滤池冲洗的配水设备

1． 配水系统的作用及类型
    配水系统的主要作用，在于保证进入滤池的冲洗水，能够均匀分布在整个滤池面积上，但在过滤时，它也起了均匀集水的作用，因此配水系统是滤池构造的关键问题。当配水系统不能起均匀配水作用时，会产生两个不利的现象：一个现象是由于冲洗水没有均匀分布在整个滤池面积上，在冲洗水量小的地方就冲洗得不干净，这些不干净的滤料，逐渐会胶结起来，长大成团。形成“泥球”或“泥饼”。“泥球”和“泥饼”又进一步影响冲洗的效果，将会影响过滤的水质，甚至被迫将整个砂层运出滤池进行清洗。另一个现象是在冲洗水量大的地方，流速很大，会使承托层发生冲动，引起滤料和承托层混合现象，使砂子漏入过滤水中，产生“走砂”现象。这个现象还同样会对水的不均匀分布起恶性循环的作用。上述两个现象所引起的严重问题是很明显的，因此，配水系统的设计需考虑冲洗时配水均匀的条件。在满足冲洗的配水要求后，过滤时的集水均匀就会同时*解决。所以不必另行核算。
    怎样才能保证配水系统冲洗水的均匀呢?这就要分析配水不均匀的原因。

    图3.18表示滤池冲洗时的水流情况。假定冲洗水进入池子前的压力比冲洗排水槽槽顶高出H_x米(也即冲洗水有效水头)，冲洗水进入池子后，由池底的配水系统的孔眼演出，分布在整个滤池面积上。冲洗强度的平均值为q升/秒·米²。但冲洗强度在整个滤池面积上的分布是不均匀的，A点与C点间的冲洗强度相差较大，以q_A及q_C表示。在A、C两点相等的微小面积Da的流量Dq_A与Dq_C，则分别为q_ADa与q_CDa,它们按图6—18所示的I与II两条流线流动。这样，它们从配水系统经承托层、滤料层后溢入冲洗排水槽的流程中所产生的水头损失也正好为H_x。从流线I得出：
    Hx=配水系统损失(其中包括沿程损失和局部损失)S_1A(Dq_A)²+孔眼出流水头损失S₂(Dq_A)²＋承托层水头损失)₃(q_A)²+滤料层水头损失S₄(Dq_A)²+流速头 (3.13)

    式中S₁、S₂、S₃及S₄分别表示有关部分的水力阻抗(给水管网汁算中曾用S_q2表示管道的水头损失)。孔眼出流的损失可由孔眼流量公式Q＝uAc、私』十椎得扎：兹乒子，式中Q、A、m、h分别为孔眼的流量、面积、流量系数及水头损失。其他两项也可同样推得
由流线II得出：

                (3.14)
　

    当孔眼大小相同时，I、II流线的S₂值相等。滤料层及承托层的几何尺寸与形状基本上也是一样的，所以S₃与S₄值也相等。对于I、II两条流线不同的只有S_1A与S_1C。

    由式(6-13)及式（6-14）得：

                       (3.15)

              (3.16)  

所以，                         (3.17)

     一般认为，在同一滤池平面中任何两点冲洗强度之比不应小于0.95，即：

                                                      （3.18）

    就是说滤池配水均匀性要大于或等于95％，任何两点的冲洗强度差要等于或小于5％。
    从上边的公式及实际情况来分析，要使åS_A与åS_C尽量接近而趋于相等，只有两种途径：*，加大孔眼的阻力系数S2的数值，*，减小管道的水力阻抗S₁的数值。因为只有S₁、S₂在设计配水系统时，可以加以改变，面滤料的水力阻抗S₄及承托层的水力阻抗S₃一经材料选定基本上是固定不变的。配水系统因此分为两大类型，分别介绍如下：

(1)大阻力配水系统 使孔眼的水力阻抗S₂远远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*配水相对地均匀的配水系统，即称为大阻力配水系统。S₂的加大可以用提高通过孔眼的水流速度因而加大孔眼的阻力的方法来实现，一般孔眼的流速要高达5～6米/秒。冲洗水在整个滤池面积上的上升流速约为0.012至0.014米/秒，所以配水孔眼的总面积需为滤池面积的1/500左右，才能*上述通过孔眼的流速。一般在每平方米的滤池上，配水孔的总面积约为0.002～0.0025米。大阻力配水系统在经营实践中，工作可靠，采用较广，所以是主要的配水型式。
(2)小阻力配水系统 通过减小配水系统的水力阻抗S₁，使配水系统上所有孔眼处的压力近于相等，即S₁及S₂都变小，同样会使式(3.17)的比值接近于1。在这种情况
下，为了减小滤池冲洗水的水头，应该尽可能将孔眼的水力阻抗S₂减小。按照这种原理建造的配水系统称为小阻力配水系统。要达到达一点，就需让冲洗水在分配过程中，水平流动的速度很小，一般在池子底部布置了较大的进水空间(高在40厘米左右较合适)。所以小阻力配水系统构造很简单。如图3.19所示。
    这种配水系统的另一个优点，就是需要的冲洗水头很小，在2米左右，而大阻力配水系统—般要求7米左右。所以小阻力配水系统所需的动力费用也就省了。目前我国采用的小阻力配水系统有：钢筋混凝土穿孔扳，穿孔滤砖，塑料滤头，钢制格棚等。穿孔滤砖由陶瓷或钢筋混凝土制成，开孔比上层1.07％，下层0.7％，有不同规格尺寸，配水均匀性较好，但价格较高。
    小阻力配水系统适用于面积较小的滤池，面积较大不易做到配水均匀。而大阻力配水系统，不论面积大小都可以利用。

管式大阻力配水系统
(1)管式大阻力配水系统的构造及设计

    管式大阻力配水系统用铸铁管或钢管构成，它的外形单边的像耙子，双边的像排骨(见图3.20)。由于铸铁管和钢管有锈蚀，有用陶瓷管代替的。池子*设有配水干管，干管两边分出许多带有孔眼的支管。每根支管的配水面积相等，每个孔的配水面积也相等，和图3.20(a)所示。图3.20(a)上为了表示方便，只画了8根配水支管，实际上这些配水管*只相距0.2—0.3米，彼此很接近，如果我们看图3.20(b)就可以大致的*一个比例关系。支管埋在承托层中间，距池底有一定高度，它的下面或两侧开孔，孔径为9—12毫米，如开两排孔则孔与管*垂线成45°交错排列。当冲洗水由孔眼喷出后，先经过承托层的作用而扩散在一定面积上，*进一步均匀分布。孔的间距是由它的总面积及孔径决定的，孔的总面积与滤池面积之比，一般为0.2％～0.25％，实际孔距一般为75～200毫米。支管管径一般为75～100毫米，是按进口处的流速为1.5～2.5米／秒决定的。而干管的管径则按流速为1～1.5米／秒来决定的。为了排除配水系统中可能进入的空气，在干管的末端设有排气管。干管坡向管廊。
    按上面的设计，我们可以看出当滤池面积较大，也就是干管直径过大时，就会出现下面两个缺点：①支管在池底上过高，所以池子需加深，承托层也需加厚，引起造价的增加；②干管所占的池子的部分过宽，这部分池子的面积，不能按支管布置配水孔的要求采配水。为了解决这一问题，有的设计在干管顶适当加装一些配水滤头，如图3.21(a)所示。在中等及大面积的滤池，采用了如图3.21(b)、(c)的一些布置方案。

    图3.21(b)把干管埋在池底底板以下，上面接出短管穿过底板与支管相联，这样布置的池深就比干管装在池里面的情况浅了。考虑池面积很大时(例如60—80米²以上)可采用图3.21(c)的型式，这种型式把进水渠和过滤水的出水渠(即洗砂水配水干渠)重叠起来，把滤池分为两半，冲洗排水槽及配水支管都分别按池子的一半来设计布置，所以它们的长度也相应缩短了，这就容易满足配水均匀的要求。
　

(2) 管式大阻力配水系统的水力计算

    根据冲洗强度q及配水系统上所有孔眼的总面积W(米²)，可以计算出孔眼处应具有的水头H₀(米)。

                                               (3.24)