【莱温坦伯】重力无阀滤池原理与设计计算

无阀滤池

无阀滤池是一种不设阀门、水力控制运行的等速过滤滤池。按照滤后水压力大小分为重力式和压力式两类。通常，滤后水出水水位较低，直接流入地面式清水池的无阀滤池为重力式；而滤后水直接进入高位水箱、水塔或用水设备，滤池及进水管中都有较高压力的无阀滤池为压力式。

1、重力式无阀滤池的构造

重力式无阀滤池构造见图8-20，主要由进水分配槽、U形进水管、过滤单元、冲洗水箱、虹吸上升管、虹吸下降管、虹吸破坏系统组成。

2、重力式无阀滤池设计计算

重力式无阀滤池要求各管道设计严密、标高计算准确，完全按照水力计算结果自动运行，涉及内容较多，仅对主要部位的设计计算作一简要说明。

① 反冲洗水箱

反冲洗水箱置于滤池顶部，一般加设盖板或密封（留出人孔），水箱容积按照一格滤池冲洗一次所需要的水量计算：

V=0.06qFt

V----冲洗水箱容积，m3；

q----冲洗强度，L/（m2·s），—般采用平均冲洗强度qa=15 L/（m2·s）；

F----单格滤池过滤面积，m2；

t----冲洗历时，min，一般取4~6min。

平均冲洗水头=（Hmax+Hmin）/2

虹吸辅助管管口标高=排水堰堰口标高+最大冲洗水头-清水堰堰上水头（如有）+期终允许最大水头损失

进水堰堰口标高=虹吸辅助管管口标高+U型进水管、虹吸上升管水损+保证跌水高度（0.1-0.15m）

进水堰堰前水位标高=进水堰堰口标高+进水堰出堰上水头

反冲洗水箱深度△H和合用一个冲洗水箱的滤池格数n有关，和下列设计要求有关。

a.当一格滤池冲洗时，其他几格滤池过滤的水量不参与冲洗，不计连通渠和连通渠斜边面积，则冲洗水箱的深度△H为：（原水是否中断不影响，原水不经过滤层直接排走了，无补水，反冲洗水量=0.06qFt）

b.各格滤池无冲洗时自动停止过滤进水装置，当一格滤池冲洗时，其他（n-1)格滤池过滤的水量补充到冲洗水箱参与冲洗，不计连通渠和连通渠斜边面积，则冲洗水箱的深度△H为：（原水进水不中断，补水量=Q-vF）

c.各格滤池均有冲洗时自动停止过滤进水装置，当一格滤池冲洗时，其他（n-1)格滤池过滤的水量等于格滤池过滤的水量，全部补充到冲洗水箱参与冲洗，不计连通渠和连通渠斜边面积，则冲洗水箱的深度△H为：（原水进水中断，其他滤格强制过滤,补水量为Q）

多格滤池合用一座冲洗水箱，水箱水深可以减少很多。反冲洗时的最大冲洗水头Hmax和最小冲洗水头Hmin，分别指的是冲洗水箱最高、最低水位和排水堰口标高的差值。当冲洗水箱水深变浅后，最大冲洗水头和最小冲洗水头差别变小，反冲洗强度变化较小，能使反冲洗趋于均匀。

无阀滤池的分格多少除考虑冲洗水箱水深，冲洗强度均匀之外，还应考虑的是，当一格滤池冲洗时，其他几格过滤水量必须小于该格冲洗水量。这和虹吸滤池的分格要求正好相反。否则，其他几格过滤水量等于或大于一格反冲洗水量时，无阀滤池将会一直处于反冲洗状态。因此，一组无阀滤池合用一座反冲洗水箱时，其分格数一般≤3。当一格滤池冲洗即将结束时，其余二格滤池过滤水量不至于随即淹没虹吸破坏管口，使虹吸得以彻底破坏。

②虹吸上升管

从反冲洗过程可知，冲洗水箱水经连通渠、承托层、滤层进入虹吸上升管、下降管排入排水井，其水量等于冲洗强度乘以滤池面积。设计时，冲洗强度采用平均冲洗强度，即按照Hmax和Hmin平均值Ha计算的冲洗强度。如果冲洗的一格不能自动停水，进入该格的过滤水直接进入虹吸上升管、虹吸下降管排出，则虹吸管的流量等于这两部分流量之和。

当滤池的面积和反冲洗强度确定后，即确定了反冲洗水的流量，可以先行选定管径计算出总水头损失，然后确定排水堰口的高度，使总水头损失∑h小于冲洗水箱平均水位与排水堰前水封井水位高差值，即∑h＜Ha。也可以按照设定的平均冲洗水头坟，反求出虹吸管管径。

在能够利用地形高差的地方建造无阀滤池，将排水井放在低处，增大平均冲洗水头后，便可减小虹吸管管径。设计时，虹吸下降管管径比上升管管径小1~2级。虹吸下降管管口安装冲洗强度调节器，用改变阻力大小方法调节冲洗强度。

③虹吸辅助管

虹吸辅助管是加快虹吸上升管、虹吸下降管形成虹吸、减少虹吸过程中水量损失的主要部件，如图8-21。当虹吸上升管中水位到达虹吸辅助管上端管口后，从辅助管内下降的水流抽吸虹吸上升管顶端积气，加速虹吸形成。虹吸上升管中的水位很快就会充满全管，所以用虹吸辅助管上端管口标高作为过滤过程中砂面上水位上升的最大值。虹吸辅助管管口标高和冲洗水箱中出水堰口14标高的差值即为期终允许过滤水头损失值H。无阀滤池期终允许过滤水头损失可采用1.5m。为防止虹吸辅助管管口被水膜覆盖，通常设计成比辅助管管径大一号的管口。

④虹吸破坏斗

虹吸破坏斗见图8-22。和虹吸辅助管相连接，是破坏虹吸、结束反冲洗的关键部件。（有延时作用，以便彻底破坏虹吸）

由虹吸破坏管抽吸破坏斗中存水时，水斗中存水抽空后再行补充的间隔时间长短直接影响到虹吸破坏程度。当冲洗水箱中水位下降到破坏斗缘口以下时，水箱水仍能通过两侧的小虹吸管流入破坏斗。只有破坏斗外水箱水位下降到小虹吸管口以下，破坏斗停止进水。虹吸破坏管很快抽空斗内存水后，管口露出进气，虹吸上升管排水停止，冲洗水箱内水位开始上升。当从破坏斗两侧小虹吸管管口上升到管顶向破坏斗充水时，需要间隔一定时间。于是，就有足够的空气进入虹吸管，彻底破坏虹吸。

⑤进水分配槽

进水分配槽一般由进水堰和进水井组成。过滤水通过堰顶溢流进入到各格滤池，同时保持一定高度，克服重力流过滤过程中的水头损失。进水堰顶标高=虹吸辅助管管口标高+U形进水管、虹吸上升管内各项水头损失+保证堰上自由跌水高度(0.1~0.15m)。

堰后进水分配井平面尺寸和水深对无阀滤池的运行会产生一定影响。当滤料为清洁砂层或冲洗不久过滤时，水头损失很小，虹吸上升管及进水分配井中水位高出冲洗水箱水面很少，从进水堰上跌落的水流就会卷入空气，从进水管带入滤池。这些空气要么逸出积聚在虹吸上升管顶端，要么积存在滤池顶盖之下，越积越多。虹吸上升管中水位上升后，或者大量水流冲洗滤池时，积聚在滤池顶盖之下的气囊就会冲入虹吸上升管顶端，有可能使反冲洗中断。

为了避免上述现象发生，①通常采用减小进水管、进水分配井的流速，保持进水分配有足够水深，②设计分配井底与滤池冲洗水箱顶相平或低于冲洗水箱水面。③同时放大进分配井平面尺寸到(0.6mx0.6m)~(0.8mx0.8m)，均有助于散除水中气体，防止入空气作用。

⑥U形进水管

如图所示，如果进水分配井出水直接进入虹吸上升管，而不设U形弯管，就会出现如下现象：反冲洗时，虹吸上升管中流量强烈抽吸三通处接入管中水流，无论进水管是否停止进水都会将进水管中大部分存水抽出而吸入空气，破坏虹吸。为此，加设U管进行水封，并将U形管管底设置在排水水封井水面以下，U形管中存水就不会排往水井，也就不可能从进水管处吸入空气。