排水管道沉積物水力沖刷技術(shù)

1、排水管道沉積物水力沖刷技術(shù)1 管道沉積物淤積及清淤技術(shù) 排水系統(tǒng)作為一個(gè)城市重要基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分， 系統(tǒng)的健 康與否關(guān)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(huì) 帶來(lái)一系列的環(huán)境問(wèn)題， 首先由于淤積的存在減小了管道的水力 輸送空間， 進(jìn)而導(dǎo)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(jī)組分， 在微生物厭氧過(guò)程下會(huì)導(dǎo)致硫化氫、 硫酸等硫 化物的產(chǎn)生，對(duì)管道及環(huán)境帶來(lái)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(lái)源 （ Ashley ，2010、 Gasperi ，

2、 2010）。因此，研究管道沉積物的 產(chǎn)生、預(yù)防及清除成為一個(gè)兼具科學(xué)性與應(yīng)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(dāng)管段流速 較低時(shí)，流體對(duì)顆粒物的攜帶能力不足以克服其自身沉降的趨 勢(shì)，顆粒產(chǎn)生沉降，在管道底部形成沉積層。隨著時(shí)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(duì)管道沉積物進(jìn)行清理是一項(xiàng)具有實(shí)際意義的工作。 在城市排 水管渠與泵站維護(hù)技術(shù)規(guī)程 中規(guī)定排水管渠應(yīng)定期檢查、 定期 維護(hù)，保持良好的水力功能和結(jié)構(gòu)狀況（ CJJ 68-2007 ）。針對(duì)排水管道淤積狀況與特點(diǎn)， 在實(shí)際清通中可以針對(duì)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(shù)的作用原理不同， 現(xiàn)有的排水管道沉積物清通技術(shù)可以 分為兩大類(lèi)：機(jī)械清通技術(shù)、水力清通技術(shù)。前者包括絞車(chē)清淤 法（劉麗萍， 2002）、通溝機(jī)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(shù)中，許多研究學(xué)者將一些成熟的方法申請(qǐng)了相關(guān)的專(zhuān)利， 如水 力平衡閥（ Hydrass ）（ Williams ，2009、潘國(guó)慶， 2007）、水 力自?xún)粝到y(tǒng)（ Hydroself ）（高安禮， 2007）以及真空沖刷系統(tǒng)（BIOGES

4、 T等。與機(jī)械清通技術(shù)相比， 水力清通技術(shù)以其特有的防淤、 清淤 功能及低成本、 易維護(hù)的特點(diǎn) （ Chebbo，1996、William C，2003、 Goormans 2009、Campisano, 2006）在許多城市和地區(qū)得到了 應(yīng)用，如在德國(guó)的 Marht Wiesentheid 、 GemeindeSchauenburg ， Stadt Kirchhain ， Markt Grossostheim 等城市，美國(guó)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(shù)都得到了實(shí)際的應(yīng)用。 相比于國(guó)外已經(jīng)存在的 眾多管道水力沖刷應(yīng)用

5、案例， 該類(lèi)技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用并不多見(jiàn)， 僅 用于上海世博園區(qū)泵站調(diào)蓄池的 Hydroself 以及應(yīng)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(duì)現(xiàn)排水管道水力沖刷技術(shù)進(jìn)行綜述， 主要將從水力 沖刷技術(shù)形式、沖刷效果及設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行闡述。2 排水管道水力沖刷技術(shù)形式 現(xiàn)有的較為成熟的排水管道水力沖刷技術(shù)主要有三種典型 形式，分別是 Hydrass 、 Hydroself 以及 Biogest ，均已申請(qǐng)了 相應(yīng)的專(zhuān)利。這些沖刷技術(shù)都是起源于歐洲，并最先在歐洲，尤 其是在德國(guó)，開(kāi)展了大量的應(yīng)用。在清淤原理及過(guò)程上，上述三 種

6、沖刷技術(shù)類(lèi)似。以一個(gè)沖刷循環(huán)為例，一個(gè)沖刷循環(huán)由蓄水、 瞬時(shí)排水兩個(gè)過(guò)程。 其中蓄水過(guò)程是將管道內(nèi)的污水進(jìn)行集中儲(chǔ) 存，當(dāng)蓄水量達(dá)到設(shè)定量時(shí)，瞬時(shí)排水過(guò)程自動(dòng)啟動(dòng)，排水形成 的沖刷水波對(duì)管道底部沉積物產(chǎn)生強(qiáng)烈沖刷作用，達(dá)到清淤效 果。所述的沖刷技術(shù)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(mén)在關(guān)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(guò)蓄水完 成，而 Biogest 則是借助真空系統(tǒng)使儲(chǔ)水庫(kù)吸水完成。2.1 HydrassHydrass 起源于法國(guó)，現(xiàn)在已經(jīng)申請(qǐng)為專(zhuān)利技術(shù)而應(yīng)用在各 大城市。 Hydrass 的構(gòu)造十分簡(jiǎn)

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(mén)組成。 Hydrass 的工作主要分為以下 幾個(gè)步驟，如圖 2所示：（ 1）起始狀態(tài)：鉸鏈門(mén)因自身的重力 而處于垂直狀態(tài)；（ 2）工作狀態(tài)：鉸鏈門(mén)關(guān)閉時(shí)，其一側(cè)逐漸 蓄積的水推動(dòng)閥板， 鉸鏈門(mén)瞬間打開(kāi)， 隨后鉸鏈門(mén)與水流方向平 行，從而形成瞬時(shí)的大流量沖刷波將沉積在管道底部的污染物沖 起；（ 3）回復(fù)狀態(tài)：沖刷后，鉸鏈門(mén)恢復(fù)垂直狀態(tài)原位，并進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。2.2 Hydroself起初 Hydroself 是針對(duì)在線式雨水調(diào)蓄池而開(kāi)發(fā)， 現(xiàn)在已經(jīng) 在管道清洗、截留設(shè)施沖刷等方面開(kāi)展了應(yīng)用。 Hydroself 是一 種由蓄水池與由翻板閘

8、門(mén) （水力控制） 配合工作的管道沖刷技術(shù)， 其組成主要有水力操控翻板閘門(mén)、蓄水池、浮板（或者泵）以及 閥門(mén)，圖 3 所示為一實(shí)際應(yīng)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(mén)的開(kāi)閉。 Hydroself 一般設(shè)計(jì)成自動(dòng)運(yùn)行。 自動(dòng)運(yùn)行時(shí)， 沖刷系統(tǒng)根據(jù)蓄水池內(nèi)水位 達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的高度而自動(dòng)啟動(dòng)，翻板閘門(mén)瞬間打開(kāi)并形成 “潰壩”式的沖刷水波，對(duì)管道內(nèi)的沉積物進(jìn)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(chǔ)水庫(kù)、真空泵系統(tǒng)組成；其工作原理 為系統(tǒng)先對(duì)管道內(nèi)水位進(jìn)行

9、探測(cè)，當(dāng)管道內(nèi)水位達(dá)到預(yù)設(shè)高度 后，真空泵啟動(dòng)，儲(chǔ)水庫(kù)內(nèi)空氣被排空，進(jìn)而儲(chǔ)水庫(kù)從管道內(nèi)吸 水直至蓄水池內(nèi)水位達(dá)到預(yù)設(shè)高度后， 真空泵停止工作； 此后系 統(tǒng)再次對(duì)管道內(nèi)水位進(jìn)行探測(cè)， 當(dāng)管道內(nèi)水位符合開(kāi)啟隔膜閥條 件時(shí)，儲(chǔ)水庫(kù)頂部的隔膜閥門(mén)開(kāi)啟，瞬間釋放出儲(chǔ)水庫(kù)內(nèi)存水， 形成沖刷水流。 3 排水管道水力沖刷技術(shù)效果研究 針對(duì)排水管道水力沖刷技術(shù)， 許多研究學(xué)者展開(kāi)過(guò)相關(guān)試驗(yàn) 研究與數(shù)值模擬。 William C. Pisano （ 2004）曾針對(duì)馬薩諸塞州劍橋地區(qū)的管道自動(dòng)沖洗系統(tǒng)進(jìn)行了分析， 該自動(dòng)沖洗系統(tǒng)收 集降雨作為沖洗水并采用快速開(kāi)啟門(mén)（quick opening gates ）方式完

10、成對(duì)管道的沖洗。 Bertrand-Krajewski （2006）等人針對(duì) Hydrass 的清淤效果進(jìn)行了研究，在法國(guó)里昂通過(guò)對(duì)一處人可進(jìn) 入的蛋形管道進(jìn)行了為期四年的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)， 分析了管道沉積物的 沉積規(guī)律以及 Hydrass 對(duì)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(guò)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(zhǎng)度的比值與 Hydrass 的沖刷次數(shù) 表現(xiàn)出強(qiáng)烈的線性相關(guān)性， 在經(jīng)過(guò)了超過(guò) 12000次的觀測(cè)后擬合 出來(lái)的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)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(guò)試驗(yàn)及模型研究了沖 刷水流對(duì)管道沉積物的沖刷效果，試驗(yàn)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(jìn)行 數(shù)值求解，模型計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出了良好的吻合。Bong等人對(duì)沖刷門(mén)（tipping flush gate ）的水力特性進(jìn)行了 研究，試驗(yàn)中采用d50為0.81mm的沉積物，結(jié)果表明，當(dāng)沉積 物厚度

12、增加一倍時(shí)，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(mén)和真空沖刷裝置對(duì)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(dāng)沖刷裝 置上游水位增加一倍的時(shí)候， 沉積物的沖刷量增加約 3 倍，而沉 積物上覆水在沖刷時(shí)對(duì)沉積物具有保護(hù)作用，當(dāng)沉積層水位從 0 升高至 2.5cm 時(shí)，沖刷的沉積物量減少約 51%；而沖刷裝置的開(kāi) 啟高度對(duì)沖刷沉積物量影響不大，當(dāng)沖刷裝置上游水位分別為 86.4 、44.5cm 時(shí)，沖刷裝置開(kāi)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(mén)與真空沖刷裝置兩 種方式的對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 兩者差異性不大， 經(jīng)過(guò) 6 組沖刷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)真 空沖刷裝置的沖刷沉積物量比沖刷門(mén)約高6% Williams (2009)研究了設(shè)置有流量控制設(shè)施的管道內(nèi)的沉積與沖刷過(guò)程， 重點(diǎn)探 討了快速開(kāi)啟門(mén)技術(shù)( rapid gate opening )的沖刷效果，針對(duì) 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(kāi)門(mén)的操作， 而非沉積物負(fù)荷； 采用 300mn開(kāi)啟度的快開(kāi)門(mén)對(duì)沉積物的沖刷量是100mn開(kāi)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(lèi)

14、型及快開(kāi)門(mén) 的操作?？扉_(kāi)門(mén)技術(shù)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(shù)設(shè)計(jì) 為了使水力沖刷技術(shù)得到實(shí)際的應(yīng)用， 有一些研究人員針對(duì) 相關(guān)技術(shù)開(kāi)展了設(shè)計(jì)方面的研究，以期規(guī)范這些技術(shù)的設(shè)計(jì)。 Campisano (2007)等人就針對(duì)沖刷門(mén)(flushing gate )的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究， 在其研究中， 主要運(yùn)用的是一個(gè)基于無(wú)因次的圣維南- 歐拉方程組的數(shù)值模擬，通過(guò)數(shù)值模擬的方式來(lái)獲得沖刷門(mén)的 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(guān)系圖組；（b）根據(jù)管壁相對(duì)粗糙系數(shù) 與沉積物d50值選 擇具體關(guān)系圖；（c）從具體關(guān)系圖中可以分析沖刷時(shí)不同管道 充滿度對(duì)應(yīng)的Ls/D值；（d）根據(jù)沖刷水量對(duì)應(yīng)的等容曲線進(jìn)行 估計(jì)不同充滿度下對(duì)應(yīng)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(mén)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(shì)。 Goormans等人（2009）也對(duì)污水管道系統(tǒng)內(nèi)的沖刷設(shè)施系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究， 認(rèn)為沖刷設(shè)施在最小管道坡度時(shí)應(yīng)保證沖 刷時(shí)具有足夠的剪切力，

16、其次水動(dòng)力模擬可以輔助設(shè)計(jì)沖刷設(shè)施 的數(shù)量及位置，另外Goorma ns認(rèn)為與沖刷設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意設(shè) 施所對(duì)應(yīng)的集水面積，應(yīng)根據(jù)于沖刷頻率確定集水面積。5 結(jié)束語(yǔ)作為一種新型的管道清淤技術(shù)， 水力沖刷技術(shù)具有其自身獨(dú) 特優(yōu)勢(shì)，維護(hù)成本低、防淤、清淤等特點(diǎn)使其受到許多研究人員 的青睞， 在不斷深入研究這類(lèi)新型技術(shù)同時(shí)， 也積極推進(jìn)這類(lèi)技 術(shù)的應(yīng)用，尤其在國(guó)外，成功應(yīng)用的案例較多?，F(xiàn)階段在國(guó)內(nèi)的管道清淤工作仍是以機(jī)械清通為主， 其存在 的問(wèn)題也給水力沖刷技術(shù)的引入提供了契機(jī)， 但一項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng) 用需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)。 水力平衡閥 Hydrass 技術(shù) 的關(guān)鍵在于蓄水時(shí)的封閉性、 沖刷時(shí)的通暢性， 國(guó)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(dǎo)致蓄水不足、 排水 不暢而使其喪失既有功能。 因此，應(yīng)用 Hydrass 時(shí)須考慮在設(shè)施 前端設(shè)置攔截措施