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,m
T——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),m
e——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-0.4 m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0.6 Hm(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。
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