排水管道堵塞試驗及影響因素分析

王俊嶺，楊明霞，張亞琦，李 英

(北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室，北京 100044)

排水系統(tǒng)的設(shè)計、運(yùn)行、維護(hù)既是一個城市生態(tài)物質(zhì)循環(huán)代謝系統(tǒng)中重要一環(huán)，也同樣是保護(hù)生活環(huán)境和城市水系統(tǒng)資源的重要舉措之一，排水管道承擔(dān)收集、傳輸城市所排放的生活污水、降落雨水以及工業(yè)廢水的重要功能[1]，對于保障整個排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，保護(hù)自然環(huán)境、減少環(huán)境污染、提高人民健康水平以及維持城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)秩序有著舉足輕重的作用[2]。目前中外眾多城市的排水管道多存在不同程度的堵塞淤積問題。調(diào)查研究表明，世界各地包括許多發(fā)達(dá)國家普遍存在城市排水系統(tǒng)的管道淤積堵塞問題[3-5]。對北京城區(qū)的雨水管道調(diào)查研究結(jié)果表明，約 4/5的雨水管道存在不同程度的沉積現(xiàn)象，40%以上的污水管道內(nèi)沉積物高度達(dá)到管徑的1/10～1/3，超過10%的檢查井因施工等原因已形成現(xiàn)象較為明顯的堵塞[6]。綜上所述，雨污市政排水管道的沉積堵塞現(xiàn)象比較普遍。因此，研究排水管道沉積物、及時確定堵塞位置和了解堵塞程度及其特性，對于整體改善排水管道運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行維護(hù)是相當(dāng)必要的[7]。

圖1 試驗裝置

近年來，管道堵識別檢測技術(shù)研究有了突破性進(jìn)展。2013年，Meniconi等[8]利用時頻域聯(lián)合的方法對不同堵塞程度和堵塞位置進(jìn)行判斷。2014年，Duan等[9]對有壓管道中瞬態(tài)波和堵塞的相互作用進(jìn)行試驗并數(shù)值模擬。中國學(xué)者對管道堵塞識別方法研究也有所進(jìn)展。早在1992年，陳韻笙等[10]對堵塞進(jìn)行定位提出了管道壓力波脈沖的解析算法并進(jìn)行了多次試驗。2005年，邱正陽等[11]通過軟件模擬建立非穩(wěn)態(tài)管道堵塞模擬模型，對不同管道直徑，不同堵塞長度的單因子變量工況進(jìn)行模型模擬。2011年，李天一[12]通過研究水力瞬變方法進(jìn)行模型模擬試驗其在管道堵塞中的工況分析，分析了不同堵塞高度、長度等量級時，對管道內(nèi)的流量和壓力分別產(chǎn)生的影響。

液體管道堵塞識別方法研究主要包括聲音反射、壓力波、瞬態(tài)壓力法等方法。這些方法大多是通過管道起點發(fā)射的信號或者壓力波，通過波的反饋時間差來判斷液體管道堵塞位置，很難滿足液體輸送管道堵塞在線實時識別的需要。然而，隨著智慧城市信息集成化發(fā)展應(yīng)用，地下排水管道已具備對排水管道壓力、流量等主要運(yùn)行參數(shù)的實時監(jiān)控與自動采集水平，可利用參數(shù)采集系統(tǒng)對排水管道堵塞的識別監(jiān)測。

1 材料與方法

試驗?zāi)Ｐ褪峭ㄟ^在實驗室復(fù)制原型結(jié)構(gòu)、運(yùn)動流場，縮小或放大尺寸后用來模擬原型的狀態(tài)。為了使模型流動無限貼近原型流動，需要模型流動與原型流動滿足流體力學(xué)相似條件：三大相似定律、邊界條件和初始條件相似[13-14]。

試驗臺裝置包括進(jìn)水水箱、出水水箱，五個相同的管道模塊區(qū)域用來模擬堵塞狀態(tài)、水位監(jiān)測區(qū)域以及流體循環(huán)管道區(qū)域。實際排水管道斷面尺寸為直徑0.5 m，兩檢查井之間為長度100 m，設(shè)有五個通氣清污口，進(jìn)、出口分別設(shè)檢查井。原型管流的雷諾數(shù)較大，判斷其屬于湍流，在進(jìn)行模型設(shè)計時需盡量使試驗?zāi)Ｐ椭辛黧w流態(tài)處在完全粗糙區(qū),并且保證相對粗糙度相同[15]。表1統(tǒng)計了管道原型與試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)的對應(yīng)情況。

表1 管道原型與試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)對照

注：λl、λd分別為原型管道與模型管道的長度比和管徑比。

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，整體長約3.3 m，主體部分由5個長0.5 m，直徑25 mm的有機(jī)玻璃管道模塊組成，模塊與模塊之間通過法蘭連接，并且設(shè)置堵塞擋片模擬排水管道堵塞不同位置，通過調(diào)整不同規(guī)格擋片可模擬排水管道中不同堵塞情況。圖1中①為起始水箱，大小約0.3 m(長)×0.3 m(寬)×0.5 m(高)，其內(nèi)設(shè)置穿孔穩(wěn)流板，整個池面布水均勻，運(yùn)行穩(wěn)定，管道起始端進(jìn)水接近穩(wěn)定態(tài)，水箱底部設(shè)有泄流閥門，泄流管道連接至末端水箱，用于水體歸流于末端水箱；②為升降螺母裝置，通過前后兩端升降達(dá)到模擬不同坡度的試驗要求，坡度變化范圍為0.2%～20%；③為M40水位刻度針尺，其上有水平儀，當(dāng)裝置整體處于一定坡度時，能準(zhǔn)確讀取水位垂直高度；④為連接法蘭，其間有墊片防止液體泄漏。⑤為管道支撐裝置，起到支撐管道并在橫軸穩(wěn)定的作用；⑥為堵塞控制區(qū)域上安裝的管道坡度計，對升降螺母裝置的升降數(shù)值測量和校核；⑦為末端出水水箱，大小約為0.5 m(長)×0.5 m(寬)×0.8 m(高)，底部設(shè)有放空管；⑧為循環(huán)水泵，連接末端水箱和起始水箱，實現(xiàn)水的循環(huán)利用和進(jìn)水流量能量來源；循環(huán)管道靠近進(jìn)水管端設(shè)有⑨控制面板，其包含閥門流量控制計和水壓計等。圖2所示為試驗裝置實物圖。

圖2 試驗裝置實物

1.2 堵塞板

圖3 堵塞板

管道分體模塊由于試驗場地設(shè)置在室內(nèi)區(qū)域，為了利于安裝、互連以及堵塞板放置，采用分體模塊設(shè)計，圖3為分體模塊中堵塞板的實物圖。材質(zhì)采用有機(jī)玻璃，在進(jìn)行試驗時容易觀察到氣液兩相流流態(tài)的變化并且水錘會對管道造成一定損壞，水錘波在有機(jī)玻璃材質(zhì)中波速最小，增加試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.3 水位監(jiān)測儀器

根據(jù)管徑大小需求選擇40 cm規(guī)格的M40/60水位測針(測量讀數(shù)精確至0.1 mm)用來測定水位差，如圖4所示。

圖4 水位測針

實驗設(shè)計五段長度為0.5 m有機(jī)玻璃管段。為達(dá)到密閉性要求，五個分管段的連接處采用的是法蘭和固定螺母，同時在連接處設(shè)有墊片。進(jìn)水口和出水口之間位置模擬一段檢查井間距為100 m的排水管道堵塞區(qū)間。在五個分管短其中兩個相鄰分管段之間法蘭連接處墊片之間放置堵塞有機(jī)玻璃板。在每一個分管段上部有一直徑20 mm的豎直密封有機(jī)玻璃管相連，具體位置如圖5所示，用于插入水位針尺測量水位。

2 試驗方案

試驗為模擬的縮放模型，分別模擬重力流、壓力流在不同堵塞強(qiáng)度、不同堵塞長度及不同管道坡度等工況相互對比，試驗流體采用常溫20 ℃液態(tài)水，選擇模型原型管徑500 mm的進(jìn)水流量160 L/h進(jìn)行實驗，在重力流中模擬選取大管徑進(jìn)水流量500 L/h進(jìn)行分析對比試驗結(jié)果。重力流堵塞實驗具體實驗步驟如下。

(1)末端水箱蓄水至水量達(dá)到水箱容量2/3以上，放置兩水位測針位置分別位于堵塞點前后，檢查水位測針是否能準(zhǔn)確垂直讀數(shù)，水平儀和坡度調(diào)節(jié)尺調(diào)節(jié)至所需工況。

圖5 試驗管段

(2)用水位測針測量管底標(biāo)高并記錄，水位測針讀數(shù)原理同游標(biāo)卡尺，測量讀數(shù)精確至0.1 mm。

(3)打開水泵進(jìn)水閥門，關(guān)閉前置水箱泄流閥門、放空閥門，接通水泵電源，調(diào)節(jié)流量閥門至穩(wěn)定值160 L/h。

(4)待前置水箱水位達(dá)到管道底端水位開始計時，保持穩(wěn)定流量不變，待水位越過堵塞擋板下游停止計時，此為重力流管段一個工況的時間記錄。

(5)待堵塞前后水位值趨于穩(wěn)定測量兩水位測針處水位高度并記錄。

(6)打開前置水箱泄水閥，放空管道中的存水，調(diào)節(jié)流量閥門至穩(wěn)定值500 L/h；重復(fù)步驟(4)、步驟(5)。

在壓力流試驗中，通過改變末端水箱位置，水位針尺用來測量觀測點位置的壓力水頭，實驗步驟與重力流基本一致，主要研究堵塞強(qiáng)度、堵塞長度對壓力流管段前后水位高度的影響變化。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 重力流堵塞試驗結(jié)果分析

圖6 兩種流量不同堵塞高度的前后水位高度變化曲線

圖7 堰上水頭隨堵塞高度變化

如圖6所示為兩種流量的水位高度和堵塞高度曲線，堵塞點前水位高度均隨堵塞強(qiáng)度(高度)的增加而增加，堵塞點后水位高度會回歸到原始高度，在流量500 L/h工況下，堵塞位置后水位高度平均為1.68 cm，其中最大水位高度1.78 cm，最小水位高度1.60 cm，方差為0.006 7；在流量160 L/h工況下，堵塞位置后水位高度平均為0.71 cm，其中最大水位高度0.80 cm，最小水位高度0.60 cm，方差為0.005 2。可見，在兩種流量工況下，堵塞前水位和堵塞強(qiáng)度呈正相關(guān)分布，堵塞點后水位與堵塞強(qiáng)度關(guān)系不大，基本由原始流量所決定。

圖7所示為500、160 L/h工況下堰上水頭隨堵塞高度變化曲線，為了保證試驗準(zhǔn)確性，每工況試驗均進(jìn)行三次，三次試驗結(jié)果取算數(shù)平均值。在 500 L/h 工況下，堰上水頭呈二次拋物線趨勢，最低點出現(xiàn)在堵塞高度為管徑的50%時，此時堰上水頭 0.96 cm；在160 L/h工況下，在低堵塞強(qiáng)度時，堰上水頭沒有明顯變化趨勢，堵塞高度升高至8 cm時，堰上水頭明顯呈下降趨勢。根據(jù)薄壁堰公式，在流量一定時，堰頂溢流寬與堰上水頭的2/3次方成反比。對于橫截面積為圓形斷面時，堵塞高度為1/2時，堰頂溢流寬度達(dá)到最大值，因此堰上水頭達(dá)到最小值。這對于大流量500 L/h工況下，圖形變化趨勢較為明顯，對于較小流量160 L/h工況下，在堵塞高度為管徑的50%時也出現(xiàn)下凹趨勢。

3.2 壓力流堵塞試驗結(jié)果分析

圖8所示為管道堵塞不同程度情況下，管道沿管長方向水位高度分布情況。由圖8可以看出，對于堵塞強(qiáng)度不同的管道沿管長方向變化趨勢大體相同，即堵塞點前流體水位高度大于正常工況水位高度，堵塞位置后流體水位高度小于正常工況水位高度，在堵塞點位置水位驟降；堵塞程度越大，堵塞點前后管道水位高度變化越大。

圖8 不同堵塞程度水位高度變化圖

3.3 排水管道堵塞主要影響因素實驗

3.3.1 坡度影響

坡度對在壓力流條件下排水管道的影響程度不大，因此，主要分析重力流條件下，坡度對排水管道堵塞位置過水能力的影響。圖9所示為管道長度100 m，管徑0.05 m，堵塞長度均為0.5 m條件下，堵塞強(qiáng)度分別為0.2、0.4、0.6、0.8，管道坡度分別為0.003、0.004、0.005、0.006工況下，四種堵塞強(qiáng)度隨坡度變化過流能力的變化情況。

過流損失計算公式如式(1)所示：

(1)

式(1)中：QW為正常管道流量；Qd為等效流量。

圖9 四種堵塞強(qiáng)度隨坡度變化過流損失曲線

由圖9可知：①不同堵塞強(qiáng)度對重力流排水管道過水能力存在一定影響，過流損失隨堵塞強(qiáng)度越大而增加，比如對于管徑0.5 m，坡度為0.003，根據(jù)中國城市室外排水規(guī)范設(shè)計要求，最大充滿度為0.7，隨著堵塞強(qiáng)度從0.2增加到0.8，過流損失分別為40.4%、46.5%、51.0%、53.6%，過流能力隨堵塞強(qiáng)度增加依次降低；②在不同的堵塞強(qiáng)度下，過流損失均隨著坡度的增加而增加，比如對于堵塞強(qiáng)度為0.2的排水管道，過流損失分別為40.4%、53.1%、71.9%、82.0%，差額分別為12.7%、18.8%、10.1%，差額在堵塞強(qiáng)度為0.5即橫截面積最大時，差額達(dá)到最大值。其余堵塞強(qiáng)度條件下也均表現(xiàn)出此特點。分析原因可知，隨著坡度變大，重力在管道長度方向上的分力越大，同時流體的流速越大，過流損失越大。堵塞強(qiáng)度在0.5時,水面寬度最大，過流損失減少值最小。

3.3.2 堵塞長度影響

在4種不同堵塞強(qiáng)度條件下，堵塞長度分別為0.5、2 m的過流損失值如圖10所示。由圖10可知：①在同一堵塞強(qiáng)度條件下，過流損失隨著堵塞長度的增加而增加，如在堵塞強(qiáng)度為0.2，坡度分別從0.003依次增大到0.006四個工況中，堵塞長度為2 m的過流損失均高于堵塞長度為0.5 m；②隨著坡度增加，過流損失增加值減少，如在堵塞強(qiáng)度為0.4時，隨著坡度增加，過流損失分別增加了12.6%、6.3%、4.6%、1.1%；③堵塞長度越大，坡度對過流損失的影響越小，坡度從0.003依次增大到0.006四個工況中，在堵塞長度為0.2 m時，過流損失分別為48.7%、59.1%、68.3%、75.4%，差額為10.4%、9.2%、7.1%，而在堵塞長度0.8 m時，過流損失為84.2%、90.1%、90.3%、90.4%，差額只為5.9%、0.2%、0.1%。這是因為在較大堵塞長度時，過流損失在80%以上的區(qū)間，因此再增加坡度，過流損失增加幅度也較小。

圖10 四種堵塞強(qiáng)度隨堵塞長度變化過流損失值

4 結(jié)論

(1)在重力流中，堵塞前水位和堵塞強(qiáng)度呈正相關(guān)分布，堵塞點后水位與堵塞強(qiáng)度關(guān)系不大，基本由原始流量所決定，且堰上水頭最低點出現(xiàn)在堵塞高度為管徑的50%時。

(2)在壓力流中，即堵塞點前流體水位高度大于正常工況水位高度，堵塞位置后流體水位高度小于正常工況水位高度，在堵塞點位置水位驟降，且堵塞程度越大，堵塞點前后管道水位高度變化越大。

(3)在重力流中，過流損失隨堵塞強(qiáng)度越大而增加，過流能力隨堵塞強(qiáng)度增加依次降低；在不同的堵塞強(qiáng)度下，過流損失均隨著坡度的增加而增加，過流損失增加差額在堵塞強(qiáng)度為0.5即橫截面積最大時，差額達(dá)到最大值。堵塞強(qiáng)度在0.5時,水面寬度最大，過流損失減少值最小。

(4)在同一堵塞強(qiáng)度條件下，過流損失隨著堵塞長度的增加而增加；隨著坡度增加，過流損失增加差額減少；堵塞長度越大，坡度對過流損失的影響越小。