排海工程中應(yīng)用鴨嘴閥的分析

鑫利管道采用頂管法施工的隧道式排放口，擴(kuò)散器長(zhǎng)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(gè)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。

　　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(duì)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(jià)水平考慮，即每根上升管安裝單只豎直向上的鴨嘴閥。

　?。?）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(shí)，由于環(huán)境水深較淺，采用鴨嘴閥使射流流速增大，污水尚未火的完全擴(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(huì)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(shí)，污水上升到水面時(shí)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(shí)，污水上升到水面的稀釋度可達(dá)200～250。

　?。?）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(duì)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(huì)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。

　?。?）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(duì)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(shí)，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。

　?。?）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(huì)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^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(jià)和常年運(yùn)行費(fèi)用。

　?。?）維修與維護(hù)。據(jù)廠方資料，鴨嘴閥由于避免腐蝕，可長(zhǎng)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］。

　?。?）工程造價(jià)與運(yùn)行費(fèi)。鴨嘴閥本身的價(jià)格昂貴，再加上額外的水頭損失，則在工程造價(jià)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，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)。

　　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(jià)和水頭損失而換得的，因此排海工程中對(duì)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。