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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)既是一個(gè)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(duì)于保障整個(gè)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(wèn)題。調(diào)查研究表明，世界各地包括許多發(fā)達(dá)國(guó)家普遍存在城市排水系統(tǒng)的管道淤積堵塞問(wèn)題[3-5]。對(duì)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(guò)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(shí)確定堵塞位置和了解堵塞程度及其特性，對(duì)于整體改善排水管道運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)是相當(dāng)必要的[7]。

圖1 試驗(yàn)裝置

近年來(lái)，管道堵識(shí)別檢測(cè)技術(shù)研究有了突破性進(jìn)展。2013年，Meniconi等[8]利用時(shí)頻域聯(lián)合的方法對(duì)不同堵塞程度和堵塞位置進(jìn)行判斷。2014年，Duan等[9]對(duì)有壓管道中瞬態(tài)波和堵塞的相互作用進(jìn)行試驗(yàn)并數(shù)值模擬。中國(guó)學(xué)者對(duì)管道堵塞識(shí)別方法研究也有所進(jìn)展。早在1992年，陳韻笙等[10]對(duì)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(yàn)。2005年，邱正陽(yáng)等[11]通過(guò)軟件模擬建立非穩(wěn)態(tài)管道堵塞模擬模型，對(duì)不同管道直徑，不同堵塞長(zhǎng)度的單因子變量工況進(jìn)行模型模擬。2011年，李天一[12]通過(guò)研究水力瞬變方法進(jìn)行模型模擬試驗(yàn)其在管道堵塞中的工況分析，分析了不同堵塞高度、長(zhǎng)度等量級(jí)時(shí)，對(duì)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(shí)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(guò)管道起點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)或者壓力波，通過(guò)波的反饋時(shí)間差來(lái)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(shí)時(shí)識(shí)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(duì)排水管道壓力、流量等主要運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與自動(dòng)采集水平，可利用參數(shù)采集系統(tǒng)對(duì)排水管道堵塞的識(shí)別監(jiān)測(cè)。

1 材料與方法

試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪峭ㄟ^(guò)在實(shí)驗(yàn)室復(fù)制原型結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)，縮小或放大尺寸后用來(lái)模擬原型的狀態(tài)。為了使模型流動(dòng)無(wú)限貼近原型流動(dòng)，需要模型流動(dòng)與原型流動(dòng)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(yàn)臺(tái)裝置包括進(jìn)水水箱、出水水箱，五個(gè)相同的管道模塊區(qū)域用來(lái)模擬堵塞狀態(tài)、水位監(jiān)測(cè)區(qū)域以及流體循環(huán)管道區(qū)域。實(shí)際排水管道斷面尺寸為直徑0.5 m，兩檢查井之間為長(zhǎng)度100 m，設(shè)有五個(gè)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(jì)時(shí)需盡量使試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭辛黧w流態(tài)處在完全粗糙區(qū),并且保證相對(duì)粗糙度相同[15]。表1統(tǒng)計(jì)了管道原型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)的對(duì)應(yīng)情況。

表1 管道原型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)對(duì)照

注：λl、λd分別為原型管道與模型管道的長(zhǎng)度比和管徑比。

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，整體長(zhǎng)約3.3 m，主體部分由5個(gè)長(zhǎng)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(guò)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(guò)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(zhǎng))×0.3 m(寬)×0.5 m(高)，其內(nèi)設(shè)置穿孔穩(wěn)流板，整個(gè)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(mén)，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(guò)前后兩端升降達(dá)到模擬不同坡度的試驗(yàn)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(shí)，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(jì)，對(duì)升降螺母裝置的升降數(shù)值測(cè)量和校核；⑦為末端出水水箱，大小約為0.5 m(長(zhǎng))×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(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用和進(jìn)水流量能量來(lái)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(mén)流量控制計(jì)和水壓計(jì)等。圖2所示為試驗(yàn)裝置實(shí)物圖。

圖2 試驗(yàn)裝置實(shí)物

1.2 堵塞板

圖3 堵塞板

管道分體模塊由于試驗(yàn)場(chǎng)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(jì)，圖3為分體模塊中堵塞板的實(shí)物圖。材質(zhì)采用有機(jī)玻璃，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)容易觀察到氣液兩相流流態(tài)的變化并且水錘會(huì)對(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.3 水位監(jiān)測(cè)儀器

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

圖4 水位測(cè)針

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)五段長(zhǎng)度為0.5 m有機(jī)玻璃管段。為達(dá)到密閉性要求，五個(gè)分管段的連接處采用的是法蘭和固定螺母，同時(shí)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(gè)分管短其中兩個(gè)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(gè)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(cè)量水位。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)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(zhǎng)度及不同管道坡度等工況相互對(duì)比，試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。重力流堵塞實(shí)驗(yàn)具體實(shí)驗(yàn)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(cè)針位置分別位于堵塞點(diǎn)前后，檢查水位測(cè)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(yàn)管段

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

(3)打開(kāi)水泵進(jìn)水閥門(mén)，關(guān)閉前置水箱泄流閥門(mén)、放空閥門(mén)，接通水泵電源，調(diào)節(jié)流量閥門(mén)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(kāi)始計(jì)時(shí)，保持穩(wěn)定流量不變，待水位越過(guò)堵塞擋板下游停止計(jì)時(shí)，此為重力流管段一個(gè)工況的時(shí)間記錄。

(5)待堵塞前后水位值趨于穩(wěn)定測(cè)量?jī)伤粶y(cè)針處水位高度并記錄。

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

在壓力流試驗(yàn)中，通過(guò)改變末端水箱位置，水位針尺用來(lái)測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)位置的壓力水頭，實(shí)驗(yàn)步驟與重力流基本一致，主要研究堵塞強(qiáng)度、堵塞長(zhǎng)度對(duì)壓力流管段前后水位高度的影響變化。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 重力流堵塞試驗(yàn)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(diǎn)前水位高度均隨堵塞強(qiáng)度(高度)的增加而增加，堵塞點(diǎn)后水位高度會(huì)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?？梢?jiàn)，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(diǎn)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(yàn)準(zhǔn)確性，每工況試驗(yàn)均進(jìn)行三次，三次試驗(yàn)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(shì)，最低點(diǎn)出現(xiàn)在堵塞高度為管徑的50%時(shí)，此時(shí)堰上水頭 0.96 cm；在160 L/h工況下，在低堵塞強(qiáng)度時(shí)，堰上水頭沒(méi)有明顯變化趨勢(shì)，堵塞高度升高至8 cm時(shí)，堰上水頭明顯呈下降趨勢(shì)。根據(jù)薄壁堰公式，在流量一定時(shí)，堰頂溢流寬與堰上水頭的2/3次方成反比。對(duì)于橫截面積為圓形斷面時(shí)，堵塞高度為1/2時(shí)，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(duì)于大流量500 L/h工況下，圖形變化趨勢(shì)較為明顯，對(duì)于較小流量160 L/h工況下，在堵塞高度為管徑的50%時(shí)也出現(xiàn)下凹趨勢(shì)。

3.2 壓力流堵塞試驗(yàn)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(zhǎng)方向水位高度分布情況。由圖8可以看出，對(duì)于堵塞強(qiáng)度不同的管道沿管長(zhǎng)方向變化趨勢(shì)大體相同，即堵塞點(diǎn)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(diǎn)位置水位驟降；堵塞程度越大，堵塞點(diǎn)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(shí)驗(yàn)

3.3.1 坡度影響

坡度對(duì)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(duì)排水管道堵塞位置過(guò)水能力的影響。圖9所示為管道長(zhǎng)度100 m，管徑0.05 m，堵塞長(zhǎng)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(guò)流能力的變化情況。

過(guò)流損失計(jì)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(guò)流損失曲線

由圖9可知：①不同堵塞強(qiáng)度對(duì)重力流排水管道過(guò)水能力存在一定影響，過(guò)流損失隨堵塞強(qiáng)度越大而增加，比如對(duì)于管徑0.5 m，坡度為0.003，根據(jù)中國(guó)城市室外排水規(guī)范設(shè)計(jì)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(guò)流損失分別為40.4%、46.5%、51.0%、53.6%，過(guò)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(guò)流損失均隨著坡度的增加而增加，比如對(duì)于堵塞強(qiáng)度為0.2的排水管道，過(guò)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(shí)，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(diǎn)。分析原因可知，隨著坡度變大，重力在管道長(zhǎng)度方向上的分力越大，同時(shí)流體的流速越大，過(guò)流損失越大。堵塞強(qiáng)度在0.5時(shí),水面寬度最大，過(guò)流損失減少值最小。

3.3.2 堵塞長(zhǎng)度影響

在4種不同堵塞強(qiáng)度條件下，堵塞長(zhǎng)度分別為0.5、2 m的過(guò)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(guò)流損失隨著堵塞長(zhǎng)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(gè)工況中，堵塞長(zhǎng)度為2 m的過(guò)流損失均高于堵塞長(zhǎng)度為0.5 m；②隨著坡度增加，過(guò)流損失增加值減少，如在堵塞強(qiáng)度為0.4時(shí)，隨著坡度增加，過(guò)流損失分別增加了12.6%、6.3%、4.6%、1.1%；③堵塞長(zhǎng)度越大，坡度對(duì)過(guò)流損失的影響越小，坡度從0.003依次增大到0.006四個(gè)工況中，在堵塞長(zhǎng)度為0.2 m時(shí)，過(guò)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(zhǎng)度0.8 m時(shí)，過(guò)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?yàn)樵谳^大堵塞長(zhǎng)度時(shí)，過(guò)流損失在80%以上的區(qū)間，因此再增加坡度，過(guò)流損失增加幅度也較小。

圖10 四種堵塞強(qiáng)度隨堵塞長(zhǎng)度變化過(guò)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(diǎn)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(diǎn)出現(xiàn)在堵塞高度為管徑的50%時(shí)。

(2)在壓力流中，即堵塞點(diǎn)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(diǎn)位置水位驟降，且堵塞程度越大，堵塞點(diǎn)前后管道水位高度變化越大。

(3)在重力流中，過(guò)流損失隨堵塞強(qiáng)度越大而增加，過(guò)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(guò)流損失均隨著坡度的增加而增加，過(guò)流損失增加差額在堵塞強(qiáng)度為0.5即橫截面積最大時(shí)，差額達(dá)到最大值。堵塞強(qiáng)度在0.5時(shí),水面寬度最大，過(guò)流損失減少值最小。

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