排海工程中应用鸭嘴阀的分析

鑫利管道采用顶管法施工的隧道式排放口，扩散器长度为200m，管径1.6m，设14根上升管，上升管内径为23.9cm，上升管距扩散器的高度约为7.0m～8.0m之间。原设计方案采用了鸭嘴阀，因成本因素原设计拟在每个上升管上安装1只鸭嘴阀；因为带肘形弯管的鸭嘴阀成本约为不带弯管的近2倍，因此同样是成本因素，设计中采用了不带弯管的鸭嘴阀，即鸭嘴阀喷口竖直向上。

　　从鸭嘴阀的特点和适用条件可以看出，紧急排放口中应用鸭嘴阀是有必要的和合理的。以下仅对正常排放口应用鸭嘴阀进行一些分析，分析中以目前国内外类似排海工程中常用的上升管上安装多喷口（射流角度基本水平）喷头的排放口作比较。应用鸭嘴阀方案按工程可接受的造价水平考虑，即每根上升管安装单只竖直向上的鸭嘴阀。

　　（1）污水稀释扩散性能。当鸭嘴阀竖直向上安装在上升管上时，由于环境水深较浅，采用鸭嘴阀使射流流速增大，污水尚未火的完全扩散便到达水面，因此不利于污水的稀释。根据模型试验发现，污水射流会很快冲到水面，引起垂向流态的失稳，形成明显的翻滚现象（如图3所示），由于垂向环流的作用将已经混合的污水又带入羽流参加新的掺混，影响初始稀释度。经过物理模型试验和数学模型计算表明，鸭嘴阀竖直向上安装时，污水上升到水面时的稀释度仅为10左右。上升管上安装多喷口喷头，水流从喷头处射流水平排放，增加了污水与环境水头的掺混，有利于污水的稀释扩散，是近年来通过研究认为适用于浅水域污水排放的佳形式。根据物理模型试验和数学模型计算，本工程安装多喷口喷头时，污水上升到水面的稀释度可达200～250。

　　（2）防止海水和环境泥沙入侵。采用鸭嘴阀可有效防止海水和环境泥沙入侵。多喷口扩散器为了防止海水及环境泥沙入侵，要求射流密度弗劳德数大于1［6］。对于本工程来说，由于海水与污水密度差较小，上升管高度不大，只要扩散器设计合理，排污量正常，一般射流密度弗劳德数远大于1，不会发生海水和环境泥沙入侵现象，而且排放管冲洗也不存在问题。

　　（3）扩散器管内淤积。根据试验研究，采用鸭嘴阀可使得上升管出流量沿程更均匀，对于深水排放口来说，这是有利的，更符合深水排放的一般设计要求。但是，当污水中泥沙浓度较高、排放量较小时，由于扩散器尾部管内流速较小，易形成严重的泥沙淤积，甚至淤堵。而采用多喷口喷头形式扩散器，在设计和运行管理上可采用灵活措施，如上升管喷口不均匀分配（远岸上升管喷口数多于近岸）或封堵近岸上升管喷口，可增加扩散器尾部管段的流速，降低淤积厚度，防止泥沙淤堵。

　　（4）水头损失。采用鸭嘴阀的排放口由于增加了出口局部阻力系数而增大了水头损失，与采用多喷口喷头的排放口相比，水头损失的增加虽不会达到图2所示的2倍，但增加的水头损失值也是可观的。因为水头损失的增加，就要求增大高位井的高度、增大水泵的扬程，从而增加了工程造价和常年运行费用。

　　（5）维修与维护。据厂方资料，鸭嘴阀由于避免腐蚀，可长期使用，一般不用维修与维护。多喷口喷头排放口如果设计合理（考虑防腐措施），并能保持正常运行，一般也不需要维修与维护。如上海竹园排放口（1993年12月通水）、上海星火开发区排放口（1993年3月运行），于1998年分别进行了潜水检查和取出喷头检查，发现正常运行的喷头无腐蚀现象，喷口处基本无海洋生物寄生［7］；国外资料也表明能保持正常运行的排放口不存在海洋生物寄生封堵喷口的问题［8］。

　　（6）工程造价与运行费。鸭嘴阀本身的价格昂贵，再加上额外的水头损失，则在工程造价和常年运行费用上，使用鸭嘴阀比采用多喷口喷头要高。

　　综上所述，按原设计方案使用鸭嘴阀弊大于利，可考虑采用多喷口喷头取而代之。即使使用鸭嘴阀，也应进一步调整原设计中的鸭嘴阀方案，如增加鸭嘴阀的数量及将鸭嘴阀出流方向改为水平等，以充分利用鸭嘴阀的优点。

　　排海工程中使用鸭嘴阀，具有防止海水和泥沙入侵、利于排放管冲洗、在一定条件下提高污水稀释度以及抗腐蚀能力强等优点，适用于海水与污水密度差较大、且上升管高度较大的排放口，也可用于不常使用的紧急排放口。由于鸭嘴阀所具有的优点是通过增加工程造价和水头损失而换得的，因此排海工程中对鸭嘴阀的应用应慎重考虑，应根据具体工程综合分析利弊后确定使用与否。