鄭州新區(qū)污水廠廠外管道工程溢流井設(shè)計(jì)方案與計(jì)算

元紹建

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300000）

0 引言

由于鄭州市的高速發(fā)展，鄭州市王新莊污水廠水處理能力已不能滿足發(fā)展需要。規(guī)劃廢棄原王新莊污水處理廠，并在新區(qū)建造新區(qū)污水處理廠。廠外污水干管始于原王新莊進(jìn)廠污水井，終于新區(qū)污水廠。為防止緊急狀態(tài)時(shí)干管沿線地勢(shì)低點(diǎn)檢查井冒水，經(jīng)環(huán)保部門審批后，設(shè)置溢流口在必要時(shí)向鄰近河道宣泄污水，可臨時(shí)緩解緊急狀況帶來的不良后果。

1 工程概況

新區(qū)污水處理廠廠外管線全長(zhǎng)約32 km，管線由一座總規(guī)模85萬m3/d的中途提升泵站隔開。泵前管徑d3 000mm，泵后管徑d3 200mm和d3 500mm。管線途經(jīng)大小河流溝渠數(shù)條，分別是七里河、賈魯河、郝桃溝、小清河。污水干管除承接原王新莊服務(wù)范圍內(nèi)的60萬m3/d的污水外，沿線還有多處污水支管接入，污水規(guī)劃總規(guī)模為120萬m3/d（見圖1）。

管道沿線地勢(shì)由西向東，由北向南大致呈遞減趨勢(shì)，河流底及水位高程由西向東遞減，符合水流由西向東流動(dòng)的一般規(guī)律。

2 緊急狀態(tài)分析

泵站前管線緊急狀態(tài)指電站停電等意外因素導(dǎo)致泵站無法工作，這種情況下泵站前管線設(shè)置的溢流口將溢流泵前全部污水，共85萬m3/d×1.3（峰值系數(shù)）=110.5萬m3/d。

泵站后管線緊急狀態(tài)指水廠事故進(jìn)水泵房關(guān)閘，而中途提升泵站仍然正常工作，在這種情況下泵站后設(shè)置的溢流口將溢流全部污水，總量為120萬m3/d×1.3=156萬m3/d。

3 溢流口設(shè)置位置和流量初分

3.1 溢流口位置方案

本著就近排河原則，溢流口的設(shè)置位置如圖1所示，泵站之前設(shè)置三個(gè)溢流口，依次為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)溢流口，溢流河流分別為七里河、賈魯河和七里河。泵站后設(shè)置三個(gè)溢流口，依次為4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)溢流口，溢流河流分別是郝桃溝、小清河和小清河。河道高程水位資料見表1。

3.2 溢流水量初分

在緊急狀態(tài)下，越往管道下游水深越大，可溢流水量就越大，所以設(shè)定溢流水量時(shí)由管道上游往下游流量可依次增大。初步將溢流水量設(shè)定為1號(hào)溢流口9.75萬t，2號(hào)溢流口32.5萬t，3號(hào)溢流口68.25萬t，4號(hào)溢流口13萬t，5號(hào)溢流口71.5萬t，6號(hào)溢流口71.5萬t。后續(xù)計(jì)算可逐步修改初分流量。

4 溢流井設(shè)計(jì)方案

為了防止河水倒流，在溢流井內(nèi)，溢流口前設(shè)置溢流堰（薄壁堰），并在溢流管入河口處設(shè)置閘門，常水位時(shí)閘門保持開啟狀態(tài)，只在較強(qiáng)降雨時(shí)派人關(guān)閉閘門，如圖2、圖3所示。

圖1 污水接入點(diǎn)和溢流點(diǎn)位置示意圖

表1 河道水位數(shù)據(jù)

圖2 溢流井下層平面示意圖 (單位：mm)

5 計(jì)算思路與計(jì)算結(jié)果

5.1 計(jì)算思路

5.1.1 計(jì)算緊急水位線

計(jì)算過程分為以下三步：

（1）緊急水位線由各接入點(diǎn)、溢流點(diǎn)（后簡(jiǎn)稱節(jié)點(diǎn)）的緊急水位高程連接所得，泵站前后兩條緊急水位線都應(yīng)由最后一個(gè)溢流點(diǎn)的緊急溢流水位加上各節(jié)點(diǎn)間的水力坡降計(jì)算所得。

（2）最后一個(gè)溢流點(diǎn)的溢流水位=溢流堰頂高程+堰上水頭，堰頂高程=常水位+超高（初定為0.5 m），超高的目的是給下雨時(shí)關(guān)閘留有響應(yīng)和操作時(shí)間。計(jì)算堰上水頭時(shí)，應(yīng)判斷溢流堰是自由出流還是淹沒出流，當(dāng)常水位+Δh（溢流管道水損+流速水頭）＜堰頂高程時(shí)為自由出流，反之為淹沒出流，如圖4所示。

圖4 溢流堰出流方式及溢流管水力計(jì)算

（3）各節(jié)點(diǎn)間的水力坡降=水力坡度×節(jié)點(diǎn)間距。管道水力坡度計(jì)算應(yīng)用鋼筋混凝土圓管滿管流計(jì)算公式計(jì)算，粗糙系數(shù)選用0.013[1]。

5.1.2 其他各溢流點(diǎn)的溢流堰高和堰上水頭計(jì)算過程

先假設(shè)為自由出流：假設(shè)A=緊急水位-井底高程，堰寬為B，堰上水頭為x，則堰高a=A-x，則流量系數(shù)（雷保克公式[2]）：

則

可用Excel編寫上述計(jì)算公式試算出當(dāng)前溢流量、當(dāng)前緊急水位和井底高程下的堰上水頭x和堰高a。

用計(jì)算得到的堰高和井底高程計(jì)算堰頂高程，然后應(yīng)用前面提到的方法驗(yàn)證溢流堰出流方式，如果發(fā)現(xiàn)是淹沒出流，則試算流量時(shí)應(yīng)在原公式基礎(chǔ)上乘以淹沒系數(shù)σ，重新試算x值：

式中：hs是淹沒值，如圖4所示。

5.1.3 堰高與常水位對(duì)比

若前面計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)計(jì)算所得堰頂高程比常水位低，需要重新分配各溢流量，依照5.1.1、5.1.2、5.1.3計(jì)算流程重新計(jì)算。

5.2 溢流管水力計(jì)算結(jié)果

溢流管水力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 溢流管道水力計(jì)算表

5.3 污水干管水力計(jì)算

初分流量后，可確定各接入點(diǎn)各溢流井間的流量，計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的各水力要素，計(jì)算公式與前面溢流管水力計(jì)算相同，計(jì)算后得表3。

表3 干管緊急狀態(tài)水力計(jì)算表

5.4 溢流堰計(jì)算

溢流堰計(jì)算見表4。

6 結(jié)語

圖5 泵站前緊急狀態(tài)水力坡降圖

圖6 泵站后緊急狀態(tài)水力坡降圖

圖5、圖6為緊急狀態(tài)下的水力坡降圖。如圖所示，在初分流量下計(jì)算得到的緊急水位線皆在地面線以下，說明污水可以保障在各個(gè)檢查井都不溢水的情況下順利溢流。但是這也只是在理論計(jì)算下的結(jié)果，實(shí)際狀態(tài)下影響水流狀況的因素很多，需進(jìn)一步模擬驗(yàn)證。本文重點(diǎn)闡述個(gè)人對(duì)溢流井設(shè)計(jì)與緊急水位線繪制的計(jì)算思路，與實(shí)際工程設(shè)計(jì)與實(shí)施情況并非完全吻合。

參考文獻(xiàn)：

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