城市給水排水第5章管段流量、管徑和水頭損失

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1、第第5 5章章 管段流量、管徑和水頭損失管段流量、管徑和水頭損失5.1 5.1 管網(wǎng)計(jì)算的課題管網(wǎng)計(jì)算的課題 內(nèi)內(nèi) 容：容：求出所有管道的直徑、水頭損求出所有管道的直徑、水頭損失、水泵揚(yáng)程和水塔高度。并對(duì)事故時(shí)、消失、水泵揚(yáng)程和水塔高度。并對(duì)事故時(shí)、消防時(shí)、最大轉(zhuǎn)輸時(shí)的水泵揚(yáng)程進(jìn)行較核。防時(shí)、最大轉(zhuǎn)輸時(shí)的水泵揚(yáng)程進(jìn)行較核。重要性：重要性：管道工程的建設(shè)投資占整個(gè)給管道工程的建設(shè)投資占整個(gè)給水系統(tǒng)總投資的水系統(tǒng)總投資的 6080%，輸配水所需，輸配水所需的動(dòng)力費(fèi)用占給水系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用的的動(dòng)力費(fèi)用占給水系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用的4070%。步驟：步驟：繪制計(jì)算草圖，對(duì)節(jié)點(diǎn)和管段順序編號(hào)，繪制計(jì)算草圖，對(duì)節(jié)點(diǎn)

2、和管段順序編號(hào)，標(biāo)明管段長度和節(jié)點(diǎn)地形標(biāo)高；標(biāo)明管段長度和節(jié)點(diǎn)地形標(biāo)高；按最高日最高時(shí)計(jì)算比流量、沿線流量和按最高日最高時(shí)計(jì)算比流量、沿線流量和節(jié)點(diǎn)流量；節(jié)點(diǎn)流量；對(duì)各管段擬定水流方向，進(jìn)行流量分配；對(duì)各管段擬定水流方向，進(jìn)行流量分配；初步確定各管段的管徑和水頭損失；初步確定各管段的管徑和水頭損失；進(jìn)行管網(wǎng)水力計(jì)算和技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算；進(jìn)行管網(wǎng)水力計(jì)算和技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算；確定水塔高度和水泵揚(yáng)程；確定水塔高度和水泵揚(yáng)程；根據(jù)管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的壓力和地形標(biāo)高，繪制根據(jù)管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的壓力和地形標(biāo)高，繪制等水壓線和自由水壓線圖。等水壓線和自由水壓線圖。5.2 5.2 管網(wǎng)圖形及簡化管網(wǎng)圖形及簡化 管網(wǎng)圖形：管網(wǎng)圖形：根

3、據(jù)圖論的基本原理，圖由根據(jù)圖論的基本原理，圖由“弧弧”和和“頂點(diǎn)頂點(diǎn)”兩部分組成。給水管網(wǎng)的兩部分組成。給水管網(wǎng)的幾何圖形可以抽象地認(rèn)為是由管段和節(jié)點(diǎn)構(gòu)幾何圖形可以抽象地認(rèn)為是由管段和節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的有向圖，如將管段看成成的有向圖，如將管段看成“弧弧”，節(jié)點(diǎn)看，節(jié)點(diǎn)看成成“頂點(diǎn)頂點(diǎn)”，則管網(wǎng)本身也是一種，則管網(wǎng)本身也是一種“圖圖”。管網(wǎng)圖形中每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過一條或多條管管網(wǎng)圖形中每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過一條或多條管段和其他節(jié)點(diǎn)相連接。如果舍去后，會(huì)破壞段和其他節(jié)點(diǎn)相連接。如果舍去后，會(huì)破壞“圖圖”的連續(xù)性的管段，稱為的連續(xù)性的管段，稱為聯(lián)系管段聯(lián)系管段。去。去除后會(huì)破壞除后會(huì)破壞“圖圖”的連續(xù)性的節(jié)點(diǎn)，稱為的連續(xù)性

4、的節(jié)點(diǎn)，稱為鉸鉸點(diǎn)點(diǎn)。鉸點(diǎn)鉸點(diǎn)聯(lián)系管段聯(lián)系管段 節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)：有集中流量進(jìn)出、管道合并或有集中流量進(jìn)出、管道合并或分叉以及邊界條件發(fā)生變化的地點(diǎn)分叉以及邊界條件發(fā)生變化的地點(diǎn) 管段：管段：兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的管道兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的管道 管線：管線：順序相連的若干管段順序相連的若干管段 環(huán)：環(huán)：起點(diǎn)與終點(diǎn)重合的管線起點(diǎn)與終點(diǎn)重合的管線 基環(huán)：基環(huán)：不包含其它環(huán)的環(huán)不包含其它環(huán)的環(huán) 大環(huán)：大環(huán)：包含兩個(gè)或兩個(gè)以上基環(huán)的環(huán)包含兩個(gè)或兩個(gè)以上基環(huán)的環(huán)管段管段基環(huán)基環(huán)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)管線管線大環(huán)大環(huán) 在保證計(jì)算結(jié)果接近實(shí)際情況的前提下，在保證計(jì)算結(jié)果接近實(shí)際情況的前提下，為方便計(jì)算可對(duì)管線進(jìn)行適度簡化。為方便計(jì)算可

5、對(duì)管線進(jìn)行適度簡化。忽略：忽略：管網(wǎng)中主要起聯(lián)絡(luò)作用的管段，管網(wǎng)中主要起聯(lián)絡(luò)作用的管段，由于正常運(yùn)行時(shí)流量很小，對(duì)水力條件的影由于正常運(yùn)行時(shí)流量很小，對(duì)水力條件的影響很小，計(jì)算時(shí)可以忽略。響很小，計(jì)算時(shí)可以忽略。分解：分解：只有一條管段連接的兩個(gè)管網(wǎng)可只有一條管段連接的兩個(gè)管網(wǎng)可分解成兩個(gè)管網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算；管網(wǎng)末端水流方分解成兩個(gè)管網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算；管網(wǎng)末端水流方向確定的部分可分開計(jì)算；環(huán)狀網(wǎng)上接出的向確定的部分可分開計(jì)算；環(huán)狀網(wǎng)上接出的樹狀網(wǎng)分開計(jì)算。樹狀網(wǎng)分開計(jì)算。節(jié)點(diǎn)合并：節(jié)點(diǎn)合并：距離很近的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算時(shí)距離很近的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算時(shí)可視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)?？梢暈橐粋€(gè)節(jié)點(diǎn)。22121AAAAA 管段合并：管段

6、合并：長度近似相等、彼此幾長度近似相等、彼此幾乎平行且相距很近的兩條管段計(jì)算時(shí)可乎平行且相距很近的兩條管段計(jì)算時(shí)可合并。合并。等效管段的比阻：等效管段的比阻：等效管段的長度：等效管段的長度：21llll或節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)合并合并管段合并管段合并分解分解忽略忽略5.3 5.3 沿線流量和節(jié)點(diǎn)流量沿線流量和節(jié)點(diǎn)流量 比流量：比流量：為簡化計(jì)算而將除去大用戶集為簡化計(jì)算而將除去大用戶集中流量以外的用水量均勻地分配在全部中流量以外的用水量均勻地分配在全部有效有效干管長度干管長度上，由此計(jì)算出的單位長度干管承上，由此計(jì)算出的單位長度干管承擔(dān)的供水量。擔(dān)的供水量。lqQqs 城鎮(zhèn)中用水量標(biāo)準(zhǔn)不同的區(qū)域應(yīng)分別計(jì)城鎮(zhèn)

7、中用水量標(biāo)準(zhǔn)不同的區(qū)域應(yīng)分別計(jì)算比流量。算比流量。公園公園街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊 沿線流量：沿線流量：干管有效長度與比流量的干管有效長度與比流量的乘積。乘積。lqqsl 按管道長度計(jì)算的比流量不能反映供按管道長度計(jì)算的比流量不能反映供水人數(shù)和用水量的差別，可采用按面積計(jì)水人數(shù)和用水量的差別，可采用按面積計(jì)算比流量的方法。算比流量的方法。FqQqs 管網(wǎng)中除最末端的管段外，其他任一管段管網(wǎng)中除最末端的管段外，其他任一管段的流量都由兩部分組成，一部分是本管段沿程的流量都由兩部分組成，一部分是本管段沿程配水產(chǎn)生的流量，即配水產(chǎn)生的流量，即沿線流量沿線流量，另

8、一部分是通，另一部分是通過該管段輸送到下游管段的流量，稱為過該管段輸送到下游管段的流量，稱為轉(zhuǎn)輸流轉(zhuǎn)輸流量量。tlqq tqlqqsl 節(jié)點(diǎn)流量：節(jié)點(diǎn)流量：沿線流量只有概念上的意沿線流量只有概念上的意義，在水力計(jì)算時(shí)應(yīng)義，在水力計(jì)算時(shí)應(yīng)將沿線流量按適當(dāng)比將沿線流量按適當(dāng)比例分配到兩各節(jié)點(diǎn)例分配到兩各節(jié)點(diǎn)，成為節(jié)點(diǎn)流量。沿線，成為節(jié)點(diǎn)流量。沿線流量轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)流量的原則是管段的水頭流量轉(zhuǎn)換成節(jié)點(diǎn)流量的原則是管段的水頭損失相同。損失相同。tlqq tqlqlq1tlqq tqxdxLLxLqLxLqqqlltx222LxLqdxAqdxAdhlxLlqLAdhh02231222lltqLAqqLAh

9、312312222;508.05;528.01;577.005.0;501.050;504.010tlqq tqlqlq1集中流量處理：集中流量處理：tqqtqxLqLqqAxLAqxqqAttt22222211qqLxqqLxqqtttqqLxqqqqttt2125.4 5.4 管段計(jì)算流量管段計(jì)算流量 樹狀管網(wǎng)的管段流量具有唯一性。樹狀管網(wǎng)的管段流量具有唯一性。泵站泵站56385646273545286142733341217726234775 環(huán)狀管網(wǎng)環(huán)狀管網(wǎng)滿足連續(xù)性條件滿足連續(xù)性條件的流量分配方的流量分配方案可以有無數(shù)多種。案可以有無數(shù)多種。151013121816171419761

10、2527148581912335913460249511135730102498v4Dq2vq4D5.5 5.5 管徑計(jì)算管徑計(jì)算 管道直徑、管段計(jì)算流量和水流速度管道直徑、管段計(jì)算流量和水流速度之間滿足以下關(guān)系：之間滿足以下關(guān)系：在確定的計(jì)算流量下，管道直徑是流在確定的計(jì)算流量下，管道直徑是流速的函數(shù)：速的函數(shù)：從從技術(shù)上技術(shù)上考慮，水流的最大速度應(yīng)不超考慮，水流的最大速度應(yīng)不超過過2.53.0米米/秒（防止水錘），最小速度秒（防止水錘），最小速度不得小于不得小于0.6米米/秒（防止沉積）。秒（防止沉積）。從從經(jīng)濟(jì)上經(jīng)濟(jì)上考慮，較大的水流速度可減小考慮，較大的水流速度可減小管道直徑，降低工程

11、造價(jià)；但由于水流速度管道直徑，降低工程造價(jià)；但由于水流速度大而會(huì)導(dǎo)致水頭損失增加，從而加大運(yùn)行的大而會(huì)導(dǎo)致水頭損失增加，從而加大運(yùn)行的動(dòng)力費(fèi)用。合理的流速應(yīng)該使得在一定年限動(dòng)力費(fèi)用。合理的流速應(yīng)該使得在一定年限（投資償還期）內(nèi)管網(wǎng)造價(jià)與運(yùn)行費(fèi)用之和（投資償還期）內(nèi)管網(wǎng)造價(jià)與運(yùn)行費(fèi)用之和最小。最小。)100()(121CpMtCMMtCWt11001MCpttWWt 設(shè)設(shè)Wt為總費(fèi)用，為總費(fèi)用，C為管網(wǎng)造價(jià)，為管網(wǎng)造價(jià)，M1為為年度運(yùn)行電費(fèi)，年度運(yùn)行電費(fèi)，M2為年折舊費(fèi)用，為年折舊費(fèi)用，t為投資為投資償還年限。則有：償還年限。則有：投資償還期內(nèi)的投資償還期內(nèi)的年度總費(fèi)用年度總費(fèi)用為：為：DeM1

12、Cpt1001VeCpt1001WM1WVW0DW0管徑管徑（mm）平均經(jīng)濟(jì)流速平均經(jīng)濟(jì)流速（m/s）D=100400D4000.60.90.91.422252282SQALQLQgDgVdLHHhjiijRJCV 5.6 5.6 水頭損失計(jì)算水頭損失計(jì)算 流量和水頭損失的關(guān)系：流量和水頭損失的關(guān)系：均勻流基本公式：均勻流基本公式：1.舍維列夫公式（適用于舊鑄鐵管和舊鋼管）舍維列夫公式（適用于舊鑄鐵管和舊鋼管）時(shí)：當(dāng)smV/2.13.1200107.0DVJ 時(shí)：當(dāng)smV/2.13.123.03.1200107.0)867.01(000912.0DVKVDVJ2.巴甫洛夫斯基公式（適用于混凝土

13、管、鋼巴甫洛夫斯基公式（適用于混凝土管、鋼筋混凝土管和渠道）筋混凝土管和渠道）yRnC1 對(duì)于混凝土管和鋼筋混凝土給水管，當(dāng)對(duì)于混凝土管和鋼筋混凝土給水管，當(dāng)n0.02時(shí)，時(shí)，y值可采用值可采用1/6。Rnny)10.0(75.013.05.23.海曾海曾威廉公式威廉公式87.4852.1852.167.10DCLQh 水管種類水管種類海曾海曾-威廉系數(shù)威廉系數(shù)C塑料管塑料管新鑄鐵管、涂瀝青或水泥的鑄鐵管新鑄鐵管、涂瀝青或水泥的鑄鐵管混凝土管、焊接鋼管混凝土管、焊接鋼管舊鑄鐵管和舊鋼管舊鑄鐵管和舊鋼管1501301201004.柯爾勃洛克公式柯爾勃洛克公式)Re51.271.3lg(21Dk水

14、管種類水管種類粗糙系數(shù)粗糙系數(shù)k（mm）涂瀝青鑄鐵管涂瀝青鑄鐵管涂水泥鑄鐵管涂水泥鑄鐵管涂瀝青鋼管涂瀝青鋼管鍍鋅鋼管鍍鋅鋼管石棉水泥管石棉水泥管離心法鋼筋混凝土管離心法鋼筋混凝土管塑料管塑料管0.050.1250.500.050.1250.030.040.040.250.010.035.8 5.8 管網(wǎng)計(jì)算基礎(chǔ)方程管網(wǎng)計(jì)算基礎(chǔ)方程 目的：目的：確定各水源節(jié)點(diǎn)的供水量、各管段確定各水源節(jié)點(diǎn)的供水量、各管段的流量和管徑、全部節(jié)點(diǎn)的水壓。的流量和管徑、全部節(jié)點(diǎn)的水壓。多水源環(huán)狀管網(wǎng)的管段數(shù)多水源環(huán)狀管網(wǎng)的管段數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)、基環(huán)數(shù)基環(huán)數(shù)和水源數(shù)和水源數(shù)滿足列關(guān)系：滿足列關(guān)系：+-單水源環(huán)狀管網(wǎng)：

15、單水源環(huán)狀管網(wǎng)：+-1-1 樹狀管網(wǎng)：樹狀管網(wǎng)：-1-1 管網(wǎng)水力計(jì)算時(shí)，節(jié)點(diǎn)流量、管段長度管網(wǎng)水力計(jì)算時(shí)，節(jié)點(diǎn)流量、管段長度為已知，需要確定管道的直徑和流量，有為已知，需要確定管道的直徑和流量，有2P2P個(gè)未知數(shù)，利用經(jīng)濟(jì)流速確定流量與直徑的個(gè)未知數(shù)，利用經(jīng)濟(jì)流速確定流量與直徑的關(guān)系，實(shí)際上只要求解個(gè)未知數(shù)。關(guān)系，實(shí)際上只要求解個(gè)未知數(shù)。管網(wǎng)中的水流必須符合質(zhì)量守恒和能量管網(wǎng)中的水流必須符合質(zhì)量守恒和能量守恒原理，即滿足連續(xù)方程和能量方程。獨(dú)守恒原理，即滿足連續(xù)方程和能量方程。獨(dú)立的連續(xù)性方程數(shù)為個(gè)，獨(dú)立的能量立的連續(xù)性方程數(shù)為個(gè)，獨(dú)立的能量方程數(shù)為個(gè)，共計(jì)個(gè)。方程數(shù)為個(gè)，共計(jì)個(gè)。個(gè)節(jié)點(diǎn)連續(xù)

16、性方程：個(gè)節(jié)點(diǎn)連續(xù)性方程：01ijiqq qi為節(jié)點(diǎn)流量，為節(jié)點(diǎn)流量，qij為管段流量，離開節(jié)為管段流量，離開節(jié)點(diǎn)為正，流向節(jié)點(diǎn)為負(fù)。點(diǎn)為正，流向節(jié)點(diǎn)為負(fù)。02ijiqq0SJijiqq個(gè)基環(huán)能量方程：個(gè)基環(huán)能量方程：0Iijh hij為管段水頭損失，順時(shí)針方向?yàn)檎?，為管段水頭損失，順時(shí)針方向?yàn)檎?，逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù)。逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù)。0IIijh 0Lijh5.9 5.9 管網(wǎng)計(jì)算方法分類管網(wǎng)計(jì)算方法分類 在管網(wǎng)水力計(jì)算時(shí)，根據(jù)求解的未知在管網(wǎng)水力計(jì)算時(shí)，根據(jù)求解的未知敷是管段流量還是節(jié)點(diǎn)水壓，可以分為解敷是管段流量還是節(jié)點(diǎn)水壓，可以分為解環(huán)方程、解節(jié)點(diǎn)方程和解管段方程三類。環(huán)方程、解節(jié)點(diǎn)方程和解

17、管段方程三類。解環(huán)方程：解環(huán)方程：管網(wǎng)經(jīng)流量分配后，各節(jié)管網(wǎng)經(jīng)流量分配后，各節(jié)點(diǎn)已滿足連續(xù)性方程，可是由該流量求出點(diǎn)已滿足連續(xù)性方程，可是由該流量求出的管段水頭損失，的管段水頭損失，并不同時(shí)滿足并不同時(shí)滿足L個(gè)環(huán)的個(gè)環(huán)的能量方程，為此必須多次將各管段的流量能量方程，為此必須多次將各管段的流量反復(fù)調(diào)整，直到滿足能量方程，從而得出反復(fù)調(diào)整，直到滿足能量方程，從而得出各管段的流量和水頭損失。各管段的流量和水頭損失。解節(jié)點(diǎn)方程：解節(jié)點(diǎn)方程：在假定每一節(jié)點(diǎn)水壓的在假定每一節(jié)點(diǎn)水壓的條件下，應(yīng)用連續(xù)性方程以及管段壓降方條件下，應(yīng)用連續(xù)性方程以及管段壓降方程，通過計(jì)算求出每一節(jié)點(diǎn)的水壓。節(jié)點(diǎn)程，通過計(jì)算求出每一節(jié)點(diǎn)的水壓。節(jié)點(diǎn)水壓已知后，即可以從任一管段兩端節(jié)點(diǎn)水壓已知后，即可以從任一管段兩端節(jié)點(diǎn)的水壓差得出該管段的水頭損失，進(jìn)一步的水壓差得出該管段的水頭損失，進(jìn)一步從流量和水頭損失之間的關(guān)系算出管段流從流量和水頭損失之間的關(guān)系算出管段流量。量。解管段方程：解管段方程：應(yīng)用連續(xù)性方程和能量應(yīng)用連續(xù)性方程和能量方程，求得各管段流量和水頭損失，再根方程，求得各管段流量和水頭損失，再根據(jù)已知節(jié)點(diǎn)水壓求出其余各節(jié)點(diǎn)水壓。據(jù)已知節(jié)點(diǎn)水壓求出其余各節(jié)點(diǎn)水壓。