市政污水排放管道施工及抗沖蝕性能測試

摘 要：本文針對市政污水排放問題，給出了污水排放管道施工的詳細流程設(shè)計，并對污水排放管道中的雜質(zhì)分布機理進行數(shù)學(xué)模型化分析，從理論上解讀了不同雜質(zhì)顆粒直徑、不同雜質(zhì)濃度對污水排放管道的沖蝕作用。通過試驗對污水排放過程中，雜質(zhì)對排污管道的沖蝕性能影響進行測試，結(jié)果表明，污水中雜質(zhì)濃度越高，對排污管道的沖蝕性越強。距離沖蝕點位置越近，對污水流動速度的Y向和Z向分量都會產(chǎn)生更大的影響。

關(guān)鍵詞：市政污水排放；管道施工；抗沖蝕

中圖分類號：TV 52" " 文獻標(biāo)志碼：A

城市污水排放問題是市政工程的重要工作之一，對城市市民的日常生活有極為重要的影響[1]。隨著城市化進程飛速發(fā)展，城市規(guī)模和城市人口數(shù)量都急劇增加，每天的污水排放量也不斷變大。要合理高效排放這些污水，才能不對城市環(huán)境造成污染，并對整個城市水循環(huán)起到積極作用[2]。城市污水排放必須依托排放管道的合理布局，才能準(zhǔn)確到達排污地點。由于城市污水排放管道一般都埋于地下，可能和通信光纜、電纜、煤氣管道發(fā)生沖突，因此必須進行全面摸排調(diào)研，再經(jīng)過合理設(shè)計和施工，才能建成可用且安全的污水排放管網(wǎng)[3]。污水中含有大量的雜質(zhì)，在排污水流的帶動下會對排污管道造成沖蝕作用。如果這種沖蝕的持續(xù)時間較長，就會對部分管道的特殊點位反復(fù)造成疲勞損耗，從而導(dǎo)致排污管道出現(xiàn)破裂、污水溢出對周圍環(huán)境形成污染。在本文中，先針對污水排放管道進行施工流程設(shè)計，再通過理論和試驗檢驗排污過程中管道的抗沖擊性能，以期合理完成市政污水處理工作。

1 市政污水排放管道的施工流程設(shè)計

市政污水排污管道施工包括多個階段，例如準(zhǔn)備階段、管道施工階段、后期處理階段等。在準(zhǔn)備階段，需要挖掘足夠容納排污管道的溝槽，對地下空間部分要進行支撐假設(shè)，避免施工過程中出現(xiàn)塌方或施工后強度不足的問題。管道施工階段是核心階段，主要完成管道鋪設(shè)、組裝等。在所有排污管道線路施工完成后，需要通過測試證實其安全、可靠，再對其進行回填加固等處理。基于此，為了保證市政污水排污管道有效施工，研究設(shè)計的施工流程，如圖1所示。

在施工過程中，要注意排污管道施工現(xiàn)場周邊環(huán)境的復(fù)雜性，做好圍擋、屏蔽、隔離、警示等處理，避免造成人員傷亡。尤其需要注意排污管道槽挖掘時，不要破壞輸電線路、網(wǎng)絡(luò)線路、飲用水供水線路，以免影響城市正常運轉(zhuǎn)。在材料選擇方面，排污管道需要注意熱脹冷縮問題。管道基礎(chǔ)采用砂礫基礎(chǔ)而非混凝土基礎(chǔ)，回填土要求嚴(yán)格，部分回填土采用中（粗）砂或石棉砂，保證管道的穩(wěn)定性和密實度。

2 污水排放過程中對排污管道的沖蝕機理分析

在局部排污管道建成后，將并入市政整體排污管網(wǎng)。在這個排污系統(tǒng)中，排污管道彼此相連，構(gòu)成情況非常復(fù)雜。污水在管道中以一定的勢能下落，又以一定的動能產(chǎn)生沖擊力。尤其在管道拐點處，這種沖擊力的影響很大。在持續(xù)的強沖擊作用下，排污管道的管道壁就有可能出現(xiàn)孔洞、裂紋或裂縫，從而引發(fā)泄露等安全問題。污水排放的沖蝕作用是由很多復(fù)雜原因形成的，需要觀察排污管道內(nèi)的具體情況，如圖2所示。

從圖2可以看出，在污水排放過程中，排污管道內(nèi)部不會滿載運行，由一部分空氣、一部分液體構(gòu)成。在液面以下，污水內(nèi)含有形態(tài)各異的各種雜質(zhì)。這些雜質(zhì)可能是泥沙，也可能是金屬物、動物骨頭碎渣或蔬菜根莖，還可能是紐扣等。這些雜質(zhì)充分體現(xiàn)了城市污水的特點。

為了便于分析污水中雜質(zhì)的沖蝕作用，不以其類別為劃分依據(jù)，而以其顆粒直徑作為劃分的標(biāo)準(zhǔn)。可以將顆粒直徑為0～20μm的雜質(zhì)稱為微型雜質(zhì)，其對管道壁的沖蝕作用較弱。將顆粒直徑為21～75μm的雜質(zhì)稱為小型雜質(zhì)，對管道壁有較小的沖蝕作用。將顆粒直徑為76～125μm的雜質(zhì)稱為中型雜質(zhì)，對管道壁有一定的沖蝕作用。顆粒直徑為126～300μm的雜質(zhì)為大型雜質(zhì)，對管道壁有較強的沖蝕作用。顆粒直徑為300μm以上的雜質(zhì)為超大型雜質(zhì)，對管道壁有強沖蝕作用。

不同大小的雜質(zhì)隨著污水流動，會因彼此碰撞、水流帶動的動量沖擊對管道壁（尤其是方向偏折較大的位置）產(chǎn)生刮削作用。持續(xù)刮削處理會導(dǎo)致管道壁表層強度下降，被破壞的概率變大。

由于污水中雜質(zhì)數(shù)量較多，因此無法從雜質(zhì)單體對沖蝕作用進行量化分析，但是可以根據(jù)雜質(zhì)在污水中的濃度或含量，進行沖蝕作用分析。通常來說，雜質(zhì)在污水中的濃度是否達到12%是一個臨界點。當(dāng)?shù)陀?2%時，這種沖蝕作用可以忽略或不做考慮。當(dāng)超過12%時，就存在沖蝕作用，并會產(chǎn)生破壞效果，如公式（1）～公式（3）所示。

（1）

式中：VS為市政排污管道水流中所攜帶的各種顆粒直徑的雜質(zhì)的總體積；VL為市政排污管道水流的總體積。

（2）

式中：ρ為市政排污管道水流的密度大小。

（3）

式中：MS為市政排污管道水流中所攜帶的各種顆粒直徑的雜質(zhì)的總質(zhì)量；ML為市政排污管道水流的總質(zhì)量。

在不同雜質(zhì)密度情況下，計算污水對排污管道壁的彈性作用如公式（4）所示。

（4）

式中：k為各種顆粒直徑的雜質(zhì)對排污管道壁產(chǎn)生的彈性作用的系數(shù)；v為各種顆粒直徑的雜質(zhì)和排污管道壁發(fā)生碰撞時的速度；ε為各種顆粒直徑的雜質(zhì)和排污管道壁發(fā)生碰撞時的重疊度；D為各種顆粒直徑的雜質(zhì)的近似直徑；ρ為市政排污管道水流的密度。

3 污水排放過程中對排污管道的沖蝕性能測試試驗

針對市政污水排放問題，研究設(shè)計了污水排放管道施工的詳細流程，對污水排放管道中的雜質(zhì)分布機理進行了數(shù)學(xué)模型化分析，從理論上解讀了不同雜質(zhì)顆粒直徑、不同雜質(zhì)濃度對污水排放管道的沖蝕作用。在進一步的研究工作中，通過試驗對污水排放過程中雜質(zhì)對排污管道的沖蝕性能進行測試。考察不同雜質(zhì)濃度對排污管道壁所造成的沖蝕率變化情況，如圖3所示。

雜質(zhì)濃度測算可以分為體積法測算和質(zhì)量法測算。體積法測算如公式（1）所示，如果排污管道中雜質(zhì)的總體積VS=12m3，排污管道中水流總體積VL=88m3，根據(jù)公式（1）得到VS/（VS+VL）=12/（12+88）=12%。質(zhì)量法測算如公式（3）所示，如果排污管道中雜質(zhì)的總體積MS=17.42t，排污管道中水流總體積ML=82.58t，那么根據(jù)公式（3）可以得到MS/（MS+ML）=17.42/（17.42+82.58）=17.42%。本文是用質(zhì)量法進行測算的。

圖3是以柱狀圖的形式，對比分析了污水中不同雜質(zhì)濃度對排污管道壁所造成的沖蝕率情況。從柱狀圖的變化情況可以看出，隨著污水中雜質(zhì)濃度不斷上升，其對排污管道壁所造成的沖蝕率也逐步提高。如果將柱狀圖的頂端進行折線連接，就可以看出這種沖蝕率的變化，基本同雜質(zhì)濃度的變化呈現(xiàn)出線性關(guān)系。這也表明，污水中的雜質(zhì)濃度越高，對排污管道壁的沖蝕率越高、破壞作用越強，對整個排污管網(wǎng)的安全運行威脅越大。

污水排放過程中對排污管道形成的沖擊作用，除了和雜質(zhì)濃度有關(guān)以外，還和污水的流動速度有很大關(guān)系。但是，在三維空間下，污水的流動速度也具有3個維度，其沖蝕作用主要體現(xiàn)在流動速度的Y向分量和Z向分量。因此，接下來的試驗主要考察這兩個方向上速度的變化與管道壁不同位置之間的關(guān)系。觀察污水流動速度的Y向分量，與管道壁不同位置之間的關(guān)系，如圖4所示。

從圖4可以看出，圖中有5組曲線，分別對應(yīng)水中不同雜質(zhì)濃度的情況。從5組曲線的變化情況來看，在管道壁不同位置處，污水流動速度的Y向分量都呈現(xiàn)出相同趨勢的波動變化，并在沖蝕點附近達到最大速度。表明污水流動速度的Y向分量，在沖蝕點附近的沖擊力作用最大。如果污水中雜質(zhì)濃度越高，那么水的含量就越低，因此污水流動速度的Y向分量，對管道壁的影響也就會相應(yīng)減弱。

再觀察污水流動速度的Z向分量，與管道壁不同位置之間的關(guān)系，如圖5所示。

從圖5可以看出，圖中含有5組曲線，分別對應(yīng)了水中不同雜質(zhì)濃度的情況。從5組曲線的變化情況來看，在管道壁不同位置處，污水流動速度的Z向分量都呈現(xiàn)出相同趨勢的波動變化，并在沖蝕點附近達到最大速度。隨著距離沖蝕點的位置不斷接近，污水流動速度的Z向分量的作用持續(xù)增強，對管道壁的破壞作用也持續(xù)加大。

4 結(jié)論

城市污水排放必須依托排放管道的合理布局，才能準(zhǔn)確地到達排污地點。考慮到城市污水排放管道一般都埋于地下，可能和通信光纜、電纜、煤氣管道發(fā)生沖突，因此必須進行全面摸排調(diào)研，再經(jīng)過合理設(shè)計和施工，才能建成可用的、安全的污水排放管網(wǎng)。污水中含有大量的雜質(zhì)，在排污水流的帶動下會形成對排污管道的沖蝕作用。如果這種沖蝕的持續(xù)時間較長，就會對部分管道的特殊點位造成疲勞損耗，導(dǎo)致排污管道出現(xiàn)破裂，污水溢出對周圍環(huán)境形成污染。本文設(shè)計了市政污水排污管道的施工流程，并從理論和試驗兩個維度上，對污水排放的沖蝕性進行了分析和驗證。

參考文獻

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