给水排水管道工程课件-第五章

第五章管段流量、管径和水头损失主讲：张永举本章主要内容：§5.1管网设计的课题§5.2管网图形及简化§5.3沿线流量和节点流量§5.4管段计算流量§5.5管径计算§5.6水头损失计算§5.7管网计算基础方程§5.8管网计算方法分类§5.1管网设计的课题新建和扩建的城市管网按最高时用水量计算，据此求出所有管段的直径、水头损失、水泵扬程和水塔高度(当设置水塔时)。并在此管径基础上，按其它用水情况，如消防时、事故时、对置水塔系统在最高转输时各管段的流量和水头损失，从而校核按最高用水时确定的管径和水泵扬程能否满足其它用水时的水量和水压要求。计算步骤是：1、确定主干管或干管的走向和位置以及连接管的位置，对于老城区旧管网改造，需要对其进行简化；2、计算最高日用水量（对于配水管网都是按照最高日最高时用水量计算的）；3．对各管段沿线均匀出流简化，从而确定沿线流量和节点流量；4．求管段计算流量：5．根据各管段的计算流量，确定各管段的管径和水头损失；6．进行管网水力计算或技术经济计算；7．确定水塔高度和水泵扬程。8、进行事故和消防以及最大转输时校核。§5.2管网图形及简化一、原因：二、方法：通常简化的方法有以下几种：1、省略2、节点合并3、管材等效合并4、并联管段等效合并5、分解6、附属设施简化1、省略次要管线、保留主干管和干管。次要管线是指管径较小的支管、配水管、入户管等。2、当管线交叉点很近时，可以将其合并为同一交叉点：3、如果管线包含不同的管材和规格，应采用水力等效原则将其等效为单一管材和规格。对于不同管材和规格的管道，等效成同一管材同一管径的一条管道的原则是等效前后水头损失相同，即：4、并联管段等效合并管径较小、相互平行且靠近的管线可考虑合并。并联的管线简化为单管线，其直径采用水力等效原则计算。根据水力等效原则和公式，则有：经变换，有：特别当并联管道直径相同时，有：如果采用曼宁公式，则n＝2，m＝5.33，DN150DN150DN195双并联管径（mm）20030040050060070080090010001200等效管道直径（mm）25938951964877890810371167129715565、分解只由一条管线连接的两管网，都可以把连接管线断开，分解成为两个独立的管网。由两条管线连接的分支管网，如它位于管网的末端且连接管线的流向和流量可以确定，例如单水源的管网，也可进行分解，管网经分解后即可分别计算。6、附属设施的简化A、删除不影响全局水力特性的设施，如：排气阀、泄水阀、消火栓等。B、将同一处多个相同的设施合并，比如同一处的多个水量调节设施合并，并联或串联的水泵或泵站合并等注意：以上简化只是针对已有的管网进行的，在新城区管网设计时仅仅考虑了主干管和干管，所以在新城或新铺管网设计时不能简化。§5.3沿线流量和节点流量一、概念1、节点：如P31图5—2所示的干管网，标有1、2、3、…、8的称为节点，包括：(1)水源节点，如泵站、水塔或高位水池等；(2)不同管径或不同材质的管线交接点；(3)两管段交点或集中向大用户供水的点。2、管段：两节点之间的管线称为管段，如管段2—3，表示节点2和3之间的一段管线。3、管线：管段顺序连接形成管线，如图中的管线1—2—3—4—7—8是指从泵站到水塔的一条管线。4、环：起点和终点重合的管线，称为管网的环，如2—3—6—5—2，即图中的环I。因为环I中不合其它环，所以称为基环。几个基环合成的环称为大环，如环I、II合成的大环2—3—4—7—6—5—2就不再是基环。对于多水源的管网，为了计算方便，有时将两个或多个水压已定的水源节点(泵站、水塔等)用虚线和虚节点0连接起来，也形成环，如图中的1－0－8－7－4－3－2－1大环。5、沿线流量：是指供给该管段两侧用户所需流量。6、节点流量是从沿线流量折算得出的并且假设是在节点集中流出的流量。二、沿线流量为了计算方便，而定用水量均匀的分布在全部干管上，由此计算出单位管线长度的流量，即比流量lqQqlQ：管网总用水量：大用户集中用水总和：干管总长度（计算长度），不包括穿越广场、公园等无建筑物地区的管线，另外，如果有一侧供水的配水管线，长度按一半计算。lqQqlql则各管段的沿线流量就等于比流量乘该管段的计算长度，即：但是，按照用水量全部均匀分布在干管上以求出比流量的方法存在一定缺陷，它忽视了沿线供水人数和用水量的差别，所以与各管段的实际配水量并不一致。lqql所以提出按照供水面积计算比流量的方法。即：AqQqsQ：管网总用水量q：大用户集中用水总和A：供水服务面积则，某管段的沿线流量为：A：该管段的服务面积供水面积的划分方法是用等分角线法，如图所示：Aqqs对于干管分布比较均匀，干管间距大致相同的管网，就没有必要采用这种按面积计算比流量的方法，而是采用按计算长度计算就足够了。三、节点流量管网中任一管段的流量都是有两部分组成：一部分是沿该管段长度L配水的沿线流量q1，另一部分是通过该管段输送到以后管段的转输流量qt。转输流量沿整个管段不变，而沿线流量由于管段沿线配水，所以管段中的流量顺水流方向逐渐减小，到管段末端时只剩下转输流量。但是对于流量变化的管段，难以确定管段的管径和水头损失，所以有必要将沿线流量转化成从节点流出的流量，这样沿管线不再有流量流出，即流量不再沿管线变化，从而根据流量确定管径。沿线流量转化成节点流量的原理是：求出一个沿线不变的折算流量q，使它产生的水头损失等于实际上沿管线变化的流量qx产生的水头损失。而原先沿程均匀分配的流量折算成从管段起端和末端分别出流的节点流量，可以计算出起端节点流量为（1-）q1，末端节点流量为q1。折算流量q产生的水头损失h’等于实际上沿管线变化的流量qx产生的水头损失h，通过计算可以得到折算流量q与qt/q1的比值有关系，设qt/q1=γ，则：折算系数＝312折算系数＝312为了便于计算，通常采用＝0.5，即将沿线流量折半作为管段两端点的节点流量，在解决工程问题时，这种折算方法已经足够精确。任一节点的流量为与该节点相连个管段的沿线流量总和的一半。即：115.0qqqi但是，应该注意的是：单侧供水时，将管段长度按一半计算。§5.4管段计算流量在确定了节点设汁流量后，接着要利用节点流量连续性方程确定管段设计流量，管段设计流量是确定管段直径的主要依据。即流入节点与流出节点的流量相等，设流入为负、流出为正，则该节点所有流量和为零。1、树状管网管段流量分配计算树状管网管段流量分配计算比较简单，各节点设计流量全部确定后，管段设计流量可以采用逆推法解出，例如：逆推法：即任一管段的设计流量等于该管段以后（顺水流方向）所有节点流量的总和2、环状管网管段流量分配计算环状管网的管段设计流量分配比较复杂．因为它不像树状管网那样，管段流量分配方案是惟—的。环状管网的管段设汁流量分配有很大的自由度环状网可以有许多不同的流量分配方案，所以每一方案所得到管径也不尽相同，因而造价也有所不同，在现有的管线造价指标下，只能得到近似最优分配方案，而不是真正的最优方案，因为只有将环状网中的部分管段流量变成零，即变成树状网才是最优点，但这样又不满足可靠性条件，因此，只能在满足可靠性的前提下，力求管网最经济。1、节点流量平衡原则，即：节点处，流入节点的流量和流出节点的流量和为0。2、在管网图上确定主要的水流方向，使水流沿最近的路线输送到大用户和边远地区，分配流量时从水源开始逐步扩散到管网中所有的节点。3、在遇到要向两个或两个以上方向分配设计流量时，要向主要供水方向分配较多的流量，向次要供水方向分配较少的流量。4、应确定两条或两条以上的平行的主要供水方向，并且应在各平行供水方向上分配相接近的较大流量，以免一条损坏时其余干管可以承担70％以上的输配水任务。垂直方向的连接管上要分配较少的流量，因为只有干管损坏时才转输较大的流量，因此连接管中可以分配较少的流量。对于多水源管网，由每一个水源的供水量定出其大致供水范围，初步确定各水源的供水分界线，然后从各水源开始，循供水方向按每一节点符合流量平衡原则，以及经济和安全供水的要求进行流量分配。总结：1）初步确定各水源的供水分界线；2）确定主要的水流方向；3）从水源开始逐步分配流量，如果混合型管网先将好计算的树状网各管段流量计算好。§5.5管径计算管径主要按照各管段分配后的流量来确定：vDAvq42vqD4其中：D：管段直径，mq：管段设计流量，m2/sA：管段过水断面的面积，m2v：设计流速，m/s流速smv/0.3~5.2max（为了防止水锤）smv/6.0min（为了避免在管段内沉积杂质）vqD4如何来确定流速，使管网造价和泵站的运行费用和最小？这就需要用优化设计的计算方法，求得流速或管径的最优解。在数学上表现为求一定年限T（设为投资偿还期）内，管网造价和管理费用（主要是电费）之和为最小的流速，称为经济流速，由此来确定管径。如果设管网一次性投资的总造价为C，每年的管理费用为Y，则管网每年的折算费用为：YTCW（T为投资偿还期）其中每年的管理费用Y一般分为两部分：一部分是管网每年的折旧和大修费用Y1，另一部分是泵站的年运行费用Y2。管网每年的折旧和大修费用Y1与管网投资费用C成正比，设管网年折旧和大修费为总投资的P/100，则管网每年的折算费用可以表示为：2)1001YCPTW（YTCW122100CCPCWYYYTT其中C和Y2都与管径和流速有关：D越大，C越大，而Y2越小V越大，C越小，而Y2越大用图直观的表示为：2)1001YCPTW（因为管网总体造价和泵站运行费用的影响因素比较多，如管材和电费等都随时间变化，并不是一个固定不变的值，计算比较复杂，所以如果条件不具备的话，设计中也可以采用由各地统计资料计算出的平均经济流速来定管径。选取经济流速和确定管径时，还应该考虑的原则：1）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）重力供水时，各管段的经济管径或经济流速按充分利用地形高差来确定；3）根据经济流速计算出的管径如果不符合市售标准管径时，可以选用相近的标准管径；4）当管网有多个水源或设有对置水塔时，在各水源或水塔供水的分界区域，管段设计流量可能特别小，选择管径时要适当放大，因为当各水源供水流量比例变化或水塔转输(即进水)时，这些管段可能需要输送较大的流量；5）重要的输水管、如从水厂到用水区域的输水管，或向远离主管网大用户供水的输水管应采用双条管道，每条管道直径按设计流量的50％确定。也可以不用经济流速计算经济管径，可直接参照“界限流量”（P92页表7-1）表确定经济管径。§5.6水头损失计算在管网计算中主要考虑沿管线长度的水头损失，即沿程损失，对于局部损失，由于其和沿程损失相比很小，通常忽略不计。对于给水排水管网中的水流通常为非均匀流，但对于其中的某一管段来说，由于是满流，且管径不变，不发生弯曲、转弯，所以可以近似的认为该管段中的水流为均匀流。均匀流沿程损失计算公式：其中i为水力坡度，即单位管段长度的水头损失，m；D－水管内径；R－水力半径（圆管满流时为）；C－谢才系数；－阻力系数（）；g－重力加速度；v－管内的平均流速。gvDRClvilh2222＝28Cg4D用流量q表示时，沿程损失计算公式为：（即将24Dqv代入谢才公式）2252264aqqDCi其中52264DCa，称为比阻；谢才系数C和比阻a的取值与水流的流态有关，水流的流态有三种情况：阻力平方区、过渡区和水力光滑区，不同流态下取值不同，一般只能采用经验公式或半经验公式计算，常用的有：舍维列夫公式；1.2m/sv867.010