给水管网设计

给水管网设计第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。干管的配水情况如图6-3所示。分配管q1q3Q1q5q1’q3’q5’q7’BAq2q2’q4’q6’q4Q2q6图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q1′、q2′、q3′等外，还要供给分配管流量q1、q2、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q1′、q2′……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qs[L/(s·m)]。qs可按下式计算：LQQqis__(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q1′、q2′……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：AQQqiA__(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，如图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。图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，则任一管段的沿线流量qy(L/s)可按下式计算：isyLqq(6-4)或iAyAqq(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、节点流量管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：yzsifqqq(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。图6-5管段输配水情况因此管网任一节点的节点流量为：yiqq5.0(6-7)即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qcb或qmb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：isiLqq5.0(6-8)或iAiAqq5.0(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284.7L/s，其中集中供应工业用水量为189.2L/s。干管各管段编号及长度如图6-6所示，管段4-5、1-2及2-3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。绿地居住区1500475657566居住区居住区8201工厂2绿地3图6-6节点流量计算（单位：m）[解]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，其计算长度为零，4～5、1～2、2～3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：mmmmL4350382075637565.02．配水干管比流量：msLmsLsLqs./0219.04350/2.189/7.284_居住区820居住区820756756二泵站3．沿线流量：管段1-2的沿线流量为：sLmmsLLqqs/3.87565.0./0219.02121各管段的沿线流量计算见表6-1。各管段的沿线流量计算表6-1管段编号管段长度/m管段计算长度/m比流量/L·s－1·m－1沿线流量/L·s－11-27560.5×756＝3780.02198.32-375605×756＝3788.31-482082018.02-582082018.03-682082018.04-57560.5×756＝3788.35-675675616.6合计──435095.54.节点流量计算：如节点5的节点流量为：sLsLsLsLqqqqql/6.21)/0.18/6.16/3.8(5.0)(5.05.02565545各节点的节点流量计算见表6-2。各管段节点流量计算表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－111-4、1-20.5(18.0+8.3)＝13.1189.2202.321-2、2-5、2-30.5（8.3＋18.0＋8.3）＝17.3──17.332-3、3-60.5（8.3＋18.0）＝13.1──13.141-4、4-50.5（18.0＋8.3）＝13.1──13.154-5、2-5、5-60.5（8.3＋18.0+16.6）=21.6──21.663-6、5-60.5（18.0＋16.6）＝17.3──17.3合计──95.5189.2284.7将节点流量和集中流量标注于相应节点上，如图6-7。13.121.617.345613.117.3二泵站13.11189.223图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：0ijiqq（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：55~4qq；1010~8qq；10985443qqqqqqq69q96q8q10q2q3810q4q5123457q7图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Qq1~0（泵站供水流量），流出节点1的流量有q1、q1～2、q1~5和q1~7，由公式（6-11）得：07~15~12~11qqqqQ泵站或7~15~12~11qqqqQ2q23q34q4016q6Qq9789图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q1~2、q1~5、q1~7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