球墨鑄鐵管道水力計(jì)算及設(shè)計(jì)應(yīng)用課件

球墨鑄鐵管道水力計(jì)算及設(shè)計(jì)應(yīng)用

1球墨鑄鐵管道水力計(jì)算及設(shè)計(jì)應(yīng)用1交

流

內(nèi)

容

一

球墨鑄鐵管的水力計(jì)算

二

球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

交流內(nèi)容一球墨鑄鐵管的水力計(jì)算二一、球墨鑄鐵管的水力計(jì)算

（一）

恒定流計(jì)算

（二）

非恒定流計(jì)算

一、球墨鑄鐵管的水力計(jì)算（一）恒定流計(jì)算（二）非恒定（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50013：混凝土管（渠）及采用水泥砂漿內(nèi)襯的金屬管道—謝才公式

；

----輸配水管道、配水管網(wǎng)水力平差計(jì)算:海曾-威廉公式；

?

《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50015：海曾-威廉公式

；

?

《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)范》CECS193-2005）水力計(jì)算按《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50013的規(guī)定---謝才公式；

?《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB50974：水泥砂漿內(nèi)襯鑄鐵管—謝才公式

?——國外：多采用海曾-威廉公式

?

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式《室外（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

《技術(shù)導(dǎo)則》中管道沿程水頭損失計(jì)算給出了兩種計(jì)算公式

公式一：

海曾-威廉（Hazen-Williams）公式：

??=??????=????.????????.??????.????????.??????????????

式中：

i——單位管道長度的水頭損失（水力坡降）（m/m）；

??——管段長度（m）；

q——設(shè)計(jì)流量（m3/s）；

Ch——海曾-威廉系數(shù)，

dj——計(jì)算內(nèi)徑

該公式適用條件為常溫水，光滑區(qū)至部分粗糙區(qū)，對應(yīng)雷諾數(shù)Re=104-2X106,V〈3m/s,管徑大于0.05m.2019/6/16

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式《技術(shù)（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

公式二：謝才（Chezy）公式：

公式二：謝才（Chezy）公式：

??=?????=??2??2??

式中：

??——管道斷面水流平均流速（m/s）；

??——謝才系數(shù)；

??——水力半徑（m）；

其中謝才系數(shù)??采用曼寧（Manning）公式：

??=式中：??——管道的糙率系數(shù)。

1????1

6??=1????1

6

曼寧公式適用于水力粗糙區(qū)，適用條件為:n〈0.02,R〈0.5m.（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式公式二：謝才（（一）恒定流計(jì)算

（一）恒定流計(jì)算1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

?《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的參考值：

?《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》：襯水泥、樹脂的鑄鐵管Ch=130（一）恒定流計(jì)算（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

?

美國水行業(yè)協(xié)會(huì)編制的球墨鑄鐵管應(yīng)用手冊M41《球墨鑄鐵管道和管件》采用海曾-威廉（Hazen-Williams）公式作為球墨鑄鐵管的水力計(jì)算公式。

?

球墨鑄鐵管研究協(xié)會(huì)在試驗(yàn)后建議，帶有水泥內(nèi)襯的球墨鑄鐵管海澄曾-威廉系數(shù)Ch合理取值為140。，其水頭損失計(jì)算誤差理論上不超過13%”。.

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

?

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

日本久保田鐵工株式會(huì)社出版的《球墨鑄鐵管手冊》：

水泥砂漿內(nèi)襯球墨鑄鐵管“Ch”

值為140-150。由于管子內(nèi)面不產(chǎn)生銹瘤，所以這個(gè)數(shù)值經(jīng)過長年使用也不變化。

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式?——糙率系數(shù)n與海曾（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

實(shí)驗(yàn)室測試

：

?

2005年和2011年，新興鑄管有限公司委托中國水利水電科學(xué)研究院，對不同內(nèi)襯材料的球管進(jìn)行阻力系數(shù)的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用DN300管道，分別對水泥砂漿內(nèi)襯、環(huán)氧密封層和聚氨酯內(nèi)襯進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

實(shí)驗(yàn)室測試

：

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-威（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

實(shí)驗(yàn)室測試

：

?

DN300球管——水泥砂漿內(nèi)襯（2011年）

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

實(shí)驗(yàn)室測試

：

DN300球管——環(huán)氧密封層內(nèi)涂（2011年）

可以看出，實(shí)驗(yàn)室測出的管道摩阻系數(shù)平均值比設(shè)計(jì)規(guī)范建議的平均值低20%左右（實(shí)驗(yàn)室實(shí)測糙率系數(shù)n值較設(shè)計(jì)規(guī)范小、海曾-威廉系數(shù)Ch值較設(shè)計(jì)規(guī)范大）。

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

《技術(shù)導(dǎo)則》海曾-威廉系數(shù)Ch和管道的糙率系數(shù)n的推薦值：

球墨鑄鐵管阻力系數(shù)推薦值

球管內(nèi)襯型式

水泥砂漿內(nèi)襯

涂料內(nèi)襯

海曾-威廉系數(shù)Ch

140～120145～125糙率系數(shù)n0.010～0.0120.010～0.011（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

?

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

水力摩阻系數(shù)的影響因素主要包括：管徑、流速、水溫、當(dāng)量粗糙度k等。

——

總體而言：

?

糙率系數(shù)n隨管徑的增加而增大，隨流速的增加而減小。

?

海曾-威廉系數(shù)Ch隨管徑的增加而增大，隨流速的變化呈現(xiàn)先變大后減小的拋物線型。

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式?——糙率系數(shù)n與海曾（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

由于管徑變化范圍大，由此引起的摩阻系數(shù)變化也大，在1m/s流速下，DN80~DN2600管徑范圍內(nèi)，曼寧糙率系數(shù)n從0.0085增大到0.0108，增幅為27%；海曾-威廉系數(shù)Ch從142增加到150，增幅為5.6%。

?----考慮管徑的影響：

?

海森-威廉系數(shù)可采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系Ch=147.25-4.13/D0.5（當(dāng)量粗糙度k=0.1mm、V=1.0m/s）估算

?

曼寧糙率系數(shù)n可采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系n=0.0105D0.063（當(dāng)量粗糙度k=0.1mm、V=1.0m/s）估算

管徑D對海森-威廉系數(shù)Ch

的影響要小于對曼寧糙率n的影響，海森-威廉公式比謝才公式更適用于管道的水力計(jì)算

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

當(dāng)量粗糙度k=0.030mm時(shí)，Ch與n隨管徑和流速的變化規(guī)律

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

?

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

現(xiàn)場測試

2018年新興鑄管公司委托中國水科院進(jìn)行了球墨鑄鐵管道摩阻系數(shù)的現(xiàn)場測試工作，雖然受現(xiàn)場條件的限制，成果有一定的局限性，但與上圖的趨勢有著良好一致性。

某工程檢測管段平順、水質(zhì)條件較好，DN800水泥砂漿球墨鑄鐵，管道檢測流速0.27~0.37m/s范圍內(nèi),實(shí)測海曾-威廉系數(shù)Ch從141增加到165，曼寧糙率系數(shù)n從0.0115減小到0.0097。

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式?——糙率系數(shù)n與海曾（一）恒定流計(jì)算

2、局部水頭損失

v

2

h

j

=

z

2

g

建議：

在方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目建議書及可行性研究階段，管道的局部水頭損失可按沿程水頭損失5%～10%進(jìn)行估算，具體比例取值應(yīng)綜合考慮管路沿線的地形復(fù)雜程度、管道長度及閥件、管件的數(shù)量來確定，在初步設(shè)計(jì)、招標(biāo)設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)階段，須按上述公式計(jì)算管道的局部水頭損失。

（一）恒定流計(jì)算2、局部水頭損失v2hj=z（二）非恒定流計(jì)算

對于設(shè)計(jì)流速和運(yùn)行壓力較低且管道較短的簡單有壓重力流輸水系統(tǒng)，水錘分析及防護(hù)設(shè)計(jì)采用水錘經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式或參照同類工程進(jìn)行；對于管道較長的輸水系統(tǒng)，水錘分析及防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行水力過渡過程數(shù)值模擬計(jì)算分析后，確定水錘防護(hù)措施；對于重要的或較復(fù)雜的長距離輸水系統(tǒng)，還應(yīng)進(jìn)行對比分析計(jì)算后，確定水錘防護(hù)措施。

建議：對于重要的大型工程，應(yīng)設(shè)立水錘計(jì)算分析專題，建議由兩個(gè)以上專業(yè)水力分析機(jī)構(gòu)對比計(jì)算，來確定最優(yōu)的水錘防護(hù)方案。

（二）非恒定流計(jì)算對于設(shè)計(jì)流速和（二）非恒定流計(jì)算

??

有壓輸水系統(tǒng)經(jīng)水錘計(jì)算分析采用水錘防護(hù)措施后，瞬態(tài)特性參數(shù)應(yīng)滿足以下要求：

1、包括最不利工況下水錘壓力的管道設(shè)計(jì)壓力不宜超過1.3～1.5倍管道工作壓力；

2、有壓輸水管道任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水流汽化、液柱分離現(xiàn)象。

?（二）非恒定流計(jì)算??有壓輸水系統(tǒng)經(jīng)水錘計(jì)算分析采用（二）非恒定流計(jì)算

?

常用的水錘防護(hù)措施主要有雙向調(diào)壓塔、單向調(diào)壓塔、壓力空氣罐、空氣閥、超壓泄壓閥、液控緩閉止回閥等措施，對水泵揚(yáng)水工程也可考慮在適當(dāng)范圍內(nèi)增加機(jī)組自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值。

（二）非恒定流計(jì)算?常用的水錘防護(hù)措施主要有雙向

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：

——柔性借口，適應(yīng)地基不均勻沉降能力強(qiáng)，且接口型式多樣（T型口、K型口、自錨接口、法蘭接口等）

——可借角，能節(jié)省彎頭及鎮(zhèn)墩等

——強(qiáng)度，抗沖擊能力強(qiáng)

——承壓等級高（K9級，2.5Mpa-6.4Mpa）

——抗腐蝕性能好，壽命長。一般不需其他防護(hù)措施

——口徑范圍廣（DN80—DN2600）

——適應(yīng)埋設(shè)、明敷、頂管施工和水平定向鉆進(jìn)施工等

——施工周期短，節(jié)約工期。

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：—

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：

——柔性借口，適應(yīng)地基不均勻沉降能力強(qiáng)，且接口型式多樣（T型口、K型口、自錨接口、法蘭接口等）

——可借角，能節(jié)省彎頭及鎮(zhèn)墩等

——強(qiáng)度，抗沖擊能力強(qiáng)

——承壓等級高（K9級，2.5Mpa-6.4Mpa）

——抗腐蝕性能好，壽命長。一般不需其他防護(hù)措施

——口徑范圍廣（DN80—DN2600）

——適應(yīng)埋設(shè)、明敷、頂管施工和水平定向鉆進(jìn)施工等

——施工周期短，節(jié)約工期。

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：—

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：

——柔性借口，適應(yīng)地基不均勻沉降能力強(qiáng)，且接口型式多樣（T型口、K型口、自錨接口、法蘭接口等）

——可借角，能節(jié)省彎頭及鎮(zhèn)墩等

——強(qiáng)度高，抗沖擊能力強(qiáng)

——承壓等級高（K9級，2.5Mpa-6.4Mpa）

——抗腐蝕性能好，壽命長。一般不需其他防護(hù)措施

——口徑范圍廣（DN80—DN2600）

——適應(yīng)埋設(shè)、明敷、頂管施工和水平定向鉆進(jìn)施工等

——施工周期短，節(jié)約工期。

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：—

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：

——柔性借口，適應(yīng)地基不均勻沉降能力強(qiáng)，且接口型式多樣（T型口、K型口、自錨接口、法蘭接口等）

——可借角，能節(jié)省彎頭及鎮(zhèn)墩等

——強(qiáng)度，抗沖擊能力強(qiáng)

——承壓等級高（K9級，2.5Mpa-6.4Mpa）

——抗腐蝕性能好，壽命長。一般不需其他防護(hù)措施

——口徑范圍廣（DN80—DN2600）

——適應(yīng)埋設(shè)、明敷、頂管施工和水平定向鉆進(jìn)施工等

——施工周期短，節(jié)約工期。

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：—

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

TF型自錨式接口

自錨式接口的設(shè)計(jì)應(yīng)用：

?

用以抵消水力推力的水泥支墩無法設(shè)置時(shí)，可以用來代替水泥支墩。

?

管線敷設(shè)地區(qū)地基不穩(wěn)定，可能產(chǎn)生較大的土壤沉降，如河床的淤泥

層，實(shí)現(xiàn)接口防滑脫功能，并保持一定的偏轉(zhuǎn)角。

?

陡坡

?

地面上明設(shè)管道

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用TF型自錨式接口自

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

自錨長度

免支墩設(shè)計(jì)原理：

當(dāng)管線的水力方向改變時(shí)，如彎頭、三通、變徑等，就會(huì)產(chǎn)生水力推力，球墨鑄鐵管采用柔性接口，通常做法是設(shè)置混凝土鎮(zhèn)墩以抵消水力推力。如果不設(shè)置混凝土鎮(zhèn)墩，柔性接口就需要使用防滑脫裝置，即自錨接口。由于管道埋地，自推力產(chǎn)生處至一定距離，管道與土壤產(chǎn)生的摩擦力可以逐步抵消水力推力，直至為零，這段長度稱之自錨長度。

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用自錨長度免支墩設(shè)計(jì)原

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

鄭州東區(qū)某工程供水工程自錨式接口管道

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用鄭州東區(qū)某工程供水工程

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

K級管的工作壓力的計(jì)算公式

PFA

=

2·e

min·Rm

?P

?D·SF

PFA：管道允許正常工作壓力，MPaemin

：最小壁厚，mmK：壁厚級別系數(shù)，…7，8，9，10，11，12…

D：平均直徑（DE-emin

），mmSF：安全系數(shù)，取3Rm:最小抗拉強(qiáng)度，MPa，（Rm=420MPa）

emin=K(0.5+0.001DN)

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用K級管的工作壓力的計(jì)算

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

GB13295要求的K9管允許工作壓力與最大允許工作壓力

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用GB13295要求的K

管道穿過交通荷載高的公路時(shí)的允許埋深

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

管道穿過交通荷載高

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

南水北調(diào)中線配套工程

?

本段管線基礎(chǔ)為濕陷性黃土段采取換填措施，對于填筑土基礎(chǔ)，鋪設(shè)厚度300mm土墊層和300mm三七灰土墊層。壓實(shí)度要求達(dá)到0.95。

焦作段修武水廠段工程施工

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用南水北調(diào)中線配套工程

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

鄂爾多斯哈頭才當(dāng)水源地引水工程

哈頭才當(dāng)水源地飲水工程供水規(guī)模10萬t/d，將優(yōu)質(zhì)地下水輸送至康巴什新區(qū)二水廠，工程主要分為水源地工程和輸水管線工程兩部分。

DN300～DN900的匯流管線管材為K9級球墨鑄鐵管?？傞L100km

工程總體輸水方案：

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用鄂爾多斯哈頭才當(dāng)水

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

鄂爾多斯哈頭才當(dāng)水源地引水工程

水錘防護(hù)：

根據(jù)水錘計(jì)算結(jié)果，在一級加壓泵站內(nèi)設(shè)置4個(gè)空氣壓力罐，直徑為3.8m，高度為4.5m；在二級加壓泵站內(nèi)設(shè)置4個(gè)空氣壓力罐，直徑為3.8m，高度為4.5m，消除負(fù)水錘。在壓水總管起端設(shè)有超壓泄壓閥，降低管道內(nèi)壓力，以確保泵站及管道安全。

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用鄂爾多斯哈頭才當(dāng)水源地

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

蒙古國OT礦供水管道工程

?

該項(xiàng)目為蒙古國OT礦工程提供生產(chǎn)及生活供水，在礦區(qū)外約32km~67km處新建五處水源地，將五處水源地串聯(lián)向礦區(qū)供水，最大供水量0.9m3/s，工程由5組共33眼水源井，5個(gè)井群加壓泵站（CT1~CT5），一座中途加壓泵站(BTP)，一座高位水池(LAGOON)組成，主輸水管線長度約67.2km，井群匯流管線約83.5km。

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用蒙古國OT礦供水管道工

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

蒙古國OT礦供水管道工程

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用蒙古國OT礦供水管道工

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

蒙古國OT礦供水管道工程

水錘防護(hù)：

壓縮空氣罐+液控止回蝶閥+空氣閥

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用蒙古國OT礦供水管道工

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

蒙古國OT礦供水管道工程

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用蒙古國OT礦供水管道工

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

蒙古國OT礦供水管道工程

井泵房

管線

CT泵房

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用蒙古國OT礦供水管道工

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

蘭州水源地供水工程

??

為我公司EPC項(xiàng)目，工程從劉家峽水庫引水，經(jīng)30多km的有壓隧洞引入蘭州市新建的兩座規(guī)模分別為100萬噸/天和50萬噸/天的彭家坪水廠和蘆家坪水，經(jīng)水廠處理后重力流接入蘭州市城市管網(wǎng)。

球墨鑄鐵管道用于水廠至城市管網(wǎng)之間，管徑DN1400-DN1800。

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用蘭州水源地供水工程?

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

蘭州水源地供水工程

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用蘭州水源地供水工程

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

蘭州水源地供水工程

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用蘭州水源地供水工程

謝

謝！

謝謝！球墨鑄鐵管道水力計(jì)算及設(shè)計(jì)應(yīng)用

1球墨鑄鐵管道水力計(jì)算及設(shè)計(jì)應(yīng)用1交

流

內(nèi)

容

一

球墨鑄鐵管的水力計(jì)算

二

球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

交流內(nèi)容一球墨鑄鐵管的水力計(jì)算二一、球墨鑄鐵管的水力計(jì)算

（一）

恒定流計(jì)算

（二）

非恒定流計(jì)算

一、球墨鑄鐵管的水力計(jì)算（一）恒定流計(jì)算（二）非恒定（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50013：混凝土管（渠）及采用水泥砂漿內(nèi)襯的金屬管道—謝才公式

；

----輸配水管道、配水管網(wǎng)水力平差計(jì)算:海曾-威廉公式；

?

《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50015：海曾-威廉公式

；

?

《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)范》CECS193-2005）水力計(jì)算按《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50013的規(guī)定---謝才公式；

?《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB50974：水泥砂漿內(nèi)襯鑄鐵管—謝才公式

?——國外：多采用海曾-威廉公式

?

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式《室外（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

《技術(shù)導(dǎo)則》中管道沿程水頭損失計(jì)算給出了兩種計(jì)算公式

公式一：

海曾-威廉（Hazen-Williams）公式：

??=??????=????.????????.??????.????????.??????????????

式中：

i——單位管道長度的水頭損失（水力坡降）（m/m）；

??——管段長度（m）；

q——設(shè)計(jì)流量（m3/s）；

Ch——海曾-威廉系數(shù)，

dj——計(jì)算內(nèi)徑

該公式適用條件為常溫水，光滑區(qū)至部分粗糙區(qū)，對應(yīng)雷諾數(shù)Re=104-2X106,V〈3m/s,管徑大于0.05m.2019/6/16

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式《技術(shù)（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

公式二：謝才（Chezy）公式：

公式二：謝才（Chezy）公式：

??=?????=??2??2??

式中：

??——管道斷面水流平均流速（m/s）；

??——謝才系數(shù)；

??——水力半徑（m）；

其中謝才系數(shù)??采用曼寧（Manning）公式：

??=式中：??——管道的糙率系數(shù)。

1????1

6??=1????1

6

曼寧公式適用于水力粗糙區(qū)，適用條件為:n〈0.02,R〈0.5m.（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式公式二：謝才（（一）恒定流計(jì)算

（一）恒定流計(jì)算1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

?《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的參考值：

?《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》：襯水泥、樹脂的鑄鐵管Ch=130（一）恒定流計(jì)算（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

?

美國水行業(yè)協(xié)會(huì)編制的球墨鑄鐵管應(yīng)用手冊M41《球墨鑄鐵管道和管件》采用海曾-威廉（Hazen-Williams）公式作為球墨鑄鐵管的水力計(jì)算公式。

?

球墨鑄鐵管研究協(xié)會(huì)在試驗(yàn)后建議，帶有水泥內(nèi)襯的球墨鑄鐵管海澄曾-威廉系數(shù)Ch合理取值為140。，其水頭損失計(jì)算誤差理論上不超過13%”。.

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

?

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

日本久保田鐵工株式會(huì)社出版的《球墨鑄鐵管手冊》：

水泥砂漿內(nèi)襯球墨鑄鐵管“Ch”

值為140-150。由于管子內(nèi)面不產(chǎn)生銹瘤，所以這個(gè)數(shù)值經(jīng)過長年使用也不變化。

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式?——糙率系數(shù)n與海曾（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

實(shí)驗(yàn)室測試

：

?

2005年和2011年，新興鑄管有限公司委托中國水利水電科學(xué)研究院，對不同內(nèi)襯材料的球管進(jìn)行阻力系數(shù)的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用DN300管道，分別對水泥砂漿內(nèi)襯、環(huán)氧密封層和聚氨酯內(nèi)襯進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

實(shí)驗(yàn)室測試

：

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-威（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

實(shí)驗(yàn)室測試

：

?

DN300球管——水泥砂漿內(nèi)襯（2011年）

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

實(shí)驗(yàn)室測試

：

DN300球管——環(huán)氧密封層內(nèi)涂（2011年）

可以看出，實(shí)驗(yàn)室測出的管道摩阻系數(shù)平均值比設(shè)計(jì)規(guī)范建議的平均值低20%左右（實(shí)驗(yàn)室實(shí)測糙率系數(shù)n值較設(shè)計(jì)規(guī)范小、海曾-威廉系數(shù)Ch值較設(shè)計(jì)規(guī)范大）。

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

《技術(shù)導(dǎo)則》海曾-威廉系數(shù)Ch和管道的糙率系數(shù)n的推薦值：

球墨鑄鐵管阻力系數(shù)推薦值

球管內(nèi)襯型式

水泥砂漿內(nèi)襯

涂料內(nèi)襯

海曾-威廉系數(shù)Ch

140～120145～125糙率系數(shù)n0.010～0.0120.010～0.011（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

?

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

水力摩阻系數(shù)的影響因素主要包括：管徑、流速、水溫、當(dāng)量粗糙度k等。

——

總體而言：

?

糙率系數(shù)n隨管徑的增加而增大，隨流速的增加而減小。

?

海曾-威廉系數(shù)Ch隨管徑的增加而增大，隨流速的變化呈現(xiàn)先變大后減小的拋物線型。

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式?——糙率系數(shù)n與海曾（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

由于管徑變化范圍大，由此引起的摩阻系數(shù)變化也大，在1m/s流速下，DN80~DN2600管徑范圍內(nèi)，曼寧糙率系數(shù)n從0.0085增大到0.0108，增幅為27%；海曾-威廉系數(shù)Ch從142增加到150，增幅為5.6%。

?----考慮管徑的影響：

?

海森-威廉系數(shù)可采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系Ch=147.25-4.13/D0.5（當(dāng)量粗糙度k=0.1mm、V=1.0m/s）估算

?

曼寧糙率系數(shù)n可采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系n=0.0105D0.063（當(dāng)量粗糙度k=0.1mm、V=1.0m/s）估算

管徑D對海森-威廉系數(shù)Ch

的影響要小于對曼寧糙率n的影響，海森-威廉公式比謝才公式更適用于管道的水力計(jì)算

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

當(dāng)量粗糙度k=0.030mm時(shí)，Ch與n隨管徑和流速的變化規(guī)律

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式——糙率系數(shù)n與海曾-（一）恒定流計(jì)算

1、

計(jì)算公式

?

——糙率系數(shù)n與海曾-威廉系數(shù)Ch選取

現(xiàn)場測試

2018年新興鑄管公司委托中國水科院進(jìn)行了球墨鑄鐵管道摩阻系數(shù)的現(xiàn)場測試工作，雖然受現(xiàn)場條件的限制，成果有一定的局限性，但與上圖的趨勢有著良好一致性。

某工程檢測管段平順、水質(zhì)條件較好，DN800水泥砂漿球墨鑄鐵，管道檢測流速0.27~0.37m/s范圍內(nèi),實(shí)測海曾-威廉系數(shù)Ch從141增加到165，曼寧糙率系數(shù)n從0.0115減小到0.0097。

（一）恒定流計(jì)算1、計(jì)算公式?——糙率系數(shù)n與海曾（一）恒定流計(jì)算

2、局部水頭損失

v

2

h

j

=

z

2

g

建議：

在方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目建議書及可行性研究階段，管道的局部水頭損失可按沿程水頭損失5%～10%進(jìn)行估算，具體比例取值應(yīng)綜合考慮管路沿線的地形復(fù)雜程度、管道長度及閥件、管件的數(shù)量來確定，在初步設(shè)計(jì)、招標(biāo)設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)階段，須按上述公式計(jì)算管道的局部水頭損失。

（一）恒定流計(jì)算2、局部水頭損失v2hj=z（二）非恒定流計(jì)算

對于設(shè)計(jì)流速和運(yùn)行壓力較低且管道較短的簡單有壓重力流輸水系統(tǒng)，水錘分析及防護(hù)設(shè)計(jì)采用水錘經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式或參照同類工程進(jìn)行；對于管道較長的輸水系統(tǒng)，水錘分析及防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行水力過渡過程數(shù)值模擬計(jì)算分析后，確定水錘防護(hù)措施；對于重要的或較復(fù)雜的長距離輸水系統(tǒng)，還應(yīng)進(jìn)行對比分析計(jì)算后，確定水錘防護(hù)措施。

建議：對于重要的大型工程，應(yīng)設(shè)立水錘計(jì)算分析專題，建議由兩個(gè)以上專業(yè)水力分析機(jī)構(gòu)對比計(jì)算，來確定最優(yōu)的水錘防護(hù)方案。

（二）非恒定流計(jì)算對于設(shè)計(jì)流速和（二）非恒定流計(jì)算

??

有壓輸水系統(tǒng)經(jīng)水錘計(jì)算分析采用水錘防護(hù)措施后，瞬態(tài)特性參數(shù)應(yīng)滿足以下要求：

1、包括最不利工況下水錘壓力的管道設(shè)計(jì)壓力不宜超過1.3～1.5倍管道工作壓力；

2、有壓輸水管道任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水流汽化、液柱分離現(xiàn)象。

?（二）非恒定流計(jì)算??有壓輸水系統(tǒng)經(jīng)水錘計(jì)算分析采用（二）非恒定流計(jì)算

?

常用的水錘防護(hù)措施主要有雙向調(diào)壓塔、單向調(diào)壓塔、壓力空氣罐、空氣閥、超壓泄壓閥、液控緩閉止回閥等措施，對水泵揚(yáng)水工程也可考慮在適當(dāng)范圍內(nèi)增加機(jī)組自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值。

（二）非恒定流計(jì)算?常用的水錘防護(hù)措施主要有雙向

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：

——柔性借口，適應(yīng)地基不均勻沉降能力強(qiáng)，且接口型式多樣（T型口、K型口、自錨接口、法蘭接口等）

——可借角，能節(jié)省彎頭及鎮(zhèn)墩等

——強(qiáng)度，抗沖擊能力強(qiáng)

——承壓等級高（K9級，2.5Mpa-6.4Mpa）

——抗腐蝕性能好，壽命長。一般不需其他防護(hù)措施

——口徑范圍廣（DN80—DN2600）

——適應(yīng)埋設(shè)、明敷、頂管施工和水平定向鉆進(jìn)施工等

——施工周期短，節(jié)約工期。

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：—

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：

——柔性借口，適應(yīng)地基不均勻沉降能力強(qiáng)，且接口型式多樣（T型口、K型口、自錨接口、法蘭接口等）

——可借角，能節(jié)省彎頭及鎮(zhèn)墩等

——強(qiáng)度，抗沖擊能力強(qiáng)

——承壓等級高（K9級，2.5Mpa-6.4Mpa）

——抗腐蝕性能好，壽命長。一般不需其他防護(hù)措施

——口徑范圍廣（DN80—DN2600）

——適應(yīng)埋設(shè)、明敷、頂管施工和水平定向鉆進(jìn)施工等

——施工周期短，節(jié)約工期。

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：—

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：

——柔性借口，適應(yīng)地基不均勻沉降能力強(qiáng)，且接口型式多樣（T型口、K型口、自錨接口、法蘭接口等）

——可借角，能節(jié)省彎頭及鎮(zhèn)墩等

——強(qiáng)度高，抗沖擊能力強(qiáng)

——承壓等級高（K9級，2.5Mpa-6.4Mpa）

——抗腐蝕性能好，壽命長。一般不需其他防護(hù)措施

——口徑范圍廣（DN80—DN2600）

——適應(yīng)埋設(shè)、明敷、頂管施工和水平定向鉆進(jìn)施工等

——施工周期短，節(jié)約工期。

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：—

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：

——柔性借口，適應(yīng)地基不均勻沉降能力強(qiáng)，且接口型式多樣（T型口、K型口、自錨接口、法蘭接口等）

——可借角，能節(jié)省彎頭及鎮(zhèn)墩等

——強(qiáng)度，抗沖擊能力強(qiáng)

——承壓等級高（K9級，2.5Mpa-6.4Mpa）

——抗腐蝕性能好，壽命長。一般不需其他防護(hù)措施

——口徑范圍廣（DN80—DN2600）

——適應(yīng)埋設(shè)、明敷、頂管施工和水平定向鉆進(jìn)施工等

——施工周期短，節(jié)約工期。

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用球墨鑄鐵管的優(yōu)勢：—

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

TF型自錨式接口

自錨式接口的設(shè)計(jì)應(yīng)用：

?

用以抵消水力推力的水泥支墩無法設(shè)置時(shí)，可以用來代替水泥支墩。

?

管線敷設(shè)地區(qū)地基不穩(wěn)定，可能產(chǎn)生較大的土壤沉降，如河床的淤泥

層，實(shí)現(xiàn)接口防滑脫功能，并保持一定的偏轉(zhuǎn)角。

?

陡坡

?

地面上明設(shè)管道

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用TF型自錨式接口自

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

自錨長度

免支墩設(shè)計(jì)原理：

當(dāng)管線的水力方向改變時(shí)，如彎頭、三通、變徑等，就會(huì)產(chǎn)生水力推力，球墨鑄鐵管采用柔性接口，通常做法是設(shè)置混凝土鎮(zhèn)墩以抵消水力推力。如果不設(shè)置混凝土鎮(zhèn)墩，柔性接口就需要使用防滑脫裝置，即自錨接口。由于管道埋地，自推力產(chǎn)生處至一定距離，管道與土壤產(chǎn)生的摩擦力可以逐步抵消水力推力，直至為零，這段長度稱之自錨長度。

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用自錨長度免支墩設(shè)計(jì)原

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

鄭州東區(qū)某工程供水工程自錨式接口管道

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用鄭州東區(qū)某工程供水工程

二、球墨鑄鐵管在工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

K級管的工作壓力的計(jì)算公式

PFA

=

2·e

min·Rm

?P

?D·SF

PFA：管道允許正常工作壓力，MPaemin

：最小壁厚，mmK：壁厚級別系數(shù)，…7，8，9，10，11，12…

D：平均直徑（DE-emin

），mmSF：安全系數(shù)，取3Rm:最小抗拉強(qiáng)度，MPa