管道淤積物固結(jié)后起動特性的試驗研究

李 明，劉 達(dá)，黃本勝，謝智勇，秦曉川，邱 靜

(1. 廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2. 廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室，廣東 廣州 510635；3. 河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東 廣州 510635；4. 廣東粵海珠三角供水有限公司，廣東 廣州 511458；5.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 概述

珠江三角洲水資源配置工程取水輸水流量大，運(yùn)行期間不可避免地會吸入取水河段的懸浮泥沙。工程在“西江鯉魚洲泵站——南沙高新沙水庫”輸水段設(shè)置了2個平行管道，管道長度約為40.9 km，且在不同取水工況中會交替進(jìn)行使用，因此，在輸水過程中，泥沙很可能發(fā)生淤積[1-2]。另外，在輸水管道調(diào)度過程中，間歇期管道內(nèi)的淤泥物還可能會發(fā)生固結(jié)，一旦發(fā)生固結(jié)后，其起動難度將大大增加[3-5]。

對于細(xì)顆粒的粘性泥沙，其起動條件同時受含水量、粘粒含量、容重等內(nèi)部因素與淤積條件等外部因素的共同影響[6-7]。已有研究表明，多數(shù)已有的粘性泥沙起動流速計算公式只適用于浮泥或新鮮淤泥，對于固結(jié)后的淤積物，由于物理化學(xué)性質(zhì)的變化而不能直接應(yīng)用于某一實際工程中[8]。

因此，為確定珠江三角洲水資源配置工程“西江鯉魚洲泵站——南沙高新沙水庫”輸水段管道的泥沙淤積、固結(jié)和起動情況，提出減少淤積的建議，需要工程現(xiàn)場采集原體泥沙樣本，通過試驗來確定管道淤積物在不同固結(jié)狀態(tài)下的起動特性。

2 試驗設(shè)計

2.1 泥沙樣本

管道淤積物主要來源于取水河段的懸移質(zhì)泥沙，但由于懸移質(zhì)泥沙不易從江水中直接獲取，所以采集工程取水口下游約250 m的自來水廠沉沙池中的淤積泥沙，作為試驗樣本，采樣點與西江鯉魚洲取水口的相對位置見圖1。

圖1 淤積物采樣點與工程取水口的相對位置示意

西江馬口水文站的多年監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示[9]，取水河段洪峰流量下的懸移質(zhì)泥沙中值粒徑在0.006～0.020 mm之間，試驗樣本的顆粒級配與西江鯉魚洲取水口2016年3月—11月懸移質(zhì)泥沙測驗結(jié)果[10]對比見圖2。由圖2可知，試驗樣本的顆粒級配與取水口懸移質(zhì)的相近，具有代表性。樣本泥沙顆粒的中值粒徑為0.014 mm，最大粒徑不超過0.5 mm，其中小于0.05 mm粒徑的顆粒(粉沙、粘粒)約占樣本的67%。由此可見，珠江三角洲水資源配置工程取水吸入的泥沙有相當(dāng)一部分具有粘性，在分析淤積物起動時需考慮粘性泥沙固結(jié)的問題。

圖2 試驗樣本的顆粒級配與實測數(shù)據(jù)的對比分析示意

2.2 試驗裝置

粘性泥沙因固結(jié)程度不同，其起動切應(yīng)力變化范圍大。在引水工程中，輸水流量隨著洪、枯季以及用水需求的變化，管道過流流量以及水動力條件變化范圍也較大。因此，用于管道淤積物起動試驗的水槽需要有足夠的供水能力，且方便水動力條件的調(diào)節(jié)。綜合考慮以上因素，管道淤積物起動試驗安排在長4 m、截面尺寸為0.1 m×0.1 m的有壓水槽[11-12]中進(jìn)行。試驗裝置包括蓄水池、引水管道和水槽主體3個部分(如圖3所示)。

圖3 淤積物起動試驗水槽裝置示意

試驗中，壓強(qiáng)測量采用CY200型智能數(shù)字壓力傳感器，測量范圍為0～50 kPa，精度為±0.1%，采樣頻率可在0.000 5～1 000 Hz區(qū)間內(nèi)任意調(diào)節(jié)，輸出為RS485數(shù)字信號。

2.3 試驗過程

將現(xiàn)場采集的淤積物裝入塑料桶中與清水混合攪拌均勻，靜置24 h后，將表層析出的清水去除，繼續(xù)攪拌均勻，然后裝入與試驗水槽配套的泥樣盒中。將制備好的泥樣盒分為兩批：一批放置在空氣中暗箱內(nèi)，用于模擬淤積物在管道檢修期間的固結(jié)過程；另一批放置在裝滿水的塑料桶中，用于模擬淤積物在未排干水的管道中的固結(jié)過程。

根據(jù)外界環(huán)境的不同，將淤積物固結(jié)起動試驗分為3組進(jìn)行(見表1所示)。

表1 淤積物固結(jié)起動試驗分組情況

分別將不同固結(jié)狀態(tài)的淤積物裝入有壓水槽中進(jìn)行起動試驗，操作步驟如下：① 往水池中加水，直到水槽將要被充滿(防止補(bǔ)水過程中，淤積物產(chǎn)生沖刷)；② 將制備好的泥樣盒緩緩放到試驗槽中，再將活動頂蓋放入插槽，密封固定；③ 繼續(xù)往水槽中加水至受壓，開啟水泵，先使水槽內(nèi)水流低速運(yùn)動，排除氣泡；④ 通過調(diào)整變頻器逐級增大水槽內(nèi)流速，確定淤積物樣本的臨界起動條件，讀取上下游的壓力傳感器讀數(shù)p1、p2；⑤ 試驗后，取部分樣本稱重，烘干24 h后再次稱重，計算得到含水率。

試驗中，水力坡降J根據(jù)上、下游的實測壓強(qiáng)差計算：

(1)

式中L為2個壓力傳感器的間距。

根據(jù)均勻流有壓管道的壁面切應(yīng)力計算公式τ0=ρgRJ，可計算出試驗中淤積物發(fā)生起動時的表面切應(yīng)力大小，即起動切應(yīng)力大小(式中ρ為水的密度，g為重力加速度，R為水力半徑，J為水力坡降)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 固結(jié)時長對淤積物起動特征影響分析

在空氣中固結(jié)時，隨著時長的增加，淤積物的表面狀態(tài)和起動特征發(fā)生階段性變化(如圖4所示)。不同氣溫條件下，淤積物發(fā)展至不同階段固結(jié)狀態(tài)的歷時不同(見表2所示)。

圖4 固結(jié)階段1～5，淤積物起動前、后的表面狀態(tài)

表2 泥沙固結(jié)狀態(tài)隨時間的變化情況

對比7—8月和11—1月在空氣中固結(jié)的試驗結(jié)果可知，在氣溫更高的夏季，淤積物的前期固結(jié)狀態(tài)變化比冬季更快，淤積物固結(jié)達(dá)到第4階段的歷時接近，表明淤積物達(dá)到較高固結(jié)程度的歷時受氣溫的影響較小。對比11—1月在空氣中和在水中固結(jié)的試驗結(jié)果可知，淤積物在水中固結(jié)50 d內(nèi)的狀態(tài)與在空氣中固結(jié)4 d內(nèi)的狀態(tài)基本一致。

階段1：淤積物整體結(jié)構(gòu)較松散，表面光滑且有一層水膜覆蓋；起動過程中，隨著水流流速的增大，淤積物表面發(fā)生顆粒滾動，部分運(yùn)動的泥沙懸浮后隨水流一起運(yùn)動，流速越大，表面泥沙滾動的范圍越大。

階段2：淤積物表面基本平整，泥沙顆粒間結(jié)合程度更加緊密，局部出現(xiàn)由于水分散失而留下的小孔；起動試驗中，隨著水流流速的增大，未觀察到表面顆粒滾動的現(xiàn)象，而是在淤積物樣本的局部出現(xiàn)片狀的剝離，剝離的范圍隨著沖刷時間的增長而擴(kuò)大。

階段3：淤積物表面粗糙，表面由于水分流失而有所沉降，而沉降的不均勻又使得淤積物表面被拉裂；起動試驗中，隨著水流流速的增大，淤積物的起動先發(fā)生在裂隙附近，隨后淤積物的局部開始發(fā)生連續(xù)沖刷，表現(xiàn)為裂隙的擴(kuò)張和表面顆粒的脫落。

階段4：淤積物表面粗糙，試驗樣本表面沉降明顯，裂隙充分發(fā)育后將淤積物割裂成若干部分；試驗過程中，裂隙和淤積物表面都基本不發(fā)生起動，隨著水流流速的增大，淤積物樣本的局部位置出現(xiàn)破壞，然后成塊起動，塊狀淤積物被沖刷之后，起動的范圍也逐漸由沖刷的位置向其他區(qū)域擴(kuò)大。

階段5：淤積物表面粗糙，有大量裂隙存在，表層以及邊緣的部分接近脫水，局部有小塊的淤積物與整體脫離；將樣本放入起動試驗水槽時，淤積物吸水后結(jié)構(gòu)變得十分松散，起動過程與階段1相似。

淤積物在空氣中固結(jié)后起動的試驗結(jié)果表明，對于新鮮淤積物，其表面泥沙顆粒極易起動，且起動可發(fā)生于淤積物暴露面的任意位置；對于表面水分散失、初步固結(jié)的淤積物，表面的泥沙不易被剝離，起動先發(fā)生在局部脆弱的區(qū)域，然后向周圍發(fā)展；對于中等固結(jié)的淤積物，水流沖刷過程中，泥沙起動不易出現(xiàn)在保持完整形態(tài)的淤積物表面，而是發(fā)生在局部脆弱的區(qū)域以及裂隙附近，然后向周圍發(fā)展；高度固結(jié)的淤積物與中等固結(jié)程度的淤積物在外觀上相似，表面凹陷以及裂隙更加明顯，形態(tài)完整的淤積物表面很難發(fā)生剝離或顆粒滾動，當(dāng)水流流速增大到一定程度時，脆弱位置的淤積物會先產(chǎn)生成塊沖刷；當(dāng)淤積物在空氣中的固結(jié)時間足夠長(超過階段4的歷時)，淤積物表層以及裂隙處的部分接近脫水，遇水后吸水膨脹，整體結(jié)構(gòu)變得十分松散，表面泥沙顆粒容易起動。

3.2 起動切應(yīng)力試驗結(jié)果分析

隨著固結(jié)時間增加，顆粒間密實程度增加，淤積物含水率隨固結(jié)時長的變化如圖5所示。對比7—8月和11—1月在空氣中固結(jié)的試驗結(jié)果可知，淤積物含水率隨固結(jié)時長的變化規(guī)律基本不受氣溫的影響，在固結(jié)初期，隨著固結(jié)時間的延長，淤積物的含水率下降迅速，例如第1組試驗中，在固結(jié)開始的10 d內(nèi)淤積物含水率由80.67%下降至65.52%；當(dāng)固結(jié)時間超過15 d后，淤積物含水率下降較為緩慢，在后10 d內(nèi)，淤積物含水率僅從59.92%下降至56.48%；由水中固結(jié)試驗可知，在水中固結(jié)的30 d內(nèi)，淤積物含水率幾乎無變化。

圖5 淤積物含水率與固結(jié)時長的關(guān)系

由于試驗樣品的含水率是取起動試驗結(jié)束后樣品測得，因此，在空氣中固結(jié)25 d后的淤積物含水率實際上是吸水后的測量結(jié)果，接近新鮮淤積物的含水率。

試驗中淤積物起動切應(yīng)力與固結(jié)時長的關(guān)系如圖6所示。從趨勢上看，起動切應(yīng)力隨固結(jié)時長的變化有4個階段，以7—8月在空氣中固結(jié)的試驗為例，隨著固結(jié)時間的增加：① 固結(jié)時間在1～7 d時，淤積物的起動切應(yīng)力隨固結(jié)時長增加而增長較快；② 固結(jié)時間在7～14 d時，淤積物的起動切應(yīng)力基本不變；③ 固結(jié)時間在15～22 d時，起動切應(yīng)力隨固結(jié)時長增加而迅速增大；④ 固結(jié)時間超過24 d后，起動切應(yīng)力隨著固結(jié)時長的繼續(xù)增加而減小，基本恢復(fù)到第1階段對應(yīng)的大小。對于11—1月在空氣中固結(jié)的淤積物，起動切應(yīng)力隨固結(jié)時長的變化規(guī)律基本一致，但各個階段的時間節(jié)點有所差異，且固結(jié)淤積物對應(yīng)的最大起動切應(yīng)力小于7—8月的試驗值。

圖6 淤積物起動切應(yīng)力與固結(jié)時長的關(guān)系

對于11—1月在水中固結(jié)的淤積物，在50 d內(nèi)，其起動切應(yīng)力隨固結(jié)時長的增加而緩慢增加，淤積物在水中固結(jié)50 d后的切應(yīng)力與其在空氣中固結(jié)7 d后的值大小接近。

3.3 工程應(yīng)用

珠江三角洲工程水資源配置工程“西江鯉魚洲泵站——南沙高新沙水庫”輸水段中，單管過流流量最大為40 m3/s，管徑為4.8 m，管道內(nèi)壁的參考糙率為0.012～0.015，根據(jù)水力學(xué)理論計算如下。

輸水管道沿程水力坡降為：

(2)

最大流量輸水時，壁面切應(yīng)力為：

τ0max=ρgRJ=9 810×1.2×0.000 86=10.12 Pa

(3)

由此求得管道正常運(yùn)行時，壁面切應(yīng)力可能達(dá)到的最大值為10.12 Pa，小于管道淤積物固結(jié)后的可能達(dá)到的最大起動切應(yīng)力19.43 Pa，表明輸水管道運(yùn)行期間存在泥沙淤積固結(jié)后無法被水流帶走的風(fēng)險。由圖6可知，對來源于西江鯉魚洲段的管道淤積物，當(dāng)固結(jié)時間在14 d內(nèi)，其起動切應(yīng)力可以控制在10 Pa以下。

管道停運(yùn)期間，內(nèi)部的環(huán)境與試驗中淤積物樣本所處環(huán)境可能存在差異，因此，“固結(jié)時間超過25 d后，淤積物起動切應(yīng)力減小至新鮮淤積物對應(yīng)的大小”結(jié)論不一定適用于工程實際。為避免風(fēng)險，建議珠江三角洲工程水資源配置工程“西江鯉魚洲泵站——南沙高新沙水庫”輸水段管道的間歇期不宜超過14 d。

4 結(jié)語

1)試驗結(jié)果顯示，不同固結(jié)狀態(tài)下淤積物的起動模式和起動條件不同，隨著固結(jié)時間的增加，淤積物的起動模式經(jīng)歷顆粒滾動、片狀剝離、成塊起動的變化過程。

2)對于來自西江鯉魚洲附近的懸移質(zhì)淤積物，隨著在空氣中固結(jié)時間的增加，其起動切應(yīng)力先增大，可能達(dá)到的最大起動切應(yīng)力為19.43 Pa，當(dāng)固結(jié)時間超過25 d后，淤積物由于失水過多而變得疏松多孔，整體結(jié)構(gòu)在遇水后發(fā)生吸水破壞，起動切應(yīng)力減小至新鮮淤積物對應(yīng)的大小。

3)本研究對于珠江三角洲水資源配置工程輸水管道的運(yùn)行調(diào)度方式具有直接參考價值，根據(jù)試驗結(jié)果，建議 “西江鯉魚洲泵站——南沙高新沙水庫”輸水段管道的間歇期不宜超過14 d。