順坡管道運(yùn)行中特殊現(xiàn)象的探討

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粒徑/mm 粒徑分布/% 容重/（g·cm^-3） 密度/（g·cm^-3） 孔隙率/% 浸水收縮率/% 沉降速度/（cm·min^-1） 0.2～0.1 22 0.75～1.03 2.1 62～65 15～20 0.02～0.03 0.1～0.05 26 ＜0.05 45

　　該灰渣管道采用法蘭連接（8 m／根），架空敷設(shè)。運(yùn)行2－3a后，發(fā)現(xiàn)全管道結(jié)垢，由電廠出口至堆場(chǎng)由厚變薄?？拷姀S1km處，垢厚50－70 mm；靠近堆場(chǎng)7 km處，垢厚7－10 mm，成層分布，灰白顏色，影響正常輸送。
　　在用高壓水對(duì)結(jié)垢管道沖洗中發(fā)現(xiàn)，有一段坡度很大的管道門.8 km處），不但沒有結(jié)垢，反而磨損程度比較嚴(yán)重，最薄處管道厚度剩下2.5mm。為安全起見，只好將管道上下顛倒一下（俗稱翻面），即將管道上管壁變成下管壁。為什么同一管道有截然不同的兩種現(xiàn)象？這是因?yàn)樗谙蛳铝鲃?dòng)的過程中，水流的方向發(fā)生變化。水平管道中，流速?zèng)]有向下的分速度，流速的方向平行于管道中心線。而在順坡管道中流速發(fā)生了方向上的變化，見圖1。筆者認(rèn)為，正是流速方向發(fā)生的變化引起向下的分力，這個(gè)分力作用于灰渣顆粒，使灰渣顆粒具有了向下的動(dòng)量（11），加上重力作用，使顆粒不斷地沖擊管壁（灰渣顆粒在顯微鏡下呈多棱角形結(jié)構(gòu)），作用于管壁后再轉(zhuǎn)化為沖量（Ft），對(duì)管材造成磨蝕，使管壁不斷地變薄。

　　分析可知：坡度越大，即α值越大，分速越大，顆粒的動(dòng)量越大，沖擊強(qiáng)度越大，管材磨蝕越快，管徑確定以后，分速度的大小取決于α值，當(dāng)分速度=（10％－15％）速度值時(shí)，對(duì)管材產(chǎn)生明顯磨蝕，而α＜10⁰的灰渣管道，磨蝕不太明顯，例如同一條管道，在另一順坡段2.5 km處（見圖2），則不是磨蝕而是一層薄薄的垢（2－3 mm）。據(jù)此得出啟示：在輸送顆粒性的濃水（w固體）＞5％）管道設(shè)計(jì)時(shí)，遇到順坡坡度＞10⁰的管段，要考慮水中顆粒對(duì)管道的磨蝕?？梢圆扇〖哟蠊軓交蚪档土魉?，或者設(shè)計(jì)一段平坡加一垂直段，減小α值來減小輸送介質(zhì)對(duì)管道的磨蝕。

2 生活供水管的“黑水”現(xiàn)象

　　山西鋁廠開采地下水作為水源，兩根DN500連續(xù)鑄鐵管作為生活用水的輸水管道。多年來，因水源地受到輕度污染，加上消毒不嚴(yán)格，在管中滋生了微生物，由于水中微量有機(jī)物。粘土、溶氧、以及管中鐵元素的存在，產(chǎn)生了大量的嗜鐵細(xì)菌。嗜鐵細(xì)菌迅速腐蝕鑄鐵管，因此在鑄鐵管內(nèi)壁形成了一層4－8 mm厚的黑色粘泥。這種粘泥遇到管中流速發(fā)生變化或者流速大到一定程度后，則被沖下來進(jìn)人居民家中。所以每遇到停送水一次，居民家中就能見到一次黑水，水中含有大量黑渣，嚴(yán)重時(shí)水呈茶水鐵銹顏色。
　　一新投入使用的居民樓，黑渣水存在時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8－9個(gè)月。黑渣多時(shí)高達(dá)100 mg／L。而隔一條馬路，同一條輸水管供水的居民樓，水質(zhì)就比較好，黑渣很少。經(jīng)調(diào)查分析這個(gè)居民樓比其它居民樓位置低，供水管順坡而下，管中產(chǎn)生一個(gè)向下的分速度，水的動(dòng)量對(duì)黑色粘泥產(chǎn)生一個(gè)沖量，引起黑渣泛起，進(jìn)入居民家中，供水管道幾何尺寸見圖3。

　　改造方法：見圖4，采取擴(kuò)大管徑并增加垂直段后，居民家中用水水質(zhì)明顯改觀。

3 排水管道中的水躍現(xiàn)象

　　水躍是棱柱形管道（渠道）輸水過程中水流由急流轉(zhuǎn)化為緩流時(shí)出現(xiàn)水位升高的一種水力學(xué)現(xiàn)象。有一條循環(huán)排水管道[1]：循環(huán)水量10 000－11 000m3／h，圓形混凝上管道，非滿流，上游管段：φl 000，i=2.0%，下游管段 φl 200，i=0.6%。查《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》知上游：v=7.75m／s，h／D=0.80；下游：v＝2.60 m／s，h／D=0.95。
　　根據(jù)判斷急流和緩流的系數(shù)——佛羅德數(shù)（Fr）計(jì)算公式[2]：
　　Fr=v·（gh）^1/2
式中：g—重力加速度，m／s²；
　　 v—流速，m／s；
　　 h—平均水深，m。
　　可以計(jì)算出：上游Fr＝1.63＞1，下游Fr＝0.78＜l。
　　判斷準(zhǔn)則：Fr＞1為急流，F(xiàn)r＜1為緩流。
　　由此判斷此上下游管段之間發(fā)生水躍無疑。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的結(jié)果與計(jì)算基本一致：由于水躍的存在使下游合口淹沒在水中，且淹沒深度達(dá)300－350mm，水位升高，被迫使井口加高出地面 1.5 m，即使這樣，好多雜物仍在此井積存，水流濺出來的浪花迸出井外。另外水力學(xué)[2]計(jì)算可知：在此井內(nèi)產(chǎn)生的水躍長(zhǎng)度（水平方向）應(yīng)為下游水深的3倍，即 3× 0.95 ×l.2= 3.42 m，這個(gè)長(zhǎng)度顯然在此井內(nèi)滿足不了，所以必然引起上游的水位涌高，依次上溯，造成水流不暢。
　　實(shí)踐中遇到這樣的問題時(shí)，因?yàn)楣艿篮蜋z查井已經(jīng)做成，不易改變，于是在檢查井上游，將管道開口分流出 1／3的流量，并同管并行敷設(shè)一條明渠引至下游的一個(gè)跌落井內(nèi)，才使問題得到解決。建議在排水管設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)急流變緩流的管段，坡度較大且拐90°角的管段一定要計(jì)算水流的佛羅德數(shù)，若確認(rèn)會(huì)發(fā)生水躍現(xiàn)象，可采取擴(kuò)大井室消能，做好流槽，降低下游管底標(biāo)高等做法來解決這一問題。