陈祖军，韦鹤平
(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上 海200092) 摘要： 针对上海市吴闵污水外排工程中穿越黄浦江大型倒虹管可能出现的泥沙淤积问题进行了模型 试验，结果显示在目前运行状况下管内会存在严重淤积，必须调整运行工况。就模型试验及理论分析结果，结合越江倒虹管前泵站的实际运行能力，提出了最低运行流量标准及几点管理措施，供工程管理部门参考。
关键词：倒虹管；泥沙淤积；水力模型；运行工况；管理措施
中图分类号：TU992.2
文献标识码：C
文章编号： 1000-4602(2001)01-0057-04 上海市吴闵污水外排工程已于1999年底竣工并投入运行，它对保护黄浦江上游水源、改善市 区环境质量有重大战略意义。因受地理条件限制，该工程沿途多处设有倒虹管，其中以穿越 黄浦江的大型倒虹管最典型。工程运行初期，污水量较小，远远达不到规范中排水管道满流 时要求的最小流速(0.75 m/s，单管流量25×104 m3/d)，且存在雨污合流，泥沙俱下， 如果倒虹管连续运行，流速较小，易引起污水中的泥沙沉降，造成倒虹管内泥沙淤积。另外 ，污水中的泥沙颗粒具有一定的粘性，若长期沉积于倒虹管内，将会产生板结现象，造成泥 沙冲动困难，尤其在弯头部位易造成富积淤堵。穿越黄浦江的倒虹管是吴闵外排工程的咽喉 ，如果管内产生严重淤积并板结，必然改变管内水流的水力特性，引发排水不畅、高位井壅 水外溢等环境事故，因而有必要对倒虹管的泥沙淤积情况进行模型试验论证。 1 模型设计 1.1基本资料
穿越黄浦江的大型倒虹管管径为2200，管长约1.2 km，于浦东江边以约28 m 的垂直立管与浦东外排管道相接，其纵剖面如图1所示。
工程近期设计水量约为20×104 m3/d，远期为70×104 m3/d，接纳的污水主要为工 业废水。参考上海市其他类似污水的资料，通常的泥沙浓度Sp = 0.2 kg/m3，泥沙的中值粒径d30=0.3 mm，泥沙湿密度γs=2.1 t/m 3，泥沙干密度γ0 =0.73 t/m3。  (图中单位以m计)
图1 越江倒 虹管纵剖面示意图 1.2模型设计
1.2.1水力比尺及模型沙的选定
综合考虑实验室场地条件和待研究的倒虹管易出现淤积危险的区段(即倒虹管上升管 前面的250 m水平段)，选择模型长度比尺为11，即αl=αh=11；按 同时满足水流重力相似和阻力相似条件，有： αv＝αh1/2 (1) αv＝(1/αn)αh1/6αhαl (2) 式中α——比尺
l、h、v、n——分别为长度、高度、速度和糙率 联解式(1)、(2),得糙率比尺及模型糙率为：  因此选择模型材料为有机玻璃。为保证模型水流运动相似，应采用：
流速比尺αv=αl1/2=3.3
流量比尺αQ=αl5/2=401.3
水力坡度比尺αI=αh/αl=1
根据模型沙的要求，选取湿密度和干密度分别为γsm=1.43 t/m3和γ om=0.3 t/m3的电木屑为模型沙。原型沙与模型沙的沉速可由式(3)计算［2］： ? 式中 r——水的密度，t/m3
T——水温，℃
D——泥沙粒径，mm 结合上海市吴闵污水的特点及泥沙性质，将d30=0.30 mm和T=10 ℃ 代入式(3)，得原型沙沉速为?＝1.88 cm/s。
按沉降相似条件［2］有：  则模型沙沉速ωm＝0.57 cm/s，中值粒径dm=0.24 mm。
1.2.2 输沙率比尺和冲淤时间比尺的确定
由悬沙相似条件可得输沙率比尺和冲淤时间比尺分别为：  1.2.3 装置
根据基本资料、模型要求和相似准则进行的模型设计，其管径为?200，装置的相关尺 寸如图2所示(单位cm)。试验设备包括进水箱、出水箱、倒虹管、搅拌器、测流量的设备(三 角堰、LZB型转子流量计和LDZ—1X型多普勒流量巡检仪)和水位仪等。
试验过程中，原水经水泵送入高位水箱，水流在加模型沙搅拌后，由进出水箱的水位 差和闸阀控制流量，通过倒虹管至出水箱与测流量的水槽相接，然后自三角堰流入地下水池 循环使用。水流在稳态运行下，按一定的运行时间记录泥沙的迁移状况，可绘出不同时 刻沙床的剖面图。 
图2 倒虹管水力模型示意图 2 模型试验 根据工程近、中、远期的日运行量大小，模拟了(8～35)×104 t/d的多种工况，其典型工 况的试验结果为：
工况1-1为流量为8.3 t/h(原型8×104 t/d)的泥沙淤积试验，采用中值粒径d50 =0.24 mm的模型沙，浓度为400 mg/L，不同时刻的沙床分布结果见图3。工况1-2为前者在 连续运行24 h(原型10 d)后，用流量为47 t/h的浑水对其淤积底沙进行冲洗，模型沙的浓度 不变。试验发现，该流量下冲洗效果较好，对底沙的冲刷力较大，10 min(原型5. 5 h)后即可将绝大部分泥沙冲走，最后只剩较薄的粗沙在管底形成迁移较慢的小尺 度沙波且 几乎分布于整个试验管段(沙波波长约为10 cm，原型为1.10 m)。 
图3 工况1-1的沙床剖面 工况2-1是流量为27 t/h(原型25.9×104 t/d)的泥沙淤积试验，工况2-2是流量为50 t/h(原型48×104 t/d)的泥沙冲洗试验。在淤积试验连续运行24 h后(沙床剖面见图4)， 即以该淤积底沙为对象进行冲洗试验，发现运行7 min(原型约4 h)后，除管底一薄层粗粒沙 外，其余泥沙均被冲走，沙床变成小的、比较均匀的沙波(沙床厚度不大，约几 mm) ， 分布于下游管段2/3处，其波长大约为9cm(原型约1.0 m)，逐渐随水流前移；另外还发现浑 水试验有沉沙现象，但旋即又被冲走，因而沙床厚度随时间变化不大。
工况3-1是流量为31.2 t/h(原型30×104 t/d)的泥沙淤积试验，工况3-2是流量为54 t/h( 原型52×104 t/d)的泥沙冲洗试验，前者在动态平衡下的沙床剖面见图5。当冲洗流量增 加至54 t/h(原型52×104 t/d)时，泥沙大量扬起，随水流走，不易沉降。冲洗试验 进行4 min后，如工况2-2中发现的连续分布的小沙丘变得更小，且其个数在继续减少，8 mi n(原型4.4 h)后所有沙丘消失，只剩下弯头部位难以冲动的粒径粗细不等(0.5～2 mm)的沙堆。 
图4 工况2-1的沙床剖面 
图5 工况3-1的沙床剖面 工况4-1是流量为36 t/h(原型35×104 t/d)的泥沙淤积试验。为确定倒虹管中允许的泥沙 淤 积高度对应的临界流量，采用该浑水流量进行了连续运行的泥沙淤积状况模拟，试验过程同 上，其在动态平衡时的沙床分布结果见图6。除倒虹管下游局部存在的零星沙床厚达25 mm外 ，其余均＜15 mm，且主要集中于上升管部位及其上游一小段，其淤积厚度接近于10%左 右。 
图6 工况4-1的沙床剖面 除上述典型试验外，还进行了原型流量分别为(10、15、22.5)×104 t/d等多种连续运行 工况的模拟。试验发现各工况下的泥沙淤积状况与流量为8×104 t/d的情况类似，仅 是沙床的增长幅度及快慢不同而已，均属于淤积很严重的工况。 3 结果分析 试验结果表明，对于低流量的连续运行，确实会在倒虹管中产生较为严重的泥沙淤积，流量 大的情况要好一些，但也要充分注意。从冲淤试验的沙床变化图中可以看出，污水流量≤36 t/h时，其沙床增长幅度都比较快，属危险运行工况，若不及时清淤将很危险；当流量为36 ～47 t/h时，倒虹管中的泥沙淤积较少，属于薄层淤积的工况，尤其流量为36 t/h左右时， 倒虹管的局部仍然会达到10%的淤积厚度(国外市政排水管道中允许的泥沙淤积最大 相对厚度［3］的参考值为10%，现国内尚缺乏统一值)，不能认为是安全的；当流量 大于47 t/h(原型45×104 t/d)时，此时原型单管流速为1.37 m/s，这与相关文献 中对该工程泥沙防淤的最小流速分析相吻合。 4 泵运行方式分析 根据模型试验的结果分析及越江倒虹管泵站设备的实际运行能力(4台大泵和2台小泵， 其额定流量分别为3.0、2.6 m2/s)，考虑到近远期外排工程中管道的实际可纳入污水量，结合表1中所示的流量与流速的对应关系及表2中各种流量下的开泵运行时间，以流速不小于1.37 m/s为防淤临界条件，可采用如下运行方案： 表1 实际工程中污水流量与流速对应表 | Q(104 t/d) | 10 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 | 60 | 70 | | v(m/s) | 0.3 | 0.61 | 0.76 | 0.91 | 1.07 | 1.22 | 1.37 | 1.52 | 1.83 | 2.1 |
表2 污水流量与开泵组合的运行时间表 | Qi(m3/s) | 运行总流量 QD(104 t/d) | | 5 | 8 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | | T(h) | | Q1＝2.6 | 5.3 | 8.3 | 10.7 | 16 | 21.4 | 26.7 | 32.1 | 37.4 | ＞24 | | | Q2＝3.0 | 4.6 | 7.4 | 9.3 | 13.9 | 18.5 | 23.1 | 27.8 | 32.4 | ＞24 | | | Q3＝5.6 | 2.5 | 4.0 | 5.0 | 7.4 | 10.0 | 12.4 | 14.9 | 17.4 | 19.8 | 22.3 | | Q4＝8.6 | 1.6 | 2.6 | 3.2 | 4.8 | 6.5 | 8.1 | 9.7 | 11.3 | 12.9 | 14.5 | | Q5＝11.6 | 1.2 | 1.9 | 2.4 | 3.6 | 4.8 | 6.0 | 7.2 | 8.4 | 9.6 | 10.8 | 注 Q1为一台小泵运行，流量为22.5×104 t/d；Q 2为一台大泵运行，流量为25.9×104 t/d；Q3为一大一小2台泵运行，流量为4 8×104 t/d；Q4为两大一小3台泵运行，流量为75×104 t/d。 |
总流量QD≤35×104 t/d时，采用单泵连续工作是不合理的，也是最危险的 ，建议不要采用；采用两台小泵运行、一台大泵加一台小泵或两台大泵运行时，其合计流量均达到5.2 m3/s(Q≥45×104 t/d)，泥沙淤积状况在允许范围内，因而连续运行是安全的，对两种泵采用任意方式组合运行均可。
其他流量的开泵运行工况按保证流量不低于5.2 m3/s进行适当调整。 5 结论与建议 吴闵外排工程初期污水量较小，远远低于工程设计的最小流量(25×104 t/d)。由倒虹管 泥沙冲淤模型试验可知：当采用单管运行、流量≤35×104 t/d时，倒虹管内有泥沙淤积 的危险，且流量越小，淤积越严重；如果排放污水为雨污合流，则大颗粒的泥沙会 累积于倒 虹管的弯头部位形成沙堆，即使流量大也难以冲走，必须引起重视。为防止倒虹管内产生严 重的泥沙淤积，以倒虹管内的流速≥1.37 m/s作为控制目标，结合现阶段实际可汇入污水量 及倒虹管前提升泵站的运行能力，提出以下运行管理措施与建议：
①根据模型试验中密度大的泥沙难于冲走的事实及连续运行中泥沙的累积效应，建议在倒 虹管(泵站)前设置沉砂池；另外，模型沙无粘性，其起始流速比粘性沙小，因而模拟结果比 实际的输沙效果要乐观一些。要解决污水中粘性沙粒的存在及淤积，在实际操作中需相应加 大流量运行或冲洗，且建议一定周期(一般3～5 a)对弯头清淤一次。
②单管运行的流量≤35×104 m3/d时，至少应有两台泵工作(可一大一小、两小泵或 两大泵组合)，这样足以满足流量要求(≮5.2 m3/s)；运行时间视水位变化可人工控制也 可自动控制，但根据试验研究结果，建议每天两次运行，每次运行时间为3～4 h。流量达到 45×104 m3/d左右时，仍控制倒虹管单管排放，泵的运行仍依照上述方案实施，也可适 当增加到3台泵运行，冲洗次数也随之增加。
③为安全起见，建议流量≥52×104 t/d(即相当于至少两台大泵的工作流量)时，运行2 周左右冲洗1次；流量≥66×104 t/d(即相当于至少3台小泵的工作流量)时，每隔2个月左 右要进行大流量冲洗。如目前利用的上游管道蓄水能力不能满足此冲洗水量，可外引部分黄 浦江水以满足冲洗要求。据分析，单根倒虹管能够排放约70×104 m3/d的污水，因此建 议在流量为70×104 m3/d左右时，仍采取单根倒虹管排放，不需再进行冲洗。
④根据污水海洋处置工程中扩散器的原理及模型试验结果，建议以后类似的倒虹管设计可 采取缩小管径、增大上升管的流速及改善水流紊动条件等措施，从而加大输沙效果 、减少泥 沙淤积。另外该工程需进一步完善污水收集系统，实行雨污分流及控制管前汇入污水的预处 理，从源头处减少泥沙的输入。 参考文献：
［1］北京市市政设计研究院.简明排水设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1990.
［2］ 中国水利学会泥沙专业委员会.泥沙手则［M］.北京：中国环境科学出版社，1989.
［3］Ackers P.Sediment aspects of drainages and outfall design［A］.Lee ,Cheung.Environmental Hydraulics［C］.1991，19-30. 电话：(021)65982695(O)65989116(H)
E-mail:zj313chen@yahoo.comTjwhp@mail.ton gji.edu.cn
收稿日期：2000-05-08 | 
