山地城市区域地形变化明显地面起伏不定, 具备充分利用地形自然落差组织排水系统的优势, 但也给排水系统的布置带来诸多问题。其中根据地面敷设排水管道导致管道的冲刷磨损问题尤为突出, 加之山地城市沟谷丘陵交错, 陡坎梯道较多, 地质条件复杂, 对排水管道安全稳定的要求提高^[1]。

　　 我国现行的《室外排水设计规范》 (GB 50014-2006, 2014年版) 对排水管道的最大设计流速规定仅针对金属管道和非金属管道2种。对新出现的新材料管道笼统地划分为非金属管道, 通常这些新型复合材料非金属管道的抗冲刷能力较强^[2]。数据表明与钢管相比HDPE管道成本可降低12%左右, 工作寿命可从20年提高到50年, 而且维护费用低^[3]。《室外排水设计规范》将此类非金属管道的最大设计流速笼统规定为5 m/s, 使得新型复合材料管道的耐冲刷优势得不到充分利用, 造成材料的极大浪费也增加了工程造价。

　　 非金属管道属于绝缘体所以不存在电化学腐蚀, 造成管道冲刷腐蚀的主要因素是水力的机械冲刷磨损。夹带砂石等杂质的雨水在流经管道时, 夹砂水流对管道内壁产生淘刷造成管道的冲刷磨损和变形从而导致管道损坏失效。本文通过HDPE管道的冲刷磨损试验探究管道的抗冲刷能力, 研究了管道冲刷磨损量与冲刷时间和冲刷流速的关系。在不考虑管道自然老化等因素前提下根据拟合方程预测管道20年的冲刷磨损量, 以试验研究指导实际工程。

　　 试验场地位于重庆市某管道生产厂房, 制备试验装置模拟雨水对管道的冲刷磨损, 装置如图1所示。管流试验是一种广泛使用的试验方法^[4], 水流的冲刷速度决定了水流对材料表面机械作用的强度, 随冲刷速度的增加, 材料表面膜的破坏程度随之变大^[5]。结合我国现行的《室外排水设计规范》, 同时考虑到充分利用新型排水管材的耐冲刷性能, 将不同管径 (DN63、DN75、DN90) 试验管道分别与潜污泵、流量计以及水箱连接形成一个闭合的回路, 通过调节变速箱调节管道内水流的流速, 让管道内水流在满流的状态下达到稳定, 此时3根管道的流速分别为9m/s、6.4m/s、4.5m/s。在试验过程中不定时查看石英砂的分布情况, 确保循环储水箱的底部无石英砂沉淀情况出现。

　　 试验采用人工配水模拟雨水, 其主要成分为自来水和石英砂。自来水pH=7.6±0.1;石英砂根据重庆市地区降雨时汇流雨水的SS及颗粒物粒径大小, 采用精制石英砂 (又称酸洗石英砂, SiO₂含量≥99%) , 配置雨水石英砂浓度为1 000mg/L。

　　 试验采用9点测量方法:即在管道的两端和中部一周各均匀设置3个测点共9个测点并对测点进行编号^[6], 试验时采用LDT10系列超声波测厚仪每隔100h对管道的壁厚检测1次, 试验共对管道冲刷磨损1 000h。

　　 影响冲刷磨损速率的因素有很多, 其中主要包括:液体流速、流体含沙量、沙粒大小、冲刷角、流体pH、溶液温度、材料的组成、材料的微观结构和热处理制度等^[7]。试验时控制其他影响因素不变, 选择3个流速对HDPE管道进行冲刷磨损试验。由试验结果可知冲刷磨损量与冲刷时间和冲刷流速关系密切。以0、4.5m/s、6.4m/s、9m/s在500~1 000h的冲刷磨损值为基础进行流速与磨损量关系拟合, 结果见图2。

　　 资料表明^[8]冲刷磨损与冲刷速度存在以下关系:

　　 式中E———冲刷磨损量;

　　 k———常数;

　　 V———粒子冲刷流速;

　　 n———速度指数。

　　 随着材料从塑性到脆性的转变, n值从2.1变到6.5, 并且随着冲击角度的增大, n值也稍有增加^[8]。图2中散点可以看到管道的冲刷磨损量与流速关系大致呈二次正比例关系。将冲刷磨损量与冲刷流速按二次正比例的函数关系进行拟合得到5个冲刷磨损量与冲刷流速的关系曲线方程, 其决定系数R²均在0.961~0.996之间, 表明曲线的估计值与实际值之间的拟合程度较高能够代表实际情况。

　　 以图2的拟合结论为计算基础, 对冲刷时间和冲刷磨损量进行线性拟合, 得到不同流速 (1~9m/s) 时冲刷时间与冲刷磨损量的关系曲线, 结果见图3所示。

　　 由图3可知HDPE管道的冲刷磨损量与冲刷时间呈一次正比例线性关系, 表明随着冲刷时间的增加冲刷磨损量会随之增加。并且管道内水流流速越大曲线的斜率越大, 表明流速越大的水流对过水管道的冲刷磨损速率越大。

　　 根据重庆地区2004~2014年10年间的降雨统计资料, 依据我国现行的《室外排水设计规范》选定最大设计流速为5 m/s、7 m/s、9 m/s, 通过软件计算得到在3个不同设计流速条件下1~9m/s各不同流速阶段的持续时间, 其时间分布情况如表1所示。

　　 数据显示在重庆地区选定最大设计流速为5m/s、7m/s、9m/s时, 由近10年降雨资料经产汇流计算得到流速在0~3m/s的时间分别占到总降雨时间的99.88%、99.69%、99.32%, 表明由降雨汇流到雨水排水管道时, 小流速水流持续时间占管道内有水流总时间的绝大部分。

　　 根据表1的计算结果将3个不同的最大设计流速 (5m/s、7m/s、9m/s) 在1~9m/s不同流速阶段的持续时间代入到图3拟合得到的冲刷时间与冲刷磨损量关系方程中, 在忽略其他影响因素的前提下计算得到HDPE管道10年时间里在3个不同最大设计流速 (5m/s、7m/s、9m/s) 条件下1~9m/s对应的冲刷磨损量, 将不同流速对应的冲刷磨损量进行累加得到3个设计流速对HDPE管道的冲刷磨损量, 结果见表2。

　　 已知时间与冲刷磨损量关系呈一次线性关系。将HDPE管道10年时间里的冲刷磨损量扩大2倍得到HDPE管道在只考虑水流对管道冲刷磨损的前提下20年的冲刷磨损量结果如图4所示。

　　 图4表明低流速 (1~3m/s) 和高流速 (7~9m/s) 是造成管道冲刷磨损的主要流速。由图可知流速在1~5m/s之间时雨水对管道的冲刷磨损量呈快速下降趋势, 在5~9m/s之间时冲刷磨损量呈缓慢上升的趋势。分析其原因, 造成在小流速阶段管道冲刷磨损量快速下降的原因是由于随流速的增加冲刷时间急剧下降。而在高流速阶段由于高流速水流对管道的冲刷磨损率增加速度大于冲刷时间减小速率所以造成冲刷磨损量缓慢上升。因此在选择管道最大设计流速时不宜过大。

　　 在0~3 m/s流速阶段3个不同设计流速5m/s、7m/s、9 m/s管道的冲刷磨损量分别占总冲刷磨损量的97.16%、90.89%、81.83%。虽然高流速水流对HDPE管道的冲刷磨损速率大, 但小流速冲刷时间长, 小流速才是造成管道冲刷磨损的主要原因。因此在确定管道的设计流速时应充分考虑小流速对管道造成的冲刷磨损问题。

　　 结果显示在忽略其他影响因素的前提下, 最大设计流速为9m/s时20年时间里HDPE管道的冲刷磨损量为3.634mm[DN400的HDPE管道壁厚为 (9±0.2) mm, 仅占DN400管道壁厚的40.37%]。在不考虑管道因磨损造成刚度、环柔度等参数以及外部荷载变化的情况下, 单纯考虑管道内水流对管道的冲刷磨损情况, HDPE管道在最大设计流速为9m/s时能够使用20年。

　　 (1) HDPE管道的冲刷磨损量与冲刷流速和冲刷时间关系密切, 冲刷磨损量与冲刷时间呈一次线性正比例的关系;冲刷磨损量与冲刷流速呈二次正比例的关系。

　　 (2) 最大设计流速为9m/s时在忽略其他影响因素的前提下, 20年时间里雨水对HDPE管道的冲刷磨损量为3.634 mm, 仅占DN400管道壁厚的40.37%。

　　 (3) 冲刷流速对HDPE管道的冲刷磨损规律分为两个阶段, 在流速1~5m/s阶段呈快速下降的趋势;在流速5~9m/s阶段呈缓慢上升的趋势。根据试验结果, 实际运行时小流速是造成管道冲刷磨损的主要流速。