王永恒，劉繼香
(哈爾濱市排水有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150010)

　　摘　要：介紹了對(duì)處于寒冷地區(qū)哈爾濱市的某些街區(qū)實(shí)施污水管道淺埋后的追蹤觀察情況，在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的措施。
　　關(guān)鍵詞：寒冷地區(qū)；污水管道；淺埋工程
　　中圖分類號(hào)：TU823.2
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2001)07-0074-03

　　哈爾濱市是我國(guó)東北的一座大城市，由于地處緯度較高，一年中大約有5～6個(gè)月的寒冷期，地表最大凍深為2.05 m。在這些地區(qū)埋設(shè)污水管道、建造化糞池都存在許多困難，工程的施工降水費(fèi)用很高，正常的養(yǎng)護(hù)管理困難。由于種種原因，幾年前在該市的道里、道外兩區(qū)敷設(shè)了一些淺埋污水管道，并對(duì)其進(jìn)行了多年的跟蹤觀察。

1　觀測(cè)裝置及條件

　　選擇中央大街上的觀測(cè)管道：L=28.88 m，i=0.18%，DN300，管材為鋼筋混凝土，主要輸送原市房地局機(jī)關(guān)及部分居民的生活污水。管頂上覆土1.01m，土壤地質(zhì)狀況是：人行道板0.04m，中砂0.04m，建筑雜土及砂粘土0.93m。在垂直管軸線的地表處設(shè)地溫觀測(cè)點(diǎn)，在距觀測(cè)點(diǎn)1.6m處設(shè)參照點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)與參照點(diǎn)豎向布置六個(gè)測(cè)點(diǎn)，各有六個(gè)傳熱感測(cè)頭測(cè)量地溫，其布置如圖1所示。

　　同時(shí)，還設(shè)置了1#和2#兩處水溫觀測(cè)井。在1#井(距地溫觀測(cè)點(diǎn)1.2m)內(nèi)安裝一支水位傳感器，通過遠(yuǎn)傳記錄管中水位的變化。測(cè)溫采用黑龍江大學(xué)物理系協(xié)助組裝的溫度傳感顯示儀表，液晶數(shù)值顯示，可轉(zhuǎn)換20個(gè)讀值，分辨率為0.1。
　　哈爾濱道里是以地面水為水源的供水，因此，污水管中水溫較低。另外按規(guī)范要求，DN300污水管道的i應(yīng)為0.3%，可觀測(cè)管的i=0.18%,是偏小的，影響了管內(nèi)水的流態(tài)，因此該觀測(cè)管道具有代表性。

2　試驗(yàn)情況

2.1 測(cè)點(diǎn)管道的情況
　　從1987年12月1日正式開始觀測(cè)，1989年4月結(jié)束。
　　為了探索季節(jié)性凍土的變化及在地溫和管道雙向熱傳導(dǎo)作用下的季節(jié)性凍土層變化規(guī)律，主要測(cè)量了觀測(cè)點(diǎn)隨深度的變化地溫所發(fā)生的變化。當(dāng)?shù)貙由钤?0.5m以下時(shí)，地溫變化較平緩。也就是說污水管道所敷設(shè)地層在季節(jié)性凍土中溫變是較平穩(wěn)的，并有一定的規(guī)律性，這給研究帶來了方便，即可以使用氣象部門所提供的H＝-0.4m以下的地溫資料來研究污水管道的淺埋。深層地溫值有一定的規(guī)律性，表現(xiàn)為兩點(diǎn)：①對(duì)照點(diǎn)的溫度低于觀測(cè)點(diǎn)的溫度，說明污水管道在凍土中有放熱作用，對(duì)周圍介質(zhì)產(chǎn)生了溫度影響。當(dāng)介質(zhì)溫度高時(shí)，兩點(diǎn)地溫差就大，在污水管道的放熱作用下，在管道周圍確實(shí)存在一個(gè)凍融圈，其大小與放熱體及介質(zhì)溫度有關(guān)。放熱體溫度高，凍融半徑大，介質(zhì)溫度相應(yīng)高，凍融半徑也大。②在地溫較低的1、2、3月份，觀測(cè)點(diǎn)與對(duì)照點(diǎn)溫度曲線相互交錯(cuò)，這說明周圍介質(zhì)溫度較低，可這時(shí)污水溫度也低，放熱作用極差，凍融半徑變小，這個(gè)時(shí)節(jié)也是管內(nèi)污水最易冰凍的時(shí)候。隨周圍介質(zhì)溫度回升，水溫也回升，凍融圈增大了，管道的放熱效應(yīng)也增強(qiáng)了。這時(shí)污水按道理是不易冰凍了，可往往在這個(gè)時(shí)節(jié)凍害發(fā)生較多，主要是一些特別的冰凍現(xiàn)象，不完全是自然因素所致。
　　2月份是地溫最低的月份，測(cè)點(diǎn)的部分記錄值見表1。

表1　測(cè)點(diǎn)地溫、水溫表 時(shí)間 地溫(℃) 水溫(℃) 　1 2 3 4 5 7 1＃ 2＃ 1988年2月9日12：30 -2.4 -4.3 -6.3 -9.7　 -12.4 -12.4 　 1988年2月10日8：30 -2.4 -4.3　 -6.4 -9.9 -12.5 -14.6 　 1988年2月12日8：30 -2.5 -4.4 -6.2 -9.3 -11.7 -13.2 2.1 1.1 1989年2月21日13：30 -3.5 -5.9 -6.0 3.0 2.3 1989年2月22日8：30 -5.4 -6.8 -11.4 3.0 1.8 1989年2月27日13：50 -4.5 -4.8 -3.5 3.6 2.4

　　 表1是從兩個(gè)周期觀測(cè)記錄中選出的，2月～3月是地溫值較低的月份，管外溫度在-4.5～-5.4 ℃時(shí)，管內(nèi)水并未冰凍，運(yùn)行是正常的；污水溫度僅3～4℃，溫差1.2 ℃，這時(shí)的管內(nèi)污水還會(huì)放熱，對(duì)周圍的凍土還會(huì)產(chǎn)生影響，當(dāng)管頂溫度是-4.5～-5.4 ℃時(shí)，管外介質(zhì)的溫度要低于該溫度。由此可知，如將污水管道埋設(shè)在-4～-5℃的土壤介質(zhì)中，管道中的污水是不會(huì)被冰凍的，運(yùn)行會(huì)是安全的。
2.2　普查情況
　　 自1987年到1989年冬，對(duì)中央大街上的所有污水管道進(jìn)行了觀察。
　　 經(jīng)過三個(gè)冬季的觀察，純自然因素凍結(jié)管道的情況一次也沒發(fā)生。中央大街藥店門前DN400的污水管，曾于1988年3月凍結(jié)一次，經(jīng)了解是出戶管堵塞，居民用消防水龍帶直接往檢查井內(nèi)排水，井壁“掛臘”使得井內(nèi)和管道凍冰，后兩年沒有發(fā)生凍冰現(xiàn)象。維護(hù)管理人員反映松濱飯店前的污水管時(shí)凍時(shí)不凍，飯店出水水溫較高，按常規(guī)是不會(huì)凍的。后經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其正常流動(dòng)的支管已塌陷、堵塞，迫使污水逆坡經(jīng)分界井從另一條支管緩緩排走，管內(nèi)淤泥不斷，常年“壓水堵”。當(dāng)水量極少時(shí)，淤泥及水就會(huì)凍冰堵塞，這是該管凍冰的真正原因，但在觀察的三年中一次也沒發(fā)生凍結(jié)。
　　1990年初，哈爾濱出現(xiàn)了歷史上少見的低溫，氣溫降到-39 ℃以下，可中央大街上的淺埋管道仍然正常運(yùn)行，從觀察的情況看，流動(dòng)的污水在管內(nèi)是不會(huì)冰凍的。因此，在實(shí)施管道淺埋后，應(yīng)加強(qiáng)污水管道的維護(hù)管理，這是保證管道在淺埋狀態(tài)下安全運(yùn)行的關(guān)鍵。當(dāng)停水時(shí)，管內(nèi)應(yīng)及時(shí)排空，平時(shí)要盡量減少淤泥量，并在維護(hù)管理中格外注意。

3　結(jié)論

　　 通過三個(gè)冬季對(duì)中央大街淺埋污水管道的觀測(cè)調(diào)查，雖然觀測(cè)管道埋深僅1m左右，可一直沒有發(fā)生冰凍。從中可以得到如下啟發(fā)：
　?、俑鶕?jù)加拿大學(xué)者的研究，結(jié)合中央大街淺埋污水管道實(shí)測(cè)結(jié)果，污水管道在季節(jié)性凍土層中安全的介質(zhì)溫度為-4～-5 ℃。也就是說，管道可埋設(shè)在地溫-4～-5℃的土層中。如果能通過當(dāng)?shù)氐牡販厍€或公式確定月平均最小地溫(-4～-5 ℃)所處的地層深度，此即是這一地區(qū)污水管道的最淺埋深。當(dāng)然，在這種情況下需要考慮土壤的凍脹性，在確定埋深時(shí)要加以注意。
　　②季節(jié)性凍土中的污水管道一般不易發(fā)生凍冰，甚至在原水溫度為0.4 ℃時(shí)，通過一段距離流動(dòng)后的水溫最大降至0 ℃，管道也是安全的。影響污水溫度變化的因素很多，污水的溫降是多因素作用的結(jié)果。
　?、畚鬯艿赖脑O(shè)計(jì)、施工、管理都必須合乎要求，只要管道坡度保證管道水流達(dá)自凈流速，即使流量再小也會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)。如管內(nèi)不淤泥，污水是不會(huì)被凍結(jié)的，這說明污水管道淺埋后，施工質(zhì)量、管理水平都是管道能否安全運(yùn)行的保障。
　?、芪鬯艿婪笤O(shè)在季節(jié)性凍土中，污水管道是放熱體，所以，在管外會(huì)形成一個(gè)凍融圈，其半徑大小與管內(nèi)外介質(zhì)溫度有關(guān)，該圈會(huì)緩解凍脹力，其影響斷面越大，管道越安全。
　?、荽_定污水管道的埋設(shè)深度，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡販胤植记€去采用，也可根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T觀測(cè)的-0.4m處地溫值及最大凍深值。依據(jù)下式求出當(dāng)?shù)氐牡販毓剑?/p>

　　Hx=-Hme^bT　　　　　　　　(1)

　　 式中　　Hx——地層深度，m
　　　　　　T——與地層深度相對(duì)應(yīng)的負(fù)地溫值
　　　　　　Hm——該地區(qū)最大凍深值(取絕對(duì)值)，m
　　　　　　e——自然對(duì)數(shù)的底值
　　　　　　b——地方參數(shù)

　　b＝-（lgHm-lg0.4）／（0.4343T_0.4）　　　(2)

　　 式中　T_0.4——當(dāng)?shù)?0.4 m處月平均最小負(fù)地溫值
　　 如當(dāng)?shù)厝鄙賂0.4值，可使用當(dāng)?shù)氐牡乇碓缕骄钚≈礣0，采用下式去求算T0.4值：

　　　T_0.4＝0.7T₀±4.852

　　 根據(jù)公式，選擇一定介質(zhì)溫度值，求算管道淺埋深度。
　?、尬鬯艿赖淖钚÷裆?，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐酿B(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)采用。無養(yǎng)護(hù)資料時(shí)，管底埋深可采用0.6 Hm（0.6倍的最大凍深值）。在車行道下，管頂最小覆土厚不得小于0.7m。
　?、呶鬯艿缹?shí)施淺埋，有較大經(jīng)濟(jì)效益，一般凍深大，地下水位高，地質(zhì)情況較復(fù)雜的城市其經(jīng)濟(jì)效益是顯著的，淺埋后一般會(huì)節(jié)約工程費(fèi)用大約15%～20％左右。

---

　　電　話：(0451)4652686(H)13903605812
　　收稿日期：2000-12-28