Канализационная насосная станция

Рассмотрим выполнение прогнозного моделирования температурного поля грунтов основания канализационной насосной станции промстоков.

Примечание: Пример подготовлен с использованием материалов ПАО «ВНИПИгаздобыча». Строительные решения, климатические параметры, геологические и геокриологические условия, последовательность строительных работ изменены для целей примера расчета и не соответствуют реальному объекту.

Канализационная насосная станция. Вид общий

Климатические характеристики

Климатические характеристики района строительства приведены в таблице.

ПоказательМесяцы
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXII
Температура в-ха, ⁰С-23.7-22.9-14.4-8.2 0.0 9.9 15.7 12.0 5.7-4.2-15.2-20.9
Скорость ветра, м/с3.03.13.33.53.83.83.33.03.23.33.02.9
Высота снега, м0.530.620.680.650.28----0.080.250.40

Геокриологические условия

Геокриологические условия площадки характеризуются сплошным развитием многолетнемерзлых грунтов, мерзлота сливающегося типа. Температура грунтов на глубине 10 метров составляет минус 1,5 ⁰С. 

Канализационная насосная станция. Геология
Свойства грунтов приведены в таблице ниже.
Наименование
показателя
ОбозначениеЕд.измеренияНасыпной грунтИГЭ №131200.
Глина мерзлая, льдистая
ИГЭ №141000.
Суглинок мерзлый
ИГЭ №141100.
Суглинок мерзлый
ИГЭ №141000Э.
Суглинок мерзлый
ИГЭ №411200.
Скальный грунт
Физические свойства
Плотность грунта в сухом состоянииRdfкг/м3174011201710147018301980
Суммарная влажностьWtotд.е.0,180,5240,1890,2880,1520,117
Степень засоленностиDsal%-0,0520,0710,0680,08-
Число пластичностиIpд.е.-0,170,1110,1180,105-
Влажность на границе раскатыванияWpд.е.-0,240,1960,20,188-
Теплофизические свойства
Температура начала замерзанияTbf⁰С-0,15-0,3-0,4-0,34-0,47-0,23
Теплопроводность талого грунтаλthВт/(м*К)2,321,521,531,571,611,5
Теплопроводность мерзлого грунтаλfВт/(м*К)2,731,721,761,81,841,5
Объемная теплоемкость талого грунтаCthМДж/м32,633,52,893,13,122
Объемная теплоемкость мерзлого грунтаCfМДж/м31,932,392,352,322,361,9
Коэффициенты кривой незамерзшей воды
Ww(t)= A + B / (C - t),
где t - температура, ⁰С
А-0,00130,12030,07040,07360,06310
B-0,00160,1180,11930,10260,18180
C-0,44520,48960,60540,36191,57920
Теплота фазового переходаQfМДж/м3-----44,44

Строительные решения

Конструкция канализационной насосной станции (КНС) представляет собой заглубленный стальной резервуар, диаметром Ø1900 мм, с погружными насосами, с блок-контейнером 3,0х5,0 метров в плане.  Режим работы КНС периодический. Резервуар запроектированы с теплоизоляцией и электрообогревом для поддержания в отопительный период технологической температуры и предотвращения замораживания.

В расчетах принято поддержание постоянной температуры в емкостях на уровне +10 ⁰С. Коэффициент теплопередачи от емкости в грунт рассчитан с учетом теплоизоляции 50 мм и составляет К=0,88 Вт/(м*К).

Грунты основания используются по I принципу, т.е. с сохранением мерзлого состояния в процессе строительства и эксплуатации. Сваи фундамента погружаются в грунт буроопускным способом. Бурится скважина диаметром большим чем погружаемая свая. Скважина заполняется цементно-песчаным раствором. Укладываемый раствор должен иметь положительную температуру (зимой подогреть до 20 ⁰С). Затрубное пространство сваи на высоту сезонно-талого слоя заполняется сухим непучинистым грунтом. Внутренняя полость сваи заполняется цементно-песчаным раствором.

Температурная стабилизация

Технические решения по температурной стабилизации предусматривают совместное использование теплового экрана (теплоизоляция типа «Пеноплекс» толщиной 100 мм) с установкой одиночных СОУ. Для поддержания и понижения температуры грунтов предусматриваются вертикальные СОУ.

Канализационная насосная станция. Схема свай и СОУ

Прогноз температурного режима грунтов

Прогнозное моделирование осуществлялось с учетом требований к порядку составления прогноза изменения температурного режима грунтов, РСН 31-83 (п. 1.6., 2.35., 3.15.- 3.19., 4.16.-4.19.) и РСН 67-87. Расчеты выполнялись на программе «Борей 3D» (www.boreas3d.ru). Программа Борей 3D сертифицирована на предмет соответствия нормативных документов. Сертификат №RA.RU.АБ86.H01114.

Моделирование температурного режима грунтов осуществляется в трехмерной постановке. Моделируемая область является трехмерным параллелепипедом, ограниченным сверху дневной поверхностью на нижней и боковых гранях расчетной области, задается нулевой тепловой поток.

Размеры области определяются конструктивно-техническими особенностями рассматриваемого объекта (геотехнической системы), расчетным сроком моделирования, а также симметричностью тепловых расчетов в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через геометрический центр сооружения, исходя из условия исключения теплового влияния границ области на результаты расчета (его отсутствия через боковые границы).

Этапы выполнения строительства

Расчет выполнялся с поэтапным моделированием строительного периода:

  • Первый этап – возведение насыпи.
    Моделировалось изменение теплового режима грунтов при возведении насыпи. Принят наиболее критичный вариант для температур грунтов — возведение насыпи в конце летнего периода талым грунтом. Срок прогноза составлял один календарный год. В качестве начального температурного поля приняты значения температур грунтов полученные при процедуре адаптации граничных условий.
  • Второй этап – период эксплуатации.

    Моделировалось тепловое воздействие от строительства и эксплуатации. Моделирование производилось в одном расчете путем изменения граничных условий теплообмена. Погружения свай, СОУ и засыпка выемки приняты на момент 15 октября талым грунтом. Температурное с первого этапа моделирования (возведения насыпи) принято в качестве начального температурного поля грунтов.

    Срок до начала эксплуатации составлял один календарный год. В этот период КНС находилась на открытом воздухе без обогрева. По прошествии года моделировалось тепловое воздействие на грунты при обогреве КНС. Графики температуры внутри КНС и коэффициента теплообмена приведены ниже.

График температуры внутри КНС
Коэффициент теплопередачи КНС
Адаптация условий теплообмена

Теплообмен на поверхности земли зависит от большого числа факторов: альбедо естественных или искусственных поверхностей, прямой и рассеянной солнечной радиации, конвективной (скорость ветра на поверхности земли), инфильтрации и испарения влаги, кондуктивной составляющей (теплопроводность и мощность растительного и снежного покровов) и т.д. Влияние некоторых из них на формирование теплового режима сложно корректно оценить. В связи с этим, расчеты производятся с использованием эффективных величин коэффициента теплопередачи. Методика расчета эффективной величины коэффициента теплопередачи (адаптации) реализована в ПО Борей 3D в автоматическом режиме. Методика адаптации будет приведена на сайте.

Значения адаптированных граничных условий приведены в таблице ниже.

ПоказательМесяцы
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXII
Температура в-ха, ⁰С-23,7-22,9-14,4-8,20,09,915,712,05,7-4,2-15,2-20,9
Скорость ветра, м/с3,03,13,33,53,83,83,33,03,23,33,02,9
Теплоотдача, Вт/(м2*К)9,539,7710,2510,7311,4511,4510,259,5310,0110,259,539,29
Высота снега, м0,1410,1650,1810,1730,074----0,0210,0660,106
Плотность снега, кг/м3115120123128298----94102109
Теплопроводность снега, Вт/(м*К)0,1740,1790,1820,1880,462----0,1530,1610,168
Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К)1,0950,9770,9170,9894,02711,45010,2509,53010,0104,2271,9291,349
Расчетная область

Модель расчетной области представляет собой параллелепипед с размерами 35 х 35 х 50 метров. Расчетная область показана на рисунке ниже.

КНС. 3D Модель

Схема расположения свай, СОУ и строительных конструкций в модели приведена на рисунке.

КНС. 2D Вид

На верхней границе расчетной области задавались адаптированные граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова, а также граничные условия, характеризующие тепловое воздействие сооружения. На нижней границе и на боковых границах расчетной области – граничные условия второго рода, тепловой поток равен нулю.

В расчете учтено тепловое влияние от свай при устройстве фундамента, как с подогревом бетона при бетонировании свай, так и с теплом, выделяемым при гидратации. График тепловыделения от цементно-песчаного раствора М150 приведен на рисунке.

График тепловыделения раствора М150

Моделирование работы СОУ производится путем расчета значений внутренних стоков теплоты на основе конструктивных характеристик СОУ, описывающих их работу. Для описания СОУ задаются величины среднемесячных температур воздуха на уровне СОУ и коэффициента теплообмена с конденсаторных блоков СОУ, определяемых на основе скорости ветра на уровне конденсаторных блоков. Расчет теплоотдачи с единицы поверхности испарителя СОУ, ведется внутри программы на основе расчета теплового баланса по СОУ на каждом шаге итерации. При решении теплового баланса по СОУ на каждом шаге итерации также проверяются критерии запуска и остановки работы СОУ. Тепловые характеристики работы СОУ, эквивалентные постановки граничных условий теплообмена в аналогичных программах расчета приведены в таблице.

ПоказательМесяцы
IIIIIIIVVVIVIIVIIIIXXXIXII
Температура в-ха, ⁰С-23,7-22,9-14,4-8,20,09,915,712,05,7-4,2-15,2-20,9
Скорость ветра, м/с1,81,92,02,12,32,32,01,82,02,01,81,8
Коэф. теплоотдачи к поверхности конденсатора, Вт/(м2*К)17,2917,5418,0318,52-----18,0317,2917,01
Эффективный коэф. теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности испарителя, Вт/(м2*К)20,3320,6221,2021,77-----21,2020,3320,00

Область исследования разбивается на прямоугольные элементы произвольных размеров. Разбивка производится горизонтальными и вертикальными плоскостями (разбивочными плоскостями), параллельными соответствующим границам области. В расчетной области шаг горизонтальной сетки изменялся в пределах от 0,1 до 1,0 м. Вертикальная разбивка осуществлялась в пределах от 0.1 до 3.0 м. Расчетная область состоит из 61х66х77 ячеек (0,3 млн. ячеек).

Результаты расчета

Результаты расчета приведены на рисунках ниже.

Трехмерное температурное поле на 15 сентября 5-го года эксплуатации.

Трехмерное температурное поле грунтов Канализационной насосной станции

Сечение (разрез) температурного поля грунтов оснований.

Температурное поле грунтов на 15 октября 1-го года (начало эксплуатации).

Температурное поле грунтов в основании КНС на 15.10.2000

Температурное поле грунтов на 15 октября 2-го года.

Температурное поле грунтов в основании КНС на 15.10.2001

Температурное поле грунтов на 15 октября 3-го года.

Температурное поле грунтов в основании КНС на 15.10.2002

Температурное поле совместно с распределением грунтов в основании дренажных емкостей приведено на 15 октября 4-го года.

Температурное поле грунтов в основании КНС на 15.10.2003

Расчетные температуры по термометрической скважине т.скв.1 (показана на схеме расположения элементов модели), расположенной под зданием приведены в таблице.

Глубина, мТемпература грунта по термометрической скважине, ⁰С
На начало расчета
(15 мая)
На конец летних периодов (15 октября)
1 год2 год3 год
1,00,500,320,320,27
2,00,500,150,150,07
3,00,50-0,17-0,19-0,29
4,00,50-0,22-0,30-0,44
5,00,50-0,41-0,53-0,65
6,0-0,28-0,79-0,90-1,00
7,0-1,32-1,20-1,29-1,37
8,0-1,40-1,45-1,52-1,58
9,0-1,45-1,58-1,64-1,68
10,0-1,47-1,61-1,67-1,69
11,0-1,47-1,59-1,63-1,66
12,0-1,47-1,54-1,58-1,60
13,0-1,47-1,50-1,53-1,55
14,0-1,46-1,48-1,50-1,51
15,0-1,46-1,46-1,47-1,48

Время выполнения расчета модели, состоящей из 0,3 млн. ячеек на 30-ти летний период составляет:

  • На центральном процессоре (Intel i7-6700К) — 2 часа 30 минут.
  • На видеокарте (GeForce GTX 1080) – 8 минут.

Выводы

Исходя из представленных расчетов можно сделать следующие выводы:

  • Применение свай с заполнением их цементно-песчаным раствором, с учетом большого шага и малого диаметра свай, а также своевременному началу работы СОУ, не приводит к заметному повышению температур грунтов оснований.
  • Объем погруженных СОУ достаточен для такого инженерного сооружения. Технические решения по температурной стабилизации обеспечиваю сохранение температурного поля грунтов оснований даже в условия активизации процесса оттаивания грунтов оснований площадки.

Файлы для загрузки

Фалы примера доступны по ссылке.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

пять × 5 =