管道输水灌溉工程设计

中国水利水电科学研究院刘群昌E mail liuqc 电话管道输水灌溉工程 第一讲技术发展第二讲工程规划第三讲工程设计第四讲管材附属设备第五讲施工安装第六讲工程设计中应注意的问题 一 管道输水灌溉技术简述 第一讲管道输水灌溉技术的发展 所谓管道输水 是指以管道代替明渠的一种输水工程措施 通过一定的压力 将灌溉水由分水设施输送到田间 可直接由管道分水口分水进入田间沟 畦 或在分水口处连接软管输水进入沟 畦 其特点是出水口流量较大 出水口所需压力较低 管道输水具有节水 省时 省工 省地 灌水及时 增产增效 省电 便于管理和机耕等优点 我国目前采用的管道输水一般是指低压管道输水灌溉系统 实际上 喷灌 微灌都离不开管道输水 1 定义 低压管道输水灌溉工程 由自然落差或水泵加压形成的有压水流 通过压力管网送至田间出水口 进行地面灌溉的工程 给水栓流量大 出口压力2 3m 喷灌 由自然落差或水泵加压形成的有压水流 通过压力管网送至田间喷头 以均匀喷洒形式进行灌溉的工程 喷头流量大于等于250L h 工作压力大于10m 微灌工程 由自然落差或水泵加压形成的有压水流 通过压力管网送至田间专门的微灌水器以水滴 细小水流形成湿润作物根部附近土壤的灌溉工程 灌水器流量小于250L h 灌水器工作水头5 10m 2 低压管道输水灌溉与喷灌 微灌的区别 第一讲管道输水灌溉技术的发展 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 输配水方式 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 第一讲管道输水灌溉技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 管道输水灌溉系统的类型 4 管道输水灌溉的优点 1 节水管道输水系统可以减少渗漏和蒸发损失 提高水的有效利用率 各地井灌区低压管道输水灌溉的实践表明 一般可比土渠输水节约水量30 左右 是一项有效的节水灌溉工程措施 2 输水快和省时 省力管道输水灌溉是在一定压力下进行的 一般比土渠输水流速大 输水快 供水及时 有利于提高灌水效率 适时供水 节约灌水劳力 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 3 减少土渠占地以管代渠在井灌区一般可比土渠减少占地2 左右 对于我国土地资源紧缺 人均占有耕地不足1 5亩的现实来说 这是一个很大的社会和经济效益 其意义极为深远 4 节能用管道输水灌溉 比土渠输水多消耗一定能耗 但通过节水 提高水的有效利用率所减少的能耗 一般可节省能耗20 一25 5 灌水及时促进增产增收管道输水灌溉 减少水量损失 同时改善了田间灌水条件 缩短了轮灌周期 从而有效地满足了作物生长的需水 可收到增产增收的效果 另外 采用管道输水 还便于管理便于机耕 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 5 管道系统组成 低压管道输水灌溉系统 根据各部分承担的功能由 水源 输水管道 给配水装置 出水口 给水栓 安全保护设施 安全阀 排气阀 田间灌水设施等部分组成 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 5 管道系统组成 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 5 管道系统组成 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 5 管道系统组成 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 5 管道系统组成 对于自流灌区 由于水源工程的类型 水库 蓄水池 渠道 山泉溪水等 不同 取水设施的形式也不同 从渠道取水 取水设施包括进水闸 拦污栅 量水堰 沉沙池 压力管道 进口部分组成 在进水闸和沉沙池前设置拦污栅 以防渠中杂物进入 管道进口还设置了拦物笼罩 再次防止细的杂物进入管道 沉沙池主要沉淀颗粒较大的推移质泥沙进入管道 池子定期人工清洗 冬季排水以防冻胀破坏 起沉沙和稳定水位作用 这是一种开敞式取水 适用于水源中杂草和泥沙含量较大的特点 当然 可根据水源情况采用较简单的进水口设施 例如 在某自压管道输水灌溉工程中 由于渠道水源来自水库 杂草 泥沙含量少 将管段直接地埋穿过渠岸 有压取水 这种方式只需设置进水控制闸门 从而降低了工程投资 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 6 国外管道输水灌溉技术发展现状及趋势 管道输水灌溉具有成本低 节水明显 管理方便等特点 是世界上应用较为普遍的节水灌溉技术之一 已成为许多发达国家进行灌区技术改造的一个方向性技术措施 外一些国家从20世纪50年代以来 低压管道输水技术就已得到广泛的应用 特别是70年代以来 随着塑料管道的广泛应用 更加速了低压管道输水灌溉的推广 相应的制管新技术 水力学理论和结构设计方法日渐成熟 施工安装和运行管理都有成熟的经验 世界灌溉发展 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 主要国家低压管道输水灌溉发展情况1000hm2 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 美国在20世纪五十年代 为解决西部缺水和劳动力不足问题 就已较广泛应用低压管道输水灌溉系统进行地面灌溉 经过数十年的推广发展 低压管道输水灌溉面积占到总灌溉面积的一半以上 目前 干旱地区的英皮尔灌区 盐河灌区等比较先进的灌区 支渠以下的输水系统已大部分埋设地下管道 并设有排水系统 灌溉排水各成系统 灌水效率和灌溉效益都较高 如美国加州的圣华金河谷灌区气候干早 年平均降水量152 180mm 全灌区一半种棉花 其余种葡萄 甘蔗 玉米 苜蓿等作物 控制灌溉面积24 7万hm2 输水系统早已实现管道化 埋设地下管道总长度为1920km 平均每亩灌溉定额为400m3 管道输水效率达97 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 日本是较早实施管道化输水的国家之一 输水管道化经历了四个阶段 第一阶段为60年代前 开始在平原地区推行灌溉农渠管道化 一般通过水泵加压方式供水 第二阶段为70年代 支渠开始部分管道化 一般在平原和丘陵区进行 第三阶段 80 90年代 下游干渠开始管道化 截至1990统计 全日本发展输水渠 管 道180 5Km 其中输水管道占60 2 明渠占39 8 第四阶段 90年代以后 开始在国内小型灌区进行输水全部管道化 大型灌区在部分干渠开始管道化 日本的管道系统主要采用混凝土管 预应力混凝土管 石棉水泥管 铸铁管 钢管和强化塑料管 最大管径已达2000mm 为了有利于管道输水灌溉的实施 日本于1973年3月制定了输水管道的设计标准 1977年10月对该设计标准进行了修订 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 经过十几年的进一步发展 目前世界发达国家最新的研究已将计算机技术 自动控制技术 信息技术 3S GIS RS GPS 等技术应用于管道输水灌溉工程规划设计及管理 实现集信息采集 处理 决策 信息反馈 监控为一体的调度系统 低压管道输水灌溉技术正在朝着自动化 信息化 智能化方向发展 在管材开发中积极探索新的途径以降低管材生产成本 增强管材强度 增大管材口径 并向复合型材料方向发展 第一讲管道输水灌溉工程技术的发展 第一讲低压管道输水灌溉工程技术的发展 7 国内低压管道输水灌溉技术发展现状 我国自五十年代开始尝试低压管道输水灌溉技术的开发应用 进入80年代后 随着我国北方水资源供需矛盾的日益加剧和农村经济的发展 经过 七五 对关键技术的联合攻关 以井灌区为重点的低压管道输水灌溉技术得到迅速推广和应用 截至2008年底 全国管道输水面积8800万亩 占节水灌溉面积的29 喷灌面积4200万亩占14 微灌面积1900万亩 占6 渠道防渗面积1 57亿亩 占51 管道输水面积8800万亩占29 截止2008年底 节水灌溉面积达到3亿亩 占灌溉面积的33 第二讲管道输水工程的规划 管道输水工程规划须与当地农业区划 农业发展计划 水利规划及农田基本建设规划相适应 近期需要与远景发展规划相结合 系统运行可靠 运行管理方便 综合考虑管道系统各部分之间的联系 取得最优化方案 8 管道输水工程的规划布局的原则 9 管道输水工程的规划内容 确定适宜的引水水源和取水工程的位置 规模及形式论证管网类型 研究管网中管道线路的走向和布置拟定可供选择的管材 管件 给水栓 保护装置 控制闸门等设施的系列范围 第二讲管道输水工程的规划 10 规划步骤 调查收集规划前所需要的资料 并应进行核实和分析 进行水量平衡分析 确定管道输水灌溉区规模 实地勘测并绘制规划区平面图 在图中标明沟 渠 路 林及水源的位置和高程等 确定取水工程位置 范围和形式 进行田间工程布置 确定管网形式和畦田规格 根据管网类型 给水栓位置 选择适宜的管网线路 确定保护设施及其他附属建筑物位置 汇总管网各级管道长度 给水栓 保护设施 连接管件及其他附属建筑物的数量 选择适宜的管材 给水分水装置及保护设施 提供的规划成果 第二讲管道输水工程的规划 11 规划所需基本资料 基本资料的收集及有关技术参数的选用 是搞好工程系统规划的前提 要求做到准确可靠 必要时应对有关数据进行观测 试验和分析论证 资料包括 地形地貌 农业气象 灌溉水源 土壤及土壤特性 土地利用现状 水利工程设施状况 管材管件资料 社会经济等 第二讲管道输水工程的规划 12 为何要重视管道布置 L1 1973m L2 1682m L1 L2 291m 可节省管道长度14 75 第二讲管道输水工程的规划 13 管网布置的方法 管网布置的目标函数是年费用最低 各项技术经济指标处于较理想的数值 方案分析方法的具体步骤是 综合分析原始资料 经过充分协商 初步选定若干个布置方案 进行不同布置方案的工程量 投资 年运行费计算和相关节水 省工 省电 省地等效益分析计算 分析确定优化布置方案 进行典型地块布置 进行全区工程总体布局 第二讲管道输水工程的规划 1 方案分析法 13 管网布置的方法 管道经济布置的具体方法是 首先根据图论理论 将水源至各给水栓之间用最短的管线连接起来 构成最小生成树 再采用费尔马点法进行修正 最后视条件情况决定是否采用环状管网 第二讲管道输水工程的规划 2 经济布置法 3 管道布置优化的120 规划相比最小生成树法 120 规划更具优点 它可以求得各节点连接的最短路线 而不仅是相邻节点的最短连接 通过增加节点 使得该节点到相邻几点 一般为三点或四点 的矢量和为0 从而实各节点之间的最优化连接 确定管线布置 14 管道系统布置的基本原则 井灌区的管网一般以单个井为单元进行布置 在井群统一管理调度情况下 也可以采用多井汇流方式 但应进行充分的技术经济论证 渠灌区应根据地形条件 地块形状及水源位置和作物布局 灌溉要求等分区布置管网 尽量将供水压力接近的地块划分在同一分区 应根据水源位置 机井位置或管网入口位置 地块形状 种植方向及原有工程配套等因素 通过比较 确定采用树状管网或环状管网 第二讲管道输水工程的规划 管网布置应满足田间灌水技术要求 在平原区 各级管道尽可能采用双向供水 管网布置应力求控制面积大 且管线平顺 减少折点和起伏 若管线布置有起伏时 应避免管道内产生负压 管网布置应紧密结合水源位置 道路 林带 灌溉明渠和排水沟以及供电线路等 统筹安排 以适应机耕和农业技术措施的要求 避免干扰输油 输气管道及电讯线路等 布置管网时应充分利用已有的水利工程 如穿路倒虹吸和涵管等 第二讲管道输水工程的规划 管网级数 应根据系统灌溉面积 或流量 和经济条件等因素确定 在井灌区 当系统流量小于30m3 h时 可采用一级固定管道 系统流量在30 60m3 h时 可采用干管 输水 支管 配水 两级固定管道 系统流量大于60m3 h时 可采用两级或多级固定管道 在渠灌区 目前主要在支渠以下采用管道输水灌溉技术 其管网级数一般分斗管 分管 引管三级 第二讲管道输水灌溉工程规划 管线布置应与地形坡度相适应 如地形平坦 为充分利用地面坡降 干 支 管应尽量垂直等高线布置 若在山丘区 地面坡度较陡时 干 支 管布置应平行等高线 以防水头压力过大 田间末级管道 其走向应与作物种植方向一致 移动软管或田间垄沟垂直于作物种植行 给水栓和出水口的间距应根据生产管理体制 灌溉计划确定 在已确定给水栓位置的前提下 力求管道总长度最短 充分考虑管路中量水 控制和保护等装置的适宜位置 第二讲管道输水工程的规划 15 管网布置步骤根据管网布置原则 按以下步骤进行管网规划布置 1 分析确定管网类型 2 确定给水栓的适宜位置 3 确定管网中各级管道的走向与长度 4 在纵断面图上标注各级管道桩号 高程 给水装置 保护设施 连接管件及附属建筑物的位置 5 对各级管道 管件 给水装置等 列表分类统计 第二讲管道输水工程的规划 16 管道系统布置的基本形式 管网布置形式应根据水源位置 地形 田间工程配套和用户用水情况 通过方案比较确定 根据水源位置 控制范围 地面坡度 田块形状 作物种植方向等条件 管网布设成树枝状或环状两类 第二讲管道输水工程的规划 适应条件 机井位于地块一侧 控制面积较大且地块近似成方形 圭字形布置 1 井灌区管网典型布置形式 第二讲管道输水工程的规划 适应条件 机井位于地块一侧 控制面积较大且地块近似成方形 形布置 第二讲管道输水工程的规划 适应条件 机井位于地块一侧 控制面积较大且地块近似成方形 单环形布置 双环形布置 第二讲管道输水工程的规划 适应条件 机井位于地块一侧 地块呈长条形 L形布置 第二讲管道输水工程的规划 适应条件 机井位于地块一侧 地块呈长条形 T形布置 第二讲管道输水工程的规划 适应条件 机井位于地块中心 地块长宽比不大于2 H形布置 第二讲管道输水工程的规划 适应条件 机井位于地块中心 地块长宽比大于2 长一字形布置 第二讲管道输水工程的规划 平坦地形 管道输水灌溉区控制面积大 并有均一坡度情况下的典型树枝状管网的布置形式 其管网由斗管 分管和引管组成 2 渠灌区管网典型布置形式 第二讲管道输水工程的规划 梯田树枝状管网的布置形式 布置干管沿地形坡度走向 即干管垂直等高线布置 这样干管可双向布置支管 支管均沿梯田地块方向 平行等高线布置 每块梯田布置一条支管 各自独立由干管引水 3 山丘区管网典型布置形式 第二讲管道输水工程的规划 梯田树枝状管网的布置形式 第二讲管道输水工程的规划 山丘区提水渠灌区管道输水灌溉系统呈辐射树枝状管网的布置形式 干管垂直等高线布置 以使管线最短 支管平行于等高线布置斗管以辐射状由支管分出 并沿山脊线垂直等高线走向 第二讲管道输水工程的规划 南方旱作区每个灌溉泵站控制面积为1000亩 沟与管道相间 支沟间距250m左右 长度600m左右 斗沟长度250m 沟间距100m 田块布置为100 40m 给水栓单口灌溉面积为4 7亩 农田固定管道的亩均长度宜为8 10m 亩 第二讲管道输水工程的规划 南方稻作区每个灌溉泵站控制面积为1000亩 沟与管道相间 支沟间距250m左右 长度600m左右 斗沟长度250m 沟间距60m 田块布置为60 30m 给水栓单口灌溉面积为2 4亩 农田固定管道的亩均长度宜为12 14m 亩 第二讲管道输水工程的规划 南方经济作物区每个灌溉泵站控制面积为1000亩 沟与管道相间 支沟间距250m左右 长度600m左右 斗沟长度250m 沟间距50m 田块布置为50 30m 给水栓单口灌溉面积为2 4亩 农田固定管道的亩均长度宜为13 15m 亩 第二讲管道输水工程的规划 河网提水灌区管道输水灌溉系统的泵站大多位于河 沟 渠的一边 这就决定了河网提水灌区管灌系统主要有两种布置形式 梳齿 式 干管沿河 沟 岸布置 支管垂直于干管排列 形成二级管网 鱼骨 式 干管垂直河 沟 岸 支管垂直于干管 沿河沟方向布置 第二讲管道输水工程的规划 灌溉工作制度是指管网输配水及田间灌水的运行方式和时间 有续灌 轮灌和随机灌溉三种方式 续灌方式 灌水期间 整个管网系统的出水口同时出流的灌水方式称为续灌 在地形平坦且引水流量和系统容量足够大时 可采用续灌方式 轮灌方式 在灌水期间 将输配水管分组 以轮灌组为单元轮流灌溉 系统同时只有一个出水口出流时称为集中轮灌 有两个或两个以上的出水口同时出流时称为分组轮灌 随机方式 随机方式用水是指管网系统各个出水口的启闭在时间和顺序上不受其他出水口工作状态的约束 管网系统随时都可供水 用水单位可随时取水灌溉 17 灌溉工作制度 第三讲管道输水工程设计 Q0 灌溉系统设计流量 m3 h A 设计灌溉面积 hm2 t 系统日工作小时数 h d 灌溉水利用系数 e 灌水高峰期同时灌水的作物种类 灌溉系统设计流量是选配水泵和初选最大管径的依据 其值为灌水高峰期所需流量 但是 水源流量应为系统设计流量的上限 当水源或水泵流量小于灌溉所需流量时 必须减少灌溉面积或 和 调整种植比例 使设计流量与灌溉面积相匹配 18 管道设计流量 第三讲管道输水工程设计 树状管网各级管道流量计算 续灌方式 因为整个系统出水口同时出流 所以管网中上一级管道流量等于其下一级各管道流量之和 支管各管段设计流量按其控制的出水口个数及各出水口设计流量推算 同样 干管各管段设计流量按其控制的支管条数及各支管入口流量推算 轮灌方式 包括开启一个出水口的集中轮灌方式运行 此时各条管道的流量均等于系统流量 同时开启的出水口个数超过两个时 按轮灌组计算各级管道流量 第三讲管道输水工程设计 环状管网管道流量计算 环状管网管道各管段的流量与各节点的流量均有联系 流向任何一节点的流量不止一条路径 因此 应根据质量守恒定理进行流量分配 即流向任一节点的流量必须等于流出该节点的流量 一个给水栓出水的单水源单环网管道的设计流量为一个给水栓的出流量的一半 第三讲管道输水工程设计 19 管道设计压力 水泵加压式 采用水泵加压输水的管道系统大多为封闭式管道系统 管道设计压力为输配水所需的水头差 用户 田块 所需要的水头差 水锤压力 第三讲管道输水工程设计 19 管道设计压力 自压式 管道设计压力为静水头 输配水所需的水头差 水锤压力 并用静水头校核 第三讲管道输水工程设计 20 管道允许流速 最大流速 在管道流量设计时 所采用的最大平均流速不应对管道内壁产生磨损 一般来说 最大平均流速随着管道内壁状况及接头抗渗性的不同而有所不同 混凝土管一般不超过3m s 其它类型管材一般不超过5m s 最小流速 为了防止水中悬浮物质在管道内沉淀 在设计流量条件下 管内最小流速不应低于0 3m s 当配水管兼有病虫防治和施肥任务时 最小流速不应低于0 6m s 第三讲管道输水工程设计 21 设计流速自压式管道 对于自压式管道系统 其管道直径主要取决于各种水力条件 在设计时只需满足适宜流速即可 流速大管道直径就会小 也最为经济 但流速大水击的危险大 因此一般以不超过2m s为宜 水泵加压式管道 与自压式相同 管道流速越小 管道直径越小 管道费用就越低 而管道输水阻力则增大 水头损失也随之增大 所需水泵扬程也就越大 工程设备费和运行管理费越高 相反 管道流速越小 管道直径越大 但管道工程费用就越大 因此 在设计时应认真考虑它们之间的关系 在设计流量条件下 使管道管径在经济合理的范围内 根据国外的经验 直径150mm以下管道 流速不超过1m s 直径200 400mm 流速不超过1 6m s 第三讲管道输水工程设计 22 如何合理选择管径 第三讲管道输水工程设计 从管道输水功能方面考虑 应首先根据设计灌溉制度所确定的灌水率 拟定管道设计流量 再根据设计流量初拟管道内径 采用经验法初选干管管径 对于管道流量小于120m3 h 管径D 13Q1 2 管道流量大于120m3 h 管径D 11 5Q1 2 对于小型管网 干管的经济管径可以在设计流量已知的条件下 根据经济流速拟定管径 23 经济管径确定方法 第三讲管道输水工程设计 管径大小决定着工程投资和运行成本 一般按一定年限内管网造价和运行费用之和为最小的流速 即经济流速确定经济管径 24 经济流速在井灌区和其他一些非重点的管道工程设计中 多采用计算工作量较小的经济流速法 经济流速受当地管材价格 使用年限 施工费用及动力价格等因素的影响较大 若当地管材价格较低 而动力价格较高 经济流速应选取较小值 反之则选取较大值 因此在选取经济流速时应充分考虑当地的实际情况 对于塑料管 建议经济流速按1 0 1 5m s选取 对于混凝土管按0 5 1 0m s选取等 第三讲管道输水工程设计 25 管道水力计算 水头损失计算 1 压管道沿程水头损失计算式中 hf 沿程水头损失 m L 管长 m Q 体积流量 m3 h m 流量指数 f 管材摩阻系数 d 管道内径 mm b 管径指数 2 无压管道沿程水力计算 第三讲管道输水工程设计 第三讲管道输水工程设计 f m b值表 五 管道水力计算 串联管道系统并联管道系统 第三讲管道输水灌溉工程规划设计 地面移动软管 由于软管壁薄 质软并具有一定的弹性 输水性能与一般硬管不同 过水断面随充水压力而变化 其沿程阻力系数和沿程水头损失不仅取决于雷诺数 流量及管径 而且明显受工作压力影响 此外还与软管铺设地面的平整程度及软管的顺直状况等有关 在工程设计中 地面软管沿程水头损失通常采用塑料硬管计算公式计算后乘以一个系数 该系数根据软管布置的顺直程度及铺设地面的平整程度取1 1 1 5 25 管道水力计算 多口出流管沿程水头损失的计算 首先根据管首流量计算沿程流量不变时 不考虑分流 的水头损失hf 然后再乘以一个小于1的折减系数 多口系数 F即得多口管的沿程水头损失 多口系数F与出流孔数目 孔口位置及流量指数等有关 其计算公式为 第三讲低压管道输水灌溉工程设计 27 水力计算中应关注问题 为了保持一定的灌水质量 微灌限定滴头流量差别在20 以内 喷灌限定喷头流量差别在10 以内 低压管道输水灌溉也必须限制同一轮灌组中各給水栓的出流量差别 由于井灌区的管道灌溉工程基本上只开一个给水栓 缺乏沟 畦灌条件下给水栓出流差别与田间水利用系数的试验研究 同时 考虑到国内目前的设备状况 初定为25 以内 1 系统水力设计 应使同时工作各给水栓的流量 满足下式要求 最小流量大于等于0 75倍最大流量 第三讲低压管道输水灌溉工程设计 井灌区用管道系统的设计工作水头 平均工况 来选泵 是考虑到管道灌溉系统的水泵运行工况不是水泵特性曲线上的一个点 而是一个范围 以平均工况选泵 会使水泵工作点变动在额定点左右 有利于节能 而最大扬程与最小扬程工作点 即工作点范围的上下界 将通过工作点核算 使其位于高效区内 2 设计水头 第三讲低压管道输水灌溉工程设计 自流和较大规模管道输水工程的设计工作水头以最不利点为基准进行推求 3 管道系统各管段的设计工作压力 可取正常运行情况下最大工作压力 不含冲击压力 的1 4倍 最大工作压力应根据运行中可能出现的各种情况比较确定 第三讲管道输水工程设计 28 管道结构计算 1 管道的刚性判别管道从结构上可以分为柔性管和刚性管 管道的刚性由下式判别 式中 管道刚性指数 E 管道材料弹性模量 Ed 管侧填土综合变形模量 管壁厚度 Dc 管道中径 当 1时 为柔性管 如聚氯乙稀管 聚乙稀管 钢管 当 1时 为刚性管 包括离心式钢筋混凝土管 滚压式钢筋混凝土管 预应力混凝土管 石棉水泥管等 第三讲管道输水工程设计 柔性管与刚性管在力学性质上有很大差别 主要表现在以下几个方面 1 柔性管的变形较大 设计时不能忽略变形的影响 2 柔性管在发生变形时 管道周围填土产生抗力 约束管道变形的发展 这种机制构成管道和土壤共同承担上部荷载的承力系统 管道周围填土的质量好坏对管道的工作状态影响较大 3 在抗震性和适应地基不均匀沉降方面 柔性管优于刚性管 因此以下结构分析计算以柔性管为例分析 第三讲管道输水工程设计 2 荷载计算荷裁对管道的作用 可按作用随时间的变化过程主要分为下列两类 一类是永久荷载 包括土压力 管道内水压力等 另一类是可变荷载 包括地面车辆交通荷载 地面堆积荷载 施工荷载 外水压力等 作用在管顶竖向土压力标准值可按下式计算 式中Fsv k 管道单位长度上管顶的竖向土压力标准值 KN m s 回填土的重力密度 kN m3 H 管顶到地面的覆土高度 m D1 管道外径 m 管道内水压力标准值按管道工作压力的1 5倍计算 第三讲管道输水工程设计 管道结构的强度应采用下列极限状态计算公式计算 式中 0 管道的重要性系数 最大环向截面应力 N mm2 Rg 管道结构抗力强度设计值 N mm2 第三讲管道输水工程设计 无压管道最大环向截面应力应下式计算 式中 压力系数 取1 58 k0 荷载系数 应按表4 2 8的规定确定 G 永久作用分项系数 取1 27 Fcv k 管道单位长度上管顶的地面车辆荷载或地面堆积荷载标准值 kN m Q 可变作用分项系数 取1 4 管道材料每延米截面积 mm2 m 取一侧面积 第三讲管道输水工程设计 有压管道还要采用下式对内水压力进行验算 式中 p 有压管道最大环向截面应力 N mm2 Fwd 管道内水压力标准值 N mm 采用管道工作压力的1 5倍计算 D0 管道计算直径 m D0 1 05D D 管道内径 m i 设计内水压力的作用分项系数 i 2 67 第三讲管道输水工程设计 管道直径垂直变形量 可按下式计算 式中 fD 管道最大竖向变形量 mm 要求fD 0 05D Kb 管底土基床系数 应按表4 2 10的规定确定 q 可变作用的准永久值系数 取0 5 DL 变形滞后系数 可根据管道胸腔回填土压实程度取1 0 1 5 Ed 管侧填土综合变形模量 MPa 按 给水排水工程管道结构设计规范 GB50332附录A确定 Sd 管材环刚度 MPa 第三讲管道输水工程设计 管道稳定校核 管道环向抗外压稳定性计算式中 Ks 环向稳定系数取2 0 Fvk 管顶各竖向作用的不利组合荷载值 MPa Fcr k 管道失稳临界压力标准值 MPa 管道失稳的临界压力标准值计算 第三讲管道输水工程设计 29 水锤压力计算 在低压管道输水灌溉系统中 由于压力较小 管内流速不大 一般情况下水锤压力不会太高 因此 只要严格按照操作规程 并配齐安全保护装置 可不进行水锤压力计算 但对于规模较大的管道输水灌溉工程 则应该进行水锤压力计算 第三讲低压管道输水灌溉工程设计 29 水锤压力计算 第三讲管道输水工程设计 1 水击波传播速度 29 水锤压力计算 第三讲管道输水工程设计 2 水击类型的判断 水击波在管路中往返一次所需的时间 即水击相时 式中 Tt 水击相时 s L 计算管段管长 m C 水击波传播速度 m s 根据阀门关闭历时与水击相时可确定水击类型 即 当阀门关闭历时等于或小于一个水击相时 瞬时关阀所产生的水击为直接水击 而当阀门关闭历时大于一个水击相时 瞬时关阀所产生的水击则为间接水击 29 水锤压力计算 第三讲管道输水工程设计 3 水击水头计算 29 水锤压力计算 第三讲管道输水工程设计 4 几种情况下阀前压力水头计算 瞬时完全关闭管道末端 下游 阀门时 在阀前产生的最大压力水头 瞬时部分关闭管道末端 下游 阀门时 在阀前产生的最大压力水头 缓慢关闭自压或恒压管道末端 下游 阀门时 在阀前产生的最大压力水头 29 水锤压力计算 第三讲管道输水工程设计 4 几种情况下阀前压力水头计算 瞬时关闭水泵出口 即管道始端 处的阀门时 阀后产生的压力水头 Hmin 10m Hmin 10m 29 水锤压力计算 第三讲管道输水工程设计 4 几种情况下阀前压力水头计算 缓慢关闭水泵出口 即管道始端 处的阀门时 阀后产生的压力水 式中 Tb 管道中水柱惰性时间常数 水泵正常工作时的水泵扬程 m 操作运行中应缓慢启闭阀门以延长阀门启闭时间 从而避免产生直接水击并可降低间接水击压力 由于水击压力与管内流速成正比 因此在设计中应控制管内流速不超过最大流速限制范围 由于水击压力与管道长度成正比 因此在设计中可隔一定距离设置具有自由水面的调压井或安装安全阀和进排气阀 以缩短管道长度并削减水击压力 水击压力计算公式表明 影响水击压力的主要因素有阀门启闭时间 管道长度和管内流速 因此 可针对以上因素在管道工程设计和运行管理中采取以下措施来避免和减小击危害 第三讲管道输水工程设计 5 防治水锤措施 30 什么是公称压力 第四讲管材及附属设施 31 公称压力 工作压力 设计压力的关系 第四讲管材及附属设施 符合设计工作压力要求 管材外观及耐腐蚀要求 管材外观应符合其相关产品标准要求 同时因长期与土壤接触 还应满足耐土壤化学侵蚀要求 管材与管材 管件以及附属设备连接应方便可靠 连接处应满足工作压力 强度 刚度 抗弯折 抗渗漏 及安全性等方面的要求 地埋管道应能承受一定的局部沉陷应力 在农业机具和车辆等外荷载的作用下管材的径向变形率 即径向变形量与外径的比值 不应大于5 满足运输和施工的要求 满足输送特殊水质的要求 兼有输送饮用水的灌溉管道 则要求管道材质成分应符合安全灌溉用水要求 输送中水灌溉时 管道材质成分不应与水中含有的化学成分发生反应 满足相关标准规定的物理力学性能 32 管材选择的技术要求 第四讲管材及附属设施 33 管材选择的经济要求管材选用时 除考虑技术因素外 还应综合考虑以下要求 管材管件价格 施工条件 包括运输 当地劳动力资源 施工辅助材料及施工设备等状况 施工难易程度等 工程设计使用年限 建后管理 维护 费用等 第四讲管材及附属设施 34 PVC U与PE管性能比较 普通聚丙烯PP管存在低温脆性和长期蠕变性能差等缺陷 限制其在管道上的应用 第四讲管材及附属设施 35 自应力钢筋混凝土管和预应力钢筋混凝土管自应力钢筋混凝土管是利用自应力水泥的膨胀力张拉钢筋而产生预应力的钢筋混凝土管 预应力钢筋混凝土管是通过机械张拉钢筋产生预应力的钢筋混凝土管 预应力钢筋混凝土管按制造工艺的不同又分为震动挤压 一阶段 工艺管和管芯绕丝 三阶段 工艺管 自应力 预应力钢筋混凝土管均具有良好的抗渗性和耐久性 连接形式采用橡胶圈密封的承插子母口 施工安装比较简单 因受其材料力学性能和制造工艺的限制 自应力钢筋混凝土管适于较小的管径 预应力钢筋混凝土管适于较大的管径 第四讲管材及附属设施 36 素混凝土管目前 管道灌溉系统中广泛应用的素水泥预制管材主要以立式挤压制管机作为制管工具 以砂 土 石屑 炉渣等作为主要配料挤压而成的 主要有水泥砂管 水泥砂土管 水泥土管 水泥石屑管 水泥炉渣管等 这类管材配料可就地取材 水泥用量少 造价低廉 第四讲管材及附属设施 37 金属管钢管钢管常用丘陵 山区低压管道输水灌溉工程 一般铺设于地面 同时还用于水泵的进出水管 阀件连接段等 钢管可分为焊接型钢管和无缝钢管 铸铁管铸铁管比钢管耐锈蚀 比普通塑料管外刚度大 承压能力强 在输水灌溉工程中经常用于流量 压力较大 外刚度要求高的场合 铸铁管按其制造方法不同分为砂型离心铸铁直管和连续铸铁直管 砂型铸铁直管按材质分为灰口铸铁管 球墨铸铁管和高硅铸铁管 第四讲管材及附属设施 38 FRPM管FRPM管是玻璃纤维增强塑料夹砂管的简称 亦称玻璃钢夹砂管 它是以树脂为基体材料 玻璃纤维及其制品为增强材料 石英砂为填充材料而制成的新型复合材料 第四讲管材及附属设施 FRPM管的优点具有优良的耐腐蚀性能 无毒害 无二次污染 比重小 重量轻 比重仅为钢 铸铁管的1 4 1 5 混凝土的2 3 管道重量大约占同规格 同长度球墨铸铁管的1 4 混凝土管的1 10 单根管道长度长 管道的长度一般为6m 8m 10m 12m 16m 单根管道长 接口数量少 从而加快了安装速度 减少故障概率 提高整条管线的安装质量 机械性能好 管道的拉伸强度低于钢 高于球墨铸铁管和混凝土管 而比强度大约是钢管的3倍 球墨铸铁管的10倍 混凝土管的25倍 使用寿命长 安全可靠 寿命可达50年以上 第四讲管材及附属设施 接头一般采用两种连接方式 两道 O 形密封圈和反力弹性密封环 安装方便 可靠 密封性 耐腐性好 接头可在小角度的范围内任意调正管线的方向 39 预应力钢筒混凝土管预应力钢筒混凝土管简称PCCP 是一种新型的钢性管材 它是带有钢筒的高强度混凝土管芯缠绕预应力钢丝 喷以水泥砂浆保护层 采用钢制承插口 同钢筒焊在一起 承插口有凹槽和胶圈形成了滑动式胶圈的柔性接头 是钢板 混凝土 高强钢丝和水泥砂浆几种材料组成的复合结构 具有钢材和混凝土各自的特性 PCCP管接口采用钢板冷加工成型 加工精度高 接口密封可采用双橡胶圈 胶圈置于插口的凹槽内 受压后变形小 从而形成很好的密封性 PCCP管也存在较明显的缺点 即重量大 直径4000mm的PCCP管其参考重量可超过9t m 因此施工时需配合应用一些槽内安装的简易设备 运输费用相应也较高 另由于糙率大 糙率系数为0 011 0 013 输水阻力相应较大 第四讲管材及附属设施 40 大口径缠绕管 是一种以高密度聚乙烯 HDPE PVC 为原料 经缠绕焊接成型的一种管材 由于其独特的成型工艺 可以生产直径达3米的管材 这是其他生产工艺难以完成的 第四讲管材及附属设施 1 管材选择 从经济角度考虑 当拟定的管径小于等于315mm时 宜优先选用塑料管材 当管径大于315mm时 则宜选用混凝土管 钢筋混凝土管 预应力钢筋混凝土管 玻璃钢管等 从管材承压能力考虑 系统工作压力低于0 2MPa 可选用素混凝土管 系统工作压力低于0 4MPa 且管径较小时宜选用塑料管 系统工作压力大于0 4MPa 可选用钢筋混凝土管 预应力钢筋混凝土管 玻璃钢管 塑料管等 聚乙烯 PE 管材造价高 柔韧性好但刚度低 适于地形复杂且无道路 农机等通行的山丘区及高寒地区 开挖地埋困难的山丘区 宜采用钢管或钢筋混凝土管进行明铺 对于管道式喷灌系统和微灌系统中的地埋固定管道 应优先选用轻便 耐腐蚀 易安装和价格低的塑料管材 对于管道式喷灌系统的地面移动管道 应优先采用有快速接头的薄壁铝合金管材 对于微灌系统的地面管道应采用不透光 抗老化 施工方便 连接牢固可靠的聚乙烯 PE 管材 41 如何合理选择灌溉系统管材和管径 第四讲管材及附属设施 42 如何选择管材的承压等级 在高效节水灌溉工程设计中 合理选择管材的承压等级直接关系到管道系统的安全 如何选择管材的承压等级应从以下5个方面考虑 1 应根据管道设计工作压力来选取管材承压等级 在节水灌溉工程设计中如考虑管道承受水锤压力 在选择管材的承压等级时应在管道设计工作压力基础上再乘以1 5倍的系数 2 选取的管材承压等级应与我国目前厂家生产的管材承压等级一致 塑料管材的压力规格有0 4MPa 0 63MPa 0 8MPa 1 0MPa 1 25MPa等系列 如果管道设计工作压力位于两个压力等级之间 则应选较大的压力等级 第四讲管材及附属设施 42 如何选择管材的承压等级 3 对于系统较大 管线较长 地形复杂的高效节水灌溉系统 应沿管线进行水力计算 必要时要进行水锤分析 分段确定管道压力等级 以此选择管材承压等级 4 山丘区自压灌溉或管线地形高差比较大的高效节水灌溉系统 在确定管材压力等级后应进行静压校核 其最低处的管道压力不得超过管材的承压等级 5 当主管道管径超过400mm时 地埋管道会受填土荷载的影响发生径向变形 为了保证塑料管道的径向变形不超过管道所允许的变形量 需对管道的刚度 管材厚度 进行校核 以选取既能满足内压要求 又能满足外核载要求的压力等级 第四讲管材及附属设施 43 如何设计地埋管道的排水及安全防护设施 在管道系统中必须安装排水及安全防护装置 如泄水阀 控制阀 逆止阀 进排气阀 安全阀 镇墩和伸缩装置等 应按下列要求进行设计 1 泄水阀应安装系统最低处 以便检修或冬季排空管道内积水 在复杂的灌溉系统中 应根据地形条件 管线布置形式 需在局部低处 每条干 支管末端设置排水井和泄水阀 以保证整个系统的安全有效排水 在进行排水井和泄水阀设计时 应考虑管道内的水量 排泄出路等因素 综合设计 2 控制阀用以控制管道的启闭与调节流量 进而控制管道压力 常用有闸阀 蝶阀 截止阀等 通常在水泵出水口安装逆止阀和出口控制阀 在支管及以上各级管道的首端应设闸阀 在地埋管道的阀门处应设阀门井 第四讲管材及附属设施 44 如何设计地埋管道的排水及安全防护设施 3 逆止阀又称止回阀 通常在水泵出水口安装逆止阀 以避免停机时水倒流 4 进 排 气阀一般安装在顺坡布置的管道系统首部 逆坡布置的管道系统尾部 管道系统的凸起处 管道朝水流方向下折及超过10 的变坡处 进排气阀规格 连接口径 宜根据被排气管道直径的1 4确定 5 安全阀 安全阀是一种压力释放装置 安装在管路压力变化最大处 起超压保护作用 安全阀在选用时 应根据所保护管路的设计工作压力确定安全阀的公称压力 由计算出的安全阀的定压值决定其调压范围 根据管道最大流量计算出安全阀的排水口直径 并在安装前校定好阀门的开启压力 6 在直径大于50mm的管道末端 变坡 转弯 分岔和阀门处应设镇墩 当地面坡度大于20 或管径大于65mm时 宜每隔一定距离增设镇墩 7 对刚性连接的硬质管道 应设伸缩装置 第四讲管材及附属设施 在管道输水灌溉工程设计施工中 选用给水装置应根据它的技术性能指标 造价和工程具体特点等综合考虑 一般应满足以下要求 应选用经过专家鉴定并定型生产的给水装置 给水装置应结构简单 坚固耐用 操作灵活 运行管理方便 根据设计出水量和工作压力 选择的规格应在适宜流量范围内 局部水头损失小且密封压力满足系统设计要求的给水装置 第四讲管材及附属设施 45 给水栓技术要求 46 给水栓如何分类 第四讲管材及附属设施 外力止水是指利用止水部件借助外力封闭管道出口 保证它的密封性 其结构型式均为压盖型 止水部件一般由钢板或铸铁板粘结橡胶垫组成 在外力作用下 压紧管口而止水 这种止水型式简单 容易加工制作 止水效果好 外力止水型给水装置是目前最常用的给水装置 第四讲管材及附属设施 外力止水型给水装置 平板阀给水栓 第四讲管材及附属设施 平板阀给水栓 第四讲管材及附属设施 平板阀给水栓 第四讲管材及附属设施 丝盖出水口 第四讲管材及附属设施 销钉加力 第四讲管材及附属设施 平板出水口及保护防冲设施 第四讲管材及附属设施 内水压力止水型给水装置内水压力止水是利用管道的内水压力封闭止水 压力越大 止水效果越好 这种型式的出水口一般还兼有排气和进气的功能 可起排气阀和真空破坏阀的作用 是低压管道灌溉特有的出水口型式 第四讲管道系统附属设施 球阀给水栓 第四讲管材及附属设施 球阀给水栓 第四讲管材及附属设施 球阀给水栓 第四讲管材及附属设施 球阀给水栓 第四讲管材及附属设施 球阀给水栓 第四讲管材及附属设施 内水压与外力相结合止水型给水装置 平板阀给水栓 第四讲管材及附属设施 第四讲管材及附属设施 第五讲施工安装 47 塑料管连接方式选择 第五讲施工安装 48 PVC U管连接的技术要求 橡胶圈连接适用于管外径为63 315mm管道连接 其承插深度应满足下表要求 承插连接时橡胶圈的要求 第五讲施工安装 第五讲施工安装 PVC U管粘结时 粘结剂标准用量见下表 为了提高管道的连接质量 必须注意 保证粘结剂的质量管件的壁厚不得小于同规格管材的壁厚连接时保证足够的压紧力保证承插深度 49 冬季施工应注意哪些事项 1 管道冬季施工宜分段开挖 分段铺设 随铺管道随回填 接口部位留出不填 作检查时用 但应加草袋覆盖保温 2 管槽开挖应在封冻前完成 如果不能在封冻前完成 对于冬季开挖的土方工程 为防止土壤冻结 可根据本地条件分别采用翻松表土法 雪覆盖法 覆盖保温材料法等 对土壤进行防冻保温 对于已冻结土壤如需在冬期开挖 可根据土壤冻结深度和实际条件采用烟火烘烤 蒸汽融化 电气加热灯方法解冻 待土壤融化后开挖 管槽开挖时 还应将耕作层熟土与底土分开堆放 回填时 应先填底土后填熟土 第五讲施工安装 3 管槽开挖深度一般应大于设计冻土层厚度 当管槽穿越沟道埋深不足时 该管段应设置保温措施 如地埋管道采用PE管且设计有可靠的排水措施时 管槽开挖深度也可小于设计冻土层厚度 4 铺设塑料管道时 应确保管槽地基没被冻结 对于土方开挖后不能立即进行管道铺设施工的 可在基底预留10cm厚的土层并覆盖草袋保温 以防止地基土受冻 对于冻胀性土壤 如地基已遭受冻结 应将冻土层全部清除 或将冻土层融化 认真夯实处理 对于非冻胀性土壤亦应将冻土层融化后 方能进行管道铺设 第五讲施工安装 3 管槽开挖深度一般应大于设计冻土层厚度 当管槽穿越沟道埋深不足时 该管段应设置保温措施 如地埋管道采用PE管且设计有可靠的排水措施时 管槽开挖深度也可小于设计冻土层厚度 4 铺设塑料管道时 应确保管槽地基没被冻结 对于土方开挖后不能立即进行管道铺设施工的 可在基底预留10cm厚的土层并覆盖草袋保温 以防止地基土受冻 对于冻胀性土壤 如地基已遭受冻结 应将冻土层全部清除 或将冻土层融化 认真夯实处理 对于非冻胀性土壤亦应将冻土层融化后 方能进行管道铺设 第五讲施工安装 7 混凝土在气温0 5 施工时 其砂浆和混凝土拌料时应填加抗冻剂 并应注意砌筑面和混凝土表面保温 在气温达到0 以下又无抗冻保温措施时 应停止施工 低温下水泥