強(qiáng)潮河口污水排江豎管沖刷試驗(yàn)研究

王瑞鋒，李若華,張芝永，楊元平

(1．浙江省水利河口研究院，浙江　杭州　310020；(2．浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江　杭州　310020)

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強(qiáng)潮河口污水排江豎管沖刷試驗(yàn)研究

王瑞鋒1，2，李若華1，2,張芝永1，2，楊元平1，2

(1．浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；(2．浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310020)

摘要：為研究強(qiáng)潮河口污水處理廠排江豎管的局部沖刷問題，采用物理模型試驗(yàn)的方法針對(duì)不利的洪水、潮流、河床高程等條件，對(duì)瑞安江南污水排放口豎管附近局部沖刷坑的沖刷深度、沖刷形態(tài)進(jìn)行了沖刷試驗(yàn)研究。試驗(yàn)得出不利水文條件下的最低沖刷高程及沖刷坑大致形態(tài)，沖刷試驗(yàn)成果可作為豎管相關(guān)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)潮河口；排江豎管；物理模型；局部沖刷

1問題的提出

污水處理工程是城鎮(zhèn)建設(shè)中必不可少的重要基礎(chǔ)設(shè)施，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們對(duì)生態(tài)環(huán)保意識(shí)不斷加強(qiáng)，污水處理廠的建設(shè)速度也明顯加快。鄰近河口地區(qū),可合理地利用河口水體的稀釋自凈能力,經(jīng)污水處理工程處理達(dá)標(biāo)后,將尾水排入毗鄰的河道、河口、近海等水域。

一直以來，由于環(huán)保觀念落后，人們對(duì)排污口的選址關(guān)注較少,早期排污口的選取較為隨意，往往由排污管道的鋪設(shè)費(fèi)用決定，缺乏科學(xué)、合理的論證。20世紀(jì)30年代以后，污水離岸排放逐漸開始流行，但一系列問題也隨之而來，如排污管道被經(jīng)過的輪船撞斷、破壞；擴(kuò)散器被泥沙堵塞；排污口附近形成穩(wěn)定高濃度污水場(chǎng)等[1]。20世紀(jì)下半葉至今，前人針對(duì)污水排江管的選址研究做了大量工作，多數(shù)集中在其平面布置、工程結(jié)構(gòu)參數(shù)方面[2-4]，方案的比選焦點(diǎn)多數(shù)集中于對(duì)水環(huán)境、水動(dòng)力和附近涉水工程的影響，包括污染物排放量、環(huán)境容量、水質(zhì)、功能區(qū)符合性、環(huán)境敏感區(qū)等方面以及港航、交通、漁業(yè)養(yǎng)殖等涉水工程的影響。隨著排放規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，采用多個(gè)擴(kuò)散豎管排放的工程越來越多，對(duì)排污口附近的河床穩(wěn)定性主要通過數(shù)模計(jì)算和河床演變分析探討工程區(qū)河床沖淤變化[5-6]，而對(duì)于豎管近區(qū)的局部沖刷問題研究較少。眾所周知，在水動(dòng)力較強(qiáng)的水域，橋墩附近的局部沖刷是關(guān)系工程安全的重大問題[7-8]，排污豎管和橋墩、樁式碼頭的阻水特征較為近似，但也有很多不同之處，由于用途的差異，強(qiáng)潮河口橋墩結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜、墩身多出露于水面，而排污豎管一般為處于低水位以下的淹沒式空心結(jié)構(gòu)，且不斷有水通過豎管排入受納水體。在河口區(qū)，受潮流動(dòng)力和徑流的雙重影響，復(fù)雜的水動(dòng)力、泥沙條件及河床沖淤變化常威脅著外排管的安全。因此，研究排江豎管的局部沖刷對(duì)于污水處理廠的正常運(yùn)行是十分必要的。

本文以浙江省瑞安江南污水處理廠外排管工程為例，采用動(dòng)床模型試驗(yàn)的方法研究洪水、潮流動(dòng)力條件下工程本身在無沖刷防護(hù)條件下的局部沖刷問題，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)，保證污水處理廠的安全運(yùn)行。

2工程概況

江南污水處理廠位于飛云江下游南岸的瑞安市閣巷新區(qū),服務(wù)范圍主要為瑞安市江南片(見圖1)。本工程建構(gòu)筑物安全等級(jí)二級(jí)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期及主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a。污水通過排江管在距南岸約450 m處排入飛云江,排江管主要由排放段、擴(kuò)散段、上升管及噴口4個(gè)部分組成，尾水排放采用淹沒式多孔擴(kuò)散器水下射流形式，將處理后的尾水輸送到江道深水區(qū)，再經(jīng)由上升豎管頂端的噴口高速噴出，使污水迅速在江道大水體中混合，稀釋、擴(kuò)散。

工程尾水遠(yuǎn)期排江規(guī)模為10萬(wàn)m3/d，其工程結(jié)構(gòu)(見圖2)為擴(kuò)散段長(zhǎng)度45 m，在排放管擴(kuò)散段上設(shè)置了4根DN550上升管，間距15 m，上升管頂高程為-4.00 m。在每根上升管端部設(shè)置4個(gè)DN240噴口(噴口平面上呈“十”字型分布)，噴口高程-4.26 m,噴射方向?yàn)橄蛏系?0°角。排放管上升管保護(hù)裝置采用4根槽鋼，將上升管與底管進(jìn)行加固，呈與上升管夾角為25°的錐形分布。

3水域條件

飛云江流域是浙江省八大水系之一，于瑞安市的上望注入東海。流域面積3 252 km2，全長(zhǎng)203 km，是一條獨(dú)流入海河流。

潮汐:排江管工程位于河口感潮水域，潮差較大，受東海前進(jìn)波影響，一天內(nèi)潮汐兩漲兩落，屬不正規(guī)半日潮，瑞安潮位站實(shí)測(cè)最大潮差6.96 m、平均潮差約4.39 m[8]；潮流:工程水域漲、落潮最大流速出現(xiàn)在中潮位附近，具有明顯的駐波性質(zhì)，并呈往復(fù)流運(yùn)動(dòng)形式；泥沙:飛云江河口泥沙來源主要為海域來沙，據(jù)附近水域歷次測(cè)驗(yàn)資料，床沙中值粒徑為0.002～0.009 mm，懸沙粒徑與床沙基本相當(dāng)。上游飛云江三橋附近漲、落潮最大垂線平均含沙量為2.7，3.6 kg/m3(2001年資料)；工程附近平均含沙量為1.1 kg/m3，懸沙中值粒徑0.006 mm(2008年資料)；工程地質(zhì)：從區(qū)域地質(zhì)來看，上部分布厚大于80 m的第四系松散沉積物，其中上部30 m為軟土、淤泥，屬河口相和海相沉積物，時(shí)代為第四紀(jì)全新世。

4模型試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)方法

本次研究采用水槽模型試驗(yàn)的方法針對(duì)不利的潮流、河床高程等條件，研究排放口豎管附近可能出現(xiàn)的最大沖刷深度、沖刷形態(tài)。試驗(yàn)在長(zhǎng)40.0 m(動(dòng)床部分長(zhǎng)約5.0 m)，寬約3.5 m的水槽中進(jìn)行，為使模型能較好的模擬原型水流運(yùn)動(dòng)，模型水流必須滿足重力相似、水流連續(xù)相似、幾何相似等相似條件，并考慮綜合泥沙起動(dòng)流速、水下休止角相似的原則，采用幾何比尺為1∶50的正態(tài)模型，選用中值粒徑0.050 mm的防腐木粉做為模型沙進(jìn)行試驗(yàn)。工程水域水流為往復(fù)性潮流，水槽模型按非恒定流設(shè)計(jì)[9]。

4.2試驗(yàn)工況組次

工程處于受潮流動(dòng)力和徑流的雙重影響的河口區(qū)，水動(dòng)力、泥沙條件復(fù)雜，結(jié)合工程設(shè)計(jì)條件選取50 a一遇設(shè)計(jì)洪水和設(shè)計(jì)潮水工況進(jìn)行豎管最大局部沖刷試驗(yàn)，設(shè)計(jì)潮位、流速過程見圖3。

設(shè)計(jì)洪水工況：上游采用10 880 m3/s洪水流量(頻率為2%)配以外海的實(shí)測(cè)大潮過程(瑞安站潮差5.29 m)，該條件下無漲潮流出現(xiàn)，最大水流流速為2.36 m/s。

設(shè)計(jì)潮水工況:下游采用2%頻率潮差的實(shí)測(cè)潮型并配以2 a一遇的洪水流量，最大流速約2 m/s。

4.3河床起沖高程

根據(jù)工程附近斷面的實(shí)測(cè)地形資料，斷面形態(tài)呈“U”型(見圖4)，主要由近岸淺灘、水下斜坡和主槽床面組成。豎管位置實(shí)測(cè)最高、最低地形分別約-3.70，-5.10 m，斷面最低-5.50 m?？紤]到工程水域地形的U型特征，河床高程選取斷面最低高程-5.50 m進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。

5試驗(yàn)成果

污水排放豎管建設(shè)后，由于其阻水作用，形成側(cè)向收縮和下潛流等，從而產(chǎn)生對(duì)河床的附加沖刷。排污豎管附近最不利床面高程包括不利水流條件下的自然沖刷、過水面積減少引起的建筑物周圍的普遍沖刷以及因局部繞流、渦流等引起的局部沖刷后的高程。本次試驗(yàn)按工程設(shè)計(jì)間距布設(shè)全部排放豎管及保護(hù)樁于水槽中，普遍沖刷和局部沖刷得以反映，河床起沖高程考慮了不同水文條件的影響，水流條件考慮了設(shè)計(jì)水流條件，因此沖刷試驗(yàn)的最低河床沖刷高程為自然沖刷、普遍沖刷與局部沖刷3部分疊加后的床面高程。

受豎管阻水及保護(hù)樁影響，上下游區(qū)域流速有所減緩，兩側(cè)流速增大形成繞流，形成管、樁近區(qū)河床較低，周邊地形較高的地形面貌。沖刷后排放豎管附近河床面貌見圖5，河床剖面形態(tài)見圖6，沖刷試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

排放豎管在設(shè)計(jì)洪水、潮水條件下最大沖刷深度分別為4.90，3.80 m，對(duì)應(yīng)沖刷后最低床面高程為-10.40，-9.30 m；在洪水、潮水條件下，管線面上最大沖刷深度分別為2.70，1.50 m，對(duì)應(yīng)沖刷后最低床面高程為-8.20，-7.00 m?？梢姡瑢?duì)于沖刷深度最大值，設(shè)計(jì)洪水工況均比設(shè)計(jì)潮水工況稍大(約1.00～1.20 m)，這主要是由于洪水流速相對(duì)較大且為無轉(zhuǎn)向的單向流，而潮水條件在漲落轉(zhuǎn)向前后較長(zhǎng)時(shí)間流速較小容易產(chǎn)生暫時(shí)的淤積。

洪水沖刷后，沖刷坑近似呈橢圓形，沿水流方向?qū)ΨQ分布，沖刷坑范圍尺寸約為(7～9 m)×(4～5 m)。局部沖刷坑主要向下游延伸，豎管下游沖刷坑長(zhǎng)度最大約6～7 m，縱向邊坡1/2.7～1/3.2；上游方向由于保護(hù)樁的存在，也形成沖刷坑并與豎管沖刷坑連通，沖刷坑長(zhǎng)度最大約2 m，縱向邊坡較陡約1/1.0。

設(shè)計(jì)潮水工況下，沖刷坑近似呈直徑為5～6 m的圓形，其中沿管軸線方向河床剖面形態(tài)與洪水工況接近，從高程上看，比洪水工況高約1.20 m；垂直管軸線方向河床剖面形態(tài)比洪水工況沖刷范圍偏小。豎管下游沖刷坑長(zhǎng)度最大約3～5 m，縱向邊坡1/1.3～1/2.2；上游方向沖刷坑長(zhǎng)度最大約2～3 m，縱向邊坡約1/1.2。

6結(jié)語(yǔ)

模型采用1∶50的比尺，選用中值粒徑為0.050 mm的木粉作模型沙進(jìn)行局部沖刷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明受豎管阻水及保護(hù)樁影響，上下游區(qū)域流速有所減緩，兩側(cè)流速增大形成繞流，形成管、樁近區(qū)河床較低，周邊地形較高的地形面貌。設(shè)計(jì)洪水條件下的豎管近區(qū)最大沖刷深度對(duì)應(yīng)沖刷后最低床面高程為-10.40 m、管線面上沖刷后最低床面高程為-8.20 m，其沖刷深度均比設(shè)計(jì)潮水工況大約1.2m。洪水沖刷后，沖刷坑范圍為(7～9m)×(4～5m)呈近似橢圓形，主要向下游延伸。設(shè)計(jì)潮水工況下，由于受潮汐的漲落作用沖刷坑近似呈直徑為5～6m的圓形。

該局部沖刷試驗(yàn)成果在工程平面位置選址的基礎(chǔ)上，可做為豎管結(jié)構(gòu)垂向設(shè)計(jì)的依據(jù)，并做為河口區(qū)類似工程的參考。

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(責(zé)任編輯姚小槐)

Erosion Experimental Study on Sewage Discharge Standpipe of Strong Tidal Estuary

WANG Rui-feng1，2,LI Ruo-hua1，2,ZHANG Zhi-yong1，2,YANG Yuan-ping1，2

(1.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, Zhejiang，China; 2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Estuary and Coast, Hangzhou 310020, Zhejiang, China)

Key words:strong tidal estuary; river discharge standpipe; physical model; local scour

Abstract:To study local scour of river discharge standpipes of a sewage treatment plant at strong tidal estuary, this paper used physical model tests for adverse conditions such as floods, tidal current and river bed elevation, and conducted experimental study on scouring depth and erosion form of local scour near Rui’an Jiangnan sewage outlet standpipe. The test got the lowest scour elevation and rough scour form under adverse hydrological conditions. The scouring test results can be used as the basis for related standpipe design, and can provide reference to similar projects of strong tidal estuary.

收稿日期：2015-11-16

基金項(xiàng)目：浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014F10036)；浙江省博士后科研擇優(yōu)資助項(xiàng)目(BSH1502052)。

作者簡(jiǎn)介：王瑞鋒(1981-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事河口海岸工程研究工作。E-mail：wrf131@yeah.net

中圖分類號(hào)：TV83

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-701X(2016)02-0062-03

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.017