郑州新区污水厂厂外管道工程溢流井设计方案与计算

元绍建

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300000）

0 引言

由于郑州市的高速发展，郑州市王新庄污水厂水处理能力已不能满足发展需要。规划废弃原王新庄污水处理厂，并在新区建造新区污水处理厂。厂外污水干管始于原王新庄进厂污水井，终于新区污水厂。为防止紧急状态时干管沿线地势低点检查井冒水，经环保部门审批后，设置溢流口在必要时向邻近河道宣泄污水，可临时缓解紧急状况带来的不良后果。

1 工程概况

新区污水处理厂厂外管线全长约32 km，管线由一座总规模85万m3/d的中途提升泵站隔开。泵前管径d3 000mm，泵后管径d3 200mm和d3 500mm。管线途经大小河流沟渠数条，分别是七里河、贾鲁河、郝桃沟、小清河。污水干管除承接原王新庄服务范围内的60万m3/d的污水外，沿线还有多处污水支管接入，污水规划总规模为120万m3/d（见图1）。

管道沿线地势由西向东，由北向南大致呈递减趋势，河流底及水位高程由西向东递减，符合水流由西向东流动的一般规律。

2 紧急状态分析

泵站前管线紧急状态指电站停电等意外因素导致泵站无法工作，这种情况下泵站前管线设置的溢流口将溢流泵前全部污水，共85万m3/d×1.3（峰值系数）=110.5万m3/d。

泵站后管线紧急状态指水厂事故进水泵房关闸，而中途提升泵站仍然正常工作，在这种情况下泵站后设置的溢流口将溢流全部污水，总量为120万m3/d×1.3=156万m3/d。

3 溢流口设置位置和流量初分

3.1 溢流口位置方案

本着就近排河原则，溢流口的设置位置如图1所示，泵站之前设置三个溢流口，依次为1号、2号、3号溢流口，溢流河流分别为七里河、贾鲁河和七里河。泵站后设置三个溢流口，依次为4号、5号、6号溢流口，溢流河流分别是郝桃沟、小清河和小清河。河道高程水位资料见表1。

3.2 溢流水量初分

在紧急状态下，越往管道下游水深越大，可溢流水量就越大，所以设定溢流水量时由管道上游往下游流量可依次增大。初步将溢流水量设定为1号溢流口9.75万t，2号溢流口32.5万t，3号溢流口68.25万t，4号溢流口13万t，5号溢流口71.5万t，6号溢流口71.5万t。后续计算可逐步修改初分流量。

4 溢流井设计方案

为了防止河水倒流，在溢流井内，溢流口前设置溢流堰（薄壁堰），并在溢流管入河口处设置闸门，常水位时闸门保持开启状态，只在较强降雨时派人关闭闸门，如图2、图3所示。

图1 污水接入点和溢流点位置示意图

表1 河道水位数据

图2 溢流井下层平面示意图 (单位：mm)

5 计算思路与计算结果

5.1 计算思路

5.1.1 计算紧急水位线

计算过程分为以下三步：

（1）紧急水位线由各接入点、溢流点（后简称节点）的紧急水位高程连接所得，泵站前后两条紧急水位线都应由最后一个溢流点的紧急溢流水位加上各节点间的水力坡降计算所得。

（2）最后一个溢流点的溢流水位=溢流堰顶高程+堰上水头，堰顶高程=常水位+超高（初定为0.5 m），超高的目的是给下雨时关闸留有响应和操作时间。计算堰上水头时，应判断溢流堰是自由出流还是淹没出流，当常水位+Δh（溢流管道水损+流速水头）＜堰顶高程时为自由出流，反之为淹没出流，如图4所示。

图4 溢流堰出流方式及溢流管水力计算

（3）各节点间的水力坡降=水力坡度×节点间距。管道水力坡度计算应用钢筋混凝土圆管满管流计算公式计算，粗糙系数选用0.013[1]。

5.1.2 其他各溢流点的溢流堰高和堰上水头计算过程

先假设为自由出流：假设A=紧急水位-井底高程，堰宽为B，堰上水头为x，则堰高a=A-x，则流量系数（雷保克公式[2]）：

则

可用Excel编写上述计算公式试算出当前溢流量、当前紧急水位和井底高程下的堰上水头x和堰高a。

用计算得到的堰高和井底高程计算堰顶高程，然后应用前面提到的方法验证溢流堰出流方式，如果发现是淹没出流，则试算流量时应在原公式基础上乘以淹没系数σ，重新试算x值：

式中：hs是淹没值，如图4所示。

5.1.3 堰高与常水位对比

若前面计算过程中发现计算所得堰顶高程比常水位低，需要重新分配各溢流量，依照5.1.1、5.1.2、5.1.3计算流程重新计算。

5.2 溢流管水力计算结果

溢流管水力计算结果见表2。

表2 溢流管道水力计算表

5.3 污水干管水力计算

初分流量后，可确定各接入点各溢流井间的流量，计算节点间的各水力要素，计算公式与前面溢流管水力计算相同，计算后得表3。

表3 干管紧急状态水力计算表

5.4 溢流堰计算

溢流堰计算见表4。

6 结语

图5 泵站前紧急状态水力坡降图

图6 泵站后紧急状态水力坡降图

图5、图6为紧急状态下的水力坡降图。如图所示，在初分流量下计算得到的紧急水位线皆在地面线以下，说明污水可以保障在各个检查井都不溢水的情况下顺利溢流。但是这也只是在理论计算下的结果，实际状态下影响水流状况的因素很多，需进一步模拟验证。本文重点阐述个人对溢流井设计与紧急水位线绘制的计算思路，与实际工程设计与实施情况并非完全吻合。

参考文献：

[1]中国市政工程西南设计研究院.给水排水设计手册（2版）[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.

[2]赵振兴,何建京.水力学（2版）[M].北京:清华大学出版社,2010.