污水处理厂标准型巴氏计量槽设计选型比较

姜 鸿，郑传奇，刘颖琪，张 朋，楼朝刚，陈 伟，陈新才

(申能环境科技有限公司，浙江 杭州 310023)

巴氏计量槽，即巴歇尔槽，广泛应用于污水处理厂进出水量的计量[1-2]，特点是测量精确，水头损失小且不受杂质影响。巴氏计量槽设计有淹没自由流和完全自由流之分[3-4]，目的是保证计量槽前后明渠内水流形态呈均匀流，避免在槽内产生涡旋、壅水影响计量精确度。两种自由流在设计上最大区别为上下游渠道底面高差的大小，即计量槽出口段是否形成完全跌流的水舌，限制因素包括行近渠长宽比、渠道流速、上下游水头要求等。本文将结合实际案例，利用曼宁公式推导得到满足所有计量流量条件下的巴氏计量槽关键设计标高的数学表达式，为巴氏计量槽选型设计提供依据。

现有关于巴氏计量槽设计的相关的规范、标准较多，其中部分参数有矛盾之处。例如，《给水排水设计手册》(第5册-城镇排水)(以下简称“手册5”)第二版要求行近渠道直线长度不小于渠道宽度的8～10倍[5]，《给水排水设计手册》(第1册-常用资料)(以下简称“手册1”)第二版[6]和标准《城市排水流量堰槽测量标准-巴歇尔量水槽》CJ/T3008-1993均要求行近渠道长度不小于渠宽的10倍[7]，而标准《明渠堰槽流量计》JJG 711-1990要求行近渠道产区不小于槽宽的5倍[8]。其中标准JJG 711-1990出入较大，应当考虑了完全自由流的情况。鉴于以上情况，本文设计将采用各规范、标准中提及的最严要求。例如，在淹没(无跌水)自由流条件下，参照“手册1”第二版和标准CJ/T3008-1993，行近渠道直线长度不小于渠道宽度的10倍；如果为完全(有跌水)自由流条件下，参照“手册5”第二版，计量槽上游渠道长度，不小于渠宽的2～3倍。

值得注意的是，“手册5”第二版在章节10.5中对巴氏计量槽的详细设计说明，到第三版这部分内容已经省略[9]，细节介绍要求参照“手册1”。其原因之一应是手册5第二版中巴氏计量槽设计含有很多非标规格，实际现场施工难以满足精度要求，因此建议直接采用标准型号的成品槽，可显著提高计量精度。但“手册5”第二版中关于巴氏计量槽的各项设计原则和细节仍值得参考借鉴，本文加以沿用。

1 设计条件及要求

河南某城市污水处理厂设计最小流量 Qmin=5000 m3/d=58×10-3m3/s，最大流量 Qmax=22000 m3/d=255×10-3m3/s。巴氏计量槽与紫外消毒池合建，消毒后尾水进入计量明渠，最终通过下游渠道连接的DN700焊接钢管，重力流进入泵站外排。用于安装巴氏计量槽的明渠总长9.95 m，宽度待定。上游有侧向矩形进水孔，规格为宽×高=1×1.5 m，贴渠底设置。计量明渠渠底标高为-4.100 m，出口DN700管道中心标高为 -3.300 m。

2 巴氏计量槽设计

2.1 巴氏计量槽选型

本项目污水厂流量范围为58～255×10-3m3/s，优先选择7号标准型巴氏计量槽(以下简称7号槽，计量范围(3.5～400)×10-3m3/s)以及8号标准型巴氏计量槽(以下简称8号槽，计量范围(4.5～630)×10-3m3/s)。

如图1所示，7号槽喉道宽度b=0.3 m，喉道长度L=0.6 m，进口段长度L1=1.35 m，出口段长度L2=0.92 m，槽总长度L0=2.87 m，进口段始端宽度B1=0.84 m，出口段末端宽度B2=0.6 m，槽高D=0.95 m，计量槽上游槽底与出口段末段高差P2=0.08 m；8号槽喉道宽度b=0.45 m，喉道长度L=0.6 m，进口段长度L1=1.425 m，出口段长度L2=0.92 m，槽总长度L0=2.945 m，进口段始端宽度B1=1.02 m，出口段末端宽度B2=0.7 m，槽高D=0.95 m，计量槽上游槽底与出口段末段高差P2=0.08 m。

图1 7号和8号标准型巴氏计量槽规格Fig.1 Specifications of No. 7 and No. 8 standard Parshall flumes

根据“手册5”第二版设计要求，喉宽一般为上游渠道宽度的1/3～1/2，且上游渠道宽度≮进口段始端宽度。因此7号槽设计取上游渠宽B7u取0.9 m(0.84～0.9 m)，下游渠道宽度B7d同上游渠道B7u，取0.9 m；8号槽设计取上游渠宽B8u取1.1 m(1.02～1.35 m)，下游渠道宽度B8d同上游渠道B8u，取1.1 m。

上游渠底与巴氏计量槽进口段底面有两种形式，一种为渠底1∶4坡度斜向上连接槽底[6-8]，另一种为渠底面与槽底面水平平接[3,5]。本项目设计采用水平平接形式，计量槽上游渠底标高与进口段槽底标高相同，即计量槽上游观察口水头高度=上游渠水深hu。

上游渠道进入计量槽进口段的收口有两种形式，一种为与池壁成45°的八字脚[5,8]，另一种为半径R≮2倍上游渠道最大水深hmax的圆弧[6-7]，且相切于进口段侧壁。考虑到施工难度，设计采用第一种45°八字脚形式。

(1)

式中:Q——设计流量，m3/s

C——流量系数，无纲量，C>0

hu——上游渠道观测点水头，即上游渠道水深，m

n——由喉道宽确定指数，无纲量，n>1

7号槽C=0.679，n=1.521，8号槽C=1.038，n=1.537。最大流量Qmax=0.255 m3/s和最小流量Qmin=0.058 m3/s时，7号槽上游渠道分别有最大水深h7umax为0.524 m和最小水深h7umin为0.198 m；8号槽上游渠道分别有最大水深h8umax为0.401 m和最小水深h8umin为0.153 m。

公式(1)结合流量公式Q=A·v推导得：

(2)

式中：vu——上游渠内平均内流速，m/s

Q——流量，m3/s

Au——上游渠过水断面面积，m2

Bu——上游渠道宽度，m

根据公式(2)得知，v是关于变量Q在[0.058，0.255]区间的单调递增函数，即流量越大，渠道内流速越大。因此在最大和最小流量条件下，7号槽上游渠道分别有最大流速vumax=0.539 m/s和最小流速vumin=0.325 m/s；8号槽上游渠道分别为最大流速vumax=0.578 m/s和最小流速vumax=0.344 m/s。

2.2 下游渠道水位及渠底标高计算

(1)下游渠道水位

管道过水断面如图2所示，该出口管道中心标高-3.300 m，管底标高 -3.650 m，直径D=0.7 m，坡度i=0.3%，焊接钢管粗糙系数N取0.012。根据设计条件可得知，下游渠道实际水位取决于下游渠道连接管道的过流能力。可通过曼宁公式，计算得到管道过流断面的水位标高，即为下游渠道末端水位标高Hdw，过程中须重点分析与水位标高相关参数——过水断面对应角度θ和过水断面高度h′，从而得出流量Q与Hdw之间的数学关系。

图2 管道过水断面Fig.2 Flow cross section of pipeline

管道过水断面水力学半径如下：

(3)

式中：R——水力学半径，m

χ——管道湿周，m

D——管道直径，m

θ——过水断面对应的角度，范围为0～2π

根据曼宁公式得到管道内流速与过水断面对应的角度θ的关系式：

(4)

式中：v——管道内流速，m/s

N——管道粗糙系数，焊接钢管取0.012

i——坡降系数，取0.3%

推导过水断面对应角度θ与高度h′的关系式：

(5)

式中：a——管道充满度

h′——过水断面高度，即管道过水断面顶端至管底的高度，m

D——管道直径，m

由公式(3)、(4)、(5)得到流量Q与过水断面高度h′的关系式：

(6)

(2)下游渠底标高

下游渠道铺贴瓷砖，粗糙系数N取0.012，渠道坡度i取0.1%，流量公式如下：

(7)

式中：vd——下游渠道流速，m/s

Bd——下游渠道宽度，m

hd——渠道水深，m

下渠底面标高 Hdb≮管底标高-3.650 m，且在流量区间内，下游渠道水位标高 Hdw-下游渠道水位高度 hd=下渠底标高 Hdb恒成立，即：

Hdb≤min{Hdw-hd}

(8)

式中：Hdb——下游渠道底标高，m/s

Hdw——下游渠道末端水位标高，m

令h(Q)=Hdw-hd=-3.650+f-1(Q)-g-1(Q)。对于7号槽，h1(Q)=-3.650+f-1(Q)-g1-1(Q)在区间[0.058，0.255]内单调递减，最大流量时有最小值h(Qmax)=-3.641 m，因此H7db≤-3.650 m，未来考虑下渠回用取水，设计H7db=-4.100 m；对于8号槽，h2(Q)=-3.650+f-1(Q)-g2-1(Q)在区间[0.058，0.255]内单调递增，最小流量时有最小值h(Qmin)=-3.593 m，因此H8db≤-3.650m，设计取H8db=-4.100 m。

2.3 7号标准型巴氏计量槽安装设计

2.3.1 按照淹没自由流(无跌水)设计

(1)计量槽上下游渠道长度

要求①：“手册1”第二版和标准CJ/T3008-1993中要求行近渠道长度不小于渠宽10倍。渠道直线长度Lt=9.95 m，Lt/Bu=9.95/0.9=11.06，符合设计条件。

要求②：“手册5” 第二版中要求上游渠道直线长度不小于渠宽的2～3倍，下游不少于4～5倍的相关要求，即上渠长度Lu+下渠长度Ld总长不小于6～8倍。 (Lu+Ld)/B=(Lt-L0)/B=(9.95-2.87)/0.9=7.86倍，符合设计条件。

要求②中对下渠长度要求更高，因而在总长度有限条件下优先保证下渠长度。设计取上游渠道长度取2.58 m(含0.03 m收缩段，2.87倍渠宽)，下游渠道长度为4.5 m(含0.15 m扩张段，5倍渠宽)。

(2)上游渠道底面标高

(9)

式中：Hub——上渠底标高，m

σ——淹没系数，7号槽为0.6

hu——上渠水深，m

hs——安全水头，m

(3)上游渠底坡降系数及水头损失

根据公式(1)和(4)得：

(10)

图3 7号标准巴氏计量槽淹没自由流设计图Fig.3 Design of No.7 standard Parshall flume in the manner of submerged free stream

2.3.2 按照完全自由流(有跌水)设计

(1)计量槽上下游渠道长度

完全(有跌水)自由流设计仅对上渠长度有要求，即上渠长度≮槽宽的2～3倍。设计取上游渠道长度取3.08 m(含0.03 m收缩段，3.42倍渠宽)，下游渠道长度则为4 m(含0.15 m扩张段)。

(2)上游渠底标高

(11)

式中:hs——安全水头，m

完全自由流条件下建议hs≮巴氏计量槽出口段末端与进口段槽底间高差P2，在出口段末端形可形成跌流水舌。在流量最大时下渠起始水位有最大值Hdwmax'=-3.311m，Hub>-3.311+P2=-3.311+0.08=-3.231 m，设计取Hub=-3.200 m。

(3)上游渠道坡降系数及水头损失

图4 7号标准巴氏计量槽完全自由流设计图Fig.4 Design of No.7 standard Parshall flume in the manner of full free stream

2.4 8号标准型巴氏计量槽安装设计

2.4.1 按照淹没自由流(无跌水)设计

渠道总长Lt/B=9.95/1.1=9.05，不符合≮10倍的设计条件，因此不能按照淹没(无跌水)自由流设计。

2.4.2 按照完全自由流(有跌水)设计

(1)计量槽上下游渠道长度

上渠长度≮槽宽的2～3倍。8号计量槽总长L0=2.945 m。设计取上游渠道长度取3.805 m(含0.04 m收缩段，3.46倍渠宽)，下游渠道长度取3.2 m(含0.175 m扩张段)。

(2)上游渠底标高

槽上水流呈完全自由流，根据公式(11)，最大流量时有起始水位最大值Hdwmax'=-3.311m，Hub>-3.311+P2=-3.311+0.08=-3.231 m，设计取Hub=-3.200 m。

(3)上游渠道坡降系数及水头损失

图5 8号槽完全自由流设计图Fig.5 Design of No.8 standard Parshall flume in the manner of full free stream

3 结 论

(1)巴氏计量槽设计参照标准规范较多，应优先采用标准型号槽进行设计。各标准、规范不同之处，建议采用最严格标准，确保计量槽的设计精度；

(2)本案例中可选用2种标准型号的巴氏计量槽，设计形式有3种。选用7号槽，计量渠较窄，占地更小，设计形式有淹没自由流和完全自由流2种；选用8号槽，计量渠较宽，占地面积较大，仅可按照完全自由流进行设计；

(3)选用淹没自由流，对上游水头的要求更低，但行近渠需要满足较高的长宽比；选用完全自由流，仅需满足上游渠道长度要求，但对上游水头要求较高，整体水头损失更大。上游渠道水头要求(即上游最大水位)：7号槽完全自由流>8号槽完全自由流>7号槽淹没自由流；

(4)许多污水厂计量渠下游直接连接管道，槽下游水位取决于下渠连接管道的输送能力，通过曼宁公式可得到流量作为单一变量与下游水位、上游渠底标高之间的函数关系。对于淹没自由流，下游水位变化直接影响巴氏计量槽的淹没系数，需求出上游渠底标高的理论最小值，以确保所有工况条件下满足淹没系数的要求。对于完全自由流，须求出下游水位理论最大值，即确保上游渠底标高不低于最大流量条件下的下游水位。考虑到扰动因素，淹没自由流和完全自由流条件下设计均需增加安全水头；

(5)槽下游渠道建议采用0.1%坡降系数计算下游水深，求出满足所有流量条件的下游渠底标高理论最小值，并在此基础上进行设计。上游坡降系数不低于所有流量条件下坡降系数的最大值。渠道须采用等底面设计，相应增加渠道起讫水头高差。

(6)巴氏计量槽进口段与上游渠道之间的连接方式建议采用平接，收缩段和扩张段采用45°八字脚形式，有效降低施工难度，进一步确保精度。