城市排水沟道中泥沙运动流速分析

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； 雨水沟道与合流沟 ! !"# $ % & ’! ( （按设计 ) " # $ 计） 。 道 ! !"# $ % & *+! ( （按满流计） ) 前苏联： — —污水沟道 ,-+’ 年与 ,-*. 年规范— $ ! +%%!!，! !"# $ % & *! ( )；$ / +%%!!，! !"# $ ； 雨水沟道与合流沟道 " # $ $ % & +% 计） % & 0! ( （按 ) 。 ! !"# $ % & *+! ( （按满流计） ) 日本： — —污水沟道 ! !"# $ % & ’%! ( ) ,-0. 年规范— （按 " # $ $ % & +% 计） ； 雨水沟道与合流沟道 ! !"# $ 。 % & 0! ( （按满流计） ) 英美： ,-*. 年英沟渠工程与 ,-’% 年美管道手 册— — —污水沟道 ! !"# $ % & ’! ( （按 ； ) " # $ $ % & +% 计） 雨水沟道与合流沟道 ! !"# $ % & 0! ( （按满流计） 。 ) 综上可 知， 国内外排水沟道最小设计流速在 我国 ,-’2 年、 % & ’ 1 % & 0! ( ) 之间， ,-*. 年规范是参 考前苏联标准， 美、 日标准。这 ,-0* 年规范参照英、 些经多年实践的经验数值， 非常宝贵并很实用， 但缺 乏理论公式论证与验算， 本文用泥沙运动流速公式 论证其自清目标及流速概念和数值。 ! 泥沙运动的基本规律及其计算 排水沟道中悬浮物的输送是沟道水力学与泥沙 运动两门学科的交界领域， 这里运用两门学科的知 识对排水沟道的自清流速进行论证与解释。 3&, 颗粒的自由沉降规律 球体颗粒沉速 3&,&, 悬浮颗粒在静水中的自由沉降规律在水处理中 常被应用。设颗粒为球体， 颗粒沉降过程互不干扰， 大颗粒 （砾类 $ / 3!!） ， 的运动规律属紊流区， 适用 牛顿公式； 小颗粒 （沙类 $ $ % & , 1 3 & %!!） 的运动规 律属 过 渡 区， 适 用 爱 伦 公 式； 细颗粒 （泥 类 $ 4 的运动规律属层流区， 适用斯托克斯公式。 % & ,!!） 排水沟道 按表 , 沟道沉积物的含沙粒径分析可知， 内泥沙的主要沉降规律属于过渡区范围， 故可用爱 伦沉速公式 （式 ,） 计算： ’ 3 # 2 !) . $ 3#2 （ ) ,） ・ ） ・ ・ ,#2 2 ( ! " 式中 ( $ ,%； % &（ — —球体颗粒沉速， %— 5! ( )； — —沙粒粒径， $— 5!； — —重力加速度， -0%5! ( ) ； ’— — —沙粒容重， 3 & ’+ 6 ( 5!2 ； !)—
城市排水沟道中泥沙运动流速分析
邓 培 德
提要 和数值。 关键词 最小设计流速 起动流速 扬动流速 止动流速 颗粒沉速 用泥沙运动流速规律论证排水沟道的最小设计流速及其相应的自清目标与流速的概念
排水沟道中影响泥沙运动形式的有三种流速规 律： （!） 静止在沟底的泥沙受水流运动的影响从静止 状态转变为运动的临界流速为起动流速； （"） 泥沙从 着底运动变为不着底运动的临界流速为扬动流速； （#） 泥沙从运动变为静止的临界流速为止动流速， 这 三种流速规律中又包含着颗粒沉速的规律。本文根 据国内外城市排水沟道的运行情况用上述三种流速 规律论证了排水沟道最小设计流速及其相应的自清 目标与流速的概念和数值。 ! !$! 国内外排水沟道的运行情况与最小设计流速 排水沟道的运行情况 城市排水沟道以重力流输送着生活污水、 工业 废水与雨水， 水中挟有泥沙与有机颗粒， 沟道功能要 求这些颗粒能随水出流， 保证沟道自清畅通， 所以对 水流流速有一定要求。因为这些颗粒大小不一、 比 重不同、 流量波动较大， 所需要的输送流速也不同， 要设计流速能使沟道无任何沉积物显然是不合理也 是不必要的， 这里不仅有技术要求还有经济要求。 较大的设计流速会使沟道自清程度增大， 但沟道坡 降要增大， 在平坦地区沟道埋深增大， 泵房增多， 沟 系造价与运行能耗增大； 过小的设计流速则会使沟 道大量淤积， 养护困难， 甚至产生堵塞。最小设计流 速应是技术上可行， 经济上合理， 保证沟道正常运行 自清畅通， 故又称自清流速。 自清流速是相对设计流量而言的， 在污水沟道 中流量逐日逐时波动， 每日最大时流量约为平均时 的 !%&’ ， 最小流量约为平均时的 %&’ ， 所以在小流 量时实际流速常小于自清流速， 会产生淤积， 但当流 量达到设计流量时将会产生自清流速， 把小流量时 的沉积物冲走， 不使淤积累积， 在设计中按部分充盈 计算也是对此留有余地； 在合流沟道的设计流量中
研究对象
［!］ 沟系沉积物粒径分析
含沙百分数 - ’ & $ "%++ & $ "% ) & $ %& & $ % ) ! $ & ! $ & ) " $ & " $ & ) # $ & 玻璃及大 以下 莫斯科沟系 列宁格勒沟系 #. $ " #% $ . ++ #/ $ * ", $ # ++ ($" !# $ . ++ *$. !" $ . ++ "$* /$( 的有机物 *$/ ,$/
［*］ 扬动流速的实用简式 ： $%%
运动的研究成果作些探索与解释。自清流速在实用 ・&
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上还涉及很多技术问题与经济问题， 使情况变得更 为复杂。
表# 粒径与流速关系
管径 ( #"".. ’"".. $ """.. & """.. 流 速 ! ! !" ! +" ! 1" ! !" ! +" ! 1" ! !" ! +" ! 1" ! !" ! +" ! 1" 粒径 $ " 2 """ $. " 2 &$ " 2 #’ " 2 $% " 2 &# " 2 #- " 2 $( " 2 &( " 2 %% " 2 $- " 2 #" " 2 ’" " 2 &$ " 2 """ ’. " 2 #$ " 2 (# " 2 &( " 2 #% " 2 *" " 2 &, " 2 #, " 2 -" " 2 ## " 2 %’ " 2 ,& " 2 #" 2 ""$. " 2 #* " 2 -& " 2 #% " 2 %$ " 2 ," " 2 #- " 2 %* $ 2 "% " 2 %# " 2 ’% $ 2 $, " 2 ’"
污水约占 %’ ， 雨水占 (%’ ， 无雨时沟内流速很小， 极易淤积， 但当雨天满流时的流速会把无雨时的沉 积物冲走， 恢复沟道的自清功能； 雨水沟道晴天时无 水或仅有少量冷却水与入渗地下水， 初雨迳流时有 地面污染水入流， 挟带泥沙较多， 暴雨时产生的大流 速将会冲走初雨迳流时所沉积的泥沙。 排水沟道中有少量沉积物是许可的， 它在设计 流速下会周期性自清， 一般不需疏通， 对于污水沟道 个别淤积较严重的沟段要定期清通或冲洗， 沟道因 特殊原因发生堵塞时需进行抢修。国内外排水沟道 运行情况表明， 在规定的最小设计流速及正常运行 与养护下沟道都是畅通的。在沟系中有机质顺利地 被运送着， 主要困难的是粗大的无机质的运送， 在条
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! ! 与 ! !" 式： !! " ##"$ 扬动流速 沟道的平均流速超过了起动流速， 沟底的沙粒 开始作不连续的间歇性跃动前进， 流速逐渐加大， 跃 动距离也加大， 在流速增高到一定时沙粒被扬起混 入水内， 成不着底运动， 这一临界状态的平均流速为 扬动流速。
［! ) "］ 件不利时下沉为沉积物 。实践统计表明： 沉积
无机物占 (*’ ， 沙粒在 物的体积中机物占 #’ ， ［ !， ,］ 。表 ! 中的 "++ 以下的占沉积物体积的 (&’ 数据可以说明沟道沉泥中所含沙粒大小的体积平均 百分数， 国内个别城市也曾有人作过分析， 得出近似 的结论。