合流干渠上特殊截流井设计

摘要：本文就柳州市莲花合流污水干渠至龙泉山污水处理厂沿江截污工程中的莲花合流干渠截流井进行分析，以供同行设计参考。

关键词：合流干渠截流量 截流井堰高

中图分类号：TU2文献标识码： A

目前，在市政工程设计中，涉及截流井设计计算的规范主要有《室外排水设计规范》（GB50014-2006）、《给水排水设计手册》（第1册和第5册），其中《室外排水设计规范》中设计污水截流管管径为300mm~600mm,管径较小，满足截污的流量小，只能适用于小流量的合流管截污井的计算，在实际的工程中，远不能满足工程中污水量的要求，而《给水排水设计手册》中涉及到的雨水溢流井及堰流的计算，能够满足一般截流井的设计，在实际工程中，受到客观因素制约时有发生，设计时往往不能按部就班的选用计算。因此，本人将做过的柳州市莲花合流干渠截流井的计算进行分析，用以说明特殊截流井的计算。

工程概述

柳州市莲花合流污水干渠起于龙潭路，终点为鸡喇堤旁的莲花排涝泵站。沿途经过柳州市龙潭公园、柳州商业技工学校、柳州工艺美术学校等重要的旅游景点及教育园区，最后横穿南环路通过隧道排入莲花排涝泵站入柳江。该干渠断面大小为BXH=4500X3000,断面大，流量大，且修建于90年代，采用的是雨、污合流制排水体制，雨、污水直接排入柳江，给水环境造成一定的污染,因此需要做截流井设计，截流污水入污水处理厂处理达标排放，雨水溢流入柳江。

2、工程建设的必要性

近几年来水资源价值与水环境保护日益受到国家、地方政府高度重视，柳州市政府相继提出了有关柳州市水污染治理及水环境保护目标。柳州市作为滨江城市，特别要重视水环境的治理和保护，要建立完善的城市污水处理系统，加快改变污水直接入江、入溪状况。2010年前城市环境污染和生态破坏趋势要基本得到控制；至2020年，城市环境质量得到全面改善，实现生态的良性循环。因此本工程的截流污水工程建设迫在眉睫。

工程截污井设计的难点

本工程设计截污井主要为截流莲花干渠污水。截流井的位置，应该根据污水截流干管的位置、合流管渠位置、溢流管下游水位高程和周围环境等因素确定。截流井一般设置在排出口处，以便对现状合流渠中的污水截流完全，而本工程中因下游经过隧道入莲花提升泵站，该段无条件设置截流井（没空地设置），因此截污井设置在南环路上莲花干渠与隧道交接处，该处渠底标高为74.66米，低于柳江水面77.8米，平常该干渠为上游雍高下游淹没出流的状态。因此截污井只能设计为堰式截污井，为防止旱季时柳江水倒灌入设计截污管中，该溢流堰顶必须高于77.8米的柳州水位，同时由于莲花干渠途径的商业技术学校地面标高为78.5~80.5米，地势较低，设计截流堰后，不能对其造成下雨内涝的影响。莲花合流干渠断面较大，水位受上述客观条件控制，不同于常规的截流井设计。

截流井设计：

1）、雨水量计算公式：Q雨=Ψ*q*F （L/S）

2）、污水量计算公式：Q平旱污=qFN/K日（L/s）

3）、雨季截流污水量计算公式：Q截污= （1+n）*Q平旱污

按柳州暴雨强度公式及按目前柳州市综合用水量标准，由上述公式计算得

Q雨=36229.08(l/s) ， Q污=1451.05(l/s)

Q总=Q雨+Q污=36229.08+1451.05=37680.13(l/s)

Q截污=1832.99(l/s)

Q溢流=Q总-Q截污=37680.13-1832.99=35847.14(l/s)=35.847m3/s

4）、截污井标高确定：

本次设计截污井的原则是：实施堰式截流井之后，仍使现状莲花干渠排水基本保持原有水流状态。

因外江水位为77.80m,截污井处原莲花干渠（BXH=4500X3000）底标高为为74.62m,截污井处原莲花干渠下游为原隧道BXH=4.5X4.0(包含上面拱形部分)排入柳江。

原有隧道断面图

根据水力计算公式：Q=A*V

V=1/n*R2/3*i1/2

A=BH+S

X=B+2*H+L

R=A/X

Q----流量（m3/s）采用上述Q溢流量为35847.14(l/s)

V---流速（m/s）

A—水流断面m2，

n---粗糙系数；取0.013

R---水力半径（m）

i---水力坡度；

X—湿周（m）

由图代入数据得：

A=4.5*2.701+(3.14*2.598^2*120/360-1/2*4.5*sin30*2.598

=12.1545+(7.0645-2.923)

=16.30(m2)

X=4.5+2*2.701+2*3.14*2.598*120/360

=15.34(m)

R=A/X=16.3/15.34=1.0625

V=Q/A=35.847/16.30=2.20(m/s)

V=1/n*R2/3*i1/2

2.20=1/0.013*1.0625^2/3*i^1/2

i=0.00075，取i=0.08%

通过上述水力计算，莲花干渠下游的原隧道（上图形式）排出本设计Q溢流量，需要水力坡度是0.08%，截流井至柳江排出口处长度约为1160米，需要的水位差h=1160x0.08%=0.928m,取1.0m,方可将设计Q溢流量排出,即截流堰的下游水位为77.80+1.0=78.80m。堰上标高则以旱季截污时能够阻挡外江水控制，外江水位标高为77.80m,因此堰上标高取78.00m。堰上水头按1.0m控制,则堰上水位标高为78.00+1.0=79.00m，堰的上下游水位差为79.00-78.80=0.2m,即比不做堰时，上游水位升高0.2m,水位变化不大，基本上保持了原有莲花干渠的水流状态。

5）、截流井堰长计算

现状排水渠较大，为了少占地，本次设计的截污井是在原有莲花干渠位置改造成三侧堰上出流，溢流水量通过正面及两侧面溢流排出。

根据上述标高的确定，有

H=79.00-78.00=1.0m,(堰上水头)

h=78.80-78.00=0.8m,（堰下水头）

Z=79.00-78.80=0.2m,（堰上下游的水位差）

P=78-74.70=3.30m（堰壁高度）

,,

① Z

根据淹没式矩形堰的计算公式：Q溢流=mbH3/2

=1.05(1+0.2*h/p)3

=1.05(1+0.2*0.8/3.30)3

=0.5412

m=(0.405+0.0027/H)[1+0.55*H2/(H+P)2]

=(0.405+0.0027/1.0) [1+0.55*12/(1+3.30)2]

=0.4198

Q溢流=mbH3/2

35.84714=0.4198*0.5412*b*13/2

b=35.62（m）

因为在原有莲花干渠位置做淹没式矩形堰设计，现状考虑到的不确定因素较多，同时还有结构处理该井需要在堰壁上设计立柱的影响等因素，本次设计堰长采用1.2的安全系数，则取b=43m,一侧堰长b1=（43-4.5）/2=19.25米，取20米。

6）、截流井宽度B计算：

因堰上水头为1.0m，因此设计截流井内有效水深采用H=1.0m，水力坡度按原有莲华干渠设计坡度取i=0.0014,当水量达到溢流量时，堰上断面与下流断面连成一体，可将截流井堰上部分看作一小段渠道简化计算，根据矩形断面暗沟（非满流）水力计算截流井宽度B,采用如下公式进行计算;

Q=A*V

V=1/n*R2/3*i1/2

A=BH

X=B+2*H

R=A/X

Q----流量（m3/s）采用上述Q溢流量为35847.14(l/s)

V---流速（m/s）

A—水流断面m2，

n---粗糙系数；取0.013

R---水力半径（m）

i---水力坡度；

X—湿周（m）

将上述数据带入上述公式，最终结果如下：

算出渠道宽度B=13.65m,取B=14m

堰两侧宽分别为B1=B2=(14-4.5)/2=4.75m。

结论

本实例计算采用了《给水排水设计手册》中淹没式矩形堰及非满流暗渠相结合进行综合计算，计算过程中采用流态近似分析及经验估算。本工程截流井的设置基本没有改变上游原有的水流状态，不会致使上游因堰的设置而产生雍水现象。截污井设置后避免了污水直排入江对水环境造成的影响，达到了污水截流，雨水溢流的效果。

作者简介：

作者名：王连平 性别：女；籍贯：广西桂林现任职称：中级工程师，研究方向：市政给水排水工程设计