大管径排水管渠机械搅拌清淤参数试验研究

第46卷第8期2015年4月人民长江YangtzeＲiverVol．46，No．8Apr．，2015收稿日期:2014－12－25基金项目:国家科技重大专项“水体污染控制与治理”(2008ZX07315－001－03)作者简介:翟俊，男，教授，主要从事水污染控制规划和水资源管理研究。E－mail:zhaijun99@126．com文章编号:1001－4179(2015)08－0044－03大管径排水管渠机械搅拌清淤参数试验研究翟俊1，陈思1，李华飞2(重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400045)摘要:为给大管径排水管渠清淤系统设计提供相应的参数，采用有机玻璃制作排水管渠模型，以沙粒模拟代表性淤积物，利用2D－PIV系统对螺旋桨搅拌的机械清淤参数进行了试验研究。对不同粒径沙粒在螺旋桨搅拌作用下起动和完全悬浮两种状态时的流场情况进行了考察，探讨了机械搅拌作用下的水流状态对沙粒的作用效果和规律。试验证实机械搅拌的清淤技术思路可行，起动和悬浮沙粒的粒径可由螺旋桨转速来控制，同时，加大螺旋桨转速可有效增强搅拌冲刷的强度和效果。关键词:管渠清淤;机械搅拌;水流流场;2D－PIV中图法分类号:TV674文献标志码:ADOI:10．16232/j．cnki．1001－4179．2015．08．011随着城镇化建设的发展，城市排水管网的规模也越来越大。以位于长江上游的山地城市———重庆为例，截止2010年，重庆市排水管网总长度已达2149km，其中管径介于1．5～3．5m，坡度介于0．3‰～0．5‰的大管径排水干管的长度达73．9km［1］。污水从坡度大的排水支管流入坡度小的排水干管后流速减小，污水中携带的泥沙和悬浮固体物极易在坡度小、管径大的干管中沉积下来。对于合流制管道，设计流量是按照雨季雨污合流的流量设计的。管道在旱季接纳的污水流量和管内污水流速均远小于雨季值，使得雨季可被污水带走的大颗粒悬浮物在旱季时沉积下来，容易引起管道淤积。目前国内外众多城市的大管径排水管道都存在不同程度的淤积问题，对管网的安全运行带来了极大威胁。目前国内外应用于排水管道的清淤方法主要有高压水射流清淤法、绞车清淤法、水冲刷清淤法以及拦蓄冲洗门清淤等方法［2－5］。这些方法基本针对小管径管道清淤，因此并不适合在大管径管道中应用，在大管径排水管道运用时存在运行成本过高、清淤能力不足、存在二次污染和不能适应复杂地形条件等局限性［3］。目前大管径排水管渠清淤主要为机械清淤，然而系统设计中仍缺乏相关水力学参数。本实验以沙粒模拟大管径排水管道的沉积物，采用有机玻璃制作排水管渠模型，模拟排水管道中沉积物重新悬浮和输送的水力过程，利用2D－PIV(平面二维粒子图像测速)系统测量机械搅拌作用下的水流流场，得到机械搅拌作用下水流对沙粒的作用效果和规律，从而获取相关水力学参数，用以指导清淤系统的设计开发。1材料和方法1．1试验装置清淤实验模型由排水管道模型和搅拌装置组成，实验装置见图1。排水管道模型由进水室、模拟管渠和出流室3部分组成，总长3550mm。出流室的末端安装堰板，用来控制模拟管渠内的水位。搅拌装置由动力电机、螺旋桨、变频器和支撑钢架4部分组成。1．2试验安排和流速测定方法2D－PIV测速所用的示踪沙粒为空心玻璃微珠，比重为1．05，粒径为1～5μm。同时通过金属丝筛网筛选了9种不同粒径范围的沙粒，作为排水管道的淤积物。排水管道模型实验过程中流槽水深控制在300～第8期翟俊，等:大管径排水管渠机械搅拌清淤参数试验研究500mm之间，流槽自身水流最大流速取0．2m/s。螺旋桨高度150mm，倾斜角度45°。本实验的方形测试区为流槽底部长185mm×高185mm的核心紊动冲刷区域，测试区底部区域为方形测试区底部高50mm×宽185mm的矩形区域，如图1(b)中所示。图1排水管道模型示意2结果与讨论2．1试验结果本实验分别测量了上述9种不同粒径范围沙粒在螺旋桨的搅拌作用下起动和完全悬浮两种状态时的流场情况。所得的不同粒径沙粒起动和悬浮状态时的测试结果数据包括沙粒粒径、螺旋桨转速、测试区域内水流平均速度、最大速度和完全悬浮时方形测试观察区内水流平均流速，数据分别见表1和表2。表19种不同粒径沙粒起动状态的测试数据沙粒编号平均粒径/mm最大粒径/mm频率/Hz螺旋桨转速/(r·min－1)测试区底部区域内平均流速/(m·s－1)测试区底部区域内最大流速/(m·s－1)10．2980．3504．42460．130．4720．3840．4174．82690．190．4930．4560．4955．22910．210．5240．6450．7015．93300．240．5350．7670．8336．23470．260．5661．0781．1656．53640．290．6071．40