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标题 小浪底水库泥沙管道高效输送的合理参数分析
范文 曾杉+秦毅+李时



摘要：针对管路中沿程实时变化的含沙量和颗粒级配情况，借鉴以往的研究成果，从管路中泥沙的冲淤变化、悬浮特性等多角度分析确定了管道输送泥沙的临界不淤流速；并采用实测值与模型计算值对比拟合的方法，确定了用费祥俊的临界不淤流速计算模型来分析本次管道输送的临界不淤流速；最后，以理论与实践结合提出小浪底水库泥沙管道高效输送的管径和含沙量，为今后试验或生产实践提供参考依据。提出了管径为0.325 m和0.63 m两种不同工况的高效输送参数：含沙量均为620 kg/m3，中值粒径范围0.0512～0.062 9 mm，D90为0.14 mm，输送流速分别可在1.75～2.08 m/s和2.08～2.2 m/s之间进行调节。对应最大月排沙量分别为8.95万t和34.72万t。关键词：水库泥沙；管道输送；临界不淤流速；高效输沙
中图分类号：TV145；TV134 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）05-0156-08
1研究意义及研究现状
小浪底水利枢纽工程位于黄河中游最后一个峡谷河段，控制黄河流域98%以上的泥沙来量。然而小浪底水库“淤粗排细”设计没有很好实现，粗颗粒泥沙大量淤积在库尾，较细的泥沙则淤积在坝前，而且淤积也不是完全按照初步设计发展，非常不利于水库总库容的利用和水库异重流排沙，尤其是随着水库运用逐步进入拦沙后期，这一问题将越来越突出严重。为解决这一问题，河南河务局经过多年实践研究，提出了“远距离管道输沙”的水库清淤方法。其基本思想是：利用水泵喷射系统捣碎库底泥沙使其悬浮，再用管道输送到库外。根据远距离管道输沙的设想，河南河务局设计了水库库区输沙装置并在小浪底库区进行现场水上试验。管道输沙最主要的两个参数是阻力与不淤流速。本文主要基于该试验，利用现场试验数据分析泥沙管道输送的临界不淤流速，并根据现场实践，从理论上提出管道高效输沙的合理参数。
近几十年来，对于临界不淤流速的研究，国内外的众多学者都进行了相关的工作，获得了一系列有价值的研究成果。但至今为止，对临界流速的定义不尽相同。Durnad所使用的是管道底部刚刚出现固体颗粒淤积时的流速——极限淤积流速。国内的一些研究学者包括费祥俊、张兴荣、王绍周等使用的“临界不淤流速”，是指颗粒由悬浮的状态过渡为在床面滑动或滚动时的流速。管道水力输送固体物质的理论比较复杂，多数的研究都是以试验的方法为基础的。由于试验方法的区别，试验条件各有不同，观察角度的各异，观测误差和试验仪器产生的误差，数据处理方法的区别，导致各研究者提出了各自的经验或半经验性的公式，但同一条件下采用不同的公式计算，其结果差异很大，甚至会出现完全相反的变化规律。因此如何确定临界不淤流速仍然是值得探讨的问题。
与以往试验研究不同的是本次试验是在小浪底库区现场水上进行的，由于条件限制，缺乏泥浆混配装置，所以管道输送泥沙时管路中的含沙量和粒径是随机变化的。另外，试验数据的采集比较困难，从而导致了数据样本较少。因此这里借鉴已有成果，多角度分析，综合考虑，合理选取的方法，应对复杂的试验条件，分析确定小浪底水库泥沙管道输送的不淤流速及高效输送的合理参数，以供今后的试验或生产实践参考。
2试验装备与试验资料的获取
2.1装备与试验
通过分析小浪底库区不同区域泥沙淤积特点和规律，库区抽沙试验地点选择在距离坝址约40 km处。图1为抽排沙示意图。水上试验作业平台采用280 T的自动驳船，配备两台110 kW、抽水能力为650 m3/h、扬程48 m、抽沙体积浓度为12%～50%的LQ型渣浆泵。排沙管道采用直径325 mm的钢管，为缓解水上的风力摆动的影响，每6 m长的钢管之间用325 mm×1.2 m软管连接。管道总长度为980m，排沙钢管由自制浮筒支撑浮于水面如图2所示。
2.2资料的获取
为得到整个管路中压力、含沙量和颗粒级配的纵向变化情况，特别是软硬管交接处的压力变化，试验中，沿管道长度方向共布设7个测验断面，记第1个断面的起点距为0m，其它2至7断面起点距分别为25 m，35 m，515 m，525 m，535 m，965 m。为避免测沙取样对压力测量的影响，测压断面与含沙量取样断面以1.5 m的距离分开。每个含沙量取样断面分布有上、中、下三个取样点，以便观察泥沙的垂向分布。以压力计测压，重量置换法测定含沙量；在入口断面前布设一台DN 300电磁流量计，测量流量。
本次试验主要测量了950 m3/h（双泵）和620m3/h（单泵）两个流量量级下的浑水输送水沙要素的变化（见表1），同时为了与输送清水情况比较，还分别测量了两个流量级下输送清水的沿程压力变化。
经比较，两个流量级下输送的月排沙量和输送距离相差不大，但大流量下阻力损失相对较大，所以本文只具体分析了单泵工况下的试验情况（如表1）。图3为泥浆泵从河底抽取的泥浆浓度变化图，图4为各含沙量级所占百分比，图5为以第1、7断面为例的颗粒级配变化图。
由图3、图4可知，本次试验的含沙量和颗粒级配是随机变化的，所以在分析计算时，将7个断面所测中值粒径和含沙量的均值分别作为小组试验的中值粒径和含沙量。单泵情况下，共做了三组压力试验，各组试验的沿程压力变化如图6，可见软管对压力的影响很小。
3试验临界不淤流速分析
临界不淤流速是管道输沙的一个重要参数，它表示含沙水流在管道中输送时不出现沉积物所需要的最小平均输送流速。含沙水流在管道中输送是否发生淤积可以通过泥沙的运动形式来判断。不淤流速的主要影响因素有固体颗粒密度、输送管径、粒径以及浆体浓度。下文结合这几个方面来分析确定泥浆管道输送的不淤流速。
3.1試验管道中泥沙的冲淤分析
管道输送中泥沙的冲淤情况可以从泥沙的运动形式进行判定。固体颗粒在水流中的运动模式大体可分为三类，即推移运动、悬移以及中性悬浮运动。推移运动时颗粒贴着管壁滑动，由于管道底部粗糙不平，很可能造成淤积，悬移运动时颗粒脱离管壁运动，不容易发生淤积，而中性悬浮只有在含沙量很高时才有可能出现。针对现场试验情况，本文采用了两种方法来判定管道中泥沙输送时的运动形式：方法一：排沙比分析（排沙比=出口输沙量/入口输沙量），排沙比为1则表示没有产生淤积，否则就淤积；方法二：悬浮指数分析（Z=ω/KU*；Z为悬浮指数；ω为沉速（m/s）；K为卡门常数，取0.4；U为摩阻流速（m/s）），悬浮指数小于0.1则表示泥沙颗粒运动形式为悬移，大于5表示泥沙颗粒运动形式为推移。分析排沙比时，考虑了管道输送所需要的时差影响。分析结果见表2。
表2中排沙比均接近于1，且分析颗粒级配时可以看出小流速时出口处的颗粒级配并没有發生显著的细化现象，考虑试验测量取样存在误差，认为三组情况均不发生淤积，进口和出口排沙平衡。同时四组的悬浮指数均小于0.1，说明四组均发生悬移运动，进一步验证管道中没有发生淤积。在试验完毕后拆卸管道过程中也未发现存在泥沙残留的现象，故认为三组情况均不发生淤积。说明在此试验工况下，临界不淤流速是小于等于输送流速2.08m/s的。
3.2确定临界不淤流速计算公式
前面提到，许多学者根据自己的试验得出管道输送的不淤流速计算公式，其中最为常用的公式列于表3。本文采用实测值与公式计算值的拟合优度确定计算公式。由于本次试验在小浪底库区水上进行，数据采集比较困难，所以借用丁宏达的试验数据初步选择计算公式。丁宏达试验的基本参数是：管径为315 mm，固液密度比为2.65，中值粒径0.14mm，平均粒径0.17 mm，与本次试验参数：管径325mm，固液密度比为2.65，中值粒径0.0512～0.0629 mm相比，除粒径外试验条件基本相当，只是本次试验的泥沙中值粒径相对较小，所以本次试验临界不淤流速应该比丁宏达的实测值小。丁宏达试验值与各公式计算值的结果列于表4和图7。
观察表4和图7可知，Durnad、wasp模型中在中值粒径确定之后，临界不淤流速只与管径有关，且Durnad和Wasp适用于浓度为2%～15%的浆体计算，故本次计算中无论浓度如何变化，临界不淤流速都不改变，与实际情况相违背。相比之下，费祥俊和蒋素绮模型与丁宏达的实测数据规律更相近。即：当粒径和管径一定时，随着浓度的增加，临界不淤流速会稍稍下降。低浓度时（体积比含沙量为12%以下），费祥俊模型比蒋素绮模型更接近丁宏达实测值。故本文可用费祥俊模型来计算临界不淤流速，进而确定输送流速。
3.3本次试验输送流速合理性分析
由表2知，本次管道试验中，泥沙中值粒径的范围是0.0512 mm～0.062 9 mm（D90范围0.107mm～0.136 mm），含沙量浓度为4.84%～10.53%，均低于12%，则可以利用费祥俊临界不淤流速模型来计算分析在此中值粒径范围内，2.08 m/s输送流速的合理性，同时也可以检验费祥俊模型的合理性。为此考虑了3种粒径工况，分别计算了不同工况下的临界不淤流速，见表5。
观察表5可知，不论是含沙量变化还是粒径的变化，临界不淤流速计算值变化并不大，且均小于输送流速2.08 m/s，所以可以确定2.08 m/s的输送流速是安全的。由前面分析知临界不淤流速的范围小于2.08 m/s，给定工况下的费祥俊公式计算值即小于2.08 m/s也均小于丁宏达实测值（大粒径时），则证明了费祥俊模型是合理的。故可以将输送流速2.08 m/s作为小浪底水库管道输沙的基本参数采用。
4高效输送不淤流速分析
4.1高效输送的意义与要素
本文最终目的是为了确定管道输沙的高效输送参数。所谓高效输送，就是在满足输沙过程中不发生淤积时，一定输送流速下输沙量大的输送。由前文分析可知，本次试验中，输送流速为2.08 m/s时，含沙量279 kg/m3（体积浓度10.53%），中值粒径0.0512 mm时，输沙效果最好。试验中输送水头为22.44 m，若取工作时间每天8 h，每个月30 d来计算，则此条件下输送的效率为：月排沙量4.15万t，输送距离为1.06 km。可见，此条件的输送效率不高，所以还要在此实验基础上继续分析确定合理的输送参数，达到高效输送的目的。影响输沙效率的重要因素包括含沙量和管径。提高输送含沙量或增大输送管径都能提高输送效率。
4.2高效输送管径选择
管径是影响输送效率的一个关键因素，理论上认为，管径越大，同一输送含沙量下的输送效率越高。除了本次试验所用管径为0.325 m，还调查到市场常用管径分为0.63 m、0.92 m、1.22 m。不同管径下输送流量相差很大。如单泵工况下流速为2.08 m/s、管径0.325 m时的输送流量为620 m3/h即0.17 m3/s，若管径为0.63 m时，输送流量为0.65 m3/s，相当于需要4台泵同时工作，而管径为0.9 m和1.22 m时则分别需要8台与14台泵同时工作，对于水上作业平台而言，泵的数量越多，越难以甚至不可能实现，故为提高输沙效率，合适的管径只可能取0.63 m。四台泵同时工作可提供的流量为0.68 m3/s，在0.63 m管径下可提供的流速为2.21 m/s。下面主要分析0.325 m和0.63 m管径两种工况下，高浓度泥浆管道输送的可行性，并确定其高效输送的合理参数。
4.3不同管径工况高效输送含沙量的确定
理论上讲，含沙量变化会影响到临界不淤流速，所选含沙量下的临界不淤流速应小于输送流速；另外在实际输送中应避免层流的输送方式，故临界雷诺数需大于4 000，使水流在管道中进行紊流输送；同时还要考虑抽沙装置的抽沙能力，由前文知本次抽沙试验含沙量最大为622.5 kg/m3。所以高效输送含沙量需要综合考虑以上几方面因素来确定。
本次实验中的最大D90为0.136 mm，为保证安全输送，不发生淤积，现以输送流速2.08 m/s，D90=0.14 mm为基本参数，计算不同浓度情况时的输送临界雷诺数和费祥俊模型临界不淤流速，从而选择出最佳输送浓度。其中，临界雷诺数采用高含沙水流的有效雷诺数公式计算，具体如下：
綜上所述，管径为0.325 m和0.63 m的高效输送参数为：含沙量均为620 kg/m3，中值粒径范围0.0512～0.062.9 mm，Dgo最大为0.14 mm，输送流速分别可在1.75～2 08 m/s和2.08～2.2 m/s之间进行调节。表9为计算这两种工况输送效率最高的计算结果。
当管径为0.325 m，含沙量为620 kg/m3，流速为2.08 m/s时，输送效率最高，50 m水头输送距离为2.85 km，100水头输送距离为5.7 km，月排沙量为8.95万t，比本次试验最佳输送情况的月排沙量提高了116%。当管径为0.63 m，含沙量为620kg/m3，流速为2.20 m/s时，输送效率最高，50 m水头输送距离为4.51 km，100 m水头输送距离为9.01 km，月排沙量为34.72万t，是0.325 m管径最高效率输送的3 88倍，同时比本次试验最佳输送情况的月排沙量提高了737%。
5结论
本文以小浪底水库现场试验为基础，论证了水库泥沙管道输送是可行的，并给出了以下高效输送的参数及输送结果，可为以后试验或生产实践作参考。
（1）管径为0.325 m和0.63 m的高效输送参数为：含沙量均为620 kg/m3（自然条件适当，抽砂泵的操作技术改进时），中值粒径范围0.0512～0.0629 mm，D90为0.14 mm，输送流速分别可在1.75～2.08 m/s和2.08～2.2 m/s之间进行调节。
（2）在以上输送参数下，管径0.325 m的最高效率输送结果为：流速2.08 m/s，50 m水头输送距离为2.85 km，100 m水头输送距离为5.7 km，月排沙量为8.95万t；管径0.63 m的最高效率输送结果为：流速2.20 m/s，50 m水头输送距离为4.51km，100 m水头输送距离为9.01 km，月排沙量为34.72万t。
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更新时间：2024/12/22 18:29:06