强潮河口污水排江竖管冲刷试验研究

王瑞锋，李若华,张芝永，杨元平

(1．浙江省水利河口研究院，浙江　杭州　310020；(2．浙江省河口海岸重点实验室，浙江　杭州　310020)



强潮河口污水排江竖管冲刷试验研究

王瑞锋1，2，李若华1，2,张芝永1，2，杨元平1，2

(1．浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；(2．浙江省河口海岸重点实验室，浙江杭州310020)

摘要：为研究强潮河口污水处理厂排江竖管的局部冲刷问题，采用物理模型试验的方法针对不利的洪水、潮流、河床高程等条件，对瑞安江南污水排放口竖管附近局部冲刷坑的冲刷深度、冲刷形态进行了冲刷试验研究。试验得出不利水文条件下的最低冲刷高程及冲刷坑大致形态，冲刷试验成果可作为竖管相关设计的依据。

关键词：强潮河口；排江竖管；物理模型；局部冲刷

1问题的提出

污水处理工程是城镇建设中必不可少的重要基础设施，随着经济的发展和人们对生态环保意识不断加强，污水处理厂的建设速度也明显加快。邻近河口地区,可合理地利用河口水体的稀释自净能力,经污水处理工程处理达标后,将尾水排入毗邻的河道、河口、近海等水域。

一直以来，由于环保观念落后，人们对排污口的选址关注较少,早期排污口的选取较为随意，往往由排污管道的铺设费用决定，缺乏科学、合理的论证。20世纪30年代以后，污水离岸排放逐渐开始流行，但一系列问题也随之而来，如排污管道被经过的轮船撞断、破坏；扩散器被泥沙堵塞；排污口附近形成稳定高浓度污水场等[1]。20世纪下半叶至今，前人针对污水排江管的选址研究做了大量工作，多数集中在其平面布置、工程结构参数方面[2-4]，方案的比选焦点多数集中于对水环境、水动力和附近涉水工程的影响，包括污染物排放量、环境容量、水质、功能区符合性、环境敏感区等方面以及港航、交通、渔业养殖等涉水工程的影响。随着排放规模的逐渐扩大，采用多个扩散竖管排放的工程越来越多，对排污口附近的河床稳定性主要通过数模计算和河床演变分析探讨工程区河床冲淤变化[5-6]，而对于竖管近区的局部冲刷问题研究较少。众所周知，在水动力较强的水域，桥墩附近的局部冲刷是关系工程安全的重大问题[7-8]，排污竖管和桥墩、桩式码头的阻水特征较为近似，但也有很多不同之处，由于用途的差异，强潮河口桥墩结构一般较为复杂、墩身多出露于水面，而排污竖管一般为处于低水位以下的淹没式空心结构，且不断有水通过竖管排入受纳水体。在河口区，受潮流动力和径流的双重影响，复杂的水动力、泥沙条件及河床冲淤变化常威胁着外排管的安全。因此，研究排江竖管的局部冲刷对于污水处理厂的正常运行是十分必要的。

本文以浙江省瑞安江南污水处理厂外排管工程为例，采用动床模型试验的方法研究洪水、潮流动力条件下工程本身在无冲刷防护条件下的局部冲刷问题，为工程设计提供依据，保证污水处理厂的安全运行。

2工程概况

江南污水处理厂位于飞云江下游南岸的瑞安市阁巷新区,服务范围主要为瑞安市江南片(见图1)。本工程建构筑物安全等级二级，设计基准期及主体结构设计使用年限为50 a。污水通过排江管在距南岸约450 m处排入飞云江,排江管主要由排放段、扩散段、上升管及喷口4个部分组成，尾水排放采用淹没式多孔扩散器水下射流形式，将处理后的尾水输送到江道深水区，再经由上升竖管顶端的喷口高速喷出，使污水迅速在江道大水体中混合，稀释、扩散。

工程尾水远期排江规模为10万m3/d，其工程结构(见图2)为扩散段长度45 m，在排放管扩散段上设置了4根DN550上升管，间距15 m，上升管顶高程为-4.00 m。在每根上升管端部设置4个DN240喷口(喷口平面上呈“十”字型分布)，喷口高程-4.26 m,喷射方向为向上的10°角。排放管上升管保护装置采用4根槽钢，将上升管与底管进行加固，呈与上升管夹角为25°的锥形分布。

3水域条件

飞云江流域是浙江省八大水系之一，于瑞安市的上望注入东海。流域面积3 252 km2，全长203 km，是一条独流入海河流。

潮汐:排江管工程位于河口感潮水域，潮差较大，受东海前进波影响，一天内潮汐两涨两落，属不正规半日潮，瑞安潮位站实测最大潮差6.96 m、平均潮差约4.39 m[8]；潮流:工程水域涨、落潮最大流速出现在中潮位附近，具有明显的驻波性质，并呈往复流运动形式；泥沙:飞云江河口泥沙来源主要为海域来沙，据附近水域历次测验资料，床沙中值粒径为0.002～0.009 mm，悬沙粒径与床沙基本相当。上游飞云江三桥附近涨、落潮最大垂线平均含沙量为2.7，3.6 kg/m3(2001年资料)；工程附近平均含沙量为1.1 kg/m3，悬沙中值粒径0.006 mm(2008年资料)；工程地质：从区域地质来看，上部分布厚大于80 m的第四系松散沉积物，其中上部30 m为软土、淤泥，属河口相和海相沉积物，时代为第四纪全新世。

4模型试验

4.1试验方法

本次研究采用水槽模型试验的方法针对不利的潮流、河床高程等条件，研究排放口竖管附近可能出现的最大冲刷深度、冲刷形态。试验在长40.0 m(动床部分长约5.0 m)，宽约3.5 m的水槽中进行，为使模型能较好的模拟原型水流运动，模型水流必须满足重力相似、水流连续相似、几何相似等相似条件，并考虑综合泥沙起动流速、水下休止角相似的原则，采用几何比尺为1∶50的正态模型，选用中值粒径0.050 mm的防腐木粉做为模型沙进行试验。工程水域水流为往复性潮流，水槽模型按非恒定流设计[9]。

4.2试验工况组次

工程处于受潮流动力和径流的双重影响的河口区，水动力、泥沙条件复杂，结合工程设计条件选取50 a一遇设计洪水和设计潮水工况进行竖管最大局部冲刷试验，设计潮位、流速过程见图3。

设计洪水工况：上游采用10 880 m3/s洪水流量(频率为2%)配以外海的实测大潮过程(瑞安站潮差5.29 m)，该条件下无涨潮流出现，最大水流流速为2.36 m/s。

设计潮水工况:下游采用2%频率潮差的实测潮型并配以2 a一遇的洪水流量，最大流速约2 m/s。

4.3河床起冲高程

根据工程附近断面的实测地形资料，断面形态呈“U”型(见图4)，主要由近岸浅滩、水下斜坡和主槽床面组成。竖管位置实测最高、最低地形分别约-3.70，-5.10 m，断面最低-5.50 m。考虑到工程水域地形的U型特征，河床高程选取断面最低高程-5.50 m进行冲刷试验。

5试验成果

污水排放竖管建设后，由于其阻水作用，形成侧向收缩和下潜流等，从而产生对河床的附加冲刷。排污竖管附近最不利床面高程包括不利水流条件下的自然冲刷、过水面积减少引起的建筑物周围的普遍冲刷以及因局部绕流、涡流等引起的局部冲刷后的高程。本次试验按工程设计间距布设全部排放竖管及保护桩于水槽中，普遍冲刷和局部冲刷得以反映，河床起冲高程考虑了不同水文条件的影响，水流条件考虑了设计水流条件，因此冲刷试验的最低河床冲刷高程为自然冲刷、普遍冲刷与局部冲刷3部分叠加后的床面高程。

受竖管阻水及保护桩影响，上下游区域流速有所减缓，两侧流速增大形成绕流，形成管、桩近区河床较低，周边地形较高的地形面貌。冲刷后排放竖管附近河床面貌见图5，河床剖面形态见图6，冲刷试验结果统计见表1。

排放竖管在设计洪水、潮水条件下最大冲刷深度分别为4.90，3.80 m，对应冲刷后最低床面高程为-10.40，-9.30 m；在洪水、潮水条件下，管线面上最大冲刷深度分别为2.70，1.50 m，对应冲刷后最低床面高程为-8.20，-7.00 m。可见，对于冲刷深度最大值，设计洪水工况均比设计潮水工况稍大(约1.00～1.20 m)，这主要是由于洪水流速相对较大且为无转向的单向流，而潮水条件在涨落转向前后较长时间流速较小容易产生暂时的淤积。

洪水冲刷后，冲刷坑近似呈椭圆形，沿水流方向对称分布，冲刷坑范围尺寸约为(7～9 m)×(4～5 m)。局部冲刷坑主要向下游延伸，竖管下游冲刷坑长度最大约6～7 m，纵向边坡1/2.7～1/3.2；上游方向由于保护桩的存在，也形成冲刷坑并与竖管冲刷坑连通，冲刷坑长度最大约2 m，纵向边坡较陡约1/1.0。

设计潮水工况下，冲刷坑近似呈直径为5～6 m的圆形，其中沿管轴线方向河床剖面形态与洪水工况接近，从高程上看，比洪水工况高约1.20 m；垂直管轴线方向河床剖面形态比洪水工况冲刷范围偏小。竖管下游冲刷坑长度最大约3～5 m，纵向边坡1/1.3～1/2.2；上游方向冲刷坑长度最大约2～3 m，纵向边坡约1/1.2。

6结语

模型采用1∶50的比尺，选用中值粒径为0.050 mm的木粉作模型沙进行局部冲刷试验，试验结果表明受竖管阻水及保护桩影响，上下游区域流速有所减缓，两侧流速增大形成绕流，形成管、桩近区河床较低，周边地形较高的地形面貌。设计洪水条件下的竖管近区最大冲刷深度对应冲刷后最低床面高程为-10.40 m、管线面上冲刷后最低床面高程为-8.20 m，其冲刷深度均比设计潮水工况大约1.2m。洪水冲刷后，冲刷坑范围为(7～9m)×(4～5m)呈近似椭圆形，主要向下游延伸。设计潮水工况下，由于受潮汐的涨落作用冲刷坑近似呈直径为5～6m的圆形。

该局部冲刷试验成果在工程平面位置选址的基础上，可做为竖管结构垂向设计的依据，并做为河口区类似工程的参考。

参考文献：

[1]汪晨．开敞海域离岸排污口选划[D].南京：南京师范大学，2013.

[2]孙英兰，孙长青，赵可胜.青岛东部开发区排污口优选[J].青岛海洋大学学报，1994(8):134-141.

[3]耿文泽.海口市污水海洋处置排放口选址[J].中国给水排水，1998,14(2):27-28.

[4]石萍，彭昆仑，谢健，等.滨海工业人海排污口选址研究—以湛江钢铁项目为例[J].海洋湖沼通报，2011(2)：159-165.

[5]曹颖.海宁市污水处理工程污水排放口位置选择[J].浙江水利科技，2000(6):26-28.

[6]王心海，詹水芬，彭士涛，等.洋口港污水排海工程排污口选划研究[J].水道港口，2011,32(2):140-143.

[7]韩海骞.潮流作用下桥墩局部冲刷研究[D].杭州：浙江大学，2006.

[8]王瑞锋，李君，杨元平，等.飞云江特大桥桥墩局部冲刷试验研究[J]，浙江水利科技，2014(3):3-6.

[9]王瑞锋，林洁，李若华,等.瑞安市江南污水处理工程尾水排江管局部冲淤模型试验[R].杭州：浙江省水利河口研究院，2013.

(责任编辑姚小槐)

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

基金项目：浙江省科技计划项目(2014F10036)；浙江省博士后科研择优资助项目(BSH1502052)。

作者简介：王瑞锋(1981-)，男，高级工程师，硕士，主要从事河口海岸工程研究工作。E-mail：wrf131@yeah.net

中图分类号：TV83

文献标识码：A

文章编号：1008-701X(2016)02-0062-03

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