一种梯形截面旋流沉砂池进水渠设计方法与流程

本发明涉及旋流沉砂池进水渠的设计，特别是针对进水流量大幅波动情况下旋流沉砂池进水渠的一种可以维持最佳除砂进水流速的沉砂池进水渠设计。

背景技术：

对于采用旋流沉沙池的污水厂，进水渠是指在构筑物设计上常在细格栅与沉砂池进水斜坡之间设置的平流段，其作用是使旋流沉砂池进水处于最佳流速流态。

有研究表明，保持进水渠适宜的流速对于旋流沉砂池的除砂效率具有重要影响。普通矩形进水渠中，由于水量波动导致进水流速波动，使得旋流沉砂池除砂效率不稳定。而梯形进水渠可以通过很好地调整进水渠道过水截面积，使进水流量波动时流速波动范围更小，从而保证旋流沉砂池除砂效率更加稳定。为满足最佳进水流速以得到较高旋流沉砂池除砂效率，对于不同的旋流沉砂池来说，需要根据不同的进水水质和水力情况，确定不同的最佳进水流速。

现有沉砂池进水渠设计大多是根据旋流沉砂池的选型来对进水渠底宽进行确定，再根据进水流量和截面积及流速的关系公式来确定进水渠的设计水深。此方法进行的矩形进水渠设计，对于不同的进水流量来说，进水流速变化较大。在进水流量较小的情况下达不到最佳除砂进水渠流速，进水流量较大的情况下，又常常超出最佳除砂进水流速范围，这两方面的波动都会影响旋流沉砂池除砂效率。

技术实现要素：

基于以上问题，本发明提供一种梯形截面旋流沉砂池进水渠设计方法，即将旋流沉砂池进水渠改造成进水截面为梯形的渠道，保证在流量波动时，进水流速变化小，使进水流速始终满足沉砂池最佳除砂流速。

本发明的技术解决方案如下：

一种旋流沉砂池进水渠设计方法，所述进水渠的整个渠道截面为梯形，设计包括如下步骤：

1、确定沉砂池平均进水流量Q0后，计算沉砂池设计进水流量范围，确定最佳进水流速范围。进水流量Q、进水渠侧边边坡系数m、渠道水深h、渠道底部坡度i、渠道底宽b以及粗糙系数n满足关系式：

其中，进水流量Q、粗糙系数n＝0.013，渠道底部坡度i为已知条件，b、m、h未知。另外，最佳进水流速范围通常是根据进水颗粒粒径范围、进水容重、进水渠道糙率等因素确定。

2、对边坡系数m、渠道水深h、渠道底部坡度i以及渠道底宽b按照工程可行的原则进行试算范围确定，各参数在试算范围内按照公式进行试算，试算过程中，由确定进水流速，求得满足最佳进水流速范围的，关于边坡系数m、渠道水深h、渠道底部坡度i以及渠道底宽b的几组参数；

3、计算各组参数下渠道的宽深比与由公式所得最优宽深比进行比较，并根据湿周计算各组湿周χ；

4、取最接近最优宽深比且过水能力最大，即湿周最小的一组参数作为设计参数；

5、将正常运行下的流量数据带入，对设计参数进行校核，保证在设计流量范围内均满足设计要求，并满足相应设计规范。

以下对本设计方法的原理做进一步说明：

由于旋流沉砂池进水渠整个进水系统和明渠类似，因此本发明参照明渠设计规范对旋流沉砂池进行以梯形为进水截面的进水渠设计。

设计中的A为进水截面积，Q为进水流量，v为进水流速，要保证流速v基本不变，因此A与Q呈正比，又有即最大设计流量Qmax与最小设计流量Qmin分别满足最大设计水流截面积Amax和最小设计水流截面积Amin，则可以确定处于设计流量内，水流断面面积均在设计水流断面面积大小范围内，又有A＝(b+mh)h，b为进水渠底宽，m为边坡系数，h为进水渠水深。当m和b确定的情况下，h＞0时，明显A是关于水深h的单调递增函数，据以上推理可以确定理论的可行性，即保证进水流速基本不变的情况下，进水流量Q大时，需要的进水截面积A就大，反映在具体水流上就是水深h变高。同样的，进水流量Q减小时，相应的水深h也就变低。

为了便于利用明渠设计的计算方式，本设计方法将进水渠底部进行坡度设计，坡度i＝0.0015。

对于其他参数m、h、b：

可由明渠计算公式中A＝(b+mh)h、几个公式联立，得出进水流量Q和边坡系数m、水深h、进水渠底宽b之间的关系，其中χ为湿周，R为水力半径。确定Q的情况下，对m、h和b几个参数在合理的数值范围内进行试算，并将试算合适结果按照满足最佳进水流速、易于施工、过水能力大、进水渠底部流速较高、设计和实际相符合的原则进行取舍，最终计算结果进行流量，流速的校核。

由于旋流沉砂池进水斜坡的底宽为固定宽度，因此可根据此底宽和设计宽度，对进水渠末端进行设计，以进水渠底宽和进水斜坡底宽为上下底的梯形底面设计，以对现有旋流沉砂池型号进行匹配。

由以上设计方法得知，本进水渠和现有进水渠相比较可以达到如下的功效：在本发明设计的进水渠中，进水渠内水流速不会随着进水流量的变化而大幅变化，且进水流速保持在沉砂池除砂最佳流速，同时进水渠底部流速要稍大于水面流速，进而可以有效防止大颗粒泥沙较多时，进水渠底部泥沙淤积的发生。

附图说明

图1为进水渠道剖面图；

图2为进水渠道末端剖面图；

图3为进水渠道俯视图。

图中1：进水渠设计水深；2：进水渠设计水面高；3：进水渠底宽；4：进水渠混凝土边坡。5：进水渠道末端边坡位置，6：进水渠末端底宽，7：进水渠设计边坡位置；8：斜面。

具体实施方式

设计实例：

某污水厂，旋流沉砂池平均流量25000m^3/d，变化系数以1.4计，则日最小流量Qmin＝25000/1.4＝17860m³/d，日最大流量Qmax＝25000×1.4＝35000m³/d，暴雨系数1.6，暴雨期处理量：Qmax＝25000×1.6＝40000(m³/d)。因此将进水流量Qmin＝17860m³/d，Qmax＝40000m³/d作为设计流量，进行旋流沉砂池进水渠道的设计。根据进水颗粒粒径范围、进水容重、进水渠道糙率等因素确定最佳进水流速范围为：0.39m/s～0.94m/s。

需满足的设计规范及要求：

《给水排水快速设计手册(2)——排水工程》中对进水渠道流速的规定为，在最大流量的40％～80％的情况下为0.6～0.9m/s，在最小流量时大于0.15m/s，在最大流量时不大于1.2m/s。

另外需要保证进水渠底部流速较高，便于将大颗粒泥沙推至沉砂池，刘春晶(2004)研究表明宽深比越小，进水渠下层水流速比上层流速越大，因此为保证进水渠大颗粒泥沙不淤积，应选择宽深比较小的进水渠参数。计算结果尽量接近水力最优条件，即湿周χ较小。

设计方法及过程：

假设整个系统中很小的某一段时间内，进水流量恒定且沿程不变；渠道为长直的顺坡渠道；渠道表面的粗糙系数不变；沿程没有局部干扰。则整个进水渠系统可以参照明渠设计，将明渠设计中有关计算用于沉砂池进水渠上。

均匀流水力计算连续性方程为：

Q＝Av (I)

Q为进水流量，A为进水截面积。

谢才公式：

C为谢才系数，v为进水流速，R为水力半径，J为水力坡度，和渠底坡度i相等，为了方便计算此处采用明渠的一般坡度i＝0.0015。

设计渠道为梯形断面，则面积

A＝(b+mh)h (III)

m为边坡系数，h为水深，

计算输水能力的基本关系式：

其中谢才系数C利用曼宁公式进行估算：

其中的n为粗糙系数，经过查表知表面洁净的混凝土渠道一般为0.013，

R为水力半径，χ为湿周，计算公式如下：

由(II)(III)(IV)(V)(VI)(VII)几式联合整理后可得：

水力最优宽深比：

由(I)(III)联立可以得到进水流速：

已知条件：设计进水流量Q为17860m³/d～40000m³/d，即Qmax＝0.463m³/s，Qmin＝0.207m³/s，n＝0.013，i＝0.0015，而其中的b、m、h，均未知。

可行性分析：由(I)知，当v不变时，A和Q呈正比，因此对于设计最大流量和设计最小流量均可以满足设计要求，则系统中设计流量范围内流量均可以满足要求。

计算过程：对于公式(VIII)，Q确定时，将m、h、b分别带入数值进行试算求解，同时由公式(XI)所确定流速v需保证在最佳进水流速范围内。具体试算步骤为：根据现有沉砂池各参数取值范围，确定m、h、b试算范围，其中b取0.1～1.2m，h取0.40～1.40m，m取0.10～0.40，对m、h和b在试算范围内进行变化，使其关系始终满足公式(VIII)，(XI)。最终得到满足设计规范要求的几组数值，如下表1：

表1试算法求得的几组设计数值

五组数据都可以满足进水流量变化时进水截面积也相应变化，从而保证进水流速变化范围不大。

分析各组数据宽深比，与从(IX)式所求宽深比进行对比，各组设计宽深比与最大流量时计算出的宽深比相差最小的两组分别为，3组(相差1.56)和5组(相差1.62)，3组与最优宽深比最接近，3组宽深比为0.074，为几组中最小；3组湿周χ为2.85，为两组中最小一组，因此确定采用第3组设计数据，即b＝0.1m，h＝1.35m，m＝0.2。

校核设计是否合理：将正常运行下的流量数据带入，检验是否满足设计要求。

校核结果：当流量为20000m³/d、25000m³/d、30000m³/d的时候，此时进水流速和进水渠水深如表2所示，均满足设计要求，因此可以证明此设计合理。

表2不同进水流量下的进水流速与水深

本设计中进水渠中水流速变化范围为0.777m/s～0.932m/s，满足《给水排水快速设计手册(2)——排水工程》中对进水渠道流速的规定：在该流量变化范围内，采用矩形进水渠道时，设计进水流速变化范围为0.680m/s～1.010m/s，变化范围明显大于本发明的设计结果。

基于以上计算方式，对10000m³到50000m³进水量进行旋流沉砂池进水渠设计，得到进水渠重要参数如表3所示：

表3不同进水流量下的进水渠参数

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图1、图2和图3为通过以上方法设计得到的梯形截面沉砂池进水渠道。