一种分析排水管道淤积特性的方法及实验装置的制造方法
一种分析排水管道淤积特性的方法及实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种分析排水管道淤积特性的方法及实验装置。
【背景技术】
[0002] 污水通过排水管道收集排放到处理设施，但污水中的悬浮固体在输送过程中会发 生沉淀。随着排水管道服务时间的增长，淤积的可能性急剧增加。管道淤积堵塞是排水管 网日常运行管理中面临的重要问题。沉积物淤积水力上会造成沿程水头损失增大，引起排 水不畅，导致排水系统的超负荷运行和合流制溢流提前到达，甚至溢出路面，引起积水和污 染环境。
[0003] 目前运行管理上缺乏掌握排水管网实际运行状况的技术手段，难以评估地下排 水管网的日常淤积情况，在排水管网的水力分析和养护清淤管理上缺少必要的数据支持。 随着信息化发展和现代排水管理需求，排水管道内配备监测设备和专业计算模型成为必 要。因此急需开发一种探宄排水管道堵塞情况与水位关系的水力装置，将管道淤积的监测 特性规律应用于排水管网，通过在检查井内设置液位计，长期收集水位数据，结合水力模型 分析，优化养护管理工作。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种分析排水管道淤积特性的方法 及实验装置。
[0005] 根据本发明提供的一种分析排水管道淤积特性的实验装置，包括：蓄水池、恒流水 箱、测试管道、出水箱；
[0006] 所述蓄水池通过回流泵向所述恒流水箱供水，所述恒流水箱中的水以预设的恒定 流量流入所述测试管道的进水口，所述测试管道的出水口与所述出水箱连通；
[0007] 所述测试管道上设有若干个水位监测竖管，
[0008] 所述测试管道的坡度可调，所述测试管道内设有用于模拟淤积情况的障碍物。
[0009] 作为一种优化方案，所述恒流水箱包括内箱、外槽、进水管、溢水管、恒流出水口；
[0010] 所述内箱在所述恒流出水口和进水管之间设有稳流隔板，所述外槽环设于所述内 箱的外壁上，所述溢水管的一端口与所述外槽连通，另一端口连至所述蓄水池；
[0011] 所述回流泵将所述蓄水池中的水通过所述进水管引入所述内箱，所述进水管的进 水量超过所述恒流出水口的出水量使得所述内箱中的水溢出至所述外槽，所述外槽中的水 通过所述溢水管流入所述蓄水池。
[0012] 作为一种优化方案，所述恒流水箱还包括高度可调的支撑底座。
[0013] 作为一种优化方案，所述水位监测竖管通过三通连接件安装于所述测试管道上。
[0014] 作为一种优化方案，包括一可调管架，所述测试管道安装于所述可调管架上，所述 可调管架用于支撑所述测试管道，以及设置该测试管道的坡度。
[0015] 作为一种优化方案，所述出水箱与所述蓄水池通过一回流管连通，所述回流管还 设有用于防止水从所述蓄水池流向出水箱的单向阀，以及开启或关闭所述回流管的回流 阀。
[0016] 作为一种优化方案，所述恒流水箱通过软管和水平连接管连接至所述测试管道的 进水口；所述水平连接管上设有流量调节阀和流量计；
[0017] 所述恒流水箱中的水流入所述软管后通过所述水平连接管进入所述测试管道的 进水口。
[0018] 基于相同的发明构思，本发明还提供了 一种分析排水管道淤积特性的方法，包 括：
[0019] 步骤A，获取当前的排水管道参数，所述排水管道参数包括待分析排水管道的管底 坡度，和/或进水口的流速，和/或障碍物位置，和/或障碍物规格，并确定第一监测位置和 第二监测位置在未设置障碍物状态下的第一水力坡度ia和设置有障碍物状态下的第二水 力坡度ib;
[0020] 步骤B，根据所述第一水力坡度和第二水力坡度确定用于评价当前排水管道的管 道淤积指数
获得单次实验数组，该单次实验数组包括所述管道淤积指数K及其对应 的排水管道参数；
[0021] 步骤C，改变所述排水管道参数，重复所述步骤A至步骤B获得预设数量的所述单 次实验数组后，根据预设数量的所述单次实验数组构建排水管道的淤积特性曲线。
[0022] 作为一种优化方案，步骤A所述第一监测位置和第二监测位置在未设置障碍物状 态下的第一水力坡度ia和设置有障碍物状态下的第二水力坡度ib的确定方法具体为：
[0023] 在待分析排水管道内未设置障碍物状态下，获取第一监测位置和第二监测位置 的水位，进而获得未设置障碍物状态下的第一水位差AHa=Hal_Ha2，从而确定第一水力坡 度
1其中，Hal为第一监测位置的水位，Ha2为第二监测位置的水位，L为第一监测位 置和第二监测位置的间距；
[0024] 在所述第一监测位置和第二监测位置之间的待分析排水管道内设置障碍物的状 态下，获取所述第一监测位置和第二监测位置的水位，进而获得设置有障碍物状态下的第 二水位差AHb=Hbl-Hb2，从而确定第二水力坡度
其中，Hbl为第一监测位置的水 位，Hb2为第二监测位置的水位，L为第一监测位置和第二监测位置的间距。
[0025] 作为一种优化方案，步骤A所述第一监测位置和第二监测位置在未设置障碍物状 态下的第一水力坡度ia和设置有障碍物状态下的第二水力坡度ib的确定方法具体为：
[0026] 在待分析排水管道内未设置障碍物状态下，所述第一监测位置和第二监测位置 的第一水力坡度等于所述待分析排水管道的管底坡度，从而确定第一水力坡度ia=ia'，其 中，ia'为所述排水管道的管底坡度；
[0027] 在所述第一监测位置和第二监测位置之间的待分析排水管道内设置障碍物的状 态下，获取所述第一监测位置和第二监测位置的水位，进而获得设置有障碍物状态下的第 二水位差AHb=Hbl-Hb2，从而确定第二水力坡度
，其中，Hbl为第一监测位置的水 位，Hb2为第二监测位置的水位，L为第一监测位置和第二监测位置的间距。
[0028] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0029] 本发明中恒流水箱由内箱和外槽组成，减少体积，节省成本，并减轻了水箱重量。
[0030] 本发明中添加了高度可调的水箱和管架，可调节测试管道坡度，方便研宄不同坡 度情况下水力的变化情况。
[0031] 本发明公开的方法以管道淤积指数来评价排水管道的淤积程度，有利于对排水管 道的淤积情况做出定量的描述，方便相关研宄人员直观了解排水管道的淤积情况，进一步 利于针对不同的淤积情况做出适应性的处理。
【附图说明】
[0032] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领 域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附 图中：
[0033] 图1是现有技术中的自循环沿程水头损失实验装置；
[0034] 图2是可选实施例中的测试管道的淤积状态示意图；
[0035] 图3是可选实施例中的一种分析排水管道淤积特性的实验装置结构示意图；
[0036] 图4是可选实施例中的一种恒流水箱的高度可调的支撑底座结构示意图；
[0037] 图5是可选实施例中的一种可调管架结 构示意图。
[0038] 图中，A1-.水压差计，A2-测压计，A3-实验管道，A4-水银压差计，A5-滑动测量 尺，A6-出水阀门，A7-进水阀，A8-稳压筒；
[0039] 1-恒流水箱，2-内箱，3-外槽，4-隔板，5-软管，6-流量调节阀，7-流量计，8-测 试管道，9-连接法兰，10-水位监测竖管，11-出水箱，12-障碍物，13-回流管，14-蓄水池， 15-回流泵，16-进水管，17-溢流管，18-高度可调的支撑底座，19-四脚铁架，20-千斤顶， 21-可调管架。
【具体实施方式】
[0040] 下文结合附图以具体实施例的方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于 本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，还可以 使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发 明的范围和实质。
[0041] 图1为现有技术中依照流体力学的沿程水头损失实验原理建立的实验装置。沿程 水头损失实验的实验原理是依据达西公式（1)计算出管道沿程阻力系数，见公式（2)，图1 为自循环沿程水头损失实验装置。
[0044] 式中，hf--沿程水头损失，单位m ;
[0045] d一一管道直径，单位m;
[0046] A一一沿程阻力系数，人=8g/C2;
[0047] L一一管道长度，单位m;
[0048] v--过水断面平均流速，单位m/s ;
[0049] g--重力加速度，单位m/s2;
[0050] Q--流量，单位m3/s ;
[0051] C--谢才系数。
[0052] 图1的实验方法与步骤：
[0053] 准备I对照装置图1和说明，搞清各组成部件的名称、作用及其工作原理；记录有 关实验常数：工作管内径d和实验管长L。
[0054] 准备II启动水泵。先打开出水阀门，再打开进水阀，再慢慢减小出水阀门开度；等 稳压筒中的水适当时，关闭稳压筒的排气口。
[0055] 准备III调通量测系统。
[0056] (1)检查测压管管内空气是否排尽。
[0057] (2)实验装置通水排气后，即可进行实验测量。在进水阀、出水阀全开的前提下，逐 次减小出水阀开度，若有水从测压管中溢出，则适当减小进水阀开度，每次调节流量后，稳 定2~3分钟，然后用滑尺测定各测压管液面值，并用量筒秒表测定流量，用温度计测温度。 每次测量流量的时间应长于10秒。
[0058] (3)实验结束先关闭出水阀10,检查比压计是否回零，然后关闭阀门11，并切断电 源。
[0059] 图1所示的现有技术由于其弯曲的管道结构，不适于设置障碍物，因此在进行排 水管道淤积特性分析时使用该结构不能达到期待的效果。
[0060] 在本发明提供的一种分析排水管道淤积特性的实验装置的实施例中，如图3所 示，包括：蓄水池、恒流水箱、测试管道、出水箱；
[0061] 所述蓄水池通过回流泵向所述恒流水箱供水，所述恒流水箱中的水以预设的恒定 流量流入所述测试管道的进水口，所述测试管道的出水口与所述出水箱连通；
[0062] 所述测试管道上设有若干个水位监测竖管，
[0063] 所述测试管道的坡度可调，所述测试管道内设有用于模拟淤积情况的障碍物。
[0064] 作为一种实施例，所述恒流水箱包括内箱、外槽、进水管、溢水管、恒流出水口；
[0065] 所述内箱在所述恒流出水口和进水管之间设有稳流隔板，所述外槽环设于所述内 箱的外壁上，所述溢水管的一端口与所述外槽连通，另一端口连至所述蓄水池；
[0066] 所述回流泵将所述蓄水池中的水通过所述进水管引入所述内箱，所述进水管的进 水量超过所述恒流出水口的出水量使得所述内箱中的水溢出至所述外槽，所述外槽中的水 通过所述溢水管流入所述蓄水池。
[0067] 如图3所示，一种分析排水管道淤积特性的实验装置，所述恒流水箱1利用液位差 一定时，管嘴出流流量恒定的原理设计，由内箱2和外槽3组成，中间设有隔板4,用于稳定 出水流态。当恒水箱的进水量超过出水量时，多余水量从内箱2的矩形薄壁堰溢流至外槽 3。外槽3中的水又从外槽3的溢流管17流出，返回蓄水池14。内箱2底部设有排水阀，便 于排空和清洗水箱。内箱中液位一直保持与内箱顶高度不变，从而在恒流出水口获得恒定 不变的水压，在恒流出水口孔径不变的情况下，其出水流速恒定。而隔板4将进水管与恒流 出水口在一定程度上隔离，防止进水引起的涡流等现象而影响出水状态，该隔板有利于稳 定的恒流出水。
[0068] 所述恒流水箱1通过软管5输出的水量经过流量调节阀6的流量调节后，由流量 计7测量后传输至测试管道8,测试管道8的管径为75_。
[0069] 作为一种实施例，所述恒流水箱通过软管和水平连接管连接至所述测试管道的进 水口；所述水平连接管上设有流量调节阀和流量计；
[0070] 所述恒流水箱中的水流入所述软管后通过所述水平连接管进入所述测试管道的 进水口。
[0071] 在本实施例中采用所述软管作为中间连接件是为了方便测试管道和恒流水箱各 自高度调节时仍能保持管道连接。水平连接管的使用是为了安装所述流量调节阀和流量 计，水平连接管与测试管道的进水口固定。
[0072] 作为一种流量计7的实施例，所述流量计7为超声波流量计。
[0073] 为保证准确地获取水流量，安装流量计7的水平连接管内保持满管流状态，连接 管道为水平的有机玻璃管，管径为50_。所述测试管道8为有机玻璃管，测试管道8可以是 由多根通过连接法兰9连接的管道，形成可拆卸管道。
[0074] 测试管道8中间设置有水位监测竖管10,测试管道8末端设置有出水口，水排放 至出水箱11。所述水位监测竖管10的透明观测壁上设有水位刻度。所述水位监测竖管10 通过三通连接件安装于所述测试管道8上。三通连接件上端连接水位监测竖管10,水位监 测竖管10还用于投入所述障碍物。所述的障碍物12用于模拟管道内部沉积物。
[0075] 作为一种实施例，所述出水箱11与所述蓄水池14通过一回流管13连通，所述回 流管13还设有用于防止水从所述蓄水池14流向出水箱11的单向阀，以及开启或关闭所述 回流管的回流阀。所述蓄水池14中的水利用回流泵15提升，通过进水管16流入内箱2,形 成水力循环系统；进水管16末端设有进水管调节阀门，用于控制进水管流量大小。出水箱 11和蓄水池14底部均设置1 %的坡度倾向排放口，便于水箱清洗与排空。
[0076] 如图3-图5所示，本实验装置的模拟流态为重力流，所述恒流水箱1还包括高度 可调的支撑底座18。作为一种实施例，所述高度可调的支撑底座18由四脚铁架19和千斤 顶20组成。所述四脚铁架19设置有插孔和插销，由此可调节脚架的高度。所述千斤顶20 位于四脚铁架19中间，放在固定高度的底座上面，用于调节脚架高度前抬高进水箱1，使得 整个活动支撑具有操作简单，调节方便的特点。所述高度可调的支撑底座18可以为多种结 构，本发明不限于此。
[0077] 作为一种实施例，本发明还包括一可调管架21，所述测试管道8安装于所述可调 管架21上，所述可调管架21用 于支撑所述测试管道8,以及设置该测试管道8的坡度。所 述可调管架21设置有螺母和螺杆，根据需要将测试管道8抬高或降低，用于灵活调节测试 管道8设定的坡度。
[0078] 所述出水箱固定支撑22用于支撑出水箱11，高度固定。
[0079] 基于相同的发明构思，本发明还提供了 一种分析排水管道淤积特性的方法，包 括：
[0080] 步骤A，获取当前的排水管道参数，所述排水管道参数包括待分析排水管道的管底 坡度，和/或进水口的流速，和/或障碍物位置，和/或障碍物规格，并确定第一监测位置和 第二监测位置在未设置障碍物状态下的第一水力坡度ia和设置有障碍物状态下的第二水 力坡度ib;
[0081] 步骤B，根据所述第一水力坡度和第二水力坡度确定用于评价当前排水管道的管 道淤积指数
，获得单次实验数组，该单次实验数组包括所述管道淤积指数K及其对应 的排水管道参数；
[0082] 步骤C，改变所述排水管道参数，重复所述步骤A至步骤B获得预设数量的所述单 次实验数组后，根据预设数量的所述单次实验数组构建排水管道的淤积特性曲线。
[0083] 作为一种实施例，步骤A所述第一监测位置和第二监测位置在未设置障碍物状态 下的第一水力坡度ia和设置有障碍物状态下的第二水力坡度ib的确定方法具体为：
[0084] 在待分析排水管道内未设置障碍物状态下，获取第一监测位置和第二监测位置 的水位，进而获得未设置障碍物状态下的第一水位差AHa=Hal_Ha2，从而确定第一水力坡 度
，其中，Hal为第一监测位置的水位，Ha2为第二监测位置的水位，L为第一监测位 置和第二监测位置的间距；
[0085] 在所述第一监测位置和第二监测位置之间的待分析排水管道内设置障碍物的状 态下，获取所述第一监测位置和第二监测位置的水位，进而获得设置有障碍物状态下的第 二水位差AHb=Hbl-Hb2，从而确定第二水力坡度
，其中，Hbl为第一监测位置的水 位，Hb2为第二监测位置的水位，L为第一监测位置和第二监测位置的间距。
[0086] 将上述方法应用与使用上述分析排水管道淤积特性的实验装置时，该方法具体 为：
[0087] 步骤1，更新设置所述测试管道的坡度、进水口的流速、障碍物位置、障碍物规格；
[0088] 步骤2,在测试管道内未设置障碍物的状态下，根据两个水位监测竖管的水位读 数Hal、Ha2获得第一水位差AHa=Hal-Ha2;
[0089] 在所述两个水位监测竖管之间的测试管道内设置障碍物的状态下，根据所述两 个水位监测竖管的水位读数Hbl、Hb2获得第二水位差AHb=Hbl-Hb2;
[0090] 步骤3,根据所述第一水位差和第二水位差确定管道淤积指数
，获得一条 单次实验数组，该单次实验数组包括所述管道淤积指数K及其对应的待分析排水管道的管 底坡度、进水口的流速、障碍物位置、障碍物规格；
[0091] 步骤4,重复所述步骤1至步骤3获得若干条所述实验数组构建排水管道的淤积特 性曲线。
[0092] 所述障碍物的规格包括了障碍物的平均长度和高度取值。
[0093] 明渠均匀流情况下可以简化上述步骤A的测量分析，未设置障碍物状态下，认为 水力坡度等于管底坡度，即ia=ia'，其中ia'为所述待分析排水管道的管底坡度，ia为水 力坡度，由于ah=iXL，故两个监测位置的管底标高之差等于第一监测位置和第二监测 位置的水位差，AHa=AHa'，L为第一监测位置与第二监测位置的距离。此时一种分析排 水管道淤积特性的方法中，步骤A所述第一监测位置和第二监测位置在未设置障碍物状态 下的第一水力坡度ia和设置有障碍物状态下的第二水力坡度ib的确定方法具体为：
[0094] 在待分析排水管道内未设置障碍物状态下，所述第一监测位置和第二监测位置 的第一水力坡度等于所述待分析排水管道的管底坡度，从而确定第一水力坡度ia=ia'，其 中，ia'为所述排水管道的管底坡度，L为第一监测位置和第二监测位置的间距；
[0095] 在所述第一监测位置和第二监测位置之间的待分析排水管道内设置障碍物的状 态下，获取所述第一监测位置和第二监测位置的水位，进而获得设置有障碍物状态下的第 二水位差AHb=Hbl-Hb2，从而确定第二水力坡度
，其中，Hbl为第一监测位置的水 位，Hb2为第二监测位置的水位，L为第一监测位置和第二监测位置的间距。
[0096] 沉积物的累积减小了管道的输送空间、增大水流阻力，导致管道排放能力的下降， 从而引发淤积管道的上下游水位差增大。在非均匀流中，水深和流速均沿程而变。堵塞情 况下，上游水深比下游深大，则根据曼宁公式（3)可知，上游流速比下游流速小，因此水头 损失hf:hf=AH+a(Vl2-v22)/2g，小于水位差AH，其中a(Vl2-v22)/2g为上、下游监测位置 的流速水头差，其中a为系数，本实施例中a为1。若不考虑流速水头差，即Vl=v2，得hf =AH。根据曼宁公式的转换公式（4)可知，若沿程流速v不变，堵塞物的存在导致水力坡 度（i=AH/L)的增大。因此对于同一管道（管长L相同）可以根据水位差（AH)的变化 情况，判断管道内部淤积状况。
[0099]式中：v-流速，m/s ;R-水力半径，m ;n-曼宁粗糙系数；i一水力坡度。
[0100] 图2为排水管道的淤积示意图。当处于恒定流状态时，无淤积管道上下游检查井 污水水位分别为Hal和Ha2，而淤积管道上下游水位分别为Hbl和Hb2。两种情况的上下游检 查井水位差分别为AHa=Hal-HjPAHb=Hbl-Hb2。
[0101] 这时引入水位相对变化指标即管道淤积指数K，它是指开泵后的某时段，淤积管道 的上下游检查井水力坡度ib与对应时段无淤积的管道的水力坡度ia之比，对于相同管道 (管长相等），即水位差AHb与AHa之比。L为两观测点之间的距离。
[0103] K值越大，表明管道淤积越严重，该管道的清淤维护工作越急迫。
[0104] 为了实现上述目的，本发明中采用了如下的技术方案：
[0105] 如图3,打开进水管阀门输入自来水，正常情况下会形成均匀流，均匀流的水深沿 程不变，水面线和渠底平行，测出无堵塞时水位差△Ha;若存在沉积物堵塞，沉积物影响管 道水流，降低了管道的过水能力，堵塞上游由于排水不畅导致水位上升，下游水量迅速排走 而水位下降，故水位差增大，测出堵塞管道的水位差AHb。因此，利用根据水位差的变化情 况，计算水位相对变化指标K，探宄其与管道内部堵塞程度的关系。
[0106] 具体实施时，本发明提供一种采用上述装置研宄管道内部沉积物对水位差（AH) 变化影响的方法，包括下列步骤：
[0107] (1)安装超声波流量计；
[0108] (2)调节测试管道管架高度，记录管道内径、监测水位点的位置与高度；
[0109] (3)投入障碍物，记录所述障碍物的材质、位置以及大小；
[0110] (4)先打开流量调节阀和进水管调节阀门，启动回流泵，在进水阀全开的前提下， 逐次减小流量调节阀开度，待水位稳定2~3分钟，记录此时流量、堵塞上下游水位；
[0111] (5)每次实验均重复测量三次 ；
[0112] (6)关闭回流泵和进水管调节阀门，取出堵塞物，把残留积水排尽；
[0113] (7)每次进行堵塞程度评估实验前，均需进行相同情况下无障碍物状态的实验，记 录流量计读数和相同监测点的水位读数；
[0114] (8)整理数据，根据公式（5)计算管道淤积指数
[0115] (9)重复以上步骤，探宄不同堵塞程度、流量和坡度对管道淤积指数的影响。
[0116] 与图1中的现有技术相比，本发明具有以下优势：
[0117] 1.现有技术中的恒流水箱由内水箱和外水箱组成，耗材多，成本贵，本发明中恒流 水箱由内箱和外槽组成，减少体积，节省成本，并减轻了水箱重量；
[0118] 2.现有技术中实验管道为固定坡度，本发明中添加了高度可调的水箱和管架，可 调节测试管道坡度，方便研宄不同坡度情况下水力的变化情况；
[0119] 3.现有技术只针对满管流设计，本发明适用于满管流和非满管流状态；
[0120] 4.现有技术中用量筒测流量，精度低，本发明中采用超声波流量计，精度高且测量 方便；
[0121] 5.现有技术主要用于研宄管道沿程损失和沿程损失随平均流速变化的规律，本发 明中增加了不同规格的堵塞物模拟管道内部不同的堵塞程度，用于分析不同堵塞程度下管 道的水力特性变化。
[0122] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精 神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的 教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的 精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要 求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种分析排水管道淤积特性的实验装置，其特征在于，包括：蓄水池、恒流水箱、测 试管道、出水箱； 所述蓄水池通过回流泵向所述恒流水箱供水，所述恒流水箱中的水以预设的恒定流量 流入所述测试管道的进水口，所述测试管道的出水口与所述出水箱连通； 所述测试管道上设有若干个水位监测竖管， 所述测试管道的坡度可调，所述测试管道内设有用于模拟淤积情况的障碍物。2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述恒流水箱包括内箱、外槽、进水管、溢 水管、恒流出水口； 所述内箱在所述恒流出水口和进水管之间设有稳流隔板，所述外槽环设于所述内箱的 外壁上，所述溢水管的一端口与所述外槽连通，另一端口连至所述蓄水池； 所述回流泵将所述蓄水池中的水通过所述进水管引入所述内箱，所述进水管的进水量 超过所述恒流出水口的出水量使得所述内箱中的水溢出至所述外槽，所述外槽中的水通过 所述溢水管流入所述蓄水池。3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述恒流水箱还包括高度可调的支撑底 座。4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水位监测竖管通过三通连接件安装 于所述测试管道上。5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，包括一可调管架，所述测试管道安装于所 述可调管架上，所述可调管架用于支撑所述测试管道，以及设置该测试管道的坡度。6. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述出水箱与所述蓄水池通过一回流管 连通，所述回流管还设有用于防止水从所述蓄水池流向出水箱的单向阀，以及开启或关闭 所述回流管的回流阀。7. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述恒流水箱通过软管和水平连接管连 接至所述测试管道的进水口；所述水平连接管上设有流量调节阀和流量计； 所述恒流水箱中的水流入所述软管后通过所述水平连接管进入所述测试管道的进水8. -种分析排水管道淤积特性的方法，其特征在于，包括： 步骤A，获取当前的排水管道参数，所述排水管道参数包括待分析排水管道的管底坡 度，和/或进水口的流速，和/或障碍物位置，和/或障碍物规格，并确定第一监测位置和第 二监测位置在未设置障碍物状态下的第一水力坡度13和设置有障碍物状态下的第二水力 坡度ib; 步骤B，根据所述第一水力坡度和第二水力坡度确定用于评价当前排水管道的管道淤 积指数获得单次实验数组，该单次实验数组包括所述管道淤积指数K及其对应的排 水管道参数； 步骤C，改变所述排水管道参数，重复所述步骤A至步骤B获得预设数量的所述单次实 验数组后，根据预设数量的所述单次实验数组构建排水管道的淤积特性曲线。9. 根据权利要求8所述的一种分析排水管道淤积特性的方法，其特征在于，步骤A所述 第一监测位置和第二监测位置在未设置障碍物状态下的第一水力坡度1和设置有障碍物 状态下的第二水力坡度ib的确定方法具体为： 在待分析排水管道内未设置障碍物状态下，获取第一监测位置和第二监测位置的水 位，进而获得未设置障碍物状态下的第一水位差AHa= Hal-Ha2，从而确定第一水力坡度，其中，Hal为第一监测位置的水位，H a2为第二监测位置的水位，L为第一监测位置 和第二监测位置的间距； 在所述第一监测位置和第二监测位置之间的待分析排水管道内设置障碍物的状态下， 获取所述第一监测位置和第二监测位置的水位，进而获得设置有障碍物状态下的第二水位 差AHb= Hbl-Hb2，从而确定第二水力坡度·，其中，Hbl为第一监测位置的水位，H b2为 第二监测位置的水位，L为第一监测位置和第二监测位置的间距。10.根据权利要求8所述的一种分析排水管道淤积特性的方法，其特征在于，步骤A所 述第一监测位置和第二监测位置在未设置障碍物状态下的第一水力坡度13和设置有障碍 物状态下的第二水力坡度ib的确定方法具体为： 在待分析排水管道内未设置障碍物状态下，所述第一监测位置和第二监测位置的第 一水力坡度等于所述待分析排水管道的管底坡度，从而确定第一水力坡度ia=ia'，其中， ia'为所述排水管道的管底坡度； 在所述第一监测位置和第二监测位置之间的待分析排水管道内设置障碍物的状态下， 获取所述第一监测位置和第二监测位置的水位，进而获得设置有障碍物状态下的第二水位 差AHb= Hbl-Hb2，从而确定第二水力坡度·，其中，Hbl为第一监测位置的水位，H b2为 第二监测位置的水位，L为第一监测位置和第二监测位置的间距。
【专利摘要】本发明提供了一种分析排水管道淤积特性的方法及实验装置，该装置包括蓄水池、恒流水箱、测试管道、出水箱；蓄水池通过回流泵向所述恒流水箱供水，恒流水箱中的水以预设的恒定流量流入测试管道的进水口，测试管道的出水口与出水箱连通；测试管道上设有若干个水位监测竖管，测试管道的坡度可调，测试管道内设有用于模拟淤积情况的障碍物。该方法包括第一监测位置和第二监测位置在无障碍物时的第一水力坡度和有障碍物时的第二水力坡度，根据第一水力坡度和第二水力坡度确定管道淤积指数，获得单次实验数组，该单次实验数组包括管道坡度、进水流速、障碍物规格和位置、管道淤积指数；重复上述步骤获得若干条单次实验数组构建排水管道的淤积特性曲线。
【IPC分类】G01D21/00
【公开号】CN104897188
【申请号】CN201510336568
【发明人】文碧岚, 姜晓东, 周艳春, 沈继龙, 马仁海, 余十平, 肖伟民, 朱强, 李树平
【申请人】上海水顿智能科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月17日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种分析排水管道淤积特性的方法及实验装置。
【背景技术】
[0002] 污水通过排水管道收集排放到处理设施，但污水中的悬浮固体在输送过程中会发 生沉淀。随着排水管道服务时间的增长，淤积的可能性急剧增加。管道淤积堵塞是排水管 网日常运行管理中面临的重要问题。沉积物淤积水力上会造成沿程水头损失增大，引起排 水不畅，导致排水系统的超负荷运行和合流制溢流提前到达，甚至溢出路面，引起积水和污 染环境。
[0003] 目前运行管理上缺乏掌握排水管网实际运行状况的技术手段，难以评估地下排 水管网的日常淤积情况，在排水管网的水力分析和养护清淤管理上缺少必要的数据支持。 随着信息化发展和现代排水管理需求，排水管道内配备监测设备和专业计算模型成为必 要。因此急需开发一种探宄排水管道堵塞情况与水位关系的水力装置，将管道淤积的监测 特性规律应用于排水管网，通过在检查井内设置液位计，长期收集水位数据，结合水力模型 分析，优化养护管理工作。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种分析排水管道淤积特性的方法 及实验装置。
[0005] 根据本发明提供的一种分析排水管道淤积特性的实验装置，包括：蓄水池、恒流水 箱、测试管道、出水箱；
[0006] 所述蓄水池通过回流泵向所述恒流水箱供水，所述恒流水箱中的水以预设的恒定 流量流入所述测试管道的进水口，所述测试管道的出水口与所述出水箱连通；
[0007] 所述测试管道上设有若干个水位监测竖管，
[0008] 所述测试管道的坡度可调，所述测试管道内设有用于模拟淤积情况的障碍物。
[0009] 作为一种优化方案，所述恒流水箱包括内箱、外槽、进水管、溢水管、恒流出水口；
[0010] 所述内箱在所述恒流出水口和进水管之间设有稳流隔板，所述外槽环设于所述内 箱的外壁上，所述溢水管的一端口与所述外槽连通，另一端口连至所述蓄水池；
[0011] 所述回流泵将所述蓄水池中的水通过所述进水管引入所述内箱，所述进水管的进 水量超过所述恒流出水口的出水量使得所述内箱中的水溢出至所述外槽，所述外槽中的水 通过所述溢水管流入所述蓄水池。
[0012] 作为一种优化方案，所述恒流水箱还包括高度可调的支撑底座。
[0013] 作为一种优化方案，所述水位监测竖管通过三通连接件安装于所述测试管道上。
[0014] 作为一种优化方案，包括一可调管架，所述测试管道安装于所述可调管架上，所述 可调管架用于支撑所述测试管道，以及设置该测试管道的坡度。
[0015] 作为一种优化方案，所述出水箱与所述蓄水池通过一回流管连通，所述回流管还 设有用于防止水从所述蓄水池流向出水箱的单向阀，以及开启或关闭所述回流管的回流 阀。
[0016] 作为一种优化方案，所述恒流水箱通过软管和水平连接管连接至所述测试管道的 进水口；所述水平连接管上设有流量调节阀和流量计；
[0017] 所述恒流水箱中的水流入所述软管后通过所述水平连接管进入所述测试管道的 进水口。
[0018] 基于相同的发明构思，本发明还提供了 一种分析排水管道淤积特性的方法，包 括：
[0019] 步骤A，获取当前的排水管道参数，所述排水管道参数包括待分析排水管道的管底 坡度，和/或进水口的流速，和/或障碍物位置，和/或障碍物规格，并确定第一监测位置和 第二监测位置在未设置障碍物状态下的第一水力坡度ia和设置有障碍物状态下的第二水 力坡度ib;
[0020] 步骤B，根据所述第一水力坡度和第二水力坡度确定用于评价当前排水管道的管 道淤积指数
获得单次实验数组，该单次实验数组包括所述管道淤积指数K及其对应 的排水管道参数；
[0021] 步骤C，改变所述排水管道参数，重复所述步骤A至步骤B获得预设数量的所述单 次实验数组后，根据预设数量的所述单次实验数组构建排水管道的淤积特性曲线。
[0022] 作为一种优化方案，步骤A所述第一监测位置和第二监测位置在未设置障碍物状 态下的第一水力坡度ia和设置有障碍物状态下的第二水力坡度ib的确定方法具体为：
[0023] 在待分析排水管道内未设置障碍物状态下，获取第一监测位置和第二监测位置 的水位，进而获得未设置障碍物状态下的第一水位差AHa=Hal_Ha2，从而确定第一水力坡 度
1其中，Hal为第一监测位置的水位，Ha2为第二监测位置的水位，L为第一监测位 置和第二监测位置的间距；
[0024] 在所述第一监测位置和第二监测位置之间的待分析排水管道内设置障碍物的状 态下，获取所述第一监测位置和第二监测位置的水位，进而获得设置有障碍物状态下的第 二水位差AHb=Hbl-Hb2，从而确定第二水力坡度
其中，Hbl为第一监测位置的水 位，Hb2为第二监测位置的水位，L为第一监测位置和第二监测位置的间距。
[0025] 作为一种优化方案，步骤A所述第一监测位置和第二监测位置在未设置障碍物状 态下的第一水力坡度ia和设置有障碍物状态下的第二水力坡度ib的确定方法具体为：
[0026] 在待分析排水管道内未设置障碍物状态下，所述第一监测位置和第二监测位置 的第一水力坡度等于所述待分析排水管道的管底坡度，从而确定第一水力坡度ia=ia'，其 中，ia'为所述排水管道的管底坡度；
[0027] 在所述第一监测位置和第二监测位置之间的待分析排水管道内设置障碍物的状 态下，获取所述第一监测位置和第二监测位置的水位，进而获得设置有障碍物状态下的第 二水位差AHb=Hbl-Hb2，从而确定第二水力坡度
，其中，Hbl为第一监测位置的水 位，Hb2为第二监测位置的水位，L为第一监测位置和第二监测位置的间距。
[0028] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0029] 本发明中恒流水箱由内箱和外槽组成，减少体积，节省成本，并减轻了水箱重量。
[0030] 本发明中添加了高度可调的水箱和管架，可调节测试管道坡度，方便研宄不同坡 度情况下水力的变化情况。
[0031] 本发明公开的方法以管道淤积指数来评价排水管道的淤积程度，有利于对排水管 道的淤积情况做出定量的描述，方便相关研宄人员直观了解排水管道的淤积情况，进一步 利于针对不同的淤积情况做出适应性的处理。
【附图说明】
[0032] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领 域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附 图中：
[0033] 图1是现有技术中的自循环沿程水头损失实验装置；
[0034] 图2是可选实施例中的测试管道的淤积状态示意图；
[0035] 图3是可选实施例中的一种分析排水管道淤积特性的实验装置结构示意图；
[0036] 图4是可选实施例中的一种恒流水箱的高度可调的支撑底座结构示意图；
[0037] 图5是可选实施例中的一种可调管架结 构示意图。
[0038] 图中，A1-.水压差计，A2-测压计，A3-实验管道，A4-水银压差计，A5-滑动测量 尺，A6-出水阀门，A7-进水阀，A8-稳压筒；
[0039] 1-恒流水箱，2-内箱，3-外槽，4-隔板，5-软管，6-流量调节阀，7-流量计，8-测 试管道，9-连接法兰，10-水位监测竖管，11-出水箱，12-障碍物，13-回流管，14-蓄水池， 15-回流泵，16-进水管，17-溢流管，18-高度可调的支撑底座，19-四脚铁架，20-千斤顶， 21-可调管架。
【具体实施方式】
[0040] 下文结合附图以具体实施例的方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于 本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，还可以 使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发 明的范围和实质。
[0041] 图1为现有技术中依照流体力学的沿程水头损失实验原理建立的实验装置。沿程 水头损失实验的实验原理是依据达西公式（1)计算出管道沿程阻力系数，见公式（2)，图1 为自循环沿程水头损失实验装置。
[0044] 式中，hf--沿程水头损失，单位m ;
[0045] d一一管道直径，单位m;
[0046] A一一沿程阻力系数，人=8g/C2;
[0047] L一一管道长度，单位m;
[0048] v--过水断面平均流速，单位m/s ;
[0049] g--重力加速度，单位m/s2;
[0050] Q--流量，单位m3/s ;
[0051] C--谢才系数。
[0052] 图1的实验方法与步骤：
[0053] 准备I对照装置图1和说明，搞清各组成部件的名称、作用及其工作原理；记录有 关实验常数：工作管内径d和实验管长L。
[0054] 准备II启动水泵。先打开出水阀门，再打开进水阀，再慢慢减小出水阀门开度；等 稳压筒中的水适当时，关闭稳压筒的排气口。
[0055] 准备III调通量测系统。
[0056] (1)检查测压管管内空气是否排尽。
[0057] (2)实验装置通水排气后，即可进行实验测量。在进水阀、出水阀全开的前提下，逐 次减小出水阀开度，若有水从测压管中溢出，则适当减小进水阀开度，每次调节流量后，稳 定2~3分钟，然后用滑尺测定各测压管液面值，并用量筒秒表测定流量，用温度计测温度。 每次测量流量的时间应长于10秒。
[0058] (3)实验结束先关闭出水阀10,检查比压计是否回零，然后关闭阀门11，并切断电 源。
[0059] 图1所示的现有技术由于其弯曲的管道结构，不适于设置障碍物，因此在进行排 水管道淤积特性分析时使用该结构不能达到期待的效果。
[0060] 在本发明提供的一种分析排水管道淤积特性的实验装置的实施例中，如图3所 示，包括：蓄水池、恒流水箱、测试管道、出水箱；
[0061] 所述蓄水池通过回流泵向所述恒流水箱供水，所述恒流水箱中的水以预设的恒定 流量流入所述测试管道的进水口，所述测试管道的出水口与所述出水箱连通；
[0062] 所述测试管道上设有若干个水位监测竖管，
[0063] 所述测试管道的坡度可调，所述测试管道内设有用于模拟淤积情况的障碍物。
[0064] 作为一种实施例，所述恒流水箱包括内箱、外槽、进水管、溢水管、恒流出水口；
[0065] 所述内箱在所述恒流出水口和进水管之间设有稳流隔板，所述外槽环设于所述内 箱的外壁上，所述溢水管的一端口与所述外槽连通，另一端口连至所述蓄水池；
[0066] 所述回流泵将所述蓄水池中的水通过所述进水管引入所述内箱，所述进水管的进 水量超过所述恒流出水口的出水量使得所述内箱中的水溢出至所述外槽，所述外槽中的水 通过所述溢水管流入所述蓄水池。
[0067] 如图3所示，一种分析排水管道淤积特性的实验装置，所述恒流水箱1利用液位差 一定时，管嘴出流流量恒定的原理设计，由内箱2和外槽3组成，中间设有隔板4,用于稳定 出水流态。当恒水箱的进水量超过出水量时，多余水量从内箱2的矩形薄壁堰溢流至外槽 3。外槽3中的水又从外槽3的溢流管17流出，返回蓄水池14。内箱2底部设有排水阀，便 于排空和清洗水箱。内箱中液位一直保持与内箱顶高度不变，从而在恒流出水口获得恒定 不变的水压，在恒流出水口孔径不变的情况下，其出水流速恒定。而隔板4将进水管与恒流 出水口在一定程度上隔离，防止进水引起的涡流等现象而影响出水状态，该隔板有利于稳 定的恒流出水。
[0068] 所述恒流水箱1通过软管5输出的水量经过流量调节阀6的流量调节后，由流量 计7测量后传输至测试管道8,测试管道8的管径为75_。
[0069] 作为一种实施例，所述恒流水箱通过软管和水平连接管连接至所述测试管道的进 水口；所述水平连接管上设有流量调节阀和流量计；
[0070] 所述恒流水箱中的水流入所述软管后通过所述水平连接管进入所述测试管道的 进水口。
[0071] 在本实施例中采用所述软管作为中间连接件是为了方便测试管道和恒流水箱各 自高度调节时仍能保持管道连接。水平连接管的使用是为了安装所述流量调节阀和流量 计，水平连接管与测试管道的进水口固定。
[0072] 作为一种流量计7的实施例，所述流量计7为超声波流量计。
[0073] 为保证准确地获取水流量，安装流量计7的水平连接管内保持满管流状态，连接 管道为水平的有机玻璃管，管径为50_。所述测试管道8为有机玻璃管，测试管道8可以是 由多根通过连接法兰9连接的管道，形成可拆卸管道。
[0074] 测试管道8中间设置有水位监测竖管10,测试管道8末端设置有出水口，水排放 至出水箱11。所述水位监测竖管10的透明观测壁上设有水位刻度。所述水位监测竖管10 通过三通连接件安装于所述测试管道8上。三通连接件上端连接水位监测竖管10,水位监 测竖管10还用于投入所述障碍物。所述的障碍物12用于模拟管道内部沉积物。
[0075] 作为一种实施例，所述出水箱11与所述蓄水池14通过一回流管13连通，所述回 流管13还设有用于防止水从所述蓄水池14流向出水箱11的单向阀，以及开启或关闭所述 回流管的回流阀。所述蓄水池14中的水利用回流泵15提升，通过进水管16流入内箱2,形 成水力循环系统；进水管16末端设有进水管调节阀门，用于控制进水管流量大小。出水箱 11和蓄水池14底部均设置1 %的坡度倾向排放口，便于水箱清洗与排空。
[0076] 如图3-图5所示，本实验装置的模拟流态为重力流，所述恒流水箱1还包括高度 可调的支撑底座18。作为一种实施例，所述高度可调的支撑底座18由四脚铁架19和千斤 顶20组成。所述四脚铁架19设置有插孔和插销，由此可调节脚架的高度。所述千斤顶20 位于四脚铁架19中间，放在固定高度的底座上面，用于调节脚架高度前抬高进水箱1，使得 整个活动支撑具有操作简单，调节方便的特点。所述高度可调的支撑底座18可以为多种结 构，本发明不限于此。
[0077] 作为一种实施例，本发明还包括一可调管架21，所述测试管道8安装于所述可调 管架21上，所述可调管架21用 于支撑所述测试管道8,以及设置该测试管道8的坡度。所 述可调管架21设置有螺母和螺杆，根据需要将测试管道8抬高或降低，用于灵活调节测试 管道8设定的坡度。
[0078] 所述出水箱固定支撑22用于支撑出水箱11，高度固定。
[0079] 基于相同的发明构思，本发明还提供了 一种分析排水管道淤积特性的方法，包 括：
[0080] 步骤A，获取当前的排水管道参数，所述排水管道参数包括待分析排水管道的管底 坡度，和/或进水口的流速，和/或障碍物位置，和/或障碍物规格，并确定第一监测位置和 第二监测位置在未设置障碍物状态下的第一水力坡度ia和设置有障碍物状态下的第二水 力坡度ib;
[0081] 步骤B，根据所述第一水力坡度和第二水力坡度确定用于评价当前排水管道的管 道淤积指数
，获得单次实验数组，该单次实验数组包括所述管道淤积指数K及其对应 的排水管道参数；
[0082] 步骤C，改变所述排水管道参数，重复所述步骤A至步骤B获得预设数量的所述单 次实验数组后，根据预设数量的所述单次实验数组构建排水管道的淤积特性曲线。
[0083] 作为一种实施例，步骤A所述第一监测位置和第二监测位置在未设置障碍物状态 下的第一水力坡度ia和设置有障碍物状态下的第二水力坡度ib的确定方法具体为：
[0084] 在待分析排水管道内未设置障碍物状态下，获取第一监测位置和第二监测位置 的水位，进而获得未设置障碍物状态下的第一水位差AHa=Hal_Ha2，从而确定第一水力坡 度
，其中，Hal为第一监测位置的水位，Ha2为第二监测位置的水位，L为第一监测位 置和第二监测位置的间距；
[0085] 在所述第一监测位置和第二监测位置之间的待分析排水管道内设置障碍物的状 态下，获取所述第一监测位置和第二监测位置的水位，进而获得设置有障碍物状态下的第 二水位差AHb=Hbl-Hb2，从而确定第二水力坡度
，其中，Hbl为第一监测位置的水 位，Hb2为第二监测位置的水位，L为第一监测位置和第二监测位置的间距。
[0086] 将上述方法应用与使用上述分析排水管道淤积特性的实验装置时，该方法具体 为：
[0087] 步骤1，更新设置所述测试管道的坡度、进水口的流速、障碍物位置、障碍物规格；
[0088] 步骤2,在测试管道内未设置障碍物的状态下，根据两个水位监测竖管的水位读 数Hal、Ha2获得第一水位差AHa=Hal-Ha2;
[0089] 在所述两个水位监测竖管之间的测试管道内设置障碍物的状态下，根据所述两 个水位监测竖管的水位读数Hbl、Hb2获得第二水位差AHb=Hbl-Hb2;
[0090] 步骤3,根据所述第一水位差和第二水位差确定管道淤积指数
，获得一条 单次实验数组，该单次实验数组包括所述管道淤积指数K及其对应的待分析排水管道的管 底坡度、进水口的流速、障碍物位置、障碍物规格；
[0091] 步骤4,重复所述步骤1至步骤3获得若干条所述实验数组构建排水管道的淤积特 性曲线。
[0092] 所述障碍物的规格包括了障碍物的平均长度和高度取值。
[0093] 明渠均匀流情况下可以简化上述步骤A的测量分析，未设置障碍物状态下，认为 水力坡度等于管底坡度，即ia=ia'，其中ia'为所述待分析排水管道的管底坡度，ia为水 力坡度，由于ah=iXL，故两个监测位置的管底标高之差等于第一监测位置和第二监测 位置的水位差，AHa=AHa'，L为第一监测位置与第二监测位置的距离。此时一种分析排 水管道淤积特性的方法中，步骤A所述第一监测位置和第二监测位置在未设置障碍物状态 下的第一水力坡度ia和设置有障碍物状态下的第二水力坡度ib的确定方法具体为：
[0094] 在待分析排水管道内未设置障碍物状态下，所述第一监测位置和第二监测位置 的第一水力坡度等于所述待分析排水管道的管底坡度，从而确定第一水力坡度ia=ia'，其 中，ia'为所述排水管道的管底坡度，L为第一监测位置和第二监测位置的间距；
[0095] 在所述第一监测位置和第二监测位置之间的待分析排水管道内设置障碍物的状 态下，获取所述第一监测位置和第二监测位置的水位，进而获得设置有障碍物状态下的第 二水位差AHb=Hbl-Hb2，从而确定第二水力坡度
，其中，Hbl为第一监测位置的水 位，Hb2为第二监测位置的水位，L为第一监测位置和第二监测位置的间距。
[0096] 沉积物的累积减小了管道的输送空间、增大水流阻力，导致管道排放能力的下降， 从而引发淤积管道的上下游水位差增大。在非均匀流中，水深和流速均沿程而变。堵塞情 况下，上游水深比下游深大，则根据曼宁公式（3)可知，上游流速比下游流速小，因此水头 损失hf:hf=AH+a(Vl2-v22)/2g，小于水位差AH，其中a(Vl2-v22)/2g为上、下游监测位置 的流速水头差，其中a为系数，本实施例中a为1。若不考虑流速水头差，即Vl=v2，得hf =AH。根据曼宁公式的转换公式（4)可知，若沿程流速v不变，堵塞物的存在导致水力坡 度（i=AH/L)的增大。因此对于同一管道（管长L相同）可以根据水位差（AH)的变化 情况，判断管道内部淤积状况。
[0099]式中：v-流速，m/s ;R-水力半径，m ;n-曼宁粗糙系数；i一水力坡度。
[0100] 图2为排水管道的淤积示意图。当处于恒定流状态时，无淤积管道上下游检查井 污水水位分别为Hal和Ha2，而淤积管道上下游水位分别为Hbl和Hb2。两种情况的上下游检 查井水位差分别为AHa=Hal-HjPAHb=Hbl-Hb2。
[0101] 这时引入水位相对变化指标即管道淤积指数K，它是指开泵后的某时段，淤积管道 的上下游检查井水力坡度ib与对应时段无淤积的管道的水力坡度ia之比，对于相同管道 (管长相等），即水位差AHb与AHa之比。L为两观测点之间的距离。
[0103] K值越大，表明管道淤积越严重，该管道的清淤维护工作越急迫。
[0104] 为了实现上述目的，本发明中采用了如下的技术方案：
[0105] 如图3,打开进水管阀门输入自来水，正常情况下会形成均匀流，均匀流的水深沿 程不变，水面线和渠底平行，测出无堵塞时水位差△Ha;若存在沉积物堵塞，沉积物影响管 道水流，降低了管道的过水能力，堵塞上游由于排水不畅导致水位上升，下游水量迅速排走 而水位下降，故水位差增大，测出堵塞管道的水位差AHb。因此，利用根据水位差的变化情 况，计算水位相对变化指标K，探宄其与管道内部堵塞程度的关系。
[0106] 具体实施时，本发明提供一种采用上述装置研宄管道内部沉积物对水位差（AH) 变化影响的方法，包括下列步骤：
[0107] (1)安装超声波流量计；
[0108] (2)调节测试管道管架高度，记录管道内径、监测水位点的位置与高度；
[0109] (3)投入障碍物，记录所述障碍物的材质、位置以及大小；
[0110] (4)先打开流量调节阀和进水管调节阀门，启动回流泵，在进水阀全开的前提下， 逐次减小流量调节阀开度，待水位稳定2~3分钟，记录此时流量、堵塞上下游水位；
[0111] (5)每次实验均重复测量三次 ；
[0112] (6)关闭回流泵和进水管调节阀门，取出堵塞物，把残留积水排尽；
[0113] (7)每次进行堵塞程度评估实验前，均需进行相同情况下无障碍物状态的实验，记 录流量计读数和相同监测点的水位读数；
[0114] (8)整理数据，根据公式（5)计算管道淤积指数
[0115] (9)重复以上步骤，探宄不同堵塞程度、流量和坡度对管道淤积指数的影响。
[0116] 与图1中的现有技术相比，本发明具有以下优势：
[0117] 1.现有技术中的恒流水箱由内水箱和外水箱组成，耗材多，成本贵，本发明中恒流 水箱由内箱和外槽组成，减少体积，节省成本，并减轻了水箱重量；
[0118] 2.现有技术中实验管道为固定坡度，本发明中添加了高度可调的水箱和管架，可 调节测试管道坡度，方便研宄不同坡度情况下水力的变化情况；
[0119] 3.现有技术只针对满管流设计，本发明适用于满管流和非满管流状态；
[0120] 4.现有技术中用量筒测流量，精度低，本发明中采用超声波流量计，精度高且测量 方便；
[0121] 5.现有技术主要用于研宄管道沿程损失和沿程损失随平均流速变化的规律，本发 明中增加了不同规格的堵塞物模拟管道内部不同的堵塞程度，用于分析不同堵塞程度下管 道的水力特性变化。
[0122] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精 神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的 教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的 精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要 求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种分析排水管道淤积特性的实验装置，其特征在于，包括：蓄水池、恒流水箱、测 试管道、出水箱； 所述蓄水池通过回流泵向所述恒流水箱供水，所述恒流水箱中的水以预设的恒定流量 流入所述测试管道的进水口，所述测试管道的出水口与所述出水箱连通； 所述测试管道上设有若干个水位监测竖管， 所述测试管道的坡度可调，所述测试管道内设有用于模拟淤积情况的障碍物。2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述恒流水箱包括内箱、外槽、进水管、溢 水管、恒流出水口； 所述内箱在所述恒流出水口和进水管之间设有稳流隔板，所述外槽环设于所述内箱的 外壁上，所述溢水管的一端口与所述外槽连通，另一端口连至所述蓄水池； 所述回流泵将所述蓄水池中的水通过所述进水管引入所述内箱，所述进水管的进水量 超过所述恒流出水口的出水量使得所述内箱中的水溢出至所述外槽，所述外槽中的水通过 所述溢水管流入所述蓄水池。3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述恒流水箱还包括高度可调的支撑底 座。4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水位监测竖管通过三通连接件安装 于所述测试管道上。5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，包括一可调管架，所述测试管道安装于所 述可调管架上，所述可调管架用于支撑所述测试管道，以及设置该测试管道的坡度。6. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述出水箱与所述蓄水池通过一回流管 连通，所述回流管还设有用于防止水从所述蓄水池流向出水箱的单向阀，以及开启或关闭 所述回流管的回流阀。7. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述恒流水箱通过软管和水平连接管连 接至所述测试管道的进水口；所述水平连接管上设有流量调节阀和流量计； 所述恒流水箱中的水流入所述软管后通过所述水平连接管进入所述测试管道的进水8. -种分析排水管道淤积特性的方法，其特征在于，包括： 步骤A，获取当前的排水管道参数，所述排水管道参数包括待分析排水管道的管底坡 度，和/或进水口的流速，和/或障碍物位置，和/或障碍物规格，并确定第一监测位置和第 二监测位置在未设置障碍物状态下的第一水力坡度13和设置有障碍物状态下的第二水力 坡度ib; 步骤B，根据所述第一水力坡度和第二水力坡度确定用于评价当前排水管道的管道淤 积指数获得单次实验数组，该单次实验数组包括所述管道淤积指数K及其对应的排 水管道参数； 步骤C，改变所述排水管道参数，重复所述步骤A至步骤B获得预设数量的所述单次实 验数组后，根据预设数量的所述单次实验数组构建排水管道的淤积特性曲线。9. 根据权利要求8所述的一种分析排水管道淤积特性的方法，其特征在于，步骤A所述 第一监测位置和第二监测位置在未设置障碍物状态下的第一水力坡度1和设置有障碍物 状态下的第二水力坡度ib的确定方法具体为： 在待分析排水管道内未设置障碍物状态下，获取第一监测位置和第二监测位置的水 位，进而获得未设置障碍物状态下的第一水位差AHa= Hal-Ha2，从而确定第一水力坡度，其中，Hal为第一监测位置的水位，H a2为第二监测位置的水位，L为第一监测位置 和第二监测位置的间距； 在所述第一监测位置和第二监测位置之间的待分析排水管道内设置障碍物的状态下， 获取所述第一监测位置和第二监测位置的水位，进而获得设置有障碍物状态下的第二水位 差AHb= Hbl-Hb2，从而确定第二水力坡度·，其中，Hbl为第一监测位置的水位，H b2为 第二监测位置的水位，L为第一监测位置和第二监测位置的间距。10.根据权利要求8所述的一种分析排水管道淤积特性的方法，其特征在于，步骤A所 述第一监测位置和第二监测位置在未设置障碍物状态下的第一水力坡度13和设置有障碍 物状态下的第二水力坡度ib的确定方法具体为： 在待分析排水管道内未设置障碍物状态下，所述第一监测位置和第二监测位置的第 一水力坡度等于所述待分析排水管道的管底坡度，从而确定第一水力坡度ia=ia'，其中， ia'为所述排水管道的管底坡度； 在所述第一监测位置和第二监测位置之间的待分析排水管道内设置障碍物的状态下， 获取所述第一监测位置和第二监测位置的水位，进而获得设置有障碍物状态下的第二水位 差AHb= Hbl-Hb2，从而确定第二水力坡度·，其中，Hbl为第一监测位置的水位，H b2为 第二监测位置的水位，L为第一监测位置和第二监测位置的间距。
【专利摘要】本发明提供了一种分析排水管道淤积特性的方法及实验装置，该装置包括蓄水池、恒流水箱、测试管道、出水箱；蓄水池通过回流泵向所述恒流水箱供水，恒流水箱中的水以预设的恒定流量流入测试管道的进水口，测试管道的出水口与出水箱连通；测试管道上设有若干个水位监测竖管，测试管道的坡度可调，测试管道内设有用于模拟淤积情况的障碍物。该方法包括第一监测位置和第二监测位置在无障碍物时的第一水力坡度和有障碍物时的第二水力坡度，根据第一水力坡度和第二水力坡度确定管道淤积指数，获得单次实验数组，该单次实验数组包括管道坡度、进水流速、障碍物规格和位置、管道淤积指数；重复上述步骤获得若干条单次实验数组构建排水管道的淤积特性曲线。
【IPC分类】G01D21/00
【公开号】CN104897188
【申请号】CN201510336568
【发明人】文碧岚, 姜晓东, 周艳春, 沈继龙, 马仁海, 余十平, 肖伟民, 朱强, 李树平
【申请人】上海水顿智能科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月17日
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