水平衡设计培训课件

水平衡设计培训课件课程导航目录0102水平衡设计概述水力学基础知识理解基本概念与重要性掌握水头、流态与能量关系0304水力计算方法水平衡设计流程学习各类损失计算公式系统化设计步骤与要点0506典型构筑物设计工程案例分析渡槽、跌水等结构设计实际项目设计经验分享07设计软件与工具总结与答疑现代化设计工具应用第一章水平衡设计概述深入理解水平衡设计的本质、应用领域及其在现代工程中的关键作用什么是水平衡设计水平衡设计是指通过科学计算和合理布置,实现水资源的合理分配与利用,保证系统稳定运行的工主要应用领域程技术方法它综合考虑水量平衡、水压平衡和水质平衡,确保供水系统在各种工况下都能安全、高效、经济地运行城市给排水核心设计原则生活供水、污水收集处理系统•水量供需平衡:确保供水能力满足用水需求•压力合理分布:保证各用水点压力满足要求农业灌溉•能量优化配置:降低系统能耗提高效率渠系设计、喷灌滴灌系统•水质安全保障:防止水质在输配过程中恶化工业用水循环冷却、工艺用水系统建筑给排水高层建筑、综合体供水水平衡设计的重要性保障供水安全与稳定通过精确计算和合理设计,确保系统在正常及事故工况下都能持续稳定供水,避免断水、超压等问题,保护人民生命财产安全提高水资源利用效率优化管网布局和运行参数,减少漏损和浪费,提高水资源的综合利用率,在水资源日益紧张的今天具有重要现实意义降低系统能耗与运行成本合理的水平衡设计能显著降低水泵扬程和运行时间,减少电能消耗,降低设备维护成本,实现经济效益最大化保护生态环境促进可持续发展,科学的水平衡设计有助于减少水资源浪费和能源消耗,降低碳排放,保护水生态环境,符合绿色发展理念第二章水力学基础知识掌握水力学基本概念与原理为水平衡设计奠定坚实的理论基础,水头与水力能量水头的定义与组成伯努利方程水头是指单位重量流体所具有的机械能,是水力学中描述流体能量状态的重要参数总水伯努利方程是水力学的基本方程,描述了理想流体在稳定流动时能量守恒头由三部分组成,它们之间可以相互转换,但总量保持守恒的关系:1位置水头z其中hw为水头损失,在实际工程中必须考虑该方程是进行水力计算、分析水流能量转换的理论基础流体相对于基准面的位置高度,表示位置势能2压力水头p/γ流体的压强能,与压力成正比3速度水头v²/2g流体的动能,与流速平方成正比流态与流量计算满管流非满管流管道完全充满水流,压力管流,最常见的给水管道流态管道部分充满水流,重力管流,常见于排水系统•流速分布较均匀•自由水面存在•水力计算相对简单•流量受水深影响•适用于压力输水系统•适用于重力排水系统流量计算基本公式连续性方程:曼宁公式与谢才公式对比:曼宁公式:适用于明渠与非满管流,考虑糙率影响,在排水工程中广泛应用谢才公式:适用于满管流与明渠流,结合达西公式使用,在给水工程中常用其中:•Q-流量m³/s•A-过水断面面积m²•V-平均流速m/s水头损失类型沿程水头损失局部水头损失hf hj产生原因流体流动时与管壁之间的产生原因流体流经局部障碍时流态::摩擦阻力突变产生的能量损失影响因素常见位置::管道长度与长度成正比阀门闸阀、蝶阀、止回阀等•:•:管道直径直径越小损失越大管件弯头、三通、异径管等•:•:流速与流速平方成正比进出口水箱进出口、管道进出•:•:口管壁粗糙度粗糙度越大损失越•:大计算方法使用局部阻力系数损失:ζ,为计算公式达西韦斯巴赫公式、曼ζ·v²/2g:-宁公式等在实际设计中总水头损失等于沿程损失与所有局部损失之和对于长距离输水管道沿,,程损失占主导对于管件集中的系统局部损失不可忽视;,第三章水力计算方法系统掌握各类水头损失的计算方法为精确设计提供技术支撑,沿程水头损失计算达西韦斯巴赫公式-这是最基本的沿程水头损失计算公式适用于各种流态,:其中为沿程阻力系数与雷诺数和相对粗糙度有关λ,Re曼宁公式海曾威廉公式计算示例-广泛应用于明渠流与排水管道常用于给水管道计算已知条件圆管流量长度:::DN200,Q=50L/s,粗糙度L=100m,n=

0.013计算过程:特点:计算流速特点

1.v=Q/A=

1.59m/s:•Ch值易确定

2.计算水力半径R=D/4=

0.05m计算简便••适用于清水管道

3.应用曼宁公式求水力坡度i精度较高••计算方便

4.计算水头损失hf=i·L适用于紊流•局部水头损失计算局部水头损失的计算采用阻力系数法,基本公式为:其中ζ为局部阻力系数,通过查表或经验公式确定弯头三通阀门变径管90°弯头ζ=

0.5-

1.0直流ζ=

0.5-

1.0全开闸阀ζ=

0.1-

0.2突然扩大ζ≈

1.045°弯头ζ=

0.2-

0.4分流ζ=

1.0-

1.5蝶阀ζ=

0.2-

0.5渐变扩大ζ=

0.1-

0.3设计中局部损失的控制策略优化管路布置:减少不必要的弯头和管件,尽量采用大转弯半径集中布置原则:将阀门等附件集中布置,便于维护且减少管道长度合理选择阀门:优先选用阻力系数小的阀门类型,如闸阀优于截止阀流速控制:适当降低流速可显著减少局部损失,需综合考虑经济性采用渐变连接:变径处使用渐变管而非突变,降低能量损失精确计算:对于复杂系统,应逐个计算每处局部损失并累加水力计算综合案例实际工程某建筑给水管网水头损失计算工程概况管径选择结果•建筑高度:60米,18层管段流量L/s管径mm流速m/s•用水人数:500人•设计秒流量:15L/s市政-水箱

15.0DN

1001.91•市政供水压力:

0.25MPa水箱-10层

8.0DN

801.59•最不利点:18层卫生器具计算步骤10层-18层

3.5DN

501.78立管-横支管

1.2DN

321.49确定计算管段压力校核结果从市政接入点到18层最不利点总水头损失:沿程损失

12.5m+局部损失

5.8m=

18.3m分段计算流量所需压力:市政压力25m+建筑高度60m+水头损失

18.3m+末端压力5m=

108.3m根据同时使用系数分配流量设计方案:采用屋顶水箱+变频供水系统,水泵扬程选择90m,可满足要求并留有余量选择管径根据经济流速确定各段管径计算水头损失沿程损失+局部损失最不利点分析要点:最不利点通常是距离水源最远、高程最高、要求压力最大的用水点在本案例中,18层远端卫生器具同时满足这三个条件,因此被确定为最不利点设计中必须保证该点在任何工况下都能获得足够的水压第四章水平衡设计流程建立系统化的设计思维掌握从需求分析到施工图完成的全过程,设计步骤总览需求分析与水量计算收集项目基础资料,明确用水性质、用水量标准,计算最高日用水量、设计秒流量等关键参数,确定设计边界条件系统方案设计与管网布置选择供水方式直接供水、水箱供水、分区供水等,进行管网平面布置和竖向设计,确定管道走向和控制节点水力计算与管径确定根据流量分配进行水力计算,按经济流速或允许压降选择各段管径,绘制水力计算草图,标注流量和管径水头损失校核与压力平衡计算最不利管路的总水头损失,校核各用水点压力是否满足要求,必要时调整管径或增加增压设施设备选型与控制方案设计根据水力计算结果选择水泵、水箱、阀门等设备,设计自动控制方案,确保系统安全高效运行施工图设计与施工指导绘制详细施工图,编制设计说明、材料表和工程量清单,提供必要的施工技术指导,确保设计意图准确实施水平衡设计关键点设计秒流量的合理估算最不利点的确定与压力保障设计秒流量是给水系统设计的核心参数直接影响管径选择和设备选最不利点通常是距离水源最远、高程最高、要求压力最大的用水点,型应根据建筑类型、用水器具数量、使用特点等因素采用秒流量公设计中必须以最不利点为控制点进行水力计算确保该点在任何工况下,,式或概率法准确计算对于住宅建筑需考虑同时使用系数对于公共都能获得规范要求的最低工作压力对于高层建筑需特别注意竖向分,;,建筑应结合使用人数和卫生器具当量数综合确定区避免低区压力过大造成浪费高区压力不足影响使用,,,水泵与水箱的合理配置管网分区与分级供水设计水泵的选择应综合考虑流量、扬程、效率和可靠性扬程应满足最不对于高层或超高层建筑应按照静水压力不超过的原则进行,

0.45MPa利工况需求并留有的安全余量水箱容积需根据调节容积竖向分区分区方式可采用并联分区或串联分区各有优缺点并联分10%-15%,和消防储备容积确定对于变化较大的用水系统建议采用变频调速水区各区独立互不影响但设备投资大串联分区节省投资但需考虑上下,,,;,泵既能保证供水压力稳定又能显著节能区的水力连接平面布置应合理分环、保证供水可靠性,,第五章典型构筑物设计深入学习渡槽、跌水等典型水工构筑物的设计原理与计算方法渡槽设计水力计算渡槽组成结构渐变段长度计算进口渐变段长度按照水流收缩平稳过渡的要求确定,一般取:进口渐变段1从渠道平稳过渡到槽身,水流收缩加速其中B₁为渠道宽度,B₂为槽身宽度,α为渐变角一般取12°30′-18°26′槽身段2出口渐变段长度可取进口渐变段的

1.5-2倍,以保证水流充分扩散等宽等深的主体输水段,保持均匀流动水位差计算渐变段的水位变化包括水深变化和水头损失两部分:出口渐变段3从槽身扩散至渠道,水流减速扩散其中局部水头损失hj按局部阻力系数法计算,进口段ζ=

0.1-

0.3,出口段ζ=

0.3-

0.5槽身断面设计底坡:一般采用i=

0.001-

0.003,保证自流且避免淤积流速:控制在

1.0-

2.5m/s,过大冲刷过小淤积超高:设计水深基础上增加

0.3-

0.5m安全超高材料:常用钢筋混凝土,需考虑抗冻、抗裂要求跌水结构设计跌水类型选择消能池设计消能池是跌水结构的关键部分,其作用是消除水流的多余能量,防止冲单级跌水刷适用条件:跌差H≤3m,流量较小01优点:结构简单,造价低确定池长缺点:消能效果有限L=4-6×h₂,h₂为池内水深多级跌水02计算池深适用条件:跌差H3m,或地形限制优点:消能充分,适应性强d=

0.8-

1.2倍跌差,确保充分消能缺点:占地面积大,投资较高03跌水墙设计原则设计消能工•墙顶高程应高于上游水面

0.3-

0.5m设置消力墩、消力坎等辅助消能设施•墙体厚度根据结构计算确定,一般不小于

0.3m•墙体材料采用钢筋混凝土,强度等级不低于C25水力计算要点•墙底应设置防冲槽,深度

0.5-

1.0m跌水前水深计算:采用临界水深公式或均匀流公式消能池水深:根据跃后水深公式,需满足:能量消耗率:一般要求达到70%以上,通过消能池长度和辅助设施调节管道系统设计要点管道布置原则管道敷设规范阀门与附件布置简短原则管道路线力求短捷减少管材埋深要求室外给水管道覆土深度应在干管阀门在干管上每隔设:,::500-800m用量和水头损失降低工程造价应避冰冻线以下且不小于在置一个阀门将管网分段便于检修时缩,

0.15m,

0.7m,,免迂回曲折合理选择管道走向车行道下不小于小停水范围阀门应设在三通前距三,

0.9m,通不大于2m经济原则综合考虑管材费用、土方开安全距离给水管与污水管水平净距不::挖费用、运行能耗等因素选择全寿命小于交叉时垂直净距不小于支管阀门每条支管起端应设置阀门控,

1.0m,:,周期成本最低的方案大管径管道应且给水管应在污水管上方与制该支管的开启和关闭用户接管处

0.15m,沿主要用水区域布置建筑物基础净距不小于应设置水表和阀门

2.5m美观原则管道布置应整齐有序横平竖坡度控制给水管道宜设置不小于特殊阀门管网高点设排气阀低点设泄:,::,直与建筑协调统一明装管道应考虑的坡度坡向泄水阀长距离输水阀长距离输水管设进排气阀水泵,

0.002,,建筑美观要求必要时采用管井或吊顶水管应设置排气阀和泄水阀出口设止回阀、闸阀和压力表,遮挡支墩设置管道弯头、三通、变径等处阀门井地下阀门应设置阀门井井内净::,维护原则管道应布置在便于检修更换应设置混凝土支墩防止管道位移支空应满足操作要求一般不小于:,,的位置预留必要的操作空间重要管墩尺寸根据水压力计算确定井盖应选用防盗型并标明,

1.0×

1.0m,段应设置检修口避免埋设在难以开挖内部设施类型,的部位第六章工程案例分析通过三个典型工程案例深入理解水平衡设计理论在实践中的应用,案例一某住宅区给水系统水平衡设计项目基本情况水力计算过程详解项目名称:阳光花园住宅区供水分区确定建筑规模:15栋高层住宅,每栋32层住户总数:1800户,约5400人根据建筑高度和市政压力,采用三区供水:1-11层为低区,12-22层为中区,23-32层为高区各区独立设置变频供水系统建筑高度:96米市政条件:DN300供水管,压力

0.28MPa设计流量分配设计目标与参数按照住户数量和同时使用系数,低区40L/s,中区28L/s,高区17L/s每栋楼设3001620独立供水立管,采用DN100-DN150管径最高日用水量总用水量管网水力计算L/人·日m³/日选择最不利户32层远端进行水力计算干管采用DN150,流速

1.8m/s;立管DN100,流速

2.1m/s;户内支管DN25,流速

1.5m/s85水泵扬程计算设计秒流量高区水泵:H=35m11层高差+32m中区高差+2m管道损失+10m入L/秒户压力=79m,选用85m扬程水泵案例二工业园区排水系统设计项目概况某电子产业园区占地面积50公顷,入驻企业28家,员工总数约12000人园区排水系统需处理生活污水和工业废水,设计排水量为5000m³/日污水流量估算水头损失计算设计参数:•设计流量Qmax=70L/s按变化系数

1.2计•主干管长度L=1200m60%•管径D=DN600,充满度h/D=

0.65计算结果:•流速v=

0.85m/s符合自净流速要求•沿程损失hf=i×L=

0.003×1200=

3.6m•局部损失hj=

0.8m检查井、跌水等生活污水•总水头损失H=

4.4m3000m³/日,包括办公、食堂、卫生间等泵站配置园区地势较平坦,出水口高程不足,需设置提升泵站泵站规模:Q=70L/s,H=12m水泵配置:3台潜污泵2用1备,单泵流量40L/s集水池:有效容积150m³,停留时间约30分钟40%工业废水2000m³/日,需预处理达标后排放排水管网布置方案管网制度:采用分流制,生活污水与工业废水分别收集主干管:沿园区主要道路布置,管径DN400-DN800支管:各企业单独接入,管径DN200-DN300坡度:主干管i=

0.003,支管i=

0.005系统运行效果与优化建议运行效果存在问题优化建议•管网运行稳定,无堵塞现象•部分支管坡度偏小,需定期疏通•调整部分支管坡度至

0.006以上案例三农业灌溉渠道水平衡设计工程背景流量控制与分配某现代农业示范区灌溉系统改造项目,灌溉面积3000亩,主要种植经济作水源支渠物原有土渠渗漏严重,输水效率低,需改造为防渗渠道提水泵站,Q=

1.2m³/s每条支4-6条斗渠设计目标提高输水效率1234渠系利用系数从

0.6提升至

0.85以上干渠斗渠保证供水可靠分3条支渠,各

0.35m³/s接入田间滴灌系统渠系连接建筑物设计满足作物生长关键期用水需求分水闸降低维护成本1干渠分支处设置,控制支渠流量闸门尺寸

0.6×

0.8m,配手动启闭机减少渠道淤积和冲刷,延长使用寿命渠道断面设计节制闸2干渠:梯形断面,底宽

1.5m,边坡1:

1.5,设计流量

0.8m³/s,糙率n=

0.017干渠中段设置,调节上下游水位闸门尺寸

1.0×

1.2m,配电动启闭机支渠:矩形断面,底宽

0.8m,设计流量

0.3m³/s,采用预制混凝土衬砌渡槽斗渠:U型渠,标准断面,流量

0.05-

0.1m³/s3跨越道路处设置,长度15m,矩形断面

1.2×

1.0m跌水4地形陡降处设置,单级跌差

0.8m,消能池长

3.5m渠道渐变段与跌水设计细节渐变段设计:在干渠与支渠连接处,设置长度5m的渐变段,渐变角15°渐变段采用混凝土衬砌,厚度10cm,底板设10cm厚碎石垫层水位差计算结果为

0.15m,满足平稳过渡要求跌水消能设计:跌水墙采用C25混凝土浇筑,厚

0.4m,墙顶超出上游水面

0.5m消能池长4m,深

1.2m,池底设消力墩4排,每排3个,尺寸

0.3×

0.3×

0.4m经计算,消能率达75%,有效防止下游冲刷第七章设计软件与工具掌握现代化设计工具提高设计效率与精度,常用设计软件介绍与三维建模数据分析平台EPANET SWMMCAD软件类型:给水管网水力分析软件软件类型:城市雨洪管理模型常用软件:AutoCAD、Civil3D、Revit常用软件:MATLAB、Python、Excel主要功能:主要功能:主要功能:主要功能:•管网建模与水力计算•雨水径流模拟•管网平面图绘制•水力计算程序编制•水质模拟与追踪•排水管网水力计算•纵断面图设计•数据统计分析•优化设计与运行调度•污染物输移模拟•三维模型建立•优化算法应用•支持扩展时段模拟•低影响开发LID设施评估•碰撞检查与优化•结果可视化处理适用场景:城市供水管网设计、管网改造适用场景:排水系统设计、海绵城市规适用场景:施工图设计、BIM协同设计、适用场景:复杂水力计算、参数优化分优化、水质安全评估划、内涝风险评估可视化展示析、研究创新软件选择建议:对于常规给排水设计,EPANET和SWMM是首选的专业软件;对于复杂的综合管网项目,建议采用CAD+专业软件的组合方式;对于科研创新和特殊计算需求,可以使用编程语言开发专用工具掌握多种软件并灵活运用,能够显著提升设计质量和效率软件应用示范实操演示管网建模与水力分析EPANET建模步骤渐变段与跌水结构模拟对于渐变段和跌水等特殊构筑物,可以使用以下方法模拟:绘制管网拓扑1根据平面图在软件中绘制节点和管段,建立管网骨架等效管段法将渐变段等效为一段管道,通过调整管径和长度反映水头损失特性输入基础数据2设置节点高程、用水量,管道长度、管径、粗糙度等参数局部损失法在节点处设置阀门,用局部阻力系数模拟跌水和渐变段的水头损失定义边界条件3设置水源点水池、水塔的水位或水泵的特性曲线专业模块法使用软件的特殊设备模块,直接输入跌水高度等参数进行精确计算运行水力计算4执行稳态或动态模拟,获得节点压力、管段流量流速等结果设计优化与结果验证通过软件的优化功能,可以自动搜索最优管径组合,在满足压力约束的前提下使投资结果分析优化最小化5检查是否满足压力要求,优化管径选择和泵站配置验证方法包括:•对比手算结果,检验模型准确性•进行敏感性分析,考察参数变化影响•模拟极端工况,验证系统可靠性•与实测数据对比,校准模型参数软件应用效益分析倍80%95%30%5第八章总结与答疑回顾核心知识解答疑问展望未来学习方向,,培训总结理论与实践的有机结合关键计算方法与设计流程回顾工程案例启示与经验分享本次培训系统讲解了水平衡设计的理论基础,包括重点掌握了沿程水头损失和局部水头损失的计算通过住宅区给水、工业园排水、农业灌溉三个不水力学基本原理、水头损失计算方法、水力计算方法,熟悉了达西公式、曼宁公式等经典公式的应同类型的案例,领悟到水平衡设计需要因地制宜、公式等核心知识同时,通过三个典型工程案例的用场景明确了水平衡设计的六大步骤:需求分综合考虑设计不仅是计算,更是在技术、经济、深入分析,展示了理论知识在实际项目中的具体应析、方案设计、水力计算、压力校核、设备选环境之间寻找最优平衡优秀的设计方案应该安用理论指导实践,实践验证理论,两者相辅相成,型、施工图设计理解了设计秒流量估算、最不全可靠、经济合理、运行高效、维护方便同时帮助大家建立完整的知识体系和工程思维利点确定、分区供水等关键技术要点,为独立完成要重视设计细节,如渐变段长度、跌水消能、管道设计任务奠定了基础坡度等,细节决定成败持续学习建议理论深化方向实践能力提升•深入学习计算流体力学CFD理论•参与更多实际工程项目设计•研究非恒定流、两相流等复杂流态•深入施工现场了解实施细节•关注水质模型、能耗优化等前沿课题•学习BIM、智慧水务等新技术•学习相关规范标准的最新修订•积累不同类型项目的设计经验互动答疑常见问题解答设计心得分享Q:如何准确估算设计秒流量经验1:设计初期多方案比选很重要,不要局限于第一个方案A:对于住宅建筑,使用概率法结合同时使用系数;对于公共建筑,采用卫生器具经验2:与其他专业的协调配合至关重要,特别是结构、暖通、电气专业当量法关键是选择合适的计算公式和系数,并结合建筑使用特点进行合理调经验3:设计文件要规范完整,施工图要深化到位,减少现场变更整学习资源推荐后续深入学习方向规范标准:《室外给水设计标准》《建筑给水排水设计标准》等01专业书籍:《给水排水管网系统》《水力学》《泵与泵站》夯实基础在线课程:中国大学MOOC、网易云课堂相关专业课程巩固水力学、流体力学等理论基础专业论坛:给排水在线、筑龙网等行业交流平台学术期刊:《给水排水》《中国给水排水》等核心期刊02软件精通熟练掌握EPANET、SWMM等专业软件03实践锻炼参与实际项目,积累工程经验04创新研究关注行业前沿,探索新技术应用结语水平衡设计是一门理论与实践紧密结合的学科,需要扎实的理论基础、丰富的工程经验和不断的学习创新希望通过本次培训,大家能够掌握水平衡设计的核心知识和方法,在今后的工作中灵活运用,不断提升专业水平水利万物而不争,愿大家在水的事业中不断进步,为建设美丽中国、实现可持续发展贡献自己的力量!。