Что касается экономической целесообразности применения бестраншейных технологий для реконструкции подземных канализационных трубопроводов, то во многих случаях это не вызывает сомнения. Работоспособность же участков, реконструированных с использованием полимерных труб и являющихся составными элементами прежних канализационных сетей (из традиционных — керамических, асбестоцементных, бетонных и др. труб), на наш взгляд, требует специального рассмотрения. В соответствии с принятыми правилами для самотечных сетей водоотведения внутренний диаметр водоотводящего трубопровода и средняя скорость течения стоков на каждом последующем участке должны быть больше или равны диаметру трубопровода и средней скорости течения стоков на каждом предыдущем участке, то есть:Dj+1 ? Dj ? Dj–1, (1)Vj+1 ? Vj ? Vj–1, (2)где Dj–1, Dj, Dj+1 и Vj–1, Vj и Vj+1 — внутренние диаметры и скорости течения стоков на смежных (предыдущем, [j – 1]м, и последующих, jм и [j + 1]м) участках самотечной водоотводящей сети, считая по движению стоков. Известно, что водоотводящие трубопроводы при строительстве сопрягались на смежных участках в смотровых колодцах, как правило, «шелыга в шелыгу» с соблюдением правил (1) и (2) независимо от их диаметров. Полимерный трубопровод при замене старого трубопровода, имея меньший внутренний диаметр Dпв (чем у заменяемого трубопровода), сопрягается также в смотровых колодцах, но теперь уже «по воде», причем указанные правила (1) и (2) соблюдаются редко. Получается так, что полимерный трубопровод, имея меньший диаметр (например, для jго участка Dпв < Dj) при том же уклоне Ij заменяемого на этом участке трубопровода из традиционного материала должен пропускать через себя тот же самый расход стоков Qj. Очевидно, что это возможно либо за счет большей скорости течения стоков в новом трубопроводе (Vпj > Vj), либо за счет увеличения наполнения трубопровода (hпj > hj). Скорость течения стоков при Q = const и I = const для труб из разных материалов определяется их гидравлической шероховатостью. До 1956 г. расчет безнапорных трубопроводов производился согласно действующим в то время строительным нормам и правилам по формулам постоянства расхода:Q = V, (3)и скорости течения: где — живое сечение трубопровода, м2; V — средняя скорость течения стоков, м/с; R — гидравлический радиус, равный отношению к (смоченный периметр трубопровода), м; С — коэффициент Шези, м.Коэффициент Шези принимался по формулам академика Н.Н. Павловского, которые справедливы только для шероховатых труб для квадратичного закона сопротивления турбулентного режима течения в зависимости от коэффициента шероховатости n (0,013; 0,014 и 0,012 для керамических, бетонных и асбестоцементных труб, соответственно; для полимерных труб значения n не были установлены — такие трубы в канализации еще не применялись).В дальнейшем гидравлические расчеты безнапорных трубопроводов проводились также согласно СНиП 2.04.03–85, но уже с использованием других формул, справедливых для всех режимов движения стоков, а именно Дарси Вейсбахаи профессора Н.Ф. Федоровагде g — ускорение свободного падения, м/с2; — коэффициент гидравлического сопротивления; э — абсолютная эквивалентная шероховатость, м; 2 — коэффициент; Re — число Рейнольдса: где — коэффициент кинематической вязкости стоков, м2/с.Для керамических, бетонных и асбестоцементных труб э = 1,35; 2,0; 0,6 и 2 = 90; 100; 73 соответственно. Для полимерных труб их значения не приводились по той же причине. Нами показано, что для полимерных труб можно принимать значения n = 0,01, а э = 0,00006 м и 2 = 20 [4].Расчетное наполнение канализационных трубопроводов из традиционных материалов диаметрами до 300 мм, согласно СНиП 2.04.03–85, без какого-либо обоснования должно приниматься равным 0,6. Хотя возможность обоснования расчетного наполнения имеется [5], в частности, для самотечных трубопроводов из полимерных труб (рис. 1а).Этот коэффициент равен отношению средних кинетических энергий потока сточной жидкости при частичном. Действительная кинетическая энергия потока жидкости, проходящей за время через живое сечение j:где — объемная масса жидкости, кг/м; ukj — действительная скорость в разных k точках живого сечения j, м/с.После замены действительной скорости ukj на среднюю и соответствующих преобразований выражения (9) соотношение средних кинетических энергий для любых наполнений: где , — поправочные коэффициенты, учитывающие отличие действительных скоростей от средних для полного и частичных наполнений. При известном допущении = выражение (10) в результате арифметических преобразований трансформируется в выражение (8).Коэффициент j достигает значения, равного 1, практически уже при наполнении 0,75 (рис. 2а), и в дальнейшем существенно не изменяется (отклонения в значениях j при наполнениях от 0,75 до 1 не превышают 5 %). Следовательно, поток сточной жидкости при достижении заполнения трубопровода 75 % начинает обладать уже практически максимальной кинетической энергией. Это позволяет использовать на 25 % большую кинетичность потока по сравнению с наполнением, равным 0,6, согласно СНиП 2.04.03–85 для традиционных труб. С учетом этого становится возможным использовать для замены полимерные трубы с меньшим (табл. 1) расчетным диаметром на 25 % (вместо керамических), на 12,2 % (асбестоцементных напорных) и на 19,1 % (асбестоцементных канализационных).Для полимерных трубных модулей (отрезок полимерной трубы с наружной и внутренней резьбами по концам) с меньшей в 6–12 раз длиной (0,5–1 м) эти показатели будут другими, т.к. их сопротивление будет большим, чем у труб стандартной длины. Согласно ВСН 478 (п. 2.6) при определении проектного гидравлического уклона Iп безнапорного трубопровода его расчетное значение I следует умножить на коэффициент потерь напора на стыковых соединениях труб Кмс = 1,07 (110–160 мм) и 1,06 (225–630 мм) — сварных встык; 1,015 (110–225 мм) и 1,01 (225–630 мм) — раструбных. Для резьбовых соединений значения не приводятся. Да их и не могло быть, т.к. пластмассовые трубы с резьбовыми соединениями в период разработки указанного норматива (1980 г.) в самотечных сетях канализации не применялись. Они стали применяться для этих целей в массовом масштабе впервые в рамках работы на сетях. Метрологические исследования показали, что в месте стыковки полимерных модулей имеются выступы. Они образуются из-за несоосности нарезанных резьб (внутренней на одном модуле и наружной — на другом). Выступы высотой 1,5–2 мм имеются практически по всему периметру стыка свернутых на резьбе модулей. Это позволило принять для резьбовых соединений конструкции фирмы «Прогресс» значения коэффициентов местного сопротивления такие же, как и для сварных встык соединений. С учетом длины полимерных трубных модулей потери напора на канализационном трубопроводе возрастут, по сравнению с табличными данными, в 1,63 раза. Значения эквивалентных диаметров для модулей будут больше (знаменатель табл. 1) на 10 %. Соотношение скоростей и расходов при частичных и полном наполнениях канализационных трубопроводов принимается по графическим зависимостям, так называемой «рыбке» (рис. 1а). Они используются за рубежом и в таблицах НИИ Мосстроя. По этим зависимостям максимальное значение расхода приходится на полное заполнение трубопровода. По нашему мнению, это правильно. Применяются и другие зависимости для самотечных канализационных трубопроводов как из традиционных труб, так и из полимерных (рис. 16).По мнению авторов гидравлических таблиц [6], использование существующей методики определения пропускной способности трубопроводов, работающих неполным поперечным сечением, приводит к завышению результата в среднем на 12 %. Ссылаясь на экспериментальные данные (рис. 1в), они утверждают, что при неполном наполнении трубопровода над свободной поверхностью стоков образуется воздушный поток, который вместе с волнистостью свободной поверхности жидкости и влиянием угловых зон приводит к изменению распределения касательных напряжений, образованию вторичных поперечных течений и изменению положения линий равных осредненных продольных скоростей в сечении. И делают заключение о том, что в гидравлических расчетах безнапорных круглых труб гидравлический радиус должен умножаться на эмпирический коэффициент (0,83 для H/D = 0,4–0,8). Если это так, то и тогда на наших выкладках такой вывод не отразится, т.к. эмпирический коэффициент должен быть применен не только для полимерных трубопроводов, но также и для трубопроводов из традиционных материалов. При использовании полимерных труб (трубных модулей) с меньшим, чем э, расчетным диаметром Dp кинетичность потока стоков в полимерном трубопроводе (в условиях работы керамического трубопровода в расчетном режиме) остается практически без изменения. Объясняется это тем, что расход не зависит от Dp, а изменяется только скорость. При постоянстве уклона она даже несколько увеличится из-за увеличения наполнения. Насколько допустимо увеличение наполнения полимерного трубопровода? Это будет зависеть от конкретных условий для канализационной сети. Повидимому, в большинстве случаев сложившихся микрорайонов наполнение 0,9 можно считать допустимым. Это позволяет считать вполне приемлемым уменьшение значений эквивалентных диаметров на 5–6 %.Применение полимерных труб (модулей) с внутренним диаметром, значительно меньшим эквивалентного, нежелательно, т.к. при этом существенно нарушается правило Di–1 < Di. Это может привести к нарушению работы канализационной сети и, в конечном случае, — к засору колодца и вышележащего участка трубопровода, т.к. сечение лотка на входе в пластмассовый трубопровод зажимается. А это, как известно, явные причины засоров, потому что, именно в этих местах, задерживаются крупные предметы, которых в стоках предостаточно. Иначе будет происходить в случае использования полимерных труб (трубных модулей) с большим чем э расчетным диаметром Dp. При постоянстве расхода при большем диаметре произойдет уменьшение наполнения. При неизменном уклоне это приведет к уменьшению скорости. Кинетичность потока стоков в новом трубопроводе снизится. Насколько? Будет зависеть от фактического диаметра полимерных труб. Значение внутреннего диаметра можно принять на 8–10 % больше Dэ, т.к. расчетное наполнение меньше 0,3 по требованию СНиП 2.04.03–85 использовать нельзя. Дальнейшее увеличение диаметра может привести к негативным последствиям. Есть все основания ожидать, что такие участки засорятся, т.к. образуется сухое течение. В результате этого на дне трубопроводов из традиционных материалов накапливается осадок. И, как следствие этого, происходит засорение трубопроводов, несмотря на их большой внутренний диаметр — 300 или даже 400 мм. Засорение полимерных трубопроводов произойдет, наверное, нескоро, т.к. полимерные трубы индеферентны практически ко всем веществам, присутствующим в бытовых стоках, и на их внутренних поверхностях осадок долго не удерживается. Применение трубных модулей с внутренним диаметром значительно большим эквивалентного диаметра также нежелательно, т.к. нарушается правило, по которому Di > Di–1. Это будет приводить и к засорам смотрового канализационного колодца и вышележащих трубопроводов по причине, изложенной выше. Не у всех полимерных труб, выпускаемых отечественной промышленностью, внутренний диаметр укладывается в какой-либо из указанных диапазонов эквивалентных диаметров. Как видно из табл. 2, имеются расхождения в 5–15 % в ту или иную сторону. Новый трубопровод, получаемый при бестраншейной замене традиционных труб на полимерные в сетях водоотведения, независимо от используемой технологии, будет отличаться своим расчетным диаметром от эквивалентного диаметра на какую-то величину. Однако имеется некоторая возможность минимизации этого расхождения. Во-первых, на 10 % за счет использования вместо трубных модулей труб стандартной (5,5–6 м) длины (табл. 2). Во-вторых, на 2–3 % за счет труб большей длины (11–12 м). И, наконец, еще на 5–10 % за счет использования труб, сматываемых с кассет, барабанов (длиной на весь реконструируемый участок). Это нужно использовать на этапе выбора технологии бестраншейной замены ветхих трубопроводов. Также следует иметь в виду то, что изложенное в статье касается работоспособности канализационных трубопроводов диаметром только до 300 мм. Однако есть основания полагать, что на работоспособности канализационных трубопроводов после бестраншейной реконструкции большего диаметра будут существенно сказываться и другие, не учтенные нами факторы, которые связываются с неравномерным движением сточной жидкости. Так, математическое моделирование [7] показывает, что на протяженных прямолинейных каналах должно происходить волнообразное изменение наполнения и скорости течения стоков (рис. 2), что должно сказываться, по нашему мнению, позитивно на самоочищающей способности восстановленных полимерными трубами самотечных водоотводящих трубопроводов. Анализ функционирования водоотводящих трубопроводов после бестраншейной реконструкции большего диаметра предполагается провести в дальнейшем и опубликовать результаты этого анализа в последующих номерах журнала. В заключение следует отметить то, что реконструкция с использованием бестраншейных технологий и полимерных трубных изделий позволяет получать весьма работоспособные канализационные трубопроводы без утечек стоков, что является достойной реализацией одной из мер, которая непременно войдет в государственную программу «Чистая вода», стартующую в 2010 г. Ее начали разрабатывать в октябре прошлого года. По плану в первом квартале 2009 г. проект поступит в правительство, а в 2011 г. страна выйдет на повышенное качество услуг водоснабжения. ?