет немаловажное значение, так как московские предприятия пока что несколько ограничены в подборе квалифицированного персонала.
Другой способ увеличения кинетичности потока канализационных стоков в ПСКТ связан с уменьшением их внутреннего диаметра. Для ветхих ПСКТ это легко достижимо. При реконструкции ветхой канализации, например, путем бестраншейной замены старых труб новыми полимерными трубами возможно уменьшать внутренний диаметр ПСКТ на действующей канализационной сети, практически на любую расчетную величину (с разрушением ветхого трубопровода либо без разрушения).
Адекватные подходы к рассмотренной проблеме, вероятно, могут быть выработаны, после проведения специального теоретического обобщения с непременным учетом натурных данных по эксплуатации таких ПСКТ
Следует также отметить и тот факт, что до сих пор при проектировании подземной канализации, практически, не учитывается наличие у самотечной канализационной сети аккумулирующей способности. Ранее, да и сейчас, гидравлический расчет ПСКТ производился по величине максимального секундного расхода сточной жидкости. Определение этой величины регламентировалось нормами СНиП П-30-76 «Внутренний водопровод и канализация зданий. Нормы проектирования» и базировалось на вероятности действия санитарно-технических приборов, что справедливо только для систем водоснабжения, характеризующихся неразрывностью потока воды. Однако, в системах канализации зданий преобладают залповые поступления стоков, самотечные канализационные сети же имеют аккумулирующую емкость, что способствует снижению по длине трубопровода величины секундного расхода стоков, первоначально поступающей в него. По этой причине при проектировании ПСКТ принимались расходы значительно большие действительных, порой в несколько раз.
К сожалению, сегодня закономерности аккумулирующей емкости самотечных канализационных сетей все еще не достаточно изучены. Тем не менее, согласуясь с результатами исследований русского ученого-гидравлика к.т.н. А.Я. Добромыслова, можно учесть аккумулирующую емкость ПСКТ посредством эмпирического коэффициента [8], понижающего расчетный расход.
Еще одна из возможностей увеличения кинетичности потока канализационных стоков в ПСКТ связана, как показывает зарубежная практика, с правильным подбором минимального уклона в сочетании с заполнением и коэффициентов гидравлического сопротивления по длине труб из конкретных материалов. Ведь при этом создаются максимально благоприятные условия для увеличения скорости течения стоков, что позволяет достигать повышения усилий сдвига G порой на 15-20 %.
В заключение следует отметить следующие факты и выводы.
1. Проведенный анализ специфики функционирования московских ПСКТ, базируется на полной суперпозиции каждой из рассмотренных причин.
2. На данном этапе разработанности вопроса указать, каким образом следует суммировать различные причины с тем, чтобы однозначно ответить на поставленные вопросы об имеющемся ресурсе пропускной способности действующих ПСКТ, к сожалению, не представляется возможным — на то есть серьезные основания полагать, что рассмотренные положения находятся в сложной стохастической взаимосвязи. Ведь самотечной канализации присуще неравномерное течение стоков. В действительности же, ПСКТ рассчитываются по закономерностям равномерного течения.
3. Адекватные подходы к рассмотренной проблеме, вероятно, могут быть выработаны, после проведения специального теоретического обобщения с непременным учетом натурных данных по эксплуатации таких ПСКТ. Этим в настоящее время занимаются в ГУП «НИИ Мосстрой». Поставлена задача, разработать такую методику, используя которую, можно будет с определенной долей вероятности учесть рассмотренные положения для ПСКТ с учетом конкретных условий, в том числе, на это очень хочется надеяться, и при освоении территории большой Москвы.
