分析橡膠鴨嘴閥在排海工程中的應(yīng)用

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    對排海工程中應(yīng)用鴨嘴閥的利弊進(jìn)行了分析，提出了鴨嘴閥在排海工程中的適用條件。結(jié)合上海市奉浦排海工程，對使用鴨嘴閥與多噴口噴頭進(jìn)行了比較，認(rèn)為鴨嘴閥在排海工程中的使用與否應(yīng)根據(jù)具體工程綜合分析決定。
近年來，隨著科技的發(fā)展、新材料的出現(xiàn)，國外已成功開發(fā)一種新型閥——鴨嘴閥。鴨嘴閥由彈性氯丁橡膠加人造纖維經(jīng)特殊加工而成，形狀類似鴨嘴。在內(nèi)部無壓力情況下，鴨嘴出口在本身彈性作用下合攏；隨內(nèi)部壓力逐漸增加，鴨嘴出口逐漸增大，保持液體能在高流速下排出。鴨嘴閥與目前工程中常用的拍門、閘閥相比具有較多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于城市、工廠排水和泵站出水等工程中，在部分排海工程中也有使用，如英國的Weymouth排放口、香港特區(qū)新界排放口等排海工程中均安裝了鴨嘴閥［1］。本文根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)及一定的物理模型試驗(yàn)，結(jié)合上海市奉浦排海工程，簡要分析了在排海工程中使用鴨嘴閥的利與弊及鴨嘴閥在排海工程中的適用條件。
1、排海工程中使用鴨嘴閥的利與弊
1.1優(yōu)點(diǎn)
（1）維持較高的射流速度。傳統(tǒng)排海工程中噴口為固定口徑，則噴口射流流速隨流量的增加而呈線性增加，當(dāng)排放口排放量較小時，噴口射流流速較低；鴨嘴閥的出口面積隨排放量的增加而增大。因而，在排放量較小時，其射流流速增加很快，當(dāng)流量增大到一定值時，射流速度的增加與流量的增加趨向于線性關(guān)系。圖1所示為同樣條件下單孔排放口裝設(shè)固定噴口與鴨嘴閥的射流速度隨排放量增加而變化的比較圖［2］。由圖1可見，裝設(shè)鴨嘴閥后的射流速度明顯高于固定噴口的射流速度，在排放量較低的情況下，裝設(shè)鴨嘴閥的排放口仍能有較高的射流速度。
（2）防止海水和泥沙入侵。海水與排放的污水存在一定的密度差，當(dāng)污水排放量較小時，傳統(tǒng)排放口擴(kuò)散器由于噴口射流速度減小，此密度差將會引起海水入侵?jǐn)U散器，并將海底環(huán)境泥沙帶入擴(kuò)散器［3］。而鴨嘴閥出口隨出流量的變化而變化，排放量為零時閉合，而且在排放量較低的情況下能維持較高的射流速度，因此防止了海水和環(huán)境泥沙的入侵。
（3）有利于排放管沖洗。在排放口初次運(yùn)行或停止使用一段時間后使用時，擴(kuò)散器內(nèi)充滿了海水，對傳統(tǒng)排放管來講，當(dāng)污水沖洗流量逐漸增加時，污水一般是先從近岸根上升管排出，遠(yuǎn)岸上升管則會發(fā)生海水倒灌而形成擴(kuò)散器內(nèi)的海水循環(huán)現(xiàn)象；只有當(dāng)污水排放量達(dá)到一定的值時，上升管才逐漸開始全部排放污水，并清除擴(kuò)散器管內(nèi)海水。當(dāng)排放管上裝設(shè)鴨嘴閥時，同樣條件下排放量很小時，污水便能從所有上升管排出，隨排放量的逐漸增加，管底的海水逐漸被卷吸排出。
（4）在一定的條件下，可獲得更高的稀釋度。對相同環(huán)境條件單噴口擴(kuò)散器進(jìn)行模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在同向水流中水平射流情況下，裝設(shè)鴨嘴閥比裝設(shè)固定噴口能獲得更高的污水稀釋度［1］。
（5）不腐蝕。對于不常使用的排放口（如緊急排放口）來說，在噴口上裝設(shè)活動拍門或其它防止回流設(shè)施是必要的。但是，金屬構(gòu)件長期淹沒在海水中，易產(chǎn)生銹蝕和海洋生物繁殖現(xiàn)象，使排放口不能正常運(yùn)行，給維護(hù)帶來不便。鴨嘴閥是由橡膠特殊處理加工而成，避免了銹蝕的威脅。
1.2缺點(diǎn)
（1）增加工程造價。因?yàn)轼喿扉y加工工藝復(fù)雜，目前世界上只有少數(shù)廠家能夠生產(chǎn)合乎使用要求的產(chǎn)品，并根據(jù)具體工程而定制，因此售價昂貴。
（2）增加擴(kuò)散器水頭損失。圖2為同樣條件下單孔排放口裝設(shè)固定噴口與鴨嘴閥的水頭損失比較圖。由圖2可見，裝設(shè)鴨嘴閥后的水頭損失基本上是裝設(shè)固定噴口的2倍，這樣增大了排放口的能耗，增加了常年運(yùn)行費(fèi)用。
1.3鴨嘴閥在排海工程中的適用條件
對排海工程中應(yīng)用鴨嘴閥，應(yīng)根據(jù)具體工程特點(diǎn)，通過分析確定。綜合國內(nèi)外研究及同濟(jì)大學(xué)多年的模型試驗(yàn)成果］，認(rèn)為海水、環(huán)境泥沙入侵及沖洗困難常出現(xiàn)在下述條件下：（1）海水與排放污水的密度差較大；（2）上升管高度較大；（3）出流密度弗勞德數(shù)較小。對于污水與海水的密度差較小、上升管高度較低的排海工程，只要設(shè)計(jì)合理并能長期正常運(yùn)行，一般不會發(fā)生海水及環(huán)境泥沙入侵現(xiàn)象，沖洗也不存在問題。
綜合上述分析，考慮工程造價和長期運(yùn)行費(fèi)用因素，排海工程中鴨嘴閥的適用條件為：（1）污水與海水的密度差較大的深水排放口，且上升管高度較高；（2）不經(jīng)常運(yùn)行的排放口，如緊急排放口。
2奉浦排海工程中應(yīng)用鴨嘴閥的分析
2.1原設(shè)計(jì)簡況
奉浦排海工程為采用頂管法施工的隧道式排放口，擴(kuò)散器長度為200m，管徑1.6m，設(shè)14根上升管，上升管內(nèi)徑為23.9cm，上升管距擴(kuò)散器中心線的高度約為7.0m～8.0m之間。原設(shè)計(jì)方案采用了鴨嘴閥，因成本因素原設(shè)計(jì)擬在每個上升管上安裝1只鴨嘴閥；因?yàn)閹е庑螐澒艿镍喿扉y成本約為不帶彎管的近2倍，因此同樣是成本因素，設(shè)計(jì)中采用了不帶彎管的鴨嘴閥，即鴨嘴閥噴口豎直向上。
排放口處的杭州灣海域具有低鹽的特性，鹽度為10%～20%，2月份為全年鹽度zui高值，8月份為全年zui低值，但鹽度的年變化范圍較小，為0.3%～0.4%。從此鹽度值情況可知，該排放口的污水與海水間的密度差相對較小。
2.2應(yīng)用鴨嘴閥與多噴口噴頭的比較
從鴨嘴閥的特點(diǎn)和適用條件可以看出，緊急排放口中應(yīng)用鴨嘴閥是有必要的和合理的。以下僅對正常排放口應(yīng)用鴨嘴閥進(jìn)行一些分析，分析中以目前國內(nèi)外類似排海工程中常用的上升管上安裝多噴口（射流角度基本水平）噴頭的排放口作比較。應(yīng)用鴨嘴閥方案按工程可接受的造價水平考慮，即每根上升管安裝單只豎直向上的鴨嘴閥。
（1）污水稀釋擴(kuò)散性能。當(dāng)鴨嘴閥豎直向上安裝在上升管上時，由于環(huán)境水深較淺，采用鴨嘴閥使射流流速增大，污水尚未得到完全擴(kuò)散便到達(dá)水面，因此不利于污水的稀釋。根據(jù)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，污水射流會很快沖到水面，引起垂向流態(tài)的失穩(wěn)，形成明顯的翻滾現(xiàn)象（如圖3所示），由于垂向環(huán)流的作用將已經(jīng)混合的污水又帶入羽流參加新的摻混，影響初始稀釋度。經(jīng)過物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型計(jì)算表明，鴨嘴閥豎直向上安裝時，污水上升到水面時的稀釋度僅為10左右。上升管上安裝多噴口噴頭，水流從噴頭處射流水平排放，增加了污水與環(huán)境水頭的摻混，有利于污水的稀釋擴(kuò)散，是近年來通過研究認(rèn)為適用于淺水域污水排放的zui佳形式。根據(jù)物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型計(jì)算，本工程安裝多噴口噴頭時，污水上升到水面的稀釋度可達(dá)200～250。
（2）防止海水和環(huán)境泥沙入侵。采用鴨嘴閥可有效防止海水和環(huán)境泥沙入侵。多噴口擴(kuò)散器為了防止海水及環(huán)境泥沙入侵，要求射流密度弗勞德數(shù)大于1［6］。對于本工程來說，由于海水與污水密度差較小，上升管高度不大，只要擴(kuò)散器設(shè)計(jì)合理，排污量正常，一般射流密度弗勞德數(shù)遠(yuǎn)大于1，不會發(fā)生海水和環(huán)境泥沙入侵現(xiàn)象，而且排放管沖洗也不存在問題。
（3）擴(kuò)散器管內(nèi)淤積。根據(jù)試驗(yàn)研究，采用鴨嘴閥可使得上升管出流量沿程更均勻，對于深水排放口來說，這是有利的，更符合深水排放的一般設(shè)計(jì)要求。但是，當(dāng)污水中泥沙濃度較高、排放量較小時，由于擴(kuò)散器尾部管內(nèi)流速較小，易形成嚴(yán)重的泥沙淤積，甚至淤堵。而采用多噴口噴頭形式擴(kuò)散器，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理上可采用靈活措施，如上升管噴口不均勻分配（遠(yuǎn)岸上升管噴口數(shù)多于近岸）或封堵近岸上升管噴口，可增加擴(kuò)散器尾部管段的流速，降低淤積厚度，防止泥沙淤堵。
（4）水頭損失。采用鴨嘴閥的排放口由于增加了出口局部阻力系數(shù)而增大了水頭損失，與采用多噴口噴頭的排放口相比，水頭損失的增加雖不會達(dá)到圖2所示的2倍，但增加的水頭損失值也是可觀的。因?yàn)樗�頭損失的增加，就要求增大高位井的高度、增大水泵的揚(yáng)程，從而增加了工程造價和常年運(yùn)行費(fèi)用。
（5）維修與維護(hù)。據(jù)廠方資料，鴨嘴閥由于避免腐蝕，可長期使用，一般不用維修與維護(hù)。多噴口噴頭排放口如果設(shè)計(jì)合理（考慮防腐措施），并能保持正常運(yùn)行，一般也不需要維修與維護(hù)。如上海竹園排放口（1993年12月通水）、上海星火開發(fā)區(qū)排放口（1993年3月運(yùn)行），于1998年分別進(jìn)行了潛水檢查和取出噴頭檢查，發(fā)現(xiàn)正常運(yùn)行的噴頭無腐蝕現(xiàn)象，噴口處基本無海洋生物寄生［7］；國外資料也表明能保持正常運(yùn)行的排放口不存在海洋生物寄生封堵噴口的問題［8］。
（6）工程造價與運(yùn)行費(fèi)。鴨嘴閥本身的價格昂貴，再加上額外的水頭損失，則在工程造價和常年運(yùn)行費(fèi)用上，使用鴨嘴閥比采用多噴口噴頭要高。
綜上所述，奉浦排海工程按原設(shè)計(jì)方案使用鴨嘴閥弊大于利，可考慮采用多噴口噴頭取而代之。即使使用鴨嘴閥，也應(yīng)進(jìn)一步調(diào)整原設(shè)計(jì)中的鴨嘴閥方案，如增加鴨嘴閥的數(shù)量及將鴨嘴閥出流方向改為水平等，以充分利用鴨嘴閥的優(yōu)點(diǎn)。
3結(jié)語
排海工程中使用鴨嘴閥，具有防止海水和泥沙入侵、利于排放管沖洗、在一定條件下提高污水稀釋度以及抗腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于海水與污水密度差較大、且上升管高度較大的排放口，也可用于不常使用的緊急排放口。由于鴨嘴閥所具有的優(yōu)點(diǎn)是通過增加工程造價和水頭損失而換得的，因此排海工程中對鴨嘴閥的應(yīng)用應(yīng)慎重考慮，應(yīng)根據(jù)具體工程綜合分析利弊后確定使用與否。