设计经验淹没式穿孔排水管的设计计算景有海(西安建筑科技大学环境工程系,陕西西安710055)摘要:淹没式穿孔排水管在沉淀池出水中的应用逐渐增多,但其设计计算方法还不够完善。本文运用非均匀流水力学规律,推导出淹没式穿孔排水管的设计计算方法。关键词:淹没式穿孔排水管;开孔率;均匀管流;非均匀流;均匀入流;流量减小系数中图分类号:TU991.23文献标识码:C文章编号:1000-4602(1999)11-0039-03目前,淹没式穿孔排水管在沉淀池中的应用有逐渐增加的趋势。由于淹没式穿孔排水管的排水率(单位管长的排水量)不但与淹没深度(即出水水头)有关,而且与穿孔孔径和开孔率(即单位长度上的开孔数)有关。因此,在不改变排水率的情况下,可提高淹没深度。这样一来,由于出水水头较大,水面波动和穿孔排水管的不水平度占出水水头的比例较小,因此其影响也较小,对施工精度的要求也可降低。穿孔排水管由于管内流量是沿程变化的,属于非均匀流,其沿程水头损失的计算不能简单地套用均匀管流水头损失计算公式或简化计算,因它也有水力学规律可循。否则,简化计算有可能导致出水严重不均匀,甚至还不及三角堰的出水均匀度好,达不到预期效果。1沿程均匀入流管段水头损失计算公式图1所示为一均匀入流管段,其管径为D,管长为L,单位管长的入流量为q,则管段终端的出水流量为Q=qL。图1均匀入流管段在管长x处取断面,通过该断面的流量为Qx=qx,则通过dx管长的沿程水头损失为:dhx=A·dx·Qx2=A·q2·x2dx(1)式中A———管段的比阻耗,A=8λgπ2D5λ———沿程阻力损失系数,对钢管λ=0.024整个管段的水头损失为:hf=∫L0dhx=∫L0Aq2x2dx=13Aq2x3L0=13Aq2L3=13ALQ2=13hfm(2)即均匀入流管段的沿程水头损失是假设总流量全部通过该管段时沿程水头损失的三分之一。2淹没式穿孔排水管的设计计算211自由出流排水管的设计计算自由出流淹没穿孔排水管的布置如图2所示。图2自由出流穿孔排水管当穿孔管管径足够大时,管内呈半满流状态,有·93·中国给水排水1999Vol.15CHINAWATER&WASTEWATERNo.11自由水面,且与大气相通,因此每个孔的出流水头相同。设孔径为d,孔面积ω=πd2/4,则单孔出水量为:qk=μω2gH(3)式中μ———孔口流速系数,一般取μ=0.62H———出流水头,此时即为孔的淹没深度则开孔率(单位管长的开孔数)为:m=qqk=qμω2gH(4)式中q———设计所要求的排水率212淹没出流排水管的设计计算淹没出流排水管的布置如图3所示。此时,排水管出口被水淹没,为满管出流。因此,各孔口的出水水头各不相同,需经计算确定。图3淹没出流穿孔排水管取通过排水管中心线的水平面为基准面,排水管出口处为断面1-1,距起始端x处为断面X-X,其他参数如图3所示。根据伯努里方程有:Pxγ+vx22g=P1γ+v022g+hL-x(5)因为:P1γ=Z0hL-x=13ALQ02-13AxQx2=13Aq2L3-13Aq2x3所以:Pxγ=Z0+12g(v20-vx2)+13Aq2(L3-x3)=Z0+8q2gπ2D4(L2-x2)+13Aq2(L3-x3)因此,X断面处孔口的出流水头为:Hx=Za-Pxγ=(Za-Z0)-8q2gπ2D4(L2-x2)-13Aq2(L3-x3)(6)式(6)等号右侧第2、3项皆大于零。此式说明:离排水口越远,孔口出流水头越小,只有在排水口处,其孔口出流水头才等于自由水头(Za-Z0)。令Za-Z0=H0,则X断面处孔口的出流量:qx=μω2gHx=μω·2gH0-8q2gπ2D4(L2-x2)-13Aq2(L3-x3)12=μω2gH0·Kq=q0·Kq(7)式中Kq———流量减小系数Kq=1-8q2gπ2D4H0(L2-x2)-Aq23H0(L3-x3)12=1-8q2gπ2D4H0(L2-x2)-8λq23gπ2D5H0(L3-x3)12≤1此时,X断面处的开孔率:mx=qqx=qq0·Kq=Kmm0(8)式中Km=Kq-1213实际应用由于流量减小系数的存在,要做到完全均匀出流实际上是不可能,也是不现实的,工程实际中往往采用如下方法解决。①分段处理法:将整个排水管分成几段,对每一段分别计算平均开孔率,并按平均开孔率开孔。这样,虽然每一段出水不均匀,但整个管段的出水趋于均匀。②增大排水管管径以减小不均匀程度:从流量减小系数Kq的计算公式可知,增大排水管管径D和提高自由水头H0,可使Kq值接近于1,从而可减小不均匀程度。H0的提高有限,因H0过大会使落差加大,高程损失过快,影响后续构筑物的埋深,因而最好的方法就是增大管径。3计算示例图4为某水厂沉淀池淹没穿孔排水管示意图。采用D=350mm不锈钢管,计算管长L=20m,开孔孔径d=30mm,...
