PE樹狀管網excel水力計算方法

王雪梅，韓紅亮

(楊凌職業技術學院水利工程分院，陜西 楊凌 712100)

樹狀管網水力計算在《鄉鎮供排水》課程中占非常重要的地位,是全課程知識點、技能點的重中之重,但是由于目前教材中呈現的計算案例均以鑄鐵管為例,只需要查閱鑄鐵管水力計算附表即可得到相應的管徑D、流速v及水力坡度i的計算結果,與現行的行業標準管材為塑料管極不相符。因此,必須給學生展示新的計算方法,以適應未來崗位需求。

目前,行業上常用的水力計算軟件仍為excel。而由于學生計算機基礎薄弱,對excel使用不熟練。故本文給出利用excel軟件完成PE管材樹狀管網水力計算的1個案例。整個計算依據現行規范[2]。

1 計算案例

1.1 基本資料[1]

某鎮給水管網布置及管段長度如圖1所示。管網最高日最高時用水量Qh=97.15L/s,各節點流量均標注在圖1上。各點要求的最小服務水頭H=20m。各節點地面高程如表1所列。節點5為控制點。

圖1 樹狀管網水力計算節點圖

節點0123 地形標高/m32.032.532.131.4 節點4567 地形標高/m32.734.233.1531.8 節點891011 地形標高/m32.132.032.332.0 節點12地形標高/m32.3

1.2 求解過程

樹狀管網水力計算步驟如下:

① 確定管段流量Q;② 確定管段管徑D;③ 計算管段流速v;④ 計算管段水力坡度i;⑤ 計算管段沿程水頭損失hf;⑥ 計算管段局部水頭損失hj;⑦ 計算管段總水頭損失hz;⑧ 計算節點水壓標高;⑨ 計算節點自由水壓。在計算過程中,步驟② 要進行反復調試直到確定的管徑D,計算的流速v,水力坡度i,水頭損失hz及自由水壓滿足規范或基本資料要求,本管段水力計算才結束。

1.3 管段水力計算

(1)管段設計流量的計算。某管段的設計流量=該管段后節點連接的所有節點流量之和。

Q1-2=q2+q12+q10+q3+q4+q5+q6+q9+q7+q8,計算結果如圖1。

(2)步驟②-⑨ 的計算過程。以管段5-4(Q=6.95L/s,L=300m)為例進行演示。具體計算方法如圖2所示。說明如下:

圖2 管網水力計算的試算

第1步—假定經濟流速v。初步假定經濟流速為0.9m/s。經濟流速范圍:管徑=100-350mm,平均經濟流速為0.6-0.9m/s,管徑≥400mm,平均經濟流速為0.9-1.4m/s;為了防止淤積,最小流速vmin=0.6m/s,為了防止管網出現水錘現象,vmax=2.5-3.0m/s[2]。

第2步—試算管徑D。excel公式編輯:單元格E3=1.13*(C3/1000/D3)＾0.5*1000,根據假定流速計算結果D=99.30mm。

第3步—確定管徑規格D。文[3]確定管徑規格,經查閱發現與試算結果D=99.30mm相接近的管材規格有D=90mm和D=110mm兩個規格,同時根據文[2]規定干管最小管徑必須大于100mm,支管管徑大于75mm～100mm,所以初步確定管徑為D=110mm,e=6.3mm(由于節點要求最小自由水壓為20m,故選取PE63級管材)[3]。

第4步—反算流速v。excel公式編輯:單元格H3=F3-2*G3,計算結果為H3=97.4mm。單元格I3=(4*C3/1000)/(3.14*(H3/1000)＾2),計算結果為v=0.93m/s,這與經濟流速幾乎相符合。

通過計算發現,計算流速基本滿足要求,但總水頭損失較大,因此可考慮增大管徑D=125mm,d=7.1mm,然后返回到第3步重新計算,計算結果如圖2所示。⑤ 分析比較兩組結果,擴大管徑一個規格后,水頭損失和流速均下降了,是比較合理的計算結果,故初步選定管徑D=125m,v=0.72m,hz=1.42m。

第6步—確定節點壓力。由于節點5為控制點,故控制點5點的自由水壓是已知數20m,又因為節點的地面高程已知,故5點水壓標高,excel公式編輯:單元格O3=Q3+P3,計算結果為54.20m。這時對于5-4管段相當于5點節點水壓標高已知倒推4點節點水壓標高,故有excel公式編輯:單元格O4=O3+M3,計算結果為55.62m,4點的自由水壓即為,excel公式編輯:單元格Q4=O4-P4,計算結果為22.92m>20m,故最后證明D=125mm計算合適,即5-4管段水力計算采用第2種情況。管網水力計算結果如表2所列。

表2干管管網水力度算

2 結束語

采用PE塑料管管材進行樹狀管網水力計算,有利于培養學生重視、依據規范的專業素養;利用excel軟件進行樹狀管網水力計算,可提高學生的專業技能,與真實工作環境相吻合,有效實現了零距離上崗;管網水力計算不能只考慮單獨管段計結果是否滿足要求,應統籌全局,計算結果使得每1個節點每1個管段滿足要求才可。