平原型水庫(kù)泥沙清淤試驗(yàn)研究

閏振峰 蔣思奇 李昆鵬 王遠(yuǎn)見(jiàn) 李濤 李新杰

摘要：為研究平原型水庫(kù)泥沙清淤試驗(yàn)的效果，同時(shí)進(jìn)行平原型水庫(kù)清淤試驗(yàn)排沙效率和經(jīng)濟(jì)性的定量分析，以西霞院水庫(kù)清淤試驗(yàn)為例，針對(duì)輸沙管道南岸過(guò)壩方案，分析了平原型水庫(kù)泥沙清淤試驗(yàn)中不同工況下的泥沙運(yùn)動(dòng)形式、實(shí)測(cè)阻力及輸移泥沙懸浮情況等，分析計(jì)算了各種工況下輸沙耗水率及試驗(yàn)清淤成本。結(jié)果表明：平均含沙量越大，排沙耗水率越低，最低耗水率為3.53，清淤成本約為52.28元/m³。

關(guān)鍵詞：試驗(yàn);泥沙;清淤;平原型水庫(kù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV145

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.01. 004

平原水庫(kù)是相對(duì)于山丘區(qū)水庫(kù)而言的，一般位于大江、大河下游的沖積平原地區(qū)，我國(guó)松嫩平原、遼河平原、黃淮海平原及內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)修筑有大量的平原水庫(kù)[1]。平原水庫(kù)緩解了水資源嚴(yán)重匱乏地區(qū)的供需矛盾，彌補(bǔ)了枯水期農(nóng)業(yè)灌溉引水的不足，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了可靠的水源，改善了周?chē)鷳B(tài)環(huán)境，調(diào)節(jié)了區(qū)域小氣候。作為制約平原水庫(kù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮的主要因素之一，庫(kù)區(qū)泥沙淤積問(wèn)題已經(jīng)日益突出，如新疆已建成的500余座水庫(kù)中大部分是平原水庫(kù)，有些水庫(kù)已淤庫(kù)容在50%以上，有的已淤滿失效，全區(qū)總淤積量已達(dá)11億m³[2]。崔淑霞[3]分析了高含沙黃河水進(jìn)入平原水庫(kù)庫(kù)區(qū)造成的淤積問(wèn)題，提出了擴(kuò)建沉沙工程和襯砌輸水渠等解決水庫(kù)淤積的主要途徑：馬曉昱[4]通過(guò)研究新疆已建平原水庫(kù)的淤積情況及影響因素，分析了可能帶來(lái)的危害，提出了相應(yīng)的解決策略：范小軍等[5]總結(jié)了平原水庫(kù)清淤措施的研究進(jìn)展，闡述了平原水庫(kù)清淤的必要性和可行性：王世杰[6]探討了平原型水庫(kù)面臨的用水量增加和淤積等主要問(wèn)題，并對(duì)3種增容措施及效果進(jìn)行了對(duì)比研究。

目前，平原型水庫(kù)泥沙清淤研究大多集中于理論分析探討或局限于泥沙清淤本身，對(duì)清淤方案評(píng)價(jià)、清淤效果的分析研究較少。基于此，筆者選取黃河干流西霞院水庫(kù)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)典型平原水庫(kù)清淤措施選擇、方案選取、方案檢驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)分析等進(jìn)行研究探討。由于西霞院庫(kù)區(qū)表層淤積泥沙的固結(jié)強(qiáng)度較低，多為較松散的淤積泥沙，因此無(wú)需破土裝置即可開(kāi)展清淤作業(yè)，且水庫(kù)清淤具有淤積層?。?～7 m）、淤積面大、水頭差小等特點(diǎn)，從淤積物的組成、分布以及水庫(kù)調(diào)度等多方面權(quán)衡考慮，采用射流沖吸式清淤技術(shù)實(shí)施水庫(kù)泥沙清淤。

1 水庫(kù)泥沙清淤試驗(yàn)

1.1 庫(kù)區(qū)基本情況

西霞院水庫(kù)位于河南省洛陽(yáng)市境內(nèi)的黃河干流上，上距小浪底水利樞紐16 km，下距花園口145 km。小浪底至西霞院區(qū)間流域面積為400 km²，無(wú)大支流匯人，河長(zhǎng)大于5 km的小支流共有7條。西霞院庫(kù)區(qū)自然河道表現(xiàn)為沿程上窄下寬，庫(kù)區(qū)河道平均比降為0.086%。距西霞院壩址約8 km的焦枝鐵路老橋以上河道較窄，寬度小于1 000 m，以下逐漸展寬到3 000～4 000 m，水流分散。

西霞院水庫(kù)校核洪水位134.75 m以下總庫(kù)容為1.62億m³.水庫(kù)正常蓄水位134.00 m以下庫(kù)容為1.45億m³，沖淤平衡時(shí)庫(kù)容為0.452億m³，庫(kù)水位131.00～134.00 m之間的反調(diào)節(jié)庫(kù)容為0.332億m³。據(jù)小浪底水文站1919-1998年實(shí)測(cè)資料系列統(tǒng)計(jì)，多年平均輸沙量為13.25億t，多年平均含沙量為33.4 kg/m³。截至2016年汛前，西霞院水庫(kù)累計(jì)淤積0.203 2億m3，年均淤積量254萬(wàn)m³，其中2010年淤積量最大，為0.164 7億m3，2009年、2011年、2015年度淤積量較小。

1.2 清淤試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)?zāi)康募安贾?/p>

（1）試驗(yàn)?zāi)康摹Ｍㄟ^(guò)西霞院水庫(kù)庫(kù)區(qū)局部的清淤試驗(yàn)來(lái)遏制水庫(kù)的淤積趨勢(shì)，改善泥沙淤積部位，這既是解決平原型水庫(kù)泥沙淤積問(wèn)題最直接有效的途徑，也是充分發(fā)揮平原型水庫(kù)功能、維護(hù)河流健康的重大需求。研究不同工況下水庫(kù)泥沙清淤效果，作為水庫(kù)泥沙處理的“落腳點(diǎn)”，可為后續(xù)清淤提供可靠的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

（2）試驗(yàn)線路布置及監(jiān)測(cè)。在掌握西霞院水庫(kù)來(lái)水來(lái)沙和庫(kù)區(qū)淤積規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)泥沙起懸、輸送等配套設(shè)備進(jìn)行選型、優(yōu)化與集成，提出水庫(kù)泥沙處理方案，確定出庫(kù)方式、實(shí)施區(qū)域、時(shí)機(jī)、工程布置、作業(yè)路線、清淤規(guī)模等。綜合考慮不同庫(kù)段邊界條件、泥沙組成及清淤要求，選擇泥沙利用方式、方法及相應(yīng)的泥沙利用技術(shù)，提出西霞院水庫(kù)泥沙處理與利用聯(lián)合技術(shù)示范方案。

試驗(yàn)采用輸沙管道南岸過(guò)壩方案（見(jiàn)圖1），而水面管道輸送從南岸清淤作業(yè)區(qū)到右導(dǎo)墻南20 m與大壩壩頂相交處，距離約為1.0 km;陸地管道輸送沿右導(dǎo)墻與大壩壩頂相交處過(guò)壩，之后沿大壩壩后坡面、西霞院右岸景區(qū)道路、黃河南岸護(hù)堤鋪設(shè)管道，陸地管道長(zhǎng)度約為1.6 km。排沙管道公稱直徑為219 mm，每節(jié)管道長(zhǎng)6m.水上每節(jié)管道間用專(zhuān)用的1.5 m長(zhǎng)橡膠軟管連接。

為研究不同流速下管道輸送阻力與對(duì)應(yīng)的輸送濃度之間的關(guān)系、輸送系統(tǒng)實(shí)際消耗功率與輸送效率，本次試驗(yàn)在管道輸送時(shí)布控了壓力與流量測(cè)試，漿體中的泥沙含量測(cè)試以及電壓、電流測(cè)試。

1.2.2 試驗(yàn)工況

為試驗(yàn)不同工況的抽沙效果，水泵采用皮帶傳動(dòng)，水泵有3種直徑的皮帶輪，通過(guò)改變水泵皮帶輪直徑改變泵的轉(zhuǎn)速，獲得不同的輸送速度和不同的抽沙效果。試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

西霞院庫(kù)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)抽沙試驗(yàn)平臺(tái)裝置具備200PN -35型臥式砂泵配90KW-4P電機(jī)以及200ZE-45型砂泵配110KW-4P電機(jī)的單泵及雙泵串聯(lián)條件。不同流量級(jí)下管道輸送試驗(yàn)的測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括流量、含沙量和管道沿程壓力。

2 方案檢驗(yàn)

由于泥漿泵從河底抽取的泥漿濃度具有隨機(jī)性，測(cè)點(diǎn)的含沙量也不穩(wěn)定，因此將每個(gè)斷面上、中、下3個(gè)測(cè)點(diǎn)的含沙量均值作為該斷面的含沙量，進(jìn)出口含沙量的均值作為這組試驗(yàn)的含沙量。根據(jù)7種試驗(yàn)工況對(duì)實(shí)測(cè)含沙量進(jìn)行分析，結(jié)果表明：每個(gè)斷面上、中、下3個(gè)測(cè)點(diǎn)的含沙量均很不穩(wěn)定：實(shí)測(cè)含沙量85%以上小于100 kg/m³;每種工況含沙量變化范圍為4.4～342.6 kg/m³（工況1于2016年10月11日9時(shí)試驗(yàn)開(kāi)始，出口處斷面11時(shí)30分的平均含沙量為4.4 kg/m3.工況4于2016年10月26日9時(shí)試驗(yàn)開(kāi)始，出口處斷面11時(shí)50分的平均含沙量出現(xiàn)最大值342.6kg/m³）;各工況下出口的實(shí)測(cè)平均含沙量均小于進(jìn)口的;除了工況4，其余各工況出口的實(shí)測(cè)最大含沙量均小于進(jìn)口的;隨著流量增大，所測(cè)平均含沙量呈增大趨勢(shì)，最大含沙量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

2.1 運(yùn)動(dòng)形式分析

為研究管道泥沙輸送中的沖淤情況，分析了7種工況下的排沙比和懸浮指數(shù)。根據(jù)實(shí)測(cè)含沙量和流量資料，計(jì)算管道進(jìn)口和出口相同時(shí)段內(nèi)的輸沙量，以出口與進(jìn)口單位時(shí)間的輸沙量之比作為管道排沙比，整體上分析管道內(nèi)是否有淤積形成。以工況1和工況5為例，管道進(jìn)口到出口間隔2 400 m.流量300 m³/h時(shí)流速為1.80 m/s.泥沙漿體從進(jìn)口到出口的運(yùn)行時(shí)間為23 min.所以采用出口延遲23 min的含沙量：流量250 m³/h時(shí)流速為2.07 m/s.泥沙漿體從進(jìn)口到出口的運(yùn)行時(shí)間為20 min.所以采用出口延遲20 min的含沙量。根據(jù)含沙量垂線分布規(guī)律，本文采用的泥沙懸浮指數(shù)公式為

z=ω/kU*

式中：ω為顆粒沉速，m/s;，k為卡門(mén)常數(shù)，取0.4;U*為摩阻流速，m/s。

Z大于5時(shí)泥沙顆粒發(fā)生推移運(yùn)動(dòng)，Z小于0.1時(shí)泥沙顆粒發(fā)生懸移運(yùn)動(dòng)。表2中排沙比均接近1，考慮試驗(yàn)測(cè)量取樣存在誤差，并且分析顆粒級(jí)配時(shí)可以看出出口處的顆粒級(jí)配并沒(méi)有發(fā)生明顯的細(xì)化現(xiàn)象，在試驗(yàn)完畢后拆卸管道過(guò)程中也未發(fā)現(xiàn)泥沙殘留的現(xiàn)象，故認(rèn)為7種工況均未發(fā)生淤積，進(jìn)口和出口排沙平衡。同時(shí)，7種工況的懸浮指數(shù)均小于0.1，說(shuō)明7種工況下泥沙均為懸移運(yùn)動(dòng)，這進(jìn)一步驗(yàn)證了管道中沒(méi)有發(fā)生淤積。

2.2 實(shí)測(cè)阻力分析

工況1～工況5布設(shè)了4個(gè)壓力觀測(cè)斷面，工況6和工況7中增加了壩前壓力測(cè)量斷面。在流量相差不大時(shí)，不同含沙量渾水在出口斷面的壓力值均相同，但是工況5、工況6、工況7流量相對(duì)較大時(shí)，出口斷面的壓力值也相對(duì)較大，這與不同濃度下沿程阻力不同這一規(guī)律不符，造成這種現(xiàn)象的原因可能是出口斷面趨于明流，與其他位置的有壓管流之間存在根本區(qū)別，因此在進(jìn)行水力坡降計(jì)算時(shí)不將出口斷面的壓力值納入計(jì)算中。

根據(jù)達(dá)西一韋斯巴赫公式計(jì)算沿程阻力系數(shù)：式中：A為沿程阻力系數(shù);L為管道長(zhǎng)度，m，d為管道直徑，m;v為平均流速，m/s;g為重力加速度，

從表3可以看出，流量為200～ 230 m³/h時(shí)，阻力系數(shù)隨含沙量的增大而減?。毫髁繛?40～250 m³/h時(shí)，阻力系數(shù)隨著含沙量的增大變化不大：當(dāng)流量達(dá)到300 m³/h時(shí)，隨著含沙量的增大，阻力系數(shù)達(dá)到1.97;而流量為300—330 m³/h時(shí)，隨著含沙量的增大，阻力系數(shù)又保持基本穩(wěn)定。這說(shuō)明當(dāng)流量大于某一值時(shí)，阻力坡降隨含沙量增大會(huì)先減小后增大，因此存在一個(gè)臨界值使阻力損失最小，當(dāng)流量超過(guò)這一臨界值時(shí)，含沙量的持續(xù)增大會(huì)加劇固體顆粒的相互碰撞，從而導(dǎo)致碰撞消耗的能量加大，阻力損失加大。

2.3 臨界不淤流速與試驗(yàn)流速

過(guò)去有關(guān)學(xué)者針對(duì)臨界不淤流速進(jìn)行了大量試驗(yàn)，分析了影響臨界不淤流速的因素，認(rèn)為臨界不淤流速與管徑的1/3～1/4次方成正比，與固體顆粒容重和組成有關(guān)，特別是粗顆粒直徑大小及含量有關(guān)，另外還與含沙量有關(guān)，并推導(dǎo)了不同的臨界不淤流速計(jì)算公式，但計(jì)算精度都不是太高，原因是固體的濃度及固體顆粒組成太復(fù)雜。在沒(méi)有更好的公式以前，本文采用文獻(xiàn)[7]中的公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

臨界不淤流速是管道輸送流速的設(shè)計(jì)依據(jù)，若管道設(shè)計(jì)輸送流速太大，則阻力損失大，輸送能耗高，另外固體顆粒對(duì)管道磨蝕也更嚴(yán)重：若管道輸送流速太小，則固體顆?？赡懿粫?huì)懸浮起來(lái)，甚至?xí)a(chǎn)生淤積，造成管道堵塞。因此，管道設(shè)計(jì)輸送流速一定要大于管道臨界不淤流速，實(shí)際工作流速一般取臨界不淤流速的1.15倍，或者比臨界不淤流速大0.2 m/s。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)工況分析

7種工況下實(shí)測(cè)含沙量顯示，相對(duì)單泵（200PN -35型.200ZE-45型）條件，雙泵串聯(lián)條件（工況6和工況7）下由于抽沙動(dòng)力更大、持續(xù)性更強(qiáng)，因此平均含沙量與最大含沙量都較大，其中工況7的平均含沙量和最大含沙量均最大，分別為147、343 kg/m³，見(jiàn)表5。

3.2 排沙效率分析

根據(jù)實(shí)測(cè)的含沙量和流量資料，計(jì)算管道進(jìn)口和管道出口相同時(shí)段內(nèi)的輸沙量，以出口與進(jìn)口單位時(shí)間的輸沙量之比作為管道排沙比，見(jiàn)表6。根據(jù)各工況實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算不同輸沙量相應(yīng)的耗水量，進(jìn)而計(jì)算排沙耗水量，結(jié)果顯示平均含沙量越大，排沙耗水率越低。7種工況中，雙泵串聯(lián)條件下的工況7排沙耗水率最小，為3.53，遠(yuǎn)低于其余6種工況。

3.3 清淤成本分析

根據(jù)西霞院水庫(kù)泥沙清淤試驗(yàn)生產(chǎn)成本統(tǒng)計(jì)，抽沙固定資產(chǎn)包括抽沙平臺(tái)建造、抽沙管道及浮筒加工、抽沙平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)組裝、浮筒組裝及水上管道布設(shè)、岸上管道布設(shè)、拆卸等，固定成本計(jì)算其折舊額Cg，本次清淤試驗(yàn)計(jì)算為7.56萬(wàn)元;變動(dòng)成本中抽沙運(yùn)行費(fèi)用Cb包括生產(chǎn)占地費(fèi)用、人工費(fèi)用、水電費(fèi)用及稅費(fèi)等，合計(jì)15元/m³。通過(guò)計(jì)算，本次清淤2 000 m3泥沙的生產(chǎn)成本為C=Cg+CbX =7.56+0.001Sx2 000=10.56萬(wàn)元，即清淤1m³泥沙的生產(chǎn)成本為52.8兀。考慮到固定成本計(jì)算其折舊額不變，要想降低清淤生產(chǎn)成本，就要對(duì)抽沙運(yùn)行管理方案進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）雙泵串聯(lián)且流量為330 m³/I1條件下的平均含沙量和最大含沙量都最大，排沙耗水率較低，最低耗水率為3.53。

（2）本次試驗(yàn)僅清淤泥沙2 000 m³，下一步的試驗(yàn)需要優(yōu)化抽沙運(yùn)行管理方案，來(lái)檢驗(yàn)清淤效果和排沙效率的持續(xù)性，以達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。另外，本次試驗(yàn)中輸沙管道公稱直徑為219 mm.以后需要對(duì)多種大直徑管道輸沙情況進(jìn)行研究，以滿足更廣范圍的水庫(kù)清淤要求。

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