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(fèi)用(包括管道、閥門、附屬設(shè)施等)約占70%~80%。新建和擴(kuò)建的城市管網(wǎng)按最高時(shí)用水量計(jì)算。對多種方案進(jìn)行管網(wǎng)計(jì)算，可得到最佳給水管網(wǎng)方案。5.1管網(wǎng)計(jì)算的課題計(jì)算步驟求沿線流量和節(jié)點(diǎn)流量；求管段計(jì)算流量；確定各管段的管徑和水頭損失；進(jìn)行管網(wǎng)水力計(jì)算或技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算；確定水塔高度和水泵揚(yáng)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(jì)算，實(shí)際上沒有必要，也不可能。新設(shè)計(jì)管網(wǎng)的定線和計(jì)算僅限于干管而不是全部管線。改建和擴(kuò)建管網(wǎng)的計(jì)算可對實(shí)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(jì)算結(jié)果接近實(shí)際情況，對管線進(jìn)行簡化，以減輕計(jì)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(gè)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(diǎn)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(diǎn)集中流出的流量。5.3沿線流量和節(jié)點(diǎn)流量管網(wǎng)計(jì)算術(shù)語節(jié)點(diǎn)有集中流量進(jìn)出、管道合并或分叉以及邊界條件發(fā)生變化的地點(diǎn),包括水源節(jié)點(diǎn)(泵站、水塔)、管線交接點(diǎn)、兩管段交點(diǎn)。

管段兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的管道順序相連的若干管段管線環(huán)起點(diǎn)與終點(diǎn)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(gè)或兩個(gè)以上基環(huán)的環(huán)沿線流量節(jié)點(diǎn)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(jī)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(diǎn)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(shí)際用水情況來計(jì)算管網(wǎng)，沒有必要也少有可能，因此，計(jì)算時(shí)往往加以簡化。5.3沿線流量和節(jié)點(diǎn)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(shí)，比流量隨用水量增減而變化，最高用水時(shí)和最大轉(zhuǎn)輸時(shí)的比流量不同，所以在管網(wǎng)計(jì)算時(shí)須分別計(jì)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(jì)算其比流量，以得出比較接近實(shí)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(shí)，采用該管段的供水面積代替管段總長度計(jì)算比流量，結(jié)果比較準(zhǔn)確，但計(jì)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(diǎn)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(gè)管段不變節(jié)點(diǎn)流量5.3沿線流量和節(jié)點(diǎn)流量管段流量按沿線流量計(jì)算時(shí),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(diǎn)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(jì)算管徑和水頭損失。將沿線流量按適當(dāng)比例分配到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上，轉(zhuǎn)換成從兩個(gè)節(jié)點(diǎn)流出的流量，就成為節(jié)點(diǎn)流量。節(jié)點(diǎn)流量沿線流量轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)流量的原則管段的水頭損失相同求出一個(gè)沿線不變的折算流量q，使它產(chǎn)生的水頭損失等于實(shí)際上沿管線變化的流量。5.3沿線流量和節(jié)點(diǎn)流量在1，2兩節(jié)點(diǎn)之間，管長為l的管段中的沿線流量順?biāo)鞣椒ㄖ鸺?jí)減少，節(jié)點(diǎn)1處的流量為qt+ql，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)流量表示時(shí)，僅從節(jié)點(diǎn)1，2兩節(jié)點(diǎn)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(diǎn)2的流量為αql，則節(jié)點(diǎn)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(diǎn)流出的流量，即節(jié)點(diǎn)流量系數(shù)。qt+ql

1xdxlqt(1-α)ql

qαqlαq12qtqlqx5.3沿線流量和節(jié)點(diǎn)流量5.3沿線流量和節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jì)算，通常為統(tǒng)一采用α=0.5。任一節(jié)點(diǎn)i的節(jié)點(diǎn)流量等于與該節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)流量的總和。5.4管段計(jì)算流量5.4管段計(jì)算流量環(huán)狀網(wǎng)的流量分配任一節(jié)點(diǎn)的流量包括節(jié)點(diǎn)流量、流向和流離該節(jié)點(diǎn)管段流量。分配流量應(yīng)保持每一節(jié)點(diǎn)的水流連續(xù)性，滿足節(jié)點(diǎn)流量平衡，即流向任一節(jié)點(diǎn)的流量等于流離該節(jié)點(diǎn)的流量，。在流量分配時(shí)，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(jì)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(shí)，應(yīng)同時(shí)照顧經(jīng)濟(jì)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(jì)。經(jīng)濟(jì)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(fèi)用和管理費(fèi)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(gè)管網(wǎng)的控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)是管網(wǎng)正常工作時(shí)和事故時(shí)必須保證所需水壓的點(diǎn)，一般選在給水區(qū)內(nèi)離二級(jí)泵站最遠(yuǎn)或地形較高之處）。從二級(jí)泵站到控制點(diǎn)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(diǎn)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(shí)，不會(huì)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(shí)起一些輸水作用、有時(shí)只是就近供水到用戶，平時(shí)流量一般不大、只有在干管損壞時(shí)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(jì)算流量[例]5.4管段計(jì)算流量15101312181617141976125271485819123359134602495111357301024985.5管徑計(jì)算管徑計(jì)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(jì)上考慮，較大的水流速度可減小管道直徑，降低工程造價(jià)；但由于水流速度大而會(huì)導(dǎo)致水頭損失增加，從而加大運(yùn)行的動(dòng)力費(fèi)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(jià)與運(yùn)行費(fèi)用之和最小。水流速度的選擇經(jīng)濟(jì)管徑的確定DeM1WDW0管網(wǎng)費(fèi)用分析5.5管徑計(jì)算Wt：總費(fèi)用；C：管網(wǎng)造價(jià)；M1：年度運(yùn)行電費(fèi)；M2：年折舊費(fèi)用；p：管網(wǎng)折舊和大修費(fèi)；t：投資償還年限。投資償還期內(nèi)的年度總費(fèi)用W投資償還年限內(nèi)的總費(fèi)用Wt年折舊費(fèi)與管徑的關(guān)系管徑（mm）平均經(jīng)濟(jì)流速（m/s）D=100～4000.6～0.9D≥4000.9～1.4VeM1WVW0年折舊費(fèi)與流速的關(guān)系平均經(jīng)濟(jì)流速5.5管徑計(jì)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(jì)算5.6水頭損失計(jì)算水頭損失一般公式當(dāng)n=2時(shí),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(shí)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(shí)或金屬管內(nèi)壁無特殊防腐措施時(shí)，就屬于這種情況；過渡區(qū)(n=1.75~2)，此時(shí)，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(shí)．以及石棉水泥管在各種流速時(shí)的情況；水力光滑區(qū)(n=1.75)，此時(shí)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(shí)。舍維列夫公式適用于舊鑄鐵管和舊鋼管當(dāng)v≥1.2m/s時(shí),當(dāng)v<1.2m/s時(shí)，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(shí)際計(jì)算時(shí),只需將q,D以及表中的a,K值代入公式計(jì)算,即可求出h。5.6水頭損失計(jì)算水頭損失的實(shí)際計(jì)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(shí)，y值可采用1/6。當(dāng)n取不同的值時(shí)，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(shí)際計(jì)算時(shí),只需將q,D以及表中的a值代入公式計(jì)算,即可求出h。5.6水頭損失計(jì)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(jì)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(shí)際,運(yùn)算復(fù)雜,宜用計(jì)算機(jī)求解應(yīng)用上述各種水頭損失計(jì)算公式時(shí)，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(jì)算結(jié)果有時(shí)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(shí)際的科學(xué)測定和有關(guān)規(guī)定。5.6水頭損失計(jì)算5.7管網(wǎng)計(jì)算基礎(chǔ)方程管網(wǎng)計(jì)算目的求出各水源節(jié)點(diǎn)（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(diǎn)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(jì)算基礎(chǔ)方程Q1Q2Q3Q4Q5Q6456321Ｐ:管段數(shù);Ｊ:節(jié)點(diǎn)數(shù);Ｌ:基環(huán)數(shù)。水泵水塔012348567由節(jié)點(diǎn)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(gè)管段，則有2P個(gè)未知數(shù)；利用經(jīng)濟(jì)流速確定流量與直徑的關(guān)系，實(shí)際上只要求解Ｐ個(gè)未知數(shù)。環(huán)狀管網(wǎng)計(jì)算時(shí)，必須列出Ｊ+Ｌ-1個(gè)方程,才能求出P個(gè)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(dú)立的連續(xù)性方程數(shù)為Ｊ-1個(gè)，獨(dú)立的能量方程數(shù)為Ｌ個(gè)，兩者共計(jì)Ｐ個(gè)。管網(wǎng)水力計(jì)算管網(wǎng)計(jì)算的原理5.7管網(wǎng)計(jì)算基礎(chǔ)方程qi為節(jié)點(diǎn)流量，qij為管段流量，離開節(jié)點(diǎn)流量為正，流向節(jié)點(diǎn)流量為負(fù)。連續(xù)性方程能量方程J-1個(gè)節(jié)點(diǎn)的流量L個(gè)基環(huán)的水頭損失hij為管段水頭損失，sij為管段摩阻，順時(shí)針方向?yàn)檎?，逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù)。5.7管網(wǎng)計(jì)算基