供水工程設(shè)計中流速的合理應(yīng)用及管徑調(diào)整對工程投資影響分析

董亞鋒

(西安市長安區(qū)水利工作隊,陜西 西安 710100)

0 引言

在城市和農(nóng)村供水工程設(shè)計中,經(jīng)常遇到計算管道流速、管道直徑以及校核管道過水能力的問題,其中首要任務(wù)是確定管道直徑,而確定管道直徑的首要問題是確定流速。一般的設(shè)計計算過程是根據(jù)現(xiàn)場測量的管線比降,結(jié)合所能提供的的的管道材質(zhì),查有關(guān)設(shè)計規(guī)范或水力學(xué)教材,根據(jù)各種管材的經(jīng)濟(jì)流速表格選取一個經(jīng)濟(jì)流速,以此為依據(jù),計算管徑。根據(jù)計算出來的管徑以及管道所能承受的工作壓力,在有關(guān)產(chǎn)品目錄中選取使用合適的管道。

這種情況計算出的管道直徑雖然能滿足設(shè)計規(guī)范要求,也符合正常的設(shè)計工作要求,但是經(jīng)濟(jì)流速這個概念是在需要抽水或需要加壓的情況下提出的,在前端水源需要提升時,檢索出的管道就是合理的,但是對于前段無需加壓的自流管道就不合適了。自流管道設(shè)計管徑時,應(yīng)在盡量滿足過流能力、管道允許最大流速的前提下,減小管道直徑和工程投資,提高經(jīng)濟(jì)效益。本文以長安區(qū)子午街辦東臺村供水工程供水輸水管道為例進(jìn)行論述。

1 工程概況

長安區(qū)子午街辦東臺村位于秦嶺山腳下,地勢南高北低,自然落差大。村中原有供水工程建于上世紀(jì)80年代,水源位于村南約300 m小溝內(nèi),當(dāng)時滿足了村民的需求。隨著社會的發(fā)展,原有供水飲水工程由于年久失修,管道設(shè)施老化、破損嚴(yán)重。近年來國家新農(nóng)村政策支持下,村莊建設(shè)得到了極大的發(fā)展,村民的用水需求和標(biāo)準(zhǔn)得到了提高,尤其是村中開辦了許多農(nóng)家樂,導(dǎo)致需水量劇增。近年來該村被長安區(qū)列為花園式鄉(xiāng)村的典型,村內(nèi)規(guī)劃整齊,道路已全部砼硬化,村容村貌整潔,村內(nèi)設(shè)有停車場,各戶衛(wèi)浴設(shè)施齊全,排水設(shè)施完好。該村需供水總?cè)丝? 500人(包含外來人口),無集中牲畜養(yǎng)殖戶,無牲畜散養(yǎng)戶,也無集中用水的企業(yè),村中旅游業(yè)比較發(fā)達(dá)。原有供水工程已不能滿足現(xiàn)時村民的需要以及發(fā)展的需要,因此考慮廢棄原有供水工程,新建一套供水工程來滿足現(xiàn)狀需求。

由于該村靠近山區(qū),新建工程水源選在距村3 000 m遠(yuǎn)處的一處河谷上,該河流流量穩(wěn)定,冬季枯水期流量也能滿足供水需求?？傮w工程方案是在河谷上修建一處滾水低壩來控制水位,保證來水穩(wěn)定,引水到堤岸后,設(shè)置沉淀過濾池,沉淀過濾后設(shè)置調(diào)節(jié)池,再通過 3 000 m管道后將水引到村口,設(shè)分流池,分流后再將水分配到各用戶。3 000 m管道所經(jīng)之處皆為順坡。從調(diào)節(jié)池到分流池地形高差100 m。

2 供水量確定

表1 供水量標(biāo)準(zhǔn)表

表2 供水量計算表

經(jīng)計算,日需取水1 512 t,折合0.017 5 m3/s。

3 經(jīng)濟(jì)流速設(shè)計管徑

本文主要通過對新建水源工程的管道的設(shè)計計算來闡述選用不同經(jīng)濟(jì)流速對工程投資的影響。

首先按照《農(nóng)村給水設(shè)計規(guī)范》要求選擇管徑

管徑按照下式計算:

D=(4Q/π·υ)0.5

(1)

式中:D為計算管徑(m);Q為設(shè)計流量(m3/s);π為圓周率取3.14;υ為經(jīng)濟(jì)流速(m/s);

如果按照行業(yè)規(guī)范,長距離輸水時,當(dāng)管徑大于500 mm時,經(jīng)濟(jì)流速取值范圍1～1.5 m/s,當(dāng)管徑小于500 mm時,經(jīng)濟(jì)流速取值范圍0.5～1.0 m/s。

采用上述計算公式,流速取0.9 m/s,計算得出管內(nèi)徑0.157 m。選用公稱管徑150 mm PVC管,管外徑160 mm,計算內(nèi)徑136.4 mm。

壓力管道沿程水頭損失,按下式計算:

i=0.000 915Q1.774/dj4.774

(2)

式中:i為每米管道水頭損失(m);Q為管道計算流量(m3/s);Dj為管道計算內(nèi)徑(m);局部損失按沿程水頭損失5%計。

經(jīng)計算,管道總水頭損失為29.74 m

流速水頭按下式計算:

hl=v2/2g

(3)

式中:hl為流速水頭(m);v為流速(m/s);g為重力加速度,9.81 m/s2

計算得:hl=0.04 m。

根據(jù)能量守恒定律:

Hz=Hy+Hj+HL=29.74+0.04=29.78 m

按照經(jīng)濟(jì)流速設(shè)計,本次水源工程選取管道參數(shù)應(yīng)為公稱管徑150 mm,計算管徑136.4 mm管道,水頭損失29.78 m。工程總高差為100 m,與總水頭相差70.22 m,相差較大。在本段管道比降一致的情況下,管道內(nèi)必將形成自由流,而非壓力流。這說明通過經(jīng)濟(jì)流速選擇的管徑過大,造成了浪費,經(jīng)濟(jì)流速就變得不經(jīng)濟(jì)了。

保持高差和設(shè)計流量不變,在滿足過流量的前提下,采用試算法,計算出Φ150管道的實際過流能力是0.034 6 m3/s,實際過流能力比計算過流能力大0.034 6/0.0175=1.98倍。顯然比需求過流量大得多。

計算數(shù)據(jù)見表3。

表3 實際過流能力試算表

4 優(yōu)化設(shè)計方案

這就說明在這里采用經(jīng)濟(jì)流速來選擇管徑不合適。換一種思路,如果按照能量守恒原則考慮,如果管道總水頭損失加流速水頭與高差基本一致時,剛好滿足設(shè)計流量。

根據(jù)上述思路,公式不變,調(diào)整管徑計算后,數(shù)據(jù)如表4。

表4 管徑125 mm水頭損失

表5 分段配置管徑后水頭損失

管長保持3 000 m不變,局部水頭損失按沿程損失的5%

通過計算得知,全程選用φ125管道總水頭損失為56.26 m,也能滿足要求,但管道內(nèi)仍然是明流,不是壓力流。

再次采用試算法將管道分為兩段不同管徑的管道來設(shè)計,前半部采用Φ125管道,后半部采用φ100管道中間用變徑管連接,使得整個管路的水頭損失接近于100 m。

經(jīng)計算采用Φ125管道1 930 m時,φ100管道1 070 m,水頭損失是99.48 m,剛好滿足流量要求。

Φ125管道管內(nèi)流速1.56 m/s,φ100管道管內(nèi)流速2.53 m/s,《村鎮(zhèn)供水工程運行管理手冊》對流速要求如下:

(1)為防止發(fā)生水錘現(xiàn)象,最大流速不超過2.5～3.0 m/s

(2)當(dāng)輸送渾水時,為避免管內(nèi)淤積,最小流速應(yīng)大于0.6 m/s。也滿足要求。

而此時管道內(nèi)水壓力小于1 m,選擇管道只需考慮外部壓力,無需考慮內(nèi)水壓力。根據(jù)區(qū)水務(wù)局的要求,管道材料只能選用給水用PE管或給水用PVC管,所能提供的管道最大公稱壓力是PE管0.32 Mpa,PVC管0.3～0.6 Mpa,均可滿足設(shè)計要求。

在實際應(yīng)用時,φ100管道長度適當(dāng)減一些,Φ125管道長度適當(dāng)加一些,即可達(dá)到保證過流能力的同時,管道內(nèi)水壓力又小的效果。這種設(shè)計思路和方法,提高了工程的安全度,又減小了工程投資。

5 結(jié)語

長距離、大高差輸送同一流量時,通過規(guī)范上的經(jīng)濟(jì)流速選取的管徑不一定就是最優(yōu)解,在滿足能量守恒的前提下,可適當(dāng)分段應(yīng)用不同直徑的管道,通過合理調(diào)整流速及合理分配管徑,減小管道直徑和管道的公稱壓力,從而實現(xiàn)工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的互相協(xié)調(diào)。