1、广州大学 -土木工程学院,第5章 管段流量、管径和水头损失 5.1 管网计算的课题重要性：管道工程的建设投资占整个给水系统总投资的 7080%，输配水所需的动力费用占给水系统运行总费用的4070%。任务：确定管径（给水管网和输水管渠），水头损失，水泵扬程和水塔高度。 校核：消防时，事故时，最大转输时校核。,广州大学 -土木工程学院,管网计算会遇到两类课题： 1管网设计计算（最高时）第一类课题 2管网复核计算（消防时、事故时及最大转输时等）第二类课题,广州大学 -土木工程学院,管网计算步骤：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
2、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。,广州大学 -土木工程学院,1、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。分为a水源节点、b不同管径管材交接点、c两管段交点或大流量出入点，设节点数J。 2、管段：两个相邻节点之间的管道， 设管段数P。3、环：起点与终点重合的管线，设环数L。节点、管段、环的关系：,一、 管网基本概念,树状网： P=J-1 环状网：P=J+L-1,5.2 管网图形及简化,广州大学 -土木工程学
3、院,节点、管段、环的关系：,一、 管网基本概念,树状网： P=J-1 环状网：P=J+L-1,0,0-1,1-2,2-3,3-4,4-5,1-6,2-7,3-8,1-9,2-10,3-11,9,广州大学 -土木工程学院,(17),23,24,管网图的节点与管段编号,树状网： P=J-1 环状网：P=J+L-1,二、 管网基本概念,广州大学 -土木工程学院,节点的特征包括构造属性、拓扑属性和水力属性三方面 a 节点的构造属性有： 1)节点高程、即节点所在地点附近的平均地面标高 2)节点位置，常用平面坐标(x，y)表示,b 节点的拓扑属性有： 1)与节点关联的管段及其方向；2)节点的度，即与节点关
4、联的管段数，c 节点的水力属性有：1)节点流量，即从节点流入或流出系统的流量节点，负值表水流入节点，单位常用m3s或L/s；2)节点水头，表示流过节点的单位重量的水流所具有的机械能，一般采用与节点高程相同的高程体系，单位为m，对于非满流，节点水头即管渠内水面高程；3)自由水头，仅对有压流，指节点水头高出地面高程的高度，单位为m。,1、 节点,广州大学 -土木工程学院,管段的特征包括构造属性、拓扑属性和水力属性三方面。a 管段的构造属性有：1)管段长度，简称管长，般以m为单位； 2)管段直径，一般以m或mm为单位， 3)管段粗糙系数，表示管道内壁粗糙程度，与管道材料有关； b 管段的拓扑属性有：
5、1)管段方向，是一个设定的固定方向； 2)起端节点简称起点； 3)终端节点，简称终点。c 管段的水力属性有：1)管段流量单位常用m3/h或Ls； 2)管段流速，常用单位为ms; 3)管段扬程，单位常用m; 4)管段摩阻，表示管段对水流阻力的大小； 5)管段压降，,2、管段,广州大学 -土木工程学院,a 基环：不包含其它环的环 b 大环：包含两个或两个以上基环的环 c 虚环：为了计算方便，将水源节点连接起来形成虚环，实际上并不存在，即将多水源化为单水源。,(17),23,24,3、 环,广州大学 -土木工程学院,5.2 管网图形及简化,1、管线简化的一般方法1)删除次要管线2)当管线交叉点很近时
6、，可以将其合并为同一交叉点。3)待全开的阀门去掉，将管线从全闭阀门处切断。4)如管线包含不同的管材和规格，应采用水力等效原则将其等效为单一管材和规格。5)并联的管线可以简化为单管线，其直径采用水力等效原则计算。6)在可能的情况下，将大系统拆分为多个小系统，分别进行分析计算。,二、 管网图形及简化,广州大学 -土木工程学院,广州大学 -土木工程学院,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
7、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。,2、管线简化具体做法,广州大学 -土木工程学院,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：,广州大学 -土木工程学院,广州大学 -土木工程学院,5.3 沿线流量和节点流量,5.3.1 沿线流量,沿线流量ql与集中流量qql：是指沿线分配给用户的流量。(用户、浇路和绿化等)q ：从管网中一个点取水，且用水流量较大的用户。（工业企业、事业单位、大型公共建筑）管网配水情况比较复杂，高峰流量各异。计算时加以简化。比流量法，假定小用水户的流量沿线均匀分
8、布。,（1）长度比流量假定水量沿管网长度均匀流出。管线单位长度上的配水流量，称为长度比流量，记作qs。,广州大学 -土木工程学院,则每一计算管段沿线流量记作ql为：,广州大学 -土木工程学院,（2）面积比流量假定沿线流量均匀分布在整个供水面积上。管线单位面积上的配水流量，称为面积比流量，记作qA。,则每一计算管段沿线流量记作ql为：,广州大学 -土木工程学院,每一管段所负担的供水面积可按分角线法和对角线法划分。,广州大学 -土木工程学院,注意： 1）面积比流量考虑了沿线供水面积（人数）多少对管线配水的影响，计算结果更接近实际配水情况，但计算较麻烦。当供水区域的干管分布比较均匀时，二者相差很小。
9、这时，用长度比流量较好。 2）当供水区域内各区卫生设备或人口密度相差较大时，各区的比流量应分别计算。 3）同一管网，比流量的大小随用水量变化而变化。各种工况下需分别计算。,广州大学 -土木工程学院,5.3.2 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。,广州大学 -土木工程学院,广州大学 -土木工程学院,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
10、。,广州大学 -土木工程学院,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个节点，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，即沿线不变的折算流量q，使其产生的水头损失等于实际管线变化的流量qx产生的水头损失。,广州大学 -土木工程学院,实际管线变化的流量qx产生的水头损失,。（1）,广州大学 -土木工程学院,折算流量q产生的水头损失,。（2）,广州大学 -土木工程学院,节点流量计算公式节点流量包括两部分：由沿线流量划成节点流量和该节点的集中流量,广州大学 -土木工程学院,例题：某城市最高时总用水量为260L/s，其中集中供应的工业用水量1
11、20 L/s（分别在节点2、3、4集中出流40 L/s）。各管段长度（单位为m）和节点编号见图。管段1-5、2-3、3-4为一侧供水，其余为双侧供水。试求：（1）比流量；（2）各管段的沿线流量；（3）各节点流量。,5.3 沿线流量与节点流量,广州大学 -土木工程学院,解：1配水干管计算总长度,2配水干管比流量,广州大学 -土木工程学院,3沿线流量：,各 管 段 沿 线 流 量 计 算,广州大学 -土木工程学院,4节点流量计算：,各 管 段 节 点 流 量 计 算,广州大学 -土木工程学院,5.4 管段计算流量,目的：确定各管段中的流量，进而确定管段直径。 流量分配：要保持水流的连续性，每一节点
12、必须满足节点流量的平衡条件：流入任一节点的流量等于流离该节点的流量，若以流入为“一”，流离为“+”，则Q=0。,广州大学 -土木工程学院,树状管网的管段流量具有唯一性，水流方向唯一，流量分配唯一，任一管段的流量等于以后所有节点流量总和。 。,8,6,14,27,33,3,4,12,17,7,26,2,34,77,5,广州大学 -土木工程学院,2. 环状网,流量分配有多种组合方案 基本原则：满足供水可靠性前提下，兼顾经济性。,广州大学 -土木工程学院,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，满足供水可靠性前提下，兼顾经济性。,广州大学 -土木工程学院,方法和步骤： 确定控制点位置，管
13、网主导流向； 参照主导流向拟定各管段水流方向，以最短距离供水到大用户或边远地区； 尽量使平行的主要干管分配相近的流量（防止某些管段负荷过重），连接管要少分配流量，满足沿线配水为限（主要作用是干管损坏时转输流量） 各干管通过的流量沿主要流向逐渐减少，不要忽多忽少； 可以起端开始或从末端，满足节点流量的平衡条件。 此分配值是预分配，用来选择管径，真正值由平差结果定。,广州大学 -土木工程学院,广州大学 -土木工程学院,广州大学 -土木工程学院,广州大学 -土木工程学院,广州大学 -土木工程学院,5.5 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
14、函数：,广州大学 -土木工程学院,从技术上考虑，水流的最大速度应不超过2.53.0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。,广州大学 -土木工程学院,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：,广州大学 -土木工程学院,广州大学 -土木工程学院,实际的De和Ve应按当地条件：水管材料、价格、施工费、电费来
15、确定，不能套用其它城市数据。,广州大学 -土木工程学院,1)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）管段设计流量占整个管网供水流量比例较小时取较大的经济流速，反之取较小的经济流速；3）从供水泵站到控制点管线上可取较小的经济流速，其余管段可取较大的经济流速，如输水管取小；4)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；,选取经济流速和确定管径时，可以考虑以下原则：,广州大学 -土木工程学院,5)重力供水时、各管段的经济管径或经济流速按充分利用地形高差来确定，6)根据经济流速计算出的管径如果不符合市售标准管径时，可以选用相近的标准管
16、径；7)当管网有多个水源或设有对置水塔时，在各水源或水塔供水的分界区域，管段设计流量可能特别小选择管径时要适当放大，8)重要的输水管，在未连成环状网且输水末端没有保证供水可靠性的贮水设施时应采用双条管道，每条管道直径按设计流量的50确定。,选取经济流速和确定管径时，可以考虑以下原则：,广州大学 -土木工程学院,流量和水头损失的关系,均匀流基本公式：,5.6 水头损失计算,广州大学 -土木工程学院,舍维列夫公式（适用于旧铸铁管和旧钢管）,广州大学 -土木工程学院,利用上式制成水力计算表，通过查表：（1）可求出不同直径D,不同流速v时,管段的水头损失，或水力坡度；（2）也可以得到不同直径时的比阻a
17、。当水流速度小于1.2m/s时，在水力计算表中，可查到修正系数k。这样，知道了比阻、管段长度以及管段流量，就可以求出管段的摩阻（ ）、水头损失（h）或水力坡度(i)不同材质的管道的水力计算表不同,即比阻和摩阻不同,广州大学 -土木工程学院,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n0.02时，y值可采用1/6。,广州大学 -土木工程学院,海曾威廉公式,广州大学 -土木工程学院,柯尔勃洛克公式,广州大学 -土木工程学院,【例题】有一段DN1200mm的旧钢筋混凝土管道，实测粗糙系数为0.015时，输水流量为1.4m3/s。经刮管涂衬处理后，实测粗
18、糙系数为0.012，若刮管前后过水断面不变，并维持相同的水头损失，则刮管后该管输水流量的计算值为以下何项？ （A） 1.57m3/s （B） 1.68m3/s （C） 1.75m3/s （D） 2.19m3/s,广州大学 -土木工程学院,刮管后管道的流量Q2为：式中：V1刮管前的流速；V2刮管后的流速； 混凝土管刮管前单位长度水头损失为：式中：R水力半径C谢才系数，,广州大学 -土木工程学院,所以： n1刮管前粗糙系数。 同理，刮管后单位长度水头损失i2为：n2刮管后粗糙系数 按题意：i1=i2，并将n1=0.015，n2=0.012代入得：则得：,广州大学 -土木工程学院,5.7 管网计算基
19、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、节点数、基环数和水源数满足列关系：+-,单水源环状管网：+-1,树状管网：-1,广州大学 -土木工程学院,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个，独立的能量方程数为个，共计个。,广州大学 -土木工程学院,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。,广州大学 -土木
20、工程学院,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。,广州大学 -土木工程学院,5.8 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。,广州大学 -土木工程学院,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。,
