Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο – Σχολή Πολιτικών Μηχανικών – Τομέας Υδατικών Πόρων

Μάθημα: Τυπικά Υδραυλικά Έργα – Μέρος 3: Δίκτυα αποχέτευσης

Άσκηση ΑΕ4: Σχεδιασμός κεντρικού συλλεκτήρα ακαθάρτων με παρεμβολή υπόγειας διάβασης

 (Επαναληπτική εξέταση Αυγούστου 2005)

Σύνταξη και επίλυση άσκησης: Δ. Κουτσογιάννης                                                                    

Το τμήμα ΑΓ κεντρικού συλλεκτήρα ακαθάρτων μιας κωμόπολης, μήκους 1 km, που οδηγεί στην εγκατάσταση καθαρισμού λυμάτων, έχει χαραχτεί πρακτικώς παράλληλο προς το οδόστρωμα του υπερκείμενου δρόμου με κλίση 0.8% σε βάθος 2 m.  Η διάμετρος του αγωγού είναι 0.40 m και το βάθος ροής για την παροχή σχεδιασμού (πρακτικώς σταθερή στο τμήμα ΑΓ) είναι 0.16 m. Επειδή αποφασίστηκε η κατασκευή υπόγειας (ανισόπεδης) διάβασης στη θέση Β, όπως στο σχήμα, με βάθος κατάληψης 4.0 m, μελετάται η μερική ανακατασκευή του αγωγού σε δύο εναλλακτικές λύσεις: (α) χωρίς αλλαγή διαμέτρου και (β) με ελαχιστοποίηση του επηρεαζόμενου μήκους του αγωγού, χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η διαδοχή των διαμέτρων. Σε κάθε μία από αυτές τις λύσεις, να γίνει η διαστασιολόγηση και ο υδραυλικός έλεγχος, να προσδιοριστεί το μήκος του τμήματος της χάραξης που χρειάζεται ανακατασκευή, και να σχεδιαστεί σκαρίφημα της μηκοτομής.

 

Επίλυση

Με δεδομένο το βάθος ροής για την παροχή σχεδιασμού, υπολογίζουμε άμεσα την παροχή σχεδιασμού Q:

V0 = (1/0.015) (0.4/4)2/3 0.0081/2 = 1.28 m/s, Q0 = 1.28 × 3.14 × 0.42/4 = 0.1614 m3/s,

y/D = 0.16/0.4 = 0.4 → Q/Q0 = 0.265 → Q = 0.265 × 0.1614 = 0.0428 m3/s = 42.8 L/s.

Λύση α

Προφανώς ο υφιστάμενος αγωγός στο τμήμα ΑΒ δεν επηρεάζεται από την κατασκευή της υπόγειας διάβασης και παραμένει ως έχει. Στο σημείο Β θα πρέπει ο νέος αγωγός να περάσει κάτω από τη διάβαση. Επομένως, στη θέση Β θα κατασκευάσουμε ένα φρεάτιο πτώσης, που θα κατεβάσει τον αγωγό από το βάθος (άντυγας) των 2 m στο βάθος των 4 m. Δηλαδή θα έχουμε μια πτώση Δz = (´´΄) = 4.0 – 2.0 = 2.0 m

Από εκεί, σύμφωνα με την εκφώνηση, συνεχίζουμε με την ίδια διάμετρο (D = 0.40 m) και κατά τις προδιαγραφές μπορούμε να δεχτούμε y/D = 0.5, οπότε Q/Q0 = 0.400 → Q0 = 0.0428 / 0.4 = 0.1071 m3/s. Η απαιτούμενη κλίση για την υπόψη παροχή και διάμετρο είναι (βλ. και λύση της Άσκησης ΑΕ1)

J΄ = [45/3 n0 Q0 / (π D8/3)]2 = [45/3 × 0.015 × 0.1071 / (3.14 × 0.48/3)]2 = 0.0035.

Με αυτή την κλίση, ο νέος αγωγός θα συναντήσει τον παλιό μετά από μήκος L = Δz/ΔJ = 2.0 / (0.0080 – 0.0035) = 444.4 m. Πέρα από αυτό το μήκος ο αγωγός δεν επηρεάζεται από την κατασκευή της υπόγειας διάβασης, δηλαδή θα παραμείνει ως έχει.

Οι υδραυλικοί έλεγχοι για D = 0.40 m, J =  0.0035, Q = 0.0428 m3/s και Q0 = 0.1071 m3/s έχουν ως εξής: Q/Q0 = 0.400, y/D = 0.5 (OK), V0 = 1.285 m/s, V/V0 = 0.8, V = 1.03 m/s (< 3 m/s), V10% = 0.69 m/s (> 0.3 m/s).

Λύση β

Αν δεν υπάρχουν περιορισμοί ως προς τη διάμετρο (και τη διαδοχή της) μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την ελάχιστη κλίση (ώστε να έχουμε το ελάχιστο επηρεαζόμενο μήκος L). Κατά τα γνωστά (Πίνακας 4.4) για παροχή 42.8 L/s θα τοποθετήσουμε διάμετρο D = 0.50 m με κλίση J΄ = 0.0011, που μπορεί να διοχετεύσει παροχή 59.8 L/s.   Το επηρεαζόμενο μήκος θα είναι L = 2.0 / (0.0080 – 0.0011) = 289.9 m.

Οι υδραυλικοί έλεγχοι για D = 0.50 m, J =  0.0011 και Q = 0.0428 m3/s έχουν ως εξής: V0 = 0.56 m/s, Q0 = 0.1100 m3/s, Q/Q0 = 0.389, y/D = 0.49 (<0.60), V/V0 = 0.79, V = 0.44 m/s (< 3 m/s), V10% = 0.3 m/s (ΟΚ).

Σχολιασμός άλλων δυνατών λύσεων (Δεν ζητείται από την εκφώνηση).

Θα ήταν απόλυτα λογικό να κατασκευάσουμε ανεστραμμένο σίφωνα (δηλαδή αγωγό υπό πίεση) στην περιοχή γύρω από την υπόγεια διάβαση, αφήνοντας όλο το υπόλοιπο μήκος του αγωγού ανεπηρέαστο. Στην περίπτωση αυτή πρέπει να πάρουμε μέτρα για την αποφυγή έμφραξης του σίφωνα που θα προέλθει από καθιζήσεις στερεών υλικών στο κατώτατο τμήμα του. Επίσης, επειδή η υπόγεια διάβαση είναι ένα έργο όχι εκτεταμένο σε μήκος, θα μπορούσε να σκεφτεί κανείς το ενδεχόμενο παράκαμψής της (σε οριζοντιογραφία). Κάτι τέτοιο βέβαια θα χρειαζόταν πλήρη οριζοντιογραφικά καθώς και κτηματολογικά δεδομένα.

Σημείωση για τη βαθμολόγηση: Οι παραπάνω δυνατές λύσεις θεωρούνται για τη βαθμολόγηση ορθές. Κάθε άλλη λύση που τυχόν δεν έχουμε σκεφτεί ή που έχουμε σκεφτεί αλλά δεν την συμπεριλαμβάνουμε εδώ θεωρώντας την εσφαλμένη (π.χ. να τοποθετήσουμε αντλιοστάσιο αμέσως κατάντη της υπόγειας διάβασης), αξιολογείται ανάλογα με το βαθμό ορθότητάς της.