供水工程设计中流速的合理应用及管径调整对工程投资影响分析

2023-10-13董亚锋

地下水 2023年5期

董亚锋

(西安市长安区水利工作队,陕西西安 710100)

0 引言

在城市和农村供水工程设计中,经常遇到计算管道流速、管道直径以及校核管道过水能力的问题,其中首要任务是确定管道直径,而确定管道直径的首要问题是确定流速。一般的设计计算过程是根据现场测量的管线比降,结合所能提供的的的管道材质,查有关设计规范或水力学教材,根据各种管材的经济流速表格选取一个经济流速,以此为依据,计算管径。根据计算出来的管径以及管道所能承受的工作压力,在有关产品目录中选取使用合适的管道。

这种情况计算出的管道直径虽然能满足设计规范要求,也符合正常的设计工作要求,但是经济流速这个概念是在需要抽水或需要加压的情况下提出的,在前端水源需要提升时,检索出的管道就是合理的,但是对于前段无需加压的自流管道就不合适了。自流管道设计管径时,应在尽量满足过流能力、管道允许最大流速的前提下,减小管道直径和工程投资,提高经济效益。本文以长安区子午街办东台村供水工程供水输水管道为例进行论述。

1 工程概况

长安区子午街办东台村位于秦岭山脚下,地势南高北低,自然落差大。村中原有供水工程建于上世纪80年代,水源位于村南约300 m小沟内,当时满足了村民的需求。随着社会的发展,原有供水饮水工程由于年久失修,管道设施老化、破损严重。近年来国家新农村政策支持下,村庄建设得到了极大的发展,村民的用水需求和标准得到了提高,尤其是村中开办了许多农家乐,导致需水量剧增。近年来该村被长安区列为花园式乡村的典型,村内规划整齐,道路已全部砼硬化,村容村貌整洁,村内设有停车场,各户卫浴设施齐全,排水设施完好。该村需供水总人口3 500人(包含外来人口),无集中牲畜养殖户,无牲畜散养户,也无集中用水的企业,村中旅游业比较发达。原有供水工程已不能满足现时村民的需要以及发展的需要,因此考虑废弃原有供水工程,新建一套供水工程来满足现状需求。

由于该村靠近山区,新建工程水源选在距村3 000 m远处的一处河谷上,该河流流量稳定,冬季枯水期流量也能满足供水需求。总体工程方案是在河谷上修建一处滚水低坝来控制水位,保证来水稳定,引水到堤岸后,设置沉淀过滤池,沉淀过滤后设置调节池,再通过 3 000 m管道后将水引到村口,设分流池,分流后再将水分配到各用户。3 000 m管道所经之处皆为顺坡。从调节池到分流池地形高差100 m。

2 供水量确定

表1 供水量标准表

表2 供水量计算表

经计算,日需取水1 512 t,折合0.017 5 m3/s。

3 经济流速设计管径

本文主要通过对新建水源工程的管道的设计计算来阐述选用不同经济流速对工程投资的影响。

首先按照《农村给水设计规范》要求选择管径

管径按照下式计算:

D=(4Q/π·υ)0.5

(1)

式中:D为计算管径(m);Q为设计流量(m3/s);π为圆周率取3.14;υ为经济流速(m/s);

如果按照行业规范,长距离输水时,当管径大于500 mm时,经济流速取值范围1～1.5 m/s,当管径小于500 mm时,经济流速取值范围0.5～1.0 m/s。

采用上述计算公式,流速取0.9 m/s,计算得出管内径0.157 m。选用公称管径150 mm PVC管,管外径160 mm,计算内径136.4 mm。

压力管道沿程水头损失,按下式计算:

i=0.000 915Q1.774/dj4.774

(2)

式中:i为每米管道水头损失(m);Q为管道计算流量(m3/s);Dj为管道计算内径(m);局部损失按沿程水头损失5%计。

经计算,管道总水头损失为29.74 m

流速水头按下式计算:

hl=v2/2g

(3)

式中:hl为流速水头(m);v为流速(m/s);g为重力加速度,9.81 m/s2

计算得:hl=0.04 m。

根据能量守恒定律:

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

按照经济流速设计,本次水源工程选取管道参数应为公称管径150 mm,计算管径136.4 mm管道,水头损失29.78 m。工程总高差为100 m,与总水头相差70.22 m,相差较大。在本段管道比降一致的情况下,管道内必将形成自由流,而非压力流。这说明通过经济流速选择的管径过大,造成了浪费,经济流速就变得不经济了。

保持高差和设计流量不变,在满足过流量的前提下,采用试算法,计算出Φ150管道的实际过流能力是0.034 6 m3/s,实际过流能力比计算过流能力大0.034 6/0.0175=1.98倍。显然比需求过流量大得多。

计算数据见表3。