球墨铸铁管设计手册.doc

此文档收集于网络，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除球墨铸铁管管道系统设计手册新兴铸管股份有限公司2006年元月目 录第一章 前言 4第二章 管道设计概要 2-1 管道系统类型 5 2-2 管道线路选择 6 2-3 铺设位置和深度 7 2-4 在弯道上铺设管道 8第三章 管道规划 3-1 总述 10 3-2 管道设施的位置和构成 10第四章 管径选择 4-1 总述 14 4-2 水头损失的计算 14 4-3 管径选择举例 22 4-4 泵的扬程和功率要求 24 4-5 允许流率 26 4-6 经济型管径 26 4-7 在配水网络系统中管子尺寸的选择 27第五章 水锤 5-1 总述 29 5-2 水锤的简易计算 29 5-3 水锤的详细计算 32 5-4 水锤的预防 32第六章 铺设条件和外部荷载 6-1 由于回填土壤引起的土壤压力 34 6-2 由于卡车荷载引起的土壤压力 36第七章 管壁应力分析 7-1 总述 37 7-2 由于内部压力而引起的拉伸应力 37 7-3 由于土壤覆盖而引起的弯曲应力 37 7-4 由于卡车荷载而引起的弯曲应力 38 7-5 作用在埋设压力管管壁上的总应力和安全系数 39 7-6 应力分析举例 39 7-7 埋设球墨铸铁管的变形情况 40第八章 推力锚固 8-1 总述 41 8-2 由于水压引起的推力 41 8-3 用混凝土墩固定 42 8-4 参考表格 49 8-5 使用限制接口来固定 50第九章 防腐保护 9-1 内壁防腐保护 52 9-2 外壁防腐保护 52 9-3 阴极防腐保护 54第十章 管道图绘制 10-1 绘制布管图步骤 55 10-2 管道安装条件的确认 56 10-3 管子种类的选择 57 10-4 选择合适的接口 57 10-5 决定管道的安装结构 58 10-6 弯头的使用 59 10-7 决定每一部分的管道安装方法 61 10-8 在管件处的锚固工作 64 10-9 管子的配置和管子切割长度的计算 64 10-10 决定使用承套 65 10-11 绘制布管图 66 10-12 材料数量清单 66第十一章 挖沟、铺管和回填 11-1 总述 .69 11-2 沟渠的宽度 .69 11-3 承口槽 .69 11-4 沟底条件 .70 11-5 以前挖过的沟渠 .70 11-6 沟渠中的排水工作 .70 11-7 铺管 .70 11-8 阀门和管件安装 .71 11-9 回填 .72第十二章 连接 12-1 总述 .73 12-2 接口的结构示意图 .73 12-3 连接步骤 .74 12-4 使用直管在弯道上铺设 .79 12-5 与其它种类管子的连接 .80第十三章 现场水压试验 13-1 总述 .82 13-2 现场水压试验流程图 .82 13-3 每步试验的详细情况 .82第十四章 在软土中敷设管道 14-1 总述 .88 14-2 土壤调查 .88 14-3 沉陷量计算 .88 14-4 直线管道部分 .90 14-5 弯曲管道部分 .94 14-6 在软土中敷设管道需要注意的事项 .95 14-7 管道的防腐措施 .96第十五章 顶管法 15-1 总述 .97 15-2 顶管法 .97 15-3 用顶管法安装球铁管 .97 15-4 允许顶推阻力 .98 15-5 土壤质量和地下水的调查 .98 15-6 顶管法安装工作准备 .99 15-7 长距离顶管法（DN1000mm到DN2600mm的管子采用中间套管顶管法） .103 15-8 设计所必须的信息 .104 15-9 用顶管法安装的球铁管的尺寸 .105第十六章 在特殊条件下敷设管道 16-1 在斜坡上敷设管道 .107 16-2 在地面上敷设管道 .108 16-3 在隧道中敷设管道 .108 16-4 穿越河流 .109 16-5 穿越铁路和公路 .110 16-6 在建筑物内敷设管道 .111第十七章 服务设施连接（开孔连接和支线管连接） 17-1 总述 .114 17-2 连接方式建议 .114 17-3 直接开孔 .114 17-4 在鞍形座结构上开孔 .115 17-5 在现有管道上插接三通管 .115附录1 国际单位制、公制与英制单位换算表 .118附录2 室内管子布置 .120第一章 前 言 球墨铸铁管被广泛应用于自来水管道、污水管道、工业用水和农业用水管道工程中。由于球墨铸铁管强度高、可塑性好、经久耐用，因此已高度地为人们所接受。然而，为了最好地利用球墨铸铁管的这些特性，我们有必要了解合适的关于管道铺设的设计和安装方法。 就象“管道铺设设计标准手册”一样，在本手册中引用例子和参考资料对球墨铸铁管道的设计过程进行了评述，为球墨铸铁管道的正确设计提供帮助。本手册不是管道设计的课本，但是可以用作球墨铸铁管道设计的一本较好的具有实用性的指导资料，主要用于输水管道工程的设计。因此，一些基本的和理论性的要点在本手册当中没有讨论。 我们希望这本手册会对致力于球墨铸铁管道设计的工作人员有某些帮助。注：在本手册当中，球墨铸铁管和管件的尺寸和性能参数以国际标准（ISO）和（或）英国标准（BS）为准，因此对于其它标准的管子和管件，例如美国标准（ANSI）、日本工业标准（JIS），有必要对尺寸和性能参数进行修改。第二章 管道设计概要2-1 管道系统类型2-1-1 自流管道系统 如果一条管道的起始点比终止点高，加上这两点之间由于摩阻损失而引起的压差（表示为以米为单位的水头），那么这条管道可以靠自流来起作用。 这种管道系统有下列特性： （1）不需动力； （2）节省设施费用、使用费用和维修费用等； （3）使用过程中没有故障出现，维护保养方便；（4）在下列地形条件下，我们建议使用这种管道系统。 2-1-2 压力（水泵输送）管道系统 在管道的起始点高度不足，不能靠自流供水的情况下，有必要用泵增压，将水抽到供水处。 这种管道系统有下列特性： （1）水压容易控制；（2）受地形条件影响较小；因此管道线路所受限制较小。2-2 管道线路选择 管道的线路应该由下列条件来决定： （1）管道的设计和铺设必须使管道当中的各个点都低于最低的水力梯度。（参看图2-1和2-2） （2）根据地图和实际调查资料在几条可能的管道线路当中进行选择时，必须以对其水力条件、经济性和维护保养性的充分、综合的考虑为基础，做出决定。 （3）在管道当中应该避免严重的偏转，不管是横向还是纵向偏转。当在管道某处各点不可避免地要高于最低的水力梯度时，在上游这一段距离内应该增加管径来降低摩阻损失，以便提高管道的最低水力梯度。然后在下游地段再将管子的管径缩小。（4）在发生紧急事故的情况下，有些地段由于缺乏与其它管道的连接而造成恢复困难，因此在这些地段可能需要铺设双管道，或者整条线路都需要铺设双管道。 （5）在决定管道线路时要切合实际，不应将管道铺设在不稳固的地段，例如在可能出现坍坡的地段、在陡峭的斜坡上或者是在陡坡的底部或边缘地段。当不可避免地要在上述那样的地段铺设管道时，除了带着问题对其地形结构进行充分的调查外，还应遵循下面这些步骤来进行： 在斜坡上，除了进行充分的保护以外，还应进行施工去除地表水、渗水和地下水，以防止管道受到腐蚀和斜坡坍塌。 如果必须在靠近斜坡，或是在斜坡地段，或是在易出现坍坡的地段铺设管道，那么允许进行最小量的开凿和筑土堤的施工。 筑土堤或砍树、竹子经常会导致斜坡地带的塌陷。在这样的地方，要用岸墩或墩柱建一道高架渠，或最好是采用地上管道设计来代替埋设管道。 在地面条件不好的地区，例如堤岸地段，或者是需要改造的土地地段等，在铺设管道以前，要求改进地基的条件或者是进行打桩工作。地基改进的方法包括更换土壤、夯实、降低沙地区的地下水位的井点、压实等。在使用上述这些方法改进地基以前必须进行充分的地形调查和检测工作。在地基条件可能会发生变化的地区或者是在可能存在有极其不均匀沉陷的地区，应该使用柔韧性较高的承套， 以配合不规则的土地沉陷。 如果地基不牢，那么在很多情况下地下水位会变高，这样由于浮力作用，管子容易漂浮。因此应该采取相应的措施制止这种倾向。（参看表14-6）。 （6）通常配水管道应设计成网状系统。在地形等高线相差明显的地区，应将管道系统分成几个不同的压力区。这种分布设计可以保证每个压力区内的压力要求，也可以使配水管道所受的压力不会超过它的额定值。2-3 铺设位置和深度 在决定管子的铺设位置和深度的时候，应考虑下面的因素：2-3-1如果要将管子铺设在公路的下面，那么管子的铺设位置和铺设深度要符合所有有关法规以及联邦政府、国家和地方的各种规则要求。特别是配水管道，原则上来讲，只有经过详尽的考虑，确保是否面临将来的维修问题以后才能进行铺设。 通常，地下设施的铺设位置和铺设深度应与公路的种类相对应，也应征求公路管理机构和地下设施所有人的同意。2-3-2 铺设深度应该在考虑了地表面的荷载因素和其它因素以后再做出决定。 规定地下设施的铺设深度是为了防止地下设施受到土壤压力和车辆荷载力的损坏。因此要求的铺设深度将随着土壤、表面条件、公路级别以及管子的结构和尺寸的不同而不同。 一般来说，在公路下面，管子铺设深度的标准为土壤覆盖厚度达到120cm。然而，在不能保持标准深度的地方，可以允许将土壤覆盖的厚度减小到最低程度，即60cm。在低于60cm的情况下，建议采用混凝土板铺砌在管子上面的道路表面，或者是在管子的四周使用盒式或门式的混凝土硬框，来加强管子，以保护管子，防止其受到损坏。 总之，管子的直径越大，要求土壤覆盖的厚度也就越大。如果将管子铺设到人行道的下面，或者是施工线路为输水管线路所专用，不允许车辆通过，那么可以允许较浅的土壤覆盖厚度。然而，在地下水位较高、可能会使管子漂浮的地方，土壤覆盖的厚度应该足够大以防止管子漂浮。 在管子铺设期间，在沟渠里面滞留的水可能会引起管子漂浮，因此，应尽可能快地完成管道的埋设工作。 在公路表面荷载轻的地方，可以减小土壤覆盖的厚度。但是，土壤覆盖的厚度不能太浅，否则会反而影响到消防栓或控制阀门的安装、与专用的污水管的连接或者是影响到煤气输送管的安装。2-3-3 当埋设的管子要穿过或接近其它的地下装置的时候，至少应与其保持30cm的距离。如果在输水管道和其它地下装置之间没有间隙，那么不仅会使管道的维护和修理变得困难，而且可能会使荷载力集中作用于两者的接触点周围。因此，在铺设管道的时候，要保持最低限度的距离或间距。2-3-4 当不可避免地要将管子铺设在从地形角度考虑不合适的地区的时候，在经过充分的考察以后，必须采用必要的措施来保持土壤的稳定性。在必须在地基不稳的地区（例如可能出现坍坡的地段、在陡坡或斜坡处等）铺设管道的情况下，应该对这样的地区做充分的调查，决定其土壤条件、地形结构、地下水的状态等。然后，再根据要求采取相应的保护措施，包括选择铺设位置和铺设深度、制止坍坡、改造地基以及对管子施行保护等。 在地上有细小裂缝并可能会招致或促进斜坡坍塌的情况下，应特别注意进行保护性的工作。当要铺设大口径管子的时候，为了使管子不与地下水流相互干扰，应安装一条渗流管，与此管成直角，这样有助于地下水的流动。2-3-5 在寒冷的地带，管道的铺设深度应大于冰冻的深度。在不能决定铺设深度的情况下，应该考虑采取充分的保护措施，例如使用绝热垫。2-4 在弯道上铺设管道 在街道或公路的拐弯部分铺设管道的时候，经常有必要用直管偏斜管道。管子的滑入式接口和法兰式接口都易于其在接口处的偏转。 在曲率半径较大的情况下，沟渠挖得比通常的沟渠要宽，以便实现在偏转前进行直线安装。建议不要在偏转的条件下将一根足尺的管子的插口端插入到承口内，并且也应避免这样操作。当有必要进行偏转时，在偏转以前，在横向和纵向上都应先以直线方式安装好管子。对于法兰式接口的管子，在偏转整根管子以前，接口处的螺栓不应全部拧紧。不同的偏转角度在后面的表格当中都已经列举出来。这些都是最大的偏转角度，不能超过。在用于设计目的时，偏转的角度应该限制在所给值的50-80%。第三章 管道规划3-1 总述 在管道线路的调查和规划当中的问题主要受管子尺寸和铺设位置的影响。当管子的尺寸增大并且当管道从郊区铺向市区的时候，更有必要注意各种细节和预防措施。一般来说，在选择任何一条输水管道的时候，必须得有一张平面图和一张剖面图以及某些其它细节。这些资料应显示出： 1）横向（水平）距离和纵向（垂直）距离，可以直接测量或者是通过测量站和标高来测量。如果给出了斜距，那么应说明。 2）弯头的位置和其安装角度，包括横向和纵向位置（最好是交叉点）； 3）弯头的度数，弯曲度数或曲度半径，曲线切距或者是根据明确要求提供外部距离； 4）与三通管或其它各分支管的中心线的交叉点， 并从进水端标明流动的方向（左或右，上或下）或角度。 5）各种阀门、泵或管道中其它管件的位置和尺寸； 6）相邻的或其它相干扰的安装设施及构造的位置； 7）与地界线、（路）边线、公路或街道的中心线以及其它一些相关的必要特征的连接，以决定道路用地和管道中心线的明显位置； 8）所有的专用部件的细节或说明，以及其它所需信息； 9）所有关于法兰的细节、尺寸和级别规定或其它说明； 10）任何影响管子生产或管道安装步骤的特殊要求。 在选择管道线路的时候，有必要对土壤条件进行调查以决定管子外部保护涂层的要求、挖沟的步骤、可允许的土壤承载能力，或者是固定锚块或止推挡墩的设计。地下水位也可能影响管道的设计和安装。当要安装大型输水管道的时候，可能需要土钻。 3-2 管道设施的位置和构成一旦管道的路线选定了，建立了管道的使用条件，重要的事情就是选择和正确地安装各种阀门和其它设施，以确保管道使用的可靠性和经济性。3-2-1 放气阀 排出管道中的空气是保证管道供水可靠、稳定的最重要的因素。 1）放气阀可以安装在管道当中的最高点，或者是在管道中的两个线路阀之间没有最高点的情况下，将其安装在位置较高的线路阀的下面。 这里所说的最高点不是指整条管道当中的最高点，而是指局部最高点， 例如两个阀门之间的这部分管道、水道桥管或高架管道桥部分。当两个线路阀之间不存在有最高点，也不存在凹形地段的时候，如果这两个阀门之间的距离比较长，那么我们建议以合适的间隔距离为基础安装放气阀。 然而，在辅助分配干线上，空气可以通过管道上的辅助设施或消防栓来释放或引入。如果通过消防栓可以将空气释放，那么就没有必要特别安装放气阀了。 2）在直径为DN400mm或更大的管子上应安装双孔放气阀。 对于直径为DN800mm的大口径的管子，从维护保养的角度来考虑，使用三通管和DN600mm法兰支管和法兰盖，结合放气阀，使用这种方法排气证明比较方便。对于直径小于DN400mm的管子来说，如果考虑排气通道，我们建议也可使用双孔放气阀。 如果管子的直径特别大，应该考虑使用专门的装置来排除气体。 3）使用放气阀，为了便于放气阀的替换和修理，如必要，还应该安装断流阀。 4）如果将管子埋设在地下，还应配一个保护阀门用的阀门箱。当放气阀的阀门箱被安装在地下水位较高的地方的时候，还应安装具有足够高度的连接管来保护放气阀，使其不受污水回流的影响。空气阀的阀门箱可以使用钢筋混凝土或钢筋混凝土墩来制作，顶部使用铁盖板，可以允许修理人员进入。安装阀门箱的时候，应建筑地基，以免使其与主管道直接接触。在寒冷的地区，阀门箱的覆盖厚度应是壁厚的两倍，以防止阀门冻结；并且在阀门箱当中应填满合适的隔离材料。（请参看附录2） 3-2-2 断流阀 有时，由于使用当中出现问题或由于修理工作、清理排水、连接分支管以及维修等工作的需要，有必要停止管道当中的水流。这时应尽力将受影响的地区缩小到最小的程度。因此，必须在管道当中安装足够数量和型号的断流阀，例如，门（闸）阀、蝶形阀等。 1）在管道当中应该安装切断阀，以便在需要时操作尽可能少数目的阀门将受水流截断影响的区域限制到尽可能小的程度。 建议在分支点处安装两个断流阀，在交叉点处安装三个切断阀，以便使其能够阻止每条管道当中的水流。对于一条较长的管道，切断阀应安装在管道当中某个合适的地点，以便能够停止管道当中的部分水流。 2）切断阀应安装在重要的反虹吸管处、桥处、铁路交叉点的前后、排气管处和与配水管道相连接的连接管上。 3）在高压点处，应该在DN400mm以上的切断阀上安装一个旁通切断阀。 当阀门的一边和另一边压差较大的时候，阀门的开、关操作可能会比较困难。因此，我们建议给水头（水位差）超过40m、管子的直径超过400mm的切断阀安装一个旁通阀。在操作主阀之前，应该首先使用这个旁通阀。这样，在主阀两侧的压力就相等了，主阀的操作也就很容易了。当然，旁通阀也可以帮助小规格的切断阀控制水流和压力。4）应该使用阀门箱或阀门室来对阀门进行保护。（请参看附录2）3-2-3 冲洗装置 在管道铺设完毕之后，要清理掉残留在管道内部的土壤、沙子和石屑，还要清理掉滞留在管道内部的水，这样就应该在管道当中安装一种冲洗装置。 1）在位置较低的管道地段，应安装管道冲洗装置。在有河流或河床的地方，如果河水足够用来沿着管道排放，如果可能的话，在其临近地区安装一个冲洗装置。另外，建议使用装配有冲水装置的试水设备，以便检查水的质量。 如果没有充足的排水渠，那么可能需要长距离的排水管道。 排水管道应装配有断流阀。主管道也应装配有断流阀。 断流阀的安装有两种系统：1）安装两个阀门，在冲洗装置的每一侧各有一个；2）安装两个冲洗装置，在干道上的断流阀两侧各有一个。 2）排水管的标准尺寸是主要管道尺寸的1/3到1/6。如果有可能将水排到现有的河道当中，那么可以扩大排水管的尺寸。 3）当出水装置的水面位置高于主管道底部的时候，如果有必要，应在排水管和出水口之间配装一个排水箱。 排水管的出口位置应高于排水渠中的最高水位，以防止排出的水回流。当排水渠中的水面位置高于主管道的底部的时候，如果只简单要求排出清理用水，那么，可以将排水管的位置设计得比排水渠的水面位置高一点。如果要排空管道，应设计一种增压排放的方法，在通向排放出口的路上提供一个集水坑。 4）要绝对保护好排放出口附近的护坡，以防止其受到排放水的冲刷和破坏。 如果担心排放出口附近地区受到大量的排放水的冲刷和破坏，那么，应该使用混凝土结构、砾石等进行保护。如果只是临时性的保护，应该使用钢板桩、木排等。还有一种保护方法，就是集水坑采用钢筋混凝土来构筑。这样，从冲洗管道中排出的水冲击到墙壁上，抑制了水力。在这种情况下，应将溢流出口的宽度扩大到最大的程度，以便减小流率。为了安全起见，建议在出水装置的周围构筑围墙。3-2-4 减压阀和安全阀 1）在压力不同的两个使用区之间连接管道的时候，必须装配减压阀，这样，在输水系统的使用和维修当中就不会出现由于剩余压力而引起的问题，输水系统中的压力也不会超过允许的最大压力。2）在泵的出口处和容易出现水锤现象的地方也应安装减压阀。然而，在有其它压力控制装置（例如，压力箱等）的地方就不需要安装减压阀了。3-2-5 消防栓 1）消防栓应安装在便于消防活动的地方，例如街道交叉路口的支管上等，特别是在配水管密集区和集水区。 除了这些位置以外，应依据街道或公路旁的房屋和各种建筑物的位置，按一定的间隔配装消防栓。 2）在DN150mm及其以上的管子上应安装单喷嘴的消防栓；在DN300mm及其以上的管子上应安装双喷嘴的消防栓。然而，如果管道网络有足够的能力，或者是当水压较高时，或者是当临近地区安装有大管径的管子，并且可以提供满意的消防用水时，那么，即使是在小于DN150mm的管子上也可以使用双喷嘴的消防栓。考虑到维修的需要，包括切断水流进行修理等，应给消防栓配装一个补充阀。3）在多雪的地区，如果不是交通被中断，应该使用防冻、表面式的消防栓。或者在这种情况下，为了防止冻结，应该使用非冻结式的消防栓。如果采用地下式的消防栓，那么必须设计一个带有双层盖的消防栓保护箱，或者是在保护箱当中填满隔离材料。3-2-6 流量计和压力表 1）建议在管道的起始点处安装一个流量计，以测量水量。所用的流量计应该能够测量和记录正常、最大和最小水量。 2）流量计应该配有指示、累计和记录装置。3）为了有效、经济地使用管道系统，建议在管道使用区的一些合适的地方安装可以自动记录的压力表和流量计。3-2-7 人孔 对于DN800mm的管道，考虑到检查管子内部情况和维修的需要，应配置人孔。 在易于出现问题的地区，例如在水道桥、反虹吸管处及线路阀处等，在有明显的地形或地理变动的地区，以及在其它要求提供有人孔的地区，都应配有人孔。另外，在土壤覆盖层厚，从管子的外部进行检查和修理很困难的地区，也有必要配人孔。 一般来说，人孔的尺寸应为600mm，并用一块盲板封住，通常与空气阀装置连接到一起。很可能在人孔中充满有毒的气体或缺乏氧气，因此，在进入检修孔之前，必须使用检测器检测一下。第四章 管径的选择4-1 总述 一条管道所输送的水量取决于下列因素： 1）在源头处，即在泵或蓄水池处的水头； 2）源头和排水点处的高度差； 3）管道的直径； 4）由管子引起的摩阻损失； 5）由管件（弯头、三通管、渐缩管等）引起的摩阻损失； 6）由阀门等引起的摩阻损失； 因此，管径的选择以水头损失为基础。4-2 水头损失的计算 一条管道的水头损失可以表示为内径和管道长度以及管道中的流速的函数，用公式表示如下： 式中，h：水头损失（m） L：管道长度（m） D：管道直径（m） V：流速（m/sec） g：重力加速度（m/sec2） f：水头损失系数 系数“f”是流速、所输送的液体和管道的特性（管子的直径和表面条件）的函数。有许多公式可以计算系数“f”。然而，在输水管道中，主要使用下列两个公式，即：哈森-威廉母斯（Hazen-Williams）公式和考尔布鲁克-怀特（Colebrook-White）公式。4-2-1 哈森-威廉母斯（Hazen-Williams）公式 式中，CH：与管子条件相关的系数 对于衬有水泥沙浆内衬的球铁管来说，CH值可以使用150；然而，在用于设计目的的时候，建议CH 值使用130，其中包括由于管件、阀门和其它装置而引起的损失，加上容差。 l： 水力梯度（管道单位水头损失）=h/L 使用哈森-威廉母斯（Hazen-Williams）公式的计算图表如图4-1、4-2所示。 4-2-2 考尔布鲁克-怀特（Colebrook-White）公式 式中，K： 管子内部粗糙度的长度测量 对于衬有水泥沙浆内衬的球铁管来说，K值可以使用0.03；然而，在用于设计目的的时候，建议使用0.1，其中考虑到了由于管件、阀门和其它装置而引起的粗糙度，再加上容差。 Re：雷诺数 v：所输送的液体的动粘滞度 水=1.3110-6m2/sec(在10时) 这个公式有不利条件，使用起来比较困难。因此，可以参看4-3，4所示的计算图表。4-2-3 由于管件和阀门引起的损失 由于弯头等类似的管件而引起的较小的水头损失在一条长的管道当中往往被忽视。在输水总管道当中，如果管件的数量相对较少，那么，由管件引起的损失可以按直管道的方法来计算，使用哈森-威廉母斯（Hazen-Williams）公式计算，系数值CH=130；使用考尔布鲁克-怀特（Colebriik-White）公式计算，系数值K=0.1。然而，在长度较短、流速较高的管道当中，通过管件的水头损失可能很大，应该予以考虑。通过管件的水头损失可以使用下列公式来计算： （1）由于进水而引起的水头损失 式中，h1：由于流入水引起的水头损失（m） f1：由于流入水引起的损失系数 V：水进入后的流速（m/sec） g：重力加速度（m/sec2） （2）由弯头引起的水压损失 式中，hb：由于弯头引起的水头损失 fb：根据r/R和q值确定的损失系数， 根据威斯巴赫（Weisbach）公式，其值应为： 根据威斯巴赫（Weisbach）公式计算出的弯头损失的系数 注：威斯巴赫（Weishbach）公式适用于R/r小于6的光滑圆管，但是，当管子粗糙的时候，系数值可能会比用公式所计算出的数值增加一倍。 fb值包括弯曲部分的摩阻损失 （3）由于截面或直径变化而引起的水头损失 1）在渐扩（逐渐扩大）的情况下 式中， hge：由于渐扩引起的水头损失 fge：由于渐扩引起的损失的系数 V1：渐扩前的流速（m/sec） V2：渐扩后的流速（m/sec） q ：渐扩角度图4-7 2) 渐缩（逐渐缩小）的情况式中，hge：由于渐缩引起的水头损失（m）fge：由于渐缩引起的损失系数 V1：渐缩前的流速（m/sec）V2：渐缩后的流速（m/sec）q ：渐缩角度 图4-8 （4）由于支线管引起的水头损失 式中，hn：由于支线管引起的水头损失（m） fn：由于支线管引起的损失系数 V：连接支线管前的流速（m/sec） 图4-9 “Y”形连接支线管时的损失系数 表4-4分支部分的形状fn圆锥形0.50圆柱形0.75 （5）由阀门引起的水头损失 式中，hv：由阀门引起的水头损失（m） fv：由阀门引起的损失系数 （6）在管子末端的水头损失 在排水口处，由于水的阻力，流动水头失去了它的力量，部分改变成为压力水头，而通常认为流动水头完全消耗了本身的力量。基于这个前提，将fe值设定为fe1.0。4-2-4 由于正常的管道线路弯曲引起的损失 在标准的管道连接当中允许管子有轻度的偏转。由于管道的轻度偏转而引起的损失可以通过常规的流量公式来计算，并且通常没有必要考虑这种损失。4-3 管径选择实例4-3-1 例1（水泵输送总管道系统） 在远离水源4000m的供水点处要求供水量为120m3/小时。 供水点处的位置比水源位置高出75m，水源处的水头为145m（14.5kgf/cm2），所要求的出口水头为20m（2kgf/cm2），需要多大公称直径的管子？ 出水量：Q=120m3/小时 =33.3 l/sec 由于高度差和在供水点处所要求的水头，管道的水头损失为： 145-（75+20）=50（m） 用m/1000m为单位表示的等量的水头（水压梯度）损失： 从图4-1所示的图表中可以看出，从轴所画出的两条直线的交叉点在： Q=33.3升/秒 l=12.5m/1000m 分别位于代表DN=200和150管径的两条斜线之间。在这种情况下，应该选择DN200的管子。4-3-2 例2（自流管道） 在远离水源4000m的供水点处要求供水量为120m3/小时。 供水点处的位置比水源处的位置低12m。水源处的水头为10m（1.0kgf/cm2），所要求的出口水头为3m(0.3kgf/cm2)。在这种情况下需要多大公称直径的管子？ 出水量：Q=120m3/小时 =33.3升/秒 等量的水头损失（水压梯度）： 从图4-1中，我们可以决定需要DN200mm的管子。4-4 泵的扬程和动力要求4-4-1 泵的扬程要求 图4-14说明了使用水泵将水从抽水水面提升到出水水面的情况。如果在这两个水面之间的垂直高度是Ha，那么用Ha加上当水流过水泵的吸水管和出水管时所引起的不同的水头损失、在出水管一端的速度以及作用在这两个水面上的压差，所获得的就是泵所需要的水头。上述几个数值相加所获得的数值叫做总动力水头。 总动力水头，H，用下列方程式来表示： 式中，Ha：实际水头（m） h ：总水头损失(m) Vd：在出水管一端的流速（m/s） Vd2/2g：出口速头（m） Pd：作用在出水水面上的压力（kgf/cm2 绝对值） Ps：作用在抽水水面上的压力（kgf/cm2 绝对值） r：增压液体的比重（kgf/l） 当抽水水面和出水水面都在地表的时候，水泵的总动力水头可以通过下列方程式获得： 式中，h 表示包括出水速头在内的总的水头损失。 水泵所需要的动力可以通过下列公式来计算： 式中，P：原动机所需要的功率 C：剩余的 电动机 1.10-1.20 发动机 1.15-1.25 g：增压液体的比重（kg/l） 水 1.00 海水 1.03 Q：抽水能力（m3/分） H：总水头（m） hp：泵的效率 ht：传动效率 带有平放正齿轮的减速齿轮箱 0.92-0.98 带有水平齿轮的减速齿轮箱 0.90-0.95 扁皮带 0.90-.093 V形皮带 0.93-0.95 联轴节 1.0 泵的效率随着泵的型号、能力、水头、速度和其它各种不同条件的变化而变化。要从总体上定义这个因素或者是采用一个简单的方程式来计算都很困难。图4-15显示出了近似的效率参数值。4-5 允许的流率 为了设计意图考虑，我们建议水泥砂浆内衬的球铁管的最大的允许流率为5.0m/秒。当长距离输送水的时候，建议在许多情况下，即使最初的成本较高，也要采用大管径的管子，因为大管径的管子的运行成本较低，完全可以补偿其差价。然而，如果水中所含有的土壤和沙子能够解决的话，有必要采用较高的流速，可以比输送清水的流速高。下面的表格中列举了各种管道中的流速的近似标准值。 管道的平均流速 表4-6使用目的平均流速（米/秒）供水工程0.5-3.0灌溉和排水1.5-3.0工业用水1.5-2.04-6 经济型管径 只使用液压流率公式来计算可能不会选择出最理想的管径。所选用的管子其一应该使所投资的成本达到最低。投资的成本以原始的材料费用和设备、安装、使用、增压、维修、替换费用以及投资利息为基础。在大多数工程当中，通常设计若干个比较方案，从中选择出一个最经济、最实用的方案。4-6-1 自流管道 在一条自流管道中，可以尽最大可能利用水头差将流速增加到尽可能高的程度，但是，要保证流率在4-5部分所说明的允许流率范围之内。这说明一个事实，即：使用最小管径的管子可以完成输水任务，同时使施工成本降到最低。换句话说，在一条自流管道当中，要铺设的管子的尺寸取决于给定的液压条件。4-6-2 压力（水泵输送）管道 在一条压力（水泵输送）管道当中，多数情况下都把管子的尺寸和泵的扬程结合起来。如果管子的尺寸比较小，虽然铺设成本降低了，但是流动阻力（水头损失）会增加，水力梯度也会变得严重，这样就必须增加泵的扬程。因此，不仅增压设备的成本会升高，而且在管道投入使用以后，用于增压的电力成本也会变高。相反，当管子的尺寸较大的时候，即使管子铺设的成本会自然增高，但是增压成本会降低。 比较压力（水泵输送）管道系统和那些只投入使用费用（计划资金的利息、折旧费用和维修费用）的管道系统的总体费用来看，只能有一种最佳的经济实用型规格的管子。 表4-7提供了比较例子，使用图4-16所示的设备，每分钟增5m3的水（5m3/分），但是使用的是不同管径的管子。从这个表格当中，我们可以决定方案C是最经济的方案。（在上面所述的计算当中，电费、土木工程费用以及设备成本等数据都是假设的。如果这些费用的分配率变化了，计算结果也会随之变化。）4-7 在配水网络系统中管子尺寸的选择 最理想的是在平衡较好的网络中设计配水管，以便为终端用户提供均匀的压力和连续的服务。为了设计一个网络系统，目前在笔算时，主要使用哈迪-克罗斯（Hardy-Cross）方法来计算。这种方法以平均流速的计算公式哈森-威廉母斯（Hazen-Williams）公式为基础，起源于在某个点上的水头损失与流量的平方成正比这个概念，即，h=KQ2,其中，K=系数。对于每条管道都要分别进行这种计算，将反时针方向