張達(dá)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(jì)流速來確定經(jīng)濟(jì)管徑，然后根據(jù)經(jīng)濟(jì)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(jì)，有的卻比較昂貴[1].因此，經(jīng)濟(jì)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(dǎo)變換而得的，在運(yùn)用中綜合考慮不同管徑管材單位管長的投資系數(shù)，結(jié)合工程具體實(shí)際需要，可較科學(xué)合理地確定出經(jīng)濟(jì)、適宜、投資又省的管材[2].

2 經(jīng)濟(jì)管徑的確定

水流在供水管道中流動(dòng)，其流速的大小與工程造價(jià)和運(yùn)轉(zhuǎn)電費(fèi)有直接關(guān)聯(lián)，在設(shè)計(jì)時(shí)選擇流速適宜，管道工程費(fèi)用及投產(chǎn)運(yùn)行輸送水的電費(fèi)也較低，這種流速叫經(jīng)濟(jì)流速[3].

通常推薦采用經(jīng)濟(jì)流速的原則是：管徑越大，使用的經(jīng)濟(jì)流速就越大，支管與干管相比較，靠近配水廠或調(diào)節(jié)構(gòu)筑物的起端支管的經(jīng)濟(jì)流速可以適當(dāng)提高，末端的支管則不宜提高[4]，經(jīng)濟(jì)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(jì)管徑,m;

Q—管中過流量,m3/s;

V—經(jīng)濟(jì)流速,m/s.

3 挑選管材簡捷法公式推導(dǎo)與結(jié)論

3.1 挑選管材簡捷法公式推導(dǎo)

在供水管路中由于水流在流動(dòng)的過程中有管路阻力損失，水在管路中流動(dòng)時(shí)，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(jì)算取局部水頭損失為沿程水頭損失的5%～10%算，由水力學(xué)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(guān)資料[6].

將有關(guān)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(shè)乙型管材管道過流時(shí)也存在水頭損失，即：

(4)

公式中的符號(hào)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(jié)論

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

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

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

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

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

若n1

若n1>n2時(shí)h1>h2

若n1=n2時(shí)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(jià)格A、管材運(yùn)輸安裝費(fèi)B、管壁厚度δ，管徑大小φ，水管折舊η和年運(yùn)行管理α，管道經(jīng)濟(jì)壽命β等費(fèi)用(包括水管本身及其附件費(fèi)用、管路開挖、回填、支鎮(zhèn)墩費(fèi)用等).其中：折舊費(fèi)應(yīng)考慮各種管材的經(jīng)濟(jì)壽命.投資系數(shù)是一種與多種因素有關(guān)的函數(shù)，要依具體情況和信息價(jià)分類計(jì)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(yīng)用步驟

第1步：選擇經(jīng)濟(jì)流速運(yùn)用公式(1)確定經(jīng)濟(jì)管徑.

第2步：分別計(jì)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(jì)、又適宜、投資又省的管材.

6 挑選管材簡捷法公式概論

應(yīng)用挑選管材簡捷法公式選定適合各種要求的管材，其計(jì)算概論如下：

(1)已知h1=h2，Q1=Q2、L1=L2時(shí)選定管材，也即要求計(jì)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(jìn)行挑選：如甲管經(jīng)計(jì)算的經(jīng)濟(jì)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(dāng)n1>n2時(shí)D2

當(dāng)n1D1

此時(shí)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(shí)選定管材，也即要求計(jì)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(jìn)行挑選：如甲管經(jīng)計(jì)算的經(jīng)濟(jì)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(dāng)n1>n2時(shí)，Q2>Q1

當(dāng)n1

當(dāng)n1=n2時(shí)，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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)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(shí)選定管材，也即要求計(jì)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(jìn)行挑選：如甲管經(jīng)計(jì)算的經(jīng)濟(jì)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(dāng)n1>n2時(shí)，L2>L1

當(dāng)n1

當(dāng)n1=n2時(shí)，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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)行挑選：如甲管經(jīng)計(jì)算的經(jīng)濟(jì)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(shí)，h1>h2

若n1=n2時(shí)，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(shè)計(jì)有裕度)，即考慮計(jì)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(shè)計(jì)水壓小，但可滿足用水戶要求)，即考慮計(jì)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(shí)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(jié) 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(jì)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(jié)合工程所處地理位置、地形、地質(zhì)等具體實(shí)際情形，靈活選擇挑選管材簡捷法不同公式，可計(jì)算出滿足用水戶不同要求，但又既經(jīng)濟(jì)、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(shè)計(jì)提供借鑒.

參考文獻(xiàn)：

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[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(xué)出版，1995.

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