排水管道沉積物水力沖刷技術

1、排水管道沉積物水力沖刷技術1 管道沉積物淤積及清淤技術 排水系統(tǒng)作為一個城市重要基礎設施的組成部分， 系統(tǒng)的健 康與否關系到人們的生活及生存的環(huán)境 （孫慧修， 1996）。然而， 排水管道淤積現(xiàn)象在排水系統(tǒng)中十分普遍。 管道一旦發(fā)生淤積會 帶來一系列的環(huán)境問題， 首先由于淤積的存在減小了管道的水力 輸送空間， 進而導致上游發(fā)生溢流更加頻繁； 其次沉積物中含有 一定的有機組分， 在微生物厭氧過程下會導致硫化氫、 硫酸等硫 化物的產(chǎn)生，對管道及環(huán)境帶來不良影響（ Gent， 1996、湯霞， 2013）；另外管道沉積物也是雨天沖刷污染物的主要來源 （ Ashley ，2010、 Gasperi ，

2、 2010）。因此，研究管道沉積物的 產(chǎn)生、預防及清除成為一個兼具科學性與應用性的課題。管道沉積物的產(chǎn)生主要是水力條件的變化造成， 當管段流速 較低時，流體對顆粒物的攜帶能力不足以克服其自身沉降的趨 勢，顆粒產(chǎn)生沉降，在管道底部形成沉積層。隨著時間推移，沉 積層發(fā)生壓縮而提高自身穩(wěn)定性（Cabree, 1989）。因此，定期 對管道沉積物進行清理是一項具有實際意義的工作。 在城市排 水管渠與泵站維護技術規(guī)程 中規(guī)定排水管渠應定期檢查、 定期 維護，保持良好的水力功能和結(jié)構(gòu)狀況（ CJJ 68-2007 ）。針對排水管道淤積狀況與特點， 在實際清通中可以針對性地 采取合理的疏通方式，以節(jié)省人力、

3、物力，提高清通效率。按照 清通技術的作用原理不同， 現(xiàn)有的排水管道沉積物清通技術可以 分為兩大類：機械清通技術、水力清通技術。前者包括絞車清淤 法（劉麗萍， 2002）、通溝機清淤（ Dinkelacker ，1992）、清 淤球（孫勇，1996）等方法。而后者的主要代表如水沖清淤法 （李 俊， 2004）、高壓水射法（邊艷玲， 2003）等，且在水力清淤技 術中，許多研究學者將一些成熟的方法申請了相關的專利， 如水 力平衡閥（ Hydrass ）（ Williams ，2009、潘國慶， 2007）、水 力自凈系統(tǒng)（ Hydroself ）（高安禮， 2007）以及真空沖刷系統(tǒng)（BIOGES

4、 T等。與機械清通技術相比， 水力清通技術以其特有的防淤、 清淤 功能及低成本、 易維護的特點 （ Chebbo，1996、William C，2003、 Goormans 2009、Campisano, 2006）在許多城市和地區(qū)得到了 應用，如在德國的 Marht Wiesentheid 、 GemeindeSchauenburg ， Stadt Kirchhain ， Markt Grossostheim 等城市，美國的密歇 根、肯塔基以及加拿大的薩尼亞、 科爾本等（ EPA/600/R-98/157 ）， 管道水力沖刷技術都得到了實際的應用。 相比于國外已經(jīng)存在的 眾多管道水力沖刷應用

5、案例， 該類技術在國內(nèi)應用并不多見， 僅 用于上海世博園區(qū)泵站調(diào)蓄池的 Hydroself 以及應用于北京地 鐵宋家莊站的 HydroGuard Mini （ Hydrass 的變形）（李華飛， 2012）。文章針對現(xiàn)排水管道水力沖刷技術進行綜述， 主要將從水力 沖刷技術形式、沖刷效果及設計三個方面進行闡述。2 排水管道水力沖刷技術形式 現(xiàn)有的較為成熟的排水管道水力沖刷技術主要有三種典型 形式，分別是 Hydrass 、 Hydroself 以及 Biogest ，均已申請了 相應的專利。這些沖刷技術都是起源于歐洲，并最先在歐洲，尤 其是在德國，開展了大量的應用。在清淤原理及過程上，上述三 種

6、沖刷技術類似。以一個沖刷循環(huán)為例，一個沖刷循環(huán)由蓄水、 瞬時排水兩個過程。 其中蓄水過程是將管道內(nèi)的污水進行集中儲 存，當蓄水量達到設定量時，瞬時排水過程自動啟動，排水形成 的沖刷水波對管道底部沉積物產(chǎn)生強烈沖刷作用，達到清淤效 果。所述的沖刷技術不同的地方主要在于蓄水的方式不同， Hydrass 的蓄水是借助安裝在管道內(nèi)部的鉸鏈門在關閉狀態(tài)下完 成， Hydroself 是借助建造在管道壁面一側(cè)的蓄水池通過蓄水完 成，而 Biogest 則是借助真空系統(tǒng)使儲水庫吸水完成。2.1 HydrassHydrass 起源于法國，現(xiàn)在已經(jīng)申請為專利技術而應用在各 大城市。 Hydrass 的構(gòu)造十分簡

7、單，如圖 1 所示，是由一扇與管 道截面形狀相同平衡鉸鏈門組成。 Hydrass 的工作主要分為以下 幾個步驟，如圖 2所示：（ 1）起始狀態(tài)：鉸鏈門因自身的重力 而處于垂直狀態(tài)；（ 2）工作狀態(tài)：鉸鏈門關閉時，其一側(cè)逐漸 蓄積的水推動閥板， 鉸鏈門瞬間打開， 隨后鉸鏈門與水流方向平 行，從而形成瞬時的大流量沖刷波將沉積在管道底部的污染物沖 起；（ 3）回復狀態(tài)：沖刷后，鉸鏈門恢復垂直狀態(tài)原位，并進入下一個循環(huán)。2.2 Hydroself起初 Hydroself 是針對在線式雨水調(diào)蓄池而開發(fā)， 現(xiàn)在已經(jīng) 在管道清洗、截留設施沖刷等方面開展了應用。 Hydroself 是一 種由蓄水池與由翻板閘

8、門 （水力控制） 配合工作的管道沖刷技術， 其組成主要有水力操控翻板閘門、蓄水池、浮板（或者泵）以及 閥門，圖 3 所示為一實際應用中的 Hydroself 構(gòu)造圖。 其中浮板 （或者泵）提供一定的水壓以控制翻板閘門的開閉。 Hydroself 一般設計成自動運行。 自動運行時， 沖刷系統(tǒng)根據(jù)蓄水池內(nèi)水位 達到了預先設定的高度而自動啟動，翻板閘門瞬間打開并形成 “潰壩”式的沖刷水波，對管道內(nèi)的沉積物進行沖刷。2.3 BiogestBiogest 在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上與 Hydroself 相似，是后者的一種變 形形式。 Biogest 主要由儲水庫、真空泵系統(tǒng)組成；其工作原理 為系統(tǒng)先對管道內(nèi)水位進行

9、探測，當管道內(nèi)水位達到預設高度 后，真空泵啟動，儲水庫內(nèi)空氣被排空，進而儲水庫從管道內(nèi)吸 水直至蓄水池內(nèi)水位達到預設高度后， 真空泵停止工作； 此后系 統(tǒng)再次對管道內(nèi)水位進行探測， 當管道內(nèi)水位符合開啟隔膜閥條 件時，儲水庫頂部的隔膜閥門開啟，瞬間釋放出儲水庫內(nèi)存水， 形成沖刷水流。 3 排水管道水力沖刷技術效果研究 針對排水管道水力沖刷技術， 許多研究學者展開過相關試驗 研究與數(shù)值模擬。 William C. Pisano （ 2004）曾針對馬薩諸塞州劍橋地區(qū)的管道自動沖洗系統(tǒng)進行了分析， 該自動沖洗系統(tǒng)收 集降雨作為沖洗水并采用快速開啟門（quick opening gates ）方式完

10、成對管道的沖洗。 Bertrand-Krajewski （2006）等人針對 Hydrass 的清淤效果進行了研究，在法國里昂通過對一處人可進 入的蛋形管道進行了為期四年的長期監(jiān)測， 分析了管道沉積物的 沉積規(guī)律以及 Hydrass 對管道的沖淤效果， 結(jié)果表明 Hydrass 是 有效的， 沉積物層在沖刷作用下不斷往管道下游推移， 在經(jīng)過了 9037次沖刷后，沉積物層向管道下游推移了近140m研究還發(fā)現(xiàn)沉積物層重心位置與管道長度的比值與 Hydrass 的沖刷次數(shù) 表現(xiàn)出強烈的線性相關性， 在經(jīng)過了超過 12000次的觀測后擬合 出來的線性相關系數(shù)達到 0.98 ，沖刷次數(shù)每增加一次，前述比

11、 值將增加約0.27。Alberto Campisano通過試驗及模型研究了沖 刷水流對管道沉積物的沖刷效果，試驗中采用了0.1、0.13m兩種水位的沖刷水流， 結(jié)果顯示， 每次沖刷后沉積物層大約向前推 移0.10m，而在分別沖刷了 25次（0.1m水位）、15次（0.13m 水位）后，沉積層基本被完全沖刷；模型分析中，采用了一維非 恒定流圣維南方程及歐拉方程， 并采用了二階麥克馬克格式進行 數(shù)值求解，模型計算的結(jié)果與試驗結(jié)果表現(xiàn)出了良好的吻合。Bong等人對沖刷門（tipping flush gate ）的水力特性進行了 研究，試驗中采用d50為0.81mm的沉積物，結(jié)果表明，當沉積 物厚度

12、增加一倍時，將沉積物層推移 1m所需要的沖刷次數(shù)平均 增加 1.45 次。 Qizhong Guo（ 2004）等人研究了沖刷門和真空沖刷裝置對沉積物的沖刷效果， 結(jié)果表明， 沖刷沉積物量隨沖刷裝 置的初始水位增高而增加， 隨水槽內(nèi)水位增加而降低， 當沖刷裝 置上游水位增加一倍的時候， 沉積物的沖刷量增加約 3 倍，而沉 積物上覆水在沖刷時對沉積物具有保護作用，當沉積層水位從 0 升高至 2.5cm 時，沖刷的沉積物量減少約 51%；而沖刷裝置的開 啟高度對沖刷沉積物量影響不大，當沖刷裝置上游水位分別為 86.4 、44.5cm 時，沖刷裝置開啟高度從 7.6cm 增加至 22.9cm， 沖

13、刷沉積物量分別只降低了 14%、 11%；沖刷門與真空沖刷裝置兩 種方式的對比發(fā)現(xiàn)， 兩者差異性不大， 經(jīng)過 6 組沖刷試驗發(fā)現(xiàn)真 空沖刷裝置的沖刷沉積物量比沖刷門約高6% Williams (2009)研究了設置有流量控制設施的管道內(nèi)的沉積與沖刷過程， 重點探 討了快速開啟門技術( rapid gate opening )的沖刷效果，針對 顆粒狀沉積物( granular sediment )的沖刷結(jié)果表明，每次沖 刷的沉積物量主要取決于快開門的操作， 而非沉積物負荷； 采用 300mn開啟度的快開門對沉積物的沖刷量是100mn開啟度的約30倍；而沖刷 90%沉積物所需沖刷次數(shù)取決于沉積物類

14、型及快開門 的操作?？扉_門技術可以使大部分沉積物產(chǎn)生沖蝕并隨水流沖刷 至下游。4 排水管道水力沖刷技術設計 為了使水力沖刷技術得到實際的應用， 有一些研究人員針對 相關技術開展了設計方面的研究，以期規(guī)范這些技術的設計。 Campisano (2007)等人就針對沖刷門(flushing gate )的設計進行研究， 在其研究中， 主要運用的是一個基于無因次的圣維南- 歐拉方程組的數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬的方式來獲得沖刷門的 設計參數(shù)，比如在管道內(nèi)的位置、沖刷頻率等。 Campisano 提供 了一種設計參考：（a）根據(jù)沉積物孔隙度p和管渠坡度i選擇 其繪制的 Ls/D （沉積層推移距離與管徑的比

15、值）與沖刷次數(shù) n 的關系圖組；（b）根據(jù)管壁相對粗糙系數(shù) 與沉積物d50值選 擇具體關系圖；（c）從具體關系圖中可以分析沖刷時不同管道 充滿度對應的Ls/D值；（d）根據(jù)沖刷水量對應的等容曲線進行 估計不同充滿度下對應的 Ls/D值。Campisano的研究結(jié)果還表 明，隨著管道坡度、 沉積物孔隙度的增加以及沉積物粒徑的減小， 沖刷門的沖刷效果更好；在管道內(nèi)流量一定的條件下，高流量、 小次數(shù)的沖刷比低流量、多次數(shù)沖刷在操作上具有一定的優(yōu)勢。 Goormans等人（2009）也對污水管道系統(tǒng)內(nèi)的沖刷設施系統(tǒng)的 設計方法進行了研究， 認為沖刷設施在最小管道坡度時應保證沖 刷時具有足夠的剪切力，

16、其次水動力模擬可以輔助設計沖刷設施 的數(shù)量及位置，另外Goorma ns認為與沖刷設施設計時應注意設 施所對應的集水面積，應根據(jù)于沖刷頻率確定集水面積。5 結(jié)束語作為一種新型的管道清淤技術， 水力沖刷技術具有其自身獨 特優(yōu)勢，維護成本低、防淤、清淤等特點使其受到許多研究人員 的青睞， 在不斷深入研究這類新型技術同時， 也積極推進這類技 術的應用，尤其在國外，成功應用的案例較多。現(xiàn)階段在國內(nèi)的管道清淤工作仍是以機械清通為主， 其存在 的問題也給水力沖刷技術的引入提供了契機， 但一項新技術的應 用需要結(jié)合實際情況進行針對性改進。 水力平衡閥 Hydrass 技術 的關鍵在于蓄水時的封閉性、 沖刷時的通暢性， 國內(nèi)的排水管道 往往由于源頭控制不善等原因?qū)е挛鬯欣p繞性垃圾較多， 這些 垃圾很容易纏繞在 Hydrass 的平衡鉸鏈上， 導致蓄水不足、 排水 不暢而使其喪失既有功能。 因此，應用 Hydrass 時須考慮在設施 前端設置攔截措施