给水管网工程设计.ppt

第6章 给水管网工程设计,2,第6章 给水管网工程设计,6.1 管段设计流量计算6.2 初拟管径6.3 管网平差6.4 管网水力计算6.5 输水管设计6.6 管网校核6.7 最大闭合差的环校正法和多水源管网平差6.8 设计成果整理,3,管网计算会遇到两类课题：1管网设计计算（最高时）第一类课题2管网复核计算（消防时、事故时及最大转输时等）第二类课题,4,61 管段设计流量计算,1沿线流量 是指沿线分配给用户的流量。管网配水情况比较复杂，高峰流量各异。计算时加以简化。比流量法，假定小用水户的流量沿线均匀分布。,（1）长度比流量 假定水量沿管网长度均匀流出。管线单位长度上的配水流量，称为长度比流量，记作qcb。,5,则每一计算管段沿线流量记作qy为：,6,（2）面积比流量 假定沿线流量均匀分布在整个供水面积上。管线单位面积上的配水流量，称为面积比流量，记作qmb。,则每一计算管段沿线流量记作qy为：,7,每一管段所负担的供水面积可按分角线法和对角线法划分。,8,注意：1）面积比流量考虑了沿线供水面积（人数）多少对管线配水的影响，计算结果更接近实际配水情况，但计算较麻烦。当供水区域的干管分布比较均匀时，二者相差很小。这时，用长度比流量较好。2）当供水区域内各区卫生设备或人口密度相差较大时，各区的比流量应分别计算。3）同一管网，比流量的大小随用水量变化而变化。各种工况下需分别计算。,9,2、节点流量,（1）、沿线流量为什么要转化为节点流量,10,但是，实际的管段并没有喇叭口形状的，管径也是不连续的，所以，仔细去计算每一个沿线流出去的流量已经没有实际意义了。沿线流量只有当其累积到一定量，足以引起管径变化的时候计算起来才有实际意义。这样，就可以不考虑实际沿线配水的情况，而把一定长度管段上的沿线流量用一个等效的流量来代替，即节点流量。,11,（2）沿线流量如何转换成节点流量,沿线流量划成节点流量公式,（3）沿线流量转换成节点流量的依据,12,假设沿线出流是均匀的，则管道的任一断面上的流量,沿程水头损失,13,沿程水头损失,将 移至两端点，分别为,管道内流量为,14,根据水力等效原则,15,（2）、节点流量计算公式节点流量包括两部分：由沿线流量划成节点流量和该节点的集中流量,16,【例题】某城市最高时总用水量为260L/s，其中集中供应的工业用水量120 L/s（分别在节点2、3、4集中出流40 L/s）。各管段长度（单位为m）和节点编号见图。管段1-5、2-3、3-4为一侧供水，其余为双侧供水。试求：（1）比流量；（2）各管段的沿线流量；（3）各节点流量。,17,解：1配水干管计算总长度,2配水干管比流量,18,3沿线流量：,各 管 段 沿 线 流 量 计 算,19,4节点流量计算：,各 管 段 节 点 流 量 计 算,20,6.2 初拟管径,1、管段设计流量分配目的：确定各管段中的流量，进而确定管段直径。流量分配要保持水流的连续性，每一节点必须满足节点流量的平衡条件：流入任一节点的流量等于流离该节点的流量，若以流入为“一”，流离为“+”，则Q=0。,a.枝状网 水流方向唯一，流量分配唯一，任一管段的流量等于以后所有节点流量总和。,21,22,b.环状网,流量分配有多种组合方案基本原则：满足供水可靠性前提下，兼顾经济性。,23,方法和步骤：确定控制点位置，管网主导流向；参照主导流向拟定各管段水流方向，以最短距离供水到大用户或边远地区；尽量使平行的主要干管分配相近的流量（防止某些管段负荷过重），连接管要少分配流量，满足沿线配水为限（主要作用是干管损坏时转输流量）各干管通过的流量沿主要流向逐渐减少，不要忽多忽少；可以起端开始或从末端，满足节点流量的平衡条件。此分配值是预分配，用来选择管径，真正值由平差结果定。,24,2、初拟管径,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：,式中 q为管段流量，m3/s；V为管内流速，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。,25,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。,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。,26,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，见界限流量表。,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，见平均经济流速表,27,界 限 流 量 表,28,平 均 经 济 流 速 表,29,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e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。,30,6.3 管网平差,6.3.1 什么叫管网平差,上一节课已经根据管网各节点流量进行了流量的初分配，并且已经根据初分配流量和经济流速初拟了管径。由于初分流量时是严格按照节点流量平衡来进行的，所以连续性方程能够满足，但是能量方程就有可能不满足，即环内正反两个方向的水头损失不相等。环内正反两个方向的水头损失之差称作闭合差。调整管段流量，减少闭合差到一定精度范围的过程就叫管网平差,连续性方程,能量方程,31,实际管网中的流量分配总是自动的满足连续性方程和能量方程，如果初分流量不能满足能量方程，那只能说明我们初分的流量在管网的实际流量中永远都不会发生，所以就不能根据这个初分流量进行后面的水力计算。这就要求对初分流量进行调整，使之符合实际情况。,6.3.2 为什么要进行管网平差,32,6.3.3 如何进行管网平差管网平差有下面3中方法（1）解环方程组法 原理：在初步分配流量的基础上，逐步调整管段流量以满足能量方程。,L个非线性的能量方程：,33,初步分配的流量一般不满足能量方程：,34,初步分配流量与实际流量的的差额为q，实际流量应满足能量方程：,35,将函数在分配流量上展开，并忽略高阶微量：,36,方程组左边的第一部分即为我们初分流量时环内正反两个方向水头损失差，称为闭合差：,37,将闭合差项移到方程组的左边，得到关于流量误差（校正流量）的线性方程组：,38,利用线性代数的多种方法可求解出校正流量。因为忽略了高阶项，得到的解仍然不能满足能量方程，需要反复迭代求解，直到误差小于允许误差值。,环方程组解法特点：方程数目少 要求输入的参数的多 适合于手工平差,39,（2）解节点方程组法 原理：在初步拟订节点压力的基础上，逐步调整节点水压以满足连续性方程。节点流量应该满足连续性方程：,40,个连续性方程：,41,一般表达式：,42,初步拟定的水压一般不满足连续性方程：,43,初步拟定水压与实际水压的差额为，实际水压应满足连续性方程：,44,将函数在初拟压力上展开，并忽略高阶微量：,45,方程组的第一部分称为流量闭合差：,46,将闭合差项移到方程组的右边，得到关于水压误差（校正压力）的线性方程组：,47,求解步骤：根据已知节点（控制点和泵站）的水压，初步确定其他各节点的水压；根据流量与水头损失的关系求出各管段的流量；计算各节点的不平衡流量；计算各节点的校正压力；重复第24步直到校正压力符合要求为止。,节点方程组方法的特点：方程数目较多 要求输入的参数较少适合于计算机进行平差,48,（3）解管段方程组法 原理：直接联立求解 J-S 个连续性方程和 L 个能量方程，求出 PL+J-S 个管段流量。具体步骤：对能量方程进行线性化处理；给定流量初值并计算线性系数；解线性方程求出管段流量；根据所得流量计算线性系数并重新求解管段流量直到误差符合要求。,49,连续性方程：,能量方程：,50,将非线形的能量方程转化为线性方程：,51,解管段方程组法特点：未知数多 要求初分流量实际中应用少,52,3.4 哈代-克罗斯法,53,54,忽略相邻环校正流量和二阶微量的影响：,校正流量的符号与水头损失闭合差的符号相反,55,步骤：根据连续性条件初步分配管段流量；计算各管段的水头损失；以顺时针方向为正，逆时针方向为负，计算各环的水头损失闭合差；计算各管段的Sijqij和每一环的Sijqij；计算各环的校正流量；将管段流量加上校正流量重新计算水头损失，直到最大闭合差小于允许误差为止。,56,6.4 管网水力计算,一、枝状管网水力计算,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。,57,（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。,58,二、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。6若h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。,59,6.5 输水管设计,主要内容:1、输水方案2、输水管的形式3、输水管尺寸4、连接管数量,60,一、输水管只起水的输送作用，不向两边配水的管道,原水输水管（渠）清水输水管,61,二、输水方案 输水管必须保证不间断输水平行敷设两条，敷设一条输水管，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。,62,三、输水管的形式压力输水管渠 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。,63,四、输水管尺寸重力输水管由可以利用的水头来确定管径压力输水管按照经济流速或经济管径选取。,64,五、连接管数量,以重力供水时的压力输水管为例 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。如图所示,65,假设输水系统的总流量为Q，平行管线（管径、管长和管材均相同）数为n，则每条输水管的流量为Q/n，如图,若在输水管上等距离地设置m条连接管，输水管被分成m+1段，则正常工作情况下的水头损失为：,式中 s：每一管段的摩阻 s0:输水系统的总摩阻，,66,现假设任一管段损坏时（如图），流量降低为Qa，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：,67,可得出事故时和正常工作时的流量比 R,68,取不同m、n值时的R值,设计时可以根据供水可靠度的要求选择不同的n和m值,69,6.6 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正常水压要求来设计的。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。,70,2、管网校核的内容消防校核：发生火灾的情况下；事故校核：管网前端主要干管发生事故的情况下；最大转输校核：设有对置水塔的管网最大转输的情况下；,71,2.1 消防校核,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。,72,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）,73,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。,74,事故校核的实质 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事故校核,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。,75,事故校核的方法 校核时，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）,76,事故校核的结果 经过校核后不符合要求时，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。,77,2.3.最大转输校核,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。,最高时,转输时,78,最大转输校核的方法 校核时，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：,-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,79,式中 Qzy、Qh分别为最大转输时和最高用水时管网总用水量，L/s；Qzi、Q i 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。,80,最大转输校核的结果 校核不满足要求时，应适当放大从泵站到水塔最短供水路线上管段的管径。,81,6.7 最大闭合差的环校正法和多水源管网平差,1、最大闭合差的环校正法 管网计算过程中，在每次迭代时，可对管网中的各环同时进行校正流量，但也可以只对管网中闭合差最大的一部分环进行校正，称为最大闭合差的环校正法。采用此法可以减少平差工作量。,82,由知，环、和其构成的大环(1-2-3-6-5-4-1)闭合差之间的关系为:,即,由此可知,大环闭合差就等于构成该大环各基环闭合差h的代数和。,83,如图，环和环的闭合差方向相同：,为降低环和环的闭合差，分别对环和环引入校正流量,和,，使环和环的闭合差减小。,但公共管段25由于相互抵消作用，使环和环的闭合差降低幅度减小，平差效率较低。,84,若考虑对环和环构成的大环校正，则多环受益，平差效果好。,如环和环的闭合差方向相反,85,若采用大环平差，则与大环闭合差同号的环闭合差亦随之降低，但与大环异号的环闭合差的绝对值反而增大。因此，相邻基环闭合差异号时，不宜做大环平差。若只对环进行平差，则环闭合差绝对值也减少。因此，相邻各基环闭合差异号时，宜选择其中闭合差较大的环进行平差，不仅该环本身闭合差减小，与其异号且相邻的基环闭合差也随之降低，从而一环平差，多环受益，计算工作量较逐环平差方法为少。如第一次校正并不能使各环的闭合差达到要求，可按第一次计算后的闭合差重新选择闭合差较大的一个环或几个环连成的大环继续计算，直到满足要求为止。,86,6.8 设计成果整理,1、设计说明书 把整个设计计算的过程表述清楚。课程设计：要有单独的设计说明书，而且格式要符合规定 实际工程设计：小工程可以没有单独的设计说明书，但必须有设计施工说明；较大的工程有设计说明书。,87,2、设计图纸 设计成果主要是用设计图纸来体现的。课程设计：给水管网平面图、等水压线图。给水管网平面图上要标明管长、管径。实际工程设计：给水管网总平面图、带状图、等水压线图、管道纵剖面图、节点详图。给水管网总平面图反映出管网的整体布置及其相互连接关系，带状图具体体现管道在街道下面的具体位置。较小的工程给水管网总平面图和带状图可以合并。,88,2.1等水压线图绘制,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。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。,89,90,2）.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0.51.0 m的等高距（水压标高差）推算出各管段上的标高点。在管网平面图，用插值法按比例用细实线连接相同的水压标高点即可绘出等水压线图。水压线的疏密可反映出管线的负荷大小，整个管网的水压线最好均匀分布。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。,91,