环境工程给排水技术_02输配水管道工程 78页

'第二章输配水管道工程2.1管网和输水管布设2.2管段流量、管径和水头损失2.3管网的计算2.4给水管网附件和构筑物2.5给水管网的技术管理 §2.1管网和输水管布设2.1.1管网图形简化目的及原则：对城镇管网的现状核算以及管网的扩建或改建往往需要将实际的管网加以简化，保留主要的干管，略去一些次要的、水力条件影响较小的管线，使简化后的管网基本上能反映实际用水情况，大大减轻计算工作量。通常管网越简化，计算工作量越小；但过分简化的管网，致使计算结果与实际用水情况的差别加大。所以，管网图形简化是在保证计算结果接近于实际情况的前提下，对管线进行的简化。 简化方法在进行管网简化时，应先对实际管网的管线情况进行充分了解和分析，然后采用分解、合并、省略等方法进行简化。1）分解只有一条管线连接的两个管网，可以把连接管线断开，分解成为两个独立的管网；有两条管线连接的分支管网，若其位于管网的末端且连接管线的流向和流量可以确定时，也可以进行分解；管网分解后即可分别计算。 2）合并管径较小、相互平行且靠近的管线可考虑合并。如管线交叉点很近时，可以将其合并为同一交叉点。相近交叉点合并后可以减少管线数目，使系统简化。在给水管网中，为了施工方便和减小水流阻力，管线交叉处往往用两个三通代替四通（实际工程中很少使用四通），不必将两个三通认为是两个交叉点，仍应简化为四通交叉点。 3）省略管线省略时，首先略去水力条件影响较小的管线，即省略管网中管径相对较小的管线。管线省略后的计算结果是偏于安全的，但是由于流量集中，管径增大，并不经济。 管网图形：根据图论的基本原理，图由“弧”和“顶点”两部分组成。给水管网的几何图形可以抽象地认为是由管段和节点构成的有向图，如将管段看成“弧”，节点看成“顶点”，则管网本身也是一种“图”。管网图形中每个节点通过一条或多条管段和其他节点相连接。如果舍去后，会破坏“图”的连续性的管段，称为联系管段。去除后会破坏“图”的连续性的节点，称为铰点。 铰点联系管段 节点：有集中流量进出、管道合并或分叉以及边界条件发生变化的地点管段：两个相邻节点之间的管道管线：顺序相连的若干管段环：起点与终点重合的管线基环：不包含其它环的环大环：包含两个或两个以上基环的环 管段基环节点管线大环 在保证计算结果接近实际情况的前提下，为方便计算可对管线进行适度简化。忽略：管网中主要起联络作用的管段，由于正常运行时流量很小，对水力条件的影响很小，计算时可以忽略。分解：只有一条管段连接的两个管网可分解成两个管网进行计算；管网末端水流方向确定的部分可分开计算；环状网上接出的树状网分开计算。节点合并：距离很近的两个节点计算时可视为一个节点。 管段合并：长度近似相等、彼此几乎平行且相距很近的两条管段计算时可合并。等效管段的比阻：等效管段的长度： 节点合并管段合并分解忽略 2.1.2管网定线1）管网布置形式根据管网的布置形式，可分为树状管网和环状管网。树状管网投资较省，但供水安全性较差；环状管网投资明显高于树状管网，但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。 泵站树状管网 泵站环状管网 给水管网的布置应满足以下要求：1．按照城市规划平面图布置管网，布置时应考虑给水系统分期建设的可能，并留有充分的发展余地；2．管网布置必须保证供水安全可靠，当局部管网发生事故时，断水范围应减到最小；3．管线遍布在整个给水区内，保证用户有足够的水量和水压；4．力求以最短距离敷设管线，以降低管网造价和供水能量费用。 2）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。 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。 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500～800m。连接管的间距可根据街区的大小考虑在800～1000m左右。分配管直径至少为100mm，大城市采用150～200mm。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。 2.1.3输水管定线定义：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。 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也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。 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。 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。 从水源至城镇水厂或工业企业自备水厂的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。向管网输水的管道设计流量，当管网内有调节构筑物时，应按最高日最高时用水条件下，由水厂所负担供应的水量确定；当无调节构筑物时，应按最高日最高时供水量确定。 当采用明渠输送原水时，应有可靠的保护水质和防止水量流失的措施。输水管渠应根据具体情况设置检查井，检查井间距：当管径为700毫米以下时，不宜大于200米；当管径为700至1400毫米时，不宜大于400米。非满流的重力输水管渠，必要时还应设置跌水井或控制水位的措施。 长距离输水管渠的定线应在对各种可行的方案进行详细的技术经济比较后确定。对于地势起伏较大的地段，宜采取压力输送与重力输送相结合，特别要避免管路中出现负压。在输水管道隆起点和平直段的必要位置上，应装设排（进）气阀，低处应装设泄水阀。其数量和直径应通过计算确定。设计满流输水管道时，应考虑发生水锤的可能，必要时应采取消除水锤的措施。 §2.2管段流量、管径和水头损失内容：求出所有管道的直径、水头损失、水泵扬程和水塔高度。并对事故时、消防时、最大转输时的水泵扬程进行较核。重要性：管道工程的建设投资占整个给水系统总投资的60％～80%，输配水所需的动力费用占给水系统运行总费用的40％～70%。 步骤：绘制计算草图，对节点和管段顺序编号，标明管段长度和节点地形标高；按最高日最高时计算比流量、沿线流量和节点流量；对各管段拟定水流方向，进行流量分配；初步确定各管段的管径和水头损失；进行管网水力计算和技术经济计算；确定水塔高度和水泵扬程；根据管网各节点的压力和地形标高，绘制等水压线和自由水压线图。 2.2.1沿线流量和节点流量比流量：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。城镇中用水量标准不同的区域应分别计算比流量。 公园街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊 沿线流量：干管有效长度与比流量的乘积。按管道长度计算的比流量不能反映供水人数和用水量的差别，可采用按面积计算比流量的方法。 管网中除最末端的管段外，其他任一管段的流量都由两部分组成，一部分是本管段沿程配水产生的流量，即沿线流量，另一部分是通过该管段输送到下游管段的流量，称为转输流量。 节点流量：沿线流量只有概念上的意义，在水力计算时应将沿线流量按适当比例分配到两各节点，成为节点流量。沿线流量转换成节点流量的原则是管段的水头损失相同。 集中流量处理： §2.3管网的计算树状管网的管段流量具有唯一性。泵站56385646273545286142733341217726234775 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。1510131218161714197612527148581912335913460249511135730102498 2.3.1管径计算管道直径、管段计算流量和水流速度之间满足以下关系：在确定的计算流量下，管道直径是流速的函数： 从技术上考虑，水流的最大速度应不超过2.5～3.0米/秒（防止水锤），最小速度不得小于0.6米/秒（防止沉积）。从经济上考虑，较大的水流速度可减小管道直径，降低工程造价；但由于水流速度大而会导致水头损失增加，从而加大运行的动力费用。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。 设Wt为总费用，C为管网造价，M1为年度运行电费，M2为年折旧费用，t为投资偿还年限。则有：投资偿还期内的年度总费用为： DeM1VeWM1WVW0DW0管径（mm）平均经济流速（m/s）D=100～400D≥4000.6～0.90.9～1.4 2.3.2水头损失计算流量和水头损失的关系：均匀流基本公式： 舍维列夫公式（适用于旧铸铁管和旧钢管） 巴甫洛夫斯基公式（适用于混凝土管、钢筋混凝土管和渠道）对于混凝土管和钢筋混凝土给水管，当n<0.02时，y值可采用1/6。 海曾—威廉公式水管种类海曾-威廉系数C塑料管新铸铁管、涂沥青或水泥的铸铁管混凝土管、焊接钢管旧铸铁管和旧钢管150130120100 柯尔勃洛克公式水管种类粗糙系数k（mm）涂沥青铸铁管涂水泥铸铁管涂沥青钢管镀锌钢管石棉水泥管离心法钢筋混凝土管塑料管0.05～0.1250.500.050.1250.03～0.040.04～0.250.01～0.03 2.3.4管网计算基础方程目的：确定各水源节点的供水量、各管段的流量和管径、全部节点的水压。多水源环状管网的管段数Ｐ、节点数Ｊ、基环数Ｌ和水源数Ｓ满足列关系：Ｐ＝Ｊ+Ｌ-Ｓ单水源环状管网：Ｐ＝Ｊ+Ｌ-1树状管网：Ｐ＝Ｊ-1 管网水力计算时，节点流量、管段长度为已知，需要确定管道的直径和流量，有2P个未知数，利用经济流速确定流量与直径的关系，实际上只要求解Ｐ个未知数。管网中的水流必须符合质量守恒和能量守恒原理，即满足连续方程和能量方程。独立的连续性方程数为Ｊ－Ｓ个，独立的能量方程数为Ｌ个，共计Ｐ个。 Ｊ－Ｓ个节点连续性方程：qi为节点流量，qij为管段流量，离开节点为正，流向节点为负。 Ｌ个基环能量方程：hij为管段水头损失，顺时针方向为正，逆时针方向为负。 2.3.5管网计算方法分类在管网水力计算时，根据求解的未知敷是管段流量还是节点水压，可以分为解环方程、解节点方程和解管段方程三类。解环方程：管网经流量分配后，各节点已满足连续性方程，可是由该流量求出的管段水头损失，并不同时满足L个环的能量方程，为此必须多次将各管段的流量反复调整，直到满足能量方程，从而得出各管段的流量和水头损失。 解节点方程：在假定每一节点水压的条件下，应用连续性方程以及管段压降方程，通过计算求出每一节点的水压。节点水压已知后，即可以从任一管段两端节点的水压差得出该管段的水头损失，进一步从流量和水头损失之间的关系算出管段流量。解管段方程：应用连续性方程和能量方程，求得各管段流量和水头损失，再根据已知节点水压求出其余各节点水压。 例题某城镇有居民6万人，用水量定额为120L/（cap.d），用水普及率为83％，时变化系数为1.6，要求达到的最小服务水头为20m。管网布置见图2.11。用水量较大的一工厂和一公共建筑集中流量分别为25.0L/s和17.4L/s，分别有管段3～4和7～8供给，其两侧无其他用户。城镇地形平坦，高差极小。节点4、5、8、9处的地面标高分别为56.0m、56.1m、55.7m、56.0m。水塔处地面标高为57.4m，其他点的地形标高见表2.7，管材选用给水铸铁管。试完成枝状给水管网的设计计算，并求水塔高度和水泵扬程。 解答 2.4.1水管材料和配件1）水管材料目前常用的金属管主要有：钢管、镀锌管、铸铁管、铜管。§2.4给水管网附件和构筑物钢管分为焊接钢管和无缝钢管两大类，焊接钢管有直缝钢管和螺旋卷焊钢管钢管的优点是强度高、耐振动、重量轻、长度大、接头少和加工接口方便等。 2）塑料管塑料管有热塑性塑料管和热固性塑料管两大类。3）预应力混凝土管4）预应力钢筒混凝土管PCCP5）玻璃纤维增强热固树脂夹砂管(玻璃钢管)预应力混凝土管口径一般在2000mm以下，工压在0.4～0.8MPa。 2.4.2管网附件1）阀门阀门是用用以连接、关闭和调节液体、气体或蒸汽流量的设备，它是市政管道系统的重要组成部分。通常阀门常采用以下分类方法。 1.按作用和用途分类(1)截断阀：截断阀又称闭路阀，其作用是接通或截断管路中的介质。截断阀类包括闸阀、截止阀、旋塞阀、球阀、蝶阀和隔膜等。(2)止回阀：止回阀又称单向阀或逆止阀，其作用是防止管路中的介质倒流。水泵吸水关的底阀也属于止回阀类。(3)安全阀：安全阀类的作用是防止管路或装置中的介质压力超过规定数值，从而达到安全保护的目的。 (4)调节阀：调节阀类包括调节阀、节流阀和减压阀，其作用是调节介质的压力、流量等参数。(5)分流阀：分流阀类包括各种分配阀和疏水阀等，其作用是分配、分离或混合管路中的介质。(6)排气阀:排气阀是管道系统中必不可少的辅助元件，广泛应用于锅炉、空调、石油天然气、给排水管道中。往往安装在制高点或弯头等处，排除管道中多余气体、提高管道路使用效率及降低能耗。 2.按连接方法分类(1)螺纹连接阀门：阀体带有内螺纹或外螺纹，与管道螺纹连接。(2)法兰连接阀门：阀体带有法兰，与管道法兰连接。(3)焊接连接阀门：阀体带有焊接坡口，与管道焊接连接。(4)卡箍连接阀门：阀体带有夹口，与管道夹箍连接。(5)卡套连接阀门：与管道采用卡套连接。(6)对夹连接阀门：用螺栓直接将阀门及两头管道穿夹在一起的连接形式。接触的主要表面均为衬里，如衬胶阀、衬塑料阀和衬陶阀等。 3.按阀体材料分类(1)金属材料阀门：其阀体等零件由金属材料制成。如铸铁阀、碳钢阀、合金钢阀、铜合金阀、铝合金阀、铅合金阀、钛合金阀和蒙乃尔合金阀等。(2)非金属材料阀门：其阀体等零件由非金属材料制成。如塑料阀、陶阀、搪阀和玻璃钢阀等。(3)金属阀体衬里阀门：阀体外形为金属，内部凡与介质接触的主要表面均为衬里，如衬胶阀、衬塑料阀和衬陶阀等。 §2.5给水管网的技术管理2.5.1管网技术资料管网的技术管理的主要内容有以下几个方面：（1）建立健全管网的技术档案资料；（2）管网渗漏的检查与修复；（3）定期进行管网的测流、测压；（4）管道的清洗和防腐；（5）管道设备的维护和检修；（6）管网的日常运行调度。 管网的技术档案资料管网的技术档案资料应包括：1）管网总平面图2）管线带状平面图与管线高程图3）节点详图4）用户管理卡5）闸门管理卡 2.5.2检漏和修复（一）管网的检漏检漏工作非常重要。检漏的方法有以下几种：1.被动检漏法2.音听检漏法：1）阀栓听音法2）地面听音法3.漏水声自动监测法4.相关检漏法5.分区检漏法（二）管网漏水修复1.水泥压力管的修理2.铸铁管件的修理 2.5.3管网水压和流量测定（一）管网压力的测量水压的测定一般每季度测一次，但在夏季供水高峰期间，测定次数多些。管网测压一般在选定的固定测压点或临时测压点进行。固定测压点一般选在能说明管网运行状态、具有一定代表意义的压力点上。经常测压的测压点应采用自动水压记录仪，每小时测4次。条件允许时，还可设置无线遥测水压传示仪，24h连续监测水压。临时测压点一般是根据临时测压需要设置，一般无固定式测压设备，采用临时装配压力表的方法进行测压。 （二）管网流量的测量测流工作可测定管段中的流向、流速和流量，是检验管网经济合理的重要手段。管网测流常用的是毕托管，目前还有用便携式超声波流量计。毕托管可插入管道内，测出管道的管径、流速和流向，是经济而简便的测流仪器，但操作繁琐，测试时间长，测定结果需进行计算。便携式超声波流量计，体积小，精度高，操作简单，仪器内有微机系统，可无需计算，但只能对均质管材的管道进行测定，且易受电磁干扰。 2.5.4管网防腐（一）腐蚀现象及危害金属管道由于接触腐蚀性介质而引起的一种管壁侵蚀破坏现象称为腐蚀。因腐蚀而造成管网损失相当严重。腐蚀使管道外表色泽发生改变；机械性能下降；穿孔泄漏；管内水质变坏；管壁粗糙，阻力增大；使用年限大大缩短；有时甚至会因管道泄漏而引发重大事故。 （二）管网防腐常用的防腐蚀技术分电化学法和物理法两种。电化学法能停止或减缓腐蚀反应的进行；物理法通过表面绝缘可把需保护的表面与腐蚀介质隔开。现有电化学法和物理法均可单独应用，但把两种防腐蚀方法结合起来效果将更理想。 1）物理防护法物理防腐蚀法又称为覆盖防腐蚀法，分有机材料涂层和无机材料涂层两种，有机材料涂层又分两种：薄涂层和厚涂层。各种广泛使用的涂料和包扎薄带属于薄涂层，厚度为100～500μm；热敷沥青质膜，聚乙烯（PE）涂层，厚度＞1mm，属厚涂层。 （1）排流法①直接排流法：当金属管道与变电站负极连起来进行排流时，其中仅有一个变电站电源，而且在电源不可能逆向流人电流的情况下，两者直接用排流线连接即可。②选择排流法：在排流线上串联安装一个只许可正向电流通过的逆电流单向选择阻止装置的方法。（2）阴极保护法①牺牲阳极法：采用比被保护金属管道电位更低的金属材料做阳极，与金属管道连接起来，利用两种金属固有的电位差，产生防蚀电流的防腐方法。②外加电流法：通过外部的直流电源装置，将必要的防腐电流通过地下水或埋置于水中的电极，流入金属管道的方法。所用直流电源一般由交流电经过硒整流的过程整流为直流电。2）电化学防护法 （三）防腐处理措施1.清管方法和类型1）高压射流法这种方法，可以不需要断管，利用管道本身的一些附属设备进行清管，使用的喷头直径很小，喷射出水流的清管效果距离喷头越近越好。适合清洗中、小型口径的管道。对高压水射流原理分析，并进行一系列的试验研究，结果表明射流角度在350～450之间，孔径在1.4～1.6mm之间，孔数在8～10个之间射流将产生较大冲击力和推力。2）机械刮管机械刮管的施工长度一般每次可刮管100～150m，对于较长距离的管道要分成若干个清洗段，分别断开，逐段实施从而增加人工开挖工程量和施工停水时间。机械刮管涂衬每进行一个工作段，需要断管、刮管、涂衬、水泥砂浆养护、冲管等多道工序，一般要一天才能完成。 3）弹性冲管器法（Poly-Pig清管法）Poly-Pig，意思是利用充气的特制工具来刮掉管道内壁附着物。使用Poly-Pig清洗管道，可针对软硬不同的锈蚀、结垢，选用不同形式的清管器，既可除掉管道内的锈蚀结垢物，也能对新排管道通水前进行清除，并且节水、高效。Poly-Pig清管方法适用于DN100以上的各种口径管道清管工作，一次清管长度可由几十米到几千米，只要管道没有变径，可通过任何角度的弯管和阀门（除碟阀外），进行长距离清管。4）空气脉冲法这种方法利用气水混合物不断变换压力使管道内壁附着物脱落，这是一种特别适合城市供水管道清管的方法。 2.管道衬里的方法和类型1）水泥砂浆衬里水泥砂浆衬里靠自身的结合力和管壁支托，结构牢靠，其粗糙系数比金属管小（n值不大于0.012），从而保持和提高了管道的输水能力。其次，其因水泥与金属管壁接触，形成很高pH（pH≥12）值溶液，从而抑制了管内壁表面被氧化，避免了腐蚀与结垢的产生。再次，长期使用对水质无不良影响。水泥砂浆化学性质比较稳定，避免了防护层对水质的不良影响，保持了水质。国内外实践也表明，以水泥砂浆衬里作为金属给水管内壁的防护层，具有显著的优点和实用效果。 2）环氧树脂涂衬法环氧树脂具有耐磨性、柔软性、紧密性，使用环氧树脂和硬化剂混合后反应型树脂，可以形成快速、强劲、耐久的涂膜。环氧树脂的喷涂方法一次喷涂的厚度为0.5～1mm，便可满足防腐要求。使用速硬性环氧树脂涂衬后，经过2小时的养护，清洗排水后便可使管道投入运行。3）内衬软管法用内衬软管法来解决旧管道防腐的方法，有滑衬法、反转衬法、“袜法”及用poly-pig拖带聚胺脂薄膜的方法等。根据经验，软管方法施工费用为传统的“大开挖”更换工艺的55%～70%，工期缩短一半，对周围环境影响小，而性能和使用寿命增加一半以上。 2.5.5维持管网水质（1）通过给水栓、消火栓和放水管，定期放去管网中的部分“死水”，并借此冲洗水管。（2）长期未用的管线或管线末端，在恢复使用时必须冲洗干净。（3）管线延伸过长时．应在管网中途加氯，以提高管网边缘地区的剩余氯量，防止细菌繁殖。（4）尽量采用非金属管道。定期对金属管道清垢、刮管和衬涂水管内壁，以保证管线输水能力不致明下降。（5）无论在新敷管线竣工后，或旧管线检修后均应冲洗消毒。消毒之前先用高速水流冲洗水管。然后用20～30mg／L的漂白粉溶液浸泡一昼夜以上，再用清水冲洗，同时连续测定排出水的浊度和细菌，直到合格为止。（6）定期清洗水塔、水池和屋顶高位水箱。'