農(nóng)村飲水工程中挑選管材的簡捷方法

張達斌

(福建省連城縣水利局，福建 連城 366200)

1 挑選管材簡捷法概述

農(nóng)村飲水安全工程供水管道管徑的選擇通常是利用輸水管道中的經(jīng)濟流速來確定經(jīng)濟管徑，然后根據(jù)經(jīng)濟管徑和管道所要承受水壓等要求選定管材.這樣，選擇的管材不同，單位管長所需要的投資就不一定相同，其中有的比較經(jīng)濟，有的卻比較昂貴[1].因此，經(jīng)濟管徑不一定是投資最省的管徑.本文推薦的挑選管材簡捷法是利用供水管道的沿程水頭損失公式推導變換而得的，在運用中綜合考慮不同管徑管材單位管長的投資系數(shù)，結合工程具體實際需要，可較科學合理地確定出經(jīng)濟、適宜、投資又省的管材[2].

2 經(jīng)濟管徑的確定

水流在供水管道中流動，其流速的大小與工程造價和運轉電費有直接關聯(lián)，在設計時選擇流速適宜，管道工程費用及投產(chǎn)運行輸送水的電費也較低，這種流速叫經(jīng)濟流速[3].

通常推薦采用經(jīng)濟流速的原則是：管徑越大，使用的經(jīng)濟流速就越大，支管與干管相比較，靠近配水廠或調(diào)節(jié)構筑物的起端支管的經(jīng)濟流速可以適當提高，末端的支管則不宜提高[4]，經(jīng)濟流速取值：一般室外長距離輸配水管道、末端管道0．5～0.75 m/s；水泵吸水管1.0～1.2 m/s；水泵出水管1.5～2.0 m/s；起端支管0.75～1.0 m/s.

(1)

D—經(jīng)濟管徑,m;

Q—管中過流量,m3/s;

V—經(jīng)濟流速,m/s.

3 挑選管材簡捷法公式推導與結論

3.1 挑選管材簡捷法公式推導

在供水管路中由于水流在流動的過程中有管路阻力損失，水在管路中流動時，所消耗的能量，由沿程水頭損失和局部水頭損失兩部分組成[5],為簡化計算取局部水頭損失為沿程水頭損失的5%～10%算，由水力學可知:

(2)

局部水頭損失?。篐j=(5%～10%)Hf

水頭損失為：H=Hf+Hj=kHf

式中：k—考慮局部水頭損失后的系數(shù)，取k=1.05～1.1；

Hf—沿程水頭損失,m;

Hj—局部水頭損失,m;

H—管道水頭損失,m;

L—管道長度,m;

V—管道中水流平均速度,m/s;

R—水利半徑,圓管R=D/4；m;

D—管道內(nèi)徑,m;

N—糙率系數(shù).

糙率系數(shù)n的取值：塑料管(如PVC、PE管等)0.007～0.009；石棉水泥管,新鋼管、新鑄鐵管，0.012；鋁合金管、鍍鋅管0.013；使用多年的舊鋼管、舊鑄鐵管、離心澆筑的混凝土管0．014；普通混凝土管0．015；也可向生產(chǎn)管材的廠家提供糙率系數(shù)等相關資料[6].

將有關數(shù)值代入(1)式并簡化得：沿程水頭損失為：

則甲種管材的水頭損失為：

(3)

同樣設乙型管材管道過流時也存在水頭損失，即：

(4)

公式中的符號說明：

h1、h2—甲、乙型管材的水頭損失,m;

n1、n2—甲、乙型管材的糙率系數(shù);

L1、L2—甲、乙型管材的管道長度,m;

Q1、Q2—甲、乙型管材的管中過流量,m3/s;

D1、D2—甲、乙型管材的管道內(nèi)徑,m.

3.2 簡捷法公式及結論

由上式(3)和(4)公式，按不同的應用條件，進行變換推導，可得出從異種管材中挑選管材簡捷法公式與結論如下：

(1)當應用條件為h1=h2，Q1=Q2、L1=L2時，即當甲、乙管材的管長、過流量和水頭損失一定時，糙率較大的管徑大，糙率較小的管徑小，糙率相等時管徑相等，公式如下：

(2)當應用條件為h1=h2，D1=D2、L1=L2時，即甲、乙管材的管長、管徑和水頭損失一定時，糙率較大的流量小，糙率較小的流量大，糙率相等時過流量相等，公式如下：

(3)當應用條件為h1=h2，Q1=Q2、D1=D2時，即甲、乙管材的管徑、過流量和水頭損失一定時，糙率較大的管道短，糙率較小的管道長，糙率相等時管道長相等，公式如下：

(4)當應用條件為D1=D2，Q1=Q2、L1=L2時，即甲、乙管材的管長、過流量和管徑一定時，糙率大的水頭損失大、糙率小的水頭損失小，糙率相等時水頭損失相等，公式如下：

若n1

若n1>n2時h1>h2

若n1=n2時h1=h2

4 異種管材單位管長的投資系數(shù)

投資系數(shù)KT是指單位管長的投資系數(shù)，即包括管材出售價格A、管材運輸安裝費B、管壁厚度δ，管徑大小φ，水管折舊η和年運行管理α，管道經(jīng)濟壽命β等費用(包括水管本身及其附件費用、管路開挖、回填、支鎮(zhèn)墩費用等).其中：折舊費應考慮各種管材的經(jīng)濟壽命.投資系數(shù)是一種與多種因素有關的函數(shù)，要依具體情況和信息價分類計算確定.

KT—管材的投資系數(shù),元/m;

KT1—甲種管材的投資系數(shù),元/m;

KT2—乙種管材的投資系數(shù),元/m;

KT3—丙種管材的投資系數(shù),元/m.

5 挑選管材簡捷法應用步驟

第1步：選擇經(jīng)濟流速運用公式(1)確定經(jīng)濟管徑.

第2步：分別計算不同材質(zhì)、不同管徑、不同壁厚、承受不同的內(nèi)水壓力的單位管長管材的投資系數(shù).

第3步：利用挑選管材簡捷法公式，再從挑選管材簡捷法概論中選擇不同情況確定既經(jīng)濟、又適宜、投資又省的管材.

6 挑選管材簡捷法公式概論

應用挑選管材簡捷法公式選定適合各種要求的管材，其計算概論如下：

(1)已知h1=h2，Q1=Q2、L1=L2時選定管材，也即要求計算管段末端自由水頭一致、管道水頭損失相等，過流量相同，管長也相同情況下，甲、乙管材進行挑選：如甲管經(jīng)計算的經(jīng)濟管徑為D1，選定管材的糙率為n1；乙管的管徑為D2、管材的糙率為n2.D1、n1、n2為已知，則

由上式可見：當n1>n2時D2

當n1D1

此時若符合：KT2·L2

若符合：KT2·L2>KT1·L1，則選用D1型管材.

若符合：KT2·L2=KT1·L1，則選用D1型或D2型管材均可.

(2)已知h1=h2，D1=D2、L1=L2時選定管材，也即要求計算管段末端自由水頭一致、管道水頭損失相等，管徑相同，管長也相同情況下，甲、乙管材進行挑選：如甲管經(jīng)計算的經(jīng)濟管徑為D1，選定管材的糙率為n1；乙管的管徑為D2、管材的糙率為n2，則

由上式可見：當n1>n2時，Q2>Q1

當n1

當n1=n2時，Q2=Q1

此種情形選定管材，可分四種情況考慮：

第一種情形：不考慮投資系數(shù)，只考慮過流量盡可能大些(比設計有裕度)，則選用糙率小的管材.

第二種情形：不考慮投資系數(shù)，只考慮過流量盡可能小些(通過采取節(jié)約用水措施，比設計節(jié)省水量)，則選用糙率大的管材.

第三種情形：甲、乙管材糙率系數(shù)相等，此時考慮投資系數(shù)小的管材.

第四種情形：考慮投資省的管材，則又分以下情況分析考慮：

若符合KT2·L2

若符合KT2·L2>KT1·L1，則選用D1型管材.

若符合KT2·L2=KT1·L1，則選用D1型或D2型管材均可.

(3)已知h1=h2，Q1=Q2、D1=D2時選定管材，也即要求計算管段末端自由水頭一致、管道水頭損失相等，過流量相同的情況下，甲、乙管材進行挑選：如甲管經(jīng)計算的經(jīng)濟管徑為D1，選定管材的糙率為n1；乙管的管徑為D2、管材的糙率為n2，則

由上式可見：當n1>n2時，L2>L1

當n1

當n1=n2時，L2=L1

此種情形選定管材，可分三種情況考慮：

第一種情形：只考慮管道長度盡可能長一些(比設計可能延長些)，則選用糙率小的管材.

第二種情形：只考慮管道長度盡可能短一些(比設計長度短一些)，則考慮選用投資系數(shù)較小的管材.

第三種情形：所選定的甲、乙管材長度相同，則又分以下三種情況考慮：

若符合：KT2·L2

若符合：KT2·L2>KT1·L1，則選用D1型管材.

若符合：KT2·L2=KT1·L1，則選用D1型或D2型管材均可.

(4)已知D1=D2，Q1=Q2、L1=L2時選定管材，也即要求管徑相同，過流量相同，管長也相同情況下，甲、乙管材進行挑選：如甲管經(jīng)計算的經(jīng)濟管徑為D1，選定管材的糙率為n1；乙管的管徑為D2、管材的糙率為n2，則

若n1

若n1>n2時，h1>h2

若n1=n2時，h1=h2

此種情形選定管材，可分四種情況考慮：

第一種情形：不考慮投資系數(shù)，只考慮水壓較大些(比設計有裕度)，即考慮計算的h較小(糙率較小)的管材.

第二種情形：不考慮投資系數(shù)，只考慮水壓較小些(比設計水壓小，但可滿足用水戶要求)，即考慮計算的h較大(糙率較大)的管材.

第三種情形：甲、乙管材糙率系數(shù)相等，此時考慮投資系數(shù)小的管材.

第四種情形：考慮投資省的管材，則又分以下情況分析考慮：

若符合：KT2·L2

若符合：KT2·L2>KT1·L1，則選用D1型管材.

若符合：KT2·L2=KT1·L1，則選用D1型或D2型管材均可.

7 結 語

本文介紹的挑選管材簡捷法，綜合考慮水流在供水管道中的經(jīng)濟流速、管道材質(zhì)、承壓能力、管長、糙率、流量及管道單位管長的投資系數(shù)等多種因素，結合工程所處地理位置、地形、地質(zhì)等具體實際情形，靈活選擇挑選管材簡捷法不同公式，可計算出滿足用水戶不同要求，但又既經(jīng)濟、適宜、投資又省的管材，該方法可為農(nóng)村飲水安全工程供水管道設計提供借鑒.

參考文獻：

[1] 成都水力發(fā)電學校.水電站[M].北京：水利電力出版，1979.

[2] 鄭文康，劉翰湘．水力學[M].北京：中國水利水電出版社，1991.

[3] 陳學敏，陳大雕，魏永曜，等.噴灌工程學[M].武漢：武漢水利電力學院出版，1981.

[4] 李宗堯.農(nóng)田灌溉與排水[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[5] 李建民，黃 建，劉伏英，等．鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水工程[M].長沙：國防科技大學出版，1995.

[6] 李序量，程學文，邵平江，等.水力學[M].北京：水利出版社出版發(fā)行，1978.