陳祖軍，韋鶴平
(同濟大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上 海200092)

　　摘要： 針對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)的泥沙淤積問題進行了模型 試驗，結(jié)果顯示在目前運行狀況下管內(nèi)會存在嚴(yán)重淤積，必須調(diào)整運行工況。就模型試驗及理論分析結(jié)果，結(jié)合越江倒虹管前泵站的實際運行能力，提出了最低運行流量標(biāo)準(zhǔn)及幾點管理措施，供工程管理部門參考。
　　關(guān)鍵詞：倒虹管；泥沙淤積；水力模型；運行工況；管理措施
　　中圖分類號：TU992.2
　　文獻標(biāo)識碼：C
　　文章編號： 1000-4602(2001)01-0057-04

　  上海市吳閔污水外排工程已于1999年底竣工并投入運行，它對保護黃浦江上游水源、改善市 區(qū)環(huán)境質(zhì)量有重大戰(zhàn)略意義。因受地理條件限制，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。工程運行初期，污水量較小，遠遠達不到規(guī)范中排水管道滿流 時要求的最小流速(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，若長期沉積于倒虹管內(nèi)，將會產(chǎn)生板結(jié)現(xiàn)象，造成泥 沙沖動困難，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，因而有必要對倒虹管的泥沙淤積情況進行模型試驗論證。

　　1  模型設(shè)計

　　1.1基本資料
　　穿越黃浦江的大型倒虹管管徑為2200，管長約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)計水量約為20×104 m³/d，遠期為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)
圖1  越江倒 虹管縱剖面示意圖

　　1.2模型設(shè)計
　　1.2.1水力比尺及模型沙的選定
　　綜合考慮實驗室場地條件和待研究的倒虹管易出現(xiàn)淤積危險的區(qū)段(即倒虹管上升管 前面的250 m水平段)，選擇模型長度比尺為11，即αl=αh=11；按 同時滿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玻璃。為保證模型水流運動相似，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間比尺的確定
　　由懸沙相似條件可得輸沙率比尺和沖淤時間比尺分別為：

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

圖2  倒虹管水力模型示意圖

　　2  模型試驗

　　根據(jù)工程近、中、遠期的日運行量大小，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，采用中值粒徑d50 =0.24 mm的模型沙，濃度為400 mg/L，不同時刻的沙床分布結(jié)果見圖3。工況1-2為前者在 連續(xù)運行24 h(原型10 d)后，用流量為47 t/h的渾水對其淤積底沙進行沖洗，模型沙的濃度 不變。試驗發(fā)現(xiàn)，該流量下沖洗效果較好，對底沙的沖刷力較大，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 幾乎分布于整個試驗管段(沙波波長約為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，工況2-2是流量為50 t/h(原型48×104 t/d)的泥沙沖洗試驗。在淤積試驗連續(xù)運行24 h后(沙床剖面見圖4)， 即以該淤積底沙為對象進行沖洗試驗，發(fā)現(xiàn)運行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 水試驗有沉沙現(xiàn)象，但旋即又被沖走，因而沙床厚度隨時間變化不大。
　　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，工況3-2是流量為54 t/h( 原型52×104 t/d)的泥沙沖洗試驗，前者在動態(tài)平衡下的沙床剖面見圖5。當(dāng)沖洗流量增 加至54 t/h(原型52×104 t/d)時，泥沙大量揚起，隨水流走，不易沉降。沖洗試驗 進行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的粒徑粗細不等(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。為確定倒虹管中允許的泥沙 淤 積高度對應(yīng)的臨界流量，采用該渾水流量進行了連續(xù)運行的泥沙淤積狀況模擬，試驗過程同 上，其在動態(tài)平衡時的沙床分布結(jié)果見圖6。除倒虹管下游局部存在的零星沙床厚達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

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

　　3   結(jié)果分析

　　試驗結(jié)果表明，對于低流量的連續(xù)運行，確實會在倒虹管中產(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。從沖淤試驗的沙床變化圖中可以看出，污水流量≤36 t/h時，其沙床增長幅度都比較快，屬危險運行工況，若不及時清淤將很危險；當(dāng)流量為36 ～47 t/h時，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， 倒虹管的局部仍然會達到10%的淤積厚度(國外市政排水管道中允許的泥沙淤積最大 相對厚度［3］的參考值為10%，現(xiàn)國內(nèi)尚缺乏統(tǒng)一值)，不能認為是安全的；當(dāng)流量 大于47 t/h(原型45×104 t/d)時，此時原型單管流速為1.37 m/s，這與相關(guān)文獻 中對該工程泥沙防淤的最小流速分析相吻合。

　　4  泵運行方式分析

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

表1   實際工程中污水流量與流速對應(yīng)表

表2  污水流量與開泵組合的運行時間表

　　總流量QD≤35×10⁴ t/d時，采用單泵連續(xù)工作是不合理的，也是最危險的 ，建議不要采用；采用兩臺小泵運行、一臺大泵加一臺小泵或兩臺大泵運行時，其合計流量均達到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)運行是安全的，對兩種泵采用任意方式組合運行均可。
　　其他流量的開泵運行工況按保證流量不低于5.2 m³/s進行適當(dāng)調(diào)整。

　　5  結(jié)論與建議

　　吳閔外排工程初期污水量較小，遠遠低于工程設(shè)計的最小流量(25×10⁴ t/d)。由倒虹管 泥沙沖淤模型試驗可知：當(dāng)采用單管運行、流量≤35×10⁴ t/d時，倒虹管內(nèi)有泥沙淤積 的危險，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 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)階段實際可匯入污水量 及倒虹管前提升泵站的運行能力，提出以下運行管理措施與建議：
　　①根據(jù)模型試驗中密度大的泥沙難于沖走的事實及連續(xù)運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，模型沙無粘性，其起始流速比粘性沙小，因而模擬結(jié)果比 實際的輸沙效果要樂觀一些。要解決污水中粘性沙粒的存在及淤積，在實際操作中需相應(yīng)加 大流量運行或沖洗，且建議一定周期(一般3～5 a)對彎頭清淤一次。
　　②單管運行的流量≤35×10⁴ m³/d時，至少應(yīng)有兩臺泵工作(可一大一小、兩小泵或 兩大泵組合)，這樣足以滿足流量要求(≮5.2 m³/s)；運行時間視水位變化可人工控制也 可自動控制，但根據(jù)試驗研究結(jié)果，建議每天兩次運行，每次運行時間為3～4 h。流量達到 45×10⁴ m³/d左右時，仍控制倒虹管單管排放，泵的運行仍依照上述方案實施，也可適 當(dāng)增加到3臺泵運行，沖洗次數(shù)也隨之增加。
　　③為安全起見，建議流量≥52×10⁴ t/d(即相當(dāng)于至少兩臺大泵的工作流量)時，運行2 周左右沖洗1次；流量≥66×10⁴ t/d(即相當(dāng)于至少3臺小泵的工作流量)時，每隔2個月左 右要進行大流量沖洗。如目前利用的上游管道蓄水能力不能滿足此沖洗水量，可外引部分黃 浦江水以滿足沖洗要求。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，仍采取單根倒虹管排放，不需再進行沖洗。
　　④根據(jù)污水海洋處置工程中擴散器的原理及模型試驗結(jié)果，建議以后類似的倒虹管設(shè)計可 采取縮小管徑、增大上升管的流速及改善水流紊動條件等措施，從而加大輸沙效果 、減少泥 沙淤積。另外該工程需進一步完善污水收集系統(tǒng)，實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：
　　［1］北京市市政設(shè)計研究院.簡明排水設(shè)計手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990.
　　［2］ 中國水利學(xué)會泥沙專業(yè)委員會.泥沙手則［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1989.
　　［3］Ackers P.Sediment aspects of drainages and outfall design［A］.Lee ,Cheung.Environmental Hydraulics［C］.1991，19-30.

　　電話：(021)65982695(O)65989116(H)
　　E-mail:zj313chen@yahoo.comTjwhp@mail.ton gji.edu.cn
　　收稿日期：2000-05-08