排水管道堵塞试验及影响因素分析

王俊岭，杨明霞，张亚琦，李 英

(北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京 100044)

排水系统的设计、运行、维护既是一个城市生态物质循环代谢系统中重要一环，也同样是保护生活环境和城市水系统资源的重要举措之一，排水管道承担收集、传输城市所排放的生活污水、降落雨水以及工业废水的重要功能[1]，对于保障整个排水系统的正常运行，保护自然环境、减少环境污染、提高人民健康水平以及维持城市正常运转秩序有着举足轻重的作用[2]。目前中外众多城市的排水管道多存在不同程度的堵塞淤积问题。调查研究表明，世界各地包括许多发达国家普遍存在城市排水系统的管道淤积堵塞问题[3-5]。对北京城区的雨水管道调查研究结果表明，约 4/5的雨水管道存在不同程度的沉积现象，40%以上的污水管道内沉积物高度达到管径的1/10～1/3，超过10%的检查井因施工等原因已形成现象较为明显的堵塞[6]。综上所述，雨污市政排水管道的沉积堵塞现象比较普遍。因此，研究排水管道沉积物、及时确定堵塞位置和了解堵塞程度及其特性，对于整体改善排水管道运行系统的设计和运行维护是相当必要的[7]。

图1 试验装置

近年来，管道堵识别检测技术研究有了突破性进展。2013年，Meniconi等[8]利用时频域联合的方法对不同堵塞程度和堵塞位置进行判断。2014年，Duan等[9]对有压管道中瞬态波和堵塞的相互作用进行试验并数值模拟。中国学者对管道堵塞识别方法研究也有所进展。早在1992年，陈韵笙等[10]对堵塞进行定位提出了管道压力波脉冲的解析算法并进行了多次试验。2005年，邱正阳等[11]通过软件模拟建立非稳态管道堵塞模拟模型，对不同管道直径，不同堵塞长度的单因子变量工况进行模型模拟。2011年，李天一[12]通过研究水力瞬变方法进行模型模拟试验其在管道堵塞中的工况分析，分析了不同堵塞高度、长度等量级时，对管道内的流量和压力分别产生的影响。

液体管道堵塞识别方法研究主要包括声音反射、压力波、瞬态压力法等方法。这些方法大多是通过管道起点发射的信号或者压力波，通过波的反馈时间差来判断液体管道堵塞位置，很难满足液体输送管道堵塞在线实时识别的需要。然而，随着智慧城市信息集成化发展应用，地下排水管道已具备对排水管道压力、流量等主要运行参数的实时监控与自动采集水平，可利用参数采集系统对排水管道堵塞的识别监测。

1 材料与方法

试验模型是通过在实验室复制原型结构、运动流场，缩小或放大尺寸后用来模拟原型的状态。为了使模型流动无限贴近原型流动，需要模型流动与原型流动满足流体力学相似条件：三大相似定律、边界条件和初始条件相似[13-14]。

试验台装置包括进水水箱、出水水箱，五个相同的管道模块区域用来模拟堵塞状态、水位监测区域以及流体循环管道区域。实际排水管道断面尺寸为直径0.5 m，两检查井之间为长度100 m，设有五个通气清污口，进、出口分别设检查井。原型管流的雷诺数较大，判断其属于湍流，在进行模型设计时需尽量使试验模型中流体流态处在完全粗糙区,并且保证相对粗糙度相同[15]。表1统计了管道原型与试验模型参数的对应情况。

表1 管道原型与试验模型参数对照

注：λl、λd分别为原型管道与模型管道的长度比和管径比。

1.1 试验装置

试验装置如图1所示，整体长约3.3 m，主体部分由5个长0.5 m，直径25 mm的有机玻璃管道模块组成，模块与模块之间通过法兰连接，并且设置堵塞挡片模拟排水管道堵塞不同位置，通过调整不同规格挡片可模拟排水管道中不同堵塞情况。图1中①为起始水箱，大小约0.3 m(长)×0.3 m(宽)×0.5 m(高)，其内设置穿孔稳流板，整个池面布水均匀，运行稳定，管道起始端进水接近稳定态，水箱底部设有泄流阀门，泄流管道连接至末端水箱，用于水体归流于末端水箱；②为升降螺母装置，通过前后两端升降达到模拟不同坡度的试验要求，坡度变化范围为0.2%～20%；③为M40水位刻度针尺，其上有水平仪，当装置整体处于一定坡度时，能准确读取水位垂直高度；④为连接法兰，其间有垫片防止液体泄漏。⑤为管道支撑装置，起到支撑管道并在横轴稳定的作用；⑥为堵塞控制区域上安装的管道坡度计，对升降螺母装置的升降数值测量和校核；⑦为末端出水水箱，大小约为0.5 m(长)×0.5 m(宽)×0.8 m(高)，底部设有放空管；⑧为循环水泵，连接末端水箱和起始水箱，实现水的循环利用和进水流量能量来源；循环管道靠近进水管端设有⑨控制面板，其包含阀门流量控制计和水压计等。图2所示为试验装置实物图。

图2 试验装置实物

1.2 堵塞板

图3 堵塞板

管道分体模块由于试验场地设置在室内区域，为了利于安装、互连以及堵塞板放置，采用分体模块设计，图3为分体模块中堵塞板的实物图。材质采用有机玻璃，在进行试验时容易观察到气液两相流流态的变化并且水锤会对管道造成一定损坏，水锤波在有机玻璃材质中波速最小，增加试验数据的准确性。

1.3 水位监测仪器

根据管径大小需求选择40 cm规格的M40/60水位测针(测量读数精确至0.1 mm)用来测定水位差，如图4所示。

图4 水位测针

实验设计五段长度为0.5 m有机玻璃管段。为达到密闭性要求，五个分管段的连接处采用的是法兰和固定螺母，同时在连接处设有垫片。进水口和出水口之间位置模拟一段检查井间距为100 m的排水管道堵塞区间。在五个分管短其中两个相邻分管段之间法兰连接处垫片之间放置堵塞有机玻璃板。在每一个分管段上部有一直径20 mm的竖直密封有机玻璃管相连，具体位置如图5所示，用于插入水位针尺测量水位。

2 试验方案

试验为模拟的缩放模型，分别模拟重力流、压力流在不同堵塞强度、不同堵塞长度及不同管道坡度等工况相互对比，试验流体采用常温20 ℃液态水，选择模型原型管径500 mm的进水流量160 L/h进行实验，在重力流中模拟选取大管径进水流量500 L/h进行分析对比试验结果。重力流堵塞实验具体实验步骤如下。

(1)末端水箱蓄水至水量达到水箱容量2/3以上，放置两水位测针位置分别位于堵塞点前后，检查水位测针是否能准确垂直读数，水平仪和坡度调节尺调节至所需工况。

图5 试验管段

(2)用水位测针测量管底标高并记录，水位测针读数原理同游标卡尺，测量读数精确至0.1 mm。

(3)打开水泵进水阀门，关闭前置水箱泄流阀门、放空阀门，接通水泵电源，调节流量阀门至稳定值160 L/h。

(4)待前置水箱水位达到管道底端水位开始计时，保持稳定流量不变，待水位越过堵塞挡板下游停止计时，此为重力流管段一个工况的时间记录。

(5)待堵塞前后水位值趋于稳定测量两水位测针处水位高度并记录。

(6)打开前置水箱泄水阀，放空管道中的存水，调节流量阀门至稳定值500 L/h；重复步骤(4)、步骤(5)。

在压力流试验中，通过改变末端水箱位置，水位针尺用来测量观测点位置的压力水头，实验步骤与重力流基本一致，主要研究堵塞强度、堵塞长度对压力流管段前后水位高度的影响变化。

3 试验结果及分析

3.1 重力流堵塞试验结果分析

图6 两种流量不同堵塞高度的前后水位高度变化曲线

图7 堰上水头随堵塞高度变化

如图6所示为两种流量的水位高度和堵塞高度曲线，堵塞点前水位高度均随堵塞强度(高度)的增加而增加，堵塞点后水位高度会回归到原始高度，在流量500 L/h工况下，堵塞位置后水位高度平均为1.68 cm，其中最大水位高度1.78 cm，最小水位高度1.60 cm，方差为0.006 7；在流量160 L/h工况下，堵塞位置后水位高度平均为0.71 cm，其中最大水位高度0.80 cm，最小水位高度0.60 cm，方差为0.005 2。可见，在两种流量工况下，堵塞前水位和堵塞强度呈正相关分布，堵塞点后水位与堵塞强度关系不大，基本由原始流量所决定。

图7所示为500、160 L/h工况下堰上水头随堵塞高度变化曲线，为了保证试验准确性，每工况试验均进行三次，三次试验结果取算数平均值。在 500 L/h 工况下，堰上水头呈二次抛物线趋势，最低点出现在堵塞高度为管径的50%时，此时堰上水头 0.96 cm；在160 L/h工况下，在低堵塞强度时，堰上水头没有明显变化趋势，堵塞高度升高至8 cm时，堰上水头明显呈下降趋势。根据薄壁堰公式，在流量一定时，堰顶溢流宽与堰上水头的2/3次方成反比。对于横截面积为圆形断面时，堵塞高度为1/2时，堰顶溢流宽度达到最大值，因此堰上水头达到最小值。这对于大流量500 L/h工况下，图形变化趋势较为明显，对于较小流量160 L/h工况下，在堵塞高度为管径的50%时也出现下凹趋势。

3.2 压力流堵塞试验结果分析

图8所示为管道堵塞不同程度情况下，管道沿管长方向水位高度分布情况。由图8可以看出，对于堵塞强度不同的管道沿管长方向变化趋势大体相同，即堵塞点前流体水位高度大于正常工况水位高度，堵塞位置后流体水位高度小于正常工况水位高度，在堵塞点位置水位骤降；堵塞程度越大，堵塞点前后管道水位高度变化越大。

图8 不同堵塞程度水位高度变化图

3.3 排水管道堵塞主要影响因素实验

3.3.1 坡度影响

坡度对在压力流条件下排水管道的影响程度不大，因此，主要分析重力流条件下，坡度对排水管道堵塞位置过水能力的影响。图9所示为管道长度100 m，管径0.05 m，堵塞长度均为0.5 m条件下，堵塞强度分别为0.2、0.4、0.6、0.8，管道坡度分别为0.003、0.004、0.005、0.006工况下，四种堵塞强度随坡度变化过流能力的变化情况。

过流损失计算公式如式(1)所示：

(1)

式(1)中：QW为正常管道流量；Qd为等效流量。

图9 四种堵塞强度随坡度变化过流损失曲线

由图9可知：①不同堵塞强度对重力流排水管道过水能力存在一定影响，过流损失随堵塞强度越大而增加，比如对于管径0.5 m，坡度为0.003，根据中国城市室外排水规范设计要求，最大充满度为0.7，随着堵塞强度从0.2增加到0.8，过流损失分别为40.4%、46.5%、51.0%、53.6%，过流能力随堵塞强度增加依次降低；②在不同的堵塞强度下，过流损失均随着坡度的增加而增加，比如对于堵塞强度为0.2的排水管道，过流损失分别为40.4%、53.1%、71.9%、82.0%，差额分别为12.7%、18.8%、10.1%，差额在堵塞强度为0.5即横截面积最大时，差额达到最大值。其余堵塞强度条件下也均表现出此特点。分析原因可知，随着坡度变大，重力在管道长度方向上的分力越大，同时流体的流速越大，过流损失越大。堵塞强度在0.5时,水面宽度最大，过流损失减少值最小。

3.3.2 堵塞长度影响

在4种不同堵塞强度条件下，堵塞长度分别为0.5、2 m的过流损失值如图10所示。由图10可知：①在同一堵塞强度条件下，过流损失随着堵塞长度的增加而增加，如在堵塞强度为0.2，坡度分别从0.003依次增大到0.006四个工况中，堵塞长度为2 m的过流损失均高于堵塞长度为0.5 m；②随着坡度增加，过流损失增加值减少，如在堵塞强度为0.4时，随着坡度增加，过流损失分别增加了12.6%、6.3%、4.6%、1.1%；③堵塞长度越大，坡度对过流损失的影响越小，坡度从0.003依次增大到0.006四个工况中，在堵塞长度为0.2 m时，过流损失分别为48.7%、59.1%、68.3%、75.4%，差额为10.4%、9.2%、7.1%，而在堵塞长度0.8 m时，过流损失为84.2%、90.1%、90.3%、90.4%，差额只为5.9%、0.2%、0.1%。这是因为在较大堵塞长度时，过流损失在80%以上的区间，因此再增加坡度，过流损失增加幅度也较小。

图10 四种堵塞强度随堵塞长度变化过流损失值

4 结论

(1)在重力流中，堵塞前水位和堵塞强度呈正相关分布，堵塞点后水位与堵塞强度关系不大，基本由原始流量所决定，且堰上水头最低点出现在堵塞高度为管径的50%时。

(2)在压力流中，即堵塞点前流体水位高度大于正常工况水位高度，堵塞位置后流体水位高度小于正常工况水位高度，在堵塞点位置水位骤降，且堵塞程度越大，堵塞点前后管道水位高度变化越大。

(3)在重力流中，过流损失随堵塞强度越大而增加，过流能力随堵塞强度增加依次降低；在不同的堵塞强度下，过流损失均随着坡度的增加而增加，过流损失增加差额在堵塞强度为0.5即横截面积最大时，差额达到最大值。堵塞强度在0.5时,水面宽度最大，过流损失减少值最小。

(4)在同一堵塞强度条件下，过流损失随着堵塞长度的增加而增加；随着坡度增加，过流损失增加差额减少；堵塞长度越大，坡度对过流损失的影响越小。