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长篇:给水管网设计
双击自动滚屏 发布者:admin 发布时间:2011-3-11 9:55:49 阅读:2920

(一)教学要求

1、了解相关的基本概念                                     

2、熟练掌握给水管网的设计计算方法和步骤;

(二)教学内容

1、沿线流量和节点流量计算

2、管段流量分配

3、初拟管径

4、平差计算

5、泵站扬程与水塔高度设计;

6、管网校核;

(三)重点:沿线流量和节点流量计算 ,环状管网设计计算的理论、步骤及平差方法和管网校核。

1节管段设计流量计算

确定各管段的设计流量的目的,在于依此来选定管径,进行管网水力计算。但要确定各管段的计算流量,需首先确定各管段的沿线流量和节点流量。

一、管网图形的简化

(一)简化目的及原则

在管网计算中,城市管网的现状核算及旧管网的扩建计算最为常见。由于给水管线遍布在街道下,不仅管线很多而且管径差别很大,若计算全部管线,实际上既无必要,也不大可能。因此,除了新设计的管网,因定线和计算仅限于干管网的情况外,对城镇管网的现状核算以及管网的扩建或改建往往需要将实际的管网加以简化,保留主要的干管,略去一些次要的、水力条件影响较小的管线,使简化后的管网基本上能反映实际用水情况,大大减轻计算工作量。通常管网越简化,计算工作量越小。但过分简化的管网,计算结果难免与实际用水情况的差别增大。所以,管网图形简化是保证计算结果接近于实际情况的前提下,对管线进行的简化。

(二)简化方法

在进行管网简化时,应先对实际管网的管线情况进行充分了解和分析,然后采用分解、合并、省略等方法进行简化。

1.分解

只有一条管线连接的两个管网,可以把连接管线断开,分解成为两个独立的管网;有两条管线连接的分支管网,若其位于管网的末端且连接管线的流向和流量可以确定时,也可以进行分解;管网分解后即可分别计算。

2.合并

管径较小、相互平行且靠近的管线可考虑合并。如管线交叉点很近时,可以将其合并为同一交叉点。相近交叉点合并后可以减少管线数目,使系统简化。在给水管网中,为了施工方便和减小水流阻力,管线交叉处往往用两个三通代替四通(实际工程中很少使用四通),不必将两个三同认为是两个交叉点,仍应简化为四通交叉点。

3.省略

管线省略时,首先略去水力条件影响较小的管线,即省略管网中管径相对较小的管线。管线省略后的计算结果是偏于安全的,但是由于流量集中,管径增大,并不经济。

二、沿线流量

城市给水管网的干管和分配管上,承接了许多用户,沿线配水情况比较复杂,既有工厂、机关、学校、医院、宾馆等大用户,其用水流量称为集中流量,又有数量很多、但用水量较小的居民用水、浇洒道路或绿化用水等沿线流量,以致不但沿线所接用户很多,而且用水量变化也很大。干管的配水情况如6-3所示。

        分配管                                                                                                                          

              q1                                      q3  Q1                                                    q5

                                    q1         q3                     q5         q7           

                                                                                                                         B

      A                     

q2       q2      q4              q6

                                                 q4                              Q2        q6

                                                                                          

                                            

6-3   干管配水情况

从图中可以看出,干管除供沿线两旁为数较多的居民生活用水q1q2 q3等外,还要供给分配管流量q1q2 q3等,还有可能给少数大用水户供应集中流量Q1 Q2 Q3等。由于用水点多,用水量经常变化,所以按实际情况进行管网计算是非常繁杂的,而且在实际工程中也无必要。所以,为了计算方便,常采用简化法——比流量法,即假定小用水户的流量均匀分布在全部干管上。比流量法有长度比流量和面积比流量两种。

(一)长度比流量

所谓长度比流量法是假定沿线流量q1q2……均匀分布在全部配水干管上,则管线单位长度上的配水流量称为长度比流量,记为q s [L/ (s·m) ]

qs可按下式计算:

                                      (6-2)

式中  Q______ 管网总用水量,L/s

Qi ______ 工业企业及其他大用户的集中流量之和,L/s

 L______ 管网配水干管总计算长度,m;单侧配水的管段(如沿河岸等地段敷设的只有一侧配水的管线)按实际长度的一半计入;双侧配水的管段,计算长度等于实际长度;两侧不配水的管线长度不计(即不计穿越广场、公园等无建筑物地区的管线长度)。

比流量的大小随用水量的变化而变化。因此,控制管网水力情况的不同供水条件下的比流量(如在最高用水时、消防时、最大转输时的比流量)是不同的,须分别计算。另外,若城市内各区人口密度相差较大时,也应根据各区的用水量和干管长度,分别计算其比流量。

长度比流量按用水量全部均匀分布在干管上的假定来求比流量,忽视了沿管线供水人数和用水量的差别,存在一定的缺陷。因此计算出来的配水量可能和实际配水量有一定差异。为接近实际配水情况,也可按面积比流量法计算。

(二)面积比流量

假定沿线流量q1q2 ……均匀分布在整个供水面积上,则单位面积上的配水流量称为面积比流量,记作qA[L/ (s·m2)],按下式计算:

                                     (6-3)

式中  A______ 给水区域内沿线配水的供水面积总和,m2

 其余符号意义同前。

干管每一管段所负担的供水面积可按分角线或对角线的方法进行划分,如6-4所示。在街区长边上的管段,其单侧供水面积为梯形;在街区短边上的管段,其单侧供水面积为三角形。

                                        

6-4   供水面积划分

a)对角线法;                           b)分角线法

用面积比流量法计算虽然比较准确,但计算过程较麻烦。当供水区域的干管分布比较均匀、干管距离大致相同的管网,用长度比流量法计算较为简便。

由比流量qs qA可计算出各管段的沿线配水流量即沿线流量,记作qy任一管段沿线流量qy(L/s)  可按下式计算

                                             (6-4)  

                                            (6-5)

式中  L _____该管段的计算长度,m

Ai _____该管段所负担的供水面积, m2

三、节点流量

网中任一管段的流量,包括两部分:一部分是沿本管段均匀泄出供给各用户的沿线流量qy,流量大小沿程直线减小,到管段末端等于零;另一部分是通过本管段流到下游管段的流量,沿程不发生变化,称为转输流量qzs。从管段起端A到末端B管段内流量由qzs+qy变为qzs,流量是变化的。对于流量变化的管段,难以确定管径和水头损失。因此,需对其进一步简化。简化的方法是化渐变流为均匀流,既以变化的沿线流量折算为管段两端节点流出的流量,即节点流量。全管段引用一个不变的流量,称为折算流量,记为qif 使它产生的水头损失与实际上沿线变化的流量产生的水头损失完全相同,从而得出管线折算流量的计算公式为:

                                        (6-6)

式中   α____折减系数,通常统一采用0.5,即将管段沿线流量平分到管段两端的节点上。

 

                            6-5  管段输配水情况

 因此管网任一节点的节点流量为:

                                                                   (6-7)

管网中任一节点的节点流量qi等于与该节点相连各管段的沿线流量总和的一半。

当整个给水区域内管网的比流量qcbqmb相同时,由式(6-4)、(6-5)可得节点流量计算式(6-7)的另一种表达形式:

                                                                  (6-8)

                                                                (6-9)

式中  ΣLi——与该节点相连各管段的计算长度之和,m

      ΣAi ——与该节点相连各管段所负担的配水面积之和,m2

    城市管网中,工企业等大用户所需流量,可直接作为接入大用户节点的节点流量。工业企业内的生产用水管网,水量大的车间用水量也可直接作为节点流量。

这样,管网图上各节点的流量包括由沿线流量折算的节点流量和大用户的集中流量。大用户的集中流量可以在管网图上单独注明,也可与节点流量加在一起,在相应节点上注出总流量。一般在管网计算图的各节点旁引出细实线箭头,并在箭头的前端注明该节点总流量的大小。

在计算完节点设计流量后,应验证流量平衡,即:

Q= Qi+qi                                            6-10

式中  Q——管网总用水量,L/s

Qi——各节点的集中流量,L/s

qi——各节点的节点流量 L/s     

如果有较大误差,则应检查计算过程中的错误,如误差较小,可能是计算精确度误差(小数尾数四舍五入造成),可以直接调整某些项集中流量和节点流量,使流量达到平衡。

[例题6-1]  某城镇最高时总用水量为284.7 L/s,其中集中供应工业用水量为189.2 L/s。干管各管段编号及长度如图6-6所示,管段4-51-22-3为单侧配水,其余为两侧配水。试求:(1)干管的比流量;(2)各管段的沿线流量;(3)各节点流量。

 

     

二泵

                                 绿地                  居住区        

                       1500      4      756             5      756               6

 

居住区         820       居住区       820

 

 

      756                    756

 


                     居住区                                                                                                        居住区

                            820

 

                         1

                                  工厂            2           绿地          3

                                  6-6  节点流量计算(单位:m

[] 按长度比流量法计算。

1.配水干管计算长度:因二泵站~4为输水管,不参与配水,其计算长度为零,451223管段为单侧配水,其计算长度按实际长度的一半计入,其余均为双侧配水管段,均按实际长度计入,则:

       

      2.配水干管比流量:

         

3.沿线流量:

 管段1-2的沿线流量为:

     

各管段的沿线流量计算见表6-1

                 沿 线                             6-1

管段编号

管段长度

/m

管段计算长度

/m

比流量

/L·s1 · m1

沿线流量

/L ·s1

1-2

756

0.5×756378

 

 

 

 

0.0219

8.3

2-3

756

05×756378

8.3

1-4

820

820

18.0

2-5

820

820

18.0

3-6

820

820

18.0

4-5

756

0.5×756378

8.3

5-6

756

756

16.6

合计

──

4350

95.5

 

4. 节点流量计算:

如节点5的节点流量为:

     

各节点的节点流量计算见表6-2

                         6-2

节点

连接管段

节点流量

/L·s 1

集中流量

/L·s 1

节点总流量

/L·s 1

1

1-41-2

0.5(18.0+8.3)13.1

189.2

202.3

2

1-22-52-3

0.58.318.08.3)=17.3

──

17.3

3

2-33-6

0.58.318.0)=13.1

──

13.1

4

1-44-5

0.518.08.3)=13.1

──

13.1

5

4-52-55-6

0.58.318.0+16.6=21.6

──

21.6

6

3-65-6

0.518.016.6)=17.3

──

17.3

合计

──

95.5

189.2

284.7

                             

将节点流量和集中流量标注于相应节点上,如图6-7

 

二泵

                13.1            21.6             17.3

 

   

 

 

   13.1                 17.3               

4                    5                  6    

 

                                                                                       

                                                                                   

                                                                     13.1

1    189.2              2                  3

6-7   节点流量图(单位:L/s

四、管段流量

管网各管段的沿线流量简化成各节点流量后,可求出各节点流量,并把大用水户的集中流量也加于相应的节点上,则所有节点流量的总和,便是由二级泵站送来的总流量,(即总供水量)。按照质量守恒原理,每一节点必须满足节点流量平衡条件:流入任一节点的流量必须等于流出该节点的流量,即流进等于流出。

若规定流入节点的流量为负,流出节点为正,则上述平衡条件可表示为:

                               6-11

式中  qi______ 节点i的节点流量,L/s

qij______ 连接在节点i上的各管段流量,L/s

依据式(6-11),用二级泵站送来的总流量沿各节点进行流量分配,所得出的各管段所通过的流量,就是各管段的计算流量。

在单水源枝状管网中,各管段的计算流量容易确定。从配水源(泵站或水塔等)供水到各节点只能沿一条管路通道,即管网中每一管段的水流方向和计算流量都是确定的。每一管段的计算流量等于该管段后面(顺水流方向)所有节点流量和大用户集中用水量之和。因此,对于枝状管网,若任一管段发生事故,该管段以后地区就会断水。

如图6-8所示的一枝状管网,部分管段的计算流量为:

                 

 

 

               q6                          9     q9

         6                                                            q8

                                                                                          q10

q2      

泵站

q3                    8      10

                                                  q4                        q5

            1   2        3                            4                          5

 

 

                          7            q7

 

6-8  枝状管网管段流量计算

对于环状管网,各管段的计算流量不是唯一确定的。配水干管相互连接环通,环路中每一用户所需水量可以沿两条或两条以上的管路供给,各环内每条配水管段的水流方向和流量值都是不确定的。

如图6-9中的1节点,图中流入节点1的流量只有 (泵站供水流量),流出节点1的流量有q1q12q1~5q1~7,由公式(6-11)得:

  

 

 

 

 

 

                   2     q2                   3      q3               4      q4

 

 

q1                    5        q5   

1

 

q7                              q8                       

 

 


泵站

               0     1

                                                                                       6  q6

                             Q

                     

q9

   

                    7                    8                     9  

6-9  环状管网流量分配

对于节点1来说,流入管网的总流量Q和节点流量q1是已知的,但各管段的流量q1~2q1~5q1~7可以有不同的分配方法,也就是有不同的管段流量。为了确定各管段的计算流量,需人为地假定各管段的流量分配值称为流量预分配,以此确定经济管径。在环状管网流量预分配时,不仅要考虑经济性(即一定年限内管网的工程总造价和管理费用最小),而且还要考虑可靠性问题(指能够不间断地向用户供水,并保证应有的水量、水压和水质),做到经济性和可靠性并重。但经济性和可靠性是一对矛盾,一般只能在满足可靠性的前提下,力争得到最经济的管径。在综合考虑经济性和可靠性后,可按如下步骤进行环状管网流量分配:

1.首先在管网平面布置图上,确定出控制点的位置,并根据配水源、控制点、大用户及调节构筑物的位置确定管网的主要流向。

2.参照管网主要流向拟定各管段的水流方向,使水流沿最近路线输水到大用户和边远地区,以节约输水电耗和管网基建投资。

3.根据管网中各管线的地位和功能来分配流量。尽量使平行的主要干管分配相近的流量,以免个别主要干管损坏时,其余管线负荷过重,使管网流量减少过多;干管与干管之间的连接管,主要是沟通平行干管之间的流量,有时起输水作用,有时只是就近供水到用户,平时流量一般不大,只有在干管损坏时,才转输较大流量。因此,连接管中可分配较少的流量。

4.分配流量时应满足节点流量平衡条件,即在每个节点上满足

对于多水源管网,会出现由两个或两个以上水源同时供水的节点,这样的节点叫供水分界点;各供水分界点的连线即为供水分界线;各水源供水流量应等于该水源供水范围内的全部节点流量加上分界线上由该水源供给的那部分节点流量之和。因此,流量分配时,应首先按每一水源的供水量确定大致的供水范围,初步划定供水分界线,然后从各水源开始,向供水分界方向逐节点进行流量分配。

环状管网流量分配后得出的是各管段的计算流量,由此流量即可确定管径,计算水头损失,但环状管网各管段计算流量的最后数值必须由平差计算结果来定出。

第二节  计算

确定管网中每一管段的直径是输水和配水系统设计计算的主要课题之一。管段的直径应按分配后的流量确定。

在设计中,各管段的管径按下式计算:

                                           (6-12)

式中  q______管段流量,m3/s

υ______管内流速,m/s

由上式可知,管径不但和管段流量有关,而且还与流速有关。因此,确定管径时必须先选定流速。

为了防止管网因水锤现象而损坏,在技术上最大设计流速限定在2.53.0m/s范围内;在输送浑浊的原水时,为了避免水中悬浮物质在水管内沉积,最低流速通常应大于0.60m/s,由此可见,在技术上允许的流速范围是较大的。因此,还需在上述流速范围内,根据当地的经济条件,考虑管网的造价和经营管理费用,来选定合适的流速。

从公式可以看出,流量一定时,管径与流速的平方根成反比。如果流速选用的大一些,管径就会减小,相应的管网造价便可降低,但水头损失明显增加,所需的水泵扬程将增大,从而使经营管理费(主要指电费)增大,同时流速过大,管内压力高,因水锤现象引起的破坏作用也随之增大。相反,若流速选用小一些,因管径增大,管网造价会增加。但因水头损失减小,可节约电费,使经营管理费降低。因此,管网造价和经营管理费(主要指电费)这两项经济因素是决定流速的关键。求一定年限t(称为投资偿还期)内,管网造价和经营管理费用之和为最小的流速,称为经济流速),以此来确定的管径,称为经济管径。

若管网造价为C,每年的经营管理费用为M,包括电费M1和折旧、大修费M2,因M2和管网造价有关,故可按管网造价的百分数计,表示为 %C,那么在投资偿还期 年内,,总费用为:

                                    6-13

式中  ——管网的折旧和大修率,以管网造价的百分比计。

式(6-13)除以投资偿还期 ,则得年折算费用W:;

                                                                6-14

总费用W曲线的最低点表示管网造价和经营管理费用之和为最小时的流速称为经济流速υe

        

                                   Wt=Ct M

 

 


                                           t M

 

                                                   

C

                                     

υe                              流速

                     6-10   流速和费用的关系

各城市的经济流速值应按当地条件,如水管材料和价格、施工条件、电费等来确定,不能直接套用其他城市的数据。另外,管网中各管段的经济流速也不一样,须随管网图形、该管段在管网中的位置、该管段流量和管网总流量的比例等决定。因为计算复杂,有时简便地应用“界限流量表”确定经济管径。

                                  6-3

管径

/mm

界限流量

/L·s 1

管径

/mm

界限流量

/L·s 1

100

9

450

130~168

150

9~15

500

168~237

200

15~28.5

600

237~355

250

28.5~45

700

355~490

300

45~68

800

490~685

350

68~96

900

685~822

400

96~130

1000

822~1120

由于实际管网的复杂性,加上情况在不断的变化,例如流量在不断增加,管网逐步扩展,诸多经济指标如水管价格、电费等也随时变化,要从理论上计算管网造价和年管理费用相当复杂且有一定难度。在条件不具备时,设计中也可采用由各地统计资料计算出的平均经济流速来确定管径,得出的是近似经济管径,见表6-4 

                                6-4

管径/mm

平均经济流速υe/L·s 1

D=100400

0.60.9

D400

0.91.4

 

在使用各地区提供的经济流速或按平均经济流速确定管网管径时,需考虑以下原则:

1)一般大管径可取较大的经济流速,小管径可取较小的经济流速;

2)首先定出管网所采用的最小管径(由消防流量确定),按υe确定的管径小于最小管径时,一律采用最小管径;

3)连接管属于管网的构造管,应注重安全可靠性,其管径应由管网构造来确定,即按与它连接的次要干管管径相当或小一号确定;

4)由管径和管道比阻α之间的关系可知,当管径较小时,管径缩小或放大一号,水头损失会大幅度增减,而所需管材变化不多;相反,当管径较大时,管径缩小或放大一号,水头损失增减不很明显,而所需管材变化较大。因此,在确定管网管径时,一般对于管网起端的大口径管道可按略高于平均经济流速来确定管径,对于管网末端较小口径的管道,可按略低于平均经济流速确定管径,特别是对确定水泵扬程影响较大的管段,适当降低流速,使管径放大一号,比较经济;

5)管线造价(含管材价格、施工费用等)较高而电价相对较低时,取较大的经济流速,反之取较小的经济流速。

以上是指水泵供水时的经济管径确定方法,在求经济管径时,考虑了抽水所需的电费。重力供水时,由于水源水位高于给水区所需水压,两者的标高差H可使水在管内重力流动。此时,各管段的经济管径应按输水管和管网通过设计流量时,供水起点至控制点的水头损失总和等于或略小于可利用的水头来确定。

 

 

 

 

 

 

 

第三节 环状管网计算的理论

1.环状管网计算时,必须满足下列基本水力条件

1)连续性方程(又称节点流量平衡条件)  即对任一节点来说,流入该节点的流量必须等于流出该节点的流量。

若规定流出节点的流量为正,流入节点的流量为负,则任一节点的流量代数和等于零。即: 

                                             

2)能量方程(又称闭合环路内水头损失平衡条件)   即环状管网任一闭合环路内,水流为顺时针方向的各管段水头损失之和应等于水流为逆时针方向的各管段水头损失之和。若规定顺时针方向的各管段水头损失为正,逆时针方向为负,则在任一闭合环路内各管段水头损失的代数和等于零,即:

                                                                6-17

如图6-13,由并联管路的基本公式可知,节点1至节点4之间均有下列关系成立:

 

式中     ______ 管线124的水头损失;

 _______管线134的水头损失;

H1H4 _______分别为节点1和节点4的水压标高值或测压管水头值(每一节点只有一个数值)。

        1          h1-2            2

Q     

             q1                                                                       q2

 

h1-3                                          h2-4

 

 

 

           3                                             4

                               q3                                  q4

                  

 6-13   单环管网

 

另由串联管路的基本公式,得:

                   

所以有:      

2.环状管网计算的基本方法和原理

环状管网计算时,节点流量、管段长度、管径和阻力系数等均已知,需要求解的是管网各管段的流量和水头损失(或节点水压)。求解时可采用解环方程组、解节点方程组和解管段方程组等3种方法。

1)解环方程组法 

2)解节点方程组法 

3)解管段方程组法  

三、环状管网平差方法

    1.哈代-克罗斯法

最早和应用广泛的管网分析方法有哈代-克罗斯法和洛巴切夫,即每环中各管段的流量用 修正的方法。现以图6-14为例加以说明,各参数的符号仍规定:顺时针方向为正,逆时针方向为负。

6-14   两环管网的流量调整

 

 

环状管网初步分配流量后,管段流量 为已知,并满足节点流量平衡条件,由 选出管径,计算出各管段的水头损失 和各环的水头损失代数和 ,一般 ,不满足水头损失平衡条件,须引入校正流量 以减小闭合差。校正流量可按下式估算确定:

= =                    6-21

式中 ______ 环路k的校正流量,L/s

______ 环路k的闭合差,等于该环内各管段水头损失的代数和,m

______ 环路k内各管段的摩阻 与相应管段流量 的绝对值乘积之总和。

______ 环路k的各管段的水头损失 与相应管段流量 之比的绝对值乘积之总和。

应该注意,上式中 符号相反,即闭合差 为正,校正流量 就为负,反之则为正;闭合差 的大小及符号,反映了与⊿h=0时的管段流量和水头损失的偏离程度和偏离方向。显然,闭合差 的绝对值越大,为使闭合差 所需的校正流量 的绝对值也越大。各环校正流量 用弧形箭头标注在相应的环内,如图 6-14所示,然后在相应环路的各管段中引入校正流量 ,即可得到各管段第一次修正后的流量 ,即:

                                   6-22

式中  ______ 本环路内初步分配的各管段流量,L/s

______ 本环路内初次校正的流量,L/s

______ 邻环路初次校正的流量,L/s

如图6-14 中环Ⅰ和环Ⅱ:

    Ⅰ:           

环Ⅱ:          

由于初步分配流量时,已经符合节点流量平衡条件,即满足了连续性方程,所以每次调整流量时能自动满足此条件。

采用哈代-克罗斯法进行管网平差的步骤:

1)根据城镇的供水情况,拟定环状网各管段的水流方向,按每一节点满足连续性方程的条件,并考虑供水可靠性要求分配流量,得初步分配的管段流量

2)由 计算各管段的水头损失

3)假定各环内水流顺时针方向管段中的水头损失为正,逆时针方向管段中的水头损失为负,计算该环内各管段的水头损失代数和 ,如 ,其差值即为第一次闭合差

0,说明顺时针方向各管段中初步分配的流量多了些,逆时针方向管段中分配的流量少了些,反之,如 0,说明顺时针方向各管段中初步分配的流量少了些,逆时针方向管段中分配的流量多了些。

4)计算每环内各管段的 ,按式(6-16)求出校正流量。如闭合差为正,校正流量为负;反之,则校正流量为负。

5)设图上的校正流量 符号以顺时针方向为正,逆时针方向为负,凡是流向和校正流量 方向相同的管段,加上校正流量,否则减去校正流量,据此调整各管段的流量,得第一次校正的管段流量。对于两环的公共管段,应按相邻两环的校正流量符号,考虑邻环校正流量的影响。

按此流量再计算,如闭合差尚未达到允许的精度,再从第2步按每次调整后的流量反复计算,直到每环的闭合差达到要求为止。

 


第四节、管网水力计算

一、枝状管网水力计算

枝状管网中的计算比较简单,因为水从供水起点到任一节点的水流路线只有一个,每一管段也只有唯一确定的计算流量。因此,在枝状管网计算中,应首先计算对供水经济性影响最大的干管,即管网起点到控制点的管线,然后再计算支管。

 当管网起点水压未知时,应先计算干管,按经济流速和流量选定管径,并求得水头损失;再计算支管,此时支管起点及终点水压均为已知,支管计算应按充分利用起端的现有水压条件选定管径,经济流速不起主导作用,但需考虑技术上对流速的要求,若支管负担消防任务,其管径还应满足消防要求。

当管网起点水压已知时,仍先计算干管,再计算支管,但注意此时干管和支管的计算方法均与管网起点水压未知时的支管相同。

枝状管网水力计算步骤:

1)按城镇管网布置图,绘制计算草图,对节点和管段顺序编号,并标明管段长度和节点地形标高。

2)按最高日最高时用水量计算节点流量,并在节点旁引出箭头,注明节点流量。大用户的集中流量也标注在相应节点上。

3)在管网计算草图上,从距二级泵站最远的管网末梢的节点开始,按照任一管段中的流量等于其下游所有节点流量之和的关系,逐个向二级泵站推算每个管段的流量。

4)确定管网的最不利点(控制点),选定泵房到控制点的管线为干线。有时控制点不明显,可初选几个点作为管网的控制点。

5)根据管段流量和经济流速求出干线上各管段的管径和水头损失。

6)按控制点要求的最小服务水头和从水泵到控制点管线的总水头损失,求出水塔高度和水泵扬程。(若初选了几个点作为控制点,则使二级泵站所需扬程最大的管路为干线,相应的点为控制点)。

7)支管管径参照支管的水力坡度选定,即按充分利用起点水压的条件来确定。

8)根据管网各节点的压力和地形标高,绘制等水压线和自由水压线图。

例题6-2某城镇有居民6万人,用水量定额为120 L/cap. d),用水普及率为83%,时变化系数为1.6,要求达到的最小服务水头为20m。管网布置见图6-11。用水量较大的一工厂和一公共建筑集中流量分别为25.0 L/s17.4 L/s,分别有管段3478供给,其两侧无其他用户。城镇地形平坦,高差极小。节点4589处的地面标高分别为56.056.155.756.0m。水塔处地面标高为57.4m,其他点的地形标高见表6-5,管材选用给水铸铁管。试完成枝状给水管网的设计计算,并求水塔高度和水泵扬程。           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

             4     25.00

 


5    6.76

                  370 m            

            16.27           320m

                     3

水塔                 450m

 1      8.45                 28.51                                     30.62                                    12.67

 


泵房    400m          2        500m             6          600m                9

                                       350m        7.39               17.4

                                          7           700 m            

                                                                 8

                         6-11  枝状管网计算(流量单位:L/s

 

                                                           6-5

节点

2

3

6

7

地形标高(m

56.6

56.3

56.3

56.2

1.计算节点流量

1)最高日最高时流量:

2)比流量:

1)  沿线流量(见表6-6):

 

沿 线 计算                                   6-6

管段

长度/m

沿线流量/L·s-1

1-2

400

16.90

2-3

450

19.01

2-6

500

21.12

3-5

320

13.52

6-7

350

14.78

6-9

600

25.34

合计

2620

110.67

2)  节点流量(见表6-7

                                6-7

节点

节点流量/L·s-1

集中流量/L·s-1

节点总流量/L·s-1

1

0.5×16.90=8.45

_______

8.45

2

0.5×(16.90+19.01+21.12=28.51

_______

28.51

3

0.519.01+13.5216.27

_______

16.27

4

_______

25.0

25.0

5

0.5×13.52=6.76

_______

6.76

6

0.5×(21.12+25.34+14.78=30.62

_______

30.62

7

0.5×14.78=7.39

_______

7.39

8

_______

17.40

17.40

9

0.5×25.34=12.67

_______

12.67

合计

110.67

42.40

153.07

各节点流量标注在图6-11

2.选择控制点,确定干管和支管

由于各节点要求的自由水压相同,根据地形和用水量情况,控制点选为节点9,干管定为1269,其余为支管。

3.编制干管和支管水力计算表格,见表6-86-9

4.将节点编号、地形标高、管段编号和管段长度等已知条件分别填于表6-86-9中的第(1)、(2)、(3)、(4)项。

                               6-8

 

节 点

标高/m

/m

流量/L·s-1

管径/mm

1000i

流速/m·s-1

损失/m

压标高    /m

水压/m

 

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

 

9

56.0

 

69

 

600

 

12.67

 

150

 

7.20

 

0.73

 

4.32

76.00

20.0

6

 

56.3

 

80.32

24.02

26

500

68.08

300

4.90

0.96

2.45

2

56.6

82.77

26.17

12

400

144.62

500

1.53

0.73

0.61

1

57.4

83.38

25.98

 

 

 

 5.确定各管段的计算流量

   的条件,从管线终点(包括和支管)开始,同时向供水起点方向逐个节点推算,即可得到各管段的计算流量:

  9节点得 L/s

6节点得:

 

  同理,可得其余各管段计算流量,计算结果分别列于表6-86-9中第(5)项。

  6.干管水力计算

  1)由各管段的计算流量,查铸铁管水力计算表,参照经济流速,确定各管段的管径和相应的1000i及流速。

   管段69的计算流量12.67 L/s,由铸铁管水力计算表查得:当管径为125 mm150 mm200 mm时,相应的流速分别1.04 m/s0.72 m/s0.40 m/s。前已指出,当管径D400 mm时,平均经济流速为0.60.9 m/s,所以管段69的管径应确定为150 mm,相应的1000i7.20,υ=0.73 m/s。同理,可确定其余管段的管径和相应的1000i和流速,其结果见表6-8中第(6)、(7)、(8)项。

2)根据h=i.L计算出各管段的水头损失,即表6-8中第(9)项等于[ ],则  

   同理,可计算出其余各管段的水头损失,计算结果见表6-8中第(9)项。

  3)计算干管各节点的水压标高和自由水压。

   因管段起端水压标高Hi和终端水压标高Hj于该管段的水头损失hij存在下列关系: 

                                        6- 15 )

节点水压标高Hi、自由水压H0i与该处地形标高Zi存在下列关系:

                                             6-16

由于控制点9节点要求的水压标高为已知:

              

因此,在本例中要从节点9开始,按式(6-12)和(5-13)逐个向供水起点推算:

    节点4    

 

   同理,可得出干管上各节点的水压标高和自由水压。计算结果见表6-8中第(10)、(11)项。

   7.支管水力计算

   由于干管上各节点的水压已经确定,(见表6-8),即支管起点的水压已定,因此支管各管段的经济管径选定必须满足:从干管节点到该支管的控制点(常为支管的终点)的水头损失之和应等于或小于干管上此节点的水压标高与支管控制点所需的水压标高之差。即按平均水力坡度确定管径。但当支管由两个或两个以上管段串联而成时,各管段水头损失之和可有多种组合能满足上述要求。现以支管678为例说明:首先计算支管678的平均允许水力坡度,即:

允许

 ,查铸铁管水力计算表,参照允许 ,得  ,相应的实际 ,则:

                  

按式(6-13)、(6-14)计算7点得水压标高和自由水压:

 

                               

   由节点7的水压标高即可计算管段7-8的平均允许1000i为:

允许

    ,查铸铁管水力计算表,参照允许 ,得  ,相应的实际 ,则:

同理,可计算出节点8的水压标高和自由水压:

                  

                  

按上述方法可计算出所有支管管段,计算结果见表6-9,图6-12

 

25.00

4 

         25.0-200  3702.21       5                        

                      6.76-150        6.76

            16.27           320-5.57

                     3        

水塔8.45      48.03-250 450-2.94  

      144.62-500           28.51    68.08-300               30.62   12.67-150           12.67

 


泵房  1    400-0.61      2              500-2.45       6          600 -4.32        9

                                    24.79-200  350-2.06                 17.4

                                        7      7.39    17.4-200         

Q(L/s)-D(mm)                                          700 -2.09    8   

 


L(m)-h(m)

  6-12  枝状管网计算

                   

                                                                 6-9

 

形标 /m

段编

段长 /m

段流 /L·s-1

1000i

/mm

1000i

头损 /m

压标 /m

由水 /m

 

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

 

6

56.3

6-7

350

24.79

4.4

200

5.88

2.06

80.32

24.02

7

56.2

 

78.26

 

22.06

7-8

700

17.4

3.66

200

2.99

2.09

8

55.7

 

76.17

 

20.47

2

56.6

 

2-3

 

450

 

48.03

 

8.7

 

250

 

6.53

 

2.94

 

82.77

 

26.17

3

56.3

 

79.83

 

23.53

3

56.3

 

3-5

 

320

 

6.76

 

11.65

 

150

 

2.31

 

0.74

 

79.83

 

23.53

5

56.1

 

79.09

 

22.99

3

 

56.3

 

3-4

 

370

 

25.00

 

10.35

 

200

 

5.98

 

2.21

 

79.83

 

23.53

4

56.0

 

77.62

 

21.62

注:管段7835按现有水压条件均可选用100mm管径,但考虑到消防流量较大(qx35L/s,管网最小管径定为150mm

 

8.确定水塔高度

由表6-7可知,水塔高度应为Ht =25.98 m

9.确定二级泵站所需的总扬程

设吸水井最低水位标高  m,泵站内吸、压水管的水头损失取  m,水塔水柜深度为4.5 m,水泵至1点间的水头损失为0.5m,则二级泵站所需总扬程为:

-1

 

二、 环状管网水力计算

(一)、环状管网水力计算步骤

1.按城镇管网布置图,绘制计算草图,对节点和管段顺序编号,并标明管段长度和节点地形标高。

2.按最高日最高时用水量计算节点流量,并在节点旁引出箭头,注明节点流量。大用户的集中流量也标注在相应节点上。

3.在管网计算草图上,将最高用水时由二级泵站和水塔供入管网的流量(指对置水塔的管网),沿各节点进行流量预分配,定出各管段的计算流量。

4.根据所定出的各管段计算流量和经济流速,选取各管段的管径。

5.计算各管段的水头损失h及各个环内的水头损失代数和h

6h超过规定值(即出现闭合差h),须进行管网平差,将预分配的流量进行校正,以使各个环的闭合差达到所规定的允许范围之内。

7.按控制点要求的最小服务水头和从水泵到控制点管线的总水头损失,求出水塔高度和水泵扬程。

8.根据管网各节点的压力和地形标高,绘制等水压线和自由水压线图。

第五节 输水管水力计算

输水管包括原水输水管(渠)和清水输水管两种。输水管必须保证不间断输水。因此,一般需平行敷设两条,当敷设一条输水管时,常另外设置有一定容量的蓄水池。对于允许间断供水或多水源供水的管网,可以只设一条输水管。输水系统的一般特点是距离长,和河流、高地、交通路线等交叉较多。

原水输水管(渠)设计流量,应按最高日平均时供水量与水厂自用水量之和确定。当远距离输水时,输水管渠的设计流量还应计入管渠漏失水量。

清水输水管的设计流量,当管网内无调节构筑物时,应按最高日最高时用水量确定;当管网内有调节构筑物时,应按最高日最高时用水条件下,由水厂所负担供应的水量确定(输水管道的设计水量应为最高日最高时供水量减去由调节构筑物每小时供应的水量)。

输水管渠有多种形式,常用的有:

1.  压力输水管渠

此种形式通常用得最多,当输水量大时可采用输水渠。常用于高地水源或水泵供水。

2.无压输水管渠(非满流水管或暗渠)

无压输水管渠的单位长度造价较压力管渠低,但在定线时,为利用与水力坡度相接近的地形,不得不延长路线,因此,建造费用相应增加。重力无压输水管渠可节约水泵输水所耗电费。

3.加压与重力相结合的输水系统

在地形复杂的地区常用加压与重力结合的输水方式。

4.明渠

明渠是人工开挖的河槽,一般用于远距离输送大量水。

以下重点讨论压力输水管。

输水管平行工作的管线数,应从可靠性要求和建造费用两方面来比较。若增加平行管线数,虽然可提高供水的可靠性,但输水系统的建造费用随之增大。实际上,常采用简单而造价又增加不多的方法,以提高供水的可靠性,即在平行管线之间设置连接管,将输水管线分成多段,分段数越多,供水可靠性越高。合理的分段数应根据用户对事故流量的要求确定。

输水管计算的任务是确定管径和水头损失,以及达到一定事故流量所需的输水管条数和需设置的连接管条数。确定大型输水管的管径时,应考虑具体的埋管条件、管材和形式、附属构筑物数量和特点、输水管条数等,通过方案比较确定。具体计算时,先确定输水管条数,依据经济供水的原则,即按设计流量和经济流速(或可资用水头)确定管径,进而计算水头损失。本节主要介绍输水管分段数计算方法。

一、重力供水时的压力输水管

水源在高地时(如取用蓄水库水时),若水源水位和水厂内第一个水处理构筑物之间有足够的水位高差克服两者管道的水头损失时,可利用水源水位向水厂重力输水。

如图6-28所示,若水源水位标高为 ,输水管终端要求的水压为  ,则可资用水头为 ,用来克服输水管阻力损失。假设输水系统的总流量为 ,平行管线(管径、管长和管材均相同)数为 ,则每条输水管的流量为 ,如图6-29

 

6-28  重力流压力输水管

     6-29    输水管正常时与事故时工作情况

若在输水管上等距离地设置 条连接管,输水管被分成 段,则正常工作情况下的水头损失为:

                      6-32

式中  _____每一管段的摩阻;

______输水系统的总摩阻,

如图6-29,任一管段损坏时,流量降低为 ,若忽略连接管的水头损失(因其长度和输水管相比很短),则此时输水管系统的水头损失为:

         6-33

式中   —— 条管线中任一段损坏时输水系统的总摩阻,

    在重力流压力输水系统中,因起、终点的水头差固定,不受管线损坏的影响,因此 ,但 ,可得出事故时和正常工作时的流量比例,即事故时允许流量降落比 为:

                          6-34

  不同 值时的 值见表6-13。由表可知:输水管线可靠性随着平行管线数和连接管数的增加而增大。由于城镇给水管网的允许流量降落比 值为 ,因此为保证输水管损坏时的事故流量,当采用重力下的压力供水时,应设置两根平行的输水管时,并设置两条连接管将平行管线按长度分成3段。

                              不同mn值时的R                                6-13

n

m为下列值时的R

0

1

2

3

4

2

0.5

0.63

0.71

0.76

0.79

3

0.67

0.78

0.84

0.87

0.89

4

0.75

0.85

0.89

0.91

0.93

 

二、水泵供水的压力输水管

   水泵供水时,流量 受到水泵扬程的影响。反之,输水量变化也会影响输水管起点的水压。因此水泵供水时的实际流量,应由水泵特性曲线 和输水管特性曲线 的联合曲线求出。

 

6-30   水泵和输水管特性曲线

水泵特性曲线和输水管特性曲线的联合工作情况可如图6-30表示,Ⅰ、Ⅱ分别表示输水管正常工作和事故时的 特性曲线。当输水管任一管段损坏时,系统的阻力增大,曲线的交点从正常工作时的 点移到 点,与 点相应的横坐标表示事故时流量 。设置连接管后,由于事故时输水系统的摩阻增加较少,即 较接近 ,因此曲线Ⅱ和曲线Ⅰ也比较接近,事故时流量 可大于无连接管时。确定输水管的分段数应保证任一管段损坏检修时,供水流量不低于允许值。水泵供水时输水管的分段数计算方法如下:

1.设有网前水塔时输水管分段数计算

 设两条不同直径的输水管用连接管分成n段。输水管正常土作时的流量和水压关系用 特性方程表示为

                                                   6-35

    忽略连接管的水头损失,则任一段输水管损坏时的流量和水压关系为

                                        6-36                           

式中  ——输水管正常工作时水泵扬程;

——事故时水泵扬程;

——水泵静扬程,等于水塔水面与泵站吸水井水面的高差;

——正常工作时的流量;

——事故时的流量;

——输水管的分段数;

——正常工作时的流量;

——事故时的流量;

——泵站内部管线的摩阻;

——两条输水管的当量摩阻。

当量摩阻按下式计算:

                                          6-37

式中s1s2——每条输水管的摩阻,其中,s1为未损坏输水管的摩阻。

正常情况下水泵的特性曲线方程为:

事故时水泵的特性曲线方程为:

将式(6-35)和式( 6-36)分别代人上两式,得正常时水泵的输水量Q和事故时的水泵

输水量Qa

                                                    6-38

                                        (6-39

由式(6-39)和式(6-38)得事故时和正常时的流量比为:

                                      6-40

R一般取0.7,因此,为保证事故用水量所需的分段数为:

               6-41

                      

式中   ______ 事故输水管的摩阻;

2 设对置水塔时输水管分段数计算

分段数可按下式近似计算:

                              6-42

式中  ______管网起点至控制点间的管路总摩阻。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第六节 管网校核

1、管网校核的定义

从前面的设计过程可知,管网的管径和水泵扬程,是按设计年限内最高日最高时的用水量和水压要求来设计的。这样的管径和水泵能否满足其他特殊情况(消防时、最大转输、事故时)下的要求,就需进行其它用水量条件下的核算。

核算按最高日最高时流量设计的管径和水泵能否满足其他特殊情况下的要求的过程就叫作管网校核。

2、管网校核的内容

l         消防校核:发生火灾的情况下;

l         事故校核:管网前端主要干管发生事故的情况下;

l         最大转输校核:设有对置水塔的管网最大转输的情况下;

2.1.消防校核

2.1.1消防校核的实质

管网是按最高日最高时流量来设计的,这个流量并没有包括消防流量。(城市火灾不是经常发生的,且火灾持续时间不长,灭火期间短时间的断水或者流量减少居民能够接受)

消防校核的实质是以最高日最高时流量另加消防流量作为设计流量,按10m的服务水头计算,校核按最高时流量确定的管径和水泵能否满足消防时候的要求,

2.1.2消防校核的方法:

1)首先根据城市规模和现行的《建筑设计防火规范》确定同时发生的火灾次数和消防用水量;

2)把消防流量作为集中流量加在相应节点的节点流量中;(如按消防要求同时一处失火,则放在控制点,有两处或两处以上失火,一处放在控制点,其他设定在离二级泵站较远或靠近大用户的节点处,其余节点仍按最高用水时的节点流量。)

3)以最高日最高时用水量确定的管径为基础,将最高时用水量与消防流量相加后进行流量分配;

4)进行管网平差,求出消防时的管段流量和水头损失;

5)计算消防时所需要的水泵扬程。(自由水压不低于10 mH2O

2.1.3消防校核结果

虽然消防时比最高时所需的服务水头要小得多,但因消防时通过管网流量增大,各管段的水头损失相应增加,按最高时确定的水泵扬程有可能不满足消防时的需要。若:

消防时需要的水泵扬程 小于 最高时确定的水泵扬程,则设计不需要调整;

消防时需要的水泵扬程 略大于 最高时确定的水泵扬程,可放大管网末端个别管径;

消防时需要的水泵扬程 远大于 最高时确定的水泵扬程,专设消防泵。

2.2.事故校核

管网主要管段发生损坏时,必须及时检修,在检修时间内供水量允许减少,但设计水压一般不应降低。事故时管网供水流量与最高时设计流量之比,称为事故流量降落比,用R表示。R的取值根据供水要求确定,城镇的事故流量降落比R一般不低于70%

2.2.1事故校核的实质

事故校核的实质是管网前端主要管段发生损坏时,原设计的管径和水泵能否供应不小于最高时设计流量70%的流量。

2.2.2事故校核的方法

 

核算时,水力计算过程跟最高时计算过程相同,只是管网各节点的流量应按事故时用户对供水的要求确定。(可按事故流量降落比统一折算,即事故时管网的节点流量等于最高时各节点的节点流量乘上事故降落比R

2.2.3事故校核的结果

经过核算后不符合要求时,可以增加平行主干管或埋设双管,或放大某些连通管的管径,或重新选择水泵。也可以从技术上采取措施,如加强当地给水管理部门的检修力量,缩短损坏管段修复时间;重要的和不允许断水的用户,可以采用贮备用水的保障措施。

2.3.最大转输校核

2.3.1最大转输校核的实质

设对置水塔的管网,在最高用水时由泵站和水塔同时向管网供水,但在一天内泵站送水量大于用水量的时段内,多余的水经过管网送入水塔贮存。

最大转输校核的实质是校核设对置水塔的管网在发生最大转输流量时水泵能否将水送到水塔水柜中最高水位

2.3.2最大转输校核的方法

核算时,水力计算过程跟最高时计算过程相同,只是管网各节点的流量需按最大转输时管网各节点的实际用水量求出。因节点流量随用水量的变化成比例地增减,所以最大转输时各节点流量可按下式计算:

                                        6-26

式中  ______ 最高用水时的节点流量,L/s

      ______ 最大转输时节点流量折减系数,其值可按下式计算:

                                                          6-27

式中  QzyQh______ 分别为最大转输时和最高用水时管网总用水量,L/s

      QziQi______ 分别为最大转输时已确定(常为集中流量)的节点流量和与之相对应的最高用水时的节点流量,L/s

                     节点流量确定后,按最大转输时的流量进行分配和管网平差,求出各管段的流量、水头损失和所需要的水泵扬程。

2.3.2最大转输校核的结果

                     校核不满足要求时,应适当加大从泵站到水塔最短供水路线上管段的管径。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第七节 管网计算结果的整理

管网平差结束后,将最终平差结果按 的形式标注在管网平面图上相应的管段旁,继续进行下列内容的计算:

1.管网各节点水压标高和自由水压计算

起点水压未知的管网进行水压计算时,应首先选择管网的控制点,由控制点所要求的水压标高依次推出各节点的水压标高和自由水压,计算方法同枝状管网。由于存在闭合差,即⊿h0,利用不同管线水头损失所求得的同一节点的水压值常不同,但差异较小,不影响选泵,可不必调整。

网前水塔管网系统在进行消防和事故工作校核时,由控制点按相应条件推算到水塔处的水压标高可能出现以下三种情况:一是高于水塔最高水位,此时必须关闭水塔,其水压计算与无水塔管网系统相同;二是低于水塔最低水位,此时水塔无需关闭,仍可其起调节流量作用。但由于水塔高度一定,不能改变,所以这种情况管网系统的水压应由水塔控制,即由水塔开始,推算到各节点(包括二级泵站);三是介于水塔最高水位和最低水位之间,此种情况水塔调节容积不能全部利用,应视具体情况按上述两种情况之一进行水压计算。

对于起点水压已定的管网进行水压计算时,无论何种情况,均从起点开始,按该点现有的水压值推算到各节点,并核算各节点的自由水压是否满足要求。

经上述计算得出的各节点水压标高、自由水压及该节点处的地形标高,按一定格式写在相应管网平面图的节点旁。

2. 绘制管网水压线图

管网水压线图分等水压线图和等自由水压线图两种,其绘制方法与绘制地形等高线图相似。两节点间管径无变化时,水压标高将沿管线的水流方向均匀降低,据此从已知水压点开始,按0.5~1.0 m的等高距(水压标高差)推算出各管段上的标高点。如某一地区的水压线过密,表示该处管网的负荷过大,所选用的管径偏小。水压线的密集程度可作为今后放大管径或增敷管线的依据。

由等水压线图标高减去各点地面标高得自由水压,用细实线连接相同的自由水压即可绘出等自由水压线图。管网等自由水压线图可直观反映整个供水区域内高、低压区的分布情况和服务水压偏低的程度。因此,管网水压线图对供水企业的管理和管网改造有很好的参考价值。

 

 
 

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