排水管道的起始管段經(jīng)常堵塞

1、排水管道的起始管段經(jīng)常堵塞, 因此人們對小流量污水管道淤積的原因進行了研究。謝果林以列寧格勒排水管網(wǎng)的不計算管段為例, 證明了當其它條件相同時,只有增加自流管道的充滿度, 才能保證提高污水水流的輸送能力。對這個問題進一步的研究, 不但驗證了謝果林的結(jié)論, 而且還定出了排水管道起始管段的設(shè)計規(guī)定: （1）式中水流的平均流速, 米/秒；管道允滿度（應(yīng)不小于0.3） 條件式( 1 )是“建筑物內(nèi)部給水排水設(shè)計規(guī)范” “C H o n 且一3 0 一7 6 ” 對排水管道起始管段設(shè)計的基本要求。分析表明: 對于圓形斷面的排水管道來講, 由于污水的秒流量太小, 條件式( 1 ) 在大多數(shù)情況下是不可能滿

2、足的。而在排水工程的應(yīng)用中, 管道的斷面形狀以圓形( Circular）最為常見, 原因是在坡度、管渠粗糙系數(shù)及過水斷面一定時, 其管渠通過的流量最大 1, 2 。但對于流量變化大, 尤其是污水遠期規(guī)劃大管徑, 近期流量小, 或雨水初期排水流量小, 流速達不到要求的情況下, 采用圓形斷面管道, 勢必造成管道淤積。蛋形斷面管道( egg-shaped pipe) ,其管道截面為由半徑為一定比例的四個圓弧組成的蛋形結(jié)構(gòu)( 見圖1) , 其斷面結(jié)構(gòu)特點可改善這種情況。日本對硬聚氯乙烯( n B X ) 圓形管和蛋形管進行了輸水能力的對比研究, 證明蛋形管具有明顯的優(yōu)越性。國外一些國家早已在某些污水及

3、雨水管道工程中采用蛋形管道, 例如舊管翻建與修復(fù)等。然而, 目前國內(nèi)蛋形斷面管道的應(yīng)用較少, 對于其水力計算及水力要素的分析研究也不多。 圖1 蛋形斷面結(jié)構(gòu)1 蛋形斷面排水無壓管道水力計算1. 1 水力計算公式1. 1. 1 流量公式 (1)式中Q流量，；過水斷面面積，；流速，。1. 1. 2 流速公式 （2）式中R 水力半徑，m,，為濕周，m;I水力坡度，； C流速系數(shù)， （3）式中n 管壁粗糙系數(shù), 由管道材料而定, 本文以混凝土管為例, n 取0. 014。 將式( 3) 代入式( 2) 和式( 1) , 得: (4) (5)1. 2 蛋形斷面管道水力要素的確定排水管渠水力要素主要有水力

4、坡度I 、管壁粗糙系數(shù)n、充滿度( 斷面水深h 與斷面高度b 的比值) 、水力半徑R、濕周及過水斷面面積, 這些要素 圖2 蛋形斷面計算確定之后, 流速v 和Q 就可根據(jù)公式( 4) 和( 5) 求出。蛋形斷面是由半徑分別為0.5r、r 、及3r 的四段圓弧組成一個較為復(fù)雜的復(fù)合斷面, 其計算方法較其他斷面( 如圓形、矩形及梯形等圖形) 復(fù)雜。結(jié)合其斷面特性, 將蛋形斷面以充滿度h 分為三段進行計算, 見圖2。 ( 1) 當充滿度( 即水深）時，取計算角 , 則: （6） 當時， 達到最大值 , 且 （7） (8)( 2) 當充滿度 （即水深）時， 取計算角, 則: （9）其中為 的最大值,

5、且 （10） （11）(3) 當充滿度（即水深）時， 取計算角, 則: （12） 其中為 的最大值, 且 （13） （14）1. 3 蛋形斷面管道水力要素分析根據(jù)上述三種情況分析得出的公式, 利用Microsoft Excel 軟件求得水力半徑R、濕周、過水斷面面積、流速、流量Q 及流速比和流量比, 表1列出了蛋形斷面非滿流管道水力要素計算結(jié)果。 充滿度 （） 面積比（）水力半徑比（） 流速比 （）流量比 （）0.050.0160.1600.2950.0050.100.0430.2930.4410.0190.150.0770.4010.5440.0420.200.1170.4960.6270.

6、0740.250.1620.5830.6980.1130.300.2120.6630.7610.1610.350. 266 0.7380.8160.2170.400. 3220.8070.8670.2790.450. 382 0.8710.9120.3480.500. 4430.9290.9520.4220.550. 507 0.9830.9890.5010.600. 5711.0321.0210.5830.650. 6361.0761.0500.6680.700. 702 1.1151.0750.7540.750. 7661.1471.0960.8390.800. 827 1.1691.11

7、00.9180.850. 8851.1791.1160.9870.900. 9361.1701.1111.0390.950. 9771.1361.0881.0631.001.0001.0001.0001.000流速比為不同充滿度時流速與滿流流速的比值, 流量比為不同充滿度時流量與滿流流量 的比值。計算結(jié)果顯示于圖3, 當充滿度= 0. 854 時流速 達到最大值; 當充滿度= 0. 953時流量達到最大值。由此可見, 蛋形斷面與圓形斷面具有相似的特性, 即水力最優(yōu)情況出現(xiàn)在滿流之前。這是因為蛋形斷面在滿流之前, 過水斷面面積增長速率比相應(yīng)的濕周的增長率小, 當流速和流量達到最大值后便開始下降。

8、 圖3 蛋形斷面管道水力要素曲線2 蛋形斷面與圓形斷面比較2. 1 水力條件2. 1. 1 同坡度I 、同截面面積A常規(guī)圓管的直徑d 尺寸基本以100 mm 為遞進關(guān)系, 即d300、d 400、d500 , 由式( 14) 可知, 當達最大值 時, = A 。經(jīng)整理可得d 與r 的線性關(guān)系式r= 0. 413 5d, 進而可以方便地求得任意尺寸的圓管管道對應(yīng)的同截面面積蛋形管道尺寸參數(shù)r, a, b。利用圓形斷面水力計算公式和上文提出的蛋形斷面管道水力計算公式求得相應(yīng)水力要素, 即不同充滿度下圓形斷面管道流速和蛋形斷面管道流速（ 圖4) ,當充滿度0. 183 時, 蛋形斷面管道流速大于圓形

9、斷面管道流速。 圖4 同截面面積蛋形斷面管道與圓形斷面管道流速比2. 1. 2 同坡度I 、同過水流量Q 當坡度和流量相同時, 可得d 與r 的線性關(guān)系式r = 0. 417 9d。與2. 1. 1 計算類似, 當充滿度0. 195 時, 蛋形斷面管道流速也大于圓形斷面管道流速, 蛋形斷面優(yōu)勢更為明顯。 通過兩種情況的對比, 小流量時, 蛋形斷面管道具有較大流速, 從而有較好的自凈能力, 在流量波動較大的情況下, 如降雨初期或遠期規(guī)劃管道的近期運行工況中, 蛋形斷面更加適用。2. 2 蛋形斷面管道斷面形狀特性( 1) 截面寬度窄: 蛋形管道截面寬度僅為同截面面積圓形管道截面寬度的0. 826 9 倍, 同過水流量圓形管道斷面寬度的0. 835 8 倍, 對于地下管線綜合布置更加有利。( 2) 截面高度大于截面寬度, 其承受豎向荷載能力強于圓形 5 。( 3) 同等過水能力, 其截面高度大于圓管截面高度, 更利于人工清通和檢修。 上述分析提出了蛋形斷面管道水力計算方法, 并對其水力要素進行分析, 并將計算結(jié)果與圓形斷面管道進行了比較; 在同坡度、同截面面積條件下,