分析鸭嘴阀在排海工程中的应用
时间：2010-12-15 阅读：1223
提要 对排海工程中应用鸭嘴阀的利弊进行了分析，提出了鸭嘴阀在排海工程中的适用条件。结合上海市奉浦排海工程，对使用鸭嘴阀与多喷口喷头进行了比较，认为鸭嘴阀在排海工程中的使用与否应根据具体工程综合分析决定。
关键词 鸭嘴阀 排海工程 多喷口喷头 稀释度
近年来，随着科技的发展、新材料的出现，国外已成功开发一种新型阀——鸭嘴阀。鸭嘴阀由弹性氯丁橡胶加人造纤维经特殊加工而成，形状类似鸭嘴。在内部无压力情况下，鸭嘴出口在本身弹性作用下合拢；随内部压力逐渐增加，鸭嘴出口逐渐增大，保持液体能在高流速下排出。鸭嘴阀与目前工程中常用的拍门、闸阀相比具有较多优点，已广泛应用于城市、工厂排水和泵站出水等工程中，在部分排海工程中也有使用，如英国的Weymouth排放口、香港特区新界排放口等排海工程中均安装了鸭嘴阀［1］。本文根据国内外文献及一定的物理模型试验，结合上海市奉浦排海工程，简要分析了在排海工程中使用鸭嘴阀的利与弊及鸭嘴阀在排海工程中的适用条件。
1 排海工程中使用鸭嘴阀的利与弊
1.1 优点
（1）维持较高的射流速度。传统排海工程中喷口为固定口径，则喷口射流流速随流量的增加而呈线性增加，当排放口排放量较小时，喷口射流流速较低；鸭嘴阀的出口面积随排放量的增加而增大。因而，在排放量较小时，其射流流速增加很快，当流量增大到一定值时，射流速度的增加与流量的增加趋向于线性关系。图1所示为同样条件下单孔排放口装设固定喷口与鸭嘴阀的射流速度随排放量增加而变化的比较图［2］。由图1可见，装设鸭嘴阀后的射流速度明显高于固定喷口的射流速度，在排放量较低的情况下，装设鸭嘴阀的排放口仍能有较高的射流速度。
图1 单孔排放口装设固定喷口与鸭嘴阀射流流速的比较
（2）防止海水和泥沙入侵。海水与排放的污水存在一定的密度差，当污水排放量较小时，传统排放口扩散器由于喷口射流速度减小，此密度差将会引起海水入侵扩散器，并将海底环境泥沙带入扩散器［3］。而鸭嘴阀出口随出流量的变化而变化，排放量为零时闭合，而且在排放量较低的情况下能维持较高的射流速度，因此防止了海水和环境泥沙的入侵。
（3）有利于排放管冲洗。在排放口初次运行或停止使用一段时间后使用时，扩散器内充满了海水，对传统排放管来讲，当污水冲洗流量逐渐增加时，污水一般是先从近岸*根上升管排出，远岸上升管则会发生海水倒灌而形成扩散器内的海水循环现象；只有当污水排放量达到一定的值时，上升管才逐渐开始全部排放污水，并清除扩散器管内海水［4］。当排放管上装设鸭嘴阀时，同样条件下排放量很小时，污水便能从所有上升管排出，随排放量的逐渐增加，管底的海水逐渐被卷吸排出。
（4）在一定的条件下，可获得更高的稀释度。对相同环境条件单喷口扩散器进行模型试验发现，在同向水流中水平射流情况下，装设鸭嘴阀比装设固定喷口能获得更高的污水稀释度［1］。
（5）不腐蚀。对于不常使用的排放口（如紧急排放口）来说，在喷口上装设活动拍门或其它防止回流设施是必要的。但是，金属构件长期淹没在海水中，易产生锈蚀和海洋生物繁殖现象，使排放口不能正常运行，给维护带来不便。鸭嘴阀是由橡胶特殊处理加工而成，避免了锈蚀的威胁。
1.2 缺点
（1）增加工程造价。因为鸭嘴阀加工工艺复杂，目前世界上只有少数厂家能够生产合乎使用要求的产品，并根据具体工程而定制，因此售价昂贵。
（2）增加扩散器水头损失。图2为同样条件下单孔排放口装设固定喷口与鸭嘴阀的水头损失比较图。由图2可见，装设鸭嘴阀后的水头损失基本上是装设固定喷口的2倍，这样增大了排放口的能耗，增加了常年运行费用。
图2 单孔排放口设固定喷口与鸭嘴阀水头损失的比较
1.3 鸭嘴阀在排海工程中的适用条件
对排海工程中应用鸭嘴阀，应根据具体工程特点，通过分析确定。综合国内外研究及同济大学多年的模型试验成果［5～6］，认为海水、环境泥沙入侵及冲洗困难常出现在下述条件下：（1） 海水与排放污水的密度差较大；（2） 上升管高度较大；（3） 出流密度弗劳德数较小。对于污水与海水的密度差较小、上升管高度较低的排海工程，只要设计合理并能长期正常运行，一般不会发生海水及环境泥沙入侵现象，冲洗也不存在问题。
综合上述分析，考虑工程造价和长期运行费用因素，排海工程中鸭嘴阀的适用条件为：（1）污水与海水的密度差较大的深水排放口，且上升管高度较高；（2）不经常运行的排放口，如紧急排放口。
2 奉浦排海工程中应用鸭嘴阀的分析
2.1 原设计简况
奉浦排海工程为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，上升管距扩散器中心线的高度约为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。
排放口处的杭州湾海域具有低盐的特性，盐度为10%～20%，2月份为全年盐度zui高值，8月份为全年zui低值，但盐度的年变化范围较小，为0.3%～0.4%。从此盐度值情况可知，该排放口的污水与海水间的密度差相对较小。
2.2 应用鸭嘴阀与多喷口喷头的比较
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，污水尚未得到*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*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。
图3 鸭嘴阀竖直向上安装时在水面形成的翻滚现象
（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，奉浦排海工程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。
3 结语
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
关键词 鸭嘴阀 排海工程 多喷口喷头 稀释度
近年来，随着科技的发展、新材料的出现，国外已成功开发一种新型阀——鸭嘴阀。鸭嘴阀由弹性氯丁橡胶加人造纤维经特殊加工而成，形状类似鸭嘴。在内部无压力情况下，鸭嘴出口在本身弹性作用下合拢；随内部压力逐渐增加，鸭嘴出口逐渐增大，保持液体能在高流速下排出。鸭嘴阀与目前工程中常用的拍门、闸阀相比具有较多优点，已广泛应用于城市、工厂排水和泵站出水等工程中，在部分排海工程中也有使用，如英国的Weymouth排放口、香港特区新界排放口等排海工程中均安装了鸭嘴阀［1］。本文根据国内外文献及一定的物理模型试验，结合上海市奉浦排海工程，简要分析了在排海工程中使用鸭嘴阀的利与弊及鸭嘴阀在排海工程中的适用条件。
1 排海工程中使用鸭嘴阀的利与弊
1.1 优点
（1）维持较高的射流速度。传统排海工程中喷口为固定口径，则喷口射流流速随流量的增加而呈线性增加，当排放口排放量较小时，喷口射流流速较低；鸭嘴阀的出口面积随排放量的增加而增大。因而，在排放量较小时，其射流流速增加很快，当流量增大到一定值时，射流速度的增加与流量的增加趋向于线性关系。图1所示为同样条件下单孔排放口装设固定喷口与鸭嘴阀的射流速度随排放量增加而变化的比较图［2］。由图1可见，装设鸭嘴阀后的射流速度明显高于固定喷口的射流速度，在排放量较低的情况下，装设鸭嘴阀的排放口仍能有较高的射流速度。
图1 单孔排放口装设固定喷口与鸭嘴阀射流流速的比较
（2）防止海水和泥沙入侵。海水与排放的污水存在一定的密度差，当污水排放量较小时，传统排放口扩散器由于喷口射流速度减小，此密度差将会引起海水入侵扩散器，并将海底环境泥沙带入扩散器［3］。而鸭嘴阀出口随出流量的变化而变化，排放量为零时闭合，而且在排放量较低的情况下能维持较高的射流速度，因此防止了海水和环境泥沙的入侵。
（3）有利于排放管冲洗。在排放口初次运行或停止使用一段时间后使用时，扩散器内充满了海水，对传统排放管来讲，当污水冲洗流量逐渐增加时，污水一般是先从近岸*根上升管排出，远岸上升管则会发生海水倒灌而形成扩散器内的海水循环现象；只有当污水排放量达到一定的值时，上升管才逐渐开始全部排放污水，并清除扩散器管内海水［4］。当排放管上装设鸭嘴阀时，同样条件下排放量很小时，污水便能从所有上升管排出，随排放量的逐渐增加，管底的海水逐渐被卷吸排出。
（4）在一定的条件下，可获得更高的稀释度。对相同环境条件单喷口扩散器进行模型试验发现，在同向水流中水平射流情况下，装设鸭嘴阀比装设固定喷口能获得更高的污水稀释度［1］。
（5）不腐蚀。对于不常使用的排放口（如紧急排放口）来说，在喷口上装设活动拍门或其它防止回流设施是必要的。但是，金属构件长期淹没在海水中，易产生锈蚀和海洋生物繁殖现象，使排放口不能正常运行，给维护带来不便。鸭嘴阀是由橡胶特殊处理加工而成，避免了锈蚀的威胁。
1.2 缺点
（1）增加工程造价。因为鸭嘴阀加工工艺复杂，目前世界上只有少数厂家能够生产合乎使用要求的产品，并根据具体工程而定制，因此售价昂贵。
（2）增加扩散器水头损失。图2为同样条件下单孔排放口装设固定喷口与鸭嘴阀的水头损失比较图。由图2可见，装设鸭嘴阀后的水头损失基本上是装设固定喷口的2倍，这样增大了排放口的能耗，增加了常年运行费用。
图2 单孔排放口设固定喷口与鸭嘴阀水头损失的比较
1.3 鸭嘴阀在排海工程中的适用条件
对排海工程中应用鸭嘴阀，应根据具体工程特点，通过分析确定。综合国内外研究及同济大学多年的模型试验成果［5～6］，认为海水、环境泥沙入侵及冲洗困难常出现在下述条件下：（1） 海水与排放污水的密度差较大；（2） 上升管高度较大；（3） 出流密度弗劳德数较小。对于污水与海水的密度差较小、上升管高度较低的排海工程，只要设计合理并能长期正常运行，一般不会发生海水及环境泥沙入侵现象，冲洗也不存在问题。
综合上述分析，考虑工程造价和长期运行费用因素，排海工程中鸭嘴阀的适用条件为：（1）污水与海水的密度差较大的深水排放口，且上升管高度较高；（2）不经常运行的排放口，如紧急排放口。
2 奉浦排海工程中应用鸭嘴阀的分析
2.1 原设计简况
奉浦排海工程为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，上升管距扩散器中心线的高度约为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。
排放口处的杭州湾海域具有低盐的特性，盐度为10%～20%，2月份为全年盐度zui高值，8月份为全年zui低值，但盐度的年变化范围较小，为0.3%～0.4%。从此盐度值情况可知，该排放口的污水与海水间的密度差相对较小。
2.2 应用鸭嘴阀与多喷口喷头的比较
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，污水尚未得到*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*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。
图3 鸭嘴阀竖直向上安装时在水面形成的翻滚现象
（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，奉浦排海工程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。
3 结语
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