在某项目刚交付后的试用期间, 出现部分二层大便器的延时自闭阀处水压、水量不足的情况。经查阅设计图纸, 该项目采用二层及以下楼层低区由市政管网直接供水、三层及以上中高区由水箱+水泵联合供水的方式, 从设计图纸可直观看出, 问题部位为市政管网直接供水的二层最不利点。

　　 为查找问题, 笔者在项目使用单位及施工单位的协助下, 在市政管网进口处及直供二层最不利点处临时加装了压力表, 连续监测了项目市政管网进口处及水压反映强烈的市政管网直接供水二层最不利点处的水压波动数据。

　　 为查找该项目市政管网直接供水压力异常波动的原因, 从其外部市政供水条件、内部管网布置这2个方面着手。

　　 本案例为公建, 生活给水的基本情况为:周边市政管网水压可保证0.25MPa (市政供水部门提供) ;生活与消防引入管分开设置, 其中, 消防引入管为2路DN200, 生活引入管为1路DN150;生活给水方式为:地下一层~地上二层由市政管网直接供水, 地上三层及以上由水箱+水泵联合供水;生活给水直接供水部分设计日用水量100m³/d, 生活给水加压供水部分设计日用水量为300m³/d, 地下一层低位开式生活水箱的容积为75m³, 补水管的设计小时补水量为30m³/h。

　　 项目与市政管网直接供水相关部分给水附件 (配件) 的设置情况为:地块内的室外市政管网管材为球墨铸铁管;市政管网总进口处的倒流防止器为法兰连接双止回阀型;地下一层生活水箱为开式 (以下简称“低位水箱”) , 其补水采用设有前置过滤器的液压水位控制阀进行启闭 (根据水箱内水位) 。

　　 在获取了关键点实测压力值后, 沿直接供水给水的水流流向, 从市政管网进口、项目地块内直接供水给水管网及附件、其他影响市政管网直接供水压力的因素等3个方面查找水压波动原因。

　　 (1) 市政管网进口方面。现场观测情况:市政管网进口处工作正常, 实测市政管网水压在设计范围内波动。

　　 (2) 项目地块内直接供水给水管网及附件方面。现场观测情况:2天调试期间, 总表计量的总流量与分表计量的流量之和基本一致, 且总表流量有时间段计量的流量变化为零, 可排除管网破损因素导致的直接供水最不利点水压不足;从关键节点的压力未有异常下降来判断, 可认为阀门、水表、过滤器、止回阀等管网附件工作正常, 可排除管网附件因素导致的直接供水最不利点水压不足。

　　 (3) 低位水箱补水方面。据项目维护管理方反映, 二层直接供水水压问题的时间点多出现于水箱补水期间, 经实际观测, 在水箱满水期间, 强制把浮球阀按下补水时证实二层直接供水最不利点出现水压不足。

　　 (4) 其他影响市政管网供水压力的因素。尽管消防水池也位于地下一层, 但平时未补水, 故本文不分析消防补水对市政直接供水生活给水的影响。

　　 从上述分析可初步判断, 低位生活水箱补水对市政管网直接供水部分的水压影响较大。

　　 针对本案例, 为进行水力计算分析, 在低区市政管网相关的系统示意基础上, 补充了分析用的3处4只压力表后的示意见图1。

　　 低位生活水箱补水期间, 会形成由市政管网进口至水箱补水管出口之间的一个主流, 该主流管网中的流速较其他支管流速大, 水箱补水点成为直接供水部分的最大用户, 因此系统水头线以该主流为模型。另外, 为简化计算, 将市政管网进口水压简化为一个开式高位水塔, 水塔的表面为自由面, 表面压力为大气压;市政管网压力的波动简化为水塔内水深的变化;水塔直径足够大, 则水位上下变化时的断面流速V₁接近于0, 即V₁≈0。则水箱补水期间系统总水头线及测压管水头线模型可简化为图2, 考虑到用户与自来水公司的分界面为止回阀出口, 后文的计算中局部阻力系数暂不包括用户分界前的闸阀、水表与止回阀。

　　 其中, 市政管网进口前的市政干管水压简化为图2中的高位水箱, 水箱底标高对应于市政管网水压值, 由于本高位水箱及其与项目市政管网进口之间的管段为假定模型, 故该管段不考虑水头损失, 仅有市政管道向项目之间开三通的局部水头损失 (可忽略) ;水箱补水期间, 其他用水点流量相对水箱补水来说要小很多, 所以, 在本模型中进行由市政管网进口至生活水箱补水水力计算 (J0~J8节点) 时, 不考虑水箱补水量以外的其他直接供水水量的影响, 仅在计算水箱补水支管三通节点J5至市政管网直接供水二层最不利点J9处给水时, 方考虑其他直接供水水量的影响, 即计算J5节点下游时, 按经济流速对应的流量计算该三通下游的理论水量。

　　 为方便模型计算, 0-0断面选择在图2低位水箱补水口管口中心标高处, 1-1断面选择在高位水箱最低水位处, 2-2断面选择在生活水箱出水管口后紧贴出口断面处, 由于紧贴出口断面, 可认为过流断面面积与出水管口断面一致, 相应地, 流速也一致, 断面2-

　　 在以市政管网进口至生活水箱补水管为主流情况下, 查《给水排水设计手册》第1册 (中国建筑工业出版社, 2000年第二版) 及实际安装在本项目中的管道附件、阀件的阻力系数 (当有实际产品标定值时, 以实际为准) , 可得图2中各管道附件的局部阻力系数ξ, 计算得干管局部阻力系数小计为22.18 (不包括J1~J2之间的节点局部阻力系数) , 水箱补水支管局部阻力系数小计为37.4, 合计为59.58 (不包括J0~J1之间的节点局部阻力系数) 。

　　 假设2-2断面处断面平均流速为V₂ (m/s) , 则生活水箱补水支管 (管径DN100) 节点J5~J7处流速变为V₂ (m/s) , 由于自市政管网进口J0~J5之间给水干管管径为DN150, 水箱补水期间, 水箱作为最大的用水点, 明显流量大于其他用水点, 为简化计算, 可忽略其他市政管网直接供水用水点的流量, 可得该段干管的流速V_g1 (m/s) 见式 (1) :

　　 可得, 市政管网进口J1至水箱补水口J7之间的局部水头损失h_j (m) 见式 (2) :

　　 项目实际施工采用是球墨铸铁管, 安装后已有一年多, 故可按旧铸铁管由舍维列夫公式计算沿程阻力系数, 由于室外管道管径及压力相对较大, 管网内流速一般会超过1.2 m/s, 暂按管内流速≥1.2m/s作为计算条件, 如实际干管计算流速低于1.2m/s, 再行校正, 而对于干管, 由于沿程水头损失偏小, 即使计算流速低于1.2m/s, 也不作校正。根据《给水排水设计手册》第3册 (中国建筑工业出版社, 2004年第二版) 第25页公式2-26的变形, 可列出如下沿程阻力系数λ方程, 见式 (3) :

　　 根据项目给定条件, 市政管网进口节点J0至干管开向水箱补水支管的三通节点J5之间给水干管长度L₁为150m, 节点J5~J7之间的水箱补水支管长度L₂为10m, 可得节点J0~J7之间沿程水头损失h_y (m) 见式 (4) :

　　 为计算水箱补水支管出水管口自由出流流速V_g1及补水上游给水干管流速, 对图2中的1-1、2-2断面列能量方程见式 (5) :

　　 根据实测, 项目市政入口处止回阀后的压力表1最低压力值为0.24 MPa, 在1-1断面中, Z₁=24m, V₁≈0, Z₂=0, 并将式 (2) 、式 (4) 计算结果代入式 (5) 后, 见式 (6) :

　　 计算得, V₂=2.95m/s, V_g1=1.3m/s。

　　 由生活水箱补水管管口反算至室外干管开向水箱补水支管三通节点J5处的水压计算见式 (7) :

　　 J5节点处的计算表压H₅见式 (8) :

　　 低位水箱在补水期间, 形成至该水箱的主流, 则水箱补水点为管网的控制点。

　　 计算直接供水最不利点二层节点J9处的水压的基本条件为:水箱补水点为控制点, 节点J5~J9的管径为DN65, 流速V_g2为经济流速1m/s, J9处标高相对于室内±0.000m为5.7m, 则相对于图2中的0-0面为6.7m, 节点J5~J9水平及垂直干管长度为75m, 局部阻力系数ζ共7.88, 由节点J5处计算至市政管网直接供水立管最不利点开向水平干管三通J9处的水压, 列方程, 见式 (9) :

　　 将V_g2值代入后, 可得式 (10) :

　　 可得市政管网直接供水二层最不利点处表压H₉与干管开向地下水箱补水三通处表压H₅之差计算见式 (11) :

　　 根据式 (8) 、式 (11) , 可知节点5表压为18.46m, 则节点J9的表压H₉应低于节点J5处8.88m, 即为:18.46-8.88=9.58 (m) , 表示直接供水最不利点J9的表压H₉只有9.58m, 如考虑支管的局部、沿程水头损失 (约1m) , 另外考虑由于生活水箱以外的水量附加在J0~J5节点之间后的干管压力损失增加值, 将更加无法保证现行《建筑给水排水设计规范》要求的大便器延时自闭阀最低压力0.1~0.15MPa^[1]。

　　 按照前述方法计算, 市政管网水压在0.2~0.4MPa波动时, 低位水箱补水期间, 市政管网直接供水最不利点二层给水支管压力计算结果见图3。

　　 图3中的实线箭头线为最不利点最低水压10m要求对应的市政管网入口水压H₁, 约为25.8m, 也就是说, 在现状水力条件下, 当市政管网进口水压低于25.8m时, 低位生活水箱补水将影响市政管网直接供水最不利点的二层大便器延时自闭阀的使用。

　　 由图3可知, 当市政管网入口水压为25.8m (内插法算得) 及以下时, 市政管网直接供水立管最不利点经过支管压力降1m后的表压值均低于0.1MPa, 无法保证《建筑给水排水设计规范》要求的大便器延时自闭最低压力0.1~0.15MPa^[1]的下限值。从图3虚线箭头可以看出, 当市政管网入口水压为32.4m及以下时, 市政管网直接供水立管最不利点考虑支管压力降1m后的表压值均低于0.15MPa。

　　 分析图1~图3可以看出, 低位生活水箱补水对市政管网直接供水最不利点水压的影响明显大于市政管网水压波动的影响。

　　 措施一:在低位水箱补水处设置减压阀, 以增加水箱补水支管的局部水头损失;

　　 措施二:减少水箱补水支管管径, 以增加水箱补水支管的局部和沿程水头损失;

　　 措施三:采用低阻力倒流防止器等止回措施, 以减少市政入口处的水头损失;

　　 措施四:室外采用PE管等内壁光滑的给水管道, 以减少室外部分的沿程水头损失。

　　 从工程实践来说, 措施三、四作用有限, 本文侧重于从计算角度说明容易被广大设计人员忽略、改善作用明显的措施一、二。

　　 低位水箱补水采用减压阀是较有效的增加局部阻力的方式, 减压阀形式主要有比例式减压阀及可调式减压阀^[2]。水箱补水如采用可调式减压阀方式进行市政管网直接供水部分稳压 (以下简称“可调减压阀法”) , 考虑到减压阀出口后面主要有过滤器及液压水位控制阀的局部水头损失, 水箱补水管口直通大气, 市政管网水压在正常范围内波动, 可认为减压阀出水后的压力接近设定值, 近似为恒定值, 故水箱补水处较合适采用出口压力近恒定的可调式减压阀。

　　 在实测市政管网最低水压0.24 MPa的情况下, 可调式减压阀的减压值为0.05~0.15 MPa之间进行调节时, 不同减压值与市政管网直接供水最不利点的计算供水压力对应关系计算结果见图4。

　　 从图4计算结果可以看出, 对于市政水压最低0.24MPa时, 当水箱处可调式减压阀的减压值为0.06MPa (6m) 及以上时, 市政管网直接供水立管最不利点经过支管压力降的压力值H₉′可满足规范要求的大便器延时自闭最低压力0.1~0.15MPa下限值要求。可见该方案技术上可行。

　　 从前述计算可知, 水箱补水支管的流速均远大于经济流速, 也就是说, 即使适当减小补水支管的管径, 由于其流速高于经济流速, 仍有可能满足水箱的补水量要求。仍然在水箱补水支管装设减压阀时, 对于图4, 选用满足市政管网直接供水最不利点水压最低要求的可调减压阀对应的减压值下的流速V=2.6m/s, 在项目计算补水量Q=30m³/h (即0.008 33m³/s) 条件下, 计算所需的管径D见式 (16) :

　　 可见, DN100补水支管还可减至DN65 (与计算值0.063 9m最接近) 。故为了对比分析不装减压阀、仅减少水箱补水管管径 (以下简称“减少管径法”) 至DN50、DN65的水压变化结果, 同样在市政入口最不利水压为0.24 MPa情况下, 按式 (1) ~式 (11) 的计算结果见表1。

　　 由表1的计算可知:水箱补水支管管径DN50情况下, 补水管的计算流量只有21.8m³/h, 未达到计算要求的30m³/h, 故, 该方案不可取。水箱补水支管管径DN65的情况下, 补水管的计算流量、直接供水最不利点的水压均符合要求。可见该方案技术上可行。

　　 从前述分析可知, 可调减压阀法的优点:方便现场调试, 对水箱补水支管的补水流量影响较小;缺点:增加了附件减压阀, 水箱补水引起的管网压力波动大于减少管径法。

　　 减少管径法的优点:不增加管网附件, 增加水箱补水支管的阻力明显;水箱补水引起的管网压力波动较小。缺点:对水箱补水支管流量影响较大, 应经过准确计算后方可合理减少管径;在现场无法调节。在计算模型简化中, 水箱补水期间忽略了其他市政用水点的流量, 该简化计算模型有一定的误差。

　　 可见, 两种措施各有优缺点, 对于新建项目, 均可使用;对于要解决已经出现水箱补水影响市政管网直接供水的项目, 不便改变埋地管径, 可采用可调减压阀法。

　　 针对本案例, 由于已建成并在运行中, 最终选择了增加水箱补水支管可调式减压阀的技术措施, 经安装改造后, 效果明显。

　　 可见, 充分利用市政余压进行给水节能设计时, 不能盲目地单纯通过市政管网入口压力来决定直接供水的最不利点高度, 当设有低位开式生活水箱时, 应复核该水箱对市政管网直接供水部分的影响, 并采取必要的技术措施。