分析橡膠鴨嘴閥在排海工程中的應用

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    對排海工程中應用鴨嘴閥的利弊進行了分析，提出了鴨嘴閥在排海工程中的適用條件。結合上海市奉浦排海工程，對使用鴨嘴閥與多噴口噴頭進行了比較，認為鴨嘴閥在排海工程中的使用與否應根據具體工程綜合分析決定。
近年來，隨著科技的發展、新材料的出現，國外已成功開發一種新型閥——鴨嘴閥。鴨嘴閥由彈性氯丁橡膠加人造纖維經特殊加工而成，形狀類似鴨嘴。在內部無壓力情況下，鴨嘴出口在本身彈性作用下合攏；隨內部壓力逐漸增加，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點，已廣泛應用于城市、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、香港特區新界排放口等排海工程中均安裝了鴨嘴閥［1］。本文根據國內外文獻及一定的物理模型試驗，結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優點
（1）維持較高的射流速度。傳統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系。圖1所示為同樣條件下單孔排放口裝設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，當污水排放量較小時，傳統排放口擴散器由于噴口射流速度減小，此密度差將會引起海水入侵擴散器，并將海底環境泥沙帶入擴散器［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境泥沙的入侵。
（3）有利于排放管沖洗。在排放口初次運行或停止使用一段時間后使用時，擴散器內充滿了海水，對傳統排放管來講，當污水沖洗流量逐漸增加時，污水一般是先從近岸第一根上升管排出，遠岸上升管則會發生海水倒灌而形成擴散器內的海水循環現象；只有當污水排放量達到一定的值時，上升管才逐漸開始全部排放污水，并清除擴散器管內海水。當排放管上裝設鴨嘴閥時，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。對相同環境條件單噴口擴散器進行模型試驗發現，在同向水流中水平射流情況下，裝設鴨嘴閥比裝設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，在噴口上裝設活動拍門或其它防止回流設施是必要的。但是，金屬構件長期淹沒在海水中，易產生銹蝕和海洋生物繁殖現象，使排放口不能正常運行，給維護帶來不便。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
（1）增加工程造價。因為鴨嘴閥加工工藝復雜，目前世界上只有少數廠家能夠生產合乎使用要求的產品，并根據具體工程而定制，因此售價昂貴。
（2）增加擴散器水頭損失。圖2為同樣條件下單孔排放口裝設固定噴口與鴨嘴閥的水頭損失比較圖。由圖2可見，裝設鴨嘴閥后的水頭損失基本上是裝設固定噴口的2倍，這樣增大了排放口的能耗，增加了常年運行費用。
1.3鴨嘴閥在排海工程中的適用條件
對排海工程中應用鴨嘴閥，應根據具體工程特點，通過分析確定。綜合國內外研究及同濟大學多年的模型試驗成果］，認為海水、環境泥沙入侵及沖洗困難常出現在下述條件下：（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，只要設計合理并能長期正常運行，一般不會發生海水及環境泥沙入侵現象，沖洗也不存在問題。
綜合上述分析，考慮工程造價和長期運行費用因素，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）不經常運行的排放口，如緊急排放口。
2奉浦排海工程中應用鴨嘴閥的分析
2.1原設計簡況
奉浦排海工程為采用頂管法施工的隧道式排放口，擴散器長度為200m，管徑1.6m，設14根上升管，上升管內徑為23.9cm，上升管距擴散器中心線的高度約為7.0m～8.0m之間。原設計方案采用了鴨嘴閥，因成本因素原設計擬在每個上升管上安裝1只鴨嘴閥；因為帶肘形彎管的鴨嘴閥成本約為不帶彎管的近2倍，因此同樣是成本因素，設計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月份為全年鹽度最高值，8月份為全年最低值，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應用鴨嘴閥與多噴口噴頭的比較
從鴨嘴閥的特點和適用條件可以看出，緊急排放口中應用鴨嘴閥是有必要的和合理的。以下僅對正常排放口應用鴨嘴閥進行一些分析，分析中以目前國內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）污水稀釋擴散性能。當鴨嘴閥豎直向上安裝在上升管上時，由于環境水深較淺，采用鴨嘴閥使射流流速增大，污水尚未得到完全擴散便到達水面，因此不利于污水的稀釋。根據模型試驗發現，污水射流會很快沖到水面，引起垂向流態的失穩，形成明顯的翻滾現象（如圖3所示），由于垂向環流的作用將已經混合的污水又帶入羽流參加新的摻混，影響初始稀釋度。經過物理模型試驗和數學模型計算表明，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，增加了污水與環境水頭的摻混，有利于污水的稀釋擴散，是近年來通過研究認為適用于淺水域污水排放的最佳形式。根據物理模型試驗和數學模型計算，本工程安裝多噴口噴頭時，污水上升到水面的稀釋度可達200～250。
（2）防止海水和環境泥沙入侵。采用鴨嘴閥可有效防止海水和環境泥沙入侵。多噴口擴散器為了防止海水及環境泥沙入侵，要求射流密度弗勞德數大于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，只要擴散器設計合理，排污量正常，一般射流密度弗勞德數遠大于1，不會發生海水和環境泥沙入侵現象，而且排放管沖洗也不存在問題。
（3）擴散器管內淤積。根據試驗研究，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計要求。但是，當污水中泥沙濃度較高、排放量較小時，由于擴散器尾部管內流速較小，易形成嚴重的泥沙淤積，甚至淤堵。而采用多噴口噴頭形式擴散器，在設計和運行管理上可采用靈活措施，如上升管噴口不均勻分配（遠岸上升管噴口數多于近岸）或封堵近岸上升管噴口，可增加擴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到圖2所示的2倍，但增加的水頭損失值也是可觀的。因為水頭損失的增加，就要求增大高位井的高度、增大水泵的揚程，從而增加了工程造價和常年運行費用。
（5）維修與維護。據廠方資料，鴨嘴閥由于避免腐蝕，可長期使用，一般不用維修與維護。多噴口噴頭排放口如果設計合理（考慮防腐措施），并能保持正常運行，一般也不需要維修與維護。如上海竹園排放口（1993年12月通水）、上海星火開發區排放口（1993年3月運行），于1998年分別進行了潛水檢查和取出噴頭檢查，發現正常運行的噴頭無腐蝕現象，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）工程造價與運行費。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行費用上，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計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，也應進一步調整原設計中的鴨嘴閥方案，如增加鴨嘴閥的數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點。
3結語
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等優點，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點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用應慎重考慮，應根據具體工程綜合分析利弊后確定使用與否。