王永恒，劉繼香
(哈爾濱市排水有限責任公司，黑龍江哈爾濱150010)

　　摘　要：介紹了對處于寒冷地區哈爾濱市的某些街區實施污水管道淺埋后的追蹤觀察情況，在此基礎上提出了相應的措施。
　　關鍵詞：寒冷地區；污水管道；淺埋工程
　　中圖分類號：TU823.2
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2001)07-0074-03

　　哈爾濱市是我國東北的一座大城市，由于地處緯度較高，一年中大約有5～6個月的寒冷期，地表最大凍深為2.05 m。在這些地區埋設污水管道、建造化糞池都存在許多困難，工程的施工降水費用很高，正常的養護管理困難。由于種種原因，幾年前在該市的道里、道外兩區敷設了一些淺埋污水管道，并對其進行了多年的跟蹤觀察。

1　觀測裝置及條件

　　選擇中央大街上的觀測管道：L=28.88 m，i=0.18%，DN300，管材為鋼筋混凝土，主要輸送原市房地局機關及部分居民的生活污水。管頂上覆土1.01m，土壤地質狀況是：人行道板0.04m，中砂0.04m，建筑雜土及砂粘土0.93m。在垂直管軸線的地表處設地溫觀測點，在距觀測點1.6m處設參照點，觀測點與參照點豎向布置六個測點，各有六個傳熱感測頭測量地溫，其布置如圖1所示。

　　同時，還設置了1#和2#兩處水溫觀測井。在1#井(距地溫觀測點1.2m)內安裝一支水位傳感器，通過遠傳記錄管中水位的變化。測溫采用黑龍江大學物理系協助組裝的溫度傳感顯示儀表，液晶數值顯示，可轉換20個讀值，分辨率為0.1。
　　哈爾濱道里是以地面水為水源的供水，因此，污水管中水溫較低。另外按規范要求，DN300污水管道的i應為0.3%，可觀測管的i=0.18%,是偏小的，影響了管內水的流態，因此該觀測管道具有代表性。

2　試驗情況

2.1 測點管道的情況
　　從1987年12月1日正式開始觀測，1989年4月結束。
　　為了探索季節性凍土的變化及在地溫和管道雙向熱傳導作用下的季節性凍土層變化規律，主要測量了觀測點隨深度的變化地溫所發生的變化。當地層深在-0.5m以下時，地溫變化較平緩。也就是說污水管道所敷設地層在季節性凍土中溫變是較平穩的，并有一定的規律性，這給研究帶來了方便，即可以使用氣象部門所提供的H＝-0.4m以下的地溫資料來研究污水管道的淺埋。深層地溫值有一定的規律性，表現為兩點：①對照點的溫度低于觀測點的溫度，說明污水管道在凍土中有放熱作用，對周圍介質產生了溫度影響。當介質溫度高時，兩點地溫差就大，在污水管道的放熱作用下，在管道周圍確實存在一個凍融圈，其大小與放熱體及介質溫度有關。放熱體溫度高，凍融半徑大，介質溫度相應高，凍融半徑也大。②在地溫較低的1、2、3月份，觀測點與對照點溫度曲線相互交錯，這說明周圍介質溫度較低，可這時污水溫度也低，放熱作用極差，凍融半徑變小，這個時節也是管內污水最易冰凍的時候。隨周圍介質溫度回升，水溫也回升，凍融圈增大了，管道的放熱效應也增強了。這時污水按道理是不易冰凍了，可往往在這個時節凍害發生較多，主要是一些特別的冰凍現象，不完全是自然因素所致。
　　2月份是地溫最低的月份，測點的部分記錄值見表1。

表1　測點地溫、水溫表 時間 地溫(℃) 水溫(℃) 　1 2 3 4 5 7 1＃ 2＃ 1988年2月9日12：30 -2.4 -4.3 -6.3 -9.7　 -12.4 -12.4 　 1988年2月10日8：30 -2.4 -4.3　 -6.4 -9.9 -12.5 -14.6 　 1988年2月12日8：30 -2.5 -4.4 -6.2 -9.3 -11.7 -13.2 2.1 1.1 1989年2月21日13：30 -3.5 -5.9 -6.0 3.0 2.3 1989年2月22日8：30 -5.4 -6.8 -11.4 3.0 1.8 1989年2月27日13：50 -4.5 -4.8 -3.5 3.6 2.4

　　 表1是從兩個周期觀測記錄中選出的，2月～3月是地溫值較低的月份，管外溫度在-4.5～-5.4 ℃時，管內水并未冰凍，運行是正常的；污水溫度僅3～4℃，溫差1.2 ℃，這時的管內污水還會放熱，對周圍的凍土還會產生影響，當管頂溫度是-4.5～-5.4 ℃時，管外介質的溫度要低于該溫度。由此可知，如將污水管道埋設在-4～-5℃的土壤介質中，管道中的污水是不會被冰凍的，運行會是安全的。
2.2　普查情況
　　 自1987年到1989年冬，對中央大街上的所有污水管道進行了觀察。
　　 經過三個冬季的觀察，純自然因素凍結管道的情況一次也沒發生。中央大街藥店門前DN400的污水管，曾于1988年3月凍結一次，經了解是出戶管堵塞，居民用消防水龍帶直接往檢查井內排水，井壁“掛臘”使得井內和管道凍冰，后兩年沒有發生凍冰現象。維護管理人員反映松濱飯店前的污水管時凍時不凍，飯店出水水溫較高，按常規是不會凍的。后經調查發現，其正常流動的支管已塌陷、堵塞，迫使污水逆坡經分界井從另一條支管緩緩排走，管內淤泥不斷，常年“壓水堵”。當水量極少時，淤泥及水就會凍冰堵塞，這是該管凍冰的真正原因，但在觀察的三年中一次也沒發生凍結。
　　1990年初，哈爾濱出現了歷史上少見的低溫，氣溫降到-39 ℃以下，可中央大街上的淺埋管道仍然正常運行，從觀察的情況看，流動的污水在管內是不會冰凍的。因此，在實施管道淺埋后，應加強污水管道的維護管理，這是保證管道在淺埋狀態下安全運行的關鍵。當停水時，管內應及時排空，平時要盡量減少淤泥量，并在維護管理中格外注意。

3　結論

　　 通過三個冬季對中央大街淺埋污水管道的觀測調查，雖然觀測管道埋深僅1m左右，可一直沒有發生冰凍。從中可以得到如下啟發：
　　①根據加拿大學者的研究，結合中央大街淺埋污水管道實測結果，污水管道在季節性凍土層中安全的介質溫度為-4～-5 ℃。也就是說，管道可埋設在地溫-4～-5℃的土層中。如果能通過當地的地溫曲線或公式確定月平均最小地溫(-4～-5 ℃)所處的地層深度，此即是這一地區污水管道的最淺埋深。當然，在這種情況下需要考慮土壤的凍脹性，在確定埋深時要加以注意。
　　②季節性凍土中的污水管道一般不易發生凍冰，甚至在原水溫度為0.4 ℃時，通過一段距離流動后的水溫最大降至0 ℃，管道也是安全的。影響污水溫度變化的因素很多，污水的溫降是多因素作用的結果。
　　③污水管道的設計、施工、管理都必須合乎要求，只要管道坡度保證管道水流達自凈流速，即使流量再小也會產生流動。如管內不淤泥，污水是不會被凍結的，這說明污水管道淺埋后，施工質量、管理水平都是管道能否安全運行的保障。
　　④污水管道敷設在季節性凍土中，污水管道是放熱體，所以，在管外會形成一個凍融圈，其半徑大小與管內外介質溫度有關，該圈會緩解凍脹力，其影響斷面越大，管道越安全。
　　⑤確定污水管道的埋設深度，應根據當地的地溫分布曲線去采用，也可根據當地氣象部門觀測的-0.4m處地溫值及最大凍深值。依據下式求出當地的地溫公式：

　　Hx=-Hme^bT　　　　　　　　(1)

　　 式中　　Hx——地層深度，m
　　　　　　T——與地層深度相對應的負地溫值
　　　　　　Hm——該地區最大凍深值(取絕對值)，m
　　　　　　e——自然對數的底值
　　　　　　b——地方參數

　　b＝-（lgHm-lg0.4）／（0.4343T_0.4）　　　(2)

　　 式中　T_0.4——當地-0.4 m處月平均最小負地溫值
　　 如當地缺少T0.4值，可使用當地的地表月平均最小值T0，采用下式去求算T0.4值：

　　　T_0.4＝0.7T₀±4.852

　　 根據公式，選擇一定介質溫度值，求算管道淺埋深度。
　　⑥污水管道的最小埋深，應根據當地的養護經驗采用。無養護資料時，管底埋深可采用0.6 Hm（0.6倍的最大凍深值）。在車行道下，管頂最小覆土厚不得小于0.7m。
　　⑦污水管道實施淺埋，有較大經濟效益，一般凍深大，地下水位高，地質情況較復雜的城市其經濟效益是顯著的，淺埋后一般會節約工程費用大約15%～20％左右。

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　　電　話：(0451)4652686(H)13903605812
　　收稿日期：2000-12-28