景有海?
西安建筑科技大學環境工程系，陜西西安 710055

　　摘　要：淹沒式穿孔排水管在沉淀池出水中的應用逐漸增多，但其設計計算方法還不夠完善。本文運用非均勻流水力學規律，推導出淹沒式穿孔排水管的設計計 算方法。?
　　關鍵詞：淹沒式穿孔排水管；開孔率；均勻管流；非均勻流；均勻入流；流量減小系數
　　中圖分類號：TU991.23
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(1999)11-0039-03

　　目前，淹沒式穿孔排水管在沉淀池中的應用有逐漸增加的趨勢。由于淹沒式穿孔排水管的排水率(單位管長的排水量)不但與淹沒深度(即出水水頭)有關，而且與穿孔孔徑和開孔率(即單位長度上的開孔數)有關。因此，在不改變排水率的情況下，可提高淹沒深度。這樣一來，由于出水水頭較大，水面波動和穿孔排水管的不水平度占出水水頭的比例較小，因此其影響也較小，對施工精度的要求也可降低。
　　穿孔排水管由于管內流量是沿程變化的，屬于非均勻流，其沿程水頭損失的計算不能簡單地套用均勻管流水頭損失計算公式或簡化計算，因它也有水力學規律可循。否則，簡化計算有可能導致出水嚴重不均勻，甚至還不及三角堰的出水均勻度好，達不到預期效果。

1 沿程均勻入流管段水頭損失計算公式

　　圖1所示為一均勻入流管段，其管徑為D，管長為L，單位管長的入流量為q，則管段終端的出水流量為?Q=qL。?

　

　　在管長x處取斷面，通過該斷面的流量為Q_x=qx,則通過dx管長的沿程水頭損失為：

　　dh_x=A·dx·Q_x²=A·q²·x²·dx　　　　（1）
　　式中 A——管理段的比阻耗，A=8λ/gπ²D⁵
　　　　λ——沿程阻力損失系數，對鋼管λ＝0.024整個管段的水頭損失為：

　　　　　(2)　

　　即均勻入流管段的沿程水頭損失是假設總流量全部通過該管段時沿程水頭損失的三分之一。

2 淹沒式穿孔排水管的設計計算

2.1 自由出流排水管的設計計算
　　自由出流淹沒穿孔排水管的布置如圖2所示。

?

　　當穿孔管管徑足夠大時，管內呈半滿流狀態， 有自由水面，且與大氣相通，因此每個孔的出流水頭相同。設孔徑為d，孔面積ω=πd²/4，則單孔出水量為：

　　qh=μω(2gh)^0.5　　　　　　　(3)
　　式中 　μ——孔口流速系數，一般取μ=0.62
　 　　　　H——出流水頭，此時即為孔的淹沒深度

　　則開孔率（單位管長的開孔數）為：

　　m=q/qk=q/[μω(2gh)^0.5]　　　　　(4)

2.2 淹沒出流排水管的設計計算
　　淹沒出流排水管的布置如圖3所示。此時，排水管出口被水淹沒，為滿管出流。因此，各孔 口的出水水頭各不相同，需經計算確定。?

　　取通過排水管中心線的水平面為基準面，排水管出口處為斷面1-1，距起始端x處為斷面X-X，其他參數如圖3所示。根據伯努里方程有：

　　

　　式(6)等號右側第2、3項皆大于零。此式說明：離排水口越遠，孔口出流水頭越小，只有 在排水口處，其孔口出流水頭才等于自由水頭(Z_a-Z₀)。令Z_a-Z₀=H₀，則X斷面處孔口的出流量：

　　

2.3 實際應用
　　由于流量減小系數的存在，要做到完全均勻出流實際上是不可能，也是不現實的，工程實際中往往采用如下方法解決。
　　①分段處理法：將整個排水管分成幾段，對每一段分別計算平均開孔率，并按平均開孔率開孔。這樣，雖然每一段出水不均勻，但整個管段的出水趨于均勻。
　　②增大排水管管徑以減小不均勻程度：從流量減小系數Kq的計算公式可知，增大排水管管徑D和提高自由水頭H0，可使Kq值接近于1，從而可減小不均勻程度。H0的提高有限，因H0過大會使落差加大，高程損失過快，影響后續構筑物的埋深，因而最好的方法就是增大管徑。

3 計算示例

　　圖4為某水廠沉淀池淹沒穿孔排水管示意圖。
　　采用D=350mm不銹鋼管，計算管長L=20m，開孔孔徑d=30mm，該管要求排水量Q=80L/s,池內外水位落差H₀=10cm，對其進行設計計算。?
　　管段排水率：
?　　　　　q=Q/L=80/20=4 L/(m.s)?
　　管末端流速：
　　　　　　υ0＝Q/（πR）=0.08×4/（3.14×0.35²)=0.83m/s
　　管末段流速水頭：
　　　　　　h₀= υ₀²/2g=343Pa
　　孔口自由出流流量：
　　　　　　q₀=μω（2gH₀)^0.5=0.62×π/4×0.03²×(2×9.81×0.1)^0.5=0.614×10^-3m³/s
　　①整個管段不分段，均勻開孔。取管段中央為計算平均流量減小系數的計算點，則x=10m，將有關數據代入流量減小系數計算式得：
　　流量減小系數：
　　　　　　? K_q=0.771?
　　開孔率(單位長度上的開孔數)：
　　　　　　　　m=m₀/K_q=4/(0.614×0.771)=8.45個/m
　　孔距：
　　　　　　　?δ=1/m=1/8.45=0.118m=118mm
　　整個管段上的開孔數：
　　　　　　　?N=L/δ=20/0.118=169個
　　管段沿程水頭損失：
　　　　　　　?h_f=ALQ²/3=156.8Pa?
　　離排水口遠端孔口出水量：

　　①整個管段不分段，均勻開孔。取管段中央為計算平均流量減小系數的計算點，則x＝10m，將有關數據代入流量減小系數計算式得：
　　流量減小系數：
　　Kq=0.771
　　開孔率（單位長度上的開孔數）：
　　m=m₀/Kq=4/(0.614×0.771)=8.45個/m
　　孔距：
　　δ=1/m=1/8.45=0.118m=118mm
　　整個管段上的開孔數：
　　N=L/δ=20/0.118=169個
　　管段沿程水頭損失：
　　h_f=ALQ²/3=156.8Pa
　　離排水口遠端孔口出水量：
　　q5=μω(2gh)^0.5=μω[2g(H₀-h_f-h₀))^0.5=0.430×10^-3m³/(s·個)
　　排水口近端孔口出水量：
　　q₁=q₀=0.614×10^-3m³/(s·個)
　　出水不均勻程度：
　　η=(q₁-q₅)/q1=(0.614-0.430)/0.614=0.30=30%
　　②將整個管段分成四段，對各段分別按該段平均開孔率開孔，則計算結果見表1。?

表1 分段管計算表 項目 管段 1-2 2-3 3-4 4-5 計算距離X（m） 17.5 12.5 7.5 2.5 流量減小系數Kq 0.930 0.814 0.737 0.701 開孔率（m） 7.0 8.0 8.8 9.3 孔距δ（m） 0.143 0.125 0.114 0.108 開孔數N（個） 35 40 44 46

　　排水管兩端處孔口的出水量與①相同，但由于兩段開孔率不同，因此不能簡單地只用單孔出水量相比較，必須將其折算成單位長度上的出水量進行比較。則：?
　　離排水口遠端孔口折算成單位長度上的出水量：
　　　　?　　　　q₅=0.43×46/5=3.96 L/(s.m)
　　 離排水口近端孔口折算成單位長度上的出水量：
　　　　?　　　　q₁=0.614×35/5=4.30 L/(s·m)
　　出水不均勻程度：?
　　?　　　　　　η=(q₁-q₅)/q₁=(4.30-3.96)/4.30=0.08=8%
　顯然，分段處理后出水均勻程度比不分段要好得多。?

4 結論

　　①淹沒式穿孔排水管的設計計算不能簡單套用圓管均勻流計算公式，否則造成的誤差很大，會使不均勻程度增大。?
　　②采用分段處理法或增大排水管管徑的方法，可減少出水的不均勻程度。

參考文獻：?

　　［1］王少林，周沛林.污水廠沉淀池潛水穿孔管出流的設計［J］.給水排水，199 8，(7)：21-23.?

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　　電　話：(029)2202729(O) 5234941(H)?
　　收稿日期：1999-05-13