农村饮水工程中挑选管材的简捷方法

张达斌

(福建省连城县水利局，福建 连城 366200)

1 挑选管材简捷法概述

农村饮水安全工程供水管道管径的选择通常是利用输水管道中的经济流速来确定经济管径，然后根据经济管径和管道所要承受水压等要求选定管材.这样，选择的管材不同，单位管长所需要的投资就不一定相同，其中有的比较经济，有的却比较昂贵[1].因此，经济管径不一定是投资最省的管径.本文推荐的挑选管材简捷法是利用供水管道的沿程水头损失公式推导变换而得的，在运用中综合考虑不同管径管材单位管长的投资系数，结合工程具体实际需要，可较科学合理地确定出经济、适宜、投资又省的管材[2].

2 经济管径的确定

水流在供水管道中流动，其流速的大小与工程造价和运转电费有直接关联，在设计时选择流速适宜，管道工程费用及投产运行输送水的电费也较低，这种流速叫经济流速[3].

通常推荐采用经济流速的原则是：管径越大，使用的经济流速就越大，支管与干管相比较，靠近配水厂或调节构筑物的起端支管的经济流速可以适当提高，末端的支管则不宜提高[4]，经济流速取值：一般室外长距离输配水管道、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—经济管径,m;

Q—管中过流量,m3/s;

V—经济流速,m/s.

3 挑选管材简捷法公式推导与结论

3.1 挑选管材简捷法公式推导

在供水管路中由于水流在流动的过程中有管路阻力损失，水在管路中流动时，所消耗的能量，由沿程水头损失和局部水头损失两部分组成[5],为简化计算取局部水头损失为沿程水头损失的5%～10%算，由水力学可知:

(2)

局部水头损失取：Hj=(5%～10%)Hf

水头损失为：H=Hf+Hj=kHf

式中：k—考虑局部水头损失后的系数，取k=1.05～1.1；

Hf—沿程水头损失,m;

Hj—局部水头损失,m;

H—管道水头损失,m;

L—管道长度,m;

V—管道中水流平均速度,m/s;

R—水利半径,圆管R=D/4；m;

D—管道内径,m;

N—糙率系数.

糙率系数n的取值：塑料管(如PVC、PE管等)0.007～0.009；石棉水泥管,新钢管、新铸铁管，0.012；铝合金管、镀锌管0.013；使用多年的旧钢管、旧铸铁管、离心浇筑的混凝土管0．014；普通混凝土管0．015；也可向生产管材的厂家提供糙率系数等相关资料[6].

将有关数值代入(1)式并简化得：沿程水头损失为：

则甲种管材的水头损失为：

(3)

同样设乙型管材管道过流时也存在水头损失，即：

(4)

公式中的符号说明：

h1、h2—甲、乙型管材的水头损失,m;

n1、n2—甲、乙型管材的糙率系数;

L1、L2—甲、乙型管材的管道长度,m;

Q1、Q2—甲、乙型管材的管中过流量,m3/s;

D1、D2—甲、乙型管材的管道内径,m.

3.2 简捷法公式及结论

由上式(3)和(4)公式，按不同的应用条件，进行变换推导，可得出从异种管材中挑选管材简捷法公式与结论如下：

(1)当应用条件为h1=h2，Q1=Q2、L1=L2时，即当甲、乙管材的管长、过流量和水头损失一定时，糙率较大的管径大，糙率较小的管径小，糙率相等时管径相等，公式如下：

(2)当应用条件为h1=h2，D1=D2、L1=L2时，即甲、乙管材的管长、管径和水头损失一定时，糙率较大的流量小，糙率较小的流量大，糙率相等时过流量相等，公式如下：

(3)当应用条件为h1=h2，Q1=Q2、D1=D2时，即甲、乙管材的管径、过流量和水头损失一定时，糙率较大的管道短，糙率较小的管道长，糙率相等时管道长相等，公式如下：

(4)当应用条件为D1=D2，Q1=Q2、L1=L2时，即甲、乙管材的管长、过流量和管径一定时，糙率大的水头损失大、糙率小的水头损失小，糙率相等时水头损失相等，公式如下：

若n1

若n1>n2时h1>h2

若n1=n2时h1=h2

4 异种管材单位管长的投资系数

投资系数KT是指单位管长的投资系数，即包括管材出售价格A、管材运输安装费B、管壁厚度δ，管径大小φ，水管折旧η和年运行管理α，管道经济寿命β等费用(包括水管本身及其附件费用、管路开挖、回填、支镇墩费用等).其中：折旧费应考虑各种管材的经济寿命.投资系数是一种与多种因素有关的函数，要依具体情况和信息价分类计算确定.

KT—管材的投资系数,元/m;

KT1—甲种管材的投资系数,元/m;

KT2—乙种管材的投资系数,元/m;

KT3—丙种管材的投资系数,元/m.

5 挑选管材简捷法应用步骤

第1步：选择经济流速运用公式(1)确定经济管径.

第2步：分别计算不同材质、不同管径、不同壁厚、承受不同的内水压力的单位管长管材的投资系数.

第3步：利用挑选管材简捷法公式，再从挑选管材简捷法概论中选择不同情况确定既经济、又适宜、投资又省的管材.

6 挑选管材简捷法公式概论

应用挑选管材简捷法公式选定适合各种要求的管材，其计算概论如下：

(1)已知h1=h2，Q1=Q2、L1=L2时选定管材，也即要求计算管段末端自由水头一致、管道水头损失相等，过流量相同，管长也相同情况下，甲、乙管材进行挑选：如甲管经计算的经济管径为D1，选定管材的糙率为n1；乙管的管径为D2、管材的糙率为n2.D1、n1、n2为已知，则

由上式可见：当n1>n2时D2

当n1D1

此时若符合：KT2·L2

若符合：KT2·L2>KT1·L1，则选用D1型管材.

若符合：KT2·L2=KT1·L1，则选用D1型或D2型管材均可.

(2)已知h1=h2，D1=D2、L1=L2时选定管材，也即要求计算管段末端自由水头一致、管道水头损失相等，管径相同，管长也相同情况下，甲、乙管材进行挑选：如甲管经计算的经济管径为D1，选定管材的糙率为n1；乙管的管径为D2、管材的糙率为n2，则

由上式可见：当n1>n2时，Q2>Q1

当n1

当n1=n2时，Q2=Q1

此种情形选定管材，可分四种情况考虑：

第一种情形：不考虑投资系数，只考虑过流量尽可能大些(比设计有裕度)，则选用糙率小的管材.

第二种情形：不考虑投资系数，只考虑过流量尽可能小些(通过采取节约用水措施，比设计节省水量)，则选用糙率大的管材.

第三种情形：甲、乙管材糙率系数相等，此时考虑投资系数小的管材.

第四种情形：考虑投资省的管材，则又分以下情况分析考虑：

若符合KT2·L2

若符合KT2·L2>KT1·L1，则选用D1型管材.

若符合KT2·L2=KT1·L1，则选用D1型或D2型管材均可.

(3)已知h1=h2，Q1=Q2、D1=D2时选定管材，也即要求计算管段末端自由水头一致、管道水头损失相等，过流量相同的情况下，甲、乙管材进行挑选：如甲管经计算的经济管径为D1，选定管材的糙率为n1；乙管的管径为D2、管材的糙率为n2，则

由上式可见：当n1>n2时，L2>L1

当n1

当n1=n2时，L2=L1

此种情形选定管材，可分三种情况考虑：

第一种情形：只考虑管道长度尽可能长一些(比设计可能延长些)，则选用糙率小的管材.

第二种情形：只考虑管道长度尽可能短一些(比设计长度短一些)，则考虑选用投资系数较小的管材.

第三种情形：所选定的甲、乙管材长度相同，则又分以下三种情况考虑：

若符合：KT2·L2

若符合：KT2·L2>KT1·L1，则选用D1型管材.

若符合：KT2·L2=KT1·L1，则选用D1型或D2型管材均可.

(4)已知D1=D2，Q1=Q2、L1=L2时选定管材，也即要求管径相同，过流量相同，管长也相同情况下，甲、乙管材进行挑选：如甲管经计算的经济管径为D1，选定管材的糙率为n1；乙管的管径为D2、管材的糙率为n2，则

若n1

若n1>n2时，h1>h2

若n1=n2时，h1=h2

此种情形选定管材，可分四种情况考虑：

第一种情形：不考虑投资系数，只考虑水压较大些(比设计有裕度)，即考虑计算的h较小(糙率较小)的管材.

第二种情形：不考虑投资系数，只考虑水压较小些(比设计水压小，但可满足用水户要求)，即考虑计算的h较大(糙率较大)的管材.

第三种情形：甲、乙管材糙率系数相等，此时考虑投资系数小的管材.

第四种情形：考虑投资省的管材，则又分以下情况分析考虑：

若符合：KT2·L2

若符合：KT2·L2>KT1·L1，则选用D1型管材.

若符合：KT2·L2=KT1·L1，则选用D1型或D2型管材均可.

7 结 语

本文介绍的挑选管材简捷法，综合考虑水流在供水管道中的经济流速、管道材质、承压能力、管长、糙率、流量及管道单位管长的投资系数等多种因素，结合工程所处地理位置、地形、地质等具体实际情形，灵活选择挑选管材简捷法不同公式，可计算出满足用水户不同要求，但又既经济、适宜、投资又省的管材，该方法可为农村饮水安全工程供水管道设计提供借鉴.

参考文献：

[1] 成都水力发电学校.水电站[M].北京：水利电力出版，1979.

[2] 郑文康，刘翰湘．水力学[M].北京：中国水利水电出版社，1991.

[3] 陈学敏，陈大雕，魏永曜，等.喷灌工程学[M].武汉：武汉水利电力学院出版，1981.

[4] 李宗尧.农田灌溉与排水[M].北京：中国水利水电出版社，2002.

[5] 李建民，黄 建，刘伏英，等．乡镇供水工程[M].长沙：国防科技大学出版，1995.

[6] 李序量，程学文，邵平江，等.水力学[M].北京：水利出版社出版发行，1978.