韓自力，杜竹蘭，梁小娟，余承烈
（山西鋁廠，山西 河津043300）

　　摘要：實際工程中發現）煩坡管道中出現了3種異常現象，對所發現的3種特殊現象進行分析，找出了解決問題的方法。
　　關鍵詞：排水管；順坡管道；管道磨損；水躍
　　中圖分類號：TU990.3
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1009－2455(2003）01－0056－02

　　順坡管道是指管中心上游標高比下游標高高的輸水管道。對于排水管道而言，大多數是重力輸送，重力輸送管道都是順坡管道。筆者在生產實踐中遇到順坡管道中幾種異常現象，經過分析，找出原因，提出一些看法，供設計研究參考。

1 輸送灰渣管道的磨蝕現象

　　山西鋁廠自備電站的鍋爐采用濕式除灰，灰和渣用水沖下來以后，水溫升高至26～28℃，灰渣水固體的質量分數為4％－5％左右，用泵加壓后，用φ325 × 8的螺旋鋼管輸送到 7.5 km以外的灰渣堆場。灰渣的物理性能見表1。

表1 灰渣的物理性能 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。運行2－3a后，發現全管道結垢，由電廠出口至堆場由厚變薄。靠近電廠1km處，垢厚50－70 mm；靠近堆場7 km處，垢厚7－10 mm，成層分布，灰白顏色，影響正常輸送。
　　在用高壓水對結垢管道沖洗中發現，有一段坡度很大的管道門.8 km處），不但沒有結垢，反而磨損程度比較嚴重，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象？這是因為水在向下流動的過程中，水流的方向發生變化。水平管道中，流速沒有向下的分速度，流速的方向平行于管道中心線。而在順坡管道中流速發生了方向上的變化，見圖1。筆者認為，正是流速方向發生的變化引起向下的分力，這個分力作用于灰渣顆粒，使灰渣顆粒具有了向下的動量（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構），作用于管壁后再轉化為沖量（Ft），對管材造成磨蝕，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，顆粒的動量越大，沖擊強度越大，管材磨蝕越快，管徑確定以后，分速度的大小取決于α值，當分速度=（10％－15％）速度值時，對管材產生明顯磨蝕，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）。據此得出啟示：在輸送顆粒性的濃水（w固體）＞5％）管道設計時，遇到順坡坡度＞10⁰的管段，要考慮水中顆粒對管道的磨蝕。可以采取加大管徑或降低流速，或者設計一段平坡加一垂直段，減小α值來減小輸送介質對管道的磨蝕。

2 生活供水管的“黑水”現象

　　山西鋁廠開采地下水作為水源，兩根DN500連續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，加上消毒不嚴格，在管中滋生了微生物，由于水中微量有機物。粘土、溶氧、以及管中鐵元素的存在，產生了大量的嗜鐵細菌。嗜鐵細菌迅速腐蝕鑄鐵管，因此在鑄鐵管內壁形成了一層4－8 mm厚的黑色粘泥。這種粘泥遇到管中流速發生變化或者流速大到一定程度后，則被沖下來進人居民家中。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，嚴重時水呈茶水鐵銹顏色。
　　一新投入使用的居民樓，黑渣水存在時間長達8－9個月。黑渣多時高達100 mg／L。而隔一條馬路，同一條輸水管供水的居民樓，水質就比較好，黑渣很少。經調查分析這個居民樓比其它居民樓位置低，供水管順坡而下，管中產生一個向下的分速度，水的動量對黑色粘泥產生一個沖量，引起黑渣泛起，進入居民家中，供水管道幾何尺寸見圖3。

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

3 排水管道中的水躍現象

　　水躍是棱柱形管道（渠道）輸水過程中水流由急流轉化為緩流時出現水位升高的一種水力學現象。有一條循環排水管道[1]：循環水量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《給水排水設計手冊》知上游：v=7.75m／s，h／D=0.80；下游：v＝2.60 m／s，h／D=0.95。
　　根據判斷急流和緩流的系數——佛羅德數（Fr）計算公式[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。
　　可以計算出：上游Fr＝1.63＞1，下游Fr＝0.78＜l。
　　判斷準則：Fr＞1為急流，Fr＜1為緩流。
　　由此判斷此上下游管段之間發生水躍無疑。現場測定的結果與計算基本一致：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[2]計算可知：在此井內產生的水躍長度（水平方向）應為下游水深的3倍，即 3× 0.95 ×l.2= 3.42 m，這個長度顯然在此井內滿足不了，所以必然引起上游的水位涌高，依次上溯，造成水流不暢。
　　實踐中遇到這樣的問題時，因為管道和檢查井已經做成，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，并同管并行敷設一條明渠引至下游的一個跌落井內，才使問題得到解決。建議在排水管設計時，對急流變緩流的管段，坡度較大且拐90°角的管段一定要計算水流的佛羅德數，若確認會發生水躍現象，可采取擴大井室消能，做好流槽，降低下游管底標高等做法來解決這一問題。

參考文獻：

　　 [1]余承烈，李耀榮，董康儒 氧化鋁循環回水管道輸水不暢的原因分析［J］工業用水與廢水，2000，31（4）：36－38.
　　 [2]周善生《水力學》[M］北京：高等教育出版社，1982.

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　　作者簡介：韓自力（1968－），男，山西芮城人，學士，工程師，從事給排水工程施工.