Hydraulica van buitenriolering

Rioleringssystemen (DWA, HWA), voor zowel binnen als buiten / in of buiten de woning, NEN 3215. worden samengesteld uit leidingen en hulpstukken en rioleringsputten. De diameters die we willen toepassen in ons rioleringssysteem zijn afhankelijk van een aantal factoren. De factoren zijn:

• Minimale diameter hoofdriolering (leidingen en putten); I.v.m. inspectie of beheersmogelijkheden wordt voor leidingen en putten afhankelijk per gemeente meestal uitgegaan van de volgende uitgangspunten:
  • Hoofdleidingen kunststof minimaal Ø250mm à Ø315mm;
  • Voor rioleringsputten geldt meestal een minimale putdiameter van Ø600mm of Ø800mm. Daarnaast is de putdiameter afhankelijk van de diameter van de aan te sluiten rioleringsleiding (op een Ø600mm put kunnen geen bijvoorbeeld niet twee Ø500mm PVC leidingen aansluiten).
• Hydraulische dimensioneringsuitgangspunten (Bui10 +10% voor HWA, maximaal 50% buisvulling DWA). Uitleg volgt hieronder;

  • Het rioolsysteem moet voldoen aan een bepaalde ontwerpcapaciteit Bui08 en Bui10 (vaak inmiddels plus 10% i.v.m. klimaatverandering) staan in de meeste vGRP’s gemeld. Inmiddels zijn er via Rioned de composietbuien die steeds vaker de rol van de Bui08 en Bui10 over gaan nemen in de dimensionering van de hemelwaterafvoer. Binnen gemeenten en waterschappen speelt hierin steeds vaker de klimaatproblematiek. Dit verwerken gemeenten en ingenieursbureaus d.m.v. een hydraulische berekening met inkijk in de situatie van het rioolsysteem met een neerslag die theoretische eens in de 100 of zelfs 1000 jaar zal vallen.

    Vaak gebruikte historische bui is “De bui van Herwijnen” uit 2011 en tevens zijn er composietbuien beschikbaar met vergelijkbare herhalingstijden. Met dergelijke hoeveelheden neerslag lijkt de afvoercapaciteit minder relevant. Toch is niets minder waar. Het waarborgen van voldoende afvoercapaciteit naar de overstorten is belangrijk om de omvang en duur van water op straat te limiteren. Hiermee speelt de afvoercapaciteit een belangrijke rol met het voorkomen van wateroverlast en waterschade. Voor het hemelwatersysteem worden hiermee de leidingdiameters Iedere situatie vraagt om een goed doordachte aanpak. Hoe je het regenwater het beste kunt opvangen, is daarom ook afhankelijk van verschillende factoren. We maken hierin globaal onderscheid tussen het opvangen van regenwater van schuine daken, platte daken en de opvang van regenwater van bestrating. 

Het woord ‘hydraulica’ stamt van oorsprong uit de Griekse woorden HYDRO (=water) en AULOS (= pijp, buis). Het betekent onder andere: de wetenschap van het evenwicht en de beweging van vloeistoffen.

Als de vereiste capaciteit van het leidingsysteem is bepaald, moet de leidingdiameter worden berekend. De leidingdiameters voor een vermaasde rioleringsstelsels (gemengd en HWA) worden berekend middels hydrodynamische modelingsprogramma’s.

Voor terreinriolering worden diameters berekend met behulp van statische of dynamische rekensheets. De terreinleiding kunnen worden gedimensioneerd met behulp van de NTR3216 volgens de norm NEN 3215. De norm bevat een dimensioneringsgrafiek waarbij u vanuit een afvoerhoeveelheid de juiste diameter in de grafiek kan aflezen. U ziet dit terug in Grafiek 1 onder aan deze pagina. De uitgangspunten qua weerstandwaarde van de grafiek zijn wat positief te noemen. Vervolgens stelt de NTR3216 dat er tot 2000m² verhard oppervlak gerekend mag worden met 110 l/s/ha en boven de 2000m² wordt verwezen naar de leidraad riolering C2100.

Modelingssoftware maakt gebruik van de formule van Chézy. Deze formule is het meest geschikt voor tijdsafhankelijke dimensionering. De afvoersnelheid en het debiet kunnen bij een gegeven verhang, inwendige buisdiameter en wandruwheid worden berekend met de formule van Chézy:

Hierin is:
v = de gemiddelde snelheid van de vloeistof (m/s)

C = Chezy coefficient (o.a. afhankelijk van k-waarde) m1/2/s

If = ∆H / L = het verhang, dat is het wrijvingsverlies per eenheid van lengte (m/m) = (-)
k = de wandruwheid (m)
R = Hydraulische straal = A / P
Q = debiet (m³/s)
A = natoppervlak (m²);

P = perimeter = natte omtrek

Bij de formule van Chezy is het drukverlies in de leiding afhankelijk van de eenheden in vorige paragraaf. De berekeningen kunnen sterk worden vereenvoudigd door gebruik te maken van Grafiek 1 onder aan deze pagina. In de grafiek zijn voor verschillende waarden van het verhang grafieken afgebeeld.

In de grafiek zijn zowel het debiet als het verhang (drukverlies in meters per strekkende meter buisleiding) op logaritmische schaal afgebeeld. Wanneer, bij een gekozen k-waarde, de twee overige variabelen bekend zijn, is het mogelijk een waarde te bepalen met behulp van de grafiek.

• Uit het gegeven verhang en het debiet volgt de toe te passen diameter, waarbij meestal op het dichtstbij gelegen beschikbare inwendige diameter moet worden afgerond.
• Wanneer diameter en verhang gegeven zijn, is het debiet vast te stellen.
• Zijn de diameter en het debiet bekend, dan is het verhang te bepalen en analoog hieraan het drukverlies (zie voorbeeld berekening).

Bovendien is het mogelijk met behulp van de grafiek de stroomsnelheid te bepalen in de 100% gevulde buisleiding. Rekenvoorbeeld hydraulica:

Voor DWA stelsels rekent men met maximaal 50% vulling van de leidingdiameter en een vuilwaterhoeveelheid van 12l/inw/uur (komt overeen komt drinkwatergebruik). Afhankelijk van de hoeveelheid woningen en inwoners (tussen de 2,5 en de 2,3 inwoners per huishouden) kan de DWA hoeveelheid worden berekenend. In de praktijk gebruiken modelleurs een geheel gevulde leiding en rekenen met de helft van het debiet. Vervolgens wordt gecontroleerd of de totale vuilvracht van 12l/inw/uur afgevoerd kan worden met de half gevulde leiding. In de praktijk kan een PVC leiding Ultra 3, SN8 van Ø250mm met een verhang van 1:700 m/m de vuilvracht van 2500 inwoners afvoeren met halve vulling. Voor terrein en binnenriolering gelden andere normen en hoeveelheden vuilwater. Dit voornamelijk omdat gelijktijdigheid (enkel bij vuilwater) hierbij meer invloed heeft en voordat het vuilwater het hoofdriool heeft bereikt.

Als de leiding gedeeltelijk is gevuld, kunnen de afvoersnelheid en het debiet worden uitgedrukt in een percentage van de respectievelijke snelheid en debiet van een volledig gevulde leiding. In figuur 12 leest men af dat bijvoorbeeld bij een vulling van 40% van de diameter (h/D -= 0,4) de afvoer Q’ 34% is van de afvoer Q, bij volledig gevulde buis. Op dezelfde manier kan worden bepaald dat de snelheid v’ in dit voorbeeld 91% bedraagt van de snelheid v bij volledige vulling.

Een van de voornaamste voordelen van PVC rioleringsbuizen is de geringe wandruwheid. Bij het berekenen van de capaciteit van een vrijvervalleidingsysteem kan men bij kunststof rekenen met een k-waarden van 0,8mm (gebaseerd onderzoek na 30 jaar gebruik). Voor een nieuwe kunststof leiding zit de k-waarde na aanleg op 0,25 a 0,40mm. Dit zijn de theoretische k-waarden van PVC buizen welke worden gebruikt voor rioolpersleidingen en vrijvervalriolering. Betonnen leidingen hebben een k-waarde van 3,0mm (na 30 jaar in gebruik).

Door in- en uittredeverliezen en de eventuele bochtverliezen te betrekken in de wandruwheid, ontstaat er een gemiddelde bedrijfswandruwheid. Deze bedrijfswandruwheid is groter dan alleen de wandruwheid van de buiswand zelf.