村鎮(zhèn)供水工程設(shè)計中計算要點總結(jié)分析

袁 芳，劉興華

(西北勘測設(shè)計研究院，西安 710065)

由于我國農(nóng)村人口分布分散，各地地形、氣候等條件差異較大，村鎮(zhèn)供水工程呈現(xiàn)分散分布、規(guī)模較小、形式多樣的特點。

村鎮(zhèn)供水工程的基本工藝流程是:

本文所述供水工程為村鎮(zhèn)外部供水工程，包括取水工程、輸水工程、凈水工程和調(diào)節(jié)構(gòu)筑物等，不包括村鎮(zhèn)內(nèi)部的配水工程。涉及的計算主要包括供水規(guī)模計算、輸水管道水力計算、各建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算以及設(shè)備選型計算等，其中供水規(guī)模計算和輸水管道水力計算為重點內(nèi)容。

1 供水規(guī)模計算

供水規(guī)模包括居民生活用水量、公共建筑用水量、飼養(yǎng)畜禽用水量、企業(yè)用水量、消防用水量、澆灑道路和綠地用水量、管網(wǎng)滲漏損失和未預(yù)見用水量。其中居民生活用水量為最基本的組成部分，其余幾項可根據(jù)村鎮(zhèn)具體情況確定。

1.1 居民用水量計算

居民生活用水量可按下式計算:

式中 W——居民生活用水量，m3/d;

P——設(shè)計用水居民人數(shù)，人;

P0——供水范圍內(nèi)的現(xiàn)狀常住人口數(shù)，人;

γ——設(shè)計年限內(nèi)人口的自然增長率;

n——工程設(shè)計年限，a;

P1——設(shè)計年限內(nèi)人口的機(jī)械增長總數(shù)，人;

q——最高日居民生活用水定額。

由上述公式可知，居民用水量計算中，最重要的是用水定額q的確定和設(shè)計用水居民人數(shù)的確定。

a.用水定額，包括居民生活用水定額、飼養(yǎng)畜禽用水定額等。居民用水定額應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)赜盟F(xiàn)狀、經(jīng)濟(jì)條件、發(fā)展?jié)摿Α⒕用裼盟?xí)慣等情況，參考相應(yīng)的規(guī)范規(guī)定合理確定。值得注意的是，《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》(SL 310—2004)中所指的居民用水已包括了散養(yǎng)畜禽、散用汽車和拖拉機(jī)、家庭小作坊用水量;飼養(yǎng)畜禽用水定額是指集體或?qū)I(yè)戶飼養(yǎng)畜禽最高日用水量。在計算時，要注意區(qū)分，合理選用，避免重復(fù)計算。

b.設(shè)計用水居民人數(shù)。村鎮(zhèn)供水工程的合理設(shè)計年限10～15年，設(shè)計人口數(shù)量為現(xiàn)狀常駐人口數(shù)在設(shè)計年限內(nèi)增長后的總數(shù)，由上述公式可以計算得出。

1.2 其余用水量計算

居民用水量確定后，即可作為基數(shù)計算公共建筑用水量、管網(wǎng)滲漏損失和未預(yù)見用水量。

《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》(SL 310—2004)中根據(jù)村鎮(zhèn)條件的不同，規(guī)定也不同，通常小型村鎮(zhèn)都缺乏資料，公共建筑用水量可取居民用水量的一定比例:村莊為5% ～10%、集鎮(zhèn)為10% ～15%、建制鎮(zhèn)為10% ～25%;無學(xué)校的村莊不計此項。

飼養(yǎng)畜禽用水量、企業(yè)用水量根據(jù)實際情況和相應(yīng)的用水定額計算。對于澆灑道路和綠地用水量，經(jīng)濟(jì)條件好或規(guī)模較大的鎮(zhèn)可根據(jù)需要適當(dāng)考慮，其余鎮(zhèn)、村可不計;消防用水量應(yīng)按照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GBJ 16)和《村鎮(zhèn)建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GBJ 39)的有關(guān)規(guī)定確定，允許短時間間斷供水的村鎮(zhèn)，當(dāng)居民生活用水量、公共建筑用水量、飼養(yǎng)畜禽用水量、企業(yè)用水量之和高于消防用水量時，確定供水規(guī)模可不單列消防用水量。當(dāng)上述用水量之和小于消防用水量時，供水規(guī)模應(yīng)按照消防用水量確定。

管網(wǎng)滲漏損失和未預(yù)見用水量之和宜按上述用水量之和的10% ～25%取值，村莊取較低值、規(guī)模較大的鎮(zhèn)區(qū)取較高值，也可根據(jù)實際情況估算調(diào)整。

2 管道水力計算

管道水力計算的前提是確定輸水流量，選擇管材，計算內(nèi)容包括管徑計算和水頭損失計算。

2.1 輸水流量確定

輸水流量指水源至高位蓄水池的流量，應(yīng)按最高日工作時間平均取水流量確定。輸水流量受有無調(diào)節(jié)構(gòu)筑物的影響，當(dāng)有調(diào)節(jié)構(gòu)筑物時應(yīng)按最高日工作時用水量確定，無調(diào)節(jié)構(gòu)筑物則應(yīng)按最高日最高時用水量確定，此時輸水流量則等于管網(wǎng)配水流量。在我們的設(shè)計中，當(dāng)采用泵抽時，輸水流量按水泵運行時間推算，重力流時則常按全天輸水考慮。例如:供水規(guī)模為500m3/d，水泵運行時間按每天8h計算，管道輸水流量則應(yīng)為500/8/3600=0.0174m3/s。

2.2 輸水管道管材、壓力選擇

輸水管道常用管材有鋼管、鑄鐵管、PE管、混凝土管道等幾種，近年來出現(xiàn)了一些新的管材，比如預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)因其經(jīng)濟(jì)、壽命的優(yōu)越性也廣泛用于輸水工程中。

管材的選取需考慮管道基礎(chǔ)地質(zhì)和輸水壓力情況。一般管道基礎(chǔ)為土質(zhì)時，可選用PE管地埋敷設(shè)，埋深不小于當(dāng)?shù)貎鐾梁穸?如果管道基礎(chǔ)是巖石，管道只能沿地表敷設(shè)，則應(yīng)選用剛性管道，比如:鋼管、鑄鐵管、混凝土管等。

管道工作壓力由輸水進(jìn)出口高差確定，選用管材的公稱壓力應(yīng)不小于設(shè)計內(nèi)水壓力。管道的設(shè)計內(nèi)水壓力可按下表確定:

不同管材的設(shè)計內(nèi)水壓力表 單位:MPa

2.3 輸水管水力計算

輸水管水力計算包括管徑計算和水頭損失計算。

2.3.1 輸水管管徑計算

由上述公式可知，管徑大小取決于設(shè)計輸水流量Q和采用的經(jīng)濟(jì)流速v。對不同的管材，粗糙系數(shù)的取值不一樣，經(jīng)濟(jì)流速的范圍也不同，因此計算出的管徑范圍也是不同的。比如:鋼管的經(jīng)濟(jì)流速為0.6～1.0m/s，PE管則為0.6～1.5m/s，在流量相同時，鋼管的經(jīng)濟(jì)管徑范圍比PE管要大。對于供水人口500人以下的小型工程，計算出的管徑范圍可能會很小，此時，管徑的選取可適當(dāng)加大，但應(yīng)控制實際流速不能太小，否則管道易淤堵。

2.3.2 輸水管水頭損失計算

管道的水頭損失分為沿程損失和局部損失。不同的管材，不同的管徑，沿程水頭損失計算的公式及參數(shù)選取均不同。在設(shè)計中，應(yīng)視具體情況合理選擇。比如:PVC-U、PE等硬塑料管的單位管長水頭損失計算公式為:

鋼管、鑄鐵管的單位管長水頭損失，可按下列公式計算:

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

當(dāng) ν≥1.2m/s時，i=0.00107v2/d1.3

混凝土管、鋼筋混凝土管的單位管長水頭損失，可按下式計算:

式中 Q——管段流量，m3/s;

d——管道內(nèi)徑，m;

n——粗糙系數(shù)，混凝土應(yīng)根據(jù)管道內(nèi)壁光滑程度確定，可為0.013～0.014。

供水工程中，輸水管道多為長距離管道，水頭損失主要為沿程水頭損失，局部水頭損失可取沿程水頭損失的一定比例，一般為5% ～15%，可根據(jù)管道長度適量選取，一般是長管道選小值，反之選大值。

3 結(jié)構(gòu)計算

結(jié)構(gòu)計算包含管道的結(jié)構(gòu)計算和建筑物的結(jié)構(gòu)計算。對于泵站的壓力管道，需要計算不同工況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，如有岔管，還需進(jìn)行岔管展開尺寸計算、岔管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算，可參考《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》(SD 144—85)中的規(guī)定。另外，不同工況下管道的鎮(zhèn)支墩穩(wěn)定計算也是重要部分，可參考《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB 50265—2010)中的規(guī)定。

建筑物結(jié)構(gòu)計算，例如:泵站廠房、取水構(gòu)筑物、凈水構(gòu)筑物以及高位水池等的抗滑、抗傾、基礎(chǔ)承載力等穩(wěn)定計算，可根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)特點、地質(zhì)條件等參照相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行計算。但是，對于規(guī)模很小的工程，往往構(gòu)筑物也很小，可以憑借實踐經(jīng)驗確定構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)尺寸而不須進(jìn)行穩(wěn)定計算。

4 設(shè)備選型計算

供水工程中的設(shè)備主要為水泵、凈水設(shè)備和消毒設(shè)備。水泵選型計算包括:水泵揚程、吸水管、出水管計算、輸水管道水錘計算、水泵運行工況分析計算等;而凈水設(shè)備和消毒設(shè)備只需根據(jù)用水規(guī)模選擇處理能力滿足要求的設(shè)備即可。對于大中型工程額凈水設(shè)備，須進(jìn)行工藝計算，而一般的小型工程則不需要。

5 結(jié)語

本文只是對小型供水工程設(shè)計中需要做的計算進(jìn)行了簡單的歸納總結(jié)。具體的計算需要根據(jù)工程實際情況進(jìn)行選擇性、重點性計算。計算中，應(yīng)仔細(xì)甄別計算方法和計算公式的適用性、計算參數(shù)選擇的準(zhǔn)確性，確保計算結(jié)果的合理性，為工程設(shè)計提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料。■

1 SL 310—2004村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范［S］.

2 GB 50265—2010泵站設(shè)計規(guī)范［S］.

3 嚴(yán)熙世.給水排水工程快速設(shè)計手冊1:給水工程［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

4 SD 144—85水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范［S］.