管段流量-管徑-水頭損失

第5章管段流量、管徑

和水頭損失在給水工程總投資中，輸水管渠和管網(wǎng)所占費用(包括管道、閥門、附屬設(shè)施等)約占70%~80%。新建和擴建的城市管網(wǎng)按最高時用水量計算。對多種方案進行管網(wǎng)計算，可得到最佳給水管網(wǎng)方案。5.1管網(wǎng)計算的課題計算步驟求沿線流量和節(jié)點流量；求管段計算流量；確定各管段的管徑和水頭損失；進行管網(wǎng)水力計算或技術(shù)經(jīng)濟計算；確定水塔高度和水泵揚程。給水管線遍布在街道下，管線多、管徑差別大，將全部管線一律加以計算，實際上沒有必要，也不可能。新設(shè)計管網(wǎng)的定線和計算僅限于干管而不是全部管線。改建和擴建管網(wǎng)的計算可對實際管網(wǎng)適當(dāng)簡化，保留主要的干管，略去一些次要的、水力條件影響較小的管線。5.2管網(wǎng)圖形及簡化管網(wǎng)圖形簡化管網(wǎng)圖形簡化就是在保證計算結(jié)果接近實際情況，對管線進行簡化，以減輕計算工作量。管網(wǎng)分解：兩管網(wǎng)由一條或兩條管線連接，可把連接線斷開，分解成兩個管網(wǎng)。管線合并：管徑較小、相互平行且靠近的管線。管線省略：水力條件影響較小、管徑相對較小的管線。管網(wǎng)簡化方法5.2管網(wǎng)圖形及簡化5.2管網(wǎng)圖形及簡化管線簡化示意600400300300100100250250250250250250300300300300300200200200200200200200200200200250300300400400300250250250200200200200150100100100100100100100100100100100100150150150150150150150150150150150150150150150150150150150150200200200200200250100100100100100150150150150150150150100100150150100100100100150分解分解分解分解合并合并合并省略省略合并節(jié)點合并省略合并從沿線流量折算得出的,并且假設(shè)是在節(jié)點集中流出的流量。5.3沿線流量和節(jié)點流量管網(wǎng)計算術(shù)語節(jié)點有集中流量進出、管道合并或分叉以及邊界條件發(fā)生變化的地點,包括水源節(jié)點(泵站、水塔)、管線交接點、兩管段交點。

管段兩個相鄰節(jié)點之間的管道順序相連的若干管段管線環(huán)起點與終點重合的管線基環(huán)不包含其它環(huán)的環(huán)大環(huán)包含兩個或兩個以上基環(huán)的環(huán)沿線流量節(jié)點流量指供給該管段兩側(cè)用戶所需流量工業(yè)企業(yè)的給水管網(wǎng)，大量用水集中在少數(shù)車間，配水情況簡單。城市給水管線的干管和分配管上接出許多用戶，沿管線配水，有數(shù)量少但用水量大的工廠、機關(guān)、旅館等單位用水，也有數(shù)量多但水量少的居民用水，情況復(fù)雜。沿線有數(shù)量較多的用戶用水q1，q2，……等，也有分配管的流量Q1，Q2，……等。5.3沿線流量和節(jié)點流量沿線流量沿線流量分布情況Q2

q1

q2

q3

q4

q5

Q3

Q4

q6

q7

干管Q1

分配管因用戶用水量經(jīng)常變化，按照實際用水情況來計算管網(wǎng)，沒有必要也少有可能，因此，計算時往往加以簡化。5.3沿線流量和節(jié)點流量比流量(qs)是假定用水量均勻分布在全部干管上，由此算出干管線單位長度的流量。比流量qs:比流量;Q

:管網(wǎng)總用水量;Σq:大用戶集中用水量總和;Σl:干管總長度;ql:沿線流量;l:管段長度。沿線流量干管的總長度一定時，比流量隨用水量增減而變化，最高用水時和最大轉(zhuǎn)輸時的比流量不同，所以在管網(wǎng)計算時須分別計算。城市內(nèi)人口密度或房屋衛(wèi)生設(shè)備條件不同的地區(qū)，也應(yīng)該根據(jù)各區(qū)的用水量和干管線長度，分別計算其比流量，以得出比較接近實際用水的結(jié)果。若沿線供水人數(shù)和用水量的差別較大時，采用該管段的供水面積代替管段總長度計算比流量，結(jié)果比較準(zhǔn)確，但計算較復(fù)雜。供水面積可用等分角線的方法劃分街區(qū)。5.3沿線流量和節(jié)點流量說明沿線流量(ql)轉(zhuǎn)輸流量(qt)本管段沿程配水產(chǎn)生的流量,順?biāo)鞣较蛑饾u減小通過該管段輸送到下游管段的流量,沿整個管段不變節(jié)點流量5.3沿線流量和節(jié)點流量管段流量按沿線流量計算時,管段的流量是變化的,難以確定管徑和水頭損失。將沿線流量轉(zhuǎn)化為節(jié)點流出的流量,即沿管線沒有流量流出,管段的流量不再沿管線變化，由此可計算管徑和水頭損失。將沿線流量按適當(dāng)比例分配到兩個節(jié)點上，轉(zhuǎn)換成從兩個節(jié)點流出的流量，就成為節(jié)點流量。節(jié)點流量沿線流量轉(zhuǎn)換成節(jié)點流量的原則管段的水頭損失相同求出一個沿線不變的折算流量q，使它產(chǎn)生的水頭損失等于實際上沿管線變化的流量。5.3沿線流量和節(jié)點流量在1，2兩節(jié)點之間，管長為l的管段中的沿線流量順?biāo)鞣椒ㄖ鸺墱p少，節(jié)點1處的流量為qt+ql，節(jié)點2處的流量為qt，管段1－2中任一斷面的流量為qx(圖中紅線)。用節(jié)點流量表示時，僅從節(jié)點1，2兩節(jié)點處出流，1和2之間的管段流量不變?yōu)閝(圖中綠線)。假定節(jié)點2的流量為αql，則節(jié)點1的流量為(1-α)ql，從圖可以看出q=qt+αql。α:折算系數(shù)，是把沿線變化的流量折算成在管段兩端節(jié)點流出的流量，即節(jié)點流量系數(shù)。qt+ql

1xdxlqt(1-α)ql

qαqlαq12qtqlqx5.3沿線流量和節(jié)點流量5.3沿線流量和節(jié)點流量求解折算系數(shù)(α)qt+ql

1xdxLqt(1-α)q1

qαq1αq12qtqlqx5.3沿線流量和節(jié)點流量折算系數(shù)α只與γ=qt/ql有關(guān)：在管網(wǎng)末端的管段，轉(zhuǎn)輸流量qt=0，α=0.577；轉(zhuǎn)輸流量遠(yuǎn)大于沿線流量的管段，γ→∞，α=0.5為方便管網(wǎng)計算，通常為統(tǒng)一采用α=0.5。任一節(jié)點i的節(jié)點流量等于與該節(jié)點相連各管段的沿線流量qi總和的一半，即。工業(yè)企業(yè)等大用戶的流量或用水量大的車間流量可直接作為節(jié)點流量。管網(wǎng)圖上的流量主要表示為由沿線流量折算的節(jié)點流量和大用戶的集中流量。說明泵站56385646273545286142733341217726234715單水源的樹狀網(wǎng)的流量分配樹狀管網(wǎng)的管段流量具有唯一性,任一管段的流量等于該段以后所有節(jié)點流量的總和。5.4管段計算流量5.4管段計算流量環(huán)狀網(wǎng)的流量分配任一節(jié)點的流量包括節(jié)點流量、流向和流離該節(jié)點管段流量。分配流量應(yīng)保持每一節(jié)點的水流連續(xù)性，滿足節(jié)點流量平衡，即流向任一節(jié)點的流量等于流離該節(jié)點的流量，。在流量分配時，使環(huán)狀網(wǎng)中某些管段的流量為零，即將環(huán)狀網(wǎng)改成樹狀網(wǎng)，才能得到最經(jīng)濟的流量分配，但是樹狀網(wǎng)并不能保證可靠供水。環(huán)狀網(wǎng)流量分配時，應(yīng)同時照顧經(jīng)濟性和可靠性，即在滿足可靠性的要求下，力求管網(wǎng)最為經(jīng)濟。經(jīng)濟性是指流量分配后得到的管徑，應(yīng)使一定年限內(nèi)的管網(wǎng)建造費用和管理費用為最小。可靠性是指能向用戶不間斷地供水，并且保證應(yīng)有的水量、水壓和水質(zhì)。按照管網(wǎng)的主要供水方向，初步擬定各管段的水流方向，并選定整個管網(wǎng)的控制點?？刂泣c是管網(wǎng)正常工作時和事故時必須保證所需水壓的點，一般選在給水區(qū)內(nèi)離二級泵站最遠(yuǎn)或地形較高之處）。從二級泵站到控制點之間選定幾條主要的平行干管線。這些平行干管中盡可能均勻地分配流量，并且符合水流連續(xù)性(滿足節(jié)點流量平衡)的條件。這樣，當(dāng)其中一條干管損壞、流量由其它干管轉(zhuǎn)輸時，不會使這些干管中的流量增加過多。和干管線垂直的連接管可分配較少的流量。連接管的作用主要是溝通平行干管之間的流量，有時起一些輸水作用、有時只是就近供水到用戶，平時流量一般不大、只有在干管損壞時才轉(zhuǎn)輸較大的流量。環(huán)狀網(wǎng)流量分配步驟5.4管段計算流量[例]5.4管段計算流量15101312181617141976125271485819123359134602495111357301024985.5管徑計算管徑計算管段的直徑應(yīng)按分配后的流量確定從技術(shù)上考慮，水流的最大速度應(yīng)不超過2.5~3.0m/s(防止水錘)，最小速度不得小于0.6m/s(防止沉積)。從經(jīng)濟上考慮，較大的水流速度可減小管道直徑，降低工程造價；但由于水流速度大而會導(dǎo)致水頭損失增加，從而加大運行的動力費用。合理的流速應(yīng)該使得在一定年限（投資償還期）內(nèi)管網(wǎng)造價與運行費用之和最小。水流速度的選擇經(jīng)濟管徑的確定DeM1WDW0管網(wǎng)費用分析5.5管徑計算Wt：總費用；C：管網(wǎng)造價；M1：年度運行電費；M2：年折舊費用；p：管網(wǎng)折舊和大修費；t：投資償還年限。投資償還期內(nèi)的年度總費用W投資償還年限內(nèi)的總費用Wt年折舊費與管徑的關(guān)系管徑（mm）平均經(jīng)濟流速（m/s）D=100～4000.6～0.9D≥4000.9～1.4VeM1WVW0年折舊費與流速的關(guān)系平均經(jīng)濟流速5.5管徑計算均勻流基本公式流量和水頭損失的關(guān)系管段的沿程水頭損失C:謝才系數(shù),m1/2·s;i:水力坡度;R:水力半徑,m;

:阻力系數(shù)，a:比阻，q:流量;l:管段長度；s:水管摩阻，s=al。5.6水頭損失計算5.6水頭損失計算水頭損失一般公式當(dāng)n=2時,h=alq2=sq2。給水管的水流流態(tài)分為三種情況：阻力平方區(qū)(n=2)，此時比阻a值僅和管徑及水管內(nèi)壁粗糙度有關(guān)，而和Re數(shù)無關(guān)，例如舊鑄鐵管和舊鋼管在流速v≥1.2m/s時或金屬管內(nèi)壁無特殊防腐措施時，就屬于這種情況；過渡區(qū)(n=1.75~2)，此時，比阻a值和管徑、水管內(nèi)壁粗糙度以及Re數(shù)有關(guān)，例如舊鑄鐵管和舊鋼管在流速。v<1.2m/s時．以及石棉水泥管在各種流速時的情況；水力光滑區(qū)(n=1.75)，此時比阻a值和管徑及Re數(shù)有關(guān)，但和水管內(nèi)壁粗糙度無關(guān)，例如應(yīng)用塑料管和玻璃管時。舍維列夫公式適用于舊鑄鐵管和舊鋼管當(dāng)v≥1.2m/s時,當(dāng)v<1.2m/s時，將代入上式得：比較hij=li=alq2得：a=i/q2令得：由不同管徑和流速可算得a,K值,列表于表5-2,表5-3中。實際計算時,只需將q,D以及表中的a,K值代入公式計算,即可求出h。5.6水頭損失計算水頭損失的實際計算巴甫洛夫斯基公式適用于混凝土管、鋼筋混凝土管和渠道對于混凝土管和鋼筋混凝土給水管，當(dāng)n<0.02時，y值可采用1/6。當(dāng)n取不同的值時，將代入得：由不同管徑和粗糙度可算得a,值,列表于表5-4。實際計算時,只需將q,D以及表中的a值代入公式計算,即可求出h。5.6水頭損失計算海曾-威廉公式水管種類海曾-威廉系數(shù)C塑料管150新鑄鐵管、涂瀝青或水泥的鑄鐵管130混凝土管、焊接鋼管120舊鑄鐵管和舊鋼管100西方國家應(yīng)用較多5.6水頭損失計算柯爾勃洛克公式水管種類粗糙系數(shù)k（mm）水管種類粗糙系數(shù)k（mm）涂瀝青鑄鐵管0.05～0.125石棉水泥管0.03～0.04涂水泥鑄鐵管0.50離心法鋼筋混凝土管0.04～0.25涂瀝青鋼管0.05塑料管0.01～0.03鍍鋅鋼管0.125適用范圍廣,接近實際,運算復(fù)雜,宜用計算機求解應(yīng)用上述各種水頭損失計算公式時，由于公式本身的某些缺陷和系數(shù)值(如n、C,k值)在選用上的偏差，各式的計算結(jié)果有時相差較大。究應(yīng)采用哪種公式，系數(shù)如何選擇，應(yīng)參照實際的科學(xué)測定和有關(guān)規(guī)定。5.6水頭損失計算5.7管網(wǎng)計算基礎(chǔ)方程管網(wǎng)計算目的求出各水源節(jié)點（如泵站、水塔等）的供水量、各管段中的流量和管徑以及全部節(jié)點的水壓。環(huán)狀管網(wǎng)：Ｐ=Ｊ+Ｌ-1樹狀管網(wǎng)：Ｐ=Ｊ-1管網(wǎng)計算基礎(chǔ)方程Q1Q2Q3Q4Q5Q6456321Ｐ:管段數(shù);Ｊ:節(jié)點數(shù);Ｌ:基環(huán)數(shù)。水泵水塔012348567由節(jié)點流量、管段長度，確定管段的直徑和流量(即直徑和流量未知，需要求解)；由于有P個管段，則有2P個未知數(shù)；利用經(jīng)濟流速確定流量與直徑的關(guān)系，實際上只要求解Ｐ個未知數(shù)。環(huán)狀管網(wǎng)計算時，必須列出Ｊ+Ｌ-1個方程,才能求出P個流量。管網(wǎng)中的水流必須符合質(zhì)量守恒和能量守恒原理，即滿足連續(xù)方程和能量方程。獨立的連續(xù)性方程數(shù)為Ｊ-1個，獨立的能量方程數(shù)為Ｌ個，兩者共計Ｐ個。管網(wǎng)水力計算管網(wǎng)計算的原理5.7管網(wǎng)計算基礎(chǔ)方程qi為節(jié)點流量，qij為管段流量，離開節(jié)點流量為正，流向節(jié)點流量為負(fù)。連續(xù)性方程能量方程J-1個節(jié)點的流量L個基環(huán)的水頭損失hij為管段水頭損失，sij為管段摩阻，順時針方向為正，逆時針方向為負(fù)。5.7管網(wǎng)計算基