合流干渠上特殊截流井设计

合流干渠上特殊截流井设计

王连平

广西建信工程设计有限公司

摘要：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。

关键词：合流干渠；截流量；截流井；堰高

具体内容：1、工程概述：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、工程截污井设计难点：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。因此截污井设计为堰式截污井，为防止旱季时柳江水倒灌入截污管中，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。

3、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=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

=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79.00m，堰的上下游水位差为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=1.0m，（堰上水头）

h=0.8m，（堰下水头）

Z=0.2m，（堰上下游的水位差）

P=3.30m（堰壁高度）

，，

①Z<H，②<，满足淹没式矩形堰条件，因此本节点采用淹没式矩形堰公式计算（公式详见给水排水设计手册，第1册P687）

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

=0.5412

m=（0.405+0.0027/H）[1+0.55*H2/（H+P）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=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=4.75m。

4、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。本项目的设计也得到了有关专家的认可，对于其他大型截流井的设计具有一定的指导作用和参考价值。