排水管道的起始管段经常堵塞

排水管道的起始管段经常堵塞, 因此人们对小流量污水管道淤积的原因进行了研究。谢果林以列宁格勒排水管网的不计算管段为例, 证明了当其它条件相同时,只有增加自流管道的充满度, 才能保证提高污水水流的输送能力。对这个问题进一步的研究, 不但验证了谢果林的结论, 而且还定出了排水管道起始管段的设计规定: （1）式中水流的平均流速, 米/秒；管道允满度（应不小于0.3） 条件式( 1 )是“建筑物内部给水排水设计规范” “C H o n 且一3 0 一7 6 ” 对排水管道起始管段设计的基本要求。分析表明: 对于圆形断面的排水管道来讲, 由于污水的秒流量太小, 条件式( 1 ) 在大多数情况下是不可能满足的。而在排水工程的应用中, 管道的断面形状以圆形( Circular）最为常见, 原因是在坡度、管渠粗糙系数及过水断面一定时, 其管渠通过的流量最大 1, 2 。但对于流量变化大, 尤其是污水远期规划大管径, 近期流量小, 或雨水初期排水流量小, 流速达不到要求的情况下, 采用圆形断面管道, 势必造成管道淤积。蛋形断面管道( egg-shaped pipe) ,其管道截面为由半径为一定比例的四个圆弧组成的蛋形结构( 见图1) , 其断面结构特点可改善这种情况。日本对硬聚氯乙烯( n B X ) 圆形管和蛋形管进行了输水能力的对比研究, 证明蛋形管具有明显的优越性。国外一些国家早已在某些污水及雨水管道工程中采用蛋形管道, 例如旧管翻建与修复等。然而, 目前国内蛋形断面管道的应用较少, 对于其水力计算及水力要素的分析研究也不多。 图1 蛋形断面结构1 蛋形断面排水无压管道水力计算1. 1 水力计算公式1. 1. 1 流量公式 (1)式中Q流量，；过水断面面积，；流速，。1. 1. 2 流速公式 （2）式中R 水力半径，m,，为湿周，m;I水力坡度，； C流速系数， （3）式中n 管壁粗糙系数, 由管道材料而定, 本文以混凝土管为例, n 取0. 014。 将式( 3) 代入式( 2) 和式( 1) , 得: (4) (5)1. 2 蛋形断面管道水力要素的确定排水管渠水力要素主要有水力坡度I 、管壁粗糙系数n、充满度( 断面水深h 与断面高度b 的比值) 、水力半径R、湿周及过水断面面积, 这些要素 图2 蛋形断面计算确定之后, 流速v 和Q 就可根据公式( 4) 和( 5) 求出。蛋形断面是由半径分别为0.5r、r 、及3r 的四段圆弧组成一个较为复杂的复合断面, 其计算方法较其他断面( 如圆形、矩形及梯形等图形) 复杂。结合其断面特性, 将蛋形断面以充满度h 分为三段进行计算, 见图2。 ( 1) 当充满度( 即水深）时，取计算角 , 则: （6） 当时， 达到最大值 , 且 （7） (8)( 2) 当充满度 （即水深）时， 取计算角, 则: （9）其中为 的最大值, 且 （10） （11）(3) 当充满度（即水深）时， 取计算角, 则: （12） 其中为 的最大值, 且 （13） （14）1. 3 蛋形断面管道水力要素分析根据上述三种情况分析得出的公式, 利用Microsoft Excel 软件求得水力半径R、湿周、过水断面面积、流速、流量Q 及流速比和流量比, 表1列出了蛋形断面非满流管道水力要素计算结果。 充满度 （） 面积比（）水力半径比（） 流速比 （）流量比 （）0.050.0160.1600.2950.0050.100.0430.2930.4410.0190.150.0770.4010.5440.0420.200.1170.4960.6270.0740.250.1620.5830.6980.1130.300.2120.6630.7610.1610.350. 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 1.1691.1100.9180.850. 8851.1791.1160.9870.900. 9361.1701.1111.0390.950. 9771.1361.0881.0631.001.0001.0001.0001.000流速比为不同充满度时流速与满流流速的比值, 流量比为不同充满度时流量与满流流量 的比值。计算结果显示于图3, 当充满度= 0. 854 时流速 达到最大值; 当充满度= 0. 953时流量达到最大值。由此可见, 蛋形断面与圆形断面具有相似的特性, 即水力最优情况出现在满流之前。这是因为蛋形断面在满流之前, 过水断面面积增长速率比相应的湿周的增长率小, 当流速和流量达到最大值后便开始下降。 图3 蛋形断面管道水力要素曲线2 蛋形断面与圆形断面比较2. 1 水力条件2. 1. 1 同坡度I 、同截面面积A常规圆管的直径d 尺寸基本以100 mm 为递进关系, 即d300、d 400、d500 , 由式( 14) 可知, 当达最大值 时, = A 。经整理可得d 与r 的线性关系式r= 0. 413 5d, 进而可以方便地求得任意尺寸的圆管管道对应的同截面面积蛋形管道尺寸参数r, a, b。利用圆形断面水力计算公式和上文提出的蛋形断面管道水力计算公式求得相应水力要素, 即不同充满度下圆形断面管道流速和蛋形断面管道流速（ 图4) ,当充满度0. 183 时, 蛋形断面管道流速大于圆形断面管道流速。 图4 同截面面积蛋形断面管道与圆形断面管道流速比2. 1. 2 同坡度I 、同过水流量Q 当坡度和流量相同时, 可得d 与r 的线性关系式r = 0. 417 9d。与2. 1. 1 计算类似, 当充满度0. 195 时, 蛋形断面管道流速也大于圆形断面管道流速, 蛋形断面优势更为明显。 通过两种情况的对比, 小流量时, 蛋形断面管道具有较大流速, 从而有较好的自净能力, 在流量波动较大的情况下, 如降雨初期或远期规划管道的近期运行工况中, 蛋形断面更加适用。2. 2 蛋形断面管道断面形状特性( 1) 截面宽度窄: 蛋形管道截面宽度仅为同截面面积圆形管道截面宽度的0. 826 9 倍, 同过水流量圆形管道断面宽度的0. 835 8 倍, 对于地下管线综合布置更加有利。( 2) 截面高度大于截面宽度, 其承受竖向荷载能力强于圆形 5 。( 3) 同等过水能力, 其截面高度大于圆管截面高度, 更利于人工清通和检修。 上述分析提出了蛋形断面管道水力计算方法, 并对其水力要素进行分析, 并将计算结果与圆形断面管道进行了比较; 在同坡度、同截面面积条件下,