浅谈室外给水管道工程设计
发布者： 发布时间：2018-11-15
给水工程包括取水工程、原水输水工程、水处理厂工程、清水输水工程和配水工程五大部分。室外给水管道工程主要包括输水工程和配水工程两部分。输水工程包括从水源到水厂的原水输水工程和从水厂到管网的清水输水工程。室外给水管道工程设计，在给水工程中占有重要的地位。本文结合某集镇供水工程实例就室外给水管道工程设计做简要的概述。
1 平面定线
（1）管道的走向和位置应符合城市总体规划的要求，为便于施工与管理，长距离输水管道应尽可能沿已建的道路边侧敷设，并尽量减少拆迁和少占农田，并应考虑施工方便及日后维护方便以及运行的安全可靠。
（2）管道应避免与各种障碍物和不利地段的交叉，如遇到山谷、山嘴、洪沟、铁路、洼地等，原则上应以较远处以较小的偏角经过，或以较缓的坡度通过，并应注意避免滑坡、塌方地裂带以及易发生泥石流的地段 [1]。
（3）按照《室外给水设计规范》（GB50013-2006）的有关规定：输水干管不宜少于两条，当有安全贮水池或其他安全供水措施时，也可修建一条。当采用两条输水管时，其间须用连通管连接。
（4）室外给水管道按规范要求沿现状道路或沿规划道路布置供水干管，一般敷设在人行道或非机动车道上（详见图1），这样安装检修方便。人行道上没有位置时，可考虑将给水管道布置在车行道下。干管定线时，干管延伸方向应和城市管网接管处到大用户、小区开发方向、高位水池等的水流方向一致。顺着水流方向，以较短的距离布置一条或数条干管。支管从环状管网接出，并应使跨马路的给水支管数量尽量减少。
图1 24米宽道路标准横断面图
Fig 1 24 meters wide roads standard cross section diagram
（5）对使用时间较长的旧管道应根据实际情况分别采取保留、改造、废弃等方式处理；对于新建的管道应使其结构合理、配水高效，充分利用地形，优先考虑重力流输水。在交通密集、道路横断面较宽路段以及市区输水干管管径较大的路段，应考虑铺设复线。
（6）技术可行的前提下，考虑经济因素。管网建设的投资一般较大，工程筹资一般比较困难，多有贷款部分，因此设计考虑尽量节约工程投资。以最短的管线提供最大的给水范围，从经济、安全、运输、施工、维护管理费用低等因素综合考虑管网定线。
根据以上管网布置的原则，并结合该集镇的实际情况，对集镇管网进行近期设计和远期规划设计。
该镇区地形较平坦，标高在1480～1520m之间。本设计考虑集镇区由500m3高位水池统一供水，水池设置于集镇西北面高程1545m处。
从该集镇规划建设发展方向和新建水厂的位置关系确定，水厂至集镇区各用水点实现全重力供水；近期集镇中心区采用环状管网布置，局部采用枝状管网延伸，远期供水管网覆盖中心区以外的集镇规划区范围，逐步连成环网，管网布置如图2所示。
图2 集镇区管网平面布置图
Fig 2 Towns area network layout
2 管材选用
（1）管材性能可靠，抗震、防爆裂性能好，能承受要求的内压和外压；
（2）输水能力好，内壁光滑、不结垢，在相同条件下，输水能力长期保持不变；
（3）强度高、密封性好，给水管是承压管，密封性差的管道会经常漏水，增加了管理和运行费用；
（4）使用年限长，寿命≥50年，维修工作量小；
（5）来源可靠，管配件齐全，货源有保障，运输条件好；
（6）工程造价低，技术经济指标合理。
室外给水管道常用管材有：钢筋混凝土（PRC）管、铸铁管、玻璃钢（PMP）管、卫生级聚氯乙烯（UPVC）管、聚乙烯（PE）管等[2]。
在供水管网管材选择中，要综合管材的物理机械性能、耐蚀性、液体输送能力、生物毒性等技术因素，同时还要根据工程的具体情况，对技术、经济、安全、工期等方面分析比选，综合平衡后确定。
PE管及球墨铸铁管具有良好的物理机械性能，水力条件优越，能够保证重量轻，方便运输，不需要采取防腐措施，安装费用低，使用寿命长，运行维护方便，长期投资条件优越等优点，比较适合大部分地区的埋设条件和施工条件。
因此，本供水工程管网管材推荐选用聚乙烯（PE）管，管道压力等级选用0.6MPa等级。原水输水管及清水输水管管材推荐选用球墨铸铁管。局部地形复杂，穿越障碍物及河流地段推荐采用无缝钢管。
3 管网附属设施
（1）阀门的设置：供水主管每隔500m~1000m应设置一个检修阀门；干管上的阀门在2~3支管后加设一个；支管上的阀门设置不隔断5个以上消火栓[3]。阀门设于支管上，以便关闭阀门时尽可能减小供水影响。直径较小，位于人行道上或简易路面以下的阀门，可采用阀门套筒，寒冷地区不宜采用。安装在道路下的大阀门，可采用阀门井。为减少管道埋深和减小阀门井直径，并考虑到阀门的拆装检修及更换方便，本设计管径均小于DN400的管道，因此选用伸缩闸阀。
（2）消火栓的设置：消火栓设于使用方便、易于寻找处，如街口、街沿石等位置。距道路街沿石不大于2米，距建筑物外墙不小于5米。地上式消火栓如距房屋外墙5米有困难时，可减少至1.5米。冰冻深度≤400mm的地区宜设置地下式消火栓，冰冻深度≤200mm的地区宜设置地上式消火栓。消火栓服务半径不超过120米，设置消火栓的管道直径不小于100毫米。本设计选用SS100-1.0地上式消火栓，根据规范，设置间距不大于120m。
（3）排气阀的设置：在给水管网的最高点或隆起点设置排气阀；长距离管道每隔500m~1000m设置一个排气阀。排气阀的口径与管道直径之比为1:8~1:12。以保证管网输水畅通和在管网放空时引入空气，避免形成负压。排气阀安装在排气阀井内。
（4）排泥阀的设置：在供水管网各片区的最低点或低洼地设置排泥阀，以定期排除管网中的沉淀物，提高供水质量；并在出现供水事故时，排空管道便于抢修。排泥阀的口径与管道直径之比为1:3~1:4。排泥阀安装于排泥阀井内。
4 确定管径
确定管网中每一管段的直径是输水和配水系统设计中计算的主要课题之一。管段的直径应按分配后的流量确定。计算公式如下：
式中：D―管段直径，m；
q―管段流量，m³/s；
ν―流速，m/s。
从上式可知，管径根据管段流量和流速来确定。一定年限（称为投资偿还期）内管网造价和管理费用（主要是电费）之和为最小的流速，称为经济流速，以此来确定管径[4]。设计中采用平均经济流速（表3）来确定管径。
|
管径（mm） 平均经济流速（m/s） |
|
D=100~400 0.6~0.9 D≥400 0.9~1.4 |
注意：大管径取较大值，小管径取较小值。
表3 平均经济流速
Fig 3 Average economic velocity
定额预测法一般是按照该集镇用水量的组成（综合生活用水、工业企业用水、浇洒道路和绿地用水、管网漏失水量及未预见水量）来预测设计用水量[5]。用水量标准的取值主要依据《室外给水设计规范》的规定以及地区总体规划确定指标，结合当地气候、城市性质、工副业发展趋势、人口组成、建筑物特点等实际情况确定。
市政给水管道管径选择一般根据设计用水量和经济流速，通过鸿业市政管线软件平差计算来确定最适管径。鸿业市政管线软件主要针对环状管网的平差计算来确定管径，对于输水管道和枝状管网，应依据设计流量、经济流速按《给水排水设计手册》第一册中的水力计算表及地方经验来确定流量和流速，进而确定管径。
5 管网平差计算
该集镇供水工程设计供水范围为集镇镇区。在选取水源，从水源取水，通过原水输水管将原水输送到水厂，经处理后的水通过清水输水管送至500m3高位水池统一供水至配水管网。以下介绍该集镇区配水管网的平差计算。图3为鸿业市政管线软件的工作界面。
图4 鸿业市政管线软件工作界面
Fig 4 Hongye municipal pipelines work of software interface
在计算该集镇设计用水量之后，按照鸿业软件平差下拉菜单中的项，做好管网定线、管材选择、定节点地面标高、定节点流量、预赋管径之后，从图面提取管道信息软件自动进行管网平差计算，根据计算结果调节预赋的各管段的管径，使各个管段的流速尽量在经济流速范围内的管径，即为最适管径，平差结束。本工程给水管网平差结果及供水管网平差图（图4）如下。
给水管网平差结果
一、平差基本数据
1、平差类型：最不利点校核。
2、计算公式：海曾威廉公式
V=0.44*C*(Re/C)^0.075*(g*D*I)^0.5
Re=V*D/ν
计算温度：13，ν=0.000001
3、局部损失系数：1.10
二、节点参数
|
节点编号 |
流量(L/s) |
地面标高(m) |
节点水压(m) |
自由水头(m) |
|
1 |
-15.200 |
1545.000 |
1548.000 |
3.000 |
|
2 |
1.222 |
1520.500 |
1546.778 |
26.278 |
|
3 |
1.450 |
1515.680 |
1544.355 |
28.675 |
|
4 |
1.752 |
1495.200 |
1542.412 |
47.212 |
|
5 |
1.329 |
1496.980 |
1541.474 |
44.494 |
|
6 |
1.555 |
1498.000 |
1540.399 |
42.399 |
|
7 |
1.588 |
1483.260 |
1540.147 |
56.887 |
|
8 |
1.188 |
1480.300 |
1540.107 |
59.807 |
|
9 |
1.368 |
1489.290 |
1540.147 |
50.857 |
|
10 |
1.049 |
1494.090 |
1540.381 |
46.291 |
|
11 |
0.982 |
1485.340 |
1540.905 |
55.565 |
|
12 |
1.037 |
1505.110 |
1541.956 |
36.846 |
|
13 |
0.674 |
1517.120 |
1543.963 |
26.843 |
三、管道参数
|
管道编号 |
管径(mm) |
管长(m) |
流量(L/s) |
流速(m/s) |
千米损失(m) |
管道损失(m) |
|
1-2 |
150 |
176.0 |
15.194 |
0.795 |
6.945 |
1.222 |
|
2-13 |
100 |
200.3 |
7.683 |
0.904 |
14.055 |
2.815 |
|
3-2 |
100 |
249.7 |
6.289 |
0.740 |
9.704 |
2.423 |
|
4-3 |
100 |
325.1 |
4.839 |
0.570 |
5.976 |
1.943 |
|
5-12 |
100 |
331.8 |
2.253 |
0.265 |
1.453 |
0.482 |
|
5-4 |
100 |
360.5 |
3.087 |
0.363 |
2.602 |
0.938 |
|
6-5 |
100 |
254.5 |
4.011 |
0.472 |
4.222 |
1.075 |
|
7-9 |
100 |
288.0 |
0.011 |
0.001 |
0.000 |
0.000 |
|
7-6 |
100 |
196.2 |
2.112 |
0.249 |
1.289 |
0.253 |
|
8-7 |
100 |
385.3 |
0.534 |
0.063 |
0.101 |
0.039 |
|
9-8 |
100 |
265.6 |
0.654 |
0.077 |
0.147 |
0.039 |
|
10-9 |
100 |
195.6 |
2.032 |
0.239 |
1.200 |
0.235 |
|
10-6 |
100 |
401.1 |
0.344 |
0.041 |
0.045 |
0.018 |
|
11-10 |
100 |
251.6 |
2.737 |
0.322 |
2.083 |
0.524 |
|
12-11 |
100 |
286.1 |
3.719 |
0.438 |
3.672 |
1.051 |
|
13-12 |
100 |
169.2 |
7.009 |
0.825 |
11.859 |
2.007 |
四、管网平差结果特征参数
水源点1:节点流量(L/s):-15.200
节点压力(m):1548.00
最大管径(mm):150.00最小管径(mm):100.00
最大流速(m/s):0.904 最小流速(m/s):0.001
水压最低点8,压力(m):1540.11
自由水头最低1,自由水头(m):3.00
从水力计算结果来看：①在管网水力计算中，对供水管道作了主次干管之分，主干管主要负责转输近、远期等工况下水量，次管道主要保证供水到用户。②管径的确定上，主干管一般不小于DN100，以保证消防用水及留有一定的余地。③计算得出，管网中最大自由水头不超过60m，管道自由水压均大于10m，满足设计供水水压要求。
图5 供水管网平差图
Fig 5 Water supply network of adjustment figure
管网建设后，在集镇主要街区及路口布置消火栓，保证集镇发生火灾时管网能有足够的水量及水压，保障集镇消防安全。为满足消火栓的设置，干管最小选用DN100的管径，可能导致局部流速偏低，不在经济流速范围以内。
6 结语
室外给水管道工程设计看似简单，但却与人们的生活密切相关，关系到人民的身心健康。从确保室外给水管网的安全、环保、可持续性角度出发，充足计算设计给水量，合理选用给水管道材料，综合好城市地下管线，都应引起设计人员的高度重视。总的来说，室外给水管道工程设计是一个实践经验与能动性相结合的过程。在满足规范要求的前提下，要结合区域的实际情况，因地制宜，尽量做到经济合理，造福人民。
参考文献
［1］GB 50282-98. 城市给水工程规划规范[S].中国建筑工业出版社，1998.
［2］王用辉．管材在室外给水工程中的应用比较［Ｊ］．建筑与预算，2008，2：84-85.
［3］孙继红．室外给水管道附属设施设计浅析［Ｊ］．科技情报开发与经济，2009，19(17)： 206-207.
［4] 严煦世，范瑾初.给水工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1999，36-37.
［5］GB 50013-2006. 室外给水设计规范[S].中国计划出版社，2006.
