小浪底水庫泥沙管道高效輸送的合理參數(shù)分析

曾杉+秦毅+李時

摘要：針對管路中沿程實時變化的含沙量和顆粒級配情況，借鑒以往的研究成果，從管路中泥沙的沖淤變化、懸浮特性等多角度分析確定了管道輸送泥沙的臨界不淤流速；并采用實測值與模型計算值對比擬合的方法，確定了用費祥俊的臨界不淤流速計算模型來分析本次管道輸送的臨界不淤流速；最后，以理論與實踐結(jié)合提出小浪底水庫泥沙管道高效輸送的管徑和含沙量，為今后試驗或生產(chǎn)實踐提供參考依據(jù)。提出了管徑為0.325 m和0.63 m兩種不同工況的高效輸送參數(shù)：含沙量均為620 kg/m³，中值粒徑范圍0.0512～0.062 9 mm，D₉₀為0.14 mm，輸送流速分別可在1.75～2.08 m/s和2.08～2.2 m/s之間進行調(diào)節(jié)。對應(yīng)最大月排沙量分別為8.95萬t和34.72萬t。關(guān)鍵詞：水庫泥沙；管道輸送；臨界不淤流速；高效輸沙

中圖分類號：TV145；TV134 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0156-08

1研究意義及研究現(xiàn)狀

小浪底水利樞紐工程位于黃河中游最后一個峽谷河段，控制黃河流域98%以上的泥沙來量。然而小浪底水庫“淤粗排細(xì)”設(shè)計沒有很好實現(xiàn)，粗顆粒泥沙大量淤積在庫尾，較細(xì)的泥沙則淤積在壩前，而且淤積也不是完全按照初步設(shè)計發(fā)展，非常不利于水庫總庫容的利用和水庫異重流排沙，尤其是隨著水庫運用逐步進入攔沙后期，這一問題將越來越突出嚴(yán)重。為解決這一問題，河南河務(wù)局經(jīng)過多年實踐研究，提出了“遠(yuǎn)距離管道輸沙”的水庫清淤方法。其基本思想是：利用水泵噴射系統(tǒng)搗碎庫底泥沙使其懸浮，再用管道輸送到庫外。根據(jù)遠(yuǎn)距離管道輸沙的設(shè)想，河南河務(wù)局設(shè)計了水庫庫區(qū)輸沙裝置并在小浪底庫區(qū)進行現(xiàn)場水上試驗。管道輸沙最主要的兩個參數(shù)是阻力與不淤流速。本文主要基于該試驗，利用現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析泥沙管道輸送的臨界不淤流速，并根據(jù)現(xiàn)場實踐，從理論上提出管道高效輸沙的合理參數(shù)。

近幾十年來，對于臨界不淤流速的研究，國內(nèi)外的眾多學(xué)者都進行了相關(guān)的工作，獲得了一系列有價值的研究成果。但至今為止，對臨界流速的定義不盡相同。Durnad所使用的是管道底部剛剛出現(xiàn)固體顆粒淤積時的流速——極限淤積流速。國內(nèi)的一些研究學(xué)者包括費祥俊、張興榮、王紹周等使用的“臨界不淤流速”，是指顆粒由懸浮的狀態(tài)過渡為在床面滑動或滾動時的流速。管道水力輸送固體物質(zhì)的理論比較復(fù)雜，多數(shù)的研究都是以試驗的方法為基礎(chǔ)的。由于試驗方法的區(qū)別，試驗條件各有不同，觀察角度的各異，觀測誤差和試驗儀器產(chǎn)生的誤差，數(shù)據(jù)處理方法的區(qū)別，導(dǎo)致各研究者提出了各自的經(jīng)驗或半經(jīng)驗性的公式，但同一條件下采用不同的公式計算，其結(jié)果差異很大，甚至?xí)霈F(xiàn)完全相反的變化規(guī)律。因此如何確定臨界不淤流速仍然是值得探討的問題。

與以往試驗研究不同的是本次試驗是在小浪底庫區(qū)現(xiàn)場水上進行的，由于條件限制，缺乏泥漿混配裝置，所以管道輸送泥沙時管路中的含沙量和粒徑是隨機變化的。另外，試驗數(shù)據(jù)的采集比較困難，從而導(dǎo)致了數(shù)據(jù)樣本較少。因此這里借鑒已有成果，多角度分析，綜合考慮，合理選取的方法，應(yīng)對復(fù)雜的試驗條件，分析確定小浪底水庫泥沙管道輸送的不淤流速及高效輸送的合理參數(shù)，以供今后的試驗或生產(chǎn)實踐參考。

2試驗裝備與試驗資料的獲取

2.1裝備與試驗

通過分析小浪底庫區(qū)不同區(qū)域泥沙淤積特點和規(guī)律，庫區(qū)抽沙試驗地點選擇在距離壩址約40 km處。圖1為抽排沙示意圖。水上試驗作業(yè)平臺采用280 T的自動駁船，配備兩臺110 kW、抽水能力為650 m³/h、揚程48 m、抽沙體積濃度為12%～50%的LQ型渣漿泵。排沙管道采用直徑325 mm的鋼管，為緩解水上的風(fēng)力擺動的影響，每6 m長的鋼管之間用325 mm×1.2 m軟管連接。管道總長度為980m，排沙鋼管由自制浮筒支撐浮于水面如圖2所示。

2.2資料的獲取

為得到整個管路中壓力、含沙量和顆粒級配的縱向變化情況，特別是軟硬管交接處的壓力變化，試驗中，沿管道長度方向共布設(shè)7個測驗斷面，記第1個斷面的起點距為0m，其它2至7斷面起點距分別為25 m，35 m，515 m，525 m，535 m，965 m。為避免測沙取樣對壓力測量的影響，測壓斷面與含沙量取樣斷面以1.5 m的距離分開。每個含沙量取樣斷面分布有上、中、下三個取樣點，以便觀察泥沙的垂向分布。以壓力計測壓，重量置換法測定含沙量；在入口斷面前布設(shè)一臺DN 300電磁流量計，測量流量。

本次試驗主要測量了950 m3/h（雙泵）和620m³/h（單泵）兩個流量量級下的渾水輸送水沙要素的變化（見表1），同時為了與輸送清水情況比較，還分別測量了兩個流量級下輸送清水的沿程壓力變化。

經(jīng)比較，兩個流量級下輸送的月排沙量和輸送距離相差不大，但大流量下阻力損失相對較大，所以本文只具體分析了單泵工況下的試驗情況（如表1）。圖3為泥漿泵從河底抽取的泥漿濃度變化圖，圖4為各含沙量級所占百分比，圖5為以第1、7斷面為例的顆粒級配變化圖。

由圖3、圖4可知，本次試驗的含沙量和顆粒級配是隨機變化的，所以在分析計算時，將7個斷面所測中值粒徑和含沙量的均值分別作為小組試驗的中值粒徑和含沙量。單泵情況下，共做了三組壓力試驗，各組試驗的沿程壓力變化如圖6，可見軟管對壓力的影響很小。

3試驗臨界不淤流速分析

臨界不淤流速是管道輸沙的一個重要參數(shù)，它表示含沙水流在管道中輸送時不出現(xiàn)沉積物所需要的最小平均輸送流速。含沙水流在管道中輸送是否發(fā)生淤積可以通過泥沙的運動形式來判斷。不淤流速的主要影響因素有固體顆粒密度、輸送管徑、粒徑以及漿體濃度。下文結(jié)合這幾個方面來分析確定泥漿管道輸送的不淤流速。

3.1試驗管道中泥沙的沖淤分析

管道輸送中泥沙的沖淤情況可以從泥沙的運動形式進行判定。固體顆粒在水流中的運動模式大體可分為三類，即推移運動、懸移以及中性懸浮運動。推移運動時顆粒貼著管壁滑動，由于管道底部粗糙不平，很可能造成淤積，懸移運動時顆粒脫離管壁運動，不容易發(fā)生淤積，而中性懸浮只有在含沙量很高時才有可能出現(xiàn)。針對現(xiàn)場試驗情況，本文采用了兩種方法來判定管道中泥沙輸送時的運動形式：方法一：排沙比分析（排沙比=出口輸沙量/入口輸沙量），排沙比為1則表示沒有產(chǎn)生淤積，否則就淤積；方法二：懸浮指數(shù)分析（Z=ω/KU*；Z為懸浮指數(shù)；ω為沉速（m/s）；K為卡門常數(shù)，取0.4；U為摩阻流速（m/s）），懸浮指數(shù)小于0.1則表示泥沙顆粒運動形式為懸移，大于5表示泥沙顆粒運動形式為推移。分析排沙比時，考慮了管道輸送所需要的時差影響。分析結(jié)果見表2。

表2中排沙比均接近于1，且分析顆粒級配時可以看出小流速時出口處的顆粒級配并沒有發(fā)生顯著的細(xì)化現(xiàn)象，考慮試驗測量取樣存在誤差，認(rèn)為三組情況均不發(fā)生淤積，進口和出口排沙平衡。同時四組的懸浮指數(shù)均小于0.1，說明四組均發(fā)生懸移運動，進一步驗證管道中沒有發(fā)生淤積。在試驗完畢后拆卸管道過程中也未發(fā)現(xiàn)存在泥沙殘留的現(xiàn)象，故認(rèn)為三組情況均不發(fā)生淤積。說明在此試驗工況下，臨界不淤流速是小于等于輸送流速2.08m/s的。

3.2確定臨界不淤流速計算公式

前面提到，許多學(xué)者根據(jù)自己的試驗得出管道輸送的不淤流速計算公式，其中最為常用的公式列于表3。本文采用實測值與公式計算值的擬合優(yōu)度確定計算公式。由于本次試驗在小浪底庫區(qū)水上進行，數(shù)據(jù)采集比較困難，所以借用丁宏達的試驗數(shù)據(jù)初步選擇計算公式。丁宏達試驗的基本參數(shù)是：管徑為315 mm，固液密度比為2.65，中值粒徑0.14mm，平均粒徑0.17 mm，與本次試驗參數(shù)：管徑325mm，固液密度比為2.65，中值粒徑0.0512～0.0629 mm相比，除粒徑外試驗條件基本相當(dāng)，只是本次試驗的泥沙中值粒徑相對較小，所以本次試驗臨界不淤流速應(yīng)該比丁宏達的實測值小。丁宏達試驗值與各公式計算值的結(jié)果列于表4和圖7。

觀察表4和圖7可知，Durnad、wasp模型中在中值粒徑確定之后，臨界不淤流速只與管徑有關(guān)，且Durnad和Wasp適用于濃度為2%～15%的漿體計算，故本次計算中無論濃度如何變化，臨界不淤流速都不改變，與實際情況相違背。相比之下，費祥俊和蔣素綺模型與丁宏達的實測數(shù)據(jù)規(guī)律更相近。即：當(dāng)粒徑和管徑一定時，隨著濃度的增加，臨界不淤流速會稍稍下降。低濃度時（體積比含沙量為12%以下），費祥俊模型比蔣素綺模型更接近丁宏達實測值。故本文可用費祥俊模型來計算臨界不淤流速，進而確定輸送流速。

3.3本次試驗輸送流速合理性分析

由表2知，本次管道試驗中，泥沙中值粒徑的范圍是0.0512 mm～0.062 9 mm（D90范圍0.107mm～0.136 mm），含沙量濃度為4.84%～10.53%，均低于12%，則可以利用費祥俊臨界不淤流速模型來計算分析在此中值粒徑范圍內(nèi)，2.08 m/s輸送流速的合理性，同時也可以檢驗費祥俊模型的合理性。為此考慮了3種粒徑工況，分別計算了不同工況下的臨界不淤流速，見表5。

觀察表5可知，不論是含沙量變化還是粒徑的變化，臨界不淤流速計算值變化并不大，且均小于輸送流速2.08 m/s，所以可以確定2.08 m/s的輸送流速是安全的。由前面分析知臨界不淤流速的范圍小于2.08 m/s，給定工況下的費祥俊公式計算值即小于2.08 m/s也均小于丁宏達實測值（大粒徑時），則證明了費祥俊模型是合理的。故可以將輸送流速2.08 m/s作為小浪底水庫管道輸沙的基本參數(shù)采用。

4高效輸送不淤流速分析

4.1高效輸送的意義與要素

本文最終目的是為了確定管道輸沙的高效輸送參數(shù)。所謂高效輸送，就是在滿足輸沙過程中不發(fā)生淤積時，一定輸送流速下輸沙量大的輸送。由前文分析可知，本次試驗中，輸送流速為2.08 m/s時，含沙量279 kg/m³（體積濃度10.53%），中值粒徑0.0512 mm時，輸沙效果最好。試驗中輸送水頭為22.44 m，若取工作時間每天8 h，每個月30 d來計算，則此條件下輸送的效率為：月排沙量4.15萬t，輸送距離為1.06 km?？梢姡藯l件的輸送效率不高，所以還要在此實驗基礎(chǔ)上繼續(xù)分析確定合理的輸送參數(shù)，達到高效輸送的目的。影響輸沙效率的重要因素包括含沙量和管徑。提高輸送含沙量或增大輸送管徑都能提高輸送效率。

4.2高效輸送管徑選擇

管徑是影響輸送效率的一個關(guān)鍵因素，理論上認(rèn)為，管徑越大，同一輸送含沙量下的輸送效率越高。除了本次試驗所用管徑為0.325 m，還調(diào)查到市場常用管徑分為0.63 m、0.92 m、1.22 m。不同管徑下輸送流量相差很大。如單泵工況下流速為2.08 m/s、管徑0.325 m時的輸送流量為620 m³/h即0.17 m³/s，若管徑為0.63 m時，輸送流量為0.65 m³/s，相當(dāng)于需要4臺泵同時工作，而管徑為0.9 m和1.22 m時則分別需要8臺與14臺泵同時工作，對于水上作業(yè)平臺而言，泵的數(shù)量越多，越難以甚至不可能實現(xiàn)，故為提高輸沙效率，合適的管徑只可能取0.63 m。四臺泵同時工作可提供的流量為0.68 m³/s，在0.63 m管徑下可提供的流速為2.21 m/s。下面主要分析0.325 m和0.63 m管徑兩種工況下，高濃度泥漿管道輸送的可行性，并確定其高效輸送的合理參數(shù)。

4.3不同管徑工況高效輸送含沙量的確定

理論上講，含沙量變化會影響到臨界不淤流速，所選含沙量下的臨界不淤流速應(yīng)小于輸送流速；另外在實際輸送中應(yīng)避免層流的輸送方式，故臨界雷諾數(shù)需大于4 000，使水流在管道中進行紊流輸送；同時還要考慮抽沙裝置的抽沙能力，由前文知本次抽沙試驗含沙量最大為622.5 kg/m³。所以高效輸送含沙量需要綜合考慮以上幾方面因素來確定。

本次實驗中的最大D₉₀為0.136 mm，為保證安全輸送，不發(fā)生淤積，現(xiàn)以輸送流速2.08 m/s，D₉₀=0.14 mm為基本參數(shù)，計算不同濃度情況時的輸送臨界雷諾數(shù)和費祥俊模型臨界不淤流速，從而選擇出最佳輸送濃度。其中，臨界雷諾數(shù)采用高含沙水流的有效雷諾數(shù)公式計算，具體如下：

綜上所述，管徑為0.325 m和0.63 m的高效輸送參數(shù)為：含沙量均為620 kg/m³，中值粒徑范圍0.0512～0.062.9 mm，Dgo最大為0.14 mm，輸送流速分別可在1.75～2 08 m/s和2.08～2.2 m/s之間進行調(diào)節(jié)。表9為計算這兩種工況輸送效率最高的計算結(jié)果。

當(dāng)管徑為0.325 m，含沙量為620 kg/m³，流速為2.08 m/s時，輸送效率最高，50 m水頭輸送距離為2.85 km，100水頭輸送距離為5.7 km，月排沙量為8.95萬t，比本次試驗最佳輸送情況的月排沙量提高了116%。當(dāng)管徑為0.63 m，含沙量為620kg/m³，流速為2.20 m/s時，輸送效率最高，50 m水頭輸送距離為4.51 km，100 m水頭輸送距離為9.01 km，月排沙量為34.72萬t，是0.325 m管徑最高效率輸送的3 88倍，同時比本次試驗最佳輸送情況的月排沙量提高了737%。

5結(jié)論

本文以小浪底水庫現(xiàn)場試驗為基礎(chǔ)，論證了水庫泥沙管道輸送是可行的，并給出了以下高效輸送的參數(shù)及輸送結(jié)果，可為以后試驗或生產(chǎn)實踐作參考。

（1）管徑為0.325 m和0.63 m的高效輸送參數(shù)為：含沙量均為620 kg/m³（自然條件適當(dāng)，抽砂泵的操作技術(shù)改進時），中值粒徑范圍0.0512～0.0629 mm，D₉₀為0.14 mm，輸送流速分別可在1.75～2.08 m/s和2.08～2.2 m/s之間進行調(diào)節(jié)。

（2）在以上輸送參數(shù)下，管徑0.325 m的最高效率輸送結(jié)果為：流速2.08 m/s，50 m水頭輸送距離為2.85 km，100 m水頭輸送距離為5.7 km，月排沙量為8.95萬t；管徑0.63 m的最高效率輸送結(jié)果為：流速2.20 m/s，50 m水頭輸送距離為4.51km，100 m水頭輸送距離為9.01 km，月排沙量為34.72萬t。