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本文格式為Word版,下載可任意編輯——第六章給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)第六章給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)
(一)教學(xué)要求
1、了解相關(guān)的基本概念;2、熟練把握給水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和步驟;(二)教學(xué)內(nèi)容
1、沿線流量和節(jié)點(diǎn)流量計(jì)算2、管段流量分派3、初擬管徑4、平差計(jì)算
5、泵站揚(yáng)程與水塔高度設(shè)計(jì);6、管網(wǎng)校核;
(三)重點(diǎn):沿線流量和節(jié)點(diǎn)流量計(jì)算,環(huán)狀管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算的理論、步驟及平差方法和管網(wǎng)校核。
第1節(jié)管段設(shè)計(jì)流量計(jì)算
確定各管段的設(shè)計(jì)流量的目的,在于依此來選定管徑,進(jìn)行管網(wǎng)水力計(jì)算。但要確定各管段的計(jì)算流量,需首先確定各管段的沿線流量和節(jié)點(diǎn)流量。一、管網(wǎng)圖形的簡化(一)簡化目的及原則
在管網(wǎng)計(jì)算中,城市管網(wǎng)的現(xiàn)狀核算及舊管網(wǎng)的擴(kuò)建計(jì)算最為常見。由于給水管線遍布在街道下,不僅管線好多而且管徑區(qū)別很大,若計(jì)算全部管線,實(shí)際上既無必要,也不大可能。因此,除了新設(shè)計(jì)的管網(wǎng),因定線和計(jì)算僅限于干管網(wǎng)的狀況外,對城鎮(zhèn)管網(wǎng)的現(xiàn)狀核算以及管網(wǎng)的擴(kuò)建或改建往往需要將實(shí)際的管網(wǎng)加以簡化,保存主要的干管,略去一些次要的、水力條件影響較小的管線,使簡化后的管網(wǎng)基本上能反映實(shí)際用水狀況,大大減輕計(jì)算工作量。尋常管網(wǎng)越簡化,計(jì)算工作量越小。但過分簡化的管網(wǎng),計(jì)算結(jié)果難免與實(shí)際用水狀況的區(qū)別增大。所以,管網(wǎng)圖形簡化是保證計(jì)算結(jié)果接近于實(shí)際狀況的前提下,對管線進(jìn)行的簡化。
(二)簡化方法
在進(jìn)行管網(wǎng)簡化時(shí),應(yīng)先對實(shí)際管網(wǎng)的管線狀況進(jìn)行充分了解和分析,然后采用分解、合并、省略等方法進(jìn)行簡化。
1.分解
只有一條管線連接的兩個(gè)管網(wǎng),可以把連接納線斷開,分解成為兩個(gè)獨(dú)立的管網(wǎng);有兩條管線連接的分支管網(wǎng),若其位于管網(wǎng)的末端且連接納線的流向和流量可以確定時(shí),也可以進(jìn)行分解;管網(wǎng)分解后即可分別計(jì)算。
2.合并
管徑較小、相互平行且靠近的管線可考慮合并。如管線交織點(diǎn)很近時(shí),可以將其合并為同一交織點(diǎn)。相近交織點(diǎn)合并后可以減少管線數(shù)目,使系統(tǒng)簡化。在給水管網(wǎng)中,為了施工便利和減小水流阻力,管線交織處往往用兩個(gè)三通代替四通(實(shí)際工程中很少使用四通),不必將兩個(gè)三同認(rèn)為是兩個(gè)交織點(diǎn),仍應(yīng)簡化為四通交織點(diǎn)。
3.省略
管線省略時(shí),首先略去水力條件影響較小的管線,即省略管網(wǎng)中管徑相對較小的管線。管線
省略后的計(jì)算結(jié)果是偏于安全的,但是由于流量集中,管徑增大,并不經(jīng)濟(jì)。
二、沿線流量
城市給水管網(wǎng)的干管和分派管上,承接了大量用戶,沿線配水狀況比較繁雜,既有工廠、機(jī)關(guān)、學(xué)校、醫(yī)院、賓館等大用戶,其用水流量稱為集中流量,又有數(shù)量好多、但用水量較小的居民用水、澆灑道路或綠化用水等沿線流量,以致不但沿線所接用戶好多,而且用水量變化也很大。干管的配水狀況如圖6-3所示。
分派管q1q3Q1q5’’’q1’q3q5q7BAq2q2’q4’q6’q4Q2q6
圖6-3干管配水狀況
從圖中可以看出,干管除供沿線兩旁為數(shù)較多的居民生活用水q1′、q2′、q3′等外,還要供給分派管流量q1、q2、q3等,還有可能給少數(shù)大用水戶供應(yīng)集中流量Q1、Q2、Q3等。由于用水點(diǎn)多,用水量經(jīng)常變化,所以按實(shí)際狀況進(jìn)行管網(wǎng)計(jì)算是十分繁雜的,而且在實(shí)際工程中也無必要。所以,為了計(jì)算便利,常采用簡化法——比流量法,即假定小用水戶的流量均勻分布在全部干管上。比流量法有長度比流量和面積比流量兩種。
(一)長度比流量
所謂長度比流量法是假定沿線流量q1′、q2′……均勻分布在全部配水干管上,則管線單位長度上的配水流量稱為長度比流量,記為qs[L/(s·m)]。
qs可按下式計(jì)算:
Q__?Qiqs?(6-2)
?L式中Q______管網(wǎng)總用水量,L/s;
∑Qi______工業(yè)企業(yè)及其他大用戶的集中流量之和,L/s。
______
管網(wǎng)配水干管總計(jì)算長度,m;單側(cè)配水的管段(如沿河岸等地段敷設(shè)的只有一側(cè)∑L
配水的管線)按實(shí)際長度的一半計(jì)入;雙側(cè)配水的管段,計(jì)算長度等于實(shí)際長度;兩側(cè)不配水的管線長度不計(jì)(即不計(jì)穿越廣場、公園等無建筑物地區(qū)的管線長度)。
比流量的大小隨用水量的變化而變化。因此,控制管網(wǎng)水力狀況的不同供水條件下的比流量(如在最高用水時(shí)、消防時(shí)、最大轉(zhuǎn)輸時(shí)的比流量)是不同的,須分別計(jì)算。另外,若城市內(nèi)各區(qū)人口密度相差較大時(shí),也應(yīng)根據(jù)各區(qū)的用水量和干管長度,分別計(jì)算其比流量。
長度比流量按用水量全部均勻分布在干管上的假定來求比流量,忽視了沿管線供水人數(shù)和用水量的區(qū)別,存在一定的缺陷。因此計(jì)算出來的配水量可能和實(shí)際配水量有一定差異。為接近實(shí)際配水狀況,也可按面積比流量法計(jì)算。
(二)面積比流量
假定沿線流量q1′、q2′……均勻分布在整個(gè)供水面積上,則單位面積上的配水流量稱為面積比流量,記作qA[L/(s·m2)],按下式計(jì)算:
Q__?QiqA?(6-3)
?A式中∑A______給水區(qū)域內(nèi)沿線配水的供水面積總和,m;
其余符號意義同前。
干管每一管段所負(fù)擔(dān)的供水面積可按分角線或?qū)蔷€的方法進(jìn)行劃分,如圖6-4所示。在街區(qū)長邊上的管段,其單側(cè)供水面積為梯形;在街區(qū)短邊上的管段,其單側(cè)供水面積為三角形。
2
圖6-4供水面積劃分
(a)對角線法;(b)分角線法
用面積比流量法計(jì)算雖然比較確鑿,但計(jì)算過程較麻煩。當(dāng)供水區(qū)域的干管分布比較均勻、干管距離大致一致的管網(wǎng),用長度比流量法計(jì)算較為簡便。
由比流量qs、qA可計(jì)算出各管段的沿線配水流量即沿線流量,記作qy,則任一管段的沿線流量qy(L/s)可按下式計(jì)算:
qy?qs?Li(6-4)
或qy?qA?Ai(6-5)
式中L_____該管段的計(jì)算長度,m;
_____Ai該管段所負(fù)擔(dān)的供水面積,m2。三、節(jié)點(diǎn)流量
管網(wǎng)中任一管段的流量,包括兩部分:一部分是沿本管段均勻泄出供給各用戶的沿線流量qy,流量大小沿程直線減小,到管段末端等于零;另一部分是通過本管段流到下游管段的流量,沿程不發(fā)生變化,稱為轉(zhuǎn)輸流量qzs。從管段起端A到末端B管段內(nèi)流量由qzs+qy變?yōu)閝zs,流量是變化的。對于流量變化的管段,難以確定管徑和水頭損失。因此,需對其進(jìn)一步簡化。簡化的方法是化漸變流為均勻流,既以變化的沿線流量折算為管段兩端節(jié)點(diǎn)流出的流量,即節(jié)點(diǎn)流量。全管段引用一個(gè)不變的流量,稱為折算流量,記為qif,使它產(chǎn)生的水頭損失與實(shí)際上沿線變化的流量產(chǎn)生的水頭損失完全一致,從而得出管線折算流量的計(jì)算公式為:
qif?qzs??qy(6-6)
式中α____折減系數(shù),尋常統(tǒng)一采用0.5,即將管段沿線流量平分到管段兩端的節(jié)點(diǎn)上。
圖6-5管段輸配水狀況因此管網(wǎng)任一節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)流量為:
qi?0.5?qy(6-7)
即管網(wǎng)中任一節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)流量qi等于與該節(jié)點(diǎn)相連各管段的沿線流量總和的一半。
當(dāng)整個(gè)給水區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)的比流量qcb或qmb一致時(shí),由式(6-4)、(6-5)可得節(jié)點(diǎn)流量計(jì)算式(6-7)的另一種表達(dá)形式:qi?0.5qs?Li(6-8)或qi?0.5qA?Ai(6-9)式中ΣLi——與該節(jié)點(diǎn)相連各管段的計(jì)算長度之和,m;
ΣAi——與該節(jié)點(diǎn)相連各管段所負(fù)擔(dān)的配水面積之和,m2。
城市管網(wǎng)中,工企業(yè)等大用戶所需流量,可直接作為接入大用戶節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)流量。工業(yè)企業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)用水管網(wǎng),水量大的車間用水量也可直接作為節(jié)點(diǎn)流量。
這樣,管網(wǎng)圖上各節(jié)點(diǎn)的流量包括由沿線流量折算的節(jié)點(diǎn)流量和大用戶的集中流量。大用戶的集中流量可以在管網(wǎng)圖上單獨(dú)注明,也可與節(jié)點(diǎn)流量加在一起,在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上注出總流量。一般在管網(wǎng)計(jì)算圖的各節(jié)點(diǎn)旁引出細(xì)實(shí)線箭頭,并在箭頭的前端注明該節(jié)點(diǎn)總流量的大小。
在計(jì)算完節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流量后,應(yīng)驗(yàn)證流量平衡,即:
Q=∑Qi+∑qi(6-10)
式中Q——管網(wǎng)總用水量,L/s;
Qi——各節(jié)點(diǎn)的集中流量,L/s;
qi——各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)流量,L/s。
假使有較大誤差,則應(yīng)檢查計(jì)算過程中的錯(cuò)誤,如誤差較小,可能是計(jì)算確切度誤差(小數(shù)尾數(shù)四舍五入造成),可以直接調(diào)整某些項(xiàng)集中流量和節(jié)點(diǎn)流量,使流量達(dá)到平衡。
[例題6-1]某城鎮(zhèn)最高時(shí)總用水量為284.7L/s,其中集中供應(yīng)工業(yè)用水量為189.2L/s。干管各管段編號及長度如圖6-6所示,管段4-5、1-2及2-3為單側(cè)配水,其余為兩側(cè)配水。試求:(1)干管的比流量;(2)各管段的沿線流量;(3)各節(jié)點(diǎn)流量。
二綠地居住區(qū)泵1500475657566
820820站居住區(qū)居住區(qū)居住區(qū)居住區(qū)
756756
820
1
工廠2綠地3圖6-6節(jié)點(diǎn)流量計(jì)算(單位:m)
[解]按長度比流量法計(jì)算。1.配水干管計(jì)算長度:因二泵站~4為輸水管,不參與配水,其計(jì)算長度為零,4~5、1~
2、2~3管段為單側(cè)配水,其計(jì)算長度按實(shí)際長度的一半計(jì)入,其余均為雙側(cè)配水管段,均按實(shí)際長度計(jì)入,則:
?L?0.5?756m?3?756m?820m?3?4350m2.配水干管比流量:
284.7L/s_189.2L/s?0.0219L/s.mqs?4350m3.沿線流量:
管段1-2的沿線流量為:
9/s.m?0.5?756m?8.3L/sq1?2?qsL1?2?0.021L各管段的沿線流量計(jì)算見表6-1。各管段的沿線流量計(jì)算表6-1
管段編號管段長度/m1-22-31-42-53-64-55-6合計(jì)756756820820820756756──管段計(jì)算長度/m0.5×756=37805×756=3788208208200.5×756=3787564350比流量/L·s1·m1--沿線流量/L·s1-0.02198.38.318.018.018.08.316.695.54.節(jié)點(diǎn)流量計(jì)算:如節(jié)點(diǎn)5的節(jié)點(diǎn)流量為:
q5?0.5?ql?0.5(q4?5?q5?6?q5?2)?0.5(8.3L/s?16.6L/s?18.0L/s)
?21.6L/s各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)流量計(jì)算見表6-2。
各管段節(jié)點(diǎn)流量計(jì)算表6-2
節(jié)點(diǎn)連接納段節(jié)點(diǎn)流量/L·s11-4、1-2-1集中流量/L·s-1節(jié)點(diǎn)總流量/L·s-10.5(18.0+8.3)=13.1189.2202.3
23456合計(jì)1-2、2-5、2-32-3、3-61-4、4-54-5、2-5、5-63-6、5-6──0.5(8.3+18.0+8.3)=17.30.5(8.3+18.0)=13.10.5(18.0+8.3)=13.10.5(8.3+18.0+16.6)=21.60.5(18.0+16.6)=17.395.5──────────189.217.313.113.121.617.3284.7
將節(jié)點(diǎn)流量和集中流量標(biāo)注于相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上,如圖6-7。
13.121.617.3
二456泵
站17.313.113.11189.223圖6-7節(jié)點(diǎn)流量圖(單位:L/s)
四、管段流量
管網(wǎng)各管段的沿線流量簡化成各節(jié)點(diǎn)流量后,可求出各節(jié)點(diǎn)流量,并把大用水戶的集中流量也加于相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上,則所有節(jié)點(diǎn)流量的總和,便是由二級泵站送來的總流量,(即總供水量)。依照質(zhì)量守恒原理,每一節(jié)點(diǎn)必需滿足節(jié)點(diǎn)流量平衡條件:流入任一節(jié)點(diǎn)的流量必需等于流出該節(jié)點(diǎn)的流量,即流進(jìn)等于流出。
若規(guī)定流入節(jié)點(diǎn)的流量為負(fù),流出節(jié)點(diǎn)為正,則上述平衡條件可表示為:
qi??qij?0(6-11)
式中qi______節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)流量,L/s;
qij______連接在節(jié)點(diǎn)i上的各管段流量,L/s。
依據(jù)式(6-11),用二級泵站送來的總流量沿各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流量分派,所得出的各管段所通過的流量,就是各管段的計(jì)算流量。
在單水源枝狀管網(wǎng)中,各管段的計(jì)算流量簡單確定。從配水源(泵站或水塔等)供水到各節(jié)點(diǎn)只能沿一條管路通道,即管網(wǎng)中每一管段的水流方向和計(jì)算流量都是確定的。每一管段的計(jì)算流量等于該管段后面(順?biāo)鞣较颍┧泄?jié)點(diǎn)流量和大用戶集中用水量之和。因此,對于枝狀管網(wǎng),若任一管段發(fā)生事故,該管段以后地區(qū)就會(huì)斷水。
如圖6-8所示的一枝狀管網(wǎng),部分管段的計(jì)算流量為:q4~5?q5;q8~10?q10;
q3?4?q4?q5?q8?q9?q10
q69q96q8
q10
q2q3810
泵站123q4q5
457q7圖6-8枝狀管網(wǎng)管段流量計(jì)算
對于環(huán)狀管網(wǎng),各管段的計(jì)算流量不是唯一確定的。配水干管相互連接環(huán)通,環(huán)路中每一用戶所需水量可以沿兩條或兩條以上的管路供給,各環(huán)內(nèi)每條配水管段的水流方向和流量值都是不確定的。
如圖6-9中的1節(jié)點(diǎn),圖中流入節(jié)點(diǎn)1的流量只有q0~1?Q(泵站供水流量),流出節(jié)點(diǎn)1的流量有q1、q1~2、q1~5和q1~7,由公式(6-11)得:
?Q?q1?q1~2?q1~5?q1~7?0
或Q?q1?q1~2?q1~5?q1~7
2q23q34q4泵01q15q5站16q6
Qq7q8q9
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圖6-9環(huán)狀管網(wǎng)流量分派
對于節(jié)點(diǎn)1來說,流入管網(wǎng)的總流量Q和節(jié)點(diǎn)流量q1是已知的,但各管段的流量q1~2、q1~5、q1~7可以有不同的分派方法,也就是有不同的管段流量。為了確定各管段的計(jì)算流量,需人為地假定各管段的流量分派值稱為流量預(yù)分派,以此確定經(jīng)濟(jì)管徑。在環(huán)狀管網(wǎng)流量預(yù)分派時(shí),不僅要考慮經(jīng)濟(jì)性(即一定年限內(nèi)管網(wǎng)的工程總造價(jià)和管理費(fèi)用最?。疫€要考慮可靠性問題(指能夠不休止地向用戶供水,并保證應(yīng)有的水量、水壓和水質(zhì)),做到經(jīng)濟(jì)性和可靠性并重。但經(jīng)濟(jì)性和可靠性是一對矛盾,一般只能在滿足可靠性的前提下,力爭得到最經(jīng)濟(jì)的管徑。在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性后,可按如下步驟進(jìn)行環(huán)狀管網(wǎng)流量分派:
1.首先在管網(wǎng)平面布置圖上,確定出控制點(diǎn)的位置,并根據(jù)配水源、控制點(diǎn)、大用戶及調(diào)理構(gòu)筑物的位置確定管網(wǎng)的主要流向。
2.參照管網(wǎng)主要流向擬定各管段的水流方向,使水流沿最近路線輸水到大用戶和邊遠(yuǎn)
地區(qū),以儉約輸水電耗和管網(wǎng)基建投資。
3.根據(jù)管網(wǎng)中各管線的地位和功能來分派流量。盡量使平行的主要干管分派相近的流量,以免個(gè)別主要干管損壞時(shí),其余管線負(fù)荷過重,使管網(wǎng)流量減少過多;干管與干管之間的連接納,主要是溝通平行干管之間的流量,有時(shí)起輸水作用,有時(shí)只是就近供水到用戶,平日流量一般不大,只有在干管損壞時(shí),才轉(zhuǎn)輸較大流量。因此,連接納中可分派較少的流量。
4.分派流量時(shí)應(yīng)滿足節(jié)點(diǎn)流量平衡條件,即在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上滿足qi??qij?0。對于多水源管網(wǎng),會(huì)出現(xiàn)由兩個(gè)或兩個(gè)以上水源同時(shí)供水的節(jié)點(diǎn),這樣的節(jié)點(diǎn)叫供水分界點(diǎn);各供水分界點(diǎn)的連線即為供水分界限;各水源供水流量應(yīng)等于該水源供水范圍內(nèi)的全部節(jié)點(diǎn)流量加上分界限上由該水源供給的那部分節(jié)點(diǎn)流量之和。因此,流量分派時(shí),應(yīng)首先按每一水源的供水量確定大致的供水范圍,初步劃定供水分界限,然后從各水源開始,向供水分界方向逐節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流量分派。
環(huán)狀管網(wǎng)流量分派后得出的是各管段的計(jì)算流量,由此流量即可確定管徑,計(jì)算水頭損失,但環(huán)狀管網(wǎng)各管段計(jì)算流量的最終數(shù)值必需由平差計(jì)算結(jié)果來定出。
其次節(jié)管徑計(jì)算
確定管網(wǎng)中每一管段的直徑是輸水和配水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的主要課題之一。管段的直徑應(yīng)按分派后的流量確定。
在設(shè)計(jì)中,各管段的管徑按下式計(jì)算:
D?4q??(6-12)
式中q______管段流量,m3/s;
υ______管內(nèi)流速,m/s。
由上式可知,管徑不但和管段流量有關(guān),而且還與流速有關(guān)。因此,確定管徑時(shí)必需先選定流速。
為了防止管網(wǎng)因水錘現(xiàn)象而損壞,在技術(shù)上最大設(shè)計(jì)流速限定在2.5~3.0m/s范圍內(nèi);在輸送渾濁的原水時(shí),為了避免水中懸浮物質(zhì)在水管內(nèi)沉積,最低流速尋常應(yīng)大于0.60m/s,由此可見,在技術(shù)上允許的流速范圍是較大的。因此,還需在上述流速范圍內(nèi),根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)條件,考慮管網(wǎng)的造價(jià)和經(jīng)營管理費(fèi)用,來選定適合的流速。
從公式可以看出,流量一定時(shí),管徑與流速的平方根成反比。假使流速選用的大一些,管徑就會(huì)減小,相應(yīng)的管網(wǎng)造價(jià)便可降低,但水頭損失明顯增加,所需的水泵揚(yáng)程將增大,從而使經(jīng)營管理費(fèi)(主要指電費(fèi))增大,同時(shí)流速過大,管內(nèi)壓力高,因水錘現(xiàn)象引起的破壞作用也隨之增大。相反,若流速選用小一些,因管徑增大,管網(wǎng)造價(jià)會(huì)增加。但因水頭損失減小,可儉約電費(fèi),使經(jīng)營管理費(fèi)降低。因此,管網(wǎng)造價(jià)和經(jīng)營管理費(fèi)(主要指電費(fèi))這兩項(xiàng)經(jīng)濟(jì)因素是決定流速的關(guān)鍵。求一定年限t(稱為投資歸還期)內(nèi),管網(wǎng)造價(jià)和經(jīng)營管理費(fèi)用之和為最小的流速,稱為經(jīng)濟(jì)流速),以此來確定的管徑,稱為經(jīng)濟(jì)管徑。
若管網(wǎng)造價(jià)為C,每年的經(jīng)營管理費(fèi)用為M,包括電費(fèi)M1和折舊、大修費(fèi)M2,因M2
和管網(wǎng)造價(jià)有關(guān),故可按管網(wǎng)造價(jià)的百分?jǐn)?shù)計(jì),表示為p%C,那么在投資歸還期t年內(nèi),,總費(fèi)用為:
Wt?C?tM?C?(M1?PC)t(6-13)100式中p——管網(wǎng)的折舊和大修率,以管網(wǎng)造價(jià)的百分比計(jì)。
式(6-13)除以投資歸還期t,則得年折算費(fèi)用W:;
W?C1p?M?(?)C?M1tt100(6-14)
總費(fèi)用W曲線的最低點(diǎn)表示管網(wǎng)造價(jià)和經(jīng)營管理費(fèi)用之和為最小時(shí)的流速稱為經(jīng)濟(jì)流
速υe。
Wt=C+tM
tM
Cυ圖6-10流速和費(fèi)用的關(guān)系
e流速各城市的經(jīng)濟(jì)流速值應(yīng)按當(dāng)?shù)貤l件,如水管材料和價(jià)格、施工條件、電費(fèi)等來確定,不能直接套用其他城市的數(shù)據(jù)。另外,管網(wǎng)中各管段的經(jīng)濟(jì)流速也不一樣,須隨管網(wǎng)圖形、該管段在管網(wǎng)中的位置、該管段流量和管網(wǎng)總流量的比例等決定。由于計(jì)算繁雜,有時(shí)簡便地應(yīng)用“界限流量表〞確定經(jīng)濟(jì)管徑。
界限流量表表6-3
管徑/mm100150200250300350400界限流量/L·s-1管徑/mm4505006007008009001000界限流量/L·s-1<99~1515~28.528.5~4545~6868~9696~130130~168168~237237~355355~490490~685685~822822~1120由于實(shí)際管網(wǎng)的繁雜性,加上狀況在不斷的變化,例如流量在不斷增加,管網(wǎng)逐步擴(kuò)展,諸多經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如水管價(jià)格、電費(fèi)等也隨時(shí)變化,要從理論上計(jì)算管網(wǎng)造價(jià)和年管理費(fèi)用相當(dāng)繁雜且有一定難度。在條件不具備時(shí),設(shè)計(jì)中也可采用由各地統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算出的平均經(jīng)濟(jì)流速來確定管徑,得出的是近似經(jīng)濟(jì)管徑,見表6-4。
平均經(jīng)濟(jì)流速表6-4
管徑/mmD=100~400D≥400
平均經(jīng)濟(jì)流速υe/L·s0.6~0.90.9~1.4-1在使用各地區(qū)提供的經(jīng)濟(jì)流速或按平均經(jīng)濟(jì)流速確定管網(wǎng)管徑時(shí),需考慮以下原則:1)一般大管徑可取較大的經(jīng)濟(jì)流速,小管徑可取較小的經(jīng)濟(jì)流速;2)首先定出管網(wǎng)所采用的最小管徑(由消防流量確定),按υe確定的管徑小于最小管徑時(shí),一律采用最小管徑;
3)連接納屬于管網(wǎng)的構(gòu)造管,應(yīng)重視安全可靠性,其管徑應(yīng)由管網(wǎng)構(gòu)造來確定,即按
與它連接的次要干管管徑相當(dāng)或小一號確定;
4)由管徑和管道比阻α之間的關(guān)系可知,當(dāng)管徑較小時(shí),管徑縮小或放大一號,水頭損失會(huì)大幅度增減,而所需管材變化不多;相反,當(dāng)管徑較大時(shí),管徑縮小或放大一號,水頭損失增減不很明顯,而所需管材變化較大。因此,在確定管網(wǎng)管徑時(shí),一般對于管網(wǎng)起端的大口徑管道可按略高于平均經(jīng)濟(jì)流速來確定管徑,對于管網(wǎng)末端較小口徑的管道,可按略低于平均經(jīng)濟(jì)流速確定管徑,特別是對確定水泵揚(yáng)程影響較大的管段,適當(dāng)降低流速,使管徑放大一號,比較經(jīng)濟(jì);
5)管線造價(jià)(含管材價(jià)格、施工費(fèi)用等)較高而電價(jià)相對較低時(shí),取較大的經(jīng)濟(jì)流速,反之取較小的經(jīng)濟(jì)流速。
以上是指水泵供水時(shí)的經(jīng)濟(jì)管徑確定方法,在求經(jīng)濟(jì)管徑時(shí),考慮了抽水所需的電費(fèi)。重力供水時(shí),由于水源水位高于給水區(qū)所需水壓,兩者的標(biāo)高差H可使水在管內(nèi)重力滾動(dòng)。此時(shí),各管段的經(jīng)濟(jì)管徑應(yīng)按輸水管和管網(wǎng)通過設(shè)計(jì)流量時(shí),供水起點(diǎn)至控制點(diǎn)的水頭損失總和等于或略小于可利用的水頭來確定。
第三節(jié)環(huán)狀管網(wǎng)計(jì)算的理論
1.環(huán)狀管網(wǎng)計(jì)算時(shí),必需滿足以下基本水力條件
(1)連續(xù)性方程(又稱節(jié)點(diǎn)流量平衡條件)即對任一節(jié)點(diǎn)來說,流入該節(jié)點(diǎn)的流量必需等于流出該節(jié)點(diǎn)的流量。
若規(guī)定流出節(jié)點(diǎn)的流量為正,流入節(jié)點(diǎn)的流量為負(fù),則任一節(jié)點(diǎn)的流量代數(shù)和等于零。即:
qi??qij?0
(2)能量方程(又稱閉合環(huán)路內(nèi)水頭損失平衡條件)即環(huán)狀管網(wǎng)任一閉合環(huán)路內(nèi),水流為順時(shí)針方向的各管段水頭損失之和應(yīng)等于水流為逆時(shí)針方向的各管段水頭損失之和。若規(guī)定順時(shí)針方向的各管段水頭損失為正,逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù),則在任一閉合環(huán)路內(nèi)各管段水頭損失的代數(shù)和等于零,即:
?hij?0(6-17)
如圖6-13,由并聯(lián)管路的基本公式可知,節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)4之間均有以下關(guān)系成立:
h1~2~4?h1~3~4?H1?H4
式中h1~2~4______管線1~2~4的水頭損失;
h1~3~4_______管線1~3~4的水頭損失;
H1、H4_______分別為節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)4的水壓標(biāo)高值或測壓管水頭值(每一節(jié)點(diǎn)只有
一個(gè)數(shù)值)。
1h1-22Qq1q2
h1-3h2-4
3q3
4q4
圖6-13單環(huán)管網(wǎng)
另由串聯(lián)管路的基本公式,得:h1~2~4?h1~2?h2~4h1~3~4?h1~3?h3~4
所以有:h1~2?h2~4?h1~3?h3~4或h1~2?h2~4?h1~3?h3~4?0
2.環(huán)狀管網(wǎng)計(jì)算的基本方法和原理
環(huán)狀管網(wǎng)計(jì)算時(shí),節(jié)點(diǎn)流量、管段長度、管徑和阻力系數(shù)等均已知,需要求解的是管網(wǎng)各管段的流量和水頭損失(或節(jié)點(diǎn)水壓)。求解時(shí)可采用解環(huán)方程組、解節(jié)點(diǎn)方程組和解管段方程組等3種方法。(1)解環(huán)方程組法(2)解節(jié)點(diǎn)方程組法(3)解管段方程組法
三、環(huán)狀管網(wǎng)平差方法1.哈代-克羅斯法
最早和應(yīng)用廣泛的管網(wǎng)分析方法有哈代-克羅斯法和洛巴切夫,即每環(huán)中各管段的流量用?q修正的方法?,F(xiàn)以圖6-14為例加以說明,各參數(shù)的符號仍規(guī)定:順時(shí)針方向?yàn)檎鏁r(shí)針方向?yàn)樨?fù)。
圖6-14兩環(huán)管網(wǎng)的流量調(diào)整
(0)(0)
環(huán)狀管網(wǎng)初步分派流量后,管段流量qij為已知,并滿足節(jié)點(diǎn)流量平衡條件,由qij選
出管徑,計(jì)算出各管段的水頭損失hij和各環(huán)的水頭損失代數(shù)和?hij,一般?hij??h?0,不滿足水頭損失平衡條件,須引入校正流量?q以減小閉合差。校正流量可按下式估算確定:
?q?-
?hk2?Sijqij=-
?hk2?Sijqijqij?2=-
?hk2?hijqij(6-21)
式中?qk______環(huán)路k的校正流量,L/s;
?hk______環(huán)路k的閉合差,等于該環(huán)內(nèi)各管段水頭損失的代數(shù)和,m;
?sijqij和。
______
環(huán)路k內(nèi)各管段的摩阻s??ijlij與相應(yīng)管段流量qij的絕對值乘積之總
?和。
hijqij______
環(huán)路k的各管段的水頭損失hij與相應(yīng)管段流量qij之比的絕對值乘積之總
應(yīng)當(dāng)注意,上式中?qk和?hk符號相反,即閉合差?hk為正,校正流量?qk就為負(fù),反之則為正;閉合差?hk的大小及符號,反映了與⊿h=0時(shí)的管段流量和水頭損失的偏離程度和偏離方向。顯然,閉合差?hk的絕對值越大,為使閉合差?hk?0所需的校正流量?qk的絕對值也越大。各環(huán)校正流量?qk用弧形箭頭標(biāo)注在相應(yīng)的環(huán)內(nèi),如圖6-14所示,然后在相應(yīng)環(huán)路的各管段中引入校正流量?qk,即可得到各管段第一次修正后的流量qij,即:
qij?qij??qs??qn(6-22)
式中qij
(0)______
(1)(0)(0)(0)(1)本環(huán)路內(nèi)初步分派的各管段流量,L/s;
?qs(0)______本環(huán)路內(nèi)初次校正的流量,L/s;
(0)______?qn鄰環(huán)路初次校正的流量,L/s。
如圖6-14中環(huán)Ⅰ和環(huán)Ⅱ:
(1)(0)(0)(1)(0)(0)(0)(1)(0)(0)環(huán)Ⅰ:q1?2?q1?2??qIq4?5?q4?5??qIq2?5?q2?5??qI??qII
(1)(0)(0)(1)(0)(0)(1)(0)(0)(0)環(huán)Ⅱ:q2?3?q2?3??qIIq5?6?q5?6??qIIq2?5??q2?5??qI??qII
由于初步分派流量時(shí),已經(jīng)符合節(jié)點(diǎn)流量平衡條件,即滿足了連續(xù)性方程,所以每次調(diào)整流量時(shí)能自動(dòng)滿足此條件。
采用哈代-克羅斯法進(jìn)行管網(wǎng)平差的步驟:
(1)根據(jù)城鎮(zhèn)的供水狀況,擬定環(huán)狀網(wǎng)各管段的水流方向,按每一節(jié)點(diǎn)滿足連續(xù)性方
(1)程的條件,并考慮供水可靠性要求分派流量,得初步分派的管段流量qij。
(1)(0)(2)由qij計(jì)算各管段的水頭損失hij。
(3)假定各環(huán)內(nèi)水流順時(shí)針方向管段中的水頭損失為正,逆時(shí)針方向管段中的水頭損
(0)(0)失為負(fù),計(jì)算該環(huán)內(nèi)各管段的水頭損失代數(shù)和?hij,如?hij?0,其差值即為第一次閉合
差?hk。
如?hk>0,說明順時(shí)針方向各管段中初步分派的流量多了些,逆時(shí)針方向管段中分派的流量少了些,反之,如?hk<0,說明順時(shí)針方向各管段中初步分派的流量少了些,逆時(shí)針方向管段中分派的流量多了些。
(4)計(jì)算每環(huán)內(nèi)各管段的?(0)(0)(0)hijqij,按式(6-16)求出校正流量。如閉合差為正,校正
流量為負(fù);反之,則校正流量為負(fù)。
(5)設(shè)圖上的校正流量?qk符號以順時(shí)針方向?yàn)檎鏁r(shí)針方向?yàn)樨?fù),凡是流向和校正流量?qk方向一致的管段,加上校正流量,否則減去校正流量,據(jù)此調(diào)整各管段的流量,得第一次校正的管段流量。對于兩環(huán)的公共管段,應(yīng)按相鄰兩環(huán)的校正流量符號,考慮鄰環(huán)校正流量的影響。
按此流量再計(jì)算,如閉合差尚未達(dá)到允許的精度,再從第2步按每次調(diào)整后的流量反復(fù)計(jì)算,直到每環(huán)的閉合差達(dá)到要求為止。
第四節(jié)、管網(wǎng)水力計(jì)算
一、枝狀管網(wǎng)水力計(jì)算
枝狀管網(wǎng)中的計(jì)算比較簡單,由于水從供水起點(diǎn)到任一節(jié)點(diǎn)的水流路線只有一個(gè),每一管段也只有唯一確定的計(jì)算流量。因此,在枝狀管網(wǎng)計(jì)算中,應(yīng)首先計(jì)算對供水經(jīng)濟(jì)性影響最大的干管,即管網(wǎng)起點(diǎn)到控制點(diǎn)的管線,然后再計(jì)算支管。當(dāng)管網(wǎng)起點(diǎn)水壓未知時(shí),應(yīng)先計(jì)算干管,按經(jīng)濟(jì)流速和流量選定管徑,并求得水頭損失;再計(jì)算支管,此時(shí)支管起點(diǎn)及終點(diǎn)水壓均為已知,支管計(jì)算應(yīng)按充分利用起端的現(xiàn)有水壓條件選定管徑,經(jīng)濟(jì)流速不起主導(dǎo)作用,但需考慮技術(shù)上對流速的要求,若支管負(fù)擔(dān)消防任務(wù),其管徑還應(yīng)滿足消防要求。
當(dāng)管網(wǎng)起點(diǎn)水壓已知時(shí),仍先計(jì)算干管,再計(jì)算支管,但注意此時(shí)干管和支管的計(jì)算方法均與管網(wǎng)起點(diǎn)水壓未知時(shí)的支管一致。
枝狀管網(wǎng)水力計(jì)算步驟:
(1)按城鎮(zhèn)管網(wǎng)布置圖,繪制計(jì)算草圖,對節(jié)點(diǎn)和管段順序編號,并標(biāo)明管段長度和節(jié)點(diǎn)地形標(biāo)高。
(2)按最高日最高時(shí)用水量計(jì)算節(jié)點(diǎn)流量,并在節(jié)點(diǎn)旁引出箭頭,注明節(jié)點(diǎn)流量。大用戶的集中流量也標(biāo)注在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。
(3)在管網(wǎng)計(jì)算草圖上,從距二級泵站最遠(yuǎn)的管網(wǎng)末梢的節(jié)點(diǎn)開始,依照任一管段中的流量等于其下游所有節(jié)點(diǎn)流量之和的關(guān)系,逐個(gè)向二級泵站推算每個(gè)管段的流量。(4)確定管網(wǎng)的最不利點(diǎn)(控制點(diǎn)),選定泵房到控制點(diǎn)的管線為干線。有時(shí)控制點(diǎn)不明顯,可初選幾個(gè)點(diǎn)作為管網(wǎng)的控制點(diǎn)。
(5)根據(jù)管段流量和經(jīng)濟(jì)流速求出干線上各管段的管徑和水頭損失。
(6)按控制點(diǎn)要求的最小服務(wù)水頭和從水泵到控制點(diǎn)管線的總水頭損失,求出水塔高度和水泵揚(yáng)程。(若初選了幾個(gè)點(diǎn)作為控制點(diǎn),則使二級泵站所需揚(yáng)程最大的管路為干線,相應(yīng)的點(diǎn)為控制點(diǎn))。
(7)支管管徑參照支管的水力坡度選定,即按充分利用起點(diǎn)水壓的條件來確定。(8)根據(jù)管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的壓力和地形標(biāo)高,繪制等水壓線和自由水壓線圖。某城鎮(zhèn)有居民6萬人,用水量定額為120L/(cap.d),用水普及率為83%,時(shí)變化系數(shù)為1.6,要求達(dá)到的最小服務(wù)水頭為20m。管網(wǎng)布置見圖6-11。用水量較大的一工廠和一公共建筑集中流量分別為25.0L/s和17.4L/s,分別有管段3~4和7~8供給,其兩側(cè)無其他用戶。城鎮(zhèn)地形平坦,高差微小。節(jié)點(diǎn)4、5、8、9處的地面標(biāo)高分別為56.0、56.1、55.7、56.0m。水塔處地面標(biāo)高為57.4m,其他點(diǎn)的地形標(biāo)高見表6-5,管材選用給水鑄鐵管。試完成枝狀給水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)計(jì)算,并求水塔高度和水泵揚(yáng)程。
425.00
56.76370m16.27320m3水塔450m18.4528.5130.6212.67泵房400m2500m6600m9350m7.3917.47700m8圖6-11枝狀管網(wǎng)計(jì)算(流量單位:L/s)節(jié)點(diǎn)地形標(biāo)高表6-5
節(jié)點(diǎn)地形標(biāo)高(m)256.6356.3656.3756.2
1.計(jì)算節(jié)點(diǎn)流量
1)最高日最高時(shí)流量:
Q?2)比流量:
6000cap?120L/cap.d?83%?1.6?25.0L/s?17.4L/s?153.07L/s
24?3600qs?153.07L/s?25.0L/s?17.4L/s?0.04224L/(s?m)
2620m
沿線流量計(jì)算表表6-6
沿線流量/L·s-116.9019.0121.1213.5214.7825.34110.671)沿線流量(見表6-6):
管段1-22-32-63-56-76-9合計(jì)長度/m40045050032035060026202)節(jié)點(diǎn)流量(見表6-7)
節(jié)點(diǎn)流量計(jì)算表表6-7
節(jié)點(diǎn)123節(jié)點(diǎn)流量/L·s-10.5×16.90=8.450.5×(16.90+19.01+21.12)=28.510.5(19.01+13.52)16.27集中流量/L·s-1_____________________節(jié)點(diǎn)總流量/L·s-18.4528.5116.27
456789合計(jì)_______25.0_____________________25.06.7630.627.3917.4012.67153.070.5×13.52=6.760.5×(21.12+25.34+14.78)=30.620.5×14.78=7.39_______17.40_______0.5×25.34=12.67110.6742.40各節(jié)點(diǎn)流量標(biāo)注在圖6-11。
2.選擇控制點(diǎn),確定干管和支管
由于各節(jié)點(diǎn)要求的自由水壓一致,根據(jù)地形和用水量狀況,控制點(diǎn)選為節(jié)點(diǎn)9,干管定為1~2~6~9,其余為支管。
3.編制干管和支管水力計(jì)算表格,見表6-8、6-94.將節(jié)點(diǎn)編號、地形標(biāo)高、管段編號和管段長度等已知條件分別填于表6-8、6-9中的第(1)、(2)、(3)、(4)項(xiàng)。
干管水力計(jì)算表表6-8
節(jié)點(diǎn)地形標(biāo)高/m管段編號管段長度/m(1)9621(2)56.056.356.61~257.4400144.625001.530.730.6183.3825.982~650068.083004.900.962.4582.7726.17(3)6~9(4)600(5)12.67(6)150(7)7.20(8)0.73(9)4.3280.3224.02流量/L·s-1管徑/mm1000i流速/m·s-1水頭損失/m水壓/m(10)76.00(11)20.0自由標(biāo)高水壓/m
5.確定各管段的計(jì)算流量
按qi??qij?0的條件,從管線終點(diǎn)(包括和支管)開始,同時(shí)向供水起點(diǎn)方向逐個(gè)節(jié)點(diǎn)推算,即可得到各管段的計(jì)算流量:由9節(jié)點(diǎn)得q6~9?q9?12.67L/s由6節(jié)點(diǎn)得:
q2~6?q6?q6~9?q7?q7~8?30.62L/s?12.67L/s?7.39L/s?17.4L/s?68.08L/s同理,可得其余各管段計(jì)算流量,計(jì)算結(jié)果分別列于表6-8、6-9中第(5)項(xiàng)。6.干管水力計(jì)算
(1)由各管段的計(jì)算流量,查鑄鐵管水力計(jì)算表,參照經(jīng)濟(jì)流速,確定各管段的管徑和相應(yīng)的1000i及流速。
管段6~9的計(jì)算流量12.67L/s,由鑄鐵管水力計(jì)算表查得:當(dāng)管徑為125mm、150mm、200mm時(shí),相應(yīng)的流速分別1.04m/s、0.72m/s、0.40m/s。前已指出,當(dāng)管徑D<400mm時(shí),平均經(jīng)濟(jì)流速為0.6~0.9m/s,所以管段6~9的管徑應(yīng)確定為150mm,相應(yīng)的1000i=7.20,υ=0.73m/s。同理,可確定其余管段的管徑和相應(yīng)的1000i和流速,其結(jié)果見表
6-8中第(6)、(7)、(8)項(xiàng)。
(2)根據(jù)h=i.L計(jì)算出各管段的水頭損失,即表6-8中第(9)項(xiàng)等于[
(7),則?(4)]
1000h6~9?7.20?600m?4.32m1000同理,可計(jì)算出其余各管段的水頭損失,計(jì)算結(jié)果見表6-8中第(9)項(xiàng)。(3)計(jì)算干管各節(jié)點(diǎn)的水壓標(biāo)高和自由水壓。
因管段起端水壓標(biāo)高Hi和終端水壓標(biāo)高Hj于該管段的水頭損失hij存在以下關(guān)系:
Hi?Hj?hij(6-15)
節(jié)點(diǎn)水壓標(biāo)高Hi、自由水壓H0i與該處地形標(biāo)高Zi存在以下關(guān)系:
H0i?Hi?Zi(6-16)
由于控制點(diǎn)9節(jié)點(diǎn)要求的水壓標(biāo)高為已知:
H9?Z9?H09?56.0m?20m?76.0m
因此,在本例中要從節(jié)點(diǎn)9開始,按式(6-12)和(5-13)逐個(gè)向供水起點(diǎn)推算:節(jié)點(diǎn)4H6?H9?h6?9?76.0m?4.32m?80.32m
H0?6?H6?Z6?80.32m?56.3m?24.02m
同理,可得出干管上各節(jié)點(diǎn)的水壓標(biāo)高和自由水壓。計(jì)算結(jié)果見表6-8中第(10)、(11)項(xiàng)。
7.支管水力計(jì)算
由于干管上各節(jié)點(diǎn)的水壓已經(jīng)確定,(見表6-8),即支管起點(diǎn)的水壓已定,因此支管各管段的經(jīng)濟(jì)管徑選定必需滿足:從干管節(jié)點(diǎn)到該支管的控制點(diǎn)(常為支管的終點(diǎn))的水頭損失之和應(yīng)等于或小于干管上此節(jié)點(diǎn)的水壓標(biāo)高與支管控制點(diǎn)所需的水壓標(biāo)高之差。即按平均水力坡度確定管徑。但當(dāng)支管由兩個(gè)或兩個(gè)以上管段串聯(lián)而成時(shí),各管段水頭損失之和可有多種組合能滿足上述要求?,F(xiàn)以支管6~7~8為例說明:首先計(jì)算支管6~7~8的平均允許水力坡度,即:
80.32m_(55.7m?20.0m)?4.4允許1000i?1000?350m?700m由q6~7?24.79L/s,查鑄鐵管水力計(jì)算表,參照允許1000i?4.4,得D6?7?200mm,相應(yīng)的實(shí)際1000i?5.88,則:h6~7?5.88?350m?2.06m1000按式(6-13)、(6-14)計(jì)算7點(diǎn)得水壓標(biāo)高和自由水壓:
H7?H6?h6?7?8032m?2.06m?78.26m
H07?H7?Z7?78.26m?56.2m?22.06m
由節(jié)點(diǎn)7的水壓標(biāo)高即可計(jì)算管段7-8的平均允許1000i為:
78.26m_(55.7m?20.0m)?3.66允許1000i?1000?700m由q7~8?17.4L/s,查鑄鐵管水力計(jì)算表,參照允許1000i?3.66,得D7~8?200mm,相應(yīng)的實(shí)際1000i?2.99,則:
h7~8?2.99?700m?2.09m1000同理,可計(jì)算出節(jié)點(diǎn)8的水壓標(biāo)高和自由水壓:H8?H7?h7~8?78.26m?2.09m?76.17mH08?H8?Z8?76.17m?55.7m?20.47m按上述方法可計(jì)算出所有支管管段,計(jì)算結(jié)果見表6-9,圖6-12。
25.00425.0-200370-2.2156.76-1506.7616.27320-5.573水塔8.4548.03-250450-2.94144.62-50028.5168.08-30030.6212.67-15012.67泵房1400-0.612500-2.456600-4.32924.79-200350-2.0617.477.3917.4-200Q(L/s)-D(mm)700-2.098
L(m)-h(m)
圖6-12枝狀管網(wǎng)計(jì)算
支管水力計(jì)算表表6-9節(jié)點(diǎn)地形標(biāo)高/m(1)678(2)56.356.27-855.770017.43.662002.992.09(3)6-7管段編號管段長度/m(4)350管段流量/L·s-1(5)24.79(6)4.4允許1000i管段管徑/mm(7)200(8)5.88實(shí)際1000i水頭損失/m(9)2.06水壓標(biāo)高/m(10)80.3278.2676.17自由水壓/m(11)24.0222.0620.4723353456.656.356.356.156.356.02-345048.038.72506.532.9482.7779.8326.1723.5323.5322.9923.5321.623-53206.7611.651502.310.7479.8379.093-437025.0010.352005.982.2179.8377.62注:管段7~8、3~5按現(xiàn)有水壓條件均可選用100mm管徑,但考慮到消防流量較大(qx=35L/s),管網(wǎng)最小管徑定為150mm。
8.確定水塔高度
由表6-7可知,水塔高度應(yīng)為Ht=25.98m。9.確定二級泵站所需的總揚(yáng)程
設(shè)吸水井最低水位標(biāo)高Zp?53.00m,泵站內(nèi)吸、壓水管的水頭損失取?hp?3.0m,水塔水柜深度為4.5m,水泵至1點(diǎn)間的水頭損失為0.5m,則二級泵站所需總揚(yáng)程為:
HP?HST??h??hp
?(Zt?Ht?H0?ZP)?h泵-1??hp
?57.4m?25.98m?4.5m?53.0m)?0.5m?3.0m
?38.38m
二、環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算
(一)、環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算步驟
1.按城鎮(zhèn)管網(wǎng)布置圖,繪制計(jì)算草圖,對節(jié)點(diǎn)和管段順序編號,并標(biāo)明管段長度和節(jié)點(diǎn)地形標(biāo)高。
2.按最高日最高時(shí)用水量計(jì)算節(jié)點(diǎn)流量,并在節(jié)點(diǎn)旁引出箭頭,注明節(jié)點(diǎn)流量。大用戶的集中流量也標(biāo)注在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。
3.在管網(wǎng)計(jì)算草圖上,將最高用水時(shí)由二級泵站和水塔供入管網(wǎng)的流量(指對置水塔的管網(wǎng)),沿各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流量預(yù)分派,定出各管段的計(jì)算流量。
4.根據(jù)所定出的各管段計(jì)算流量和經(jīng)濟(jì)流速,選取各管段的管徑。5.計(jì)算各管段的水頭損失h及各個(gè)環(huán)內(nèi)的水頭損失代數(shù)和∑h。6.若∑h超過規(guī)定值(即出現(xiàn)閉合差⊿h),須進(jìn)行管網(wǎng)平差,將預(yù)分派的流量進(jìn)行校正,以使各個(gè)環(huán)的閉合差達(dá)到所規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。
7.按控制點(diǎn)要求的最小服務(wù)水頭和從水泵到控制點(diǎn)管線的總水頭損失,求出水塔高度和水泵揚(yáng)程。
8.根據(jù)管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的壓力和地形標(biāo)高,繪制等水壓線和自由水壓線圖。
第五節(jié)輸水管水力計(jì)算
輸水管包括原水輸水管(渠)和清水輸水管兩種。輸水管必需保證不休止輸水。因此,一般需平行敷設(shè)兩條,當(dāng)敷設(shè)一條輸水管時(shí),常另外設(shè)置有一定容量的蓄水池。對于允許休止供水或多水源供水的管網(wǎng),可以只設(shè)一條輸水管。輸水系統(tǒng)的一般特點(diǎn)是距離長,和河流、高地、交通路線等交織較多。
原水輸水管(渠)設(shè)計(jì)流量,應(yīng)按最高日平均時(shí)供水量與水廠自用水量之和確定。當(dāng)遠(yuǎn)距離輸水時(shí),輸水管渠的設(shè)計(jì)流量還應(yīng)計(jì)入管渠漏失水量。
清水輸水管的設(shè)計(jì)流量,當(dāng)管網(wǎng)內(nèi)無調(diào)理構(gòu)筑物時(shí),應(yīng)按最高日最高時(shí)用水量確定;當(dāng)管網(wǎng)內(nèi)有調(diào)理構(gòu)筑物時(shí),應(yīng)按最高日最高時(shí)用水條件下,由水廠所負(fù)擔(dān)供應(yīng)的水量確定(輸水管道的設(shè)計(jì)水量應(yīng)為最高日最高時(shí)供水量減去由調(diào)理構(gòu)筑物每小時(shí)供應(yīng)的水量)。輸水管渠有多種形式,常用的有:1.壓力輸水管渠
此種形式尋常用得最多,當(dāng)輸水量大時(shí)可采用輸水渠。常用于高地水源或水泵供水。2.無壓輸水管渠(非滿流水管或暗渠)
無壓輸水管渠的單位長度造價(jià)較壓力管渠低,但在定線時(shí),為利用與水力坡度相接近的地形,不得不延長路線,因此,建造費(fèi)用相應(yīng)增加。重力無壓輸水管渠可儉約水泵輸水所耗電費(fèi)。
3.加壓與重力相結(jié)合的輸水系統(tǒng)
在地形繁雜的地區(qū)常用加壓與重力結(jié)合的輸水方式。4.明渠
明渠是人工開挖的河槽,一般用于遠(yuǎn)距離輸送大量水。以下重點(diǎn)探討壓力輸水管。
輸水管平行工作的管線數(shù),應(yīng)從可靠性要求和建造費(fèi)用兩方面來比較。若增加平行管線數(shù),雖然可提高供水的可靠性,但輸水系統(tǒng)的建造費(fèi)用隨之增大。實(shí)際上,常采用簡單而造價(jià)又增加不多的方法,以提高供水的可靠性,即在平行管線之間設(shè)置連接納,將輸水管線分成多段,分段數(shù)越多,供水可靠性越高。合理的分段數(shù)應(yīng)根據(jù)用戶對事故流量的要求確定。
輸水管計(jì)算的任務(wù)是確定管徑和水頭損失,以及達(dá)到一定事故流量所需的輸水管條數(shù)和需設(shè)置的連接納條數(shù)。確定大型輸水管的管徑時(shí),應(yīng)考慮具體的埋管條件、管材和形式、附屬構(gòu)筑物數(shù)量和特點(diǎn)、輸水管條數(shù)等,通過方案比較確定。具體計(jì)算時(shí),先確定輸水管條數(shù),依據(jù)經(jīng)濟(jì)供水的原則,即按設(shè)計(jì)流量和經(jīng)濟(jì)流速(或可資用水頭)確定管徑,進(jìn)而計(jì)算水頭損失。本節(jié)主要介紹輸水管分段數(shù)計(jì)算方法。
一、重力供水時(shí)的壓力輸水管
水源在高地時(shí)(如取用蓄水庫水時(shí)),若水源水位和水廠內(nèi)第一個(gè)水處理構(gòu)筑物之間有足夠的水位高差戰(zhàn)勝兩者管道的水頭損失時(shí),可利用水源水位向水廠重力輸水。
如圖6-28所示,若水源水位標(biāo)高為Z,輸水管終端要求的水壓為Z0?Zm?H0,則可資用水頭為H?Z?Z0,用來戰(zhàn)勝輸水管阻力損失。假設(shè)輸水系統(tǒng)的總流量為Q,平行管線(管徑、管長和管材均一致)數(shù)為n,則每條輸水管的流量為
Q,如圖6-29。n
對供水的要求確定。(可按事故流量下降比統(tǒng)一折算,即事故時(shí)管網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)流量等于最高時(shí)各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)流量乘上事故下降比R)
2.2.3事故校核的結(jié)果經(jīng)過核算后不符合要求時(shí),可以增加平行主干管或埋設(shè)雙管,或放大某些連通管的管徑,或重新選擇水泵。也可以從技術(shù)上采取措施,如加強(qiáng)當(dāng)?shù)亟o水管理部門的檢修力量,縮短損壞管段修復(fù)時(shí)間;重要的和不允許斷水的用戶,可以采用貯備用水的保障措施。
2.3.最大轉(zhuǎn)輸校核
2.3.1最大轉(zhuǎn)輸校核的實(shí)質(zhì)設(shè)對置水塔的管網(wǎng),在最高用水時(shí)由泵站和水塔同時(shí)向管網(wǎng)供水,但在一天內(nèi)泵站送水量大于用水量的時(shí)段內(nèi),多余的水經(jīng)過管網(wǎng)送入水塔貯存。
最大轉(zhuǎn)輸校核的實(shí)質(zhì)是校核設(shè)對置水塔的管網(wǎng)在發(fā)生最大轉(zhuǎn)輸流量時(shí)水泵能否將水送到水塔水柜中最高水位。
2.3.2最大轉(zhuǎn)輸校核的方法核算時(shí),水力計(jì)算過程跟最高時(shí)計(jì)算過程一致,只是管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的流量需按最大轉(zhuǎn)輸時(shí)管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的實(shí)際用水量求出。因節(jié)點(diǎn)流量隨用水量的變化成比例地增減,所以最大轉(zhuǎn)輸時(shí)各節(jié)點(diǎn)流量可按下式計(jì)算:
qzi?kzsqi(6-26)
式中qi______最高用水時(shí)的節(jié)點(diǎn)流量,L/s;
kzs______最大轉(zhuǎn)輸時(shí)節(jié)點(diǎn)流量折減系數(shù),其值可按下式計(jì)算:kzs?Qzy?QziQh?Qi__(6-27)
式中Qzy、Qh______分別為最大轉(zhuǎn)輸時(shí)和最高用水時(shí)管網(wǎng)總用水量,L/s;
Qzi、Qi______分別為最大轉(zhuǎn)輸時(shí)已確定(常為集中流量)的節(jié)點(diǎn)流量和與之相對應(yīng)的
最高用水時(shí)的節(jié)點(diǎn)流量,L/s。節(jié)點(diǎn)流量確定后,按最大轉(zhuǎn)輸時(shí)的流量進(jìn)行分派和管網(wǎng)平差,求出各管段的流量、水頭
損失和所需要的水泵揚(yáng)程。
2.3.2最大轉(zhuǎn)輸校核的結(jié)果校核不滿足要求時(shí),應(yīng)適當(dāng)加大從泵站到水塔最短供水路線上管段的管徑。
第七節(jié)管網(wǎng)計(jì)算結(jié)果的整理
管網(wǎng)平差終止后,將最終平差結(jié)果按
lij(m)_Dij(mm)qij(L/s)1000ihij(m)__的形式標(biāo)注在管網(wǎng)平面圖
上相應(yīng)的管段旁,繼續(xù)進(jìn)行以下內(nèi)容的計(jì)算:
1.管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)水壓標(biāo)高和自由水壓計(jì)算起點(diǎn)水壓未知的管網(wǎng)進(jìn)行水壓計(jì)算時(shí),應(yīng)首先選擇管網(wǎng)的控制點(diǎn),由控制點(diǎn)所要求的水壓標(biāo)高依次推出各節(jié)點(diǎn)的水壓標(biāo)高和自由水壓,計(jì)算方法同枝狀管網(wǎng)。由于存在閉合差,即⊿h≠0,利用不同管線水頭損失所求得的同一節(jié)點(diǎn)的水壓值常不同,但差異較小,不影響選泵,可不必調(diào)整。
網(wǎng)前水塔管網(wǎng)系統(tǒng)在進(jìn)行消防和事故工作校核時(shí),由控制點(diǎn)按相應(yīng)條件推算到水塔處的水壓標(biāo)高可能出現(xiàn)以下三種狀況:一是高于水塔最高水位,此時(shí)必需關(guān)閉水塔,其水壓計(jì)算與無水塔管網(wǎng)系統(tǒng)一致;二是低于水塔最低水位,此時(shí)水塔無需關(guān)閉,仍可其起調(diào)理流量作用。但由于水塔高度一定,不能改變,所以這種狀況管網(wǎng)系統(tǒng)的水壓應(yīng)由水塔控制,即由水塔開始,推算到各節(jié)點(diǎn)(包括二級泵站);三是介于水塔最高水位和最低水位之間,此種狀況水塔調(diào)理容積不能全部利用,應(yīng)視具體狀況按上述兩種狀況之一進(jìn)行水壓計(jì)算。
對于起點(diǎn)水壓已定的管網(wǎng)進(jìn)行水壓計(jì)算時(shí),無論何種狀況,均從起點(diǎn)開始,按該點(diǎn)現(xiàn)有的水壓值推算到各節(jié)點(diǎn),并核算各節(jié)點(diǎn)的自由水壓是否滿足要求。
經(jīng)上述計(jì)算得出的各節(jié)點(diǎn)水壓標(biāo)高、自由水壓及該節(jié)點(diǎn)處的地形標(biāo)高,按一定格式寫在相應(yīng)管網(wǎng)平面圖的節(jié)點(diǎn)旁。
2.繪制管網(wǎng)水壓線圖
管網(wǎng)水壓線圖分等水壓線圖和等自由水壓線圖兩種,其繪制方法與繪制地形等高線圖相像。兩節(jié)點(diǎn)間管徑無變化時(shí),水壓標(biāo)高將沿管線的水流方向均勻降低,據(jù)此從已知水壓點(diǎn)開始,按0.5~1.0m的等高距(水壓標(biāo)高差)推算出各管段上的標(biāo)高點(diǎn)。如某一地區(qū)的水壓線過密,表示該處管網(wǎng)的負(fù)荷過大,所選用的管徑偏小。水壓線的密集程度可作為今后放大管徑或增敷管線的依據(jù)。
由等水壓線圖標(biāo)高減去各點(diǎn)地面標(biāo)高得自由水壓,用細(xì)實(shí)線連接一致的自由水壓即可繪出等自由水壓線圖。管網(wǎng)等自由水壓線圖可直觀反映整個(gè)供水區(qū)域內(nèi)高、低壓區(qū)的分布狀況和服務(wù)水壓偏低的程度。因此,管網(wǎng)水壓線圖對供水企業(yè)的管理和管網(wǎng)改造有很好的參考價(jià)值。
圖6-18管網(wǎng)等水壓線
圖6-28重力流壓力輸水管
圖6-29輸水管正常時(shí)與事故時(shí)工作狀況
若在輸水管上等距離地設(shè)置m條連接納,輸水管被分成N?m?1段,則正常工作狀況下的水頭損失為:
Q?s(m?1)?22
h?s(m?1)()2??Q?sQ(6-32)02?nn??式中s_____
每一管段的摩阻;
s0______輸水系統(tǒng)的總摩阻,s0?s(m?1)。n2如圖6-29,任一管段損壞時(shí),流量降低為Qa,若忽略連接納的水頭損失(因其長度和輸水管相比很短),則此時(shí)輸水管系統(tǒng)的水頭損失為:
ha?s(Qa2Qs?m?)m?s(a)2??s2??Qa2?saQ2a(6-33)2nn?1n(n?1)???m?s式中sa——n條管線中任一段損壞時(shí)輸水系統(tǒng)的總摩阻,sa??s2??。2?n?(n?1)在重力流壓力輸水系統(tǒng)中,因起、終點(diǎn)的水頭差固定,不受管線損壞的影響,因此h?ha,但s0?sa,可得出事故時(shí)和正常工作時(shí)的流量比例,即事故時(shí)允許流量下降比R為:
R?Qa?Qs0?sa(m?1)n2(6-34)
m1s2?sn(n?1)2s不同n、m值時(shí)的R值見表6-13。由表可知:輸水管線可靠性隨著平行管線數(shù)和連接納
數(shù)的增加而增大。由于城鎮(zhèn)給水管網(wǎng)的允許流量下降比R值為0.7,因此為保證輸水管損壞時(shí)的事故流量,當(dāng)采用重力下的壓力供水時(shí),應(yīng)設(shè)置兩根平行的輸水管時(shí),并設(shè)置兩條連接納將平行管線按長度分成3段。
不同m、n值時(shí)的R值表6-13
n02340.50.670.7510.630.780.85當(dāng)m為以下值時(shí)的R值20.710.840.8930.760.870.9140.790.890.93
二、水泵供水的壓力輸水管
水泵供水時(shí),流量Q受到水泵揚(yáng)程的影響。反之,輸水量變化也會(huì)影響輸水管起點(diǎn)的水
壓。因此水泵供水時(shí)的實(shí)際流量,應(yīng)由水泵特性曲
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