關(guān)于渾水管道輸水系統(tǒng)臨界不淤流速的試驗研究.docx

1、2004年12月第23卷第6期淮溉排水學(xué)報JournalofIrrigaiionandDrainage文章編號：1000-646X(2004)06-0034-03關(guān)于渾水管道輸水系統(tǒng)臨界不淤流速的試驗研究張英普，何武全，蔡明科，王玉寶（西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西楊凌712100）捎要：我國北方梁湛區(qū)多以多泥沙河流為水源，管道游墻何題是影響Tit*水灌沅技術(shù)在梁灌區(qū)推廣應(yīng)用的制約因素之一.而解決渾水管道泥沙於緒問題的美徒在于其臨界不淤沆速的確定.根據(jù)我國渾水果灌區(qū)泥沙特點(diǎn)和運(yùn)行實(shí)際，以泥9運(yùn)動力學(xué)為理論基珀，利用管道水試檢系統(tǒng)，對不同舍沙量下的格界不於波速進(jìn)行了系飩試膾研究，得出格界不於流速經(jīng)驗公式

2、，為渾水渠灌區(qū)管道水系統(tǒng)防於堵提供了理論依據(jù).關(guān)詞,Tit*水系統(tǒng)；泥沙；金沙量；格界不於波速中圖分類號：S274.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A1引S我國渠灌區(qū)多以多泥沙河流為水源，管道的泥沙淤堵問題同大口徑管材管件、渠道管道銜接和分水配水等問題一樣，成為影響我國渠灌區(qū)管道輸水灌溉技術(shù)推廣應(yīng)用和發(fā)展的制約因素。而管道泥沙淤堵問題的解決,將有賴于管道臨界不淤流速的準(zhǔn)確判斷和確定。目前，有關(guān)管道臨界不淤流速的試驗研究"刁，大多以利用管道輸送固體顆粒為對象，以為了防止管道輸沙過程中的管道淤堵為目的而展開的，很多試驗工作都是圍繞著臨界淤積流速進(jìn)行的。而針對管道輸水系統(tǒng)者很少。與渠灌區(qū)管道輸水灌溉系統(tǒng)相比

3、，無論就輸送目的，輸送介質(zhì)而言，還是從運(yùn)行方式和動力來源講，都存在較大的差異。因此，管道輸水灌溉系統(tǒng)臨界不淤流速利用管道輸送的相關(guān)公式確定，勢必存在適用性和準(zhǔn)確性問題,其結(jié)果缺乏可靠性。有必要通過管道輸水試驗系統(tǒng),對渠灌區(qū)管道輸水系統(tǒng)臨界不淤流速進(jìn)行探討。2試驗概況根據(jù)渾水管道輸水系統(tǒng)水沙運(yùn)動規(guī)律試驗研究的內(nèi)容和目的，課題組建成了渾水管道輸水試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)由課題組設(shè)計，集國內(nèi)外先進(jìn)機(jī)電儀器、儀表及管材組裝而成。主要包括輸水動力系統(tǒng)、攪沙系統(tǒng)、壓力變送器、電磁流量計、電導(dǎo)率儀、管道系統(tǒng)和貯水池等部分，系統(tǒng)管道長100m,管徑110mm。根據(jù)我國北方地區(qū)以多泥沙河流為水源的渠灌區(qū)運(yùn)行實(shí)際，以引渭

4、灌區(qū)為研究對象進(jìn)行試驗研究，設(shè)計含沙量上限為12%（重量比）分別對含量為2%、4%、6%、8%、10%進(jìn)行臨界不淤流速試驗，每組試驗設(shè)3個重復(fù)。表1泥沙頊粒級配表試驗沙樣選取寶雞峽引渭干渠洪tte/mm50.0250.010.005必水季節(jié)淤沙為沙樣進(jìn)行試驗，其顆粒小于某住徑”比/%】0097.3471.2218.966.00】.】40.。站級配分析結(jié)果見表1.收2004-10-08基金項目：國家“863計劃資助項目（2001AA242071）作者簡介：張英普（1956-），河北饒陽人，高級工程師，主熨從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究工作.試驗中不同處理的水樣物理性狀見表2。序號

5、重量比S/%體積比S./%混合比S/%渾水容直yj(gcm"3)12.160.8352.2111.02423.901.5244.0351.03535.752.2746.0211.04747.372.9467.8001.05859.343.78110.0111.072表2水禪物理試驗水容重7=1.01g/cmS泥沙容重/,=2.6478g/cm3臨界不淤流速到目前為止，有關(guān)管道泥沙問題的研究大多以利用管道輸送固體顆粒為對象，以防止管道輸沙過程中的管道淤堵為目的而展開的。很多試驗工作都是圍繞著臨界淤積流速進(jìn)行的。管道二相流中有各種臨界條件待確定，不同的臨界條件具有不同的臨界流速含義:1）

6、從均勻懸浮過渡到非均勻懸浮的臨界條件根據(jù)擴(kuò)散理論，懸移質(zhì)在垂線分布的均勻程度決定于參數(shù)z。(1)當(dāng)ZV0.25時，懸移質(zhì)在垂線上已接近均勻分布卬。式中卡門常數(shù)k=Q.4,U為摩阻流速*為泥沙沉速。2）泥沙開始懸浮的臨界條件當(dāng)Z=>5時，泥沙基本上以推移的形式運(yùn)動，反之則開始出現(xiàn)懸移運(yùn)動。3）與JlU關(guān)系曲線中最低值相應(yīng)的臨界流速U。較多的研究者認(rèn)為<7-U關(guān)系線最低點(diǎn)也就是相當(dāng)于管道底部出現(xiàn)沉積物時的臨界情況，從圖1看,臨界流速Ul和臨界淤積流速U,是有一些區(qū)別的，但差別不大。4）臨界不淤流速S1格界沆速與臨界於積流速在管道輸水系統(tǒng)中，為了防止輸水過程中因管床出現(xiàn)泥沙沉積而造成管道

7、淤堵，提出了臨界不淤流速的概念。臨界不淤流速就是管底不出現(xiàn)沉積物的最小平均流速。那么，管道輸水系統(tǒng)的臨界不淤流速應(yīng)如何界定和判定呢？由于管道輸水灌溉系統(tǒng)中含沙量一般較低（小于15%）,管道淤堵是一個逐漸積累過程，實(shí)驗中J.U關(guān)系曲線凹點(diǎn)不明顯。因此，在此觀點(diǎn)基礎(chǔ)上利用圖解法確定管道不淤流速，不適合管道輸水灌溉系統(tǒng)的不淤流速的判斷。根據(jù)流區(qū)劃分，臨界不淤流速應(yīng)該是由推移運(yùn)動區(qū)過渡到泥沙開始出現(xiàn)沉淀的臨界流速。在管道輸水系統(tǒng)中，通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn),從推移運(yùn)動區(qū)到管底開始出現(xiàn)沉積物時的流區(qū)區(qū)間很窄，考慮到出水口垂直管段的因素和運(yùn)行安全的要求，一般不希望有大量的推移質(zhì)出現(xiàn)，因此，其臨界不淤流速可近似看作由不

8、均勻懸浮區(qū)到推移運(yùn)動區(qū)臨界點(diǎn)的流速。小于該臨界流速時，泥沙以推移形式運(yùn)動，大于臨界流速，懸移運(yùn)動開始出現(xiàn)。4臨界不淤流速的判斷方法在試驗觀測中，如何判斷管道輸水的臨界不淤流速呢？基于臨界不淤流速的概念，物理含意及水沙運(yùn)動規(guī)律的研究基礎(chǔ)，其判斷方法概括為3種。1）利用J.U關(guān)系曲線判斷臨界不淤流速根據(jù)渾水阻力損失試驗資料，以單位距離的水頭損失，即壓力梯度（清水水柱）為縱坐標(biāo)，以斷面平均流速。為橫坐標(biāo)，繪制渾水JlU關(guān)系曲線，見圖1。以往的研究和很多文獻(xiàn)中認(rèn)為JlU關(guān)系曲線的最低點(diǎn)也就是相當(dāng)于管底開始出現(xiàn)沉積物的臨界情況，此點(diǎn)的流速即為臨界不淤流速。2）利用電導(dǎo)率儀判斷臨界不淤流速就液體而言，由于

9、介質(zhì)的不同，其電導(dǎo)率也不同。渾水在管道中流動時，當(dāng)管內(nèi)高速水流由大到小變化時，泥沙顆粒從均勻懸浮、到不均勻懸浮、管底床面存在明顯的推移運(yùn)動，以至開始出現(xiàn)泥沙的沉積和不動底床，其泥沙在不同流區(qū)的變化勢必產(chǎn)生管底層電導(dǎo)率的變化。隨著底層水流含沙量的增加，其電導(dǎo)率隨之增大，當(dāng)泥沙開始沉積后，電導(dǎo)率接近于最大，以后趨于平緩，此時的流速即為臨界不淤流速。3）目測在測試管道末端安置透明管，如有機(jī)玻璃管，通過目測判斷臨界狀態(tài)點(diǎn)。當(dāng)管底床面開始出現(xiàn)泥沙的沉積和不動底床時，此時的流速即為臨界不淤流速。5臨界不淤流速的影響因素1）含沙景對臨界不淤流速的影響管道臨界不淤流速試驗結(jié)合管路阻力損失同時展開，流速由大到小

10、進(jìn)行觀測。試驗表明，含沙量對臨界不淤流速有明顯的影響，當(dāng)含沙量較低時，臨界不淤流速隨含沙景的加大而增大;但當(dāng)含沙量加大到5.75%（重量比）時,臨界不淤流速因含沙量的加大而增大的趨勢趨于平緩。2）粒徑對臨界不淤流速的影響在渠灌區(qū)，由于渠首一般均采取一定的攔沙措施（如攔河坎），且對引水含沙景有一定的限制，其泥沙粒徑一般不超過1mm,含沙量多小于12%,在此條件下，泥沙徑對臨界不淤流速也有一定的影響，試驗觀測表明，當(dāng)泥沙顆粒開始沉積時，顆粒由大到小先后沉積，同樣含沙量條件下，臨界不淤流速隨顆徑的加大而增大。6臨界不淤流速的經(jīng)驗公式根據(jù)試驗資料，參考舒克和杜蘭德公式1碩,通過回歸分析，渾水管道臨界不

11、淤流速經(jīng)驗公式為：Ue=0.2799S：,84W/24Jgd七里式中:為臨界不淤流速（m/s）；g為重力加速度,S。為含沙量（體積比%）”,為泥沙密度（g/cm3）；為管徑（mm）；s為泥沙自由沉降速度（m/s）；p為水的密度（g/cm3）o7結(jié)論通過系統(tǒng)的室內(nèi)試驗，對渾水管道輸水系統(tǒng)水沙運(yùn)動規(guī)律有了一定的掌握，并根據(jù)試驗資料，依據(jù)沙泥運(yùn)動力學(xué)，通過回歸分析得出管道輸水系統(tǒng)臨界不淤流速經(jīng)驗公式。通過對該試驗研究成果綜合分析及實(shí)際工程驗證可知：1）管道臨界不淤流速的確定，將直接影響渠灌區(qū)管灌工程經(jīng)濟(jì)性和安全性,進(jìn)而影響該技術(shù)在渠灌區(qū)的推廣應(yīng)用。若管道臨界不淤流速選擇偏大，使得有些本滿足管道不淤條

12、件的區(qū)域不得不采取其它工程措施，這勢必造成工程上的浪費(fèi)；若臨界不淤流速選取值偏小，可能會造成管道淤堵而影響工程安全。2）通過將文中臨界不淤流速經(jīng)驗公式與以往有關(guān)文獻(xiàn)介紹的公式比較，以往有關(guān)公式計算值偏大，應(yīng)用于管道輸水系統(tǒng)過于保守。3）渠道區(qū)管道輸水系統(tǒng)不同于井灌區(qū)，由于其多利用天然水位差自壓灌溉，因此不具壓力補(bǔ)嘗功能。管道部分淤積后，管內(nèi)流速變化不大，致使泥沙逐漸累積。因此，必須正確定其臨界不淤流速，以確保系統(tǒng)安全。，考文獻(xiàn)；Durand,R.BasicRelationshipsoftheTransportationofSolidsinPipes-ExperimentalReaearchJ.

13、ProcMinnesouInternHydConv,1953.1 GibertR.TransportHydrauliqueetRefoulementdesMixturesonConduitesDJ.AnndesdesPontsetChaussees,130Armee,I960,<3、4）.C3錢寧，萬兆惠.況沙運(yùn)動力學(xué)M.北京，科學(xué)出版社,1983.12.4 ShenHW,JSWang.IncipientMotionandLimitingDepositConditionsofSolid-LiquidPipeFlowJ.Proc.Hydrotransport,1970,（1）.5 張英普，

14、何武全，蔡明科，等果濯區(qū)管道水系統(tǒng)防淤堵技術(shù)研究報告R.鋒凌，西北農(nóng)林科技大學(xué)，2004.5.6 ShookCA.PipeliningSolidsiTheDesignofShortDistancePipelinesM.ProcSymp.OnPipelineTransportofSolids,CanadianSoc.Chem.Engin.1969.的灌區(qū)資料有限，可能對評價的結(jié)果帶來一定的影響。但總體來說，評價結(jié)果反映了灌區(qū)的現(xiàn)狀，同時在評價中定量化分析了灌區(qū)持續(xù)發(fā)展中面臨的主要因素，對灌區(qū)的管理、規(guī)劃及戰(zhàn)略決策的制定具有一定的指導(dǎo)意義。，考文獻(xiàn):1金式容.系統(tǒng)工程與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略M.北京，科技

15、文就出版社.2000.2高整，聲隆，等.節(jié)水灌溉工程模物神經(jīng)網(wǎng)堵燎合評價模員研究J1農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003,(4).3裴源生.中國農(nóng)業(yè)水危機(jī)對策研究M.北京，中國農(nóng)業(yè)科技出版社，1998.155-170.4高得三，等.海城市農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化量化指標(biāo)體系研究口.農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)向題,1998,(7.5吳寡光.我國小康生活水平和測度尺度與指標(biāo).中國人口、安源與環(huán)境，1995,(5).6張志強(qiáng).區(qū)域可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)體系的理論及方法口中國人口、資源與環(huán)境，1994,3).7涌萬金，等.礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)體系及評價方法研究口)系統(tǒng)工程理婚與實(shí)tt.1999,(12).StudyontheAppraisalMethodf

16、orSustainableDevelopmentofLarge-MediumSizedIrrigationDistrictPANGuo-qiang,JIANGLi,YANGQiu-gui(HenanProvinceWaterConservancyResearchInstitute,Zhengzhou450003,China)Abstract:Inthepaper,onthebasisoftheexperts*opinionsonproblemsintheoperationoftypicallarge-mediumsizedirrigationdistrictsinHenan,theapprai

17、salindexsystemforirrigationdistrictsustainabledevelopmentisputforwardwithregionalsustainabledevelopmentappraisaltheory,anappraisalmodelissetupbasedonstratificationanalysisandDelpheemethod,andapracticalappraisalmethodanditsstandardthree-gradeappraisalvaluemethodisintroduced.Thesaidmodelisusedinapprai

18、salofthetypicalirrigationdistrictsinHenanandtheresultsaresatisfactory.Keywords：irrigationdistrict；sustainabledevelopment；indexsystem；appraisalmethod上接第36頁)ExperimentalStudyonNon-depositingCriticalVelocityofMuddyWaterDeliveryinPipelineSystemZHANGYing-pu,HEWu-quan,CAIMing-ke,WANGYu-bao(CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering»NorthwestSci-TechUniversityofAgricultureandForestry,Yangling712100,China)Abstract:Multi-sedimentriverwasregardedassourceofwaterinnorthernchannelirrigationarea.Whichirrigationtechniqueofwaterdeliveryinpipelinebeingextendedandappliedisrestrictedbecauseofsedime