（一）平流式沉沙池

沉沙池是用以沉淀挟沙水流中颗粒大于设计沉降粒径推移质泥沙，降低水流中含沙量的建筑物。其工作原理是当水流进入沉沙池后，由于断面扩大，流速减小，水流挟沙能力大为降低，继而使水流中的泥沙在沉沙池中沉淀。

平流沉沙池是目前应用最为广泛的一种泥沙处理设施，目前常见的矩形或梯形断面单厢式、正方形断面井式都可归纳到平流沉沙池中。一般来说，沉沙池断面尺寸越大，沉沙效果越好，但是沉沙池的过分加大，不仅会占据有限的耕地面积，增加工程投资，而且还会造成有限雨水资源的浪费。为此，沉沙池结构设计应结合雨水水质特点，按照既节省投资又能收到较好沉沙效果的原则，充分研究沉沙池中的水沙运动规律，通过对影响沉沙池沉淀效果因素的分析，确定满足农村雨水安全集蓄利用的最佳平流式沉沙池结构型式。

1.设计原理

（1）基本原理。

平流式沉沙池结构型式有多种，常见的有矩形、梯形断面单厢式等。沉沙池的大小与池内设计流速、工作水深、泥沙粒径等相关，也与地形条件关系密切。通常，沉沙池是根据水流从进入沉沙池开始，所挟带的设计标准粒径以上的泥沙流到出口时正好沉到池底来设计的，其泥沙沉降过程见图4-19。泥沙在水平流速作用下向前移动，同时又受到重力作用向下沉降。

图4-19　沉沙池泥沙沉淀过程示意图（单位：cm）

若计算时不考虑水流脉动现象，并假定水平向平均流速不变，沉沙池长、宽、深分别用L、B、H表示，则标准粒径泥沙的沉降时间t c可用式（4-2）计算：

其中，v c可用式（4-3）计算：

式中　v c——设计标准粒径泥沙的沉速，m/s；

D c——设计标准粒径，mm；

γ——泥沙颗粒密度，g/cm3，一般取2.67g/cm3；

h——沉沙池有效工作水深，m。

设引水流量（汇流流量）为Q，则泥沙颗粒的水平运移速度可用式（4-4）计算：

故泥沙颗粒在池长范围内的运行时间可用式（4-5）表示：

由设计条件得tc=t L，则由式（4-2）、式（4-3）和式（4-5）可解得：

式中　L——池长，m；

B——池宽，m；

其他符号意义同前。

由此可见，沉沙池长度与设计引水流量成正比，即引水流量越大，所需沉沙池长度越大；与设计标准粒径泥沙沉降速度、沉沙池宽度成反比，即沉降速度、沉沙池宽度越大，所需沉沙池长度越小。

（2）水流特性与影响因素分析。

以上是在理想状况下进行的分析，即泥沙颗粒处于自由沉淀状态，在沉淀过程中沉速不变；在过水断面上各点流速相等，在流动过程中流速不变；泥沙颗粒沉淀后不再受水流的扰动而再次启动进入水流运移。但实际上，沉沙池内的水流流速分布是不均匀的，且进口水流流速大于池中水流流速，因而形成紊流，往往造成实际沉沙池偏离理想沉沙池。

根据水力学理论，一方面，水流的紊动性可采用雷诺系数Re判别，当沉沙池中水流雷诺系数Re为4000～15000时，属紊流状态，沉沙池中的水流除具有水平流速外，尚有上、下、左、右的脉动分速，且伴有小的涡流体，这种情况十分不利于泥沙颗粒的沉淀；另一方面，水流稳定性用弗劳德数Fr来表示，Fr数增大，表明惯性力作用相对增加，重力作用相对减少，水流对温差、密度、异重流及风浪等的影响抵抗能力强，沉沙池中的流态相对稳定。结合大量研究成果，一般认为，平流沉沙池的Fr数宜大于10-5。在沉沙池中，增大水流流速，一方面提高了Re数，增强了水流的紊动性，因而不利于泥沙沉淀，但另一方面却提高了Fr数，继而增强了水流的稳定性，提高沉淀效率。由此可见，工程设计要降低沉淀池中水流的Re数和提高水流的Fr数，必须设法减小水力半径。因此，对较大的沉沙池，往往采用格栅式导流墙将沉淀池进行分隔以减小水力半径，改善水流条件，提高沉淀效率。

2.结构尺寸确定

根据沉沙池水流特性与影响沉淀效率因素的分析可知，沉沙池宽度决定于流量Q、池深H和水平流速v，其长度L取决于水平流速和停留时间t。因而，沉沙池的长、宽和深度之间互相关联。若H值过小，将使池厢宽度B增大，水流紊乱，不利于泥沙下沉，也不经济。经过综合比较，结合目前已有工程经验，确定满足农村雨水集蓄利用工程的配套沉沙池深度通常采用1.0m，长宽比2∶1比较适宜。

据此，沉沙池的设计尺寸为：H=1.0m，L=2B。将前述条件代入式（4-6）可得：

也就是说，满足式（4-7）要求的沉沙池结构，可起到良好的沉沙效果，继而为雨水水质安全提供重要技术保障。

农村雨水集蓄利用工程沉沙池引水流量可按式（4-8）计算确定：

式中　Q——设计集流面上的汇水流量，m3/s；

E——集流面集流效率；

S——引水渠控制汇流区域的集水面积，m2；

I——设计降雨强度，mm/min，参考当地降水特性确定。

对于目前典型的农村雨水集蓄利用单元工程，一般多采用混凝土集流面（集流效率取75%），典型区域单元工程集流面积一般在300m2左右，设计降雨强度取0.30mm/min。经计算，引水流量为0.00113m3/s。同时，根据雨水水质特点，雨水挟带泥沙的设计标准粒径按0.03mm计算。

将前述已知条件代入式（4-7），计算得平流沉沙池长度L=1.63m。考虑综合条件以及安全余度，最后确定农村雨水集蓄利用单元工程配套沉沙池结构尺寸为长度L=2.0m，宽度B=1.0m，池深H=1.0m。农村雨水集蓄利用单元工程平流式沉沙池结构见图4-20。

图4-20　平流式沉沙池结构图（单位：cm）

3.沉沙池结构设计与施工要求

农村雨水集蓄利用典型单元工程平流式沉沙池采用混凝土矩形结构，其结构尺寸为长2.0m、宽1.0m、深1.0m。沉沙池用C20混凝土整体现浇，池墙、池底混凝土厚10cm，且池底应按2%的反坡设计。进水口高程可根据引水渠高程确定，并与沉沙池的正常水位相衔接，出水口则应设置在沉沙池底以上15cm左右的位置。

（二）砂石过滤池

砂石过滤池是在平流式沉沙池的基础上，采用砂石材料作为滤料进行水质过滤处理的一种兼有沉淀与过滤功能的泥沙处理设施。

1.设计原理

（1）过滤机理。

过滤处理是通过悬浮颗粒与滤料颗粒之间的黏附作用和物理筛滤作用，在水流通过滤料或多孔介质的过程中截留水中的悬浮物质，从而使水体得到净化处理的一种物理处理方法。(www.daowen.com)

水流在砂石过滤池中流动时，滤料空隙中的水流一般处于层流状态，被水流挟带的泥沙颗粒将随着水流做流线运动。当水中泥沙颗粒迁移到滤料表面时，在范德华力和静电以及某些特殊的化学键吸附力相互作用下，这些颗粒被黏附于滤料表面或者滤料表面原先黏附的颗粒上，继而达到过滤的作用。

（2）滤料层布置原则。

滤池之所以能够使水澄清，主要依靠滤料发挥过滤作用，而滤料选取应尽量满足就地取材、来源充足和价格低廉等要求。砂石过滤池的核心部分是砂石滤料层，一般由2～4层不同粒径的砂石料组成，层面大体与渗流方向正交，粒径顺着水流入渗方向由细到粗。要使过滤池达到预期的目的，滤料层必须满足以下条件：①滤料层应有适当的透水性，能畅通地排除渗水；②滤料层自身不应发生渗透变形，相邻滤层间较小粒径的滤料颗粒不应穿过较大粒径滤料颗粒的孔隙；③随水流下渗的特小颗粒允许通过滤料层，但不应堵塞滤料层。

要达到上述条件，各层滤料粒径的选择显得至关重要，每一层滤料的粒径应根据来水中泥沙含量及其颗粒性质等加以确定。严格来讲，滤料的每一层都应采用专门筛选过的砂石料，在实际工程中，一般都尽可能找到可直接利用的天然砂料作滤料。砂石过滤池尺寸可根据雨水集蓄利用工程来水量以及选用滤料的导水性能，通过计算确定。

2.结构尺寸确定

（1）滤料布置。

结合雨水集蓄利用水质特点，且为提高滤层纳污能力，提高滤后的水体质量，砂石过滤池设计一般采用三层滤料，其平均粒径由上而下逐渐增大，也就是说，滤层孔隙尺寸由上而下均匀递增，这种滤料布置方式既能增加滤层纳污能力，保证滤后水质较好，又可有效减缓水头损失增长速度。同时，滤料的这种布设形式能使水流得以持续净化，其原理为：①隔滤作用，当水中悬浮杂质颗粒大于沙层空隙时，因不能通过而被阻留下来；②接触絮凝作用，当挟沙水流通过滤层空间时，沙粒接触过滤介质，使水中的微细颗粒与沙粒碰撞接触，继而促使这些杂质颗粒与细小的绒体被吸附在沙粒表面上。

滤料级配的不同直接决定着滤料的过滤效果。目前通常采用最大粒径d max、最小粒径d min和不均匀系数K 80来控制滤料粒径分布。不均匀系数K 80反映滤料的均匀程度，K 80越大，表示粗细颗粒尺寸相差越大，颗粒越不均匀，这对过滤和冲洗都很不利。因为K 80较大时，滤层纳污能力减少，如果K 80越接近于1，滤料越均匀，过滤和反冲洗效果越好，但滤料价格相对增加。

参阅有关过滤介质颗粒粒径级配要求，结合雨水水质特点和已建工程实践经验，确定雨水集蓄利用的砂石过滤池滤料上层为直径0.3～0.5mm的细砂，中层为直径2～5mm的粗砂，下层为直径15～30mm的砂砾卵石，其中上层细砂用以最大限度地过滤水中各种运移杂质；中层粗砂、下层砂砾卵石分别用以防止上层砂滤料、中层粗砂滤料流失，并通过接触吸附再次截留水流中的残余杂质，达到持续过滤、深度净化的作用。

（2）滤速确定。

滤速是指滤料表面水流的下降速度，也可以说是滤池单位面积上的流量。常规慢滤池设计滤速一般为0.2～0.3m/h，快滤池滤速为6.0～10.0m/h。滤速是控制投资和影响水质的重要参数，在相同出水量条件下，设计滤速大，滤池面积相应就小，可以节省投资。但滤速太大，使过滤周期缩短，滤后的水质往往较差。考虑到雨水集蓄利用工程一般受场地限制，过滤池占地面积不能太大，且要求其过滤效果达到最好。因此，雨水集蓄利用工程过滤池设计滤速介于慢滤池和快滤池之间，确定过滤池滤速采用2.5m/h进行设计。

（3）过滤池尺寸确定。

对雨水集蓄利用工程而言，过滤池过滤面积可用式（4-9）计算确定：

式中　Sj——农村雨水集蓄利用工程集流面面积，m2；

v s——过滤池设计滤速，m/h；

Ss——过滤池过滤面积，m2；

其他符号意义同前。

对于典型的农村雨水集蓄利用单元工程，取集流面积300m2，设计降雨强度0.30mm/min。经计算，满足农村雨水集蓄利用单元工程的过滤池过滤面积为1.62m2，考虑综合因素及安全余度，确定过滤池面积按2.00m2进行设计。

3.过滤池结构设计与施工要点

根据以上分析，确定砂石过滤池的结构尺寸为长2.0m、宽1.0m、高1.0m。砂石过滤池一般采用地埋式矩形结构，内装不同级配的砂石材料组成过滤层，对雨水进行粗滤处理。过滤层总厚度60cm，共分三层设置，厚度各为20cm。农村雨水集蓄利用单元工程砂石过滤池结构见图4-21。

图4-21　砂石过滤池结构图（单位：cm）

施工时，池体混凝土浇筑参照平流沉沙池执行。滤料采用砂砾卵石、粗砂、细砂自下而上顺序依次铺垫，且各层厚度、粒径等应严格按设计要求控制。

（三）格栅式沉沙池

格栅式沉沙池是在平流式沉沙池的基础上，为最大限度减小沉沙池尺寸，通过在池内设置等距离的横向隔墙形成的一种由多个泥沙沉降区组成的泥沙处理设施，其主要目的是延长水流流程，增加水流在沉沙池内的停留时间，继而增加泥沙沉降时间，提高泥沙处理效果。

图4-22　格栅式沉沙池结构示意图

格栅式沉沙池设计原理、结构尺寸计算等完全与平流式沉沙池一致，隔墙设计应采用与池体相同的材料建造。具体计算时，沉沙池宽度为隔墙间的宽度，长度为水流在沉沙池内行进的总距离。

格栅式沉沙池一般应用于水质较差的雨水集蓄利用工程中。农村雨水集蓄利用工程格栅式沉沙池结构示意图见图4-22。

（四）虹吸式沉沙池

1.工作原理

虹吸式沉沙池设计是利用虹吸管工作原理，对雨水进行较长时间（一般为1～3d）沉淀后，利用升降式虹吸管将沉淀后的清水导入水窖。虹吸式沉沙池大小根据设计沉沙水量计算确定，进水由人工升降进水软管控制。

农村雨水集蓄利用工程虹吸式沉沙池结构示意图见图4-23。

图4-23　虹吸式沉沙池结构示意图（单位：cm）

（1）人工控制。将进水软管置于高于超越进水管的预埋挂钩上，单次降雨结束且待沉沙池中水质完全澄清后，人工控制进水软管高度，虹吸管开始工作，直到沉沙池水位达到最低水位时停止进水。

（2）超越管进水。当一次降水过程的降雨量超过设计雨量时，沉沙池水位达到H 2。此时，降雨已进入后期，雨水中泥沙含量很小，雨水可通过超越管直接进入蓄水设施中。

（3）絮凝沉淀。当水质较差，依靠自重力沉淀效果较差和时间较长时，可根据沉淀池中水量、水质情况，加入絮凝剂辅助沉淀，待水质澄清后人工操控进水软管高度，从沉沙池向蓄水设施放水。

（4）沉沙池进水口分水控制。沉沙池进水口位置设有多个进水口，底部设置2个φ50圆形孔为正常进水口，上部设置超越进水管。当实际降雨量大于设计降雨量时，沉沙池水位超过H 2，雨水自动从超越管直接进入蓄水设施中。

2.虹吸式沉沙池结构设计

虹吸式沉沙池的设计思路是将小于或等于设计雨量的降雨集中到沉沙池，通过1～3d时间的沉淀后，水流携带的直径大于0.05mm的泥沙大部分得到沉淀，此时，可允许雨水进入蓄水设施储存使用。当实际降雨大于设计降雨，沉沙池蓄满时，后期水流携带的直径大于0.05mm的泥沙已经很少，雨水可直接通过超越管进入蓄水设施中。

（1）设计雨量确定。设计雨量是虹吸式沉沙池容积设计的主要技术参数，应根据不同的降雨特性分别确定。有关研究认为：沉沙池设计雨量应根据区域单次降雨量分级（小于等于5mm、5～10mm、10～15mm、大于15mm）出现的频率分析确定，即满足沉沙池对整个集流面单次可集水量65%～80%的沉淀处理。

（2）沉沙池容积与控制水位确定。根据前述确定的单次设计雨量，按《雨水集蓄利用工程技术规范》（GB/T 50596—2010）相关条款以及第二章中的式（2-58）和式（2-60）计算确定单次设计水量，即为沉沙池容积。

沉沙池设计水位H 1可依据单次设计水量，结合沉沙池平面尺寸计算确定。结合工程实践，H 1取值一般在0.5～0.8m之间，H 2取值不小于1.0m。

（3）结构尺寸。参考沉沙池设计规范，为方便施工，虹吸式沉沙池设计为矩形混凝土结构，底板设有2%倒坡。其中底板、侧墙采用C20混凝土现浇结构，厚度分别为10cm、8cm；盖板采用C25预制钢筋混凝土结构，厚度6cm。

（4）进水孔布设。沉沙池进水口位置布设3个φ50mm圆形孔洞，按品字形排列，顶孔（1个）为超越管进水口，底孔（2个）为正常进水口。

（5）进水管确定。超越进水管采用UPVC或PE管，直径50mm；升降式虹吸管采用PE塑料软管，直径采用32mm。

3.虹吸式沉沙池结构特点

虹吸式沉沙池具有以下特点：①增加雨水沉淀时间，可有效减少进入蓄水设施的泥沙量，节省运行管理成本；②当实际降雨量大于设计雨量时，雨水可通过超越进水管直接进入水窖；③可通过投加絮凝剂，进行人为干预缩短泥沙沉淀时间；④清淤只在沉沙池进行，工作量小，便于操作；⑤升降式虹吸软管可随时调整虹吸高度，方便沉沙池在不同水位情况下能够向蓄水设施放水。