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城市排水管道泥沙问题浅析
更新日期:2012-08-20  浏览:2856
 

提要 城市排水管道设计中,普遍采用最小流速准则控制排水管道中的泥沙淤积。从世界各地排水管道的运行历史及近年的研究成果来看,这种设计准则是存在问题的。对排水管道泥沙运动的研究进行了较为全面的综述,结合相关的排放口扩散器泥沙淤积规律模型试验研究成果,对典型的排水管道泥沙运动方程进行一定分析,提出排水管道设计推荐公式。并希望能引起我国科研和工程界对排水管道泥沙问题的重视,达到抛砖引玉之效。
  关键词 排水管道 泥沙 临界不淤流速

Superficial Analysis on Sediment Transport in City Sewer

Liu Cheng et al

  AbstractThe limiting velocity criteria are generally adopted in the city sewer designing to control the sediment deposition in the pipe. But these kinds of criteria are questionable from the sewer operation history and researches in recent years all over the world. In this paper, the researches on sediment transport in sewer are reviewed. Combined with the modeling study on sediment deposition in outfall diffuser, the typical sewer sediment transport functions are analyzed, and functions used in sewer designing are recommended. The authors hope that this paper can catch the researchers' and engineers' attention to sediment transport in sewer, and has the effect of throwing out a minnow to catch a whale.

0 概述

  泥沙问题是排水管道设计中必须考虑的一个重要方面,从运行角度看,应满足污水中所挟带的泥沙不会在管道内淤积(或存在有限淤积),影响排水管道水力性能、减小设计排水能力;从技术经济上看,应使排水管道在满足不淤条件和排水能力的前提下,具有最佳管径、坡度和水头损失,降低工程造价和运行费用。在考虑泥沙问题上,现行的排水管道设计标准一般是以自清流速作为管道设计最小流速来控制,最小流速往往是仅根据污水管、雨水管或合流管提出一固定值,如表1所示。但是,世界各地排水管道的运行历史及近年来对排水管道泥沙运动规律的研究成果表明,这种设计标准存在一定的问题,表现在以下几个方面:
  (1)设计标准没有考虑泥沙特性(泥沙浓度、粒径、重度及粘性等)的影响。不论是管道泥沙运动,还是河流泥沙运动,泥沙特性对输沙率有明显的影响,而排水管道的泥沙特性随排水管道的类型、不同城市和汇水区域特征、雨污水收集方式等的不同有极大的变化,固定的数值作为标准不具有代表性。

表1 各国排水管道最小设计流速要求

来  源 国家

排水管道
类型

最小设计流速/m/s 水流
情况
室外排水设计规范GBJ14-87 中国 污水 0.6 非满管
雨水、合流 0.75 满管
给水排水工程快速设计手册[1] 中国 污水 0.7(D≤500mm)
0.8(500mm<D≤1 100mm)
0.9(1 100mm<D≤1 400mm)
1.0(D1 500mm)
非满管
雨水、合流 0.75 满管
美国土木工程协会(ASCE)[2] 美国 污水 0.6 满管/
非满管
雨水 0.9 满管/
非满管
BS8005[3] 英国 污水、合流 0.75 非满管
雨水、合流 1.00 满管

  (2)设计标准没有考虑管道特性(如管道形状和尺寸、糙率)。近年来,随着新材料的开发与推广应用,越来越多的城市排水系统应用了PVC管、内衬管,新型材料的糙率值一般远小于传统的钢筋混凝土管,不仅减小了水头损失、增加了排水能力,同时也增加了管道的输沙能力。从近来对排水管道泥沙运动的最新研究成果来看,管道的形状和尺寸也对输沙能力有较大影响。不考虑排水管道的特性,用一固定的值作为控制标准是不合适的。
  (3)以固定的最小流速值作为设计中的控制条件是基于一定的经验而来的,没有坚实的理论和实践依据,具有一定的任意性。
  事实上,因为设计及管理等方面的原因,世界各地的排水管道几乎都存在程度不一的泥沙淤积现象。上海市为防止排水管道淤堵,避免影响雨季正常排水,有关部门平均每年要对城市排水管道清淤2~3次,大型管道一般2~3年清淤一次;有些中小型管道甚至每月就要清淤1~2次。即使如此,1999年6月间两场大暴雨仍造成上海市城区大面积积水,其原因之一应当归结于排水管道泥沙淤积,使输水能力降低。法国科研人员对马赛罗(Marseilles)高度在1.25m以上的排水管道系统进行研究,其中泥沙淤积厚度超过30cm的管段就有8km以上[4]
  因此,有必要对排水管道中的泥沙运动规律进行研究,以提出更为合理的设计准则,防止排水管道存在较大程度的泥沙淤积。

1 排水管道泥沙运动研究综述

  第一次对排水管道泥沙运动的系统研究是50年代在美国衣阿华(lowa)大学进行的,Laursen综合了Craven和Ambrose等人的研究成果,提出了满管流中联合应用摩擦方程和泥沙运动方程求解,从而既能确定排水管道流量,又能确定水流输沙能力。通过泥沙运动方程表达了不淤条件下最大输沙能力的临界条件,并意识到单一流速准则应用于不同的泥沙条件和管径的排水管道是存在问题的[5]
  直至70年代,排水管道的泥沙运动问题又一次引起很多科研人员的关注,进行了深入的模型试验和现场实测研究,取得了大量成果。这些研究中以Nalluri等人在Newcastle upon Tyne大学、May等人在Wallingford水力研究院进行的系统研究、以及Ackers将Ackers-White明渠泥沙运动理论应用于排水管道泥沙运动最具有代表性。
  我国对排水管道泥沙运动问题的研究鲜有报道,室外设计规范的解释中提到的个别试验研究似乎只是对泥沙启动流速进行的,没提出试验的条件。解释中提出大管径管道不一定比小管径管道需要更大的流速,此观点更值得商榷[6]
  以下对近年来的主要研究成果作一概述。
1.1 Nalluri等人的研究成果
  Novak和Nalluri(1978)通过对圆形管道中泥沙的启动和不淤情况下底沙运动规律进行模型试验,根据一定的理论分析和数据处理,得出泥沙启动流速公式为[7]

   g0801.gif (755 字节)   (1)

式中vc——泥沙启动流速;
  d——泥沙中值粒径;
  R——管道水力半径,圆形管道R=D/4;
  D——管径;
  g——当地重力加速度;
  s——泥沙相对重度差,s=(γs-γ)/γ=(ρs-ρ)/ρ;
γss),γ(ρ)——分别为泥沙和水的重度(密度)。
临界不淤流速为:

   g0901.gif (926 字节)   (2)

式中vs——临界不淤流速;
  λ——沿程阻力系数;
  Cv——泥沙体积浓度。
  注:公式形式多为无量纲形式,因此对各参数没有单位的要求,只要公式中各参数单位保持一致即可。
  Nalluri和Alvarez(1992)在直径154mm和302mm的管道里,利用人工粘性模型沙,进行了粘性对泥沙运动的影响试验,试验为具有泥沙底床的情况[8]。得出结论认为,粘性泥沙一旦启动,粘性底床结构被破坏,则粘性泥沙颗粒运动与非粘性泥沙相似,也就是说非粘性沙运动方程可以应用于污水管道的泥沙中。但同时试验成果也表明,粘性对启动时要求的拖曳力影响很大,大大超过非粘性沙启动时的要求。淤积在表面的细颗粒泥沙,启动所需托曳力值为2.5N/m2;下层更大颗粒所需拖曳力值为6N/m2~7N/m2。对试验数据进行多元回归分析,Alvarez(1990)在其博士论文中提出了如下方程:
  非粘性沙

   g0902.gif (1216 字节)   (3)

式中Rb——考虑泥沙底床的水力半径;
  λsb——考虑泥沙底床的沿程阻力系数;
  τb——考虑泥沙底床的拖曳力。
  粘性沙

   g0903.gif (1122 字节)   (4)

  Ab.Ghani(1993)的博士论文中,通过分析底沙运动,提出临界不淤流速方程为[9]

   g0904.gif (1207 字节)   (5)

式中Dgr——无量纲粒径,g0905.gif (610 字节)
  λs——总沿程阻力系数。

   λs=1.13λ0.98C0.02vD0.01gr   (6)

  他根据在305mm管径管道中进行的具有固定泥沙底床的模型试验,分析了具有泥沙底床的泥沙运动方程,通过对Alvarez提出的公式进行变形,得到:

   g0906.gif (1218 字节)   (7)
   λsb=6.6λ1.45s   (8)
   g0907.gif (765 字节)   (9)

式中b——泥沙底床宽;
  y0——水深。
进一步将方程应用于Alvarez、Mayerle、Ab.Ghani等人的试验数据综合比较,认为式(7)对有、无泥沙底床的管道均适用。当应用于无底床的临界不淤流速计算时,将式(7)和式(9)中的b值用下式代入:

b=0.5D

  将b代入式(7)后,可简化为:

   g0908.gif (1232 字节)   (10)

  从Ab.Ghani的研究也可看出,他认为排水管道中底床厚度t在t/D值为10%~15%为最佳。
  Nalluri和Spaliviero(1998)通过收集和整理Pulliah、Macke、Arora等悬沙模型试验数据,经多元回归分析,得出临界不淤条件下悬沙运动方程[10]

   g0909.gif (1017 字节)   (11)

  式中λs用式(9)。
  同时也用收集的数据对Nalluri(1994)的底沙运动方程式(7)进行比较,认为此式不仅适用于底沙运动,也适用于悬沙运动。
1.2 May等人的研究成果
  May(1982)用直径77mm、158mm的光滑管及229mm的混凝土管进行了管道底沙运动规律的试验研究,提出了下式:

   g0910.gif (952 字节)g1001.gif (706 字节)   (12)

其中,vc采用Novak和Nalluri的成果式(1)。对粗糙管,vc修正为:

   g1002.gif (755 字节)   (13)

对管道中存在小的泥沙底床情况(如t/D=0.01),May建议对满管流采用下式:

   g1003.gif (1230 字节)   (14)

  后来,May(1993)又提出了具有泥沙底床的方程,为:

   g1004.gif (988 字节)   (15)

式中η——具有连续泥沙底床时的输沙效率参数;
  θ——颗粒雷诺数有关的过渡系数;
  λg——对颗粒拖曳力的阻力系数。
  May(1995)通过对各家试验数据的比较,进一步修正了底沙运动方程,提出与试验数据更吻合的方程[11]

   g1005.gif (1315 字节)   (16)

其中           g1006.gif (765 字节)   (17)
  Nalluri、El-Zaemey和Chan(1997)对May于1989年提出的公式(与式(12)近似)进行了修正,使用了El-Zaemey对固定淤床管道泥沙运动的模型试验数据,修正的公式与试验成果吻合[12]。公式为:

   g1007.gif (1870 字节)   (18)

其中            g1008.gif (785 字节)   (19)
λs用式(9)计算。
1.3 Ackers等人的研究成果
  Ackers和White(1973)在对明渠泥沙运动的研究中,广泛收集前人的试验资料,整理得到一千组次水槽试验成果,以此为基础,在Bagnold的基本概念的指导下,写出某些无量纲参数之间的函数关系,然后进行回归分析,求出函数的具体形式[13]。Ackers-White公式是包括底沙和悬沙在内的全沙挟沙能力公式,是目前国际上通用的几组明渠泥沙运动公式之一,并得到一定的明渠现场实测资料的验证。Ackers(1984,1991)对Ackers-White公式进行了数学变形,根据管道具体情况进行了一定的修正,提出了下述用于管道泥沙运动的公式[14]

   g1009.gif (743 字节)   (20)
   g1010.gif (882 字节)   (21)
   g1011.gif (949 字节)   (22)

其中,当Dgr>60(粗沙,对天然沙,约大于2mm)

n=0
Agr=0.17
m=1.78
C=0.025

当1<Dgr<60(过渡沙,对天然沙,约为0.06mm~2mm)

g1012.gif (2386 字节)

We为有效输沙宽度。对于无泥沙底床临界不淤条件,We=10d;具有小高度泥沙底床(t/D约为1%),We=0.04D。

2 排水管道泥沙运动方程的分析

2.1 排水管道泥沙运动方程的比较与分析
  对上述排水管道泥沙运动方程进行分析,选择了近年最具有代表性的公式。分别为式(7)Nalluri-Alvarez(1990)公式,取b=0.5D;式(5)Nalluri-Ab.Ghani(1993)公式;式(12)May(1982)公式;式(16)May(1995)公式;式(18)Nalluri等修正的May公式(1997);式(20)Ackers公式,分别取We=10d、We=0.04D。
  取污水管、合流管道较为适中的情况分别应用诸公式计算不同管径所要求的最小流速,分析中取泥沙中值粒径为0.3mm、重度为2.0t/m3、泥沙重量浓度为200mg/L,管道按混凝土管考虑,糙率取0.014,利用谢才和曼宁公式可计算阻力系数λ:

   g1101.gif (394 字节)   (23)

式中n——管道糙率。
  按满管流和非满管流(水深y=0.5D)两种情况计算,计算的不同管径所要求的最小流速分别见图1和图2。式(18)计算的流速明显偏大,不合理,图中舍去,不再分析。如当满管流、管径为4m时,按式(18)计算的流速居然高达21m/s。估计公式拟合仅是适合所取El-Zaemay的试验数据,不具有普遍性。

t1101.gif (3292 字节)

图1 各公式计算的最小流速值(满管流)
1 May(1995) 2 May(1982) 3 Nalluri-Alvarez(1990,b=0.5D) 4 Nalluri-Ab.Ghani(1993) 5 Ackers(We=10d) 6 Ackers(We=0.04D)

t1102.gif (3154 字节)

图2 各公式计算的最小流速值(非满管流,y=0.5D)
1 May(1995) 2 May(1982) 3 Nalluri-Alvarez(1990,b=0.5D) 4 Nalluri-Ab.Ghani(1993) 5 Ackers(We=10d) 6 Ackers(We=0.04D)

  从图1和图2可得到如下结论:
  (1)在小管径时,特别是在模型试验数量级的管径(70mm~300mm)时,各公式计算的最小流速值基本相近,差异较小。因为各公式均是依据模型试验数据进行拟合而得,各家模型试验数据值应是相近的;
  (2)管径增大时,各公式计算值的差异增大。可见公式外推至试验范围外的大管径时,具有相当的不确定性;
  (3)满管流时,随管径的增加,Nalluri和May的两组公式计算值差异均增大;而非满管流时,公式计算值基本一致。估计Nalluri和May的公式均主要在非满管流的试验数据基础上拟合而成,因此,造成推广至满管流时,不同时期的公式有明显区别;
  (4)各公式计算出的非满管流的临界不淤流速均小于满管流的,也就是说非满管流的挟沙能力高于满管流的,设计中按满管流计算偏于安全;
  (5)虽然各公式存在差异,但均呈现出最小流速随管径增大而增加的趋势,当管径大于1m时,所有公式的计算值均大于表1中各种流速规则的要求。如当管径为4m、半满管流时,Nalluri-Alvarez(1990)公式、Nalluri-Ab.Ghani(1993)公式、May(1982)公式、May(1995)公式、Ackers公式(We=10d)、Ackers公式(We=0.04D)计算出的最小流速分别为3.4m/s、3.6m/s、4.8m/s、5.1m/s、2.6m/s和1.5m/s。因此,在大型排水管道中,现行规范要求的最小流速不能满足不淤要求;
  (6)大型排水管道中,应允许一定的泥沙淤积存在,不能按严格的不淤要求,以降低排水管道的建设费用。仍以4m管径、半满管流为例,按临界不淤条件计算,May(1995)公式计算的流速值为5.1m/s,最小的流速按Ackers公式计算为2.6m/s;这在实际工程中是不现实的;而允许存在少量淤积,Ackers公式计算值降低至1.5m/s。这样,允许管道底部存在少量淤积,可使临界流速值大幅度降低,同时又不会明显影响管道的水力性能,使管道铺设坡度减小,从而降低建设费用。
2.2 排水管道泥沙运动方程与扩散器泥沙淤积模型试验数据的比较
  扩散器泥沙运动规律与排水管道泥沙运动规律相似,在第一根上升管之前的放流管段,与排水管道满管流情况基本一致,因此,这里取扩散器泥沙淤积模型试验中放流管段的试验数据[15]与排水管道泥沙运动诸公式相比较。数据有模型试验数据和根据模型相似比计算的原型数据两组数据。
  模型试验中,当扩散器内的泥沙达到冲淤平衡时,放流管内一般存在一定高度的泥沙淤积,淤积厚度约为管径的4%~10%,这基本上相当于满管流、排水管道存在少量泥沙淤积时的泥沙运动。表2为10组模型流速和按模型相似计算的原型流速值,表3为根据模型参数和原型参数用各公式计算的模型和原型流速。所取参数为(S为泥沙浓度):
  模型值:D=84mm,d=0.19mm,γs=1.4t/m3,S=0.4kg/m3,n=0.009
  原型值:D=2.1m,d=0.3mm,γs=2.0t/m3,S=0.2kg/m3,n=0.014

表2 扩散器泥沙淤积模型试验放流管段流速

项目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均
模型流速
/m/s
0.23
 
0.28
 
0.26
 
0.23
 
0.20
 
0.23
 
0.31
 
0.23
 
0.34
 
0.37
 
0.27
 
原型流速
/m/s
1.16
 
1.41
 
1.30
 
1.14
 
1.02
 
1.14
 
1.57
 
1.17
 
1.69
 
1.86
 
1.35
 

表3 各公式计算的流速值

项目 Nalluri-
Alvarez
Nalluri-Ab.
Ghani
May
(1982)
May
(1995)
Ackers
(We=10d)
Ackers
(We=0.04D)
模型流速
/m/s
0.41
 
0.36
 
0.43
 
0.46
 
0.32
 
0.31
 
原型流速
/m/s
3.21
 
2.44
 
3.56
 
4.24
 
1.62
 
1.05
 

  从表2和表3的比较可见:
  (1)各公式计算的模型流速值与模型实测值基本接近,以Ackers公式计算值更吻合,其它公式计算值略高。可以看出,这些由模型试验数据所拟合而得的公式,基本能与模型试验值吻合;
  (2)公式用于计算原型流速时,Ackers公式计算值仍与推算的原型值相近,其它公式则明显高于此值。推算的原型值是严格按模型相似要求计算而得,可以代表原型情况。Ackers公式与推算的原型值相近,一方面是因为公式考虑了管道存在少量泥沙淤积,另一方面可能是因为该公式具有更坚实的理论和试验基础;而其它公式计算值明显偏高,一是因为公式考虑的为泥沙不淤的条件,二可能是因为公式外推至大型管道的不确定性造成的。因此,可以认为:将Ackers公式用于大型管道具有较小淤积情况的泥沙运动是比较可信的。
2.3 公式推荐及使用方法
  从对泥沙运动诸公式的分析可见,在大管径情况下,公式计算值相差较大。因此,应进行更大管径的模型试验工作,使公式外推至大型管道的泥沙运动时更为合理;同时应进行更多的现场实测工作,分析大型管道的泥沙运动规律,进一步修正排水管道泥沙运动方程。
  在更可靠的计算方法提出之前,根据前述分析,建议对小型管道(D<1.0m),采用临界不淤条件决定设计流速,计算公式采用计算值相对居中的Nalluri-Ab.Ghani(1993)公式(式(5));大型管道(D≥1.0m),为节约工程投资,但又不明显影响输水、输沙能力,建议采用管道底部有少量淤积的临界条件决定设计流速,计算公式采用Ackers公式(式(20)),计算时取We=0.04D。
  当泥沙特性已知时,代入相应的公式,即可求出临界流速。Ackers公式的计算较为繁琐,可编制计算机程序计算,或编制计算图表备查。图3和图4分别为典型的合流污水和雨水管道情况下的计算图,根据管径和泥沙浓度,便可直接在图上查出相应的临界流速值。

t1201.gif (3802 字节)

图3 具有少量淤积的管道临界流速计算图
(满管流,d=0.3mm,γs=2.0t/m3,n=0.014,We=0.04D)

t1301.gif (3778 字节)

图4 具有少量淤积的管道临界流速计算图
(满管流,d=0.3mm,γs=2.65t/m3,n=0.014,We=0.04D)

3 结论与建议

  由以上分析,可得出如下结论与建议:
  (1)现行的排水管道设计流速规则没有考虑管径、糙率和泥沙特性的影响,在实用中不能满足要求,应进行调整;
  (2)大型排水管道,现行设计规范决定的最小设计流速不能满足不淤要求,临界不淤流速远高于设计规范值;
  (3)对于大型排水管道的设计,满足不淤条件过于苛刻。从经济可行的角度考虑,应允许管道底部存在少量泥沙淤积,在不明显影响水力性能的前提下,使临界流速大大降低;
  (4)根据一定的模型试验数据比较分析,认为计算存在少量淤积时的临界流速,Ackers公式具有一定的可信度;
  (5)近年来,在试验基础上,已开发了大量排水管道泥沙运动公式,但应用于较大管径排水管道时,公式计算值相差较大。应进行更大管径的模型试验和进行现场实测,进一步修正公式,提出更可靠的设计准则;
  (6)应进一步对粘性泥沙对泥沙运动的影响进行模型试验及现场实测,以在设计时充分考虑粘性泥沙的影响;
  (7)在更可靠的设计准则提出之前,建议对小型管道(D<1.0m),采用临界不淤条件决定设计流速,计算公式采用Nalluri-Ab.Ghani(1993)公式(式(5));对大型管道(D≥1.0m),建议采用管道底部有少量淤积的临界条件决定设计流速,计算公式采用Ackers公式(式(20)),计算时取We=0.04D。

作者:刘成 韦鹤平   何耘 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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