供水工程設計中流速的合理應用及管徑調整對工程投資影響分析

董亞鋒

(西安市長安區水利工作隊,陜西 西安 710100)

0 引言

在城市和農村供水工程設計中,經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。一般的設計計算過程是根據現場測量的管線比降,結合所能提供的的的管道材質,查有關設計規范或水力學教材,根據各種管材的經濟流速表格選取一個經濟流速,以此為依據,計算管徑。根據計算出來的管徑以及管道所能承受的工作壓力,在有關產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計規范要求,也符合正常的設計工作要求,但是經濟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。自流管道設計管徑時,應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,提高經濟效益。本文以長安區子午街辦東臺村供水工程供水輸水管道為例進行論述。

1 工程概況

長安區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80年代,水源位于村南約300 m小溝內,當時滿足了村民的需求。隨著社會的發展,原有供水飲水工程由于年久失修,管道設施老化、破損嚴重。近年來國家新農村政策支持下,村莊建設得到了極大的發展,村民的用水需求和標準得到了提高,尤其是村中開辦了許多農家樂,導致需水量劇增。近年來該村被長安區列為花園式鄉村的典型,村內規劃整齊,道路已全部砼硬化,村容村貌整潔,村內設有停車場,各戶衛浴設施齊全,排水設施完好。該村需供水總人口3 500人(包含外來人口),無集中牲畜養殖戶,無牲畜散養戶,也無集中用水的企業,村中旅游業比較發達。原有供水工程已不能滿足現時村民的需要以及發展的需要,因此考慮廢棄原有供水工程,新建一套供水工程來滿足現狀需求。

由于該村靠近山區,新建工程水源選在距村3 000 m遠處的一處河谷上,該河流流量穩定,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,保證來水穩定,引水到堤岸后,設置沉淀過濾池,沉淀過濾后設置調節池,再通過 3 000 m管道后將水引到村口,設分流池,分流后再將水分配到各用戶。3 000 m管道所經之處皆為順坡。從調節池到分流池地形高差100 m。

2 供水量確定

表1 供水量標準表

表2 供水量計算表

經計算,日需取水1 512 t,折合0.017 5 m3/s。

3 經濟流速設計管徑

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

首先按照《農村給水設計規范》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為設計流量(m3/s);π為圓周率取3.14;υ為經濟流速(m/s);

如果按照行業規范,長距離輸水時,當管徑大于500 mm時,經濟流速取值范圍1～1.5 m/s,當管徑小于500 mm時,經濟流速取值范圍0.5～1.0 m/s。

采用上述計算公式,流速取0.9 m/s,計算得出管內徑0.157 m。選用公稱管徑150 mm PVC管,管外徑160 mm,計算內徑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為管道計算內徑(m);局部損失按沿程水頭損失5%計。

經計算,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。

根據能量守恒定律:

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

按照經濟流速設計,本次水源工程選取管道參數應為公稱管徑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,管道內必將形成自由流,而非壓力流。這說明通過經濟流速選擇的管徑過大,造成了浪費,經濟流速就變得不經濟了。

保持高差和設計流量不變,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。

計算數據見表3。

表3 實際過流能力試算表

4 優化設計方案

這就說明在這里采用經濟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,剛好滿足設計流量。

根據上述思路,公式不變,調整管徑計算后,數據如表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管道管內流速1.56 m/s,φ100管道管內流速2.53 m/s,《村鎮供水工程運行管理手冊》對流速要求如下:

(1)為防止發生水錘現象,最大流速不超過2.5～3.0 m/s

(2)當輸送渾水時,為避免管內淤積,最小流速應大于0.6 m/s。也滿足要求。

而此時管道內水壓力小于1 m,選擇管道只需考慮外部壓力,無需考慮內水壓力。根據區水務局的要求,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,均可滿足設計要求。

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

5 結語

長距離、大高差輸送同一流量時,通過規范上的經濟流速選取的管徑不一定就是最優解,在滿足能量守恒的前提下,可適當分段應用不同直徑的管道,通過合理調整流速及合理分配管徑,減小管道直徑和管道的公稱壓力,從而實現工程質量和經濟效益的互相協調。