给水管网水力计算基础

给水管网水力计算基础

为了向更多的用户供水，在给水工程上往往将许多管路组成管网。管网按其形状可分为枝状[图1(a)]和环状[图1(b)]两种。

管网内各管段的管径是根据流量Q 和速度v 来决定的，由于v d Av Q )4/(2

π==所以管径v Q v Q d /13.1/4==

π。但是，仅依靠这个公式还不能完全解决问题，因为在流

量Q 一定的条件下，管径还随着流速v 的变化而变化。如果所选择的流速大，则对应的管径就可以小，工程的造价可以降低；但是，由于管道内的流速大，会导致水头损失增大，使水塔高度以及水泵扬程增大，这就会引起经常性费用的增加。反之，若采用较大的管径，则会使流速减小，降低经常性费用，但反过来，却要求管材增加，使工程造价增大。

图 1管网的形状

(a)枝状管网；(b)环状管网

因此，在确定管径时，应该作综合评价。在选用某个流速时应使得给水工程的总成本(包括铺设水管的建筑费、泵站建筑费、水塔建筑费及经常抽水的运转费之总和)最小，那么，这个流速就称为经济流速。

应该说，影响经济流速的因素很多，而且在不同经济时期其经济流速也有变化。但综合实际的设计经验及技术经济资料，对于一般的中、小直径的管路，其经济流速大致为：

——当直径d ＝100~400mm ，经济流速v ＝0.6-1.0m/s ； ——当直径d>400mm ，经济流速v=1.0~1.4m/s 。

一、枝状管网

枝状管网是由多条管段而成的干管和与干管相连的多条支管所组成。它的特点是管网内任一点只能由一个方向供水。若在管网内某一点断流，则该点之后的各管段供水就有问题。因此供水可靠性差是其缺点，而节省管料，降低造价是其优点。

技状管网的水力计算．可分为新建给水系统的设计和扩建原有给水系统的设计两种情况。

1．新建给水系统的设计

对于已知管网沿线的地形资料、各管段长度、管材、各供水点的流量和要求的自由水头(备用水器具要求的最小工作压强水头)，要求确定各管段管径和水塔水面高度及水泵扬程的计算，属于新建给水系统的设计。

自由水头由用户提出需要，对于楼房建筑可参阅下表。

建筑物层数 1 2 3 4 5 6 7 8 自由水头Hz （m ）

10

12

16

20

24

28

32

36

这一类的计算，首先应从各管段末端开始，向水塔方向求出各管段的流量，然后选用经

济流速确定出对应的管径d 。定出管径后，就可用公式20lQ S h f =计算出各管段水头损失。最后计算出从水塔到控制点(管网的控制点是指在管网中水塔至该点的水头损失，地形标高和要求作用水头三项之和为最大值之点)的总水头损失∑f

h

，于是水塔高度H t (图2)可按下

式求得：∑-++=

t z f

t z z H h

H 0

式中 H z ——控制点的自由水头；

z 0——控制点地形标高； z t ——水塔处的地形标高；

∑f

h

——从水塔到管网控制点的总水头损失。

2．扩建给水系统的设计

对于已知管网沿线地形、各管段长度、管材及各供水点需要的流量与自由水头，在水塔已建成的条件下，确定扩建管段管径的计算。这一类就属于扩建给水系统的设计。

扩建给水系统的计算原则是：要充分利用已有的作用水头。即不是通过经济流速，而是通过已知的作用水头H 、流量Q 、管路长度l 等来确定管径d 。

具体步骤为：根据已知条件，算出该管路的平均水力坡度J (即单位长度水头损失)： ∑--+=

l

h z z H J z

t t )(0

计算出平均水力坡度后，根据公式20Q S J =，求出S 0，再查表，选择管径d 。由于管径的选择不可能恰好等于标准管径，所以在选择时．可选一部分管径的比阻大于算出S 0值，一部分则小于算出的S 0值。通过串联管路计算，使这些管段的组合恰好在给定水头下通过指定的流量。

[例1] 一枝状管网，自水塔0向各用水点供水(图3)。采用铸铁管，各管段的管长列于下表。已知水塔处地面标高、4和7点处的地面标高均为70.0m ，4和7点处要求自由水头Hz ＝12m 。求各管段的直径、水头损失及水塔的高度。

图2水塔高度计算示意图 图3 水塔向各用水点供水示意图 解 (1)根据经济流速选择各管段的直径。

对于3－4管段，Q ＝25L/s ，若采用经济流速v ＝1m/s ，则管径为

m v Q

d 178.01

025

.044=⨯⨯==

ππ

采用标准管径d ＝200mm ，此时管中的实际流速为：

s m d Q v /8.02.0025

.0442

2=⨯⨯==

ππ 查表，得6

20/029.9m s S =。由于速度s m s m v /2.1/8.0<=，水流在过渡区，S 0值需要

修正。查表，得修正系数K ＝1.06，则管段3—4的水头损失为： m lQ KS h f 09.2025.0350029.906.122043=⨯⨯⨯==-

其他各管段的计算类似上面的计算步骤，现列入下表。

(2)计算水塔的高度时，先确定管网中的控制点。比较从水塔到管网最远的用水点4和7的水头损失，分别为： 控制点4：m h h h h h

f f f f f 70.727.231.103.209.2102132434

0=+++=+++=-----∑ 控制点7：m h h h h h

f f f f f 94.727.290.099.078.3105165767

0=+++=+++=-----∑

由于

∑∑-->407

0f f h h

，而点4和点7的自由水头、地形标高都相等，所以点7为该管网

的控制点，则水塔的高度为： m Hz h

H f 94.191294.77

0=+=+=

∑-

如果说

∑-7

0f h

远大于

∑-4

0f h

的话，则可以分析更改0-4管线的管径(某段管径可适当减

小，但总水头损失一船不可超过0-7管线上的水头损失)，以做到经济合理。

二、环状管网

图1（b ）为一环状管网，环状管网是由多条管段相互连接成闭合形状的管道系统，特点是管网的任一点均可由不同方向供水，提高了供水的可靠性，还可减轻因水击现象而产生的危害。但环状管网增加了管道总长度，使管网的造价增加。

通常环状管网的布置、各管段的长度l 和各节点流出的流量为已知。因此，环状管网水力计算主要是确定各管段通过的流量Q 和管径d ，从而求出各段的水头损失和确定水塔的高度。

首先要解决的问题是确定管径和通过流量问题。管径可由通过流量与选定的经济流速确定，而通过流量再节点流量已知的情况下也可以由不同的分配。因此，与管段数相等的通过