Wpływ bezwykopowej metody układania kabli światłowodowych na przepustowość przewodu kanalizacyjnego

Technologia układania kabli w sieciach infrastruktury podziemnej znana jest już od końca XIX wieku.

Pierwsze próby wdrożenia tej metody nie przyniosły spodziewanych rezultatów, głównie ze względu na panującą sytuację polityczną i problemy w trakcie eksploatacji sieci infrastruktury podziemnej.

Dopiero w XX w. dalszy rozwój przemysłu, liczne wynalazki i odkrycia oraz konkurencja między przedsiębiorstwami przyczyniły się do rozwoju technologii układania kabla głównie w kanalizacji ściekowej [3, 5].

Obecnie metody układania kabli teleinformatycznych w sieciach i budowlach infrastruktury podziemnej są znacznie bardziej rozwinięte. Wdrożone rozwiązania pozwalają umieszczać przewody światłowodowe w kanałach przełazowych i nieprzełazowych, tunelach, studniach, zbiornikach oraz rurociągach ciśnieniowych [2, 7, 8, 9].

Metoda TOP COTE jest technologią układania kabli telekomunikacyjnych w kanalizacji ściekowej, na którą warto zwrócić uwagę.

Pomysł stworzenia dwukomorowego linera naprawczego pozwala na zrobienie w trakcie renowacji kanału dodatkowej „rury”, w której można poprowadzić np. kable teleinformatyczne.

Instalacja linera w kanale przebiega analogicznie, jak ma to miejsce w instalacjach klasycznych rękawów renowacyjnych, wymaga jedynie dodatkowego doprowadzenia medium wygrzewającego liner osobno do każdej komory, co nieznacznie komplikuje proces instalacji.

Uzyskiwana finalnie dwukomorowa rura spełnia wszystkie wymagania dotyczące wykładzin renowacyjnych, a więc ma odpowiednią wytrzymałość mechaniczną oraz szczelność.

W zależności od charakterystyki naprawianej kanalizacji dodatkowa rura może być utworzona na dnie lub pod sklepieniem rury głównej. Z punktu widzenia operatora telekomunikacyjnego mniejsza komora jest idealną przestrzenią do umieszczenia kabli.

Na etapie projektowania w technologii TOP COTE powstaje pytanie o wielkość komory, w której mają być przeprowadzone kable. Nie opracowano jeszcze wytycznych określających maksymalne wymiary takiej komory, z tego względu w artykule omówiono metodykę wyznaczania jej średnicy komory z uwzględnieniem aspektów hydraulicznych.

Metodyka

Podstawą określenia średnicy komory (d) (rys. 1) w technologii TOP COTE jest analiza przepustowości całkowicie wypełnionego przewodu grawitacyjnego. W rozważaniach przyjęto, że ilość ścieków przepływająca istniejącym przewodem kanalizacyjnym (D, J, nist) jest równa natężeniu ścieków przepływających rurociągiem z wbudowaną komorą na kable telekomunikacyjne.

Przepustowość rozważanych przewodów wyrażono za pomocą równania Chezy:

(1)

gdzie:

J – spadek podłużny kanału;

R_h – promień hydrauliczny, m;

C – współczynnik prędkości wyrażony jako C = (8 · g · λ^–1)0,50 (m^0,5 · s^–1); w przeprowadzonych analizach wartość C została określona ze wzoru Manninga:

(2)

gdzie:

n – współczynnik szorstkości, m^–1/3 • s.

Do obliczeń pola powierzchni A i promienia hydraulicznego R_h przewodu z umieszczoną powłoką naprawczą wykorzystano następujące zależności:

  (3)

(4)

gdzie:

D – średnica istniejącego przewodu, m;

d – średnica komory, m;

s – grubość powłoki naprawczej, m.

Porównując przepustowość istniejącego przewodu kanalizacyjnego całkowicie wypełnionego Q_istn z przepustowością kanału Q_TC, w którym stworzono komorę na kable telekomunikacyjne, uzyskuje się:

(5)

gdzie:

n_proj – współczynnik szorstkości powłoki naprawczej, m^–1/3 • s;

n_istn – współczynnik szorstkości ścian istniejącego przewodu kanalizacyjnego, m^–1/3 • s.

Z równania (5) wynika, że średnica komory d jest funkcją uwikłaną i w celu jej wyznaczenia należy numerycznie rozwiązać powyższe równanie – do tego celu wykorzystano metodę gradientów sprzężonych.

Wyniki obliczeń i ich analiza

Obliczenia i analizy przeprowadzono dla przewodów kanalizacyjnych o średnicach D = 0,25–1,00 m, spadku podłużnym J = 0,2% oraz współczynniku szorstkości powłoki renowacyjnej n_proj = 0,009–0,011 m^–1/3 • s i istniejącego kanału n_istn = 0,013–0,025 m^–1/3 • s.

Uzyskane wyniki obliczeń przedstawiono na rys. 2–6 i w tabeli 1.

 Na podstawie analiz (rys. 2, tab. 1) można stwierdzić, że średnica pustki przeznaczonej na umieszczenie w niej kabli telekomunikacyjnych istotnie wpływa na przepustowość istniejącego przewodu. W pewnym zakresie średnicy d następuje wzrost przepustowości kanału, po czym dalsze zwiększanie d prowadzi do znacznego spadku ilości ścieków przepływających przewodem.

Przykładowo dla kanałów D = 0,60 m, D = 0,80 m (n_istn = 0,013 m^–1/3 • s), w których zastosowano powłokę naprawczą o grubości s = 0,006 m, wykonanie komory o średnicy d = 0,05 m powoduje wzrost przepustowości kanału odpowiednio od 0,274 do 0,318 m³/s oraz od 0,588 do 0,707 m³/s.

Natomiast stworzenie w przewodach D = 0,60 m i D = 0,80 m dodatkowej ,,rury” o średnicy d = 0,22 m w trakcie renowacji prowadzi do spadku przepustowości istniejącego rurociągu odpowiednio o 24 i 9%.

Z obliczeń (rys. 3, tab. 1) wynika, że instalacja dwukomorowego linera w istniejącym przewodzie kanalizacyjnym powoduje zmniejszenie współczynnika oporów liniowych (λ).

Przykładowo dla przewodu o średnicy D = 0,50 m i współczynniku szorstkości ścian n_istn = 0,013 m^–1/3 • s wprowadzenie linera (s = 0,006 m) z wykonaną komorą d = 0,10 m prowadzi do zmniejszenia współczynnika oporów liniowych od λ = 0,027 do λ = 0,023.

Ponadto wzrost średnicy d stworzonej komory prowadzi do zwiększenia współczynnika oporów liniowych.

Przykładowo zmiana wartości d z 0,032 m na 0,100 m w przewodach o średnicy D = 0,50 m i D = 0,60 m z zamieszczoną powłoką renowacyjną (s = 0,006 m) powoduje wzrost λ odpowiednio od 0,0205 do 0,0220 oraz od 0,0155 do 0,0163.

Na podstawie rys. 4 można stwierdzić, że zwiększenie współczynnika szorstkości powłoki naprawczej prowadzi do redukcji średnicy komory d pod warunkiem, że Q_istn = Q_TC.

Przykładowo dla D = 0,50 m wzrost wartości n_proj = 0,009 m^–1/3 • s na n_proj = 0,011 m^–1/3 • s powoduje zmniejszenie się wartości d z 0,175 do 0,097 m. Ponadto dla D = 0,25 m i D = 1,00 m wzrost nproj = 0,009 m–1/3 • s na nproj = 0,011 m–1/3 • s prowadzi do 2,26-krotnej i 1,93-krotnej redukcji komory d.

Z obliczeń (rys. 5) wynika, że im większa wartość współczynnika szorstkości istniejącego przewodu (n_istn), tym większa maksymalna średnica (d) komory przeznaczonej na kable telekomunikacyjne, przy założeniu że Q_istn = Q_TC.

Przykładowo dla D = 0,25 m i D = 1,00 m zmiana współczynnika szorstkości przewodu n_istn = 0,013 m^–1/3 • s na n_istn = 0,025 m^–1/3 • s prowadzi do zwiększenia średnicy komory odpowiednio z 0,05 do 0,12 m oraz z 0,24 do 0,54 m.

Na podstawie danych przedstawionych na rys. 6 można zauważyć, że im mniejsza grubość powłoki naprawczej s, tym zwiększa się przekrój poprzeczny komory przeznaczonej na kable telekomunikacyjne, przy założeniu że Q_istn = Q_TC.

Przykładowo dla D = 0,50 m i D = 0,80 m zwiększenie się grubości powłoki s z 0,006 do 0,015 m prowadzi do redukcji średnicy komory d odpowiednio z 0,100 do 0,055 m oraz z 0,177 do 0,135 m.

Wnioski

Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że technologia TOP COTE wpływa na warunki przepływu w istniejącym przewodzie kanalizacyjnym.

Wprowadzenie powłoki naprawczej powoduje zmniejszenie wartości współczynnika oporów liniowych, a wzrost średnicy komory przeznaczonej na kable telekomunikacyjne prowadzi do zwiększenia oporów przepływu.

Przeprowadzone analizy wykazały również, że technologia TOP COTE istotnie wpływa na przepustowość przewodu kanalizacyjnego, a obliczenia pokazały, że w pewnym zakresie d zależnym od grubości wprowadzonej powłoki naprawczej z dodatkową komorą zwiększa się przepustowość istniejącego przewodu.

Analizy potwierdziły, że wzrost współczynnika szorstkości powłoki naprawczej powoduje zmniejszenie średnicy komory przeznaczonej na kable telekomunikacyjne, a zwiększenie grubości powłoki renowacyjnej prowadzi do redukcji przekroju poprzecznego komory.

Literatura

1. Kolonko A., Wykorzystanie istniejącej sieci kanalizacyjnej dla prowadzenia kabli telekomunikacyjnych, „Inżynieria Bezwykopowa” nr 1/2004.
2. Kubrak J., Szeląg B., Rachunkowa analiza przepustowości przewodu wodociągowego z kablem telekomunikacyjnym, „Instal” nr 7–8/2012.
3. Kuliczkowski A., Sewage pipes Vol. I., Material Properties (in Polish), Kielce University of Technology, Monograph No. 28, Kielce 2001.
4.  Kuliczkowski A., Zwierzchowski D., Orman Ł.J., Kielce kickstarts Poland’s sewage upgrade, „Tunnelling and Trenchless Construction” No. 16, 2005.
5.  Madryas C., Kolonko A., Wysocki L., Konstrukcje przewodów kanalizacyjnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.
6. Szeląg B., Zastosowanie robotów do instalowania kabli teleinformatycznych w kanałach, praca dyplomowa – maszynopis, Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2006.
7. Andrzejewski M., Szeląg B., Metody układania kabli telekomunikacyjnych w obiektach podziemnej infrastruktury miejskiej, Wydawnictwo Inżynieria, Kraków 2011.
8.  Siwicki P., Szeląg B., Zastosowanie programu CFD FLUENT do określania strat hydraulicznych w przewodach ze światłowodem, „Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska” Vol. 50 nr 4/2010.
9. Szeląg B., Andrzejewski M., Optymalny dobór technologii układania kabli teleoptycznych w przewodach kanalizacyjnych, „Instal” nr 10/2012.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!