恒定沿程變量流計算在沉淀池出水集水槽設計中的應用

曹 松

(北京桑德環境工程有限公司，北京 100088)

在水處理構筑物沉淀池的設計中，為保證沉淀效果，依據GB 50014室外排水設計規范(2016年版)，出水堰負荷宜分別小于2.9 L/(m·s)(初沉池)和小于1.7 L/(m·s)(二沉池)。在出水口布置矩形堰或三角堰出水無法滿足此要求，可通過在整個周圈做堰(幅流式沉淀池)或在出水區布置指形堰(平流式沉淀池、斜管沉淀池)，堰出水匯入集水槽(或稱集水渠)的方式通常可滿足出水堰負荷要求。

此類側面入流水槽基本特點是水流沿流長不斷進入，各過水斷面的流量沿程增加，但流動狀態基本不隨時間變化，屬于恒定沿程變量流［2］，集水槽槽深的設計不宜過淺，以免流通不暢或產生溢流，也不宜過深，以免積泥且不便清理。槽深實則取決于水深的要求，因此如何確定集水槽的合理水深是設計計算的關鍵，針對集水槽水深計算的公式表達不一，適用條件也不明朗，有必要認真總結，以便指導相關工程設計。

1 出水集水槽樣式及水流特點

1.1 幅流式沉淀池出水集水槽樣式

在工程設計實踐中，幅流式沉淀池通常采用周邊三角堰出水形式，有時為降低堰出水負荷，也可采用兩側均入流的形式，集水槽呈圓形，周長基本等于沉淀池的周長，圖1是山東省某項目幅流式二沉池出水槽布置。

圖1 山東省某項目幅流式二沉池出水槽布置

1.2 平流式沉淀池及斜管沉淀池集水槽樣式

平流式沉淀池、斜管沉淀池通常采用指形集水槽出水的方式，即多條出水槽成手指形狀排列，出水通過指形槽上的堰板翻入槽內，各槽的水流匯入總渠流至下游單體，所不同的是斜管沉淀池的出水堰負荷可以更高一些，甚至可達普通平流沉淀池的兩倍(GB 50014室外排水設計規范6.5.1)。圖2是湖南省某項目平流式沉淀池出水槽布置。

圖2 湖南省某項目平流式沉淀池出水槽布置

1.3 集水槽水流特點分析

無論是幅流沉淀池的圓形出水槽還是平流式沉淀池或斜管沉淀池的指形集水槽，僅是布置形式的差別，而水體流動都具有以下特點:

1)集水槽各過水斷面的流量沿程基本均勻增加;2)為減少施工難度，集水槽一般不設坡度;3)集水槽出水進下游管渠時多設計為非淹沒流。

2 恒定沿程變量流集水槽的計算

為便于計算時示意，集水槽可以簡化為圖3。

圖3 集水槽水流情況示意圖

其計算通常先確定末端水深HL，再計算起端水深H0，然后考慮一定液位跌落和超高確定渠深，由于集水槽出水多設計為非淹沒流，因此末端水深HL通常按臨界水深Hk考慮，而不應自行假定流速推算水深。

2.1 臨界水深的概念

如果流量恒定和過流斷面形狀一定，當過流斷面面積不同時，相應的斷面比能也不相同，臨界水深是指相應于斷面比能最小值對應的水深［3］，其控制方程［4］為:

其中，Q為流量，m3/s;Ak為臨界水深時的過水斷面面積，m2;Bk為臨界水深時水面寬度，m。

2.2 計算的合理假定

結合沉淀池出水集水槽的特點，計算時可做如下假定:

1)集水槽假定為矩形過水斷面，矩形斷面污水處理構筑物槽(渠)的通常設計形式，而異形斷面(比如梯形、圓形、弧底梯形、普通城門洞形、馬蹄形等)一般只出現在水力工程中［3］，其計算更為復雜，多采用試算法、圖解法或是計算機迭代計算法［4，5］;

2)集水槽接收的為側面堰出水，一般為自由跌落，跌落水流方向與集水槽水流方向垂直，忽略摩擦阻力和兩側入流的沖擊力，即在集水槽水流方向上的動量貢獻基本可假定為0。

2.3 末端水深計算公式

矩形過水斷面Ak=Bk×Hk，代入上式可求得矩形斷面臨界水深:

臨界水深時水面寬度Bk可按下式求得［2］:

2.4 起端水深計算

通過教材，手冊，工程設計類論壇能查到的起端水深的計算公式用以下幾種:

究竟哪個公式計算起端水深更為準確，集水槽起端水深計算可查詢到的文獻很少，而且年代均較早。文獻［1］采用理論推導了集水槽斷面位置與水深的微分關系式，然后基于能量守恒、采用近似積分方法求得坡度為0的起端水深為1.625Hk，而如果采用動量守恒，計算結果會稍有差別，坡度為0的起端水深為1.732Hk;文獻［2］進行了集水槽水力特性的實驗研究，通過自制等尺寸機械加速澄清池的集水槽，模擬實際水流情況，槽中各斷面水深采用測針與測壓管兩種方法同時測定以互相校核，對所測值進行曲線擬合后，得出起端水深與槽末水深的關系大致呈線性，約為H0=1.33Hk。

3 集水槽渠深理論計算和實測比較

寧夏某項目幅流式二沉池設計水量7 500 m3/d(即0.086 8 m3/s)，池體直徑 24 m，集水槽渠深為 0.8 m。項目運行后二沉池集水槽實測起端水位H0為0.55 m，末端水位HL為 0.35 m。

理論計算的過程為:依據式(3)求得臨界水深時對應的水面寬度Bk為0.54 m，依據式(2)求得末端水深HL為0.30 m，對于起端水深H0如果采用式(4)為0.52 m，采用式(5)則為 0.375 m，而采用式(6)則為 0.675 m。

與實測比較可知，式(4)末端水深的計算結果與實測結果最為接近;式(5)的計算結果與實測結果偏差較大;而式(6)的計算結果太過保守，且計算公式缺乏理論推導來源。

4 結語

恒定沿程變量流集水槽的渠寬既要滿足檢修的需要，又需按式(3)復核臨界水深的水寬;渠深應按起端水深確定并考慮一定的堰高和跌水高度，而起端水深的理論計算建議采用式(4)，此式中的末端水深須大于臨界水深。