Гидравлический и Технический Расчет Сетей Водоснабжения и Водоотведения: Методическое Руководство для Курсового Проектирования по Актуальным СП (СП 31.13330.2021, СП 32.13330.2018)

Введение: Цель, Задачи и Актуальная Нормативно-Методическая База

Инженерные системы водоснабжения и водоотведения являются критически важными элементами городской и промышленной инфраструктуры. Проектирование и, что не менее важно, анализ существующих систем требуют строгого следования нормативным требованиям и применения корректных гидравлических методик. Актуальность данной работы обусловлена необходимостью анализа пропускной способности как новых, так и действующих (старых) сетей, что часто встречается в задачах реконструкции или оценки надежности существующих коммуникаций, поэтому инженеру необходимо владеть полным циклом расчетов.

Основная цель данного методического руководства — предоставить исчерпывающий алгоритм выполнения гидравлических и технических расчетов, который ляжет в основу проектно-расчетной части курсовой работы.

При выполнении расчетов обязательным условием является опора на актуализированные Своды Правил (СП), которые заменили устаревшие СНиПы. Это гарантирует методологическую корректность и соответствие проекта современным требованиям безопасности и эксплуатации, предотвращая ошибки на этапе реализации.

Назначение системы	Актуальный Свод Правил (СП)
Наружные сети водоснабжения	СП 31.13330.2021 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения»
Внутренние системы зданий (ВВК)	СП 30.13330.2020 «Внутренний водопровод и канализация зданий»
Наружные сети водоотведения (канализация)	СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения»

Структура данной работы соответствует этапам выполнения проектного задания: от определения исходных данных (расходов) до гидравлической проверки сетей и графического оформления (продольный профиль).

Расчетные Расходы: Определение Водопотребления и Водоотведения по Нормам

Гидравлический расчет любой сети начинается с самого главного параметра — определения расчетного расхода ($Q$). Неверно определенный расход ведет к неверному выбору диаметра, занижению или завышению напора, и, как следствие, к неработоспособности или экономической неэффективности системы. Почему расход является базовым параметром? Потому что вся гидравлика, включая потери напора, напрямую зависит от куба скорости потока, которая, в свою очередь, является функцией расхода.

Расчет среднесуточного и максимального часового водопотребления ($Q_{сут}$, $Q_{ч max}$)

Расчет среднесуточного водопотребления ($Q_{сут}$) является отправной точкой, определяющей общую потребность объекта в воде. Этот показатель необходим для проектирования водозаборных и очистных сооружений.

Методика:
Удельное среднесуточное водопотребление на хозяйственно-питьевые нужды населения (на одного жителя, $q_{сут}$) принимается по Таблице 1 СП 31.13330.2021 и зависит от степени благоустройства здания. Для зданий с централизованным горячим водоснабжением, как правило, принимается значение в диапазоне 165–180 л/сут на одного жителя.

Формула для определения среднесуточного расхода (в м³/сут):

Q_сут = (N ⋅ q_сут) / 1000

Где N — количество жителей (или условных потребителей), q_сут — удельное среднесуточное водопотребление (л/сут).

Для перехода к максимальному часовому расходу ($Q_{ч max}$), который используется для подбора диаметров на магистральных участках, вводится коэффициент часовой неравномерности ($K_{ч max}$). Этот коэффициент учитывает пиковое потребление в течение суток.

Q_{ч max} = Q_сут ⋅ K_{ч max}

Значение $K_{ч max}$ принимается по нормативным таблицам (Приложение А СП 31.13330.2021) и зависит от численности населения.

Определение расчетного секундного расхода ($Q_{сек}$) для гидравлики

Гидравлический расчет напорной сети (подбор диаметров) всегда ведется по максимальному секундному расходу ($Q_{сек}$), поскольку именно он определяет пиковую нагрузку и критические потери напора в самый напряженный момент.

Для небольших объектов и внутренних сетей ($Q_{сек}$) определяется не через коэффициенты неравномерности к суточному расходу, а через вероятностную методику, учитывающую одновременность работы санитарных приборов.

Методика (СП 30.13330.2020):
Расчетный секундный расход воды для группы приборов определяется по универсальной формуле:

Q_сек = 5 ⋅ √ (α ⋅ q₀)

Где:

• $Q_{сек}$ — максимальный секундный расход (л/с).
• $\alpha$ — коэффициент, зависящий от общего числа приборов ($N$) и вероятности их использования ($P$).
• $q_0$ — расход воды одним прибором (нормативный расход, л/с).

Коэффициент $\alpha$ (искомый аргумент для гидравлических таблиц) находят, зная:

1. Общее число расчетных приборов ($N$).
2. Вероятность действия приборов ($P$), которая определяется как отношение расхода одним прибором ($q_0$) к максимальному часовому расходу для всего здания ($Q_{ч max}$).

Таким образом, для проектирования внешних сетей используется $Q_{ч max}$ с коэффициентом $K_{ч max}$, а для гидравлического расчета напорных участков — $Q_{сек}$ с учетом вероятности одновременного использования приборов. И что из этого следует? Использование вероятностного подхода для $Q_{сек}$ позволяет избежать избыточного завышения диаметров, что было характерно для старых, упрощенных методик, и тем самым оптимизировать капитальные затраты.

Гидравлический Расчет Напорной Сети Водоснабжения (Давление и Потери Напора)

Гидравлический расчет напорной сети сводится к подбору оптимального диаметра ($D$), при котором скорость потока ($v$) находится в допустимых пределах (обычно 0,7–3,0 м/с) и обеспечивается требуемый свободный напор в конечной точке.

Расчет потерь напора по длине и местных потерь

Общие потери напора ($H_{общ}$) являются суммой двух составляющих: потерь на трение по длине трубы ($h_{L}$) и местных потерь напора ($h_{м}$), возникающих на фасонных частях, арматуре и изменении направления потока.

1. Потери напора по длине ($h_{L}$):
Для инженерных расчетов, особенно в учебном проектировании, часто используются нормативные таблицы, такие как Таблицы Ф.А. Шевелева, которые фактически являются табулированным решением универсальной формулы Дарси-Вейсбаха.

Формула Дарси-Вейсбаха (общий вид):

h_L = $\lambda$ ⋅ (L / D) ⋅ (v² / (2g))

Где:

• $h_{L}$ — потери напора по длине (м).
• $\lambda$ — коэффициент гидравлического трения (зависит от числа Рейнольдса ($Re$) и относительной шероховатости $k_{э}/D$).
• $L$ — длина участка (м).
• $D$ — внутренний диаметр трубы (м).
• $v$ — средняя скорость потока (м/с).
• $g$ — ускорение свободного падения (9,81 м/с²).

2. Местные потери напора ($h_{м}$):
Местные потери учитываются на отводах, тройниках, задвижках, клапанах и т.д.

h_м = $\zeta$ ⋅ (v² / (2g))

Где $\zeta$ — коэффициент местного сопротивления, который принимается по справочникам в зависимости от типа фасонной части.

Общие потери напора на участке:

H_общ = h_L + h_м = h_L ⋅ (1 + $\sum \xi$)

В инженерной практике часто используют коэффициент на местные сопротивления, который в среднем принимается в пределах $\sum \xi = 0,1 — 0,3$ от потерь по длине, если детальный подсчет фасонных частей невозможен или нецелесообразен. Использование этого коэффициента позволяет быстро оценить потери, хотя точный расчет по $\zeta$ всегда предпочтительнее.

Анализ пропускной способности старых сетей (Чугун 1967 года)

При анализе существующих, бывших в эксплуатации систем (например, чугунных труб, проложенных в 1967 году), инженер обязан учесть снижение их пропускной способности. Это ключевой аспект технического анализа, который часто упускается.

Причина снижения пропускной способности:
Коррозия внутренней поверхности металлических труб и образование отложений (туберкул), которые увеличивают шероховатость стенок ($k_{э}$) и уменьшают фактический рабочий диаметр.

Методическое требование:
Для расчета старых труб необходимо использовать существенно увеличенное значение эквивалентной шероховатости ($k_{э}$). Если для новых чугунных труб $k_{э}$ составляет около 0,1–0,5 мм, то для систем, эксплуатируемых более 10 лет, это значение может достигать 1,0–1,5 мм и более.

Принятие $k_{э} = 1,2 \text{ мм}$ (обоснованное ссылкой на СП 42-101-2003 или инженерные справочники) приведет к значительному увеличению коэффициента $\lambda$ в формуле Дарси-Вейсбаха и, следовательно, к гораздо большим потерям напора ($h_{L}$) при том же расходе. Это технически корректно отражает реальную пропускную способность старой системы, предотвращая аварийные ситуации при реконструкции.

Проверка достаточности давления в самой неблагоприятной точке — разве не это завершающий и самый важный этап гидравлического расчета напорной сети?

Проверка минимального свободного напора

Согласно пункту 8.21 СП 30.13330.2020, свободный напор (давление) на отметке наиболее высоко расположенного санитарного прибора в зоне системы водоснабжения должен быть не менее 20,0 м вод. ст. (0,2 МПа).

Формула для проверки:
Напор на вводе ($H_{ввод}$) должен быть не меньше суммы:

H_ввод $\ge$ H_{своб. min} + H_геом + $\sum H$_общ

Где:

• $H_{своб. min}$ — минимальный свободный напор (20,0 м).
• $H_{геом}$ — геодезический напор (разница отметок между точкой ввода и самой высокой точкой водоразбора).
• $\sum H_{общ}$ — суммарные потери напора на трение и местные сопротивления от точки ввода до самой высокой точки водоразбора.

Если расчетный напор на вводе оказался меньше требуемого, необходимо либо увеличить диаметры труб (снизить потери), либо предусмотреть повысительную насосную станцию.

Расчет Безнапорной Сети Водоотведения (Канализации)

Расчет безнапорной сети, в отличие от напорной, ориентирован не на обеспечение давления, а на поддержание режима самотечного движения с соблюдением условий самоочищения и максимального наполнения.

Обеспечение минимальной скорости самоочищения ($V_{min}$)

Ключевым инженерным требованием к самотечным сетям является обеспечение скорости движения стоков, достаточной для предотвращения выпадения взвешенных частиц (песка, ила) и их отложения на дне трубы. Это явление называется самоочищением.

Согласно СП 32.13330.2018, минимальная расчетная скорость движения ($V_{min}$) для бытовых сточных вод должна быть не менее 1,0 м/с.

Методика:
Скорость движения ($V$) напрямую зависит от уклона ($i$), диаметра ($D$) и коэффициента шероховатости. При гидравлическом расчете (обычно по формуле Шези или по гидравлическим таблицам) подбирается наименьший допустимый уклон ($i_{min}$), при котором при расчетном расходе скорость потока не опустится ниже 1,0 м/с. Какой важный нюанс здесь упускается? То, что превышение минимальной скорости критически важно для предотвращения биологического обрастания, особенно в теплый период года, что значительно снижает эксплуатационные расходы на прочистку.

Нормативные наименьшие уклоны ($i_{min}$):
Для малых диаметров, где сложно обеспечить скорость 1,0 м/с из-за малых расходов, СП устанавливает абсолютные минимальные уклоны, которые должны быть соблюдены даже при неполном наполнении:

Диаметр трубы (мм)	Наименьший уклон ($i_{min}$)
150	0,008 (или 8‰)
200	0,007 (или 7‰)
300 и более	Определяется расчетом ($V \ge 1,0 \text{ м/с}$)

Примечание: На практике, для избежания засоров, проектировщики часто назначают уклоны, превышающие $i_{min}$.

Ограничение наполнения и проверка максимальной скорости

При расчете канализационных сетей необходимо соблюдать два условия, ограничивающих режим работы:

1. Ограничение расчетного наполнения ($h/D_{max}$):
Расчетное наполнение трубопроводов круглого сечения (отношение высоты заполнения $h$ к диаметру $D$) принимается не более 0,7 диаметра ($h/D_{max} \le 0,7$).
Это ограничение необходимо, чтобы оставить воздушное пространство над стоками для вентиляции сети, а также обеспечить запас пропускной способности на случай залповых сбросов.

2. Проверка максимальной скорости ($V_{max}$):
Чрезмерно высокая скорость движения стоков может привести к абразивному износу стенок труб и срыву гидрозатворов в санитарных приборах.
Максимально допустимая скорость для бытовых стоков в зависимости от материала трубы обычно не должна превышать 4,0–5,0 м/с. Для внутренней канализации СП 30.13330.2020 ограничивает уклон $i_{max}$ до 0,150 (или 150‰) для труб диаметром до 50 мм. В наружных сетях, если скорость превышает 4 м/с, необходимо предусматривать гасители напора (перепады).

Алгоритм расчета участка:

1. Определить расчетный расход стоков ($Q_{расч}$) для участка.
2. Выбрать минимальный диаметр $D$ (например, 150 мм).
3. Назначить минимальный уклон $i_{min}$ (например, 0,008).
4. По гидравлическим таблицам (Шевелева, Лукиных) или формулам определить скорость ($V$) и наполнение ($h/D$) при принятых $D$ и $i$.
5. Проверить условия: $V \ge 1,0 \text{ м/с}$ и $h/D \le 0,7$. Если условия не выполняются, изменить $D$ или $i$.

Построение и Оформление Продольного Профиля Сети Водоотведения (Ключевой Элемент Курсовой Работы)

Продольный профиль является графическим отображением проектного решения и критически важен для строительно-монтажных работ. Это вертикальный разрез, на котором отображается рельеф местности и положение трубопровода. Для обеспечения контроля уклонов и глубин заложения при построении продольного профиля по ГОСТ 21.604-82 используются разные масштабы по горизонтали и вертикали, что позволяет наглядно показать проектные решения.

Выбор масштабов и определение «диктующих» точек

Типовые масштабы для продольного профиля:

Направление	Масштаб	Вертикальное преувеличение
Горизонтальный (длина)	1:500 или 1:1000	10 раз
Вертикальный (высота)	1:50 или 1:100

При выборе масштабов необходимо обеспечить вертикальное преувеличение (обычно в 10 раз). Это позволяет даже самые малые уклоны, необходимые для самотека, сделать видимыми и контролируемыми на чертеже.

Определение «диктующих» точек:
Построение профиля начинается с определения отметок лотка (нижней внутренней точки трубы) на ключевых, «диктующих» точках:

1. Начальная точка: Наименее заглубленный колодец (например, выпуск из здания). Глубина заложения здесь определяется отметкой выпуска и нормативной глубиной промерзания грунта.
2. Точка сброса: Колодец, в котором происходит подключение к существующему коллектору. Отметка лотка в этой точке жестко задана.
3. Пересечения: Точки пересечения с другими инженерными коммуникациями, требующие соблюдения минимальных вертикальных зазоров (по СП).

Глубина заложения ($H$) рассчитывается от поверхности земли до лотка трубы.

Требования к точности отметок и содержанию профиля

Продольный профиль должен содержать всю необходимую информацию для выполнения работ. Требования к его оформлению являются строгими:

1. Точность абсолютных отметок:
Высотные отметки лотка ($H_{лот}$) и поверхности земли должны указываться с максимально возможной точностью. Согласно требованиям к оформлению строительных и топографических чертежей, абсолютные высотные отметки лотка ($H_{лот}$) должны быть указаны с точностью до трех десятичных знаков (м) (например, 105,123 м). Это обеспечивает строгое соблюдение проектного уклона и самотечного режима.

2. Указание уклонов:
Уклон ($i$) указывается в промилле (‰) или в виде отношения. Уклон назначается, исходя из гидравлического расчета, но должен находиться в пределах:

i_min $\le$ i_проект $\le$ i_max

3. Содержание профиля (шаблон):
В профиле обязательно должны быть указаны следующие данные по каждому участку между колодцами:

• Отметки поверхности земли.
• Отметки лотка (с точностью до трех знаков).
• Отметки грунтовых вод (УГВ).
• Глубина заложения ($H$).
• Длина участка ($L$).
• Диаметр ($D$) и материал труб.
• Проектный уклон ($i$).
• Пересекаемые коммуникации (с указанием их отметок, диаметров и габаритов).
• Гидравлические характеристики (расчетный расход $Q$, скорость $V$, наполнение $h/D$).

Заключение и Приложение (Состав Проектно-Расчетной Работы)

Данное методическое руководство представило полный цикл инженерного проектирования и анализа сетей водоснабжения и водоотведения, от нормативного обоснования до графического оформления.

Ключевые выводы, которые должны быть отражены в техническом отчете (курсовой работе):

1. Нормативная Корректность: Все расчеты (расходов $Q_{сут}$, $Q_{сек}$, $Q_{расч}$) выполнены на основе актуализированных Сводов Правил (СП 31.13330.2021, СП 30.13330.2020, СП 32.13330.2018).
2. Технический Анализ Старых Систем: При анализе пропускной способности старой напорной сети учтено снижение пропускной способности путем введения повышенного коэффициента эквивалентной шероховатости ($k_{э} \ge 1,0 \text{ мм}$).
3. Обеспечение Режимов: В напорной сети обеспечен минимальный свободный напор $\ge 20,0 \text{ м}$ вод. ст. В безнапорной сети соблюдены условия самоочищения ($V \ge 1,0 \text{ м/с}$) и ограничения наполнения ($h/D_{max} \le 0,7$).
4. Проектная Точность: Продольный профиль выполнен с соблюдением требований ГОСТ к масштабам и точности отметок лотка (до трех десятичных знаков), что гарантирует возможность реализации проекта, обеспечивая его долгосрочную надежность.

Состав проектно-расчетной работы (Приложение):

1. Расчетно-пояснительная записка:
   • Исходные данные.
   • Расчет водопотребления ($Q_{сут}$, $Q_{ч max}$) и водоотведения.
   • Таблицы гидравлического расчета напорной сети (с указанием $D$, $v$, $h_{L}$, $h_{м}$).
   • Расчетная проверка свободного напора.
   • Таблицы гидравлического расчета безнапорной сети (с указанием $D$, $i$, $V$, $h/D$).
2. Графическая часть:
   • Ситуационный план (схема трассировки сетей).
   • Продольный профиль уличной сети водоотведения (с соблюдением масштабов и точности отметок).
3. Список использованной литературы и нормативных документов:
   • Актуальные СП (31.13330.2021, 30.13330.2020, 32.13330.2018).
   • Учебная и справочная литература (Дикаревский, Абрамов, таблицы Шевелева).

Список использованной литературы

1. Акимов О.В., Акимова М.Ю., Ганус А.Н. Водоснабжение и водоотведение : учеб. пособие. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2010. 89 с.
2. Абрамов Н.Н., Поспелова М.М., Сомов М.А. Расчет водопроводных сетей: Учеб. пособие для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1983. 278 с.
3. Дикаревский В.С., Иванов В.Г., Петров Е.Г., Якубчик П.П. Водоснабжение и водоотведение на железнодорожном транспорте: Учеб. для вузов ж.-д. трансп. М.: Издательская группа «Вариант», 1999. 440 с.
4. Лукиных А.А., Лукиных Н.А. Таблицы для гидравлического расчета канализационных сетей и дюкеров по формуле Н.Н. Павловского. 5-е изд. М.: Стройиздат, 1987. 156 с.
5. Федоров Н.Ф., Волков Л.Е. Гидравлический расчет канализационных сетей. Расчетные таблицы. Л.: Стройиздат, 1968. 240 с.
6. Федоров Н.Ф., Курганов А.М., Алексеев М.И. Канализационные сети. Примеры расчета: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1985. 223 с.
7. Шевелев Ф.А., Шевелев А.Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб. М.: Стройиздат, 1996. 116 с.
8. СП 30.13330.2020. Внутренний водопровод и канализация зданий. Актуализированная редакция СНиП 2.04.01-85*.
9. СП 31.13330.2021. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84* (с Изменением № 1).
10. СП 32.13330.2018. Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85 (с Изменениями N 1-4).
11. СНиП 2.04.02-84*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. М.: ГПЦПП, 1996. 128 с.
12. СНиП 2.04.03-85*. Канализация. Наружные сети и сооружения. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. 72 с.