基于高效輸沙實(shí)現(xiàn)技術(shù)的淤筑村臺(tái)示范研究

蘇立志 龔西城 魯詳磊

摘 要：在黃河下游灘區(qū)村臺(tái)建設(shè)過(guò)程中，利用黃河泥沙淤筑村臺(tái)，不但能提升黃河河道的行洪能力，將黃河泥沙資源化利用，還能幫助灘區(qū)居民躲避洪災(zāi)，改善灘區(qū)居民生活條件。為利用高濃度長(zhǎng)距離輸沙通道淤筑村臺(tái)，開(kāi)展“黃河下游河道與灘區(qū)治理研究”項(xiàng)目多技術(shù)高效泥沙處置示范工程建設(shè)，在前人研究的基礎(chǔ)上，基于張紅武水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)理論體系，運(yùn)用水流挾沙力等公式計(jì)算臨界流速、阻力系數(shù)等，確定淤筑村臺(tái)工程中動(dòng)力系統(tǒng)、造漿系統(tǒng)和管道系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，構(gòu)建黃河不同粒徑泥沙的長(zhǎng)距離管道高效輸沙參數(shù)計(jì)算方法。結(jié)果表明：結(jié)合工程實(shí)際的計(jì)算結(jié)果為管道高效輸沙淤筑村臺(tái)工程的設(shè)備布設(shè)等重要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐，淤筑村臺(tái)工程良好的運(yùn)行情景說(shuō)明所選擇的管徑和輸沙濃度是合適的，明顯提高了工作效率，降低了工程成本。示范工程中泥沙水力粗度、含沙量等大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，均與前期理論計(jì)算結(jié)果頗為接近，從而在理論和實(shí)踐上都表明，對(duì)于黃河床沙中的粗沙，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離精準(zhǔn)高效的管道高濃度輸沙淤灘目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：灘區(qū)治理;村臺(tái)淤筑;管道高濃度輸沙;計(jì)算方法;黃河

Abstract：In the process of village platform construction in the lower Yellow River beach area， using the Yellow River sediment to build village platform can not only improve the flood carrying capacity of the Yellow River channel， utilize the Yellow River sediment resources， but also enable the beach area residents to avoid the flood disaster and improve the living and travel conditions of the beach area residents. In order to construct a high concentration and long-distance sediment transport channel， the multi-technology and high-efficiency sediment disposal demonstration project of “research on river channel and beach area treatment of the lower Yellow River” has been carried out. On the basis of previous studies， based on Zhang Hongwus hydraulics and river dynamics theory system， this paper calculated the critical velocity and resistance coefficient by using the sediment carrying capacity formula， the key technical parameters of the power system， slurry making system and pipeline system in the village platform construction through siltation and constructed a long-distance pipeline high-efficiency sediment transport meter to realize different coarse and fine sediment calculation methods. Combined with the engineering practice， the calculation results provide technical support for the design of equipment layout and other important links of the Yellow River pipeline high-efficiency sediment transport and silting construction project. The smoothly operation situation of the silted village platform project shows that the selected pipe diameter and sediment concentration are appropriate， which significantly improves the work efficiency and saves the project cost. A large number of measured data， such as hydraulic roughness and sediment concentration are quite close to the previous theoretical calculation results. Therefore， it can be shown in theory and engineering that for the coarse sediment in the Yellow River bed sediment can achieve the goal of long-distance accurate and efficient pipeline high concentration sediment transport and siltation. It can provide theoretical basis for efficient sediment transport and silting up the downstream beach area of the Yellow River and provide reliable technology for improving the wide beach river morphology of the Lower Yellow River.

Key words： beach treatment; silted village platform; pipeline sediment transport; calculation method; Yellow River

1 引 言

1.1 研究背景

近些年來(lái)，國(guó)家把脫貧攻堅(jiān)作為頭等大事，而黃河灘區(qū)居民的脫貧工作是其中“最難啃的硬骨頭”。解決黃河灘區(qū)脫貧問(wèn)題，首先應(yīng)解決安居問(wèn)題，這是灘區(qū)居民最迫切的愿望，也是灘區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本條件[1]。國(guó)務(wù)院批復(fù)的《黃河流域防洪規(guī)劃》和《黃河流域綜合規(guī)劃（2012—2030年）》提出，灘區(qū)安全建設(shè)采取“村臺(tái)安置”和“外遷安置”兩種方式。根據(jù)國(guó)家有關(guān)要求，結(jié)合東明灘區(qū)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，地方政府提出就地修筑避水村臺(tái)，將群眾遷建安置在村臺(tái)頂部，將黃河灘區(qū)的村臺(tái)建設(shè)當(dāng)成灘區(qū)居民脫貧攻堅(jiān)的重要途徑。

黃河作為多沙河流，泥沙嚴(yán)重淤積一直是黃河治理的棘手問(wèn)題。隨著人類對(duì)生態(tài)環(huán)境整治和水沙資源利用的意識(shí)逐步提高，通過(guò)開(kāi)辟利用途徑和革新技術(shù)手段，一定程度上將災(zāi)害性泥沙轉(zhuǎn)化成資源性泥沙[2]。如果將大量泥沙用來(lái)淤筑村臺(tái)[1]，不但能提升黃河河道的行洪能力，將黃河泥沙資源化利用，還能幫助灘區(qū)居民躲避洪災(zāi)，改善灘區(qū)居民生活條件。根據(jù)多年來(lái)黃河大堤淤背經(jīng)驗(yàn)，村臺(tái)填筑工程可以采用管道遠(yuǎn)距離輸沙技術(shù)將泥沙從河道轉(zhuǎn)移到指定地點(diǎn)淤筑村臺(tái)。管道輸沙技術(shù)具有無(wú)污染、作業(yè)不受天氣情況影響、輸送量大等優(yōu)點(diǎn)，已在國(guó)內(nèi)外較多工程中得以應(yīng)用。

按照“就近安置、節(jié)約土地、便于群眾生產(chǎn)生活”的原則，在黃河灘區(qū)采取淤筑“大村臺(tái)”安居工程這種脫貧安置方式，具有工程量大與施工難度大等特點(diǎn)[1]，需要前期通過(guò)理論計(jì)算管道輸沙距離，確定采沙點(diǎn)和設(shè)備布局，以節(jié)約人力物力、縮短工期。

鑒于黃河泥沙問(wèn)題的復(fù)雜性[3]，仍有較多關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題亟待解決。“黃河下游河道與灘區(qū)治理研究”作為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，必須針對(duì)未來(lái)黃河面臨的河道與灘區(qū)治理難題開(kāi)展研究，提供重要的科技支撐，并打造示范性工程[4]。本文研究?jī)?nèi)容屬于其中的課題7“黃河下游河勢(shì)控制與灘區(qū)治理示范工程”之第4專題“泥沙高效處置工程示范建設(shè)”的工作范疇，需要在課題5“黃河下游灘區(qū)功能約束及其良性治理體系”將集漿器組合系統(tǒng)中管道輸沙技術(shù)升級(jí)為長(zhǎng)距離精準(zhǔn)高效的管道高濃度輸沙淤灘技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用抽沙船水沖式和機(jī)械擾動(dòng)式造漿系統(tǒng)造漿，并用自吸泵抽入主管道內(nèi)，輸送至吹填區(qū)，對(duì)可持續(xù)高效淤灘措施進(jìn)行聯(lián)合施工試驗(yàn)[4]。為此，課題組結(jié)合淤筑村臺(tái)工程，構(gòu)建高濃度長(zhǎng)距離輸沙通道，打造多技術(shù)高效泥沙處置示范工程，在理論計(jì)算、比選多方案輸沙方式后進(jìn)行管道輸沙設(shè)備布局，并通過(guò)觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果，將相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)同前期計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

1.2 管道輸沙研究現(xiàn)狀

為保證管道輸沙的效果并考慮最大限度降低成本，以往研究大多集中于解決阻力問(wèn)題和臨界不淤問(wèn)題。由于管道內(nèi)泥沙流動(dòng)的復(fù)雜性及管道輸沙理論尚不完善，因此管道輸沙的特性及計(jì)算模擬是眾多專家學(xué)者十分關(guān)注的研究熱點(diǎn)。費(fèi)祥俊[5]建立了針對(duì)缺乏細(xì)顆粒的兩相管流進(jìn)行預(yù)測(cè)摩阻損失的模型;白曉寧等[6]對(duì)漿體管道的阻力特性變化分不同流速階段進(jìn)行分析研究;趙安平[7]基于張紅武黃河水沙運(yùn)動(dòng)理論，利用匯流集漿器組合系統(tǒng)實(shí)測(cè)資料，計(jì)算分析了含沙濃度、泥沙粒徑、管徑等對(duì)輸沙距離的影響，建立了不同參數(shù)之間的關(guān)系曲線，是黃河兩相管流輸沙領(lǐng)域的代表性研究成果;張英普等[8]通過(guò)對(duì)渾水管道的不淤流速進(jìn)行判斷并分析影響因素，建立適用于灌區(qū)管道輸水系統(tǒng)的臨界不淤流速經(jīng)驗(yàn)公式;丁宏達(dá)[9]推求了漿體管道輸送物料粒徑變化對(duì)管道臨界流速影響的簡(jiǎn)化模型，認(rèn)為粒徑越小越節(jié)能，減小粒徑可使臨界流速下降;李鵬程等[10]在考慮固體顆粒懸浮及流態(tài)的前提下，開(kāi)發(fā)了計(jì)算管道臨界輸送流速的模型。傅旭東等[11]基于固液兩相流動(dòng)理論，考慮流場(chǎng)中固體顆粒的受力特性，建立水平方管固液兩相流的數(shù)學(xué)模型來(lái)研究?jī)煞N類型的顆粒濃度垂向分布情況;蔣素綺等[12]通過(guò)分析高濃度黏性渾水的基本特性及管道輸送的試驗(yàn)結(jié)果，提出適用于高濃度管道輸沙的計(jì)算方法?；谝陨涎芯?，可見(jiàn)目前對(duì)于管道輸沙的研究主要圍繞摩阻損失、臨界流速、輸沙濃度及速度的分布等進(jìn)行分析探討。

值得強(qiáng)調(diào)的是，包頭鋼鐵公司布設(shè)145 km長(zhǎng)管道，將鐵精礦漿從白云西礦輸送至包鋼，是我國(guó)長(zhǎng)距離管道輸送研究取得突破的標(biāo)志[13]，其創(chuàng)新點(diǎn)主要是利用張紅武系列公式描繪出固液兩相流能耗最小圖形，確定設(shè)計(jì)濃度與設(shè)計(jì)流速，成功提高了鐵精礦輸送效率，產(chǎn)生了巨大效益，該成果被鑒定為國(guó)際領(lǐng)先水平。

為開(kāi)展高效輸沙實(shí)現(xiàn)技術(shù)示范，課題組對(duì)水沙配比、動(dòng)力系統(tǒng)等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，在理論計(jì)算基礎(chǔ)上，利用抽吸河內(nèi)粗顆粒床沙的造漿系統(tǒng)將泥漿匯入主輸沙管道，組成長(zhǎng)距離有壓高效管道輸沙系統(tǒng)，成功提高了淤筑灘區(qū)村臺(tái)的效率。

2 示范工程概況及輸沙設(shè)備布設(shè)

2.1 長(zhǎng)興集鄉(xiāng)村臺(tái)概況

長(zhǎng)興集鄉(xiāng)位于黃河下游，山東省西南部，黃河南岸，菏澤市的最西端，東明縣西南部，為東明縣典型的純?yōu)﹨^(qū)鄉(xiāng)，面積100.26 km2，轄37個(gè)行政村88個(gè)自然村，常住人口66 370人。受黃河改道和決口的影響，境內(nèi)的地形自西南向東北傾斜。境內(nèi)的河道為黃河決口時(shí)的溜道，自然流勢(shì)，河道極其彎曲，分岔較多，互相串連，水系紊亂，排水不暢，長(zhǎng)期以來(lái)存在灘內(nèi)旱、堤根澇、堤外鹽堿、漫灘等現(xiàn)象，災(zāi)害頻繁。1996年8月5日，花園口站發(fā)生洪峰流量為7 600 m3/s的中常洪水時(shí)，長(zhǎng)興集鄉(xiāng)全部漫灘，水深1.4～2.3 m。受漫灘洪水影響和生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)條件的制約，灘區(qū)村莊生產(chǎn)水平低下，經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，經(jīng)濟(jì)發(fā)展可持續(xù)性差，農(nóng)民生活基本處于溫飽狀態(tài)，教育、文化、衛(wèi)生水平低。長(zhǎng)興集鄉(xiāng)的村莊部分緊靠黃河，交通相對(duì)不便，且現(xiàn)有安全避洪設(shè)施相對(duì)薄弱，如果發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)大漫灘洪水，灘區(qū)內(nèi)現(xiàn)有村臺(tái)基本不能滿足安全避洪要求。為此，東明灘區(qū)近兩年大力推行合村并居工作。按規(guī)劃安排，長(zhǎng)興集鄉(xiāng)脫貧遷建防洪村臺(tái)工程共修建9個(gè)大村臺(tái)來(lái)保障灘區(qū)居民的生產(chǎn)生活問(wèn)題。

2.2 示范工程建設(shè)思路與技術(shù)路線

結(jié)合近年來(lái)黃河淤背經(jīng)驗(yàn)，村臺(tái)填筑工程采用船淤吹填方式，即在黃河行洪河槽內(nèi)布設(shè)簡(jiǎn)易抽沙船，利用泥漿泵和管道輸送泥漿，并在中間設(shè)置加力站，對(duì)管道中的水體補(bǔ)充能量，延長(zhǎng)輸送距離。

根據(jù)黃河近年來(lái)抽沙吹填經(jīng)驗(yàn)，以取土為目的抽取泥漿，單位體積內(nèi)所含的泥沙越多越好，抽取的泥漿濃度大，生產(chǎn)效率就高，同時(shí)利潤(rùn)也大。課題組在理論技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)上，由清華大學(xué)在室內(nèi)開(kāi)展大量的基礎(chǔ)試驗(yàn)，建立了泥沙粒徑、含沙量、管道直徑與輸沙距離的關(guān)系，對(duì)淤筑村臺(tái)工程中的動(dòng)力系統(tǒng)、造漿系統(tǒng)、管道系統(tǒng)與輸沙參數(shù)的關(guān)系以及能否滿足工程應(yīng)用要求有了清晰的認(rèn)識(shí)，為現(xiàn)場(chǎng)確定造漿方式、動(dòng)力配置、村臺(tái)吹填淤筑等關(guān)鍵環(huán)節(jié)提供了初步依據(jù)。

目前黃河河道內(nèi)抽沙船造漿方式主要有兩種：水沖式和機(jī)械擾動(dòng)式。水沖式是利用高速水束主動(dòng)沖擊河底固結(jié)泥沙，造成其結(jié)構(gòu)瓦解和破壞，使土顆粒與水混合形成泥漿，再用自吸泵抽入管道內(nèi)送到吹填區(qū);機(jī)械擾動(dòng)式是靠機(jī)械動(dòng)力帶動(dòng)自吸泵前面的鉸刀旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)河底沙層，然后通過(guò)自吸泵吸入管道后送至吹填區(qū)。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果，長(zhǎng)興集鄉(xiāng)村臺(tái)吹填淤筑主要采用上述兩種方式進(jìn)行動(dòng)力輸送。

根據(jù)設(shè)計(jì)沙場(chǎng)探摸河道沙層沉降厚度是施工前期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在確定抽沙船船位前，課題組專門組織相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行河勢(shì)觀測(cè)、河道內(nèi)沙層探測(cè)，利用交通船只與打井設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)探明沙層的范圍、積沙厚度。由于黃河上抽沙船輸沙泵管道長(zhǎng)度為15 m左右，因此探查河底厚度確定為20 m。同時(shí)還要根據(jù)河道上游河勢(shì)、流量、含沙量等情況，運(yùn)用水流挾沙力公式來(lái)預(yù)估河道還沙能力。抽沙場(chǎng)可根據(jù)工程所處河道流路走向及取沙、落沙、還沙條件來(lái)選擇，為避免影響河勢(shì)變化，并在抽沙過(guò)程中不影響河道工程及施工人員的安全，需要避開(kāi)主流位置。根據(jù)清華大學(xué)在辛店集河段模型試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)易落沙、還沙快的部位多在河道工程的下首，且需要離開(kāi)靠溜工程250 m以上。經(jīng)過(guò)比選，最后將高效輸沙實(shí)現(xiàn)技術(shù)示范工程抽沙船（實(shí)際也是放淤料場(chǎng)）位置確定在辛店集控導(dǎo)下延工程30#壩下游300 m以外。為保證施工人員和抽沙船只的安全，不得到水深小的河道對(duì)岸取沙。

通過(guò)探摸沙場(chǎng)，進(jìn)行對(duì)比論證，最后擇優(yōu)確定船只最佳位置。抽沙船可以重復(fù)利用，在一期工程結(jié)束后，抽沙船可在二期及后續(xù)工程中使用，只需重新布設(shè)輸沙管道，或根據(jù)需沙量增減船只數(shù)量即可?？梢?jiàn)，選好抽沙船的布設(shè)位置，能夠?yàn)檎w工程節(jié)省大量物力財(cái)力。確定沙場(chǎng)后，船與船的間距一般布置為500 m左右，最小不得小于300 m。其原因是船只布置過(guò)密后，在小水期間會(huì)導(dǎo)致還沙慢、抽沙效率低。根據(jù)黃河放淤固堤工程多年的施工經(jīng)驗(yàn)，每條船每年淤筑沙量約為25萬(wàn)m3。

串聯(lián)式接力是將接力泵串聯(lián)在輸沙管道中間，使接力泵起到加力站的作用。對(duì)于高濃度長(zhǎng)距離管道輸沙，合理布設(shè)串聯(lián)加力站在整個(gè)抽沙過(guò)程中至關(guān)重要，否則輸沙運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)很難掌控管道壓力和動(dòng)力配置。如果兩加力站之間相距較遠(yuǎn)，在管道輸沙過(guò)程中會(huì)造成動(dòng)力衰竭，那么泥沙在沒(méi)有到達(dá)下個(gè)動(dòng)力站之前就已出現(xiàn)淤堵，形成壅管故障，導(dǎo)致設(shè)備損壞;如果兩加力站之間布局較近，就會(huì)造成動(dòng)力浪費(fèi)、成本增加，難以達(dá)到動(dòng)力優(yōu)化配置的目的。同時(shí)，還要根據(jù)電機(jī)的功率、泥漿泵的流量、地勢(shì)的起伏變化加以分析，進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化。

3 管道輸沙理論分析

通過(guò)在小管徑上模擬試驗(yàn)確定摩阻損失和臨界流速、再放大到原型大管徑的方法得到一些經(jīng)驗(yàn)公式，這種方法存在一定的局限性。對(duì)于管道輸沙來(lái)說(shuō)，管道輸送阻力除了受邊壁粗糙度影響外，輸送濃度對(duì)阻力也存在一定的影響。當(dāng)輸送濃度較低時(shí)，管道輸送阻力隨著水流強(qiáng)度的增大而增大;當(dāng)濃度較高時(shí)，隨著水流強(qiáng)度增大，泥沙顆粒在邊壁粗糙處停留落淤，使壁面變得平整光滑，邊壁摩擦力減小，使得阻力也相應(yīng)減小。因此，本研究認(rèn)為考慮輸送濃度對(duì)阻力的影響是不可或缺的。

管道水流流速分布一般是在清水條件下由試驗(yàn)所得，含沙水流作為兩相混合體，其渾水流速分布大都較清水流速分布更不均勻。管道含沙水流流速分布更為復(fù)雜，所以清水條件下的管道水流流速分布試驗(yàn)參考意義較小。針對(duì)黃河高含沙水流的研究，錢寧等[14]、錢意穎等[15]、張紅武等[16]做了大量的有實(shí)際意義的研究工作。作為淤筑村臺(tái)工程中的必要環(huán)節(jié)和重點(diǎn)難點(diǎn)，較為適用且精準(zhǔn)的計(jì)算方法是迫切需要解決的科學(xué)問(wèn)題。根據(jù)上述分析，欲通過(guò)高濃度長(zhǎng)距離輸送粗沙途徑淤筑村臺(tái)，輸送泥漿的濃度就必須進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)。較小的泥漿濃度能保持泥漿紊流的特點(diǎn)，可減輕對(duì)管壁的磨損，但會(huì)引起泥漿的非均勻性和過(guò)多的水動(dòng)力，造成能量浪費(fèi)并增加用水費(fèi)用;較大的泥漿濃度更加經(jīng)濟(jì)，但泥漿的屈服應(yīng)力變大，對(duì)輕微的濃度變化敏感，會(huì)導(dǎo)致壓力損失及運(yùn)行不穩(wěn)定[17]。為此，本研究利用張紅武水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算黃河下游灘區(qū)淤筑村臺(tái)工程中的一些技術(shù)參數(shù)。

3.1 臨界流速和水流挾沙力

臨界流速主要指固體顆粒從懸浮狀態(tài)開(kāi)始沉淀時(shí)的管道流速。在漿體和粒狀物料輸送研究成果中，一般認(rèn)為臨界流速主要受管徑、濃度、黏度、顆粒大小和級(jí)配等因素影響。均勻顆粒非均質(zhì)流的臨界流速有不少經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，但在黃河上不能直接應(yīng)用;非均勻顆粒的成果則較少，多采用代表粒徑的做法[17]。這些公式經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)，只適合特定的計(jì)算條件，往往同條件計(jì)算結(jié)果差別都較大[17]。這些公式中有代表性的有Durand公式[18]、Wasp公式[19]、Shook公式[17]、卡察斯基公式[17]、王可欽公式[17]、費(fèi)祥俊公式[17]、張興榮公式[20]等。

在試驗(yàn)資料基礎(chǔ)上，對(duì)于濃度對(duì)臨界流速的影響，這些公式中存在兩種觀點(diǎn)[17]，一種認(rèn)為在臨界流速隨濃度變化的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)極值，即低濃度的最大流速值和高濃度的最小流速值，從資料上看，對(duì)應(yīng)的輸送濃度在10%左右為低濃度，當(dāng)輸送濃度大于40%時(shí)為高濃度，或沒(méi)有明顯極值點(diǎn)，此時(shí)輸送阻力和流速都最小，推薦作為管道輸送設(shè)計(jì)參數(shù);另一種認(rèn)為臨界流速隨濃度增大而增大，中間沒(méi)有兩個(gè)極值出現(xiàn)。綜上可以看出，影響臨界流速的因素是非常復(fù)雜的，除了顆粒濃度這個(gè)重要因素外，還受管徑、渾水黏度、顆粒性質(zhì)（如密度、粒徑和級(jí)配）等多因素的綜合制約，而且與顆粒運(yùn)動(dòng)形式及其比例、渾水流變特性有很大關(guān)系。

水流挾沙力概念來(lái)自明渠流，這里將張紅武公式[21]引入管流輸沙參數(shù)計(jì)算之中：

3.2 阻力系數(shù)

由于試驗(yàn)顆粒差異大，并且綜合糙率和阻力系數(shù)本身非常復(fù)雜，因此尚無(wú)普適計(jì)算公式，大多數(shù)公式的經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)，存在一定局限性。E. J. Wasp的復(fù)合系統(tǒng)求阻力方法雖在國(guó)外曾得到較多應(yīng)用，但需試算，比較繁瑣[22]。

在黃河下游抽沙淤筑村臺(tái)的實(shí)際工程中，發(fā)現(xiàn)正常輸沙時(shí)管中流態(tài)一般為紊流，水流阻力系數(shù)已基本不受雷諾數(shù)影響。為此，本研究阻力系數(shù)計(jì)算采用張紅武公式[23]，即首先引入考慮沙粒物面摩阻影響的糙率公式：

3.3 揚(yáng) 程

4 研究結(jié)果

以往管道輸沙取沙一般較細(xì)，中值粒徑一般為0.02～0.03 mm，與灘地泥沙級(jí)配相當(dāng)，而淤筑村臺(tái)要求承載能力與干容重較大的粗沙，因此在理論和實(shí)踐上都是很大的挑戰(zhàn)。本研究選取位于黃河下游辛店集控導(dǎo)工程前河槽床沙的兩組實(shí)測(cè)級(jí)配數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖1），其中值粒徑分別為0.08 mm和0.15 mm，以此計(jì)算管道輸沙的特性參數(shù)變化情況，分析臨界流速與含沙量、臨界流量與含沙量、管道阻力系數(shù)與含沙量以及揚(yáng)程、流量、含沙量和有效功率之間的關(guān)系，研究不同參數(shù)對(duì)管道輸沙能力的影響。

4.1 管道輸沙特性參數(shù)分析

臨界流速Uk與含沙量的關(guān)系見(jiàn)圖2（D400、D300、D250分別表示管徑為400、300、250 mm，下同）。可以看出，隨著含沙量逐漸增大，臨界流速在迅速上升到一個(gè)極大值后緩慢減小，含沙量約為200 kg/m3時(shí)臨界流速達(dá)到最大。對(duì)比兩種中值粒徑級(jí)配管道輸沙情況，發(fā)現(xiàn)在同等條件下中值粒徑為0.15 mm級(jí)配的粗顆粒泥沙的管道輸送臨界流速大于中值粒徑為0.08 mm級(jí)配的。在同一含沙量條件下，臨界流速隨管徑減小而減小;當(dāng)臨界流速較大時(shí)，不同管徑之間臨界流速相差也較大;隨含沙量增大，管徑不同所引起的臨界流速差別有減小趨勢(shì)，因此從輸送工作效率來(lái)說(shuō)，選用較大的管徑更好。

分析圖2可知，在含沙量持續(xù)增大時(shí)，臨界流速呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，似乎表明高濃度泥漿流能夠在足夠的能坡或壓差下以小流速運(yùn)動(dòng)，這與泥漿流黏性較大時(shí)因水流挾沙力很大而不會(huì)淤積有關(guān)。另外，由于泥沙粒徑級(jí)配的不同，管內(nèi)出現(xiàn)淤積后會(huì)導(dǎo)致過(guò)流面積減小，從而通過(guò)管內(nèi)的自動(dòng)調(diào)整使其以臨界流速流動(dòng)。綜上所述，在工程采沙的過(guò)程中，對(duì)于不同的泥沙粒徑級(jí)配，管內(nèi)的泥沙輸送濃度不只受臨界流速的影響，如果選用合適的泥漿泵以及較高的造漿技術(shù)，管道也可以輸送高濃度泥沙。目前黃河下游已有工程的經(jīng)驗(yàn)都顯示，現(xiàn)有輸送設(shè)備對(duì)于黃河細(xì)顆粒泥沙，能夠輸送含沙量超過(guò)1 000 kg/m3的泥漿[25]。但是，除受造漿能力所限外，若采用這種高濃度泥沙輸送方式，在受工程突發(fā)情況（如斷電等）影響從而被動(dòng)導(dǎo)致輸送停止時(shí)，再次啟動(dòng)輸沙則會(huì)異常困難，因此不能一味追求高濃度運(yùn)輸，應(yīng)選取一個(gè)合適的濃度，既能保證輸送效率，又能正常輸送。

圖3為不同管徑下臨界流量與含沙量之間的關(guān)系，流量隨含沙量的增大先達(dá)到一個(gè)最大值，然后呈下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)較緩。管徑對(duì)流量的影響較流速更為明顯，在同一含沙量條件下，管徑越大流量越大，但隨著含沙量的增大，管徑對(duì)流量的影響逐漸減小。對(duì)比圖3（a）和圖3（b）可發(fā)現(xiàn)，在同等條件下，較粗的泥沙要求輸送流量更大。

管道阻力系數(shù)與含沙量之間的關(guān)系，見(jiàn)圖4。可以看出，不同管徑下的阻力系數(shù)變化規(guī)律差異不大，阻力系數(shù)隨含沙量變化是一個(gè)先減小后增大的過(guò)程，在含沙量約為100 kg/m3時(shí)出現(xiàn)一個(gè)極小值，隨后在含沙量為100～400 kg/m3范圍內(nèi)阻力系數(shù)緩慢增大，在20～600 kg/m3范圍內(nèi)阻力系數(shù)都較小，含沙量大于600 kg/m3后阻力系數(shù)隨含沙量增大而明顯增大。

結(jié)合阻力系數(shù)和臨界流速的計(jì)算，分析圖2至圖4發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)際含沙量控制在600～800 kg/m3時(shí)較為合適，根據(jù)圖3可查找對(duì)應(yīng)的臨界流量。當(dāng)中值粒徑為0.08 mm時(shí)，D250管相應(yīng)的臨界流量為136～171 m3/h，D300管相應(yīng)的臨界流量為205～258 m3/h，D400管相應(yīng)的臨界流量為392～495 m3/h，阻力系數(shù)范圍為0.012～0.019。當(dāng)中值粒徑為0.15 mm時(shí)，D250管相應(yīng)的臨界流量為266～306 m3/h，D300管相應(yīng)的臨界流量為401～462 m3/h，D400管相應(yīng)的臨界流量為769～884 m3/h，阻力系數(shù)范圍為0.075～0.010。

根據(jù)實(shí)際工程中采集的數(shù)據(jù)，確定泥漿泵至管道出口高差h=2.7 m，D1=300 mm，L1=400 m，D2=250 mm，L2=2 100 m，總的局部水頭損失∑ζ約為2.5 m。利用式（8）～式（9）計(jì)算揚(yáng)程和電機(jī)功率，分析含沙量、揚(yáng)程、流量、電機(jī)功率之間的變化關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖5。可以看出，在同一粒徑級(jí)配下，工作流量（或流速）、揚(yáng)程、電機(jī)功率、含沙量之間都有密切關(guān)系。相同流量下，揚(yáng)程隨著含沙量的增大而增大，且要求的電機(jī)功率越大，因此對(duì)于輸送水流含沙量的要求還受動(dòng)力系統(tǒng)功率的限制，否則易造成流速下降至低于臨界流速而使管道淤塞。

根據(jù)計(jì)算，動(dòng)力系統(tǒng)可選用10EPN-30泥漿泵，有效功率為136 kW。從圖5可以看出，當(dāng)中值粒徑為0.08 mm的泥沙輸運(yùn)時(shí)，揚(yáng)程基本在33.5 m左右，含沙量小于800 kg/m3時(shí)，流量大于489 m3/h;當(dāng)流量大于600 m3/h時(shí)，要求含沙量小于600 kg/m3，因此含沙量為600～800 kg/m3時(shí)相應(yīng)流量為489～600 m3/h。當(dāng)中值粒徑為0.15 mm的泥沙輸運(yùn)時(shí)，采用相同的泥漿泵，揚(yáng)程基本在26 m左右，含沙量小于800 kg/m3時(shí)，流量大于630 m3/h;當(dāng)流量大于714 m3/h時(shí)，要求含沙量小于600 kg/m3，因此含沙量為600～800 kg/m3時(shí)相應(yīng)流量為630～714 m3/h。

本研究采用的水流挾沙力、臨界流速、群體沉速、阻力系數(shù)、渾水卡門常數(shù)及水流黏滯性系數(shù)等計(jì)算公式，均基于張紅武的水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)理論體系，在實(shí)際水流泥沙計(jì)算中精度較高，在黃河下游泥沙管道輸送計(jì)算中頗有應(yīng)用價(jià)值，且計(jì)算方法具有簡(jiǎn)便性和系統(tǒng)性，關(guān)鍵參數(shù)較易獲取，能夠較好地滿足工程應(yīng)用要求。

4.2 泥漿泵輸沙距離計(jì)算

高濃度長(zhǎng)距離輸沙是整個(gè)工程的重要環(huán)節(jié)，也是難點(diǎn)所在。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)辛店集控導(dǎo)工程聯(lián)壩壩頂高程70.5 m，出水口高程66.7 m，泥漿泵高程64.0 m。為了便于計(jì)算分析，將輸沙管道視為管徑不變且無(wú)分支的簡(jiǎn)單管道。在試驗(yàn)（生產(chǎn)）過(guò)程中，管道內(nèi)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)要素變化不大，沿程無(wú)流量損失，可作為恒定流進(jìn)行計(jì)算，則流量公式為

采用本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基本數(shù)據(jù)，全部采用直徑300 mm的鋼管，可根據(jù)式（15）計(jì)算輸沙距離。當(dāng)輸送中值粒徑為0.08 mm的泥沙并將泥漿流量分別控制為489、545、600 m3/h時(shí)，輸送含沙量600 kg/m3條件下，最大輸沙距離分別為2 708、2 722、2 739 m;輸送含沙量800 kg/m3且相同泥漿流量條件下，最大輸沙距離分別為3 450、3 464、3 482 m。顯然，能滿足遠(yuǎn)距離輸沙的要求。

當(dāng)輸送中值粒徑為0.15 mm的泥沙并將泥漿流量分別控制為630、672、714 m3/h條件下，輸送含沙量為600 kg/m3時(shí)，最大輸沙距離分別為2 227、2 242、2 262 m;輸送含沙量為800 kg/m3且相同泥漿流量條件下，最大輸沙距離分別為3 321、3 336、3 356 m。可見(jiàn)，能夠滿足遠(yuǎn)距離輸沙淤筑長(zhǎng)興集鄉(xiāng)2號(hào)村臺(tái)的要求。

5 示范工程輸沙設(shè)備布局

上述分析表明，選擇合適的管徑以及保持合適的較高濃度，對(duì)于提高工作效率和降低成本是十分必要的。以本文計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，可以對(duì)黃河灘區(qū)村臺(tái)淤筑輸送設(shè)備布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是保證完成施工任務(wù)的基礎(chǔ)。對(duì)計(jì)算結(jié)果比選分析后，在長(zhǎng)興集鄉(xiāng)2號(hào)村臺(tái)施工中選用輸沙管的直徑為300 mm。根據(jù)2號(hào)村臺(tái)設(shè)計(jì)的體量[1]，村臺(tái)淤筑量約為2 455 900 m3?？紤]到在辛店集工程下首河槽抽沙的中值粒徑一般在0.08～0.15 mm之間，可按照最不利的粗顆粒計(jì)，由所計(jì)算的管道高濃度輸沙不淤距離來(lái)配置動(dòng)力條件，即需要在黃河主槽內(nèi)布設(shè)6條簡(jiǎn)易抽沙船，每條船上配136 kW泥漿泵（800 m3/h）一臺(tái)，電機(jī)功率為250 kW;中間加力站電機(jī)功率為220 kW。同時(shí)，為滿足8.3 km的高濃度輸沙距離，抽沙船只與一級(jí)加力站之間的間距設(shè)計(jì)為900～1 200 m，一級(jí)加力站距二級(jí)加力站、二級(jí)加力站距三級(jí)加力站均為2 200～2 400 m，三級(jí)加力站距淤沙口2 100～2 300 m，其最大間距均小于理論計(jì)算的輸沙距離。

長(zhǎng)興集鄉(xiāng)2號(hào)村臺(tái)淤筑示范工程所需船只與串聯(lián)加力站布設(shè)間距見(jiàn)圖6。2018年7—9月，在前期研究基礎(chǔ)上，在現(xiàn)場(chǎng)布局抽沙船、配置管路與動(dòng)力設(shè)備。2018年10—11月屬于試運(yùn)行階段，對(duì)所構(gòu)建的長(zhǎng)距離輸沙淤筑村臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行了率定與調(diào)試。2018年12月至2019年5月為正常運(yùn)用期，該期間淤筑村臺(tái)工程良好的運(yùn)行情景說(shuō)明所選擇的管徑和輸沙濃度是合適的，而且明顯提高了工作效率，降低了工程成本，起到了事半功倍的效果。示范工程中泥沙水力粗度、含沙量等大量實(shí)測(cè)資料均與前期理論計(jì)算結(jié)果頗為接近，只是隨著黃河來(lái)沙和落沙的變化，會(huì)出現(xiàn)供漿過(guò)量或泥漿供應(yīng)不足的情況，需要根據(jù)施工段水沙變化等具體情況進(jìn)行船位調(diào)整[26]，使抽沙環(huán)節(jié)實(shí)際運(yùn)行狀況同設(shè)計(jì)情況接近，保證了淤筑村臺(tái)的工作效率和計(jì)劃進(jìn)度，還能夠節(jié)約大量人力物力與土地。由此表明，本文理論計(jì)算方法簡(jiǎn)便且能夠滿足工程應(yīng)用需求，為黃河下游淤筑村臺(tái)等工程所采用的管道輸沙能力設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。

6 結(jié) 論

結(jié)合黃河下游灘區(qū)淤筑村臺(tái)工程，構(gòu)建高濃度長(zhǎng)距離輸沙通道，能夠通過(guò)合理的設(shè)備布局從河道內(nèi)大量抽沙，降低河床高程，提高河道行洪能力，是開(kāi)展多技術(shù)高效泥沙處置示范工程的理想選擇。本文基于張紅武的水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)理論體系，建立不同管徑下臨界流速、含沙量、阻力系數(shù)和揚(yáng)程等輸沙特性參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)各參數(shù)間存在相互影響的規(guī)律，且粒徑級(jí)配對(duì)管道輸沙參數(shù)有一定影響，較粗顆粒泥沙的輸送需要更大的流速、流量和電機(jī)功率;提出了簡(jiǎn)捷可行的黃河長(zhǎng)距離精準(zhǔn)高效的管道高濃度輸沙淤灘技術(shù)參數(shù)的計(jì)算方法，可針對(duì)淤筑村臺(tái)以及淤填堤河等灘區(qū)治理工程中關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)上述理論計(jì)算，課題組針對(duì)黃河灘區(qū)村臺(tái)淤筑工程輸送設(shè)備布局，確定了輸沙管徑、不淤濃度、抽沙船位與泥漿泵功率，合理確定了加力站位置，有效保證了示范工程有序?qū)嵤?，并降低了成本。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料和運(yùn)行情景均與前期計(jì)算結(jié)果頗為接近，從而在理論和實(shí)踐上都表明，對(duì)于黃河床沙中的粗沙，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離精準(zhǔn)高效的管道高濃度輸沙淤灘目標(biāo)，也為改善寬灘河流形態(tài)的工程措施提供了可靠技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司.東明黃河灘區(qū)村臺(tái)初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].鄭州：黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，2016：1-132.

[2] LI L Q， ZHANG H W. Multi-Objective Optimal Allocation of Sediment Resources Under Multiple Uncertainties[J]. Journal of Cleaner Production， 2020，287：35-42.

[3] 倪晉仁，王光謙，張紅武.固液兩相流基本理論及其最新應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1991：6-10.

[4] 張紅武，李振山，安催花，等.黃河下游河道與灘區(qū)治理研究的趨勢(shì)與進(jìn)展[J].人民黃河，2016，38（12）：1-10.

[5] 費(fèi)祥俊.固體管道水力輸送摩阻損失的預(yù)測(cè)[J].水利學(xué)報(bào)，1986，17（12）：20-29.