濾池沖洗的配水設(shè)備

1． 配水系統(tǒng)的作用及類型
    配水系統(tǒng)的主要作用，在于保證進(jìn)入濾池的沖洗水，能夠均勻分布在整個濾池面積上，但在過濾時，它也起了均勻集水的作用，因此配水系統(tǒng)是濾池構(gòu)造的關(guān)鍵問題。當(dāng)配水系統(tǒng)不能起均勻配水作用時，會產(chǎn)生兩個不利的現(xiàn)象：一個現(xiàn)象是由于沖洗水沒有均勻分布在整個濾池面積上，在沖洗水量小的地方就沖洗得不干凈，這些不干凈的濾料，逐漸會膠結(jié)起來，長大成團(tuán)。形成“泥球”或“泥餅”。“泥球”和“泥餅”又進(jìn)一步影響沖洗的效果，將會影響過濾的水質(zhì)，甚至被迫將整個砂層運(yùn)出濾池進(jìn)行清洗。另一個現(xiàn)象是在沖洗水量大的地方，流速很大，會使承托層發(fā)生沖動，引起濾料和承托層混合現(xiàn)象，使砂子漏入過濾水中，產(chǎn)生“走砂”現(xiàn)象。這個現(xiàn)象還同樣會對水的不均勻分布起惡性循環(huán)的作用。上述兩個現(xiàn)象所引起的嚴(yán)重問題是很明顯的，因此，配水系統(tǒng)的設(shè)計需考慮沖洗時配水均勻的條件。在滿足沖洗的配水要求后，過濾時的集水均勻就會同時*解決。所以不必另行核算。
    怎樣才能保證配水系統(tǒng)沖洗水的均勻呢?這就要分析配水不均勻的原因。

    圖3.18表示濾池沖洗時的水流情況。假定沖洗水進(jìn)入池子前的壓力比沖洗排水槽槽頂高出H_x米(也即沖洗水有效水頭)，沖洗水進(jìn)入池子后，由池底的配水系統(tǒng)的孔眼演出，分布在整個濾池面積上。沖洗強(qiáng)度的平均值為q升/秒·米²。但沖洗強(qiáng)度在整個濾池面積上的分布是不均勻的，A點(diǎn)與C點(diǎn)間的沖洗強(qiáng)度相差較大，以q_A及q_C表示。在A、C兩點(diǎn)相等的微小面積Da的流量Dq_A與Dq_C，則分別為q_ADa與q_CDa,它們按圖6—18所示的I與II兩條流線流動。這樣，它們從配水系統(tǒng)經(jīng)承托層、濾料層后溢入沖洗排水槽的流程中所產(chǎn)生的水頭損失也正好為H_x。從流線I得出：
    Hx=配水系統(tǒng)損失(其中包括沿程損失和局部損失)S_1A(Dq_A)²+孔眼出流水頭損失S₂(Dq_A)²＋承托層水頭損失)₃(q_A)²+濾料層水頭損失S₄(Dq_A)²+流速頭 (3.13)

    式中S₁、S₂、S₃及S₄分別表示有關(guān)部分的水力阻抗(給水管網(wǎng)汁算中曾用S_q2表示管道的水頭損失)。孔眼出流的損失可由孔眼流量公式Q＝uAc、私』十椎得扎：茲乒子，式中Q、A、m、h分別為孔眼的流量、面積、流量系數(shù)及水頭損失。其他兩項也可同樣推得
由流線II得出：

                (3.14)
　

    當(dāng)孔眼大小相同時，I、II流線的S₂值相等。濾料層及承托層的幾何尺寸與形狀基本上也是一樣的，所以S₃與S₄值也相等。對于I、II兩條流線不同的只有S_1A與S_1C。

    由式(6-13)及式（6-14）得：

                       (3.15)

              (3.16)  

所以，                         (3.17)

     一般認(rèn)為，在同一濾池平面中任何兩點(diǎn)沖洗強(qiáng)度之比不應(yīng)小于0.95，即：

                                                      （3.18）

    就是說濾池配水均勻性要大于或等于95％，任何兩點(diǎn)的沖洗強(qiáng)度差要等于或小于5％。
    從上邊的公式及實際情況來分析，要使åS_A與åS_C盡量接近而趨于相等，只有兩種途徑：*，加大孔眼的阻力系數(shù)S2的數(shù)值，*，減小管道的水力阻抗S₁的數(shù)值。因為只有S₁、S₂在設(shè)計配水系統(tǒng)時，可以加以改變，面濾料的水力阻抗S₄及承托層的水力阻抗S₃一經(jīng)材料選定基本上是固定不變的。配水系統(tǒng)因此分為兩大類型，分別介紹如下：

(1)大阻力配水系統(tǒng) 使孔眼的水力阻抗S₂遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余部分的水力阻抗，因而就使公式(3.17)的比值接近于1，由此*配水相對地均勻的配水系統(tǒng)，即稱為大阻力配水系統(tǒng)。S₂的加大可以用提高通過孔眼的水流速度因而加大孔眼的阻力的方法來實現(xiàn)，一般孔眼的流速要高達(dá)5～6米/秒。沖洗水在整個濾池面積上的上升流速約為0.012至0.014米/秒，所以配水孔眼的總面積需為濾池面積的1/500左右，才能*上述通過孔眼的流速。一般在每平方米的濾池上，配水孔的總面積約為0.002～0.0025米。大阻力配水系統(tǒng)在經(jīng)營實踐中，工作可靠，采用較廣，所以是主要的配水型式。
(2)小阻力配水系統(tǒng) 通過減小配水系統(tǒng)的水力阻抗S₁，使配水系統(tǒng)上所有孔眼處的壓力近于相等，即S₁及S₂都變小，同樣會使式(3.17)的比值接近于1。在這種情況
下，為了減小濾池沖洗水的水頭，應(yīng)該盡可能將孔眼的水力阻抗S₂減小。按照這種原理建造的配水系統(tǒng)稱為小阻力配水系統(tǒng)。要達(dá)到達(dá)一點(diǎn)，就需讓沖洗水在分配過程中，水平流動的速度很小，一般在池子底部布置了較大的進(jìn)水空間(高在40厘米左右較合適)。所以小阻力配水系統(tǒng)構(gòu)造很簡單。如圖3.19所示。
    這種配水系統(tǒng)的另一個優(yōu)點(diǎn)，就是需要的沖洗水頭很小，在2米左右，而大阻力配水系統(tǒng)—般要求7米左右。所以小阻力配水系統(tǒng)所需的動力費(fèi)用也就省了。目前我國采用的小阻力配水系統(tǒng)有：鋼筋混凝土穿孔扳，穿孔濾磚，塑料濾頭，鋼制格棚等。穿孔濾磚由陶瓷或鋼筋混凝土制成，開孔比上層1.07％，下層0.7％，有不同規(guī)格尺寸，配水均勻性較好，但價格較高。
    小阻力配水系統(tǒng)適用于面積較小的濾池，面積較大不易做到配水均勻。而大阻力配水系統(tǒng)，不論面積大小都可以利用。

管式大阻力配水系統(tǒng)
(1)管式大阻力配水系統(tǒng)的構(gòu)造及設(shè)計

    管式大阻力配水系統(tǒng)用鑄鐵管或鋼管構(gòu)成，它的外形單邊的像耙子，雙邊的像排骨(見圖3.20)。由于鑄鐵管和鋼管有銹蝕，有用陶瓷管代替的。池子*設(shè)有配水干管，干管兩邊分出許多帶有孔眼的支管。每根支管的配水面積相等，每個孔的配水面積也相等，和圖3.20(a)所示。圖3.20(a)上為了表示方便，只畫了8根配水支管，實際上這些配水管*只相距0.2—0.3米，彼此很接近，如果我們看圖3.20(b)就可以大致的*一個比例關(guān)系。支管埋在承托層中間，距池底有一定高度，它的下面或兩側(cè)開孔，孔徑為9—12毫米，如開兩排孔則孔與管*垂線成45°交錯排列。當(dāng)沖洗水由孔眼噴出后，先經(jīng)過承托層的作用而擴(kuò)散在一定面積上，*進(jìn)一步均勻分布。孔的間距是由它的總面積及孔徑?jīng)Q定的，孔的總面積與濾池面積之比，一般為0.2％～0.25％，實際孔距一般為75～200毫米。支管管徑一般為75～100毫米，是按進(jìn)口處的流速為1.5～2.5米／秒決定的。而干管的管徑則按流速為1～1.5米／秒來決定的。為了排除配水系統(tǒng)中可能進(jìn)入的空氣，在干管的末端設(shè)有排氣管。干管坡向管廊。
    按上面的設(shè)計，我們可以看出當(dāng)濾池面積較大，也就是干管直徑過大時，就會出現(xiàn)下面兩個缺點(diǎn)：①支管在池底上過高，所以池子需加深，承托層也需加厚，引起造價的增加；②干管所占的池子的部分過寬，這部分池子的面積，不能按支管布置配水孔的要求采配水。為了解決這一問題，有的設(shè)計在干管頂適當(dāng)加裝一些配水濾頭，如圖3.21(a)所示。在中等及大面積的濾池，采用了如圖3.21(b)、(c)的一些布置方案。

    圖3.21(b)把干管埋在池底底板以下，上面接出短管穿過底板與支管相聯(lián)，這樣布置的池深就比干管裝在池里面的情況淺了。考慮池面積很大時(例如60—80米²以上)可采用圖3.21(c)的型式，這種型式把進(jìn)水渠和過濾水的出水渠(即洗砂水配水干渠)重疊起來，把濾池分為兩半，沖洗排水槽及配水支管都分別按池子的一半來設(shè)計布置，所以它們的長度也相應(yīng)縮短了，這就容易滿足配水均勻的要求。
　

(2) 管式大阻力配水系統(tǒng)的水力計算

    根據(jù)沖洗強(qiáng)度q及配水系統(tǒng)上所有孔眼的總面積W(米²)，可以計算出孔眼處應(yīng)具有的水頭H₀(米)。

                                               (3.24)