寒冷地区污水管道浅埋的追踪观察

寒冷地区污水管道浅埋的追踪观察王永恒，刘继香(哈尔滨市排水有限责任公司，黑龙江哈尔滨150010)摘要：介绍了对处于寒冷地区哈尔滨市的某些街区实施污水管道浅埋后的追踪观察情况，在此基础上提出了相应的措施。关键词：寒冷地区；污水管道；浅埋工程中图分类号：TU823.2文献标识码：C文章编号：1000-4602(2001)07-0074-03哈尔滨市是我国东北的一座大城市，由于地处纬度较高，一年中大约有5～6个月的寒冷期，地表最大冻深为2.05m。在这些地区埋设污水管道、建造化粪池都存在许多困难，工程的施工降水费用很高，正常的养护管理困难。由于种种原因，几年前在该市的道里、道外两区敷设了一些浅埋污水管道，并对其进行了多年的跟踪观察。1观测装置及条件选择中央大街上的观测管道：L=28.88m，i=0.18%，DN300，管材为钢筋混凝土，主要输送原市房地局机关及部分居民的生活污水。管顶上覆土1.01m，土壤地质状况是：人行道板0.04m，中砂0.04m，建筑杂土及砂粘土0.93m。在垂直管轴线的地表处设地温观测点，在距观测点1.6m处设参照点，观测点与参照点竖向布置六个测点，各有六个传热感测头测量地温，其布置如图1所示同时，还设置了1#和2#两处水温观测井。在1#井(距地温观测点1.2m)内安装一支水位传感器，通过远传记录管中水位的变化。测温采用黑龙江大学物理系协助组装的温度传感显示仪表，液晶数值显示，可转换20个读值，分辨率为0.1。哈尔滨道里是以地面水为水源的供水，因此，污水管中水温较低。另外按规范要求，DN300污水管道的i应为0.3%，可观测管的i=0.18%,是偏小的，影响了管内水的流态，因此该观测管道具有代表性。2试验情况2.1测点管道的情况从1987年12月1日正式开始观测，1989年4月结束。为了探索季节性冻土的变化及在地温和管道双向热传导作用下的季节性冻土层变化规律，主要测量了观测点随深度的变化地温所发生的变化。当地层深在-0.5m以下时，地温变化较平缓。也就是说污水管道所敷设地层在季节性冻土中温变是较平稳的，并有一定的规律性，这给研究带来了方便，即可以使用气象部门所提供的H＝-0.4m以下的地温资料来研究污水管道的浅埋。深层地温值有一定的规律性，表现为两点：①对照点的温度低于观测点的温度，说明污水管道在冻土中有放热作用，对周围介质产生了温度影响。当介质温度高时，两点地温差就大，在污水管道的放热作用下，在管道周围确实存在一个冻融圈，其大小与放热体及介质温度有关。放热体温度高，冻融半径大，介质温度相应高，冻融半径也大。②在地温较低的1、2、3月份，观测点与对照点温度曲线相互交错，这说明周围介质温度较低，可这时污水温度也低，放热作用极差，冻融半径变小，这个时节也是管内污水最易冰冻的时候。随周围介质温度回升，水温也回升，冻融圈增大了，管道的放热效应也增强了。这时污水按道理是不易冰冻了，可往往在这个时节冻害发生较多，主要是一些特别的冰冻现象，不完全是自然因素所致。2月份是地温最低的月份，测点的部分记录值见表1。表1测点地温、水温表时间地温(℃)水温(℃)1234571＃2＃1988年2月9日12：30-2.4-4.3-6.3-9.7-12.4-12.41988年2月10日8：30-2.4-4.3-6.4-9.9-12.5-14.61988年2月12日8：30-2.5-4.4-6.2-9.3-11.7-13.22.11.11989年2月21日13：30-3.5-5.9-6.03.02.31989年2月22日8：30-5.4-6.8-11.43.01.81989年2月27日13：50-4.5-4.8-3.53.62.4表1是从两个周期观测记录中选出的，2月～3月是地温值较低的月份，管外温度在-4.5～-5.4℃时，管内水并未冰冻，运行是正常的；污水温度仅3～4℃，温差1.2℃，这时的管内污水还会放热，对周围的冻土还会产生影响，当管顶温度是-4.5～-5.4℃时，管外介质的温度要低于该温度。由此可知，如将污水管道埋设在-4～-5℃的土壤介质中，管道中的污水是不会被冰冻的，运行会是安全的。2.2普查情况自1987年到1989年冬，对中央大街上的所有污水管道进行了观察。经过三个冬季的观察，纯自然因素冻结管道的情况一次也没发生。中央大街药店门前DN400的污水管，曾于1988年3月冻结一次，经了解是出户管堵塞，居民用消防水龙带直接往检查井内排水，井壁“挂腊”使得井内和管道冻冰，后两年没有发生冻冰现象。维护管理人员反映松滨饭店前的污水管时冻时不冻，饭店出水水温较高，按常规是不会冻的。后经调查发现，其正常流动的支管已塌陷、堵塞，迫使污水逆坡经分界井从另一条支管缓缓排走，管内淤泥不断，常年“压水堵”。当水量极少时，淤泥及水就会冻冰堵塞，这是该管冻冰的真正原因，但在观察的三年中一次也没发生冻结。1990年初，哈尔滨出现了历史上少见的低温，气温降到-39℃以下，可中央大街上的浅埋管道仍然正常运行，从观察的情况看，流动的污水在管内是不会冰冻的。因此，在实施管道浅埋后，应加强污水管道的维护管理，这是保证管道在浅埋状态下安全运行的关键。当停水时，管内应及时排空，平时要尽量减少淤泥量，并在维护管理中格外注意。3结论通过三个冬季对中央大街浅埋污水管道的观测调查，虽然观测管道埋深仅1m左右，可一直没有发生冰冻。从中可以得到如下启发：①根据加拿大学者的研究，结合中央大街浅埋污水管道实测结果，污水管道在季节性冻土层中安全的介质温度为-4～-5℃。也就是说，管道可埋设在地温-4～-5℃的土层中。如果能通过当地的地温曲线或公式确定月平均最小地温(-4～-5℃)所处的地层深度，此即是这一地区污水管道的最浅埋深。当然，在这种情况下需要考虑土壤的冻胀性，在确定埋深时要加以注意。②季节性冻土中的污水管道一般不易发生冻冰，甚至在原水温度为0.4℃时，通过一段距离流动后的水温最大降至0℃，管道也是安全的。影响污水温度变化的因素很多，污水的温降是多因素作用的结果。③污水管道的设计、施工、管理都必须合乎要求，只要管道坡度保证管道水流达自净流速，即使流量再小也会产生流动。如管内不淤泥，污水是不会被冻结的，这说明污水管道浅埋后，施工质量、管理水平都是管道能否安全运行的保障。④污水管道敷设在季节性冻土中，污水管道是放热体，所以，在管外会形成一个冻融圈，其半径大小与管内外介质温度有关，该圈会缓解冻胀力，其影响断面越大，管道越安全。⑤确定污水管道的埋设深度，应根据当地的地温分布曲线去采用，也可根据当地气象部门观测的-0.4m处地温值及最大冻深值。依据下式求出当地的地温公式：Hx=-HmebT(1)式中Hx——地层深度，mT——与地层深度相对应的负地温值Hm——该地区最大冻深值(取绝对值)，me——自然对数的底值b——地方参数b＝-（lgHm-lg0.4）／（0.4343T0.4）(2)式中T0.4——当地-0.4m处月平均最小负地温值如当地缺少T0.4值，可使用当地的地表月平均最小值T0，采用下式去求算T0.4值：T0.4＝0.7T0±4.852根据公式，选择一定介质温度值，求算管道浅埋深度。⑥污水管道的最小埋深，应根据当地的养护经验采用。无养护资料时，管底埋深可采用0.6Hm（0.6倍的最大冻深值）。在车行道下，管顶最小覆土厚不得小于0.7m。⑦污水管道实施浅埋，有较大经济效益，一般冻深大，地下水位高，地质情况较复杂的城市其经济效益是显著的，浅埋后一般会节约工程费用大约15%～20％左右。