陳祖軍，韋鶴平
(同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上 海200092)

　　摘要： 針對(duì)上海市吳閔污水外排工程中穿越黃浦江大型倒虹管可能出現(xiàn)的泥沙淤積問(wèn)題進(jìn)行了模型 試驗(yàn)，結(jié)果顯示在目前運(yùn)行狀況下管內(nèi)會(huì)存在嚴(yán)重淤積，必須調(diào)整運(yùn)行工況。就模型試驗(yàn)及理論分析結(jié)果，結(jié)合越江倒虹管前泵站的實(shí)際運(yùn)行能力，提出了最低運(yùn)行流量標(biāo)準(zhǔn)及幾點(diǎn)管理措施，供工程管理部門(mén)參考。
　　關(guān)鍵詞：倒虹管；泥沙淤積；水力模型；運(yùn)行工況；管理措施
　　中圖分類(lèi)號(hào)：TU992.2
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)： 1000-4602(2001)01-0057-04

　  上海市吳閔污水外排工程已于1999年底竣工并投入運(yùn)行，它對(duì)保護(hù)黃浦江上游水源、改善市 區(qū)環(huán)境質(zhì)量有重大戰(zhàn)略意義。因受地理?xiàng)l件限制，該工程沿途多處設(shè)有倒虹管，其中以穿越 黃浦江的大型倒虹管最典型。工程運(yùn)行初期，污水量較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到規(guī)范中排水管道滿(mǎn)流 時(shí)要求的最小流速(0.75 m/s，單管流量25×104 m3/d)，且存在雨污合流，泥沙俱下， 如果倒虹管連續(xù)運(yùn)行，流速較小，易引起污水中的泥沙沉降，造成倒虹管內(nèi)泥沙淤積。另外 ，污水中的泥沙顆粒具有一定的粘性，若長(zhǎng)期沉積于倒虹管內(nèi)，將會(huì)產(chǎn)生板結(jié)現(xiàn)象，造成泥 沙沖動(dòng)困難，尤其在彎頭部位易造成富積淤堵。穿越黃浦江的倒虹管是吳閔外排工程的咽喉 ，如果管內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重淤積并板結(jié)，必然改變管內(nèi)水流的水力特性，引發(fā)排水不暢、高位井壅 水外溢等環(huán)境事故，因而有必要對(duì)倒虹管的泥沙淤積情況進(jìn)行模型試驗(yàn)論證。

　　1  模型設(shè)計(jì)

　　1.1基本資料
　　穿越黃浦江的大型倒虹管管徑為2200，管長(zhǎng)約1.2 km，于浦東江邊以約28 m 的垂直立管與浦東外排管道相接，其縱剖面如圖1所示。
　　工程近期設(shè)計(jì)水量約為20×104 m³/d，遠(yuǎn)期為70×104 m³/d，接納的污水主要為工 業(yè)廢水。參考上海市其他類(lèi)似污水的資料，通常的泥沙濃度Sp = 0.2 kg/m³，泥沙的中值粒徑d30=0.3 mm，泥沙濕密度γs=2.1 t/m ³，泥沙干密度γ0 =0.73 t/m³。

(圖中單位以m計(jì))
圖1  越江倒 虹管縱剖面示意圖

　　1.2模型設(shè)計(jì)
　　1.2.1水力比尺及模型沙的選定
　　綜合考慮實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地條件和待研究的倒虹管易出現(xiàn)淤積危險(xiǎn)的區(qū)段(即倒虹管上升管 前面的250 m水平段)，選擇模型長(zhǎng)度比尺為11，即αl=αh=11；按 同時(shí)滿(mǎn)足水流重力相似和阻力相似條件，有：

　　αv＝αh^1/2  (1)

　　α_v＝(1/α_n)α_h^1/6α_hα_l   　　　(2)

　　式中α——比尺
　　　　l、h、v、n——分別為長(zhǎng)度、高度、速度和糙率

　　聯(lián)解式(1)、(2),得糙率比尺及模型糙率為：

　　因此選擇模型材料為有機(jī)玻璃。為保證模型水流運(yùn)動(dòng)相似，應(yīng)采用：
　　流速比尺αv=αl1/2=3.3
　　流量比尺αQ=αl5/2=401.3
　　水力坡度比尺αI=αh/αl=1
　　根據(jù)模型沙的要求，選取濕密度和干密度分別為γsm=1.43 t/m3和γ om=0.3 t/m3的電木屑為模型沙。原型沙與模型沙的沉速可由式(3)計(jì)算^［2］：

　　?

　　式中　r——水的密度，t/m³
  　　　　　T——水溫，℃
  　　　　　D——泥沙粒徑，mm

　　結(jié)合上海市吳閔污水的特點(diǎn)及泥沙性質(zhì)，將d30=0.30 mm和T=10 ℃ 代入式(3)，得原型沙沉速為?＝1.88 cm/s。
按沉降相似條件^［2］有：

　　則模型沙沉速ωm＝0.57 cm/s，中值粒徑dm=0.24 mm。
　　1.2.2  輸沙率比尺和沖淤時(shí)間比尺的確定
　　由懸沙相似條件可得輸沙率比尺和沖淤時(shí)間比尺分別為：

　　1.2.3  裝置
　　根據(jù)基本資料、模型要求和相似準(zhǔn)則進(jìn)行的模型設(shè)計(jì)，其管徑為?200，裝置的相關(guān)尺 寸如圖2所示(單位cm)。試驗(yàn)設(shè)備包括進(jìn)水箱、出水箱、倒虹管、攪拌器、測(cè)流量的設(shè)備(三 角堰、LZB型轉(zhuǎn)子流量計(jì)和LDZ—1X型多普勒流量巡檢儀)和水位儀等。
試驗(yàn)過(guò)程中，原水經(jīng)水泵送入高位水箱，水流在加模型沙攪拌后，由進(jìn)出水箱的水位 差和閘閥控制流量，通過(guò)倒虹管至出水箱與測(cè)流量的水槽相接，然后自三角堰流入地下水池 循環(huán)使用。水流在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下，按一定的運(yùn)行時(shí)間記錄泥沙的遷移狀況，可繪出不同時(shí) 刻沙床的剖面圖。

圖2  倒虹管水力模型示意圖

　　2  模型試驗(yàn)

　　根據(jù)工程近、中、遠(yuǎn)期的日運(yùn)行量大小，模擬了(8～35)×104 t/d的多種工況，其典型工 況的試驗(yàn)結(jié)果為：
　　工況1-1為流量為8.3 t/h(原型8×104 t/d)的泥沙淤積試驗(yàn)，采用中值粒徑d50 =0.24 mm的模型沙，濃度為400 mg/L，不同時(shí)刻的沙床分布結(jié)果見(jiàn)圖3。工況1-2為前者在 連續(xù)運(yùn)行24 h(原型10 d)后，用流量為47 t/h的渾水對(duì)其淤積底沙進(jìn)行沖洗，模型沙的濃度 不變。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該流量下沖洗效果較好，對(duì)底沙的沖刷力較大，10 min(原型5. 5 h)后即可將絕大部分泥沙沖走，最后只剩較薄的粗沙在管底形成遷移較慢的小尺 度沙波且 幾乎分布于整個(gè)試驗(yàn)管段(沙波波長(zhǎng)約為10 cm，原型為1.10 m)。

圖3  工況1-1的沙床剖面

　　工況2-1是流量為27 t/h(原型25.9×104 t/d)的泥沙淤積試驗(yàn)，工況2-2是流量為50 t/h(原型48×104 t/d)的泥沙沖洗試驗(yàn)。在淤積試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行24 h后(沙床剖面見(jiàn)圖4)， 即以該淤積底沙為對(duì)象進(jìn)行沖洗試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行7 min(原型約4 h)后，除管底一薄層粗粒沙 外，其余泥沙均被沖走，沙床變成小的、比較均勻的沙波(沙床厚度不大，約幾 mm) ， 分布于下游管段2/3處，其波長(zhǎng)大約為9cm(原型約1.0 m)，逐漸隨水流前移；另外還發(fā)現(xiàn)渾 水試驗(yàn)有沉沙現(xiàn)象，但旋即又被沖走，因而沙床厚度隨時(shí)間變化不大。
　　工況3-1是流量為31.2 t/h(原型30×104 t/d)的泥沙淤積試驗(yàn)，工況3-2是流量為54 t/h( 原型52×104 t/d)的泥沙沖洗試驗(yàn)，前者在動(dòng)態(tài)平衡下的沙床剖面見(jiàn)圖5。當(dāng)沖洗流量增 加至54 t/h(原型52×104 t/d)時(shí)，泥沙大量揚(yáng)起，隨水流走，不易沉降。沖洗試驗(yàn) 進(jìn)行4 min后，如工況2-2中發(fā)現(xiàn)的連續(xù)分布的小沙丘變得更小，且其個(gè)數(shù)在繼續(xù)減少，8 mi n(原型4.4 h)后所有沙丘消失，只剩下彎頭部位難以沖動(dòng)的粒徑粗細(xì)不等(0.5～2 mm)的沙堆。

圖4  工況2-1的沙床剖面

圖5  工況3-1的沙床剖面

　　工況4-1是流量為36 t/h(原型35×104 t/d)的泥沙淤積試驗(yàn)。為確定倒虹管中允許的泥沙 淤 積高度對(duì)應(yīng)的臨界流量，采用該渾水流量進(jìn)行了連續(xù)運(yùn)行的泥沙淤積狀況模擬，試驗(yàn)過(guò)程同 上，其在動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的沙床分布結(jié)果見(jiàn)圖6。除倒虹管下游局部存在的零星沙床厚達(dá)25 mm外 ，其余均＜15 mm，且主要集中于上升管部位及其上游一小段，其淤積厚度接近于10%左 右。

圖6   工況4-1的沙床剖面

　　除上述典型試驗(yàn)外，還進(jìn)行了原型流量分別為(10、15、22.5)×104 t/d等多種連續(xù)運(yùn)行 工況的模擬。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各工況下的泥沙淤積狀況與流量為8×104 t/d的情況類(lèi)似，僅 是沙床的增長(zhǎng)幅度及快慢不同而已，均屬于淤積很?chē)?yán)重的工況。

　　3   結(jié)果分析

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于低流量的連續(xù)運(yùn)行，確實(shí)會(huì)在倒虹管中產(chǎn)生較為嚴(yán)重的泥沙淤積，流量 大的情況要好一些，但也要充分注意。從沖淤試驗(yàn)的沙床變化圖中可以看出，污水流量≤36 t/h時(shí)，其沙床增長(zhǎng)幅度都比較快，屬危險(xiǎn)運(yùn)行工況，若不及時(shí)清淤將很危險(xiǎn)；當(dāng)流量為36 ～47 t/h時(shí)，倒虹管中的泥沙淤積較少，屬于薄層淤積的工況，尤其流量為36 t/h左右時(shí)， 倒虹管的局部仍然會(huì)達(dá)到10%的淤積厚度(國(guó)外市政排水管道中允許的泥沙淤積最大 相對(duì)厚度［3］的參考值為10%，現(xiàn)國(guó)內(nèi)尚缺乏統(tǒng)一值)，不能認(rèn)為是安全的；當(dāng)流量 大于47 t/h(原型45×104 t/d)時(shí)，此時(shí)原型單管流速為1.37 m/s，這與相關(guān)文獻(xiàn) 中對(duì)該工程泥沙防淤的最小流速分析相吻合。

　　4  泵運(yùn)行方式分析

　　根據(jù)模型試驗(yàn)的結(jié)果分析及越江倒虹管泵站設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行能力(4臺(tái)大泵和2臺(tái)小泵， 其額定流量分別為3.0、2.6 m2/s)，考慮到近遠(yuǎn)期外排工程中管道的實(shí)際可納入污水量，結(jié)合表1中所示的流量與流速的對(duì)應(yīng)關(guān)系及表2中各種流量下的開(kāi)泵運(yùn)行時(shí)間，以流速不小于1.37 m/s為防淤臨界條件，可采用如下運(yùn)行方案：

表1   實(shí)際工程中污水流量與流速對(duì)應(yīng)表

表2  污水流量與開(kāi)泵組合的運(yùn)行時(shí)間表

　　總流量QD≤35×10⁴ t/d時(shí)，采用單泵連續(xù)工作是不合理的，也是最危險(xiǎn)的 ，建議不要采用；采用兩臺(tái)小泵運(yùn)行、一臺(tái)大泵加一臺(tái)小泵或兩臺(tái)大泵運(yùn)行時(shí)，其合計(jì)流量均達(dá)到5.2 m³/s(Q≥45×10⁴ t/d)，泥沙淤積狀況在允許范圍內(nèi)，因而連續(xù)運(yùn)行是安全的，對(duì)兩種泵采用任意方式組合運(yùn)行均可。
　　其他流量的開(kāi)泵運(yùn)行工況按保證流量不低于5.2 m³/s進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

　　5  結(jié)論與建議

　　吳閔外排工程初期污水量較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工程設(shè)計(jì)的最小流量(25×10⁴ t/d)。由倒虹管 泥沙沖淤模型試驗(yàn)可知：當(dāng)采用單管運(yùn)行、流量≤35×10⁴ t/d時(shí)，倒虹管內(nèi)有泥沙淤積 的危險(xiǎn)，且流量越小，淤積越嚴(yán)重；如果排放污水為雨污合流，則大顆粒的泥沙會(huì) 累積于倒 虹管的彎頭部位形成沙堆，即使流量大也難以沖走，必須引起重視。為防止倒虹管內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán) 重的泥沙淤積，以倒虹管內(nèi)的流速≥1.37 m/s作為控制目標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)階段實(shí)際可匯入污水量 及倒虹管前提升泵站的運(yùn)行能力，提出以下運(yùn)行管理措施與建議：
　?、俑鶕?jù)模型試驗(yàn)中密度大的泥沙難于沖走的事實(shí)及連續(xù)運(yùn)行中泥沙的累積效應(yīng)，建議在倒 虹管(泵站)前設(shè)置沉砂池；另外，模型沙無(wú)粘性，其起始流速比粘性沙小，因而模擬結(jié)果比 實(shí)際的輸沙效果要樂(lè)觀一些。要解決污水中粘性沙粒的存在及淤積，在實(shí)際操作中需相應(yīng)加 大流量運(yùn)行或沖洗，且建議一定周期(一般3～5 a)對(duì)彎頭清淤一次。
　?、趩喂苓\(yùn)行的流量≤35×10⁴ m³/d時(shí)，至少應(yīng)有兩臺(tái)泵工作(可一大一小、兩小泵或 兩大泵組合)，這樣足以滿(mǎn)足流量要求(≮5.2 m³/s)；運(yùn)行時(shí)間視水位變化可人工控制也 可自動(dòng)控制，但根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，建議每天兩次運(yùn)行，每次運(yùn)行時(shí)間為3～4 h。流量達(dá)到 45×10⁴ m³/d左右時(shí)，仍控制倒虹管單管排放，泵的運(yùn)行仍依照上述方案實(shí)施，也可適 當(dāng)增加到3臺(tái)泵運(yùn)行，沖洗次數(shù)也隨之增加。
　　③為安全起見(jiàn)，建議流量≥52×10⁴ t/d(即相當(dāng)于至少兩臺(tái)大泵的工作流量)時(shí)，運(yùn)行2 周左右沖洗1次；流量≥66×10⁴ t/d(即相當(dāng)于至少3臺(tái)小泵的工作流量)時(shí)，每隔2個(gè)月左 右要進(jìn)行大流量沖洗。如目前利用的上游管道蓄水能力不能滿(mǎn)足此沖洗水量，可外引部分黃 浦江水以滿(mǎn)足沖洗要求。據(jù)分析，單根倒虹管能夠排放約70×10⁴ m³/d的污水，因此建 議在流量為70×10⁴ m³/d左右時(shí)，仍采取單根倒虹管排放，不需再進(jìn)行沖洗。
　?、芨鶕?jù)污水海洋處置工程中擴(kuò)散器的原理及模型試驗(yàn)結(jié)果，建議以后類(lèi)似的倒虹管設(shè)計(jì)可 采取縮小管徑、增大上升管的流速及改善水流紊動(dòng)條件等措施，從而加大輸沙效果 、減少泥 沙淤積。另外該工程需進(jìn)一步完善污水收集系統(tǒng)，實(shí)行雨污分流及控制管前匯入污水的預(yù)處 理，從源頭處減少泥沙的輸入。

　　參考文獻(xiàn)：
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　　［3］Ackers P.Sediment aspects of drainages and outfall design［A］.Lee ,Cheung.Environmental Hydraulics［C］.1991，19-30.

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　　收稿日期：2000-05-08