村镇供水工程设计中计算要点总结分析

2014-04-28刘兴华

水利建设与管理 2014年3期

袁芳，刘兴华

(西北勘测设计研究院，西安 710065)

由于我国农村人口分布分散，各地地形、气候等条件差异较大，村镇供水工程呈现分散分布、规模较小、形式多样的特点。

村镇供水工程的基本工艺流程是:

本文所述供水工程为村镇外部供水工程，包括取水工程、输水工程、净水工程和调节构筑物等，不包括村镇内部的配水工程。涉及的计算主要包括供水规模计算、输水管道水力计算、各建筑物结构稳定计算以及设备选型计算等，其中供水规模计算和输水管道水力计算为重点内容。

1 供水规模计算

供水规模包括居民生活用水量、公共建筑用水量、饲养畜禽用水量、企业用水量、消防用水量、浇洒道路和绿地用水量、管网渗漏损失和未预见用水量。其中居民生活用水量为最基本的组成部分，其余几项可根据村镇具体情况确定。

1.1 居民用水量计算

居民生活用水量可按下式计算:

式中 W——居民生活用水量，m3/d;

P——设计用水居民人数，人;

P0——供水范围内的现状常住人口数，人;

γ——设计年限内人口的自然增长率;

n——工程设计年限，a;

P1——设计年限内人口的机械增长总数，人;

q——最高日居民生活用水定额。

由上述公式可知，居民用水量计算中，最重要的是用水定额q的确定和设计用水居民人数的确定。

a.用水定额，包括居民生活用水定额、饲养畜禽用水定额等。居民用水定额应根据当地用水现状、经济条件、发展潜力、居民用水习惯等情况，参考相应的规范规定合理确定。值得注意的是，《村镇供水工程技术规范》(SL 310—2004)中所指的居民用水已包括了散养畜禽、散用汽车和拖拉机、家庭小作坊用水量;饲养畜禽用水定额是指集体或专业户饲养畜禽最高日用水量。在计算时，要注意区分，合理选用，避免重复计算。

b.设计用水居民人数。村镇供水工程的合理设计年限10～15年，设计人口数量为现状常驻人口数在设计年限内增长后的总数，由上述公式可以计算得出。

1.2 其余用水量计算

居民用水量确定后，即可作为基数计算公共建筑用水量、管网渗漏损失和未预见用水量。

《村镇供水工程技术规范》(SL 310—2004)中根据村镇条件的不同，规定也不同，通常小型村镇都缺乏资料，公共建筑用水量可取居民用水量的一定比例:村庄为5% ～10%、集镇为10% ～15%、建制镇为10% ～25%;无学校的村庄不计此项。

饲养畜禽用水量、企业用水量根据实际情况和相应的用水定额计算。对于浇洒道路和绿地用水量，经济条件好或规模较大的镇可根据需要适当考虑，其余镇、村可不计;消防用水量应按照《建筑设计防火规范》(GBJ 16)和《村镇建筑设计防火规范》(GBJ 39)的有关规定确定，允许短时间间断供水的村镇，当居民生活用水量、公共建筑用水量、饲养畜禽用水量、企业用水量之和高于消防用水量时，确定供水规模可不单列消防用水量。当上述用水量之和小于消防用水量时，供水规模应按照消防用水量确定。

管网渗漏损失和未预见用水量之和宜按上述用水量之和的10% ～25%取值，村庄取较低值、规模较大的镇区取较高值，也可根据实际情况估算调整。

2 管道水力计算

管道水力计算的前提是确定输水流量，选择管材，计算内容包括管径计算和水头损失计算。

2.1 输水流量确定

输水流量指水源至高位蓄水池的流量，应按最高日工作时间平均取水流量确定。输水流量受有无调节构筑物的影响，当有调节构筑物时应按最高日工作时用水量确定，无调节构筑物则应按最高日最高时用水量确定，此时输水流量则等于管网配水流量。在我们的设计中，当采用泵抽时，输水流量按水泵运行时间推算，重力流时则常按全天输水考虑。例如:供水规模为500m3/d，水泵运行时间按每天8h计算，管道输水流量则应为500/8/3600=0.0174m3/s。

2.2 输水管道管材、压力选择

输水管道常用管材有钢管、铸铁管、PE管、混凝土管道等几种，近年来出现了一些新的管材，比如预应力钢筒混凝土管(PCCP)因其经济、寿命的优越性也广泛用于输水工程中。

管材的选取需考虑管道基础地质和输水压力情况。一般管道基础为土质时，可选用PE管地埋敷设，埋深不小于当地冻土厚度;如果管道基础是岩石，管道只能沿地表敷设，则应选用刚性管道，比如:钢管、铸铁管、混凝土管等。

管道工作压力由输水进出口高差确定，选用管材的公称压力应不小于设计内水压力。管道的设计内水压力可按下表确定:

不同管材的设计内水压力表单位:MPa

2.3 输水管水力计算

输水管水力计算包括管径计算和水头损失计算。

2.3.1 输水管管径计算

由上述公式可知，管径大小取决于设计输水流量Q和采用的经济流速v。对不同的管材，粗糙系数的取值不一样，经济流速的范围也不同，因此计算出的管径范围也是不同的。比如:钢管的经济流速为0.6～1.0m/s，PE管则为0.6～1.5m/s，在流量相同时，钢管的经济管径范围比PE管要大。对于供水人口500人以下的小型工程，计算出的管径范围可能会很小，此时，管径的选取可适当加大，但应控制实际流速不能太小，否则管道易淤堵。

2.3.2 输水管水头损失计算

管道的水头损失分为沿程损失和局部损失。不同的管材，不同的管径，沿程水头损失计算的公式及参数选取均不同。在设计中，应视具体情况合理选择。比如:PVC-U、PE等硬塑料管的单位管长水头损失计算公式为:

钢管、铸铁管的单位管长水头损失，可按下列公式计算:

当ν＜1.2m/s时，i=0.000912v2(1+0.867/v)0.3/d1.3

当 ν≥1.2m/s时，i=0.00107v2/d1.3

混凝土管、钢筋混凝土管的单位管长水头损失，可按下式计算:

式中 Q——管段流量，m3/s;

d——管道内径，m;

n——粗糙系数，混凝土应根据管道内壁光滑程度确定，可为0.013～0.014。

供水工程中，输水管道多为长距离管道，水头损失主要为沿程水头损失，局部水头损失可取沿程水头损失的一定比例，一般为5% ～15%，可根据管道长度适量选取，一般是长管道选小值，反之选大值。

3 结构计算

结构计算包含管道的结构计算和建筑物的结构计算。对于泵站的压力管道，需要计算不同工况下的结构稳定，如有岔管，还需进行岔管展开尺寸计算、岔管结构稳定计算，可参考《水电站压力钢管设计规范》(SD 144—85)中的规定。另外，不同工况下管道的镇支墩稳定计算也是重要部分，可参考《泵站设计规范》(GB 50265—2010)中的规定。

建筑物结构计算，例如:泵站厂房、取水构筑物、净水构筑物以及高位水池等的抗滑、抗倾、基础承载力等稳定计算，可根据建筑物的结构特点、地质条件等参照相应的规范进行计算。但是，对于规模很小的工程，往往构筑物也很小，可以凭借实践经验确定构筑物结构尺寸而不须进行稳定计算。