低壓輸渾水管道臨界不淤流速的試驗(yàn)研究

安杰，宗全利，湯驊

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子832003）

管道輸水灌溉技術(shù)已經(jīng)成為世界農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于管道內(nèi)水壓力很低，一般不超過(guò)0．2MPa，且在克服管道輸水壓力損失之后，管道最遠(yuǎn)處出水口壓力應(yīng)控制在0．002～0．003 MPa，故稱為低壓管道輸水灌溉［1］。它具有節(jié)水、省地、省工、低能耗等優(yōu)點(diǎn)［2－3］，我國(guó)自20世紀(jì)50年代，開(kāi)始嘗試對(duì)低壓管道輸水灌溉技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。盡管近十幾年來(lái)管道輸水灌溉發(fā)展較快，但管道淤堵問(wèn)題一直是影響管道輸水灌溉技術(shù)在渠灌區(qū)推廣應(yīng)用的一個(gè)重要制約因素，而解決渾水管道泥沙淤堵問(wèn)題的關(guān)鍵就在于其臨界不淤流速的確定［4－5］。至今，臨界不淤流速的計(jì)算大多采用輸漿體管道臨界不淤流速的計(jì)算公式，而輸漿體管道的含沙量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸渾水管道中的含沙量，因此，在輸渾水管道灌溉中采用輸漿體的臨界不淤流速公式計(jì)算臨界不淤流速缺乏可靠性。本研究主要是通過(guò)對(duì)低壓輸渾水管道在不同含沙量下的臨界不淤流速的試驗(yàn)研究，同時(shí)參考輸漿體管道的臨界不淤流速的計(jì)算公式，求得更適合計(jì)算低壓輸渾水管道的臨界不淤流速的經(jīng)驗(yàn)公式。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1．1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要包括蓄水池、攪拌池、水泵、渾水管道系統(tǒng)、測(cè)壓管、電磁流量計(jì)、透明有機(jī)玻璃觀測(cè)管、管道系統(tǒng)（聚氯乙烯硬塑料管）等。系統(tǒng)管道總長(zhǎng)為50m，管道外徑為200mm，管壁厚5mm。

1．2 試驗(yàn)方法

采用試驗(yàn)水力學(xué)原型觀測(cè)法，流量采用電磁流量計(jì)測(cè)定，阻力損失用測(cè)壓管觀測(cè)，臨界不淤流速采用目測(cè)透明有機(jī)玻璃管段進(jìn)行判斷。試驗(yàn)在同一泥沙粒徑級(jí)配及不同含沙量組合下，使進(jìn)口流速分別由大變小和由小變大變化，通過(guò)觀測(cè)法判斷泥沙不淤積的臨界狀態(tài)，測(cè)出臨界狀態(tài)的流量和測(cè)壓管水頭，結(jié)合2種情況試驗(yàn)結(jié)果確定臨界不淤流速值。

圖1 管道輸渾水試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig．1The schemes of experimental system about muddy water pipe

2 結(jié)果與分析

2．1 試驗(yàn)沙洋測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)沙樣為天然河沙，其粒徑級(jí)配分析結(jié)果見(jiàn)圖2，中值粒徑d50＝0．15mm。

根據(jù)我國(guó)西北地區(qū)以多泥沙河流為水源的渠灌區(qū)運(yùn)行實(shí)際，共設(shè)計(jì)進(jìn)行了16組不同含沙量試驗(yàn)，含沙量變化范圍為0．185～6．852kg／m3。試驗(yàn)不同處理水樣的實(shí)際物理性狀見(jiàn)表1，其中水體積質(zhì)量為1000kg／m3，泥沙體積質(zhì)量為2．65×103kg／m3。

圖2 泥沙顆粒級(jí)配圖Fig．2The size gradation of sedment

表1 渾水水樣物理性狀Tab．1The physical properties of muddy water samples

2．2 臨界不淤流速判別

為了防止在渾水低壓管道輸水過(guò)程中因泥沙沉積而造成管道的淤堵，便提出了臨界不淤流速的概念，然而對(duì)于臨界不淤流速的定義，卻不盡相同。高桂仙等［6］的觀點(diǎn)是泥沙開(kāi)始出現(xiàn)落淤時(shí)，管中斷面的平均流速就是臨界不淤流速；周維博等［7］的觀點(diǎn)是保證含沙水流所挾帶的泥沙能夠穩(wěn)定地隨水流輸運(yùn)而不在管道中淤積時(shí)的管道水流最低的平均流速稱為臨界不淤流速；何武全［8］、張英普［9］等的觀點(diǎn)是管道中泥沙出現(xiàn)明顯推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的斷面平均流速稱為臨界不淤流速。通過(guò)試驗(yàn)研究，筆者認(rèn)為當(dāng)管道中泥沙在管底呈線形較慢推移前進(jìn)而未出現(xiàn)成堆淤積時(shí)，管中斷面的平均流速為臨界不淤流速。

2．3 臨界不淤流速測(cè)定方法

臨界測(cè)定不淤流速主要有3種方法，分別如下：

1）觀測(cè)法。通過(guò)一直段透明有機(jī)玻璃管道觀測(cè)渾水泥沙沉降淤積情況，根據(jù)臨界不淤流速定義判定出現(xiàn)臨界不淤狀態(tài)，通過(guò)測(cè)定流量從而求出臨界不淤流速。

2）電測(cè)法。利用渾水中導(dǎo)電物質(zhì)測(cè)定其電導(dǎo)率的變化率。在含沙量一定情況下，當(dāng)泥沙沒(méi)有明顯沉降時(shí)，電導(dǎo)率不會(huì)隨著斷面平均流速增大而變化；當(dāng)泥沙有明顯沉降時(shí)，渾水中導(dǎo)電物質(zhì)發(fā)生明顯變化，其電導(dǎo)率也會(huì)發(fā)生明顯變化。此方法比較準(zhǔn)確，可以精確判定臨界不淤流速，精度比較高。

3）圖解法。根據(jù)渾水阻力損失試驗(yàn)結(jié)果繪制出渾水水力坡降與斷面平均流速之間關(guān)系曲線，曲線最小值對(duì)應(yīng)的斷面平均流速即為臨界不淤流速。

以上3種方法，目測(cè)法比較直觀，可以直觀觀測(cè)泥沙在管道中的運(yùn)動(dòng)形式，特別是泥沙的淤積過(guò)程，但人為因素影響大；電測(cè)法比較準(zhǔn)確，可以精確判定臨界不淤流速，精度高，但渾水導(dǎo)電率變化范圍較小，不易確定；圖解法可以驗(yàn)證其它兩種方法，實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中可以3種方法都采用，互相驗(yàn)證所判斷的臨界不淤流速是否準(zhǔn)確。

2．4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)研究主要通過(guò)觀測(cè)法，透過(guò)一直段透明有機(jī)玻璃管，利用變頻設(shè)備調(diào)節(jié)管道中的流速，觀察在不同含沙量下渾水泥沙沉降淤積情況，根據(jù)上述臨界不淤流速的定義判定出現(xiàn)臨界不淤狀態(tài)，最終通過(guò)測(cè)定流量從而求出臨界不淤流速，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

從圖3及試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泥沙開(kāi)始出現(xiàn)沉積時(shí)，泥沙顆?？偸怯纱蟮叫∠群蟪练e，然后逐漸成線形沉積，最終成堆淤積在管底；含沙量對(duì)于臨界不淤流速具有一定的影響，即在同一種管徑和泥沙容重條件下，臨界不淤流速隨著含沙量的增大而增大，但臨界不淤流速并不是隨著含沙量的增大而一直增大，當(dāng)含沙量達(dá)到一定程度時(shí)，臨界不淤流速增大趨勢(shì)開(kāi)始趨于平緩，即臨界不淤流速隨著含沙量增大，其增大的趨勢(shì)逐漸減小。

圖3 含沙量與臨界不淤流速關(guān)系曲線Fig．3Relationship between silt content andnon－depositing critical velocity

3 臨界不淤流速經(jīng)驗(yàn)公式的建立

式（1）中：vs為臨界不淤流速（m／s）；g 為重力加速度；Sv為體積比含沙量（L／m3）；ρs為泥沙密度（g／cm3）；D 為管徑（m）；ω為泥沙自由沉降速度（m／s），取d50對(duì)應(yīng)沉降速度；ρ為水的密度（g／cm3）。

將獲得的臨界不淤流速經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，兩者符合較好，公式相關(guān)系數(shù)R2＝0．95，擬合度較高，完全可以用于實(shí)際計(jì)算。

結(jié)合已有的試驗(yàn)資料和研究成果，低壓輸水管道的臨界不淤流速的影響因素主要有輸水管徑的大小、泥沙密度及含沙量等。通過(guò)回歸性分析，并參考杜蘭德公式和舒克公式［10－11］，可得出低壓輸渾水管道臨界不淤流速的經(jīng)驗(yàn)公式為：

圖4 臨界不淤流速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Comparison between calculated value and actual measureddata of non－depositing critical velocity

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)低壓輸渾水管道臨界不淤流速進(jìn)行了研究，并根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象重新定義了低壓輸渾水管道的臨界不淤流速。

2）雖然低壓輸水管道所能承受的壓力范圍較小，但與前人相比，本試驗(yàn)采用的管徑較大，其壓力范圍也相應(yīng)的得以擴(kuò)大，可以得到更大范圍的臨界不淤流速，結(jié)果所得的規(guī)律性更加明顯和準(zhǔn)確。

3）經(jīng)過(guò)對(duì)所得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出了泥沙含量對(duì)臨界不淤流速的影響規(guī)律，并給出了臨界不淤流速的經(jīng)驗(yàn)公式。通過(guò)比較所得到的臨界不淤流速經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，該公式精度較高，完全可以用于實(shí)際計(jì)算，從而為低壓輸渾水管道設(shè)計(jì)中臨界不淤流速的計(jì)算提供重要參考。

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［7］周維博，黨育宏．低壓管灌系統(tǒng)渠管聯(lián)接的方式及不淤流速的確定［C］／／中國(guó)水利學(xué)會(huì)信用專業(yè)委員會(huì)．第三次全國(guó)低壓管道輸水灌溉技術(shù)研討會(huì)論文集．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，1994：101－103．

［8］何武全，王玉寶，張英普，等．渾水低壓管道輸水灌溉的試驗(yàn)，沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)［J］．2007，38（1）：98－101．

［9］張英普，何武全，蔡明科，等．關(guān)于渾水管道輸水系統(tǒng)臨界不淤流速的試驗(yàn)研究，灌溉排水學(xué)報(bào)［J］．2004，23（6）：34－36．

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