给水管网设计与计算教学ppt

第四章 给水管网设计与计算(2）,重要性：管道工程的建设投资占整个给水系统总投资的 6080%，输配水所需的动力费用占给水系统运行总费用的4070%。,给水管网工程设计内容,1）设计用水量、水量调节与设计流量计算；2）管段设计，即确定管段直径；3）设计工况水力分析；4）泵站扬程与水塔高度计算；5）非设计工况水力校核；6）绘制施工图。,7.1 给水管网系统规划布置,给水管网布置原则包括输水管渠和配水管网两大部分。（1）按照城市总体规划，结合当地实际情况布置，进行多方案技术经济比较；（2）分清主次，现搞好输水管渠和主干管布置，然后布置一般管线和设施；（3）尽量缩短管线长度，节约工程投资与运行管理费用；（4）协调好与其他管道、电缆和道路等工程的关系；（5）保证供水具有安全性；（6）尽量减小拆迁，少占农田；（7）管渠的施工、运行和维护方便；（8）近远期结合，留有发展余地，考虑分期实施的可能性。,给水管网布置基本形式,根据管网的布置形式，可分为树状管网和环状管网。,给水管网布置基本形式,树状管网：管径随所供用户的减少而降低，构造简单，投资低，但安全性差，一般用于建设初期。 环状管网：闭合的环，增加了管线的总长度，提高了管线的安全性，投资明显高于树状管网，但大大降低水锤，增加了供水的可靠性。 一般在城镇建设的初期采用树状管网，随着城镇的发展逐渐连成环状管网。在城市的中心布置成环状管网，郊区布置成树状管网。,输水管渠定线,定义：从水源到水厂或水厂到相距较远管网的管、渠叫做输水管渠。 特点：距离长，与河流、高地、交通路线等的交叉较多。中途一般没有流量的流入与流出。 形式：常用的有压力输水管渠和无压输水管渠两种形式。,输水管渠定线原则,必须与城市建设规划相结合，尽量缩短线路长度，减少拆迁，少占农田，便于管渠施工和运行维护，保证供水安全；选线时，应选择最佳的地形和地质条件，尽量沿现有道路定线，以便于施工和检修；减少与铁路、公路和河流的交叉；管线避免穿越滑坡、岩层、沼泽、高地下水位和河水淹没与冲刷地区，以降低造价和便于管理；尽可能重力输水 ;路线的选择应考虑近远期结合和分期实施的可能。,输水管渠流量要求,输水管渠的设计流量，应按最高日平均时供水量加自用水量确定。当长距离输水时，输水管渠的设计流量应计入管渠漏失水量。水厂：Qn=aQd/T a:水厂自用水系数管网：Q=KhQd/T Kh:时变化系数,输水管渠条数,输水干管一般不宜少于两条，并且每隔一定距离设连接管连通。当有安全贮水池或其他安全供水措施时，也可修建一条输水干管。输水干管和连通管管径及连通管根数，应按输水干管任何一段发生保障时仍能通过事故用水量计算确定。城镇的事故水量为设计水量的70%，工业企业的事故水量按有关工艺要求确定。当负有消防给水任务时，还应包括消防水量。,输水方式,水源低于给水区，设泵站；高于给水区，重力输水。优先考虑重力输水，分明渠和暗渠。重力管与压力管相结合。,输水方式,无压输水通常以重力为输水动力，运行费用较低，但管渠的布置受到地形的限制，管渠的断面尺寸以及水流速度会受到水位落差的影响，明渠输水过程中原水可能受到污染。压力输水通常以水泵为动力，运行费用较高，但管道的布置相对来说比较自由，输水过程中原水不会受到污染。,布置的一般要求,输水管之间设立连通管输水管最小坡度大于1：5D,坡度小于1：1000，每隔0.5km1.0km设排气阀重力输水管（渠）应设置检查井和通气孔，DN700以上，小于200m一个； 管径700-1400mm，400m一个。重力输水管（渠），地面坡度较陡时，应在适当位置设置跌水井。压力输水管线，必要时设置消除水锤的措施。压力输水管道上隆起点以及倒虹管的上、下游侧，一般设排气阀。低凹处设置泄水管及泄水阀。,给水管网定线,管网定线是指在供水区域内确定给水干管以及干管之间的连接管的平面位置和走向，不包括从干管到用户的分配管和接到用户的进水管。 影响因素：城市平面布置，供水区域的地形，水源和调节水池位置，街区和用户特别是大用户的分布，河流、铁路、桥梁的位置等。,给水管网定线原则,干管延伸方向应和二级泵站输水到水池、水塔、大用户的水流方向一致。循水流方向，以最短的距离布置一条或数条干管，干管应从用水量较大的街区通过。 干管一般按城市规划道路定线，但尽量避免在高级路面或重要道路下通过。管线在道路下的平面位置和标高，应符合城市地下管线综合设计的要求，给水管线和建筑物、铁路以及其它管道的水平净距，均应符合有关规定。,给水管网定线要求,管网可采用树状网和若干环组成的环状网相结合的形式，管线大致均匀地分布于整个给水区。 干管的间距采用500800m。 连接管的间距可根据街区的大小考虑在8001000m左右。 分配管直径至少为100mm，大城市采用150200mm。 城镇生活饮用水的管网，严禁与非生活饮用水的管网连接，也严禁与各单位自备的生活饮用水供水系统直接相连。,干管：输水功能，直径100mm以上，大城市200mm以上配水管最小管径要求：小城市75-100mm，中等城市100-150mm，大城市150-200mm管网水压（自由水头）：一层建筑10m,二层12m，三层以上每层增加4m，一般控制最不利点24m，较高建筑自设增压。,城市给水管网布局,城市给水管网敷设要求,敷设要求一般在人行道或非机动车道下一般深度1米左右考虑冰冻线问题和地下水深度问题,城市给水管网敷设要求,敷设要求一般在人行道或非机动车道下一般深度1米左右考虑冰冻线问题和地下水深度问题按照主流向平行布置干管干管尽量避免重要道路下铺设考虑分期建设和发展余地,城市给水管网管径测算,管径的计算与估算总体规划阶段的管径估算原水管道水厂供水总管给水干管详细规划阶段的管径计算枝状管网的管径计算环状管网的管径计算,城市给水管网管径测算,流量、流速与管径的关系100mm3-6L/s200mm18-30L/s300mm50-70L/s400mm110-160L/s500mm200-280L/s600mm280-380L/s800mm500-630L/s1000mm780-1100L/s,城市消防给水管网规划,消防供水管网独立的城市或小区消防供水管网合用的消防供水管网消防栓最小的连接管径水压的要求,城市给水管网材料,管道材料钢管或夹砂玻璃钢管 800混凝土管 3001200铸铁管 800塑料管（PE、UPVC）PE50 UPVC300,上海市供水系统,扩建长江陈行水库、建设长江青草沙水库，调整黄浦江上游水源地供水范围基本形成 “两江并举、多源互补”的水源地格局 。2010年全市供水总能力达到约1260万立方米/天，市区四大供水公司供水总能力达到800830万立方米/天。郊区水厂规划供水总能力达到约430万立方米/天。归并约100座乡镇水厂，形成集约化供水框架。逐步完成郊区水厂供水水质的达标改造。,1.4 给水排水管网系统类型与体制,给水管网系统类型按水源数目分类分：1）单水源给水管网系统 2）多水源给水管网系统,给水管网系统类型,按系统构成方式分类：（1）统一给水系统 根据生活饮用水水质标准，由同一管网供给生活、生产和消防用水到用户的给水系统。 特点：所有用户用一个管网，一个水处理系统； 造价低，运行费用高，会造成浪费。 多用于用户集中，对水质、水压无特殊要求或相差不大、地势比较平坦、建筑层数差异不大的情况。,（2）分质供水系统,取水构筑物从同一水源或不同水源取水，经过不同程度的净化过程，用不同的管道、分别将不同的水质供给各个用户的给水系统。,（2）分质供水系统,工业用水、生活用水分质饮用水、杂用水分质直接饮用水占管网12；优质优用有限水资源；可节省净水处理费用。但每一种水质要有独立的管网，多套管网造价高，管理复杂。在水资源紧缺的新建居住区、工业区、海岛地区可以考虑应用。,（3）分区给水系统把城市整个给水系统分为几个区，每区有泵站和管网等，各区之间有适当的联系，以保证供水可靠和调度灵活。,（3）分区给水系统给水区域大、地形起伏、远距离输水，分为并联分区和串联分区两种基本形式。并联分区：由同一泵站内的低压和高压水泵分别供给低区和高区用水。供水安全可靠，水泵集中；管理方便，但管网造价高，需要高压输水管。串联分区：高低两区用水均由低区泵站供给，高区用水再由高区水泵加压。管网造价低，但供水安全、可靠性较差，水泵站分散，管理不便。,供水区域较大，回落地形狭长，不同用户对水压要求不同，是由同一泵站内不同水泵分别供水到高压和低压管网。管网压力适宜，动力消耗低，供水安全。,（4）分压给水系统,（5）循环和循序给水系统在工业生产中，所产生的废水经适当处理后可以循环使用，或用作其他车间和其他工业部门的生产用水。污水循环回用，清洁生产。,（6）区域性给水系统由于水源受到污染，几个城市集中在上游取水，沿线分别供水。对于城市化水平高的区域适用，并能发挥规模效应，降低成本。,给水管网计算步骤,1、求沿线流量和节点流量；2、求管段计算流量；3、确定各管段的管径和水头损失；4、进行管网水力计算和技术经济计算；5、确定水塔高度和水泵扬程。,设计流量分配与管径设计,用水流量分配为进行给水管网的细部设计，必须将总流量分配到系统中去，也就是将最高日用水流量分配到每条管段和各个节点上去。,集中流量：从一个点取得用水，用水量较大的用户。分散流量：沿线众多小用户用水，情况复杂。,1 节点设计流量分配计算,集中流量：,qni 各集中用水户的集中流量，L/s；Qdi各集中用水户最高日用水量，m3/d；Khi时变化系数。,根据实际管网流量变化情况设计管网非常复杂，加以简化。提出比流量，沿线流量，节点流量的概念。,比流量：为简化计算而将除去大用户集中流量以外的用水量均匀地分配在全部有效干管长度上，由此计算出的单位长度干管承担的供水量。长度比流量：面积比流量：,沿线流量：干管有效长度与比流量的乘积。,l:管段配水长度，不一定等于实际管长。无配水的输水管，配水长度为零；单侧配水，为实际管长的一半。,节点流量：从沿线流量计算得出的并且假设是在节点集中流出的流量。,按照水力等效的原则，将沿线流量一分为二，分别加在管段两端的节点上；集中流量可以直接加在所处的节点上；供水泵站或水塔的供水流量也应从节点处进入管网系统,例5-1 图5-6所示管网，给水区的范围如虚线所示，比流量为qs，求各节点的流量。,因管段8-9单侧供水，求节点流量时，将管段配水长度按一半计算。,解: 以节点3、5、8、9为例，节点流量如下：,例： 某城镇给水环状网布置如图所示，全城最高日最高时总用水量315m3/h，其中包括工厂用水量50m3/h，管段68和89均只在单侧有用户。计算最高日最高时单位管长比流量、沿线流量和节点流量。,1,4,2,9,5,水厂,7,8,6,3,工厂,880,640,710,540,520,620,520,560,580,920,890,解： 工厂的集中流量作为在其附近的节点4配出。管段68和89均只在单侧有用户。各管段配水长度如表所示。 全部配水干管总计算长度为6690m，该管网最高日最高时的总用水量为： Q-q=(315-50) 1000/3600=73.6(L/s) 管长比流量qs为： Qs=73.6/6690=0.011(L/s.m),表5-1 某城镇管网各管段最高日最高时沿线流量,表5-2 某城镇管网最高日最高时各节点流量,1,4,2,7.54,9,5,水厂,7,8,6,3,工厂,（13.89）,10.72,10.51,7.98,9.63,11.22,7.42,1.54,880,640,710,540,520,620,520,560,580,920,890,管段设计流量分配计算,管段设计流量是确定管段直径的主要依据。求得节点流量后，就可以进行管网的流量分配，分配到各管段的流量已经包括了沿线流量和转输流量。,1、 单水源树状网树状管网的管段流量具有唯一性，每一管段的计算流量等于该管段后面各节点流量和大用户集中用水量之和。,8,6,14,27,33,3,4,12,17,7,26,2,34,77,5,环状管网满足连续性条件的流量分配方案可以有无数多种。,2、环状网,环状网在初次分配流量时，应遵循以下原则：(1)从水源或多个水源出发进行管段设计流量计算，按水流沿最短线路流向节点的原则拟定水流方向； (2)当向两个或两个以上方向分配设计流量时，要向主要供水方向或大用户用水分配较大的流量，向次要用户分配较少的流量；(3)顺主要供水方向延伸的几条平行干管所分配的计算流量应大致接近；(4)应满足节点流量平衡条件，每一节点进、出流量平衡Q=0。,管段直径设计,管径和设计流量的关系：D管段直径，m； q 管段流量，m3/s； v 流速，m/s； A 水管断面积，m3。确定管径必须先选定设计流速。,设计流速的确定,技术上：为防止水锤现象，Vmax0.6m/s。 经济上：设计流速小，管径大，管网造价增加； 水头损失减小，水泵扬程降低，电费降低。一般设计流速采用优化方法求得。 合理的流速应该使得在一定年限（投资偿还期）内管网造价与运行费用之和最小。,投资偿还期内的年度总费用为：,一定年限T年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。经济流速和经济管径和当地的管材价格、管线施工费用、电价等有关。条件不具备时，可参考：,6.3 泵站扬程与水塔高度设计,设计流量经济流速管径确定压降确定控制点确定泵站扬程和水塔高度确定树枝状管网设计流量不会因管径选择不同而改变；环状网中，管径根据初次流量分配确定，管网流量按管网水力特性进行分配。,设计工况水力分析,设计工况即最高日最高时用水工况。管段流量和节点水头最大，用于确定泵站扬程和水塔高度。 水力分析：确定设计工况时管道流量、管内流速、管道压降、节点水头和自由水压。 水力分析前需进行预处理1）泵站所在的管段暂时删除 水力分析前提：水力特性必须已知。 泵站水力特性未知，泵站设计流量合并到与之相关联的节点中。,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,（6）,（7）,（8）,1,9,8,7,6,5,4,3,2,Q7,Q3,Q2,Q1,Q4,Q5,Q6,Q8,q1,h1,q6,h6,q5,h5,q2,h2,q3,h3,q7,h7,q8,h8,q9,h9,q4,h4,节点（7）为清水池，管段1上设有泵站，将管段1删除，其流量合并到节点（7）和（1）：,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,（6）,（7）,（8）,9,8,7,6,5,4,3,2,Q7+q1,Q3,Q2,Q1-q1,Q4,Q5,Q6,Q8,q6,h6,q5,h5,q2,h2,q3,h3,q7,h7,q8,h8,q9,h9,q4,h4,2）假设控制点,水力分析前提，管网中必须有一个定压节点。 节点服务水头：节点地面高程加上节点处用户的最低供水压力。 规定：一层楼10m，二层楼12m，以后每增一层，压力增加4m。 控制点：给水管网中压力最难满足的节点，其节点水头可作为定压节点。,控制点的选择,一般离泵站最远，地势最高的节点为控制点。可先随意假定，水力分析完成后，通过节点自由水压比较，找到真正的控制点。,例6.5 某给水管网如图所示，水源、泵站和水塔位置标于图中，节点设计流量、管段长度、管段设计流量等数据也标注于图中，节点地面标高及自由水压要求见表。1）设计管段直径；2）进行设计工况水力分析；3）确定控制点。,（2）,（3）,（4）,（6）,（7）,（8）,H1=12.00（1）清水池,水塔（5）,1320,9490,8590,7360,6,5,4270,3550,2650,-194.35,20.77,51.17,14.55,35.03,82.33,27.65,-37.15,-194.35,32.46,89.9,89.9,6.27,22.63,54.87,5.00,37.15,泵站,管网设计工况水力分析,给水管网设计节点数据,解 1）管段直径设计（如下表）经济流速选择考虑,给水管网设计数据,2）设计工况水力分析,将管段1暂时删除，管段流量并到节点（2）上的Q2=-194.35+14.55=-179.8（L/s）假定节点（8）为控制点水头损失采用海曾-威廉公式CW=110,设计工况水力分析计算结果,3）确定控制点,节点（3）、（4）、（6）、（7）压力无法满足服务水头要求，节点（3）和要求自由水压差值最大，所以控制点为节点（3），应根据节点（3）自由水压重新进行水力分析。,控制点确定与节点水头调整,泵站扬程设计,完成设计工况水力分析后，泵站扬程可以根据所在管段的水力特性确定。泵站扬程计算公式：,Hfi泵站所在管段起端节点水头Hti终端节点水头hfi沿程水头损失hmi局部水头损失局部损失可忽略不计，上式也可写为：,（2）,（3）,（4）,（6）,（7）,（8）,H1=12.00（1）清水池,水塔（5）,1320,9490,8590,7360,6,5,4270,3550,2650,-194.35,20.77,51.17,14.55,35.03,82.33,27.65,-37.15,-194.35,32.46,89.9,89.9,6.27,22.63,54.87,5.00,37.15,泵站,管网设计工况水力分析,泵站扬程计算1,例6.6 采用例6.5数据，节点（1）处为清水池，最低设计水位标高为12m，试根据设计工况水力分析的结果，借1上泵站的设计扬程并选泵。,解水泵扬程为（忽略局部水头损失）：,考虑局部水头损失：水泵吸压水管道设计流速一般为1.22.0m/s，局部阻力系数可按5.08.0考虑，沿程水头损失忽略不计，泵站内部水头损失为：则水泵扬程应为：Hp=41.35+1.63，取43m；按2台水泵并联工作，单台水泵流量为：Qp=194.35/2=97.2(m/s)=349.8（t/h)，取350t/h。查水泵样本，选型。,（2）,（3）,（4）,（6）,（7）,（8）,H1=12.00（1）清水池,水塔（5）,1320,9490,8590,7360,6,5,4270,3550,2650,-194.35,20.77,51.17,14.55,35.03,82.33,27.65,-37.15,-194.35,32.46,89.9,89.9,6.27,22.63,54.87,5.00,37.15,泵站,管网设计工况水力分析,泵站扬程计算2,（1）管网定线（2）计算干管的总长度（3）计算干管的比流量（4）计算干管的沿线流量（5）计算干管的节点流量（6）定出各管段的计算流量 树状网：管段流量等于其后管段各节点流量和 环状网：根据一定原则先人为拟定,总结：给水管网设计和计算的步骤,（7）根据计算流量和经济流速，选取各管段的管径（8）根据流量和管径计算各管段压降（9）确定控制点，根据管道压降求出各节点水头和自由水压。树状网：根据流量直径计算压降。环状网：若各环内水头损失代数和（闭合差）超过规定值，进行水力平差，对流量进行调整，使各个环的闭合差达到规定的允许范围内。（6）（9）列水力分析计算表（10）确定水泵扬程和水塔高度,某城市供水区用水人口5万人，最高日用水量定额为150/(人)，要求最小服务水头为16。节点接某工厂，工业用水量为4003/，两班制，均匀使用。城市地形平坦，地面标高为5.OO。,练习1 树枝网水力计算,1总用水量 设计最高日生活用水量： 500000.157500m3/d86.81L/s 工业用水量： 4001625m3/h6.94L/s 总水量为： Q86.816.9493.75L/s 2管线总长度：L2425m，其中水塔到节点0的管段两侧无用户不计入。 3比流量： (93.756.94)24250.0358L/s,4沿线流量：,5节点流量：,6干管水力计算：,选定节点8为控制点，按经济流速确定管径（可以先确定管径，核算流速是否在经济流速范围内）。,7支管水力计算：,8确定水塔高度,水泵扬程：需要根据水塔的水深、吸水井最低水位标高、水泵吸水管路和压水管水头损失计算确定。,练习2 树枝网水力计算,已知树状网各管段长度，各节点流量和高程，设水厂供水水压按满足3层楼用水考虑，应满足自由水头He16m。水厂二级泵站泵轴高程Zp为42.08m，水泵吸程（吸水高度Hs吸水管水头损失hs）为4.0m，求二级水泵扬程。,1,7,6,5,4,3,2,5.6,680,5.4,16.6,6.2,15.8,5.3,11.1,600,710,620,580,640,520,水厂,图5-13 某树枝网节点流量、管段长度,表5-6 某树枝网各节点地表高程,7,解（1）管网定线（已知）（2）计算干管的总长度（略）（3）计算干管的比流量（略）（4）计算干管的沿线流量（略）（5）计算干管的节点流量（已知）（6）定出各管段的计算流量（7）根据计算流量和经济流速，选取各管段的管径（8）根据流量和管径计算各管段压降（9）确定4为控制点，根据管道压降求出各节点水头和自由水压。 （6）-（9）见水力计算表,设计工况水力分析计算结果,节点（4）水头=16+44.69节点（3）水头=16+44.69+10.58=71.27自由水压=71.27-43.88=27.39（10）二级泵站水泵扬程 79.42-42.08 3.16+4.0 44.5（m),已知某城镇给水管网最高用水时流量Qh=200L/s。各节点流量、各管段长度见附图，单位分别为：米，升/秒。经济管径可参考表1选取。试列表计算各管段的管径和流量。（只要求算到第二次分配各管段的流量，即可结束计算）。,1,3,50l/s,2,4,表1 界限流量表,200l/s,60l/s,30l/s,60l/s,练习3 环状管网水力计算,答：因为分配初始流量有无数各方案，所以该题要求能正确分配初始流量，确定管径，计算各管段水头损失，环闭合差和环校正流量，能正确调整各管段的流量。以下为一个例子：,1,3,50l/s,2,4,200l/s,60l/s,30l/s,60l/s,70,30,80,30,10,6.4 管网设计校核,给水管网按最高日最高时设计，能满足一般供水要求，但须对特殊工况进行水力校核 两种校核方法：水头校核法，流量校核法。 校核工况包括： 1）消防工况校核 2）水塔转输工况校核 3）事故工况校核,消防时 根据城镇和各类建筑的规模，确定同一时间发生的火灾次数以及一次灭火用水量。按照满足最不利