市政给排水管道工程教案-secret 123页

谭水成《管道工程》教案第一章给水排水管道系统概论本章内容：1、给水排水系统的功能与组成2、给水管网系统的类型3、排水体制本章重点：1、给水管网系统的类型及其适用条件2、排水体制及其选择第一节给水排水系统的组成一、给水排水系统的功能与组成给水排水系统是为人们的生活、生产、市政和消防提供用水和废水排除设施的总称。给水排水系统的功能：向各种不同类别的用户供应满足不同需求的水量和水质，同时承担用户排除废水的收集、输送和处理，达到消除废水中污染物质对于人体健康和保护环境的目的。给水系统（watersupplysystem）是保障城市、工矿企业等用水的各项构筑物和输配水管网组成的系统。根据系统的性质不同有四种分类方法：按水源种类，分为地表水（江河、湖泊、水库、海洋等）和地下水（潜水、承压水、泉水等）给水系统；按服务范围，可分为区域给水、城镇给水、工业给水和建筑给水等系统；按供水方式可分为自流系统（重力供水）、水泵供水系统（加压供水）和两者相结合的混合供水系统；按使用目的，可分为生活给水、生产给水和消防给水系统。根据用户使用水的目的，通常将给水分为生活用水、工业生产用水、消防用水和市政用水四大类。废水收集、处理和排放工程设施，称为排水系统（seweragesystem）。根据排水系统所接受的废水的性质和来源不同，废水可分为生活污水、工业废水和雨水三类。给水排水系统的功能和组成图给水排水系统除以上功能外，还应具有以下三项主要功能：（1）水量保障。123\n谭水成《管道工程》教案（2）水质保障。（3）水压保障。给水排水系统组成：（1）取水系统。（2）给水处理系统。（3）给水管网系统。（4）排水管道系统。（5）废水处理系统。（6）废水排放系统。（7）重复利用系统。城镇给水排水系统图图1-2城镇给水排水系统示意图1-取水系统；2-给水处理系统；3-给水管网系统；4-排水管道系统；5-污水处理系统；6污水排放系统二、给水排水系统工作原理1.给水排水系统的流量关系给水排水系统流量关系如图1-3所示，其中q1为给水处理系统自用水，q2为给水管网系统漏失水量；q3为给水管网系统水量调节，其流向根据水塔（或高位水池）进水或出水而变；q4为用户使用后未排入排水系统的水量；q5为进入排水管网系统的降水或渗入的地下水；q6为排水管道水量调节，其流向根据调节池进水或出水而变化；q7为污水处理系统自耗水；q8为污水回用用水量。图1-3给水排水系统流量关系示意图1-取水系统；2-给水处理系统；3-清水池；4-给水管网系统；5-水塔6-用户；7-排水管道系统；8-调节池；9-均和池；10-污水处理系统清水池是用来调节给水处理水量与管网中的用水量之差。123\n谭水成《管道工程》教案调节池和均和池是用来调节排水管道和污水处理厂之间的流量差，排水调节池（均和池）还具有均和水质的作用，以降低因污染物随时间变化造成的处理困难。2.给水排水系统的水质关系3.给水排水系统的水压关系（1）全重力供水（2）一级加压供水（3）二级加压供水（4）多级加压供水第二节给水排水管道系统的功能与特点1、给水管道系统和排水管道系统均应具有以下功能：l水量输送l2.水量调节l3.水压调节2、给水排水管道系统的功能与特点具有一般网络的特点：如：分散性、扩展性等，同时又具有自身的特点，如隐蔽性。第三节给水管网系统3.1、给水管网系统的组成给水管网系统一般是由输水管（渠）、配水管网、水压调节设施（泵站、减压阀）及水量调节设施（清水池、水塔、高位水池）等构成。如图1-4（a）、1-4（b）所示。图1-4（a）地表水源给水管道系统示意图图1-4（b）地下水源给水管道系统示意图1-取水构筑物；2-一级泵站；3-水处理构筑物；1-地下水取水构筑物；2-集水池；4-清水池；5-二级泵站；6-输水管；7-管网；8-水塔3-泵站；4-输水管；5-管网二、给水管网系统的类型给水管网系统主要有统一给水管网系统、多水源给水管网系统和不同输水方式的给水管网系统三种类型。1.统一给水管网系统：根据向管网供水的水源数目，统一给水管网系统可分为单水源给水管网系统和多水源给水管网系统两种形式。（1）单水源给水管网系统：即只有一个水源地，处理过的清水经过泵站加压后进入输水管和管网，所有用户的用水来源于一个水厂清水池（清水库），较小的给水管网系统，如企事业单位或小城镇给水管网系统，多为单水源给水管网系统，系统简单，管理方便。如图1-5所示。123\n谭水成《管道工程》教案图1-5单水源给水管网系统示意图1-取水设施；2-给水处理厂；3-加压泵站；4-给水管网（2）多水源给水管网系统：有多个水厂的清水池（清水库）作为水源的给水管网系统，清水从不同的地点经输水管进入管网，用户的用水可以来源于不同的水厂。较大的给水管网系统，如中大城市甚至跨城镇的给水管网系统，一般是多水源给水管网系统，如图1-6所示。多水源给水管网系统的特点是：调度灵活、供水安全可靠（水源之间可以互补），就近给水，动力消耗较小；管网内水压较均匀，便于分期发展，但随着水源的增多，管理的复杂程度也相应提高。图1-6多水源给水管网系统示意图1-地表水水源；2-地下水水源；3-水塔；4-给水管网2.分系统给水管网系统：分系统给水管网系统和统一给水管网系统一样，也可采用单水源或多水源供水。根据具体情况，分系统给水管网系统又可分为：分区给水管网系统、分压给水管网系统和分质给水管网系统。（1）分区给水管网系统管网分区的方法有两种：一种是城镇地形较平坦，功能分区较明显或自然分隔而分区，如图1-7所示，城镇被河流分隔，两岸工业和居民用水分别供给，自成给水系统，随着城镇发展，再考虑将管网相互沟通，成为多水源给水系统。另一种是因地形高差较大或输水距离较长而分区，又有串联分区和并联分区两类：采用串联分区，设泵站加压（或减压措施）从某一区取水，向另一区供水；采用并联分区，不同压力要求的区域有不同泵站（或泵站中不同水泵）供水。大型管网系统可能既有串联分区又有并联分区，以便更加节约能量。图1-8所示为并联分区给水管网系统，图1-9所示为串联分区给水管网系统。123\n谭水成《管道工程》教案图1-7分区给水管网系统图1-8并联分区给水管网系统图1-9串联分区给水管网系统a-高区；b-低渠；1-净水厂；2-水塔；a-高区；b-低区；1-净水厂；2-水塔；3-加压泵站（2）分压给水管网系统：由于用户对水压的要求不同而分成两个或两个以上的系统给水，如图1-10所示。符合用户水质要求的水，由同一泵站内的不同扬程的水泵分别通过高压、图1-10分压给水管网系统1-净水厂；2-二级泵站；3-低压输水管；4-高压输水管；5-低压管网；6-高压管网；7-水塔低压输水管网送往不同用户。（2）分质给水管网系统：因用户对水质的要求不同而分成两个或两个以上系统，分别供给各类用户，称为分质给水管网系统，如图1-11（a）、1-11（b）所示。123\n谭水成《管道工程》教案图1-11（a）分质给水管网系统图1-11（b）分质给水管网系统1-分质净水厂；2-二级泵站；3-输水管；1-井群；2-地下水水厂；3-生活用水管网；4-居住区；5工厂区4-生产用水管网；5-取水构筑物；6-生产用水厂3.不同输水方式的管网系统根据水源和供水区域地势的实际情况，可采用不同的输水方式向用户供水。（1）重力输水管网系统（2）水泵加压输水管网系统第四节排水管道系统4.1、排水管道系统的组成排水管道系统一般由废水收集设施、排水管道、水量调节池、提升泵站、废水输水管（渠）和排放口等组成。如图1-14所示。图1-14排水管道系统示意图1-排水管道；2-水量调节池；3-提升泵站；4-输水管道（渠）；5-污水处理厂4.2、排水管道系统的体制城镇和工业企业排出的废水通常分为生活污水、工业废水和雨水三类，它们可以采用同一个排水管道系统来排除，也可以采用两个或两个以上各自独立的排水管道系统来排除。这123\n谭水成《管道工程》教案种不同的排除方式所形成的排水系统，称为排水体制。排水系统的体制主要有合流制和分流制两种基本方式。1．合流制排水系统将生活污水、工业废水和雨水混合在同一管道（渠）系统内排放的排水系统称为合流制排水系统。根据污水汇集后的处置方式不同，又可把合流制分为下列三种情况：（1）直排式合流制排水系统（2）截流式合流制排水系统直排式合流制排水系统截流式合流制排水系统（3）完全合流制排水系统：完全合流制排水系统2．分流制排水系统将生活污水、生产废水和雨水分别在两种或两种以上管道（渠）系统内排放的排水系统称为分流制排水系统。根据雨水的排除方式不同，分流制又分为下列两种情况：（1）完全分流制排水系统：在同一排水区域内，既有污水管道系统，又有雨水管道系统图1-21完全分流制排水系统（2）不完全分流制排水系统：这种体制只有污水排水系统，没有完整的雨水排水系统（图1-22）。123\n谭水成《管道工程》教案图1-22不完全分流制排水系统还有一种情况称为半分流制排水系统在一个城镇中，有时既有分流制，又有合流制，这种体制可称为混合制。合理地选择排水体制，是城镇和小区排水系统设计的重要问题，它不仅从根本上影响排水系统的设计、施工和维修管理，而且对城镇和小区的规划和环境保护影响深远，同时也影响排水系统的工程总投资和初期投资。通常，排水体制的选择，必须符合城镇建设规划，在满足环境保护要求的前提下，根据当地的具体条件，通过技术经济比较决定。从城镇规划方面看。从环境保护方面看。从投资方面看。从排水系统的管理上看。总的看来，排水系统体制的选择，应根据城镇和工业企业规划、当地降雨情况、排放标准、原有排水设施、污水处理和利用情况、地形和水体条件等，在满足环境保护要求的前提下，全面规划，接近期设计，考虑远期发展，通过技术经济比较，综合考虑而定。一般情况下，新建的城镇和小区宜采用分流制和不完全分流制；老城镇的城区由于历史原因，一般已采用合流制，要改造成完全分流制难度较大，故在同一城镇内可采用不同的排水体制，旧城区可采用截流式合流制，易改建地区和新建的小区宜采用分流制或不完全分流制；在干旱少雨地区，或街道较窄地下设施较多而修建污水和雨水两条管线有困难的地区，也可考虑采用完全合流制。123\n谭水成《管道工程》教案第二章给水排水管道工程规划与布置本章内容：1、给水排水管道工程规划原则与建设程序2、给水排水工程技术经济分析3、给水排水管道的布置本章难点：给水排水管道的布置第一节给水排水管道工程规划原则与建设程序给水排水管道系统规划是城市总体规划工作的重要组成部分，是对水源，供水系统、排水系统的综合优化功能和工程布局进行的专项规划，是城市专业功能规划的重要内容。一、给水排水工程规划原则1．贯彻执行国家和地方的相关政策和法规在进行给水排水工程规划时，必须认真贯彻执行国家及地方政府颁布的《城市规划法》、《环境保护法》、《水污染防治法》、《海洋环境保护法》、《水法》、《城市供水条例》等法律和法规及《城市给水工程规划规范》、《饮用水水源水质标准》、《环境保护法》、《生活饮用水卫生标准》、《防洪标准》等国家标准与设计规范，它是城市规划和工程建设的指导方针。2．给水排水工程规划要服从城镇总体规划城镇及工业区总体规划中的设计规模、设计年限、功能分区布局、城镇人口的发展、居住区的建筑层数和标准以及相应的水量、水质、水压资料等，是给水排水工程规划的主要依据。3．近远期规划与建设相结合给水排水工程一般可按远期规划，而按近期规划进行设计和分期建设。4．要合理利用水资源和保护环境6．规划方案尽可能经济和高效二、给水排水工程规划与建设程序1．给水排水工程规划的主要依据和内容给水排水工程规划应以批准的当地城镇（地区）总体规划为主要依据。给水排水工程规划包括给水水源规划、给水处理厂规划、给水管网规划、排水管道规划、污水处理厂规划和废水排放与利用规划等内容。规划工作的主要任务是：（1）确定给水排水系统的服务范围和建设规模；（2）确定水资源综合利用与保护措施；（3）确定系统的组成与体系结构；（4）确定给水排水主要构筑物的位置；（5）确定给水处理及污水处理的工艺流程与水质保证措施；（6）进行给水排水管网规划和干管布置与定线；（7）确定污水的处置方案及其环境影响评价；（8）进行给水排水工程规划的技术经济比较，包括经济、环境和社会效益分析。给水排水工程规划应以规划文本和说明书的形式进行表达。一般近期按5~10年进行规划，远期按10~20年进行规划。2．规划设计基础资料的调查基础资料调查：（1）城镇总体规划资料的收集：工业布局、人口规划、公共设施、地下构筑物、交通网络、竖向规划、各专项工程规划等资料的收集。123\n谭水成《管道工程》教案（2）踏勘：按现状图对建设现场进行实际勘探，了解现状与城市规划的概貌，如流域的高程、坡度、坡向、建筑、道路、水资源及水环境概貌等内容，以便对工程作大体上的估计，并酝酿规划设计方案。（3）测量：测定规划设计流域面积、分水线、等高线、道路交叉点高程、高地和低地的高程、控制点高程。（4）给水和排水资料的收集：用水量标准、卫生设备情况、工业给水量和工业污水量以及水质情况、现有给水排水系统的情况等资料的收集。（5）气象资料的收集：风向、风速、气温（平均气温、极端最高气温和极端最低气温）、空气湿度、降雨量或当地的雨量公式等资料的收集。（6）水文、地质资料的调查：水体分布、河流流量、流向、水位、潮汐、地下水位、水源的水质、水体环境现状及综合利用规划，以及土质、冰冻深度、土壤承载力和地震等级等资料的调查。3．给水排水工程建设程序给水排水工程建设程序分可为以下几个步骤：（1）提出项目建议书（2）进行可行性研究（3）编制设计文件（4）组织施工（5）竣工验收、交付使用给水排水管道工程的规划设计可分为三个阶段（初步设计、技术设计、施工图设计）或两个阶段（初步设计或扩大初步设计和施工图设计）进行。第二节给水排水工程技术经济分析方法技术分析的方法主要有数学分析法和方案比较法。在给水排水工程项目中，通常采工程项目的年计算费用值来表达，即年平均费用值最低的工程方案为最佳方案。其分析方法有静态分析法和动态分析法两种。一、静态分析法（2-1）式中W——年计算费用，元/a；C——工程项目投资额，元；T——投资偿还期，a，一般由项目的性质和投资来源情况确定；Y——年运行费，元/a。二、动态分析法投资资金的时间价值计算通常采用复利法，常用的计算公式如下：1.当资金的现值为p，利率为i%，则n年后的资金终值F为：（2-2）2.因此，当已知资金的终值为F，则现值P为：（2-3）123\n谭水成《管道工程》教案式中α——折现系数。将资金的终值折算为现值称为贴现，其相应的利率称为贴现率。3.当资金现值为P，利率为i%，设在n年内各年平均分摊资金现金A，则各年分摊资金现值的计算方法如下：第一年：第二年：（2-4）……第n年：为保证资金现值P得到回收，则有：(2-5)亦即：（2-6）式中θ——资金回收系数，表示资金现金在n年内每年平均分摊的份额。由此可见，动态法计算工程费用更能反映项目经济效益的真实性。因此，工程项目的年计算费用即为上述的年平均分摊资金额与项目年运行费用之和，即：（2-7）【例2-1】某排水工程项目建设投资为8800万元，年运转费用为260万元/年，求：（1）投资偿还期为20年的静态年计算费用值；（2）利率为5.58%，还款期为20年的动态年计算费用值。【解】（1）静态年计算费用值为：万元/a(2)动态年计算费用值:万元/a123\n谭水成《管道工程》教案第三节给水管网系统规划布置一、给水管网布置原则给水管网的规划布置应符合下列基本原则：1．按照城市总体规划，结合当地实际情况布置给水管网，并进行多方案技术经济比较；2．管线应均匀地分布在整个给水区域内，保证用户有足够的水量和水压，并保持输送的水质不受污染；3．力求以最短距离敷设管线，并尽量减少穿越障碍物等4．必须保证供水安全可靠5．尽量减少拆迁，少占农田或不占农田；6．管渠的施工、运行和维护方便；7．规划布置时应远近期相结合，考虑分期建设的可能性，并留有充分的发展余地。给水管网的规划布置主要受给水区域下列因素影响：地形起伏情况；天然或人为障碍物及其位置；街道情况及其用户的分布情况，尤其是大用户的位置；水源、水塔、水池的位置等。二、给水管网布置的基本形式树状管网环状管网三、给水管网定线给水管网定线是指在地形平面图上确定管线的位置和走向。1．城镇给水管网定线时干管的延伸方向应于水流方向基本一致。干管位置应从用水量较大的街区通过。干管的间距，一般为500～800m左右，连接管之间的间距一般在800～1000m左右。干管一般按城镇规划道路定线，尽量避免在高级路面或重要道路下通过，给水管线与构筑物、铁路以及其它管道的水平净距，均应参照有关规定。为了保证给水管网的正常运行以及消防和管网的维修管理工作，管网上必须安装各种必要的附件，如阀门、消防栓、排气阀和泄水阀等。阀门是控制水流、调节流量和水压的重要设备，阀门的布置应能满足故障管段的切断需要，其位置可结合连接管或重要支管的节点位置；消防栓易设在使用方便、明显易见之处，如路口、道边等位置。在干管的高处应装设排气阀，在管线低处和两阀门之间的低处，应装设泄水管。2．工业企业管网四、输水管渠定线第四节排水管道系统规划布置一、排水管道系统布置原则1．按照城市总体规划，结合当地实际情况布置排水管道，并对多方案进行技术经济比较；2．首先确定排水区界、排水流域和排水体制，然后布置排水管道，应按从主干管、干管、支管的顺序进行布置；3．充分利用地形，尽量采用重力流排除污水和雨水，并力求使管线最短和埋深最小；4．协调好与其它地下管线和道路等工程的关系，考虑好与企业内部管网的衔接；5．规划时要考虑到使管渠的施工、运行和维护方便；123\n谭水成《管道工程》教案6．规划布置时应远近期相结合，考虑分期建设的可能性，并留有充分的发展余地。二、排水管道系统布置形式1．城镇排水管道系统的布置形式2．区域排水系统三、污水管道系统布置污水管道系统布置的主要内容有：1．确定排水区界、划分排水流域2．污水厂和出水口位置的选定应遵循以下原则选定污水厂和出水口的位置。(1)出水口应位于城市河流的下游。(2)出水口不应设回水区，以防回水区的污染。（3）污水厂要位于河流的下游，并与出水口尽量靠近，以减少排放渠道的长度。（4）污水厂应设在城镇夏季主导风向的下风向，并与城镇、工矿企业以及郊区居民点保持300m以上的卫生防护距离。（5）污水厂应设在地质条件较好，不受雨洪水威胁的地方，并有扩建的余地。3．污水管道的布置与定线污水管道平面布置，一般按主干管、干管、支管的顺序进行。图2-7某市排水流域的划分及污水管道平面布置0-排水区界；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ-排水流域编号；1、2、3、4-各排水流域干管；5-污水处理厂污水干管一般沿城镇道路敷设，不宜设在交通繁忙的快车道下和狭窄的道路下，也不宜设在无道路的空地上，而通常设在污水量较大或地下管线较少一侧的人行道、绿化带或慢车123\n谭水成《管道工程》教案道下。道路宽度超过40米时，可考虑在道路两侧各设一条污水管，以减少连接支管的数目以及与其他管道的交叉，并便于施工、检修和维护管理。污水干管最好以排放大量工业废水的工厂（或污水最大的公共建筑）为起端，除了能较快发挥效用外，还能保证良好的水力条污水支管的平面布置取决于地形及街区建筑特征，并应便于用户接管排水。低边式布置；周边式；穿坊式布置。4．确定污水管道系统的控制点和泵站的设置地点控制点是指在污水排水区域内，对管道系统的埋深起控制作用的点。5．确定污水管道在街道下的具体位置污水管道与建筑物应有一定间距，与生活给水管道交叉时，应敷设在生活给水管的下面。管线综合规划时，所有地下管线都应尽量设置在人行道、非机动车辆和绿化带下，只有在不得已时，才考虑将埋深大，维修次数较小的污水、雨水管道布置在机动车道下。若各种管线布置时发生冲突，处理的原则是：未建让已建的，临时性管让永久性管，小管让大管，有压管让无压管，可弯管让不可弯管。四、雨水管渠系统布置雨水管渠规划布置的主要内容有：确定排水流域与排水方式，进行雨水管渠的定线；确定雨水泵房、雨水调节池、雨水排放口的位置。雨水管渠系统的布置1．充分利用地形，就近排入水体。2．根据街区及道路规划布置雨水管道。道路边沟最好低于相邻街区地面标高，尽量利用道路两侧边沟排除地面径流。雨水管渠应平行与道路敷设，宜布置在人行道或草地下，不宜设在交通量大的干道下。当路宽大于40m时，应考虑在道路两侧分别设置雨水管道。雨水干管的平面和竖向布置应考虑与其它地下管线和构筑物在相交处相互协调，以满足其最小净距的要求。3．合理布置雨水口，保证路面雨水顺畅排除。雨水口的布置应根据地形和汇水面积确定，以使雨水不至漫过路口。一般在道路交叉口的汇水点、低洼地段均应设置于水口。此外，在道路上每隔25~50m也应设置雨水口。道路交叉口雨水口的布置见图2-9所示。4．采用明渠和暗渠相结合的形式。5．出水口的设置。6．调蓄水体的布置。7．排洪沟的设置。123\n谭水成《管道工程》教案第三章给水排水管道系统水力计算基础本章内容：1、水头损失计算2、无压圆管的水力计算3、水力等效简化本章难点：无压圆管的水力计算第一节基本概念一、管道内水流特征进行水力计算前首先要进行流态的判别。判别流态的标准采用临界雷诺数Rek，临界雷诺数大都稳定在2000左右，当计算出的雷诺数Re小于2000时，一般为层流，当Re大于4000时，一般为紊流，当Re介于2000到4000之间时，水流状态不稳定，属于过渡流态。对给水排水管道进行水力计算时，管道内流体流态均按紊流考虑紊流流态又分为三个阻力特征区：紊流光滑区、紊流过渡区及紊流粗糙管区。二、有压流与无压流水体沿流程整个周界与固体壁面接触，而无自由液面，这种流动称为有压流或压力流。水体沿流程一部分周界与固体壁面接触，另一部分与空气接触，具有自由液面，这种流动称为无压流或重力流给水管道基本上采用有压流输水方式，而排水管道大都采用无压流输水方式。从水流断面形式看，在给水排水管道中采用圆管最多三、恒定流与非恒定流给水排水管道中水流的运动，由于用水量和排水量的经常性变化，均处于非恒定流状态，但是，非恒定流的水力计算特别复杂，在设计时，一般也只能按恒定流(又称稳定流)计算。四、均匀流与非均匀流液体质点流速的大小和方向沿流程不变的流动，称为均匀流；反之，液体质点流速的大小和方向沿流程变化的流动，称为非均匀流。从总体上看，给水排水管道中的水流不但多为非恒定流，且常为非均匀流，即水流参数往往随时间和空间变化。对于满管流动，如果管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，则管内流动为均匀流；而当管道在局部有交汇、转弯与变截面时，管内流动为非均匀流。均匀流的管道对水流的阻力沿程不变，水流的水头损失可以采用沿程水头损失公式进行计算；满管流的非均匀流动距离一般较短，采用局部水头损失公式进行计算。对于非满管流或明渠流，只要长距离截面不变，也没有转弯或交汇时，也可以近似为均123\n谭水成《管道工程》教案匀流，按沿程水头损失公式进行水力计算，对于短距离或特殊情况下的非均匀流动则运用水力学理论按缓流或急流计算。五、水流的水头和水头损失水头是指单位重量的流体所具有的机械能，一般用符号或表示，常用单位为米水柱(mH2O)，简写为米(m)。水头分为位置水头、压力水头和流速水头三种形式。位置水头是指因为流体的位置高程所得的机械能，又称位能，用流体所处的高程来度量，用符号表示；压力水头是指流体因为具有压力而具有的机械能，又称压能，根据压力进行计算，即(式中的为计算断面上的压力，为流体的比重)；流速水头是指因为流体的流动速度而具有的机械能，又称动能，根据动能进行计算，即（式中为计算断面的平均流速，g为重力加速度）。位置水头和压力水头属于势能，它们二者的和称为测压管水头，流速水头属于动能。流体在流动过程中，三种形式的水头(机械能)总是处于不断转换之中。给水排水管道中的测压管水头较之流速水头一般大得多，在水力计算中，流速水头往往可以忽略不计。实际流体存在粘滞性，因此在流动中，流体受固定界面的影响（包括摩擦与限制作用），导致断面的流速不均匀，相邻流层间产生切应力，即流动阻力。流体克服阻力所消耗的机械能，称为水头损失。当流体受固定边界限制做均匀流动（如断面大小，流动方向沿流程不变的流动）时，流动阻力中只有沿程不变的切应力，称沿程阻力。由沿程阻力所引起的水头损失称为沿程水头损失。当流体的固定边界发生突然变化，引起流速分布或方向发生变化，从而集中发生在较短范围的阻力称为局部阻力。由局部阻力所引起的水头损失称为局部水头损失。在给水排水管道中，由于管道长度较大，沿程水头损失一般远远大于局部水头损失，所以在进行管道水力计算时，一般忽略局部水头损失，或将局部阻力转换成等效长度的管道沿程水头损失进行计算。第二节管渠水头损失计算一、沿程水头损失计算管渠的沿程水头损失常用谢才公式计算，其形式为：（m）（3-1）式中沿程水头损失，m；过水断面平均流速，m/s；谢才系数；123\n谭水成《管道工程》教案过水断面水力半径，即过水断面面积除以湿周，m，圆管满流时（D为圆管直径）；管渠长度，m。对于圆管满流，沿程水头损失也可用达西公式计算：（m）（3-2）式中圆管直径，m；重力加速度，m/s2；沿程阻力系数，。沿程阻力系数或谢才系数与水流流态有关，一般只能采用经验公式或半经验公式计算。目前国内外较为广泛使用的主要有舍维列夫（Ф·Α·ЩевеЛев）公式、海曾－威廉（Hazen-Williams）公式、柯尔勃洛克－怀特(Colebrook-White)公式和巴甫洛夫斯基(Н·Н·Павловский)等公式，其中，国内常用的是舍维列夫公式和巴甫洛夫斯基公式。（1）舍维列夫公式舍维列夫公式根据他对旧铸铁管和旧钢管的水力实验（水温10℃），提出了计算紊流过渡区的经验公式。当m/s时(3-3)当m/s时(3-4)将（3-3）、(3-4)式代入（3-2）式分别得：当m/s时（3-5）当m/s时（3-6）（2）海曾－威廉公式海曾－威廉公式适用于较光滑的圆管满管紊流计算：（3-7）式中流量，m3/s；123\n谭水成《管道工程》教案海曾－威廉粗糙系数，其值见表3-1；其余符号意义同（3-2）式。海曾－威廉粗糙系数值　　　　　　　　　表3-1管道材料管道材料塑料管150新铸铁管、涂沥青或水泥的铸铁管130石棉水泥管120～140使用5年的铸铁管、焊接钢管120混凝土管、焊接钢管、木管120使用10年的铸铁管、焊接钢管110水泥衬里管120使用20年的铸铁管90～100陶土管110使用30年的铸铁管75～90将式（3-7）代入式（3-2）得：　　　(3-8)（3）柯尔勃洛克－怀特公式柯尔勃洛克－怀特公式适用于各种紊流：（3-9）式中雷诺数，，其中为水的动力粘滞系数，和水温有关，其单位为：m2/s；管壁当量粗糙度，m，由实验确定，常用管材的值见表3-2。该式适用范围广，是计算精度最高的公式之一，但运算较复杂，为便于应用，可简化为直接计算的形式：(3-10)常用管渠材料内壁当量粗糙度（mm）表3-2管渠材料光滑平均粗糙玻璃00.0030.006钢、PVC或AC0.0150.030.06有覆盖的钢0.030.060.15镀锌钢管、陶土管0.060.150.3铸铁管或水泥衬里0.150.30.6预应力混凝土管或木管0.30.61.5铆接钢管1.536脏的污水管道或结瘤的给水主管线61530毛砌石头或土渠60150300（4）巴甫洛夫斯基公式123\n谭水成《管道工程》教案巴甫洛夫斯基公式适用于明渠流和非满流管道的计算，公式为：（3-11）式中：巴甫洛夫斯基公式粗糙系数，见表3-3。将（3-11）式代入（3-2）式得：（3-12）常用管渠材料粗糙系数值表3-3管渠材料管渠材料铸铁管、陶土管0.013浆砌砖渠道0.015混凝土管、钢筋混凝土管0.013～0.014浆砌块石渠道0.017水泥砂浆抹面渠道0.013～0.014干砌块石渠道0.020～0.025石棉水泥管、钢管0.012土明渠（带或不带草皮）0.025～0.030（5）曼宁（Manning）公式曼宁公式是巴甫洛夫斯基公式中y＝1/6时的特例，适用于明渠或较粗糙的管道计算：（3-13）式中粗糙系数，与（3-12）式中相同，见表3-3。将（3-13）式代入（3-1）得：（3-14）二、局部水头损失计算局部水头损失用下式计算：（3-15）式中局部水头损失，m；局部阻力系数，见表3-4。根据经验，室外给水排水管网中的局部水头损失一般不超过沿程水头损失的5％，因和沿程水头损失相比很小，所以在管网水力计算中，常忽略局部水头损失的影响，不会造成大的计算误差。123\n谭水成《管道工程》教案局部阻力系数表3-4配件、附件或设施配件、附件或设施全开闸阀0.1990°弯头0.950％开启闸阀2.0645°弯头0.4截止阀3～5.5三通转弯1.5全开蝶阀0.24三通直流0.1第三节无压圆管的水力计算所谓无压圆管，是指非满流的圆形管道。在环境工程和给排水工程中，圆形断面无压均匀流的例子很多，如城市排水管道中的污水管道、雨水管道以及无压涵管中的流动等。这是因为它们既是水力最优断面，又具有制作方便、受力性能好等特点。由于这类管道内的流动都具有自由液面，所以常用明渠均匀流的基本公式对其进行计算。图3-1无压圆管均匀流的过水断面圆形断面无压均匀流的过水断面如图3-1所示。设其管径为d水深为h，定义，称为充满度，所对应的圆心角称为充满角。由几何关系可得各水力要素之间的关系为：过水断面面积：（3-16）湿周：（3-17）水力半径：（3-18）所以（3-19）（3-20）为便于计算，表3-5列出不同充满度时圆形管道过水断面面积A和水力半径R的值。123\n谭水成《管道工程》教案不同充满度时圆形管道过水断面积A和水力半径R的值（表中d以m计）表3-5充满度过水断面积A（m2）水力半径（R）充满度过水断面积A（m2）水力半径（R）0.050.0147d20.0326d0.550.4426d20.2649d0.100.0400d20.0635d0.600.4920d20.2776d0.150.0739d20.0929d0.650.5404d20.2881d0.200.1118d20.1206d0.700.5872d20.2962d0.250.1535d20.1466d0.750.6319d20.3017d0.300.1982d20.1709d0.800.6736d20.3042d0.350.2450d20.1935d0.850.7115d20.3033d0.400.2934d20.2142d0.900.7445d20.2980d0.450.3428d20.2331d0.950.7707d20.2865d0.500.3927d20.2500d1.000.7845d20.2500d为了避免上述各式繁复的数学运算，在实际工作中，常用预先制作好的图表来进行计算，（见《给水排水设计手册》）。下面介绍计算图表的制作及其使用方法。为了使图表在应用上更具有普遍意义，能适用于不同管径、不同粗糙系数的情况，特引入一些无量纲数来表示图形的坐标。设以分别表示满流时的流量、流速、谢才系数、水力半径；以分别表示不同充满度时的流量、流速、谢才系数、水力半径。令：（3-21）（3-22）根据式（3-21）和式（3-22），只要有一个值，就可求得对应的A和B值。根据它们的关系即可绘制出关系曲线，如图3-2所示。图3-2水力计算图123\n谭水成《管道工程》教案从图3-2中可看出：当h/d=0.95时，Amax=Q/Q0=1.087，此时通过的流量为最大，恰好为满管流流量的1.087倍；当h/d=0.81时，Bmax=v/v0=1.16，此时管中的流速为最大，恰好为满管流时流速的1.16倍。因为，水力半径R在＝0.81时达到最大，其后，水力半径相对减小，但过水断面却在继续增加，当＝0.95时，A值达到最大；随着的继续增加，过水断面虽然还在增加，但湿周增加得更多，以致水力半径R相比之下反而降低，所以过流量有所减少。在进行无压管道的水力计算时，还要遵从一些有关规定。《室外排水设计规范》GB50101-2005中规定：（1）污水管道应按非满流计算，其最大设计充满度按其附表采用；（2）雨水管道和合流管道应按满管流计算；（3）排水管的最小设计流速：对于污水管道(在设计充满度时)，当管径d≤500mm时，为0.7m/s；当管径d>500mm时，为0.8m/s。另外，对最小管径和最小设计坡度等也有相应规定。在实际工作中可参阅有关手册与现行规范。[例3-1]已知：圆形污水管道，直径d＝600mm，管壁粗糙系数n＝0.014，管底坡度i＝0.0024。求最大设计充满度时的流速v和流量Q。[解]管径d＝600mm的污水管最大设计充满度；由表3-5查得，时，过水断面上的水力要素为：（m2）（m）（m1/2/s）从而得：（m/s）(m3/s)[例3-2]已知：圆形管道直径d＝1m，管底坡度i＝0.0036，粗糙系数n＝0.013。求在水深h＝0.7m时的流量Q和流速v。[解]根据图3-2计算。首先计算满流时的流量Q0和流速v0。（m）123\n谭水成《管道工程》教案（m1/2/s）(m3/s)由图3-2查得，当时，，，所以：(m3/s)（m/s）第四节非满流管渠水力计算流体具有自由表面，其重力作用下沿管渠的流动称为非满流。因为在自由水面上各点的压强为大气压强，其相对压强为零，所以又称为无压流。非满流管渠水力计算的目的，在于确定管渠的流量、流速、断面尺寸、充满度、坡度之间的水力关系。一、非满流管渠水力计算公式非满流管渠内的水流状态基本上都处于阻力平方区，接近于均匀流，所以，在非满流管渠的水力计算中一般都采用均匀流公式，其形式为：（3-23）（3-24）式中，，称为流量模数，其值相当于底坡等于1时的流量。式（3-23）、（3-24）中的谢才系数C如采用曼宁公式计算，则可分别写成：（3-25）（3-26）式中流量，m3/s；流速，m/s；过水断面积，m2；水力半径（过水断面积A与湿周的比值：），m；水力坡度（等于水面坡度，也等于管底坡度），m/m；123\n谭水成《管道工程》教案C谢才系数或称流速系数；粗糙系数。式（3-25）、（3-26）为非满流管渠水力计算的基本公式。粗糙系数n的大小综合反映了管渠壁面对水流阻力的大小，是管渠水力计算中的主要因素之一。管渠的粗糙系数n不仅与管渠表面材料有关，同时还和施工质量以及管渠修成以后的运行管理情况等因素有关。因而，粗糙系数n的确定要慎重。在实践中，n值如选得偏大，即设计阻力偏大，设计流速就偏小，这样将增加不必要的管渠断面积，从而增加管渠造价，而且，由于实际流速大于设计流速，还可能会引起管渠冲刷。反之，如n选得偏小，则过水能力就达不到设计要求，而且因实际流速小于设计流速，还会造成管渠淤积。通常所采用的各种管渠的粗糙系数见表3-3，或参照有关规范和设计手册。二、非满流管渠水力计算方法在非满流管渠水力计算的基本公式中，有q、d、h、i和v共五个变量，已知其中任意三个，就可以求出另外两个。由于计算公式的形式很复杂，所以非满流管渠水力计算比满流管渠水力计算要繁杂得多，特别是在已知流量、流速等参数求其充满度时，需要解非线性方程，手工计算非常困难。为此，必须找到手工计算的简化方法。常用简化计算方法如下：1．利用水力计算图表进行计算应用非满流管渠水力计算的基本公式（3-25）和（3-26），制成相应的水力计算图表，将水力计算过程简化为查图表的过程。这是《室外排水工程设计规范》和《给水排水设计手册》推荐采用的方法，使用起来比较简单。水力计算图适用于混凝土及钢筋混凝土管道，其粗糙系数n＝0.014（也可制成不同粗糙系数的图表）。每张图适用于一个指定的管径。图上的纵座标表示坡度i，即是设计管道的管底坡度，横座标表示流量Q，图中的曲线分别表示流量、坡度、流速和充满度间的关系。当选定管材与管径后，在流量Q、坡度i、流速v、充满度h/d四个因素中，只要已知其中任意两个，就可由图查出另外两个。参见附录8-1、设计手册或其他有关书籍，这里不详细介绍。2．借助于满流水力计算公式并通过一定的比例变换进行计算假设：同一条满流管道与待计算的非满流管道具有相同的管径d和水力坡度i，其过水断面面积为A0，水力半径为R0，通过流量为Q0，流速为v0。满流管渠的A0、、R0、Q0、v0与非满流时相应的A、R、Q、v存在一定的比例关系，且随充满度＝h/d的变化而变化。为方便计算，可根据上述关系预先制作成图3-2和表3-5，供水力计算时采用，具体计算方法见“无压圆管的水力计算”。123\n谭水成《管道工程》教案第五节管道的水力等效简化为了计算方便，在给水排水管网水力计算过程中，经常采用水力等效原理，将局部管网简化成为一种较简单的形式。如多条管道串联或并联工作时，可以将其等效为单条管道；管道沿线分散的出流或者入流可以等效转换为集中的出流或入流；泵站多台水泵并联工作可以等效为单台水泵等。水力等效简化原则是：经过简化后，等效的管网对象与原来的实际对象具有相同的水力特性。如两条并联管道简化成一条后，在相同的总输水流量下，应具有相同的水头损失。一、串联或并联管道的简化1．串联图3-3管道串联示意当两条或两条以上管道串联使用时，设它们的长度和直径分别为l1，l2，…，lN和d1，d2，…，dN。如图3-3所示，则可以将它们等效为一条直径为d，长度为l＝l1＋l2＋…＋lN的管道。根据水力等效原则有：（3-27）图3-4管道并联示意（3-28）2．并联当两条或两条以上管道并联使用时，各并联管道的长度l相等，设它们的直径和流量分别为：d1，d2，…，dN和q1，q2，…，qN。如图3-4所示，可以将它们等效为一条直径为d长度为l的管道，输送流量为：q＝q1＋q2＋…＋qN根据水力等效原则和式（3.27），有：（3-29）当并联管道直径相同，即时，则有：123\n谭水成《管道工程》教案（3-30）[例3-3]两条相同直径管道并联使用，管径分别为DN200、300、400、500、600、700、800、900、1000和1200mm，试计算等效管道直径。[解]采用曼宁公式计算水头损失，n=2，m=5.333，计算结果见表3-6，如两条DN500mm管道并联，其等效管道直径为：（mm）双管并联等效管道直径表3-6双管并联管道直径（mm）20030040050060070080090010001200等效管道的直径（mm）2593895196487789081037116712971556二、沿线均匀出流的简化在给水管网中，配水管道沿线向用户供水，设沿线用户的用水流量为ql，向下游管道转输的流量为qt，如图3-5所示。假设沿线出流量是均匀的，则管道内任意断面x处的流量可表示为：图3-5管道沿线出流示意沿程水头损失计算如下：为了简化计算，现将沿线流量ql分为两个集中流量，分别转移到管道的起端和末端，假设转移到末端的沿线流量为，（称为流量折算系数），其余沿线流量转移到起端，则通过管道的流量为，根据水力等效原则，应有：123\n谭水成《管道工程》教案令，，代入上式可求得：（3-31）从上式可见，流量折算系数只和值有关，在管网末端的管道，因转输流量为零，即，代入上式得，而在管网起端的管道，转输流量远大于沿线流量，，流量折算系数。由此表明，管道沿线出流的流量可以近似地一分为二，转移到两个端点上，由此造成的计算误差在工程上是允许的。三、局部水头损失计算的简化在给水排水管网中，局部水头损失一般占总水头损失的比例较小，通常可以忽略不计。但在一些特殊情况下，局部水头损失必须进行计算。为了简化计算，可以将局部水头损失等效于一定长度的管道（称为当量管道长度）的沿程水头损失，从而可以与沿程水头损失合并计算。设某管道直径为d，管道上的局部阻力设施的阻力系数为，令其局部水头损失与当量管道长度的沿程水头损失相等，则有：经简化得：（3.-32）式中当量管道长度，m。[例3-4]已知某管道直径d＝800mm，管壁粗糙系数n＝0.0013，管道上有2个45°和一个90°弯头，2个闸阀，2个直流三通，试计算当量管道长度。[解]查表3-4，该管道上总的局部阻力系数：采用曼宁公式计算谢才系数：求得当量管道长度为：（m）123\n谭水成《管道工程》教案第四章给水管道设计用水量本章内容：1、设计用水量组成2、用水量变化3、用水量计算本章难点：用水量计算城市用水量计算是给水系统规划和设计的主要内容之一，是决定给水系统中水资源的利用量、取水、水处理、泵站和管网等设施的工程建设规模和投资额的基本依据。设计用水量通常由下列各项组成：（1）综合生活用水，包括居民生活用水和公共建筑及设施用水。前者指城市中居民的饮用、烹调、洗涤、冲厕、洗澡等日常生活用水，后者则包括娱乐场所、宾馆、浴室、商业、学校和机关办公楼等用水；（2）工业企业生产用水和职工生活用水；（3）消防用水；（4）浇洒道路和绿地用水等市政用水；（5）管网漏失水量及未预计水量。在确定设计用水量时，应根据各种供水对象的使用要求及发展规划和现行用水定额，计算出相应的用水量，最后加以综合作为设计的依据。第一节用水量定额用水量定额是指不同的用水对象在设计年限内达到的用水水平。一、生活用水定额生活用水定额指每人、每天的用水量，以L/（Cap•d）计。影响生活用水定额的因素很多，如当地的水资源和气候条件、人民的生活水平、生活习惯、收费标准及办法、管理水平、水质和水压等因素有关。1.居民生活用水定额和综合生活用水定额设计时应根据当地国民经济、城市发展规划和水资源充沛程度，在现有用水定额基础上，结合给水专业规划和给水工程发展条件综合分析确定。如缺乏实际用水资料，则居民生活用水定额和综合生活用水定额可参照现行《室外给水设计规范》的规定。2.公共建筑用水定额可参照现行《建筑给水排水设计规范》的规定。3.工业企业职工生活及淋浴用水定额工业企业职工生活及淋浴用水定额是指工业企业职工在从事生产活动时所消费的生活及淋浴用水量，以L/（Cap·班）计，设计时可按《工业企业设计卫生标准》的规定。工作123\n谭水成《管道工程》教案人员生活用水量应根据车间性质决定，一般车间采用每人每班25L，高温车间采用每人每班35L。职工淋浴用水定额与车间特征有关，淋浴时间在下班后一小时内进行，二、工业企业生产用水定额工业生产用水一般是指工业企业在生产过程中的用水，包括直接冷却水、工艺用水（产品用水、洗涤用水、直接冷却水、锅炉用水）、空调用水等方面。工业企业生产用水定额通常采用以下三种表示方法：①以万元产值用水量表示。②按单位产品用水量表示。③按每台设备每天用水量表示。可参照有关工业用水量定额。生产用水量通常由企业的工艺部门提供。在缺乏资料时，可参考同类型企业用水指标。在估计工业企业生产用水量时，应按当地水源条件、工业发展情况、工业生产水平，预估将来可能达到的重复利用率。三、消防用水定额消防用水量、水压和火灾延续时间等，应按照现行的《建筑设计防火规范》及《高层民用建筑设计防火规范》等执行。四、其他用水浇洒道路和绿化用水量应根据路面种类、绿化面积、气候和土壤等条件确定。浇洒道路用水量一般为每平方米路面每次1.0~2.0L，每日2～3次。大面积绿化用水量可采用1.5～4.0L/(m2·d)。城市的未预见水量和管网漏失水量可按最高日用水量的15%～25％合并计算，工业企业自备水厂的上述水量可根据工艺和设备情况确定。123\n谭水成《管道工程》教案第二节用水量变化用水量变化规律可以用变化系数或变化曲线表示，为了计算给水系统各组成部分的设计流量，必须给出最高日用水量的变化规律。一、变化系数的基本概念室外给水工程系统设计只需要考虑日与日、时与时之间的差别，即逐日逐时用水量变化情况。为了反映用水量逐日逐时的变化幅度大小，在给水工程中，引入了两个重要的特征系数：日变化系数和时变化系数。1.日变化系数在一年中，每天用水量的变化可以用日变化系数表示，即最高日用水量与平均日用水量的比值，称为日变化系数，记作Kd，即：（4-1）或（4-2）式中－最高日用水量，m3/d；－全年用水量，m3/a；－平均日用水量，m3/d。2.时变化系数在一日内，每小时用水量的变化可以用时变化系数表示，设计时一般计最高日用水量的时变化系数。最高一小时用水量与平均时用水量的比值，叫做时变化系数，记作Kh，即：（4-3）或（4-4）式中－最高日最高时用水量，m3/h；－最高日平均时用水量，m3/h。在缺乏实际用水资料情况下，最高日城市综合用水的时变化系数Kh宜采用1.3～1.6，大中城市的用水比较均匀，Kh值较小，可取下限，小城市可取上限或适当加大。日变化系数Kd，根据给水区的地理位置、气候、生活习惯和室内给水排水设施完善程度，其值约为1.1～1.8，可根据《城市给水工程规划规范》（GB50282－98）选用，123\n谭水成《管道工程》教案二、用水量变化曲线在设计给水系统时，除了求出设计年限内最高日用水量和最高日的最高一小时用水量外，还应知道24h的用水量变化，以确定各种给水构筑物的大小，这种用水量变化规律，通常以用水量时变化曲线表示。1-用水量变化曲线；2-二级泵站设计供水线；3-一级泵站设计供水线123\n谭水成《管道工程》教案第三节用水量计算城市总用水量的计算，应包括设计年限内该给水系统所供应的全部用水:居住区综合生活用水、工业企业职工生活用水、淋浴用水和生产用水、浇洒道路和绿地用水等市政用水以及未预见水量和管网漏失水量等。由于用水集中且历时短暂，消防用水量不累计到总用水量中，仅作设计校核。一、最高日设计用水量计算城市最高日设计用水量应包括以下几项：1.生活用水量计算（1）综合生活用水量的计算综合生活用水量包括城市居民生活用水量和公共建筑用水量，其中：①居民生活用水量可按下式计算:(m3/d)(4-5)式中－设计期限内采用的最高日居民生活用水定额，L/(cap·d)，参见表4-1；-设计期限内规划人口数，cap。②公共建筑用水量，可按下式计算:(m3/d)(4-6)式中－某类公共建筑最高日用水定额，按表4-3采用；－对应用水定额用水单位的数量(人、床位等)。所以:＝+综合生活用水量也可直接按下式计算:(m3/d)（4-7）式中一设计期限内城市各用水分区的最高日综合生活用水定额，L/(cap·d)，参见表4-2；－设计期限内城市各用水分区的计划用水人口数，cap。一般情况下，城市应按房屋卫生设备类型不同，划分不同的用水区域，以分别选用用水量定额，使计算更准确。城市计划人口数往往并不等于实际用水人数，所以，应按实际情况考虑用水普及率，以便得出实际用水人数。（2）工业企业职工的生活用水和淋浴用水量计算(m3/d)（4-8）123\n谭水成《管道工程》教案式中－各工业企业车间职工生活用水量定额，L/(cap·班)；－各工业企业车间职工淋浴用水量定额，L/(cap·班)；－各工业企业车间最高日职工生活用水总人数，cap；－各工业企业车间最高日职工淋浴用水总人数，cap。注意，和应计算全日各班人数之和，不同车间用水量定额不同时，应分别计算。2.工业企业生产用水量计算(m3/d)（4-9）式中－各工业企业最高日生产用水量定额，m3/万元、m3/产品单位或m3/(生产设备单位·d)；－各工业企业产值，万元/d，或产量，产品单位/d，或生产设备数量，生产设备单位；－各工业企业生产用水重复利用率。3.市政用水量计算计算(m3/d)（4-10）式中－城市浇洒道路用水量定额，L/(m2·次)；－城市大面积绿化用水量定额，L/(m2·d)；－城市最高日浇洒道路面积，m2；－城市最高日浇洒道路次数；－城市最高日大面积绿化面积，m2。除上述各种用水量外，未预见水量及管网漏失水量，一般按上述各项用水量之和的15％～25％计算。因此，设计年限内城镇最高日设计用水量为:(m3/d)（4-11）二、最高日平均时和最高时用水量计算1.最高日平均时用水量为：(m3/d)（4-12）2.最高日最高时设计用水量为：(m3/d)（4-13）或(L/s)（4-14）式中－时变化系数；123\n谭水成《管道工程》教案－最高日设计用水量，m3/d。由于各种用水的最高时用水量并不一定同时发生，因此不能简单将其叠加，一般是通过编制整个给水区域的逐时用水量计算表，从中求出各种用水按各自用水规律合并后的最高时用水量或时变化系数Kh，作为设计依据。三、消防用水量计算由于消防用水量是偶然发生的，不累计到设计总用水量中，所以消防用水量仅作为给水系统校核计算之用，可按下式计算：（4-15）式中、－分别为同时发生火灾次数和一次灭火用水量，按国家现行《建筑设计防火规范》的规定确定。第五章给水系统的工作工况本章内容:123\n谭水成《管道工程》教案1、给水系统的流量关系2、给水系统的水压关系本章难点：清水池和水塔容积计算给水系统是由功能互不相同而且又彼此密切联系的各组成部分连接而成，它们必须共同工作满足用户对给水的要求。因此，需从整体上对给水系统各组成部分的工作特点和它们在流量、压力方面的关系进行分析，以便确定各构筑物、管道和设备的设计或运行参数。第一节给水系统的流量关系为了保证供水的可靠性，给水系统中所有构筑物都应以最高日设计用水量为基础进行设计计算。但是，给水系统中各组成部分的工作特点不同，其设计流量也不同。一、取水构筑物、一级泵站和给水处理构筑物取水构筑物、一级泵站和水厂是连续、均匀地运行。原因是：①从水厂运行角度，流量稳定，有利于水处理构筑物稳定运行和管理；②从工程造价角度，每日均匀工作，平均每小时的流量将会比最高时流量有较大的降低，同时又能满足最高日供水要求，这样，取水和水处理系统的各项构筑物尺寸、设备容量及连接管直径等都可以最大限度地缩小，从而降低工程造价。取水和水处理工程的各项构筑物、设备及其连接管道，以最高日平均时设计用水量加上水厂的自用水量作为设计流量，即：（m3/d）（5-1）式中－考虑水厂本身用水量系数，以供沉淀池排泥、滤池冲洗等用水。其值取决于水处理工艺、构筑物类型及原水水质等因素，一般在1.05~1.10之间；－每日工作小时数。水处理构筑物不宜间歇工作，一般按24均匀工作考虑，只有夜间用水量很小的县镇、农村等才考虑一班或两班制运转。取用地下水若仅需在进入管网前消毒而无需其他处理时，一级泵站可直接将井水输入管网，但为提高水泵的效率和延长井的使用年限，一般先将水输送到地面水池，再经二级泵站将水池水输入管网。因此，取用地下水的一级泵站计算流量为：（m3/d）（5-2）和式（5-1）不同的是，水厂本身用水量系数为1。二、二级泵站二级泵站的工作情况与管网中是否设置流量调节构筑物(水塔或高地水池等)有关。当管网中无流量调节构筑物时，任一小时的二级泵站供水量应等于用水量。这种情况下，二级泵站最大供水流量，应等于最高日最高时设计用水量123\n谭水成《管道工程》教案；为使二级泵站在任何时候既能保证安全供水，又能在高效率下经济运转，设计二级泵站时，应根据用水量变化曲线选用多台大小搭配的水泵（或采用改变水泵转速的方式调节水泵装置的工况）来适应用水量变化。实际运行时，由管网的压力进行控制。例如，管网压力上升时，表明用水量减少，应适当减开水泵或大泵换成小泵（或降低水泵转速）；反之，应增开水泵或小泵换成大泵（或提高水泵转速）。水泵切换（或改变转速）均可自动控制。这种供水方式，完全通过二级泵站的工况调节来适应用水量的变化，使二级泵站供水曲线符合用户用水曲线。目前，大中城市一般不设水塔，均采用此种供水方式。当管网内设有水塔或高地水池时，二级泵站分级供水。二级泵站的设计供水线应根据用水量变化曲线拟定。拟定时应注意以下几点：①泵站各级供水线尽量接近用水线，以减小水塔的调节容积，但从泵站运转管理的角度来说，分级数又不宜过多，一般不应多于3～5级。②分级供水时，应注意每级能否选到合适的水泵，以及水泵机组的合理搭配，并尽可能满足目前和今后一段时间内用水量增长的需要。管网内设有水塔或高地水池时，由于它们能调节水泵供水和用水之间的流量差，因此二级泵站每小时的供水量可以不等于用水量。三、输水管和配水管网输水管和配水管网的计算流量均应按输配水系统在最高日最高用水时工作情况确定，并与管网中有无水塔(或高地水池)及其在管网中的位置有关。当管网中无水塔时，泵站到管网的输水管和配水管网都应以最高日最高时设计用水量作为设计流量。管网起端设水塔时(网前水塔)，泵站到水塔的输水管直径应按泵站分级工作的最大一级供水流量计算，水塔到管网的输水管和配水管网仍按最高时用水量计算。管网末端设水塔时(对置水塔或网后水塔)，因最高时用水量必须从二级泵站和水塔同时向管网供水，泵站到管网的输水管以泵站分级工作的最大一级供水流量作为设计流量，水塔到管网的输水管流量按照水塔输入管网的流量进行计算。设有网中水塔时，有两种情况，一种是水塔靠近二级泵站，并且泵站的供水流量大于泵站与水塔之间用户的用水流量，此种情况类似于网前水塔；一种是水塔离泵站较远，以致泵站的供水流量小于泵站与水塔之间用户的用水流量，在泵站与水塔之间将出现供水分界线，情况类似于对置水塔。这两种情况下的设计流量确定问题可参见前文所述。四、水塔与清水池的调节作用1.水塔的流量调节二级泵站供水流量和用户用水流量不相等时，其差额可由水塔来调节。2.清水池的流量调节调节一、二级泵站供水量的差额。第二节清水池和水塔123\n谭水成《管道工程》教案清水池和水塔在给水系统中主要起流量调节作用，另外，清水池还兼有贮存水量和保证与消毒剂有充分消毒接触时间等作用，水塔还兼有贮存水量和保证管网水压的作用。一、清水池和水塔的容积计算1.清水池和水塔的调节容积计算清水池和水塔的调节容积的计算，通常采用两种方法：一种是根据24h供水量和用水量变化曲线推算，一种是凭经验估算。缺乏用水量变化规律的资料时，城市水厂的清水池调节容积，可凭运转经验，按最高日用水量的10%～20%估算。水塔的调节容积，，可按最高日用水量的2.5%～6%估算，城市用水量大时取低值。工业用水可按生产上的要求（调度、事故和消防）确定水塔调节容积。当有城市24小时的用水量变化的详细资料时，清水池和水塔的调节容积可按连续相加法等方法进行计算水塔和清水池的调节容积计算见表5-1。清水池和水塔调节容积计算表5-1时间用水量（％）二级泵站供水量（％）一级泵站供水量（％）清水池调节容积（％）水塔调节容积（％）无水塔时有水塔时（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）0～11.713.114.17－2.46－1.06－1.401～21.643.114.17－2.53－1.06－1.472～31.663.114.16－2.50－1.05－1.453～42.493.114.17－1.68－1.06－0.624～52.683.114.17－1.49－1.06－0.435～64.264.804.160.100.64－0.546～74.354.804.170.180.63－0.457～84.814.804.170.640.630.018～95.814.804.161.650.641.019～105.434.804.171.260.630.6310～114.874.804.170.700.630.0711～125.684.804.161.520.640.8812～135.194.804.171.020.630.3913～144.894.804.170.720.630.0914～154.934.804.160.770.640.1315～164.934.804.170.760.630.1316～175.424.804.171.250.630.6217～185.574.804.161.410.640.77123\n谭水成《管道工程》教案18～195.324.804.171.150.630.5219～205.264.804.171.090.630.4620～213.943.114.16－0.22－1.050.8321～223.233.114.17－0.94－1.060.1222～233.233.114.17－0.94－1.060.1223～242.703.114.16－1.46－1.05－0.41累计100.00100.00100.0014.229.506.78清水池中除了贮存调节用水以外，还存放消防用水和水厂生产用水，因此，清水池有效容积等于：（5-3）式中一清水池调节容积,m3；－消防贮水量，m3，按2h火灾延续时间计算；－水厂冲洗滤池和沉淀池排泥等生产用水，等于最高日用水量的5％～10％；－安全贮水量。清水池有效容积按上式计算时，尚需复核必要的消毒接触时间(消毒时间不低于30分钟)。清水池的个数一般不少于两个，并能单独工作和分别放空。如有特殊措施能保证供水要求时，亦可采用一个，但需分格或采取适当措施，以便清洗或检修时不间断供水。水塔除了贮存调节用水量以外，还需贮存室内消防用水量。因此，水塔设计有效容积为:（5-4）式中－调节容积，m3；－消防贮水量，m3，按10min室内消防用水量计算。二、清水池和水塔的构造1.清水池的构造一般当水池容积小于2500m3时，以圆形较为经济，大于2500m3以矩形较为经济。123\n谭水成《管道工程》教案图5-2圆形钢筋混凝土水池清水池个数或分格数，一般不少于两个，并且可以单独工作，分别检修。如近期只建造一个清水池时，水厂应设超越管绕过清水池，以便清洗时仍可供水。2.水塔的构造多数水塔采用钢筋混凝土或砖石等建造，但以钢筋混凝土水塔或砖支座的钢筋混凝土水柜用得较多。钢筋混凝土水塔主要由水柜(或水箱)、塔架、管道和基础组成。（1）水柜(或水箱)（2）塔体（3）管道和设备（4）基础第三节给水系统的水压关系123\n谭水成《管道工程》教案为供给用户足够的生活用水或生产用水，给水系统应保证一定的水压，通常叫做自由水压，即从地面算起的水压。城市给水管网需保持最小的自由水压为：1层10m，2层12m，2层以上每层增加4m。一、一级泵站水泵扬程确定水泵扬程等于静扬程和水头损失之和：（5-5）水头损失包括水泵吸水管、压水管和泵站连接管线的水头损失。所以一级泵站的扬程为（图5-3）：（5-6）式中－静扬程，m；－由最高日平均时供水量加水厂自用水量确定的吸水管路水头损失，m；－由最高日平均时供水量加水厂自用水量确定的压水管和泵站到絮凝池管线中的水头损失，m。图5-3一级泵站扬程计算1-吸水井；2-一级泵站；3-絮凝池二、二级泵站水泵扬程和水塔高度的确定二级泵站水泵扬程和水塔的高度与管网中是否设置水塔及水塔在管网中的位置有关。1.无水塔管网无水塔的管网（图5-4）由泵站直接输水到用户时，静扬程等于清水池最低水位与管网123\n谭水成《管道工程》教案图5-4无水塔管网的水压线1-最小用水时；2-最高用水时控制点所需水压标高的高程差。所谓的控制点是指整个给水系统中水压最不容易满足的地点（又称最不利点），用以控制整个供水系统的水压，只要该点的压力在最高用水量时可以达到最小服务水头的要求，整个管网就不会存在低水压区。该点对供水系统起点(泵站或水塔)的供水压力要求最高，这一特征是判断某点是不是控制点的基本准则。正确地分析确定系统的控制点非常重要，它是正确进行给水系统水压分析的关键。一般情况下，控制点通常在系统的下列地点：（1）地形最高点；（2）距离供水起点最远点；（3）要求自由水压最高点。当然，若系统中某一地点能同时满足上述条件，这一地点一定是控制点，但实际工程中，往往不是这样，多数情况下只具备其中的一个或两个条件，这时需选出几个可能的地点通过分析比较才能确定。另外，选择控制点时，应排除个别对水压要求很高的特殊用户（如高层建筑、工厂等），这些用户对水压的要求应自行加压解决，对于同一管网系统，各种工况（最高时、消防时、最不利管段损坏时、最大转输时等）的控制点往往不是同一地点，需根据具体情况正确选定。水头损失包括吸水管、压水管、输水管和管网等水头损失之和。故无水塔时二级泵站扬程为：（5-7）式中－管网控制点c的地面标高和清水池最低水位的高程差，m；－控制点所需的最小服务水头，m；－吸水管中的水头损失，m；－输水管和管网中水头损失，m。，和都应按水泵最高时供水量计算。2.网前（前置）水塔管网对于网前（前置）水塔，当泵站供水量大于管网中用户用水量时，多余的水量通过输水管送至水塔中贮存，而在最高用水时，由泵站和水塔联合向管网中用户供水以满足水量的需求。网前（前置）水塔的水压线见图5-5，由图中的水压关系，最高用水时的水压平衡关系为：123\n谭水成《管道工程》教案（5-8）式中－设置水塔处的地形标高，m；－水塔高度，m；－控制点处的地形标高，m；－控制点要求的自由水压，m；一按最高时用水量计算的从水塔至控制点之间管路的水头损失，m。故水塔高度计算公式为：（5-9）从式5-9可以看出，建造水塔处的地面标高越高，则水塔高度越低，造价越低，当＝0时，即变为高地水池，这就是水塔建在高地的原因。图5-5网前水塔管网的水压线1-最高用水时；2-最小用水时3.网后（对置）水塔管网由于城市地形和保证供水区水压的需要，水塔可能布置在管网末端的高地上，这样就形成对置水塔的给水系统。如图5-6所示的对置水塔系统，可能有两种工作情况：图5-6对置水塔管网的水压线1-最高用水时；2-最大转输时123\n谭水成《管道工程》教案（1）在最高用水量时，管网用水由泵站和水塔同时供给，两者各有自己的给水区，在给水区分界线上，水压最低。水泵扬程可按无水塔管网的计算公式（式5-7）进行计算，水塔高度的计算公式可按网前水塔的计算公式（式5-9）进行计算。（2）在一天内有若干小时因二级泵站供水量大于用水量，多余的水通过管网转输入水塔贮存，一般取最大一小时的转输流量作为管网设计校核的依据。最大转输时水泵扬程的计算公式为：（5-10）式中－最大转输时水泵扬程，m；－最大转输时吸水管、输水管和管网中水头损失，m。，和都应按最大转输流量计算。这时需校核根据最高用水量确定的水泵扬程能否满足最大转输时水泵扬程。三、消防时的水压关系二级泵站的扬程除了满足最高用水的水压外，还应满足消防流量时的水压要求。消防时管网通过的总流量按最高时设计用水量加消防流量()，管网的自由水压值应保证不低于10mH2O进行核算，以确定按最高用水时确定的管径和水泵扬程是否能适应这一工作情况的需要。根据两种扬程的差别大小,有时需在泵站内设置专用的消防泵，或放大管网中个别管段的管径以减少水头损失而不用设专用消防泵。第六章给水管网设计（一）教学要求1、了解相关的基本概念；2、熟练掌握给水管网的设计计算方法和步骤；（二）教学内容1、沿线流量和节点流量计算2、管段流量分配3、初拟管径4、平差计算5、泵站扬程与水塔高度设计；123\n谭水成《管道工程》教案6、管网校核；（三）重点：沿线流量和节点流量计算，环状管网设计计算的理论、步骤及平差方法和管网校核。第1节管段设计流量计算确定各管段的设计流量的目的，在于依此来选定管径，进行管网水力计算。但要确定各管段的计算流量，需首先确定各管段的沿线流量和节点流量。一、管网图形的简化（一）简化目的及原则在管网计算中，城市管网的现状核算及旧管网的扩建计算最为常见。由于给水管线遍布在街道下，不仅管线很多而且管径差别很大，若计算全部管线，实际上既无必要，也不大可能。因此，除了新设计的管网，因定线和计算仅限于干管网的情况外，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，计算结果难免与实际用水情况的差别增大。所以，管网图形简化是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。（二）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），不必将两个三同认为是两个交叉点，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。二、沿线流量城市给水管网的干管和分配管上，承接了许多用户，沿线配水情况比较复杂，既有工厂、机关、学校、医院、宾馆等大用户，其用水流量称为集中流量，又有数量很多、但用水量较小的居民用水、浇洒道路或绿化用水等沿线流量，以致不但沿线所接用户很多，而且用水量变化也很大。干管的配水情况如图6-3所示。分配管q1q3Q1q5q1’q3’q5’q7’BAq2q2’q4’q6’q4Q2q6123\n谭水成《管道工程》教案图6-3干管配水情况从图中可以看出，干管除供沿线两旁为数较多的居民生活用水q1′、q2′、q3′等外，还要供给分配管流量q1、q2、q3等，还有可能给少数大用水户供应集中流量Q1、Q2、Q3等。由于用水点多，用水量经常变化，所以按实际情况进行管网计算是非常繁杂的，而且在实际工程中也无必要。所以，为了计算方便，常采用简化法——比流量法，即假定小用水户的流量均匀分布在全部干管上。比流量法有长度比流量和面积比流量两种。（一）长度比流量所谓长度比流量法是假定沿线流量q1′、q2′……均匀分布在全部配水干管上，则管线单位长度上的配水流量称为长度比流量，记为qs[L/(s·m)]。qs可按下式计算：(6-2)式中Q______管网总用水量，L/s；∑Qi______工业企业及其他大用户的集中流量之和，L/s。∑L______管网配水干管总计算长度，m；单侧配水的管段（如沿河岸等地段敷设的只有一侧配水的管线）按实际长度的一半计入；双侧配水的管段，计算长度等于实际长度；两侧不配水的管线长度不计（即不计穿越广场、公园等无建筑物地区的管线长度）。比流量的大小随用水量的变化而变化。因此，控制管网水力情况的不同供水条件下的比流量（如在最高用水时、消防时、最大转输时的比流量）是不同的，须分别计算。另外，若城市内各区人口密度相差较大时，也应根据各区的用水量和干管长度，分别计算其比流量。长度比流量按用水量全部均匀分布在干管上的假定来求比流量，忽视了沿管线供水人数和用水量的差别，存在一定的缺陷。因此计算出来的配水量可能和实际配水量有一定差异。为接近实际配水情况，也可按面积比流量法计算。（二）面积比流量假定沿线流量q1′、q2′……均匀分布在整个供水面积上，则单位面积上的配水流量称为面积比流量，记作qA[L/(s·m2)]，按下式计算：(6-3)式中∑A______给水区域内沿线配水的供水面积总和，m2；其余符号意义同前。干管每一管段所负担的供水面积可按分角线或对角线的方法进行划分，如图6-4所示。在街区长边上的管段，其单侧供水面积为梯形；在街区短边上的管段，其单侧供水面积为三角形。123\n谭水成《管道工程》教案图6-4供水面积划分（a）对角线法；（b）分角线法用面积比流量法计算虽然比较准确，但计算过程较麻烦。当供水区域的干管分布比较均匀、干管距离大致相同的管网，用长度比流量法计算较为简便。由比流量qs、qA可计算出各管段的沿线配水流量即沿线流量，记作qy，则任一管段的沿线流量qy(L/s)可按下式计算：(6-4)或(6-5)式中L_____该管段的计算长度，m；Ai_____该管段所负担的供水面积，m2。三、节点流量管网中任一管段的流量，包括两部分：一部分是沿本管段均匀泄出供给各用户的沿线流量qy，流量大小沿程直线减小，到管段末端等于零；另一部分是通过本管段流到下游管段的流量，沿程不发生变化，称为转输流量qzs。从管段起端A到末端B管段内流量由qzs+qy变为qzs，流量是变化的。对于流量变化的管段，难以确定管径和水头损失。因此，需对其进一步简化。简化的方法是化渐变流为均匀流，既以变化的沿线流量折算为管段两端节点流出的流量，即节点流量。全管段引用一个不变的流量，称为折算流量，记为qif，使它产生的水头损失与实际上沿线变化的流量产生的水头损失完全相同，从而得出管线折算流量的计算公式为：(6-6)式中α____折减系数，通常统一采用0.5，即将管段沿线流量平分到管段两端的节点上。图6-5管段输配水情况因此管网任一节点的节点流量为：(6-7)123\n谭水成《管道工程》教案即管网中任一节点的节点流量qi等于与该节点相连各管段的沿线流量总和的一半。当整个给水区域内管网的比流量qcb或qmb相同时，由式（6-4）、（6-5）可得节点流量计算式（6-7）的另一种表达形式：(6-8)或(6-9)式中ΣLi——与该节点相连各管段的计算长度之和，m；ΣAi——与该节点相连各管段所负担的配水面积之和，m2。城市管网中，工企业等大用户所需流量，可直接作为接入大用户节点的节点流量。工业企业内的生产用水管网，水量大的车间用水量也可直接作为节点流量。这样，管网图上各节点的流量包括由沿线流量折算的节点流量和大用户的集中流量。大用户的集中流量可以在管网图上单独注明，也可与节点流量加在一起，在相应节点上注出总流量。一般在管网计算图的各节点旁引出细实线箭头，并在箭头的前端注明该节点总流量的大小。在计算完节点设计流量后，应验证流量平衡，即：Q=∑Qi+∑qi（6-10）式中Q——管网总用水量，L/s；Qi——各节点的集中流量，L/s；qi——各节点的节点流量，L/s。如果有较大误差，则应检查计算过程中的错误，如误差较小，可能是计算精确度误差（小数尾数四舍五入造成），可以直接调整某些项集中流量和节点流量，使流量达到平衡。[例题6-1]某城镇最高时总用水量为284.7L/s，其中集中供应工业用水量为189.2L/s。干管各管段编号及长度如图6-6所示，管段4-5、1-2及2-3为单侧配水，其余为两侧配水。试求：（1）干管的比流量；（2）各管段的沿线流量；（3）各节点流量。二泵站绿地居住区1500475657566居住区820居住区820756756居住区居住区8201工厂2绿地3图6-6节点流量计算（单位：m）[解]按长度比流量法计算。1．配水干管计算长度：因二泵站～4为输水管，不参与配水，其计算长度为零，4～5、1～2、2～3管段为单侧配水，其计算长度按实际长度的一半计入，其余均为双侧配水管段，均按实际长度计入，则：2．配水干管比流量：123\n谭水成《管道工程》教案3．沿线流量：管段1-2的沿线流量为：各管段的沿线流量计算见表6-1。各管段的沿线流量计算表6-1管段编号管段长度/m管段计算长度/m比流量/L·s－1·m－1沿线流量/L·s－11-27560.5×756＝3780.02198.32-375605×756＝3788.31-482082018.02-582082018.03-682082018.04-57560.5×756＝3788.35-675675616.6合计──435095.54.节点流量计算：如节点5的节点流量为：各节点的节点流量计算见表6-2。各管段节点流量计算表6-2节点连接管段节点流量/L·s－1集中流量/L·s－1节点总流量/L·s－111-4、1-20.5(18.0+8.3)＝13.1189.2202.321-2、2-5、2-30.5（8.3＋18.0＋8.3）＝17.3──17.332-3、3-60.5（8.3＋18.0）＝13.1──13.141-4、4-50.5（18.0＋8.3）＝13.1──13.154-5、2-5、5-60.5（8.3＋18.0+16.6）=21.6──21.663-6、5-60.5（18.0＋16.6）＝17.3──17.3合计──95.5189.2284.7将节点流量和集中流量标注于相应节点上，如图6-7。二泵站13.121.617.313.117.3456123\n谭水成《管道工程》教案13.11189.223图6-7节点流量图（单位：L/s）四、管段流量管网各管段的沿线流量简化成各节点流量后，可求出各节点流量，并把大用水户的集中流量也加于相应的节点上，则所有节点流量的总和，便是由二级泵站送来的总流量，（即总供水量）。按照质量守恒原理，每一节点必须满足节点流量平衡条件：流入任一节点的流量必须等于流出该节点的流量，即流进等于流出。若规定流入节点的流量为负，流出节点为正，则上述平衡条件可表示为：（6-11）式中qi______节点i的节点流量，L/s；qij______连接在节点i上的各管段流量，L/s。依据式(6-11)，用二级泵站送来的总流量沿各节点进行流量分配，所得出的各管段所通过的流量，就是各管段的计算流量。在单水源枝状管网中，各管段的计算流量容易确定。从配水源（泵站或水塔等）供水到各节点只能沿一条管路通道，即管网中每一管段的水流方向和计算流量都是确定的。每一管段的计算流量等于该管段后面（顺水流方向）所有节点流量和大用户集中用水量之和。因此，对于枝状管网，若任一管段发生事故，该管段以后地区就会断水。如图6-8所示的一枝状管网，部分管段的计算流量为：；；q69q96q8q10q2泵站q3810q4q5123457q7图6-8枝状管网管段流量计算对于环状管网，各管段的计算流量不是唯一确定的。配水干管相互连接环通，环路中每一用户所需水量可以沿两条或两条以上的管路供给，各环内每条配水管段的水流方向和流量值都是不确定的。如图6-9中的1节点，图中流入节点1的流量只有（泵站供水流量），流出节点1的流量有q1、q1～2、q1~5和q1~7，由公式（6-11）得：123\n谭水成《管道工程》教案或2q23q34q4q15q51q7q8泵站016q6Qq9789图6-9环状管网流量分配对于节点1来说，流入管网的总流量Q和节点流量q1是已知的，但各管段的流量q1~2、q1~5、q1~7可以有不同的分配方法，也就是有不同的管段流量。为了确定各管段的计算流量，需人为地假定各管段的流量分配值称为流量预分配，以此确定经济管径。在环状管网流量预分配时，不仅要考虑经济性（即一定年限内管网的工程总造价和管理费用最小），而且还要考虑可靠性问题（指能够不间断地向用户供水，并保证应有的水量、水压和水质），做到经济性和可靠性并重。但经济性和可靠性是一对矛盾，一般只能在满足可靠性的前提下，力争得到最经济的管径。在综合考虑经济性和可靠性后，可按如下步骤进行环状管网流量分配：1．首先在管网平面布置图上，确定出控制点的位置，并根据配水源、控制点、大用户及调节构筑物的位置确定管网的主要流向。2．参照管网主要流向拟定各管段的水流方向，使水流沿最近路线输水到大用户和边远地区，以节约输水电耗和管网基建投资。3．根据管网中各管线的地位和功能来分配流量。尽量使平行的主要干管分配相近的流量，以免个别主要干管损坏时，其余管线负荷过重，使管网流量减少过多；干管与干管之间的连接管，主要是沟通平行干管之间的流量，有时起输水作用，有时只是就近供水到用户，平时流量一般不大，只有在干管损坏时，才转输较大流量。因此，连接管中可分配较少的流量。4．分配流量时应满足节点流量平衡条件，即在每个节点上满足。对于多水源管网，会出现由两个或两个以上水源同时供水的节点，这样的节点叫供水分界点；各供水分界点的连线即为供水分界线；各水源供水流量应等于该水源供水范围内的全部节点流量加上分界线上由该水源供给的那部分节点流量之和。因此，流量分配时，应首先按每一水源的供水量确定大致的供水范围，初步划定供水分界线，然后从各水源开始，向供水分界方向逐节点进行流量分配。环状管网流量分配后得出的是各管段的计算流量，由此流量即可确定管径，计算水头损失，但环状管网各管段计算流量的最后数值必须由平差计算结果来定出。第二节管径计算123\n谭水成《管道工程》教案确定管网中每一管段的直径是输水和配水系统设计计算的主要课题之一。管段的直径应按分配后的流量确定。在设计中，各管段的管径按下式计算：(6-12)式中q______管段流量，m3/s；υ______管内流速，m/s。由上式可知，管径不但和管段流量有关，而且还与流速有关。因此，确定管径时必须先选定流速。为了防止管网因水锤现象而损坏，在技术上最大设计流速限定在2.5～3.0m/s范围内；在输送浑浊的原水时，为了避免水中悬浮物质在水管内沉积，最低流速通常应大于0.60m/s，由此可见，在技术上允许的流速范围是较大的。因此，还需在上述流速范围内，根据当地的经济条件，考虑管网的造价和经营管理费用，来选定合适的流速。从公式可以看出，流量一定时，管径与流速的平方根成反比。如果流速选用的大一些，管径就会减小，相应的管网造价便可降低，但水头损失明显增加，所需的水泵扬程将增大，从而使经营管理费（主要指电费）增大，同时流速过大，管内压力高，因水锤现象引起的破坏作用也随之增大。相反，若流速选用小一些，因管径增大，管网造价会增加。但因水头损失减小，可节约电费，使经营管理费降低。因此，管网造价和经营管理费（主要指电费）这两项经济因素是决定流速的关键。求一定年限t（称为投资偿还期）内，管网造价和经营管理费用之和为最小的流速，称为经济流速），以此来确定的管径，称为经济管径。若管网造价为C，每年的经营管理费用为M，包括电费M1和折旧、大修费M2，因M2和管网造价有关，故可按管网造价的百分数计，表示为%C，那么在投资偿还期年内，，总费用为：（6-13）式中——管网的折旧和大修率，以管网造价的百分比计。式（6-13）除以投资偿还期，则得年折算费用W：；（6-14）总费用W曲线的最低点表示管网造价和经营管理费用之和为最小时的流速称为经济流速υe。Wt=C＋tMtMCυe流速123\n谭水成《管道工程》教案图6-10流速和费用的关系各城市的经济流速值应按当地条件，如水管材料和价格、施工条件、电费等来确定，不能直接套用其他城市的数据。另外，管网中各管段的经济流速也不一样，须随管网图形、该管段在管网中的位置、该管段流量和管网总流量的比例等决定。因为计算复杂，有时简便地应用“界限流量表”确定经济管径。界限流量表表6-3管径/mm界限流量/L·s－1管径/mm界限流量/L·s－1100＜9450130~1681509~15500168~23720015~28.5600237~35525028.5~45700355~49030045~68800490~68535068~96900685~82240096~1301000822~1120由于实际管网的复杂性，加上情况在不断的变化，例如流量在不断增加，管网逐步扩展，诸多经济指标如水管价格、电费等也随时变化，要从理论上计算管网造价和年管理费用相当复杂且有一定难度。在条件不具备时，设计中也可采用由各地统计资料计算出的平均经济流速来确定管径，得出的是近似经济管径，见表6-4。平均经济流速表6-4管径/mm平均经济流速υe/L·s－1D=100～4000.6～0.9D≥4000.9～1.4在使用各地区提供的经济流速或按平均经济流速确定管网管径时，需考虑以下原则：1）一般大管径可取较大的经济流速，小管径可取较小的经济流速；2）首先定出管网所采用的最小管径（由消防流量确定），按υe确定的管径小于最小管径时，一律采用最小管径；3）连接管属于管网的构造管，应注重安全可靠性，其管径应由管网构造来确定，即按与它连接的次要干管管径相当或小一号确定；4）由管径和管道比阻α之间的关系可知，当管径较小时，管径缩小或放大一号，水头损失会大幅度增减，而所需管材变化不多；相反，当管径较大时，管径缩小或放大一号，水头损失增减不很明显，而所需管材变化较大。因此，在确定管网管径时，一般对于管网起端的大口径管道可按略高于平均经济流速来确定管径，对于管网末端较小口径的管道，可按略低于平均经济流速确定管径，特别是对确定水泵扬程影响较大的管段，适当降低流速，使管径放大一号，比较经济；5）管线造价（含管材价格、施工费用等）较高而电价相对较低时，取较大的经济流速，反之取较小的经济流速。以上是指水泵供水时的经济管径确定方法，在求经济管径时，考虑了抽水所需的电费。重力供水时，由于水源水位高于给水区所需水压，两者的标高差H可使水在管内重力流动。此时，各管段的经济管径应按输水管和管网通过设计流量时，供水起点至控制点的水头损失总和等于或略小于可利用的水头来确定。123\n谭水成《管道工程》教案第三节环状管网计算的理论1．环状管网计算时，必须满足下列基本水力条件（1）连续性方程（又称节点流量平衡条件）即对任一节点来说，流入该节点的流量必须等于流出该节点的流量。若规定流出节点的流量为正，流入节点的流量为负，则任一节点的流量代数和等于零。即：（2）能量方程（又称闭合环路内水头损失平衡条件）即环状管网任一闭合环路内，水流为顺时针方向的各管段水头损失之和应等于水流为逆时针方向的各管段水头损失之和。若规定顺时针方向的各管段水头损失为正，逆时针方向为负，则在任一闭合环路内各管段水头损失的代数和等于零，即：（6-17）如图6-13，由并联管路的基本公式可知，节点1至节点4之间均有下列关系成立：式中______管线1～2～4的水头损失；_______管线1～3～4的水头损失；H1、H4_______分别为节点1和节点4的水压标高值或测压管水头值（每一节点只有一个数值）。1h1-22Qq1q2h1-3h2-434q3q4图6-13单环管网另由串联管路的基本公式，得：123\n谭水成《管道工程》教案所以有：或2．环状管网计算的基本方法和原理环状管网计算时，节点流量、管段长度、管径和阻力系数等均已知，需要求解的是管网各管段的流量和水头损失（或节点水压）。求解时可采用解环方程组、解节点方程组和解管段方程组等3种方法。（1）解环方程组法（2）解节点方程组法（3）解管段方程组法三、环状管网平差方法1.哈代-克罗斯法最早和应用广泛的管网分析方法有哈代-克罗斯法和洛巴切夫，即每环中各管段的流量用修正的方法。现以图6-14为例加以说明，各参数的符号仍规定：顺时针方向为正，逆时针方向为负。图6-14两环管网的流量调整环状管网初步分配流量后，管段流量为已知，并满足节点流量平衡条件，由选出管径，计算出各管段的水头损失和各环的水头损失代数和，一般，不满足水头损失平衡条件，须引入校正流量以减小闭合差。校正流量可按下式估算确定：－=－=－（6-21）式中______环路k的校正流量，L/s；______环路k的闭合差，等于该环内各管段水头损失的代数和，m；123\n谭水成《管道工程》教案______环路k内各管段的摩阻与相应管段流量的绝对值乘积之总和。______环路k的各管段的水头损失与相应管段流量之比的绝对值乘积之总和。应该注意，上式中和符号相反，即闭合差为正，校正流量就为负，反之则为正；闭合差的大小及符号，反映了与⊿h=0时的管段流量和水头损失的偏离程度和偏离方向。显然，闭合差的绝对值越大，为使闭合差所需的校正流量的绝对值也越大。各环校正流量用弧形箭头标注在相应的环内，如图6-14所示，然后在相应环路的各管段中引入校正流量，即可得到各管段第一次修正后的流量，即：（6-22）式中______本环路内初步分配的各管段流量，L/s；______本环路内初次校正的流量，L/s；______邻环路初次校正的流量，L/s。如图6-14中环Ⅰ和环Ⅱ：环Ⅰ：环Ⅱ：由于初步分配流量时，已经符合节点流量平衡条件，即满足了连续性方程，所以每次调整流量时能自动满足此条件。采用哈代-克罗斯法进行管网平差的步骤：（1）根据城镇的供水情况，拟定环状网各管段的水流方向，按每一节点满足连续性方程的条件，并考虑供水可靠性要求分配流量，得初步分配的管段流量。（2）由计算各管段的水头损失。（3）假定各环内水流顺时针方向管段中的水头损失为正，逆时针方向管段中的水头损失为负，计算该环内各管段的水头损失代数和，如，其差值即为第一次闭合差。如123\n谭水成《管道工程》教案＞0，说明顺时针方向各管段中初步分配的流量多了些，逆时针方向管段中分配的流量少了些，反之，如＜0，说明顺时针方向各管段中初步分配的流量少了些，逆时针方向管段中分配的流量多了些。（4）计算每环内各管段的，按式（6-16）求出校正流量。如闭合差为正，校正流量为负；反之，则校正流量为负。（5）设图上的校正流量符号以顺时针方向为正，逆时针方向为负，凡是流向和校正流量方向相同的管段，加上校正流量，否则减去校正流量，据此调整各管段的流量，得第一次校正的管段流量。对于两环的公共管段，应按相邻两环的校正流量符号，考虑邻环校正流量的影响。按此流量再计算，如闭合差尚未达到允许的精度，再从第2步按每次调整后的流量反复计算，直到每环的闭合差达到要求为止。123\n谭水成《管道工程》教案第四节、管网水力计算一、枝状管网水力计算枝状管网中的计算比较简单，因为水从供水起点到任一节点的水流路线只有一个，每一管段也只有唯一确定的计算流量。因此，在枝状管网计算中，应首先计算对供水经济性影响最大的干管，即管网起点到控制点的管线，然后再计算支管。当管网起点水压未知时，应先计算干管，按经济流速和流量选定管径，并求得水头损失；再计算支管，此时支管起点及终点水压均为已知，支管计算应按充分利用起端的现有水压条件选定管径，经济流速不起主导作用，但需考虑技术上对流速的要求，若支管负担消防任务，其管径还应满足消防要求。当管网起点水压已知时，仍先计算干管，再计算支管，但注意此时干管和支管的计算方法均与管网起点水压未知时的支管相同。枝状管网水力计算步骤：（1）按城镇管网布置图，绘制计算草图，对节点和管段顺序编号，并标明管段长度和节点地形标高。（2）按最高日最高时用水量计算节点流量，并在节点旁引出箭头，注明节点流量。大用户的集中流量也标注在相应节点上。（3）在管网计算草图上，从距二级泵站最远的管网末梢的节点开始，按照任一管段中的流量等于其下游所有节点流量之和的关系，逐个向二级泵站推算每个管段的流量。（4）确定管网的最不利点（控制点），选定泵房到控制点的管线为干线。有时控制点不明显，可初选几个点作为管网的控制点。（5）根据管段流量和经济流速求出干线上各管段的管径和水头损失。（6）按控制点要求的最小服务水头和从水泵到控制点管线的总水头损失，求出水塔高度和水泵扬程。（若初选了几个点作为控制点，则使二级泵站所需扬程最大的管路为干线，相应的点为控制点）。（7）支管管径参照支管的水力坡度选定，即按充分利用起点水压的条件来确定。（8）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。【例题6-2】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6-11。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56.0、56.1、55.7、56.0m。水塔处地面标高为57.4m，其他点的地形标高见表6-5，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。123\n谭水成《管道工程》教案425.0056.76370m16.27320m3水塔450m18.4528.5130.6212.67泵房400m2500m6600m9350m7.3917.47700m8图6-11枝状管网计算（流量单位：L/s）节点地形标高表6-5节点2367地形标高（m）56.656.356.356.2【解】1.计算节点流量1）最高日最高时流量：2）比流量：1）沿线流量（见表6-6）：沿线流量计算表表6-6管段长度/m沿线流量/L·s-11-240016.902-345019.012-650021.123-532013.526-735014.786-960025.34合计2620110.672）节点流量（见表6-7）节点流量计算表表6-7节点节点流量/L·s-1集中流量/L·s-1节点总流量/L·s-110.5×16.90=8.45_______8.4520.5×（16.90+19.01+21.12）=28.51_______28.5130.5（19.01+13.52）16.27_______16.27123\n谭水成《管道工程》教案4_______25.025.050.5×13.52=6.76_______6.7660.5×（21.12+25.34+14.78）=30.62_______30.6270.5×14.78=7.39_______7.398_______17.4017.4090.5×25.34=12.67_______12.67合计110.6742.40153.07各节点流量标注在图6-11。2．选择控制点，确定干管和支管由于各节点要求的自由水压相同，根据地形和用水量情况，控制点选为节点9，干管定为1～2～6～9，其余为支管。3．编制干管和支管水力计算表格，见表6-8、6-94．将节点编号、地形标高、管段编号和管段长度等已知条件分别填于表6-8、6-9中的第（1）、（2）、（3）、（4）项。干管水力计算表表6-8节点地形标高/m管段编号管段长度/m流量/L·s-1管径/mm1000i流速/m·s-1水头损失/m水压标高/m自由水压/m(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)956.06～960012.671507.200.734.3276.0020.0656.380.3224.022～650068.083004.900.962.45256.682.7726.171～2400144.625001.530.730.61157.483.3825.985．确定各管段的计算流量按的条件，从管线终点（包括和支管）开始，同时向供水起点方向逐个节点推算，即可得到各管段的计算流量：由9节点得L/s由6节点得：同理，可得其余各管段计算流量，计算结果分别列于表6-8、6-9中第（5）项。6．干管水力计算（1）由各管段的计算流量，查铸铁管水力计算表，参照经济流速，确定各管段的管径和相应的1000i及流速。管段6～9的计算流量12.67L/s，由铸铁管水力计算表查得：当管径为125mm、150mm、200mm时，相应的流速分别1.04m/s、0.72m/s、0.40m/s。前已指出，当管径D＜400mm时，平均经济流速为0.6～0.9m/s，所以管段6～9的管径应确定为150mm，相应的1000i＝7.20，υ＝0.73m/s。同理，可确定其余管段的管径和相应的1000i和流速，其结果见表123\n谭水成《管道工程》教案6-8中第（6）、（7）、（8）项。（2）根据h=i.L计算出各管段的水头损失，即表6-8中第（9）项等于［］，则同理，可计算出其余各管段的水头损失，计算结果见表6-8中第（9）项。（3）计算干管各节点的水压标高和自由水压。因管段起端水压标高Hi和终端水压标高Hj于该管段的水头损失hij存在下列关系：（6-15)节点水压标高Hi、自由水压H0i与该处地形标高Zi存在下列关系：（6-16）由于控制点9节点要求的水压标高为已知：因此，在本例中要从节点9开始，按式（6-12）和(5-13)逐个向供水起点推算：节点4同理，可得出干管上各节点的水压标高和自由水压。计算结果见表6-8中第（10）、（11）项。7．支管水力计算由于干管上各节点的水压已经确定，（见表6-8），即支管起点的水压已定，因此支管各管段的经济管径选定必须满足：从干管节点到该支管的控制点（常为支管的终点）的水头损失之和应等于或小于干管上此节点的水压标高与支管控制点所需的水压标高之差。即按平均水力坡度确定管径。但当支管由两个或两个以上管段串联而成时，各管段水头损失之和可有多种组合能满足上述要求。现以支管6～7～8为例说明：首先计算支管6～7～8的平均允许水力坡度，即：允许由，查铸铁管水力计算表，参照允许，得，相应的实际，则：按式（6-13）、（6-14）计算7点得水压标高和自由水压：由节点7的水压标高即可计算管段7-8的平均允许1000i为：123\n谭水成《管道工程》教案允许由，查铸铁管水力计算表，参照允许，得，相应的实际，则：同理，可计算出节点8的水压标高和自由水压：按上述方法可计算出所有支管管段，计算结果见表6-9，图6-12。25.00425.0-200370－2.2156.76-1506.7616.27320-5.573水塔8.4548.03-250450-2.94144.62-50028.5168.08-30030.6212.67-15012.67泵房1400-0.612500-2.456600-4.32924.79-200350-2.0617.477.3917.4-200Q(L/s)-D(mm)700-2.098L(m)-h(m)图6-12枝状管网计算支管水力计算表表6-9节点地形标高/m管段编号管段长度/m管段流量/L·s-1允许1000i管段管径/mm实际1000i水头损失/m水压标高/m自由水压/m(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)656.36-735024.794.42005.882.0680.3224.02756.278.2622.067-870017.43.662002.992.09855.776.1720.47123\n谭水成《管道工程》教案256.62-345048.038.72506.532.9482.7726.17356.379.8323.53356.33-53206.7611.651502.310.7479.8323.53556.179.0922.99356.33-437025.0010.352005.982.2179.8323.53456.077.6221.62注：管段7～8、3～5按现有水压条件均可选用100mm管径，但考虑到消防流量较大（qx＝35L/s）,管网最小管径定为150mm。8．确定水塔高度由表6-7可知，水塔高度应为Ht=25.98m。9．确定二级泵站所需的总扬程设吸水井最低水位标高m，泵站内吸、压水管的水头损失取m，水塔水柜深度为4.5m，水泵至1点间的水头损失为0.5m，则二级泵站所需总扬程为：泵-1二、环状管网水力计算（一）、环状管网水力计算步骤1．按城镇管网布置图，绘制计算草图，对节点和管段顺序编号，并标明管段长度和节点地形标高。2．按最高日最高时用水量计算节点流量，并在节点旁引出箭头，注明节点流量。大用户的集中流量也标注在相应节点上。3．在管网计算草图上，将最高用水时由二级泵站和水塔供入管网的流量（指对置水塔的管网），沿各节点进行流量预分配，定出各管段的计算流量。4．根据所定出的各管段计算流量和经济流速，选取各管段的管径。5．计算各管段的水头损失h及各个环内的水头损失代数和∑h。6．若∑h超过规定值（即出现闭合差⊿h），须进行管网平差，将预分配的流量进行校正，以使各个环的闭合差达到所规定的允许范围之内。7．按控制点要求的最小服务水头和从水泵到控制点管线的总水头损失，求出水塔高度和水泵扬程。8．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。123\n谭水成《管道工程》教案第五节输水管水力计算输水管包括原水输水管（渠）和清水输水管两种。输水管必须保证不间断输水。因此，一般需平行敷设两条，当敷设一条输水管时，常另外设置有一定容量的蓄水池。对于允许间断供水或多水源供水的管网，可以只设一条输水管。输水系统的一般特点是距离长，和河流、高地、交通路线等交叉较多。原水输水管（渠）设计流量，应按最高日平均时供水量与水厂自用水量之和确定。当远距离输水时，输水管渠的设计流量还应计入管渠漏失水量。清水输水管的设计流量，当管网内无调节构筑物时，应按最高日最高时用水量确定；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（输水管道的设计水量应为最高日最高时供水量减去由调节构筑物每小时供应的水量）。输水管渠有多种形式，常用的有：1．压力输水管渠此种形式通常用得最多，当输水量大时可采用输水渠。常用于高地水源或水泵供水。2．无压输水管渠（非满流水管或暗渠）无压输水管渠的单位长度造价较压力管渠低，但在定线时，为利用与水力坡度相接近的地形，不得不延长路线，因此，建造费用相应增加。重力无压输水管渠可节约水泵输水所耗电费。3．加压与重力相结合的输水系统在地形复杂的地区常用加压与重力结合的输水方式。4．明渠明渠是人工开挖的河槽，一般用于远距离输送大量水。以下重点讨论压力输水管。输水管平行工作的管线数，应从可靠性要求和建造费用两方面来比较。若增加平行管线数，虽然可提高供水的可靠性，但输水系统的建造费用随之增大。实际上，常采用简单而造价又增加不多的方法，以提高供水的可靠性，即在平行管线之间设置连接管，将输水管线分成多段，分段数越多，供水可靠性越高。合理的分段数应根据用户对事故流量的要求确定。输水管计算的任务是确定管径和水头损失，以及达到一定事故流量所需的输水管条数和需设置的连接管条数。确定大型输水管的管径时，应考虑具体的埋管条件、管材和形式、附属构筑物数量和特点、输水管条数等，通过方案比较确定。具体计算时，先确定输水管条数，依据经济供水的原则，即按设计流量和经济流速（或可资用水头）确定管径，进而计算水头损失。本节主要介绍输水管分段数计算方法。一、重力供水时的压力输水管水源在高地时（如取用蓄水库水时），若水源水位和水厂内第一个水处理构筑物之间有足够的水位高差克服两者管道的水头损失时，可利用水源水位向水厂重力输水。如图6-28所示，若水源水位标高为，输水管终端要求的水压为，则可资用水头为，用来克服输水管阻力损失。假设输水系统的总流量为，平行管线（管径、管长和管材均相同）数为，则每条输水管的流量为，如图6-29。123\n谭水成《管道工程》教案图6-28重力流压力输水管图6-29输水管正常时与事故时工作情况若在输水管上等距离地设置条连接管，输水管被分成段，则正常工作情况下的水头损失为：（6-32）式中_____每一管段的摩阻；______输水系统的总摩阻，。如图6-29，任一管段损坏时，流量降低为，若忽略连接管的水头损失（因其长度和输水管相比很短），则此时输水管系统的水头损失为：（6-33）式中——条管线中任一段损坏时输水系统的总摩阻，。在重力流压力输水系统中，因起、终点的水头差固定，不受管线损坏的影响，因此，但，可得出事故时和正常工作时的流量比例，即事故时允许流量降落比为：123\n谭水成《管道工程》教案（6-34）不同、值时的值见表6-13。由表可知：输水管线可靠性随着平行管线数和连接管数的增加而增大。由于城镇给水管网的允许流量降落比值为，因此为保证输水管损坏时的事故流量，当采用重力下的压力供水时，应设置两根平行的输水管时，并设置两条连接管将平行管线按长度分成3段。不同m、n值时的R值表6-13n当m为下列值时的R值0123420.50.630.710.760.7930.670.780.840.870.8940.750.850.890.910.93二、水泵供水的压力输水管水泵供水时，流量受到水泵扬程的影响。反之，输水量变化也会影响输水管起点的水压。因此水泵供水时的实际流量，应由水泵特性曲线和输水管特性曲线的联合曲线求出。图6-30水泵和输水管特性曲线水泵特性曲线和输水管特性曲线的联合工作情况可如图6-30表示，Ⅰ、Ⅱ分别表示输水管正常工作和事故时的—特性曲线。当输水管任一管段损坏时，系统的阻力增大，曲线的交点从正常工作时的点移到点，与点相应的横坐标表示事故时流量。设置连接管后，由于事故时输水系统的摩阻增加较少，即较接近，因此曲线Ⅱ和曲线Ⅰ也123\n谭水成《管道工程》教案比较接近，事故时流量可大于无连接管时。确定输水管的分段数应保证任一管段损坏检修时，供水流量不低于允许值。水泵供水时输水管的分段数计算方法如下：1．设有网前水塔时输水管分段数计算设两条不同直径的输水管用连接管分成n段。输水管正常土作时的流量和水压关系用特性方程表示为（6-35）忽略连接管的水头损失，则任一段输水管损坏时的流量和水压关系为（6-36）式中——输水管正常工作时水泵扬程；——事故时水泵扬程；——水泵静扬程，等于水塔水面与泵站吸水井水面的高差；——正常工作时的流量；——事故时的流量；——输水管的分段数；——正常工作时的流量；——事故时的流量；——泵站内部管线的摩阻；——两条输水管的当量摩阻。当量摩阻按下式计算：（6-37）式中s1、s2——每条输水管的摩阻，其中，s1为未损坏输水管的摩阻。正常情况下水泵的特性曲线方程为：事故时水泵的特性曲线方程为：123\n谭水成《管道工程》教案将式（6-35）和式(6-36)分别代人上两式，得正常时水泵的输水量Q和事故时的水泵输水量Qa：（6-38）(6-39）由式(6-39)和式(6-38)得事故时和正常时的流量比为：（6-40）R一般取0.7，因此，为保证事故用水量所需的分段数为：（6-41）式中______事故输水管的摩阻；2．设对置水塔时输水管分段数计算分段数可按下式近似计算：（6-42）式中______管网起点至控制点间的管路总摩阻。123\n谭水成《管道工程》教案第六节管网校核1、管网校核的定义从前面的设计过程可知，管网的管径和水泵扬程，是按设计年限内最高日最高时的用水量和水压要求来设计的。这样的管径和水泵能否满足其他特殊情况(消防时、最大转输、事故时)下的要求，就需进行其它用水量条件下的核算。核算按最高日最高时流量设计的管径和水泵能否满足其他特殊情况下的要求的过程就叫作管网校核。2、管网校核的内容l消防校核：发生火灾的情况下；l事故校核：管网前端主要干管发生事故的情况下；l最大转输校核：设有对置水塔的管网最大转输的情况下；2.1.消防校核2.1.1消防校核的实质管网是按最高日最高时流量来设计的，这个流量并没有包括消防流量。（城市火灾不是经常发生的，且火灾持续时间不长，灭火期间短时间的断水或者流量减少居民能够接受）消防校核的实质是以最高日最高时流量另加消防流量作为设计流量，按10m的服务水头计算，校核按最高时流量确定的管径和水泵能否满足消防时候的要求，2.1.2消防校核的方法：（1）首先根据城市规模和现行的《建筑设计防火规范》确定同时发生的火灾次数和消防用水量；（2）把消防流量作为集中流量加在相应节点的节点流量中；（如按消防要求同时一处失火，则放在控制点，有两处或两处以上失火，一处放在控制点，其他设定在离二级泵站较远或靠近大用户的节点处，其余节点仍按最高用水时的节点流量。）（3）以最高日最高时用水量确定的管径为基础，将最高时用水量与消防流量相加后进行流量分配；（4）进行管网平差，求出消防时的管段流量和水头损失；（5）计算消防时所需要的水泵扬程。（自由水压不低于10mH2O）2.1.3消防校核结果虽然消防时比最高时所需的服务水头要小得多,但因消防时通过管网流量增大，各管段的水头损失相应增加，按最高时确定的水泵扬程有可能不满足消防时的需要。若：消防时需要的水泵扬程小于最高时确定的水泵扬程,则设计不需要调整；消防时需要的水泵扬程略大于最高时确定的水泵扬程，可放大管网末端个别管径；消防时需要的水泵扬程远大于最高时确定的水泵扬程，专设消防泵。2.2.事故校核管网主要管段发生损坏时，必须及时检修，在检修时间内供水量允许减少，但设计水压一般不应降低。事故时管网供水流量与最高时设计流量之比，称为事故流量降落比，用R表示。R的取值根据供水要求确定，城镇的事故流量降落比R一般不低于70%。2.2.1事故校核的实质事故校核的实质是管网前端主要管段发生损坏时，原设计的管径和水泵能否供应不小于最高时设计流量70%的流量。2.2.2事故校核的方法核算时，水力计算过程跟最高时计算过程相同，只是管网各节点的流量应按事故时用户123\n谭水成《管道工程》教案对供水的要求确定。（可按事故流量降落比统一折算，即事故时管网的节点流量等于最高时各节点的节点流量乘上事故降落比R）2.2.3事故校核的结果经过核算后不符合要求时，可以增加平行主干管或埋设双管，或放大某些连通管的管径，或重新选择水泵。也可以从技术上采取措施，如加强当地给水管理部门的检修力量，缩短损坏管段修复时间；重要的和不允许断水的用户，可以采用贮备用水的保障措施。2.3.最大转输校核2.3.1最大转输校核的实质设对置水塔的管网，在最高用水时由泵站和水塔同时向管网供水，但在一天内泵站送水量大于用水量的时段内，多余的水经过管网送入水塔贮存。最大转输校核的实质是校核设对置水塔的管网在发生最大转输流量时水泵能否将水送到水塔水柜中最高水位。2.3.2最大转输校核的方法核算时，水力计算过程跟最高时计算过程相同，只是管网各节点的流量需按最大转输时管网各节点的实际用水量求出。因节点流量随用水量的变化成比例地增减，所以最大转输时各节点流量可按下式计算：（6-26）式中______最高用水时的节点流量，L/s；______最大转输时节点流量折减系数，其值可按下式计算：（6-27）式中Qzy、Qh______分别为最大转输时和最高用水时管网总用水量，L/s；Qzi、Qi______分别为最大转输时已确定（常为集中流量）的节点流量和与之相对应的最高用水时的节点流量，L/s。节点流量确定后，按最大转输时的流量进行分配和管网平差，求出各管段的流量、水头损失和所需要的水泵扬程。2.3.2最大转输校核的结果校核不满足要求时，应适当加大从泵站到水塔最短供水路线上管段的管径。123\n谭水成《管道工程》教案第七节管网计算结果的整理管网平差结束后，将最终平差结果按的形式标注在管网平面图上相应的管段旁，继续进行下列内容的计算：1．管网各节点水压标高和自由水压计算起点水压未知的管网进行水压计算时，应首先选择管网的控制点，由控制点所要求的水压标高依次推出各节点的水压标高和自由水压，计算方法同枝状管网。由于存在闭合差，即⊿h≠0，利用不同管线水头损失所求得的同一节点的水压值常不同，但差异较小，不影响选泵，可不必调整。网前水塔管网系统在进行消防和事故工作校核时，由控制点按相应条件推算到水塔处的水压标高可能出现以下三种情况：一是高于水塔最高水位，此时必须关闭水塔，其水压计算与无水塔管网系统相同；二是低于水塔最低水位，此时水塔无需关闭，仍可其起调节流量作用。但由于水塔高度一定，不能改变，所以这种情况管网系统的水压应由水塔控制，即由水塔开始，推算到各节点（包括二级泵站）；三是介于水塔最高水位和最低水位之间，此种情况水塔调节容积不能全部利用，应视具体情况按上述两种情况之一进行水压计算。对于起点水压已定的管网进行水压计算时，无论何种情况，均从起点开始，按该点现有的水压值推算到各节点，并核算各节点的自由水压是否满足要求。经上述计算得出的各节点水压标高、自由水压及该节点处的地形标高，按一定格式写在相应管网平面图的节点旁。2.绘制管网水压线图管网水压线图分等水压线图和等自由水压线图两种，其绘制方法与绘制地形等高线图相似。两节点间管径无变化时，水压标高将沿管线的水流方向均匀降低，据此从已知水压点开始，按0.5~1.0m的等高距（水压标高差）推算出各管段上的标高点。如某一地区的水压线过密，表示该处管网的负荷过大，所选用的管径偏小。水压线的密集程度可作为今后放大管径或增敷管线的依据。由等水压线图标高减去各点地面标高得自由水压，用细实线连接相同的自由水压即可绘出等自由水压线图。管网等自由水压线图可直观反映整个供水区域内高、低压区的分布情况和服务水压偏低的程度。因此，管网水压线图对供水企业的管理和管网改造有很好的参考价值。图6-18管网等水压线123\n谭水成《管道工程》教案第七章给水管道材料与附件（一）教学要求了解常用的给水管道材料和附件（二）教学内容1、给水管道材料2、给水管道附件及附属构筑物（三）重点：给水管道材料第一节给水管道材料与配件一、给水管道材料对给水管道的要求：水力条件好、安装简便、快速可靠、维护工作量少。同时管道的化学稳定性高，耐腐、质轻、韧性好、寿命长、折旧费用低。给水管材常可以分为金属管材料、非金属管材料和复合材料三大类。1．金属管目前常用的金属管主要有：钢管、镀锌管、铸铁管、铜管。铜管价格较高，主要用于热水管道。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。镀锌管道仍作为建筑给水管的主要管材，它比钢管价格低，但防腐性差，铸铁管一般包括普通灰口铸铁管，铸钛球墨铸铁管和球墨铸铁管。2．塑料管材用于给水管道工程的塑料管材有UPVC管，PE管、PB管、PEX管、PP-C管、PP-R管。重量轻、便于运输及安装、管道内壁光滑阻力系数小、防腐性能良好、对水质不构成二次污染却都是共同的。（1）硬聚氨乙烯管（UPVC）管（2）聚乙烯管（PE管）（3）聚丁烯管道（阳管）（4）交联聚乙烯（PEX）管（5）聚丙烯共聚物PP-R、PP-C管3．复合管（1）玻璃钢管（FRP管）玻璃钢管属热固性塑料管。玻璃钢管重量轻（约为钢管的l/2），承压能力高、内壁光滑、耐腐蚀、施工安装方便，但价格高于钢管（约1.5倍）。    （2）耐冲击UPVC管（Hl-3P）耐冲击UPVC管是将已有的UPVC管通过物理和化学处理，形成具有高密度硬质中心层和耐冲击内外硬质属的三层结构，用以改善普通UPVC管抗低温冲击强度低的缺陷，实验证实这种三层结构的管道比铸铁给水管有更高的耐冲击强度和拉伸强度。123\n谭水成《管道工程》教案（3）钢骨架塑复合管以钢丝为增强体，塑料（高密度聚乙烯HDPE）为基体，采用钢丝点焊成网和挤出塑料真空填注同步进行，在生产线上连续拉膜成型。钢骨架塑料复合管克服了钢管耐压不耐腐、塑料管耐腐不耐压、钢塑管易脱层等缺陷。    （4）衬塑铝台金管衬塑铝合金管由铝合金外层及聚丙烯内层经机械加工复合而成。其性能与铝塑复合管类似。第二节给水管道附件一、阀门阀门是用以连接、关闭、和调节液体、气体或蒸汽流量的设备。是市政管道系统的重要组成部分。阀门根据所输送的液体，功能不同而有许多种类，现将给水管道系统中常用的阀门作一介绍。阀门型号共有7个单元，其意义如下：第1单元：用汉语拼音字母代表阀门类型，代号如表7-2所示。阀门类型代号表7-2类别代号类别代号闸阀Z旋塞阀X截止阀J止回阀H节流阀L安全阀A球阀Q减压阀Y蝶阀D泄水阀S　　　　　　　　　　　　第2单元：用数字表示阀门的驱动方式。对于手轮、手柄或扳手直接传动的阀门，本单元可省略，数字代号意义见表7-3。阀门驱动方式代号　　　　　　表7-3代号123456驱动方式蜗轮正齿轮伞齿轮气动液动电动第3单元：用数字表示阀门与管道的连接方式，意义如表7-4。阀门与管道的连接方式代号　　　　表7-4代号1246789连接方式内螺纹外螺纹法兰焊接对夹卡箍卡套　　　第4单元：用数字表示阀门结构型式，对于不同种类的阀门，数字代表含意也不同，现分别列出。（1）闸阀数字意义见表7-5。闸阀结构型式代号　　　　　　　表7-5123\n谭水成《管道工程》教案代号闸阀结构型式1杆明杆单闸板2双闸板5暗杆单闸板6双闸板3平行式明杆单闸板4双闸板（2）止回阀和底阀数字意义见表7-6。止回阀和底阀结构型式代号　　　　　表7-6代号结构型式1升降式水平瓣2垂直瓣4旋启式单瓣5多瓣　（3）安全阀数字意义见表7-7。安全阀结构型式代号　　　　表7-7代号0123456789结构弹簧式封闭式不封闭封闭不封闭式带散热片带扳手带控制机构带扳手先导式全启式微启式全启式双弹簧微启全启式微启式全启式微启式全启式单杠杆双杠杆　　　　　（4）球阀数字意义见表7-8。球阀结构型式代号　　　　表7-8球阀结构型式代号球阀结构型式代号浮动球直通式1固定球直通式5三通式4三通式7　　　（5）蝶阀数字意义见表7-9。蝶阀结构型式代号表7-9代号0123结构杠杆式垂直板式－斜板式　　　　　　　　123\n谭水成《管道工程》教案（6）减压阀数字意义见表7-10。减压阀结构型式代号　表7-10代号1234567结构薄膜式弹簧膜式活塞式波纹管式杠杆式-组合式　　　　　第5单元：用汉语拼音字母表示密封圈和衬里材料，表示方法见表7-11。密封圈和衬里材料代号　　表7-11材质代号材质代号合金钢H衬橡胶J铜合金T衬搪瓷C巴氏合金B衬铅Q硬质合金Y氟塑料F渗氮钢D尼龙N橡胶X无密封圈W　　　　　第6单元：用数字表示公称压力，单位为105Pa。第7单元：用汉语拼音表示阀体材料，见表7-12。阀体材料代号　　　表7-12代号阀体材料代号阀体材料Z灰铸铁C碳素钢K可锻铸铁I铬钼合金钢G高硅铸铁P铬镍钛耐酸钢Q球黑铸铁R铬镍钼钛耐酸钢T铜和铜合金V铬钼钡合金钢　　　　　　　举例：如Z15T-10表示内螺纹暗杆楔式闸阀，公称压力为1.0MPa。其中第2单元为手动(省略)。第7单元阀体材料为灰铸铁(省略)。二、止回阀止回阀又称单向阀，它用来限制水流朝一个方向流动。一般安装在水泵出水管，用户接管和水塔进水管处，以防止水的倒流。该阀靠水流的压力达到自行关闭或开启的目的。当水倒流时，阀瓣自动关闭，截断水的流动，避免事故的发生。止回阀安装和使用时应注意以下几点：（1）升降式止回阀应安装在水平方向的管道上，旋启式止回阀既可安装在水平管道上，又可安装在垂直管道上。（2）安装止回阀要使阀体上标注的箭头与水流方向一致，不可倒装。（3）大口径水管上应采用多瓣止回阀或缓闭止回阀，使各瓣的关闭时间错开或缓慢关闭，以减轻水锤的破坏作用。三、水锤消除设备水锤是供水装置中常见的一种物理现象，它在供水装置管路中的破坏力是惊人的，对管123\n谭水成《管道工程》教案网的安全平稳运行是十分有害的，容易造成爆管事故。水锤消除的措施通常可以采用以下一些设备。1．采用恒压控制设备2．采用泄压保护设备（1）水锤消除器（2）泄压保护阀：该设备安装在管道的任何位置，和水锤消除器工作原理一样，只是设定的动作压力是高压，当管路中压力高于设定保护值时，排水口会自动打开泄压。3．采用控制流速设备（1）采用水力控制阀，一种采用液压装置控制开关的阀门，一般安装于水泵出口，该阀利用机泵出口与管网的压力差实现自动启闭，阀门上一般装有活塞缸或膜片室控制阀板启闭速度，通过缓闭来减小停泵水锤冲击，从而有效消除水锤。（2）采用快闭式止回阀，该阀结构是在快闭阀板前采用导流结构，停泵时，阀板同时关闭，依靠快闭阀板支撑住回流水柱，使其没有冲击位移，从而避免产生停泵水锤。4．在管路中各峰点安装可靠的排气阀也是必不可少的措施。　　四、消火栓消火栓有地上消火栓和地下消火栓。地上消火栓适用于气温较高的地方，地下消火栓适用于较寒冷的地区。五、排气阀和泄水阀由于地形变化、特别是长距离输水管的最高处或管件上，需要装置排气阀，以排除在管中的气体。排气阀分单口和双口两种。单口排气阀用在直径小于300mm的水管上，口径为水管直径的1/2～1/5。双口排气阀口径可按水管直径的1/8～1/10选用，装在直径400mm以上的水管上。见图7-6所示。为了排除管道内沉积物或检修放空及满足管道消毒冲洗排水要求，在管道下凹处及阀门间管段最低处，施工时应预留泄水口，用以安装泄水阀。确定泄水点时，要考虑好泄水的排放方向，一般将其排入附近的干渠、河道内，不宜将泄水通向污水渠，以免污水倒灌污染水源。123\n谭水成《管道工程》教案第三节给水管道附属构筑物一、阀门井二、管道支墩1．支墩的类型根据异形管在管网中布置的方式，支墩有以下几种常用类型：（1）水平支墩又分为：弯头处支墩；堵头处支墩；三通处支墩。（2）上弯支墩：管中线由水平方向转入垂直向上方向的弯头支墩。（3）下支墩：管中线由水平方向转入垂直向下向的弯头支墩。（4）空间两相扭曲支墩：管中线既有水平转向又会有垂直转向的异形管支墩。2．支墩的计算作用于支墩的推力如果使用石棉灰口，因其粘接力的关系有一部分推力由灰口负担。通过实验在石棉灰口的粘接力为1.7×105kg/m2。在设计支墩时应减去此部分力量，但胶圈柔口3．设计原则（1）当管道转弯角度<10°时，可以不设置支墩。（2）管径>600mm管线上，水平敷设时应尽量避免选用90°弯头，垂直敷设时应尽量避免使用45°以上的弯头。（3）支墩后背必须为原形土，支墩与土体应紧密接触，倘若空隙需用与支墩相同材料填实。（4）支撑水平支墩后背的土壤，最小厚度应大于墩底在设计地面以下深度的3倍。三、给水管道穿越障碍物当给水管线通过铁路、公路和河谷时，必须采用一定的措施。管线穿过铁路时，其穿越地点、方式和施工方法，应严格按照铁路部门穿越铁路的技术规范。根据铁路的重要性，采取以下措施：穿越临时铁路或一般公路，或非主要路线且水管埋设较深时，可以不设套管，但应尽量将铸铁管接口放在两股道之间，并用青铅接头，钢管则应有相应的防腐措施；穿越较重要的铁路或交通频繁的公路时，水管须放在钢筋混凝土套管内，套管直径根据施工方法而定，大开挖施工时应比给水管直径大300mm，顶管法施工时应较给水管的直径大600mm。穿越铁路或公路时，水管管顶应在铁路路轨底或公路路面以下1.2m左右。管道穿越铁路时，两端应设检查井，井内设阀门或排水管等，参见图7-11所示。管道穿越河谷时，通常采用以下一些方法：1．裸露敷设裸露敷设是我国早期管道穿越江河的一种方法，始于60年代初期。它技术简单、施工方便、无需大型施工机具，但缺点是稳管的石笼用量大，浅水区易影响航运和渔业生产。2．沟埋敷设沟埋敷设是把管道埋置于河床稳定层内。这种方式已成为我国水下敷设管道的主要方式。它主要是以挖泥船为主体的施工方法，此外还有爆破法、气举法、液化法。3．管道从河床下稳定层中穿越123\n谭水成《管道工程》教案第八章污水管道系统的设计计算（一）教学要求熟练掌握污水管道的设计计算过程（二）教学内容1、污水设计流量2、污水管道的设计参数3、污水管道的水力计算（三）重点污水管道的水力计算第一节污水设计流量的计算污水管道系统的设计流量是污水管道及其附属构筑物能保证通过的最大流量。通常以最大日最大时流量作为污水管道系统的设计流量，其单位为L/s。它包括生活污水设计流量和工业废水设计流量两大部分。就生活污水而言又可分为居民生活污水、公共设施排水和工业企业内生活污水和淋浴污水三部分。一、生活污水设计流量1.居民生活污水设计流量居民生活污水主要来自居住区，它通常按下式计算：=(8-1)式中：Q1——居民生活污水设计流量，L／s；n——居民生活污水量定额，L／(cap·d)；N——设计人口数，cap；KZ——生活污水量总变化系数。（1）居民生活污水量定额居民生活污水量定额，是指在污水管道系统设计时所采用的每人每天所排出的平均污水量。在确定居民生活污水量定额时，应调查收集当地居住区实际排水量的资料，然后根据该地区给水设计所采用的用水量定额，确定居民生活污水量定额。在没有实测的居住区排水量资料时，可按相似地区的排水量资料确定。若这些资料都不易取得，则根据《室外排水设计规范》(GBJl4-87)的规定，按居民生活用水定额确定污水定额。对给水排水系统完善的地区可按用水定额的90%计，一般地区可按用水定额的80%计。（2）设计人口数设计人口数是指污水排水系统设计期限终期的规划人口数，是计算污水设计流量的基本数据。它是根据城市总体规划确定的，在数值上等于人口密度与居住区面积的乘积。即：(8-2)式中：N——设计人口数，cap；ρ——人口密度，cap/hm2；123\n谭水成《管道工程》教案F——居住区面积，hm2；cap——“人”的计量单位。人口密度表示人口的分布情况，是指单位面积上居住的人口数，以cap/hm2表示。它有总人口密度和街坊人口密度两种形式。总人口密度所用的面积包括街道、公园、运动场、水体等处的面积，而街坊人口密度所用的面积只是街坊内的建筑用地面积。在规划或初步设计时，采用总人口密度，而在技术设计或施工图设计时，则采用街坊人口密度。设计人口数也可根据城市人口增长率按复利法推算，但实际工程中使用不多。（3）生活污水量总变化系数流入污水管道的污水量时刻都在变化。污水量的变化程度通常用变化系数表示。变化系数分为日变化系数、时变化系数和总变化系数三种。一年中最大日污水量与平均日污水量的比值称为日变化系数(Kd)；最大日最大时污水量与最大日平均时污水量的比值称为时变化系数(Kh)；最大日最大时污水量与平均日平均时污水量的比值称为总变化系数(Kz)。显然，按上述定义有(8-3)生活污水量总变化系数污水平均日流量（L/s）5154070100200500≥1000总变化系数Kz2.32.01.81.71.61.51.41.3注：①当污水平均日流量为中间数值时，总变化系数用内插法求得；②当居住区有实际生活污水量变化资料时，可按实际数据采用。我国在多年观测资料的基础上，经过综合分析归纳，总结出了总变化系数与平均流量之间的关系式，即：=(8-4)式中：Q—污水平均日流量，L/s。当Q＜5L/s时，Kz=2.3；当Q＞1000L/s时，Kz=1.3。设计时也可采用式（8-4）直接计算总变化系数，但比较麻烦。2.公共设施排水量公共设施排水量Q2应根据公共设施的不同性质，按《建筑给水排水设计规范》(GB50015-2003)的规定进行计算。3.工业企业生活污水和淋浴污水设计流量工业企业的生活污水和淋浴污水主要来自生产区的食堂、卫生间、浴室等。其设计流量的大小与工业企业的性质、污染程度、卫生要求有关。一般按下式进行计算：=+（8-5）式中Q3——工业企业生活污水和淋浴污水设计流量，L/s；A1——一般车间最大班职工人数，cap；B1——一般车间职工生活污水定额，以25L/(cap·班)计；K1——一般车间生活污水量时变化系数，以3.0计；A2——热车间和污染严重车间最大班职工人数，cap；B2——热车间和污染严重车间职工生活污水量定额，以35L／(cap·班)计；K2——热车间和污染严重车间生活污水量时变化系数，以2.5计；C1——一般车间最大班使用淋浴的职工人数，cap；D1——一般车间的淋浴污水量定额，以40L／(cap·班)计；123\n谭水成《管道工程》教案C2——热车间和污染严重车间最大班使用淋浴的职工人数，cap；D2——热车间和污染严重车间的淋浴污水量定额，以60L／(cap·班)计；T——每工作班工作时数，h。淋浴时间按60min计。二、工业废水设计流量工业废水设计流量按下式计算：(8-6)式中Q4——工业废水设计流量，L／s；m——生产过程中每单位产品的废水量定额，L／单位产品；M——产品的平均日产量，单位产品/d；T——每日生产时数，h；KZ——总变化系数。三、城市污水管道系统设计总流量城市污水管道系统的设计总流量一般采用直接求和的方法进行计算，即直接将上述各项污水设计流量计算结果相加，作为污水管道设计的依据，城市污水管道系统的设计总流量可用下式计算：（L/s）(8-7)设计时也可按综合生活污水量进行计算，综合生活污水设计流量为：（L/s）(8-8)式中Q1/——综合生活污水设计流量，L/s；n/——综合生活污水定额，对给水排水系统完善的地区按综合生活用水定额90%计，一般地区按80%计；其余符号同前。此时，城市污水管道系统的设计总流量为：（L/s）(8-9)【例8-1】河北某中等城市一屠宰厂每天宰杀活牲畜260t，废水量定额为10m3/t，工业废水的总变化系数为1.8，三班制生产，每班8h。最大班职工人数800cap，其中在污染严重车间工作的职工占总人数的40%，使用淋浴人数按该车间人数的85%计；其余60%的职工在一般车间工作，使用淋浴人数按30%计。工厂居住区面积为10ha,人口密度为600cap/ha。各种污水由管道汇集输送到厂区污水处理站，经处理后排入城市污水管道，试计算该屠宰厂的污水设计总流量。【解】该屠宰厂的污水包括居民生活污水、工业企业生活污水和淋浴污水、工业废水三种，因该厂区公共设施情况未给出，故按综合生活污水计算。1．综合生活污水设计流量计算查综合生活用水定额，河北位于第二分区，中等城市的平均日综合用水定额为110～180L/(cap•d)，取165L/(cap•d)。假定该厂区给水排水系统比较完善，则综合生活污水定额为165×90%=148.5L/(cap•d)，取为150L/(cap•d)。居住区人口数为60010=6000cap。则综合生活污水平均流量为：L/s。用内插法查总变化系数表，得Kz=2.24。于是综合生活污水设计流量为Q1/=10.42.24=23.30L/s。2．工业企业生活污水和淋浴污水设计流量计算123\n谭水成《管道工程》教案由题意知：一般车间最大班职工人数为80060%=480人，使用淋浴的人数为48030%=144人；污染严重车间最大班职工人数为80040%=320人，使用淋浴的人数为32085%=272人。所以工业企业生活污水和淋浴污水设计流量为：=+=+=8.35L/s3．工业废水设计流量计算=该厂区污水设计总流量L/s在计算城市污水管道系统的污水设计总流量时，由于城市排水区界内的汇水面积较大，因此需按各排水流域分别计算，将各排水流域居住区生活污水、工业废水和工厂生活污水设计流量列表进行计算，最后再汇总得出污水管道系统的设计总流量。某城镇污水管道系统设计总流量的计算见表8-2、8-3、8-4、8-5。城镇综合生活污水设计流量计算表表8-2居住区名称排水流域编号居住区面积(ha)人口密度(cap/ha)居民人数(cap)污水量定额[（L/cap•d）]平均污水量总变化系数Kz设计流量(m3/d)(m3/h)(L/s)(m3/h)(L/s)123456789101112商业区I6050030000160480020055.61.7434896.74文卫区II4040016000180288012033.31.81217.260.27工业区III5045022500160360015041.71.7826774.23合计—150—68500—11280470130.61.57①737.9②205.04②注：①中的总变化系数是根据合计平均流量查出的。②中的数字不是直接合计，而是合计平均流量与相对应的总变化系数的乘积。各工业企业生活污水和淋浴污水设计流量计算表表8-3车间名称车间性质班数每班工作时数(h)生活污水淋浴污水合计设计流量(L/s)最大班职工人数(cap)污水量定额（L/cap•d）时变化系数设计流量(L/s)最大班使用淋浴的职工人数(cap)污水量定额（L/cap•d）设计流量(L/s)123456789101112酿酒厂污染38156352.50.47109601.822.29一般38108253.00.2838400.420.70123\n谭水成《管道工程》教案肉类加工厂污染38168352.50.51116608.82.49一般3892253.00.2435402.270.63造纸厂污染38150352.50.46105601.752.21一般38145253.00.3850400.560.94皮革厂污染38274352.50.83156602.63.43一般38324253.00.8480400.891.64印染厂污染38450352.51.37315605.256.62一般38470253.01.22188402.093.31总计6.617.724.3各工业企业工业废水设计流量计算表表8-4工业企业名称班数各班时数（h）产品名称日产量(t)工业废水定额(m3/t)平均流量总变化系数设计流量(m3/d)(m3/h)(L/s)(m3/h)(L/s)123456789101112酿酒厂38酒1518.627911.633.233.034.899.69肉类加工厂38牲畜162152430101.2528.131.7172.1347.82造纸厂38白纸1215018007520.831.45108.7530.20皮革厂38皮革34752550106.2529.511.4148.7541.31印染厂38布36150540022562.51.42319.588.75合计12459519.13144.2784.02217.77城镇污水设计总流量统计表表8-5排水工程对象综合生活污水设计流量(L/s)工业企业生活污水和淋浴污水设计流量(L/s)工业废水设计流量(L/s)城镇污水设计总流量(L/s)居住区和公共建筑205.04447.11工业企业24.3工业企业217.77123\n谭水成《管道工程》教案第二节污水管段设计流量的计算污水管道系统的设计总流量计算完毕后，还不能进行管道系统的水力计算。为此还需在管网平面布置图上划分设计管段，确定设计管段的起止点，进而求出各设计管段的设计流量。只有求出设计管段的设计流量，才能进行设计管段的水力计算。一、设计管段的划分在污水管道系统上，为了便于管道的连接，通常在管径改变、敷设坡度改变、管道转向、支管接入、管道交汇的地方设置检查井。对于两个检查井之间的连续管段，如果采用的设计流量不变，且采用同样的管径和坡度，则这样的连续管段就称为设计管段。设计管段两端的检查井称为设计管段的起止检查井（简称起迄点）。图8-1设计管段的设计流量二、设计管段的流量确定如图8-1所示，每一设计管段的污水设计流量可能包括以下3种流量。1．本段流量q1所谓本段流量是指从本管段沿线街坊流来的污水量。对于某一设计管段而言，它沿管线长度是变化的，即从管段起点为零逐渐增加到终点达到最大。为了计算的方便，通常假定本段流量是在起点检查井集中进入设计管段的，它的大小等于本管段服务面积上的全部污水量。一般用下式计算：=（8-10）式中q1——设计管段的本段流量，L／s；F——设计管段服务的街坊面积，hm2；KZ——生活污水量总变化系数；qs——生活污水比流量，L／(s·hm2)。生活污水比流量可采用下式计算：=（8-11）式中n——生活污水定额或综合生活污水定额，L／(cap·d)；ρ——人口密度，cap/hm2。2．转输流量q2转输流量是指从上游管段和旁侧管段流来的污水量。它对某一设计管段而言，是不发生变化的，但不同的设计管段，可能有不同的转输流量。3．集中流量q3集中流量是指从工业企业或其它大型公共设施流来的污水量。对某一设计管段而言，它也不发生变化。设计管段的设计流量是上述本段流量、转输流量和集中流量三者之和。123\n谭水成《管道工程》教案第三节污水管道的水力计算一、污水管道中污水流动的特点污水在管道内依靠管道两端的水面高差从高处流向低处，是不承受压力的，即为重力流。污水中含有一定数量的悬浮物，它们有的漂浮于水面，有的悬浮于水中，有的则沉积在管底内壁上。这与清水的流动有所差别。但污水中的水分一般在99％以上，所含悬浮物很少，因此，可认为污水的流动遵循一般流体流动的规律，工程设计时仍按水力学公式计算。污水在管道中的流速随时都在变化，但在直线管段上，当流量没有很大变化又无沉淀物时，可认为污水的流动接近均匀流。设计时对每一设计管段都按均匀流公式进行计算。二、污水管道水力计算的设计参数为保证污水管道的正常运行，《室外排水设计规范》中对这些因素综合考虑，提出了如下的计算控制参数，在污水管道设计计算时，一般应予以遵守。(一)设计充满度在设计流量下，污水在管道中的水深h与管道直径D的比值（h/D）称为设计充满度，它表示污水在管道中的充满程度，如图8-2所示。图8-2充满度示意图当h/D＝1时称为满流；h/D0.9m/s，也大于上游管道v=1.3m/s>1.0m/s。符合设计要求。2．计算倒虹管的全部水头损失123\n谭水成《管道工程》教案十、管桥当排水管道穿过谷地时，可不改变管道的坡度，采用栈桥或桥梁承托管道，这种设施称为管桥。管桥比倒虹管易于施工，检修维护方便，且造价低。管桥也可作为人行桥，无航运的河道，可考虑采用。但只适用于小流量污水。管道在上桥和下桥处应设检查井，通过管桥时每隔40～50m应设检修口。在上游检查井应设有事故排放口。123\n谭水成《管道工程》教案第十一章给水排水管道系统的技术管理和维护（一）教学要求：1、了解给水管网的检漏、防腐、刮管涂料及维持管网水质的措施，了解管网水压和流量的测定原理和方法，了解管网的调度管理。了解排水管渠系统的管理和维护的主要任务；2、了解排水管渠系统清通及维修方法；（二）教学内容：1、概述：给水排水管网档案管理；2、给水管网监测与检漏；3、管网水压和流量测定：测定的方法和仪表；4、管道防腐蚀和修复；5、排水管道养护。（三）重点：第一节给水排水管道系统档案管理一、给水排水管道系统技术资料管理管理现有给水排水管道系统平面图，图上标明泵站、管线、阀门、消火栓等的位置和尺寸。大中城市的管道系统可以按照每一条街道一张图纸列卷归档。给水排水管道系统管理所需要的技术资料包括以下几部分：1．管线图，标明管线的直径、位置、埋深以及阀门、消火栓、井室等的位置，用户接管的直径和位置等，它是给水排水管道系统管理的基本资料；2．阀门和消火栓记录卡，包括安装年月日、地点、口径、型号、检修记录等；3．给水排水管道穿越障碍物的构造详图；4．竣工记录和竣工图。二、给水排水管网地理信息系统地理信息系统(Geographic Information System简称GIS)。给水排水管网地理信息系统的功能体现在：1）实现管网系统档案的数字化管理，形成科学、高效、丰富、详细的管网档案管理体系，建立管网系统中央数据库。2）有效、生动地定位管道、阀门、水表等管网组件，为实际生产运行提供可靠的依据。3）为管网系统规划、改建、扩建提供图纸及数据依据，对管网的改扩建的规划、改扩建后的运行进行计算机模拟，辅助管网规划方案的优选。4）为管网施工提供图纸依据。准确定位管道的埋设位置、埋设深度、管道井、阀门井的位置、管道与其它地下管线的布置和相对位置等，以减少由于开挖位置不正确造成的施工浪费和开挖时对通讯、电力、煤气等地下管道的损坏带来的经济损失甚至严重后果。5）科学高效地进行爆管抢修等事故处理。　　 6）供管网优化规划设计、实时运行模拟、状态参数校核、管网系统优化调度等技术性功能的软件接口，实现供水管网系统的优化、科学运行，降低供水企业成本。第二节给水管道的防腐与维修一、管道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；123\n谭水成《管道工程》教案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。在管道上应用的防腐涂料有石油沥青、煤焦油沥青、环氧沥青、聚氨酯石油沥青、煤焦油磁漆（CTE）、环氧粉末（FBE）、底胶加聚烯烃（POA）、环氧底漆加底胶加聚烯烃（POE）、环氧粉末加改性聚烯烃（POF）。国内现在主要防腐涂料是石油沥青、煤焦油沥青、聚氨酯石油沥青、煤焦油磁漆、FBE以及内衬塑料等，国外目前常用的各类防腐涂料为CTE、FBE、POA、POE、POF等。2．电化学防护法电化学防腐蚀法是排流法和阴极保护法的总称，其中尤以排流法更为经济有效。（1）排流法（2）阴极保护法二、刮管涂料为了保证管道的输水能力和水质，对旧管的内壁进行翻新通常采用刮管和补做防腐层。1．刮管的方法主要有以下四种：（1）高压射流法（2）机械刮管（3）弹性冲管器法（Poly-Pig清管法）（4）空气脉冲法2．管道补做防腐层旧管道刮管除锈后的管道衬里可使旧管道恢复原有输水能力，延长管道的使用寿命，这项工作是非常必要的。但刮管以后如不进行涂衬的管道，通水后的腐蚀速度是非常快的。（1）水泥砂浆衬里（2）环氧树脂涂衬法（3）内衬软管法123\n谭水成《管道工程》教案第三节给水管道的水质管理和供水调度一、给水管网运行调度任务及系统组成1．给水管网运行调度任务城市供水管网运行调度的重要任务是在保证城市供水水质和水量安全可靠的前提下，使单位供水量的能耗降低到最低限度；并当供水管网服务区内出现异常情况时，如发生火灾、管网破裂、水质突发性被污染、控制设备失控等，调度装置运行相应的程序，以便将损失降低到最低限度。根据技术应用的深度和系统完善程度，可以将城市供水的调度分为如下三个发展阶段：(1)人工经验调度(2)计算机辅助调度(3)全自动化调度与控制：这是当今城市供水管网运行调度的发展方向。主要通过对供水管网运行状态的遥测遥控系统（即SCADA），实现城市供水管网调度与控制的最优化、自动化和智能化；实现与水厂制水过程控制系统、供水企业管理系统的一体化进程。主要利用四项基础技术：计算机技术(Computer)、通讯技术(Communication)、控制技术(Control)和传感技术(Sensor)，简称3C+S技术。这就是现代城市供水SCADA系统的前身。城市供水SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition)系统也即监控和数据采集系统，又称计算机四遥系统，指遥测(Telemetering)、遥控(Telecontrol)、遥讯(Telesingal)、遥调(Teleadjusting)技术。二、给水管网调度SCADA系统三、用水量预测1.用水量预测的方法（1）多元回归分析（2）时间序列分析(TSA)（3）人工神经网络(ANN)（4）灰色模型四、给水管网水质控制1.影响管网水质的因素   (1)出厂水水质状况   包括两个方面，一是水质的合格率，二是水质的稳定性。   (2)输配水管网状况   (3)二次供水设施状况   (4)加氯消毒状况   (5)其它因素  2.改善管网水质的主要措施   (1)提高出厂水水质和稳定性，严格控制浊度超标   (2)更新或改造供水管道系统，深化管网管理   (3)完善二次供水设施的设计与施工，加强管理123\n谭水成《管道工程》教案(4)合理加氯 (5)加强管网水质的测定和预测五、给水管网水质安全评价水质的安全评价主要是基于终生用水的安全性。这种评价主要分为三方面。1)水质感官性状问题。(2)微生物学风险。(3)化学风险。此外，饮用水安全评价还包括放射性风险。123\n谭水成《管道工程》教案第五节排水管渠系统的管理和维护一、管理和维护的任务排水管渠内常见的故障有以下几种：污物淤塞管道；过重的外荷载、地基不均匀沉陷或污水的侵蚀作用，使管渠损坏、裂缝或腐蚀等。维护管理的主要任务有：①验收排水管渠；②监督排水管渠使用规则的执行；③经常检查、冲洗或清通排水管渠，以维护其通水能力，防止污水倒灌；④修理管渠及其构筑物，并处理意外事故等。二、管渠的清通目前主要有以下几种方法解决排水管道中的淤积问题：1．缓车清通法（亦称机械清通法）2．高压水射流清通法（也叫水力清通法）3．水冲刷清通法（亦称为水力消淤法）三、排水管渠的修理修理内容包括检查井、雨水口顶盖等的修理与更换；检查井内踏步的更换，砖块脱落后的修复；局部管渠段损坏后的修复；由于出户管的增加需要添建的检查井及管渠；或由于管渠本身损坏严重、淤塞严重，无法清通时所需的整段开挖翻修。四、排水管道渗漏检测排水管道渗漏的检测方法与给水管网的捡漏检测方法大同小异。其中对排水管道渗漏的主要检测方法是直接观察法。直接观察法又称实地观察法，是从地面上观察管道的漏水迹象，如地面或沟内有污水渗出，检查井中有水流出，局部地面下沉，局部地面积雪融化，某处花、草、木特别茂盛，晴天地面潮湿较重等情况，可以直接确定漏水的地点。123