城镇排水管道蛇形起伏分析研究

　　[摘要] 排水管道常年运行，由于各种原因会出现各种缺陷。蛇形起伏是排水管道缺陷的一种。为了评估蛇形起伏缺陷对排水管道过流能力的影响，本文分析了蛇形起伏排水管道出现的原因、蛇形起伏排水管道内流态的变化、蛇形起伏排水管道影响过流能力的因素,为蛇形起伏排水管道的检测与修复提供了参考。

　　[关键词] 排水管道;蛇形起伏;流态分析;过流能力

　　Abstract: Drainage pipe year-round operation, it will appear all sorts of defects. Snakelikes ups and downs is one of drainage defects. In order to assess the influence of flow capacity by snakelikes ups and downs in drainage pipe This paper analyzes the reason of snakelikes ups and downs drainage, flow pattern changes ups in snakeslikes ups and downs pipes, and the effect of flow capacity factors in snakeslikes ups and downs pipes, it provide reference for snakelikes ups and downs pipes to inspection and repair.

　　Key words: drainage pipe; snakelikes ups and downs; flow pattern analysis; flow capacity

　　中图分类号：S276 文献标识码： A 文章编号：

　　本文来源于国家行业标准《城镇排水管道检测与评估技术规程》中对蛇形起伏缺陷排水管道的评估[1]。在实际运行中的排水管道存在许多的缺陷，比如蛇形起伏、破裂、变形等等。这些存在缺陷的排水管道严重影响排水管道排水功能的正常发挥，全国各大城市在经历暴雨时，内涝现象非常严重。为了使排水管道发挥应有的作用，当前，我国运用闭路电视检测、声纳检测、管道潜望镜检测[2]对现行排水管道进行检测，这些检测结果可以很清楚的看到排水管道内部的状况.对检测结果的分析可为排水管道的养护和修复提供重要的依据。国家行业标准《城镇排水管道检测与评估技术规程》正是在这个背景下开始了编制。本文主要针对蛇形起伏排水管道进行研究。

　　0蛇形起伏排水管道定义

　　蛇形排水管道是一种病态的管道状况。《室外排水设计规范》中规定排水管道为重力流，管道坡度为顺坡。当排水管道偏离正常设计状态，发生连续的高低起伏时，称为蛇形起伏排水管道。由于国内外对蛇形起伏排水管道的研究较少，下面定义一下蛇形起伏排水管道内的相关术语。本文中提到的起伏管道的起伏部分分为两部分，一部分为逆坡段，一部分为陡坡段，起伏的高度为H。

　　1管道蛇形起伏原因分析

　　1.1管道基础原因

　　在大部分的城镇排水管道中，管道都采用直埋的方式，这种方式对管道的基础要求根据土质不同，有不同的要求。在不良地质上敷设管道，对地基的处理有着特殊的要求。在实际的施工过程中，由于管道地基的处理出现问题，导致地基出现不均匀的沉降，最终导致排水管道的蛇形起伏。

　　1.2管道敷设原因

　　排水管道在施工过程中，由于施工前没有认真按照施工测量规范和规程进行交接桩复测与保护，施工放样时没有充分了解水文地质条件，也没有按照埋置深度和设计要求以及有关规定放样。施工过程中如意外遇到构筑物须避让时，没有在在适当的位置增设连接井等。使排水管道在立面上产生积水，出现倒坡和顺坡交替的现象。

　　1.3回填土沉降

　　回填土的沉降变形是破坏管道稳定性的直接原因。由于回填土体时没有根据回填的部位和施工条件选择合适的填料和压(夯)实机械，且回填土中存在淤泥、树根、草皮及其腐植物等，这些物体既影响压实效果，又会在土中干缩、腐烂形成孔洞，引起沉陷。由于回填土的沉降变形，就会使管道受力发生变化，受力超过允许值，管道将遭到破坏，管道可能会破裂，没有破裂的排水管道高程发生变化，形成蛇形起伏。

　　2蛇形起伏排水管道内水流流态分析

　　2.1　正常排水管道流态

　　在排水管道工程中，广泛采用无压圆管，如城市中污水管道、雨水管道等。这类管道内的流动具有自由表面，且表面压强为大气压强。在这些管道的设计中，污水在管道中一般是靠管道两端的水面差从高向低处流动。在大多数情况上，管道内部是不承受压力的，即靠重力流动。目前，建设部颁布的《室外排水设计规范》中规定了排水管道的设计方法是基于排水管道为无压恒定均匀流。

　　2.2　蛇形起伏排水管道流态分析

　　排水管道出现的蛇形起伏，不满足均匀流的前提条件，不能够用《室外排水设计规范》规定的方法进行水力计算的。蛇形起伏的排水管道是管道顺坡和逆坡交替出现的，其中的水流变化复杂，有水跃、跌水甚至会出现明满流交替等等情况。

　　由于实际运行中的蛇形排水管道深埋在地下，且排水管道不透明。很难了解蛇形起伏排水管道内水流的流动状况。为观测蛇形起伏排水管道过流现象，了解蛇形起伏排水管道内流量变化时，水流状态的变化情况，采用有机透明玻璃管制成蛇形起伏排水管道模型，取典型实验工况：坡度0.005，起伏个数2个，起伏高度10mm进行实验观察。

　　2.2.1流量由小到大时的流态观测分析

　　初始状态，整个管道处于无水状态。随后，水从排水管道进口处流入管道，由于重力等作用逐渐往管道下游流动。当水流开始进入第一个起伏段逆坡段时，由于逆坡的阻碍作用，水流流速变小，流速变小的水流前锋仍然流过起伏段逆坡段进入第一个起伏段的顺坡段。进入第一个起伏段顺坡段的水流由于顺坡坡度较大，流速变快，顺利通过第二个起伏段，直至流出管道，整个过程呈漫流状态。

　　当管道内水流继续增大时，排水管道第一个起伏段上游出现气泡、气团。当气泡、气团经过第一个起伏段逆坡段到达第一个起伏段顺坡段时，气泡、气团消失，其下游为无压非满流流动。

　　继续增大管道内的流量。排水管道第一个起伏段上游出现明显的满流，满流出现的位置自第一个起伏段逆坡段向上游不断前移，直至稳定，此时管段第一起伏段上游为满流。

　　2.2.2流量由大到小时的流态观测分析

　　当排水管道内第一个起伏段上游全为满流，第一个起伏处段的下游为非满流时，开始减小流量。由于排水管道流量减小，自管道进口处开始，水位下降。气体自管道口进入管道，管道内出现气泡、气团[3]。

　　当流量减少至较少值时，水流呈漫流状态流过整个排水管道，当停止向排水管道内供水时，管段的其它位置为无水状态，排水管道内高程较低的两个地方，即第一个起伏段上游和第一个起伏段和第二个起伏段之间的位置，出现积水。

　　3蛇形起伏排水管道过流能力影响因素分析

　　正常的排水管道管道内不会出现壅水现象，当排水管道出现蛇形起伏后，排水管道过流能力受到影响，起伏段上游壅水，雍水前端出现水跃或明满流现象。本文将壅水段出现的位置作为蛇形起伏排水管道过流能力的标准。

　　3.1坡度的影响

　　按照建设部颁布的《室外排水设计规范》规定，排水管段依据设计规范的要求，都要特定的坡度。排水管道坡度越大，则管道内水流流速越大，过水断面单位时间内通过的流量就越大。排水管道出现蛇形起伏现象时，起伏段上游的水流由于受到起伏段的阻碍作用，使水流流速变慢，起伏段上游出现水面壅高。当坡度越大时，水流流速越大，起伏段前端的水面壅高距起伏段越近，水流越不容易溢出管道，流向地面。

　　3.2起伏高度的影响

　　水在排水管道内流动，当接触到起伏段时，流速开始下降，水面出现壅水，壅水随着时间的推移，向起伏段的上游移动，直至稳定。保持管道内流量不变，当起伏段高度不断升高时，壅水前端继续向起伏段上游移动，直至出现满流，并溢出管道。可以认为，排水管道起伏高度越高，会导致排水管道过流能力减小。

　　3.3起伏个数的影响

　　排水管道出现多个起伏段，连续排列，形成蛇形起伏，取相同的起伏高度，比较只有一个起伏段和有两个起伏段的排水管道水面曲线的变化。分析起伏个数对排水管道过流能力的影响。跟据实验水面曲线观察可知，存在两个起伏段的排水管道，当水流经过第一个起伏时，急速下降直至第二个起伏。第二个起伏引起的水面的壅起和跃起，受到第一个起伏逆坡段的阻碍，无法穿越第一个起伏段的顶部，不能影响到上游的水位。整个管段对起伏段上游水面的影响与只有一个起伏时一致。通过分析得出，起伏个数不影响排水管道过流能力。

　　4 结语

　　本文对排水管道蛇形起伏缺陷进行全方面的描述。分析了蛇形起伏排水管道形成的原因和管道内部水流流态的变化情况。同时分析了蛇形起伏排水管道过流能力影响因素。本文对排水管道蛇形起伏缺陷的描述，为城镇排水管道检测与修复过程中，对蛇形起伏排水管道的处理提供了参考。

　　参考文献：

　　[1]　王和平. 排水管道健康状况评估方法的研究[J]. 给水排水. 2011, 37(8): 112-116.

　　[2]　李六生. 城镇排水管道的检查方法[J]. 科技信息. 2009(22): 261.

　　[3] 杨敏，李强，李琳，等. 有压管道充水过程数值模拟[J]. 水利学报. 2007, 38(2): 171-175.

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文章名称： 城镇排水管道蛇形起伏分析研究

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