閏振峰 蔣思奇 李昆鵬 王遠見 李濤 李新杰

摘要：為研究平原型水庫泥沙清淤試驗的效果，同時進行平原型水庫清淤試驗排沙效率和經(jīng)濟性的定量分析，以西霞院水庫清淤試驗為例，針對輸沙管道南岸過壩方案，分析了平原型水庫泥沙清淤試驗中不同工況下的泥沙運動形式、實測阻力及輸移泥沙懸浮情況等，分析計算了各種工況下輸沙耗水率及試驗清淤成本。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;泥沙;清淤;平原型水庫

中圖分類號：TV145

文獻標志碼：A

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

平原水庫是相對于山丘區(qū)水庫而言的，一般位于大江、大河下游的沖積平原地區(qū)，我國松嫩平原、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[1]。平原水庫緩解了水資源嚴重匱乏地區(qū)的供需矛盾，彌補了枯水期農(nóng)業(yè)灌溉引水的不足，為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展提供了可靠的水源，改善了周圍生態(tài)環(huán)境，調(diào)節(jié)了區(qū)域小氣候。作為制約平原水庫社會經(jīng)濟效益發(fā)揮的主要因素之一，庫區(qū)泥沙淤積問題已經(jīng)日益突出，如新疆已建成的500余座水庫中大部分是平原水庫，有些水庫已淤庫容在50%以上，有的已淤滿失效，全區(qū)總淤積量已達11億m³[2]。崔淑霞[3]分析了高含沙黃河水進入平原水庫庫區(qū)造成的淤積問題，提出了擴建沉沙工程和襯砌輸水渠等解決水庫淤積的主要途徑：馬曉昱[4]通過研究新疆已建平原水庫的淤積情況及影響因素，分析了可能帶來的危害，提出了相應(yīng)的解決策略：范小軍等[5]總結(jié)了平原水庫清淤措施的研究進展，闡述了平原水庫清淤的必要性和可行性：王世杰[6]探討了平原型水庫面臨的用水量增加和淤積等主要問題，并對3種增容措施及效果進行了對比研究。

目前，平原型水庫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，對清淤方案評價、清淤效果的分析研究較少?；诖?，筆者選取黃河干流西霞院水庫進行試驗，對典型平原水庫清淤措施選擇、方案選取、方案檢驗和經(jīng)濟分析等進行研究探討。由于西霞院庫區(qū)表層淤積泥沙的固結(jié)強度較低，多為較松散的淤積泥沙，因此無需破土裝置即可開展清淤作業(yè)，且水庫清淤具有淤積層?。?～7 m）、淤積面大、水頭差小等特點，從淤積物的組成、分布以及水庫調(diào)度等多方面權(quán)衡考慮，采用射流沖吸式清淤技術(shù)實施水庫泥沙清淤。

1 水庫泥沙清淤試驗

1.1 庫區(qū)基本情況

西霞院水庫位于河南省洛陽市境內(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，無大支流匯人，河長大于5 km的小支流共有7條。西霞院庫區(qū)自然河道表現(xiàn)為沿程上窄下寬，庫區(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。

西霞院水庫校核洪水位134.75 m以下總庫容為1.62億m³.水庫正常蓄水位134.00 m以下庫容為1.45億m³，沖淤平衡時庫容為0.452億m³，庫水位131.00～134.00 m之間的反調(diào)節(jié)庫容為0.332億m³。據(jù)小浪底水文站1919-1998年實測資料系列統(tǒng)計，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，西霞院水庫累計淤積0.203 2億m3，年均淤積量254萬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

1.2.1 試驗?zāi)康募安贾?/p>

（1）試驗?zāi)康?。通過西霞院水庫庫區(qū)局部的清淤試驗來遏制水庫的淤積趨勢，改善泥沙淤積部位，這既是解決平原型水庫泥沙淤積問題最直接有效的途徑，也是充分發(fā)揮平原型水庫功能、維護河流健康的重大需求。研究不同工況下水庫泥沙清淤效果，作為水庫泥沙處理的“落腳點”，可為后續(xù)清淤提供可靠的試驗基礎(chǔ)。

（2）試驗線路布置及監(jiān)測。在掌握西霞院水庫來水來沙和庫區(qū)淤積規(guī)律的基礎(chǔ)上，對泥沙起懸、輸送等配套設(shè)備進行選型、優(yōu)化與集成，提出水庫泥沙處理方案，確定出庫方式、實施區(qū)域、時機、工程布置、作業(yè)路線、清淤規(guī)模等。綜合考慮不同庫段邊界條件、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)，提出西霞院水庫泥沙處理與利用聯(lián)合技術(shù)示范方案。

試驗采用輸沙管道南岸過壩方案（見圖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、黃河南岸護堤鋪設(shè)管道，陸地管道長度約為1.6 km。排沙管道公稱直徑為219 mm，每節(jié)管道長6m.水上每節(jié)管道間用專用的1.5 m長橡膠軟管連接。

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

1.2.2 試驗工況

為試驗不同工況的抽沙效果，水泵采用皮帶傳動，水泵有3種直徑的皮帶輪，通過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。試驗工況見表1。

西霞院庫區(qū)現(xiàn)場抽沙試驗平臺裝置具備200PN -35型臥式砂泵配90KW-4P電機以及200ZE-45型砂泵配110KW-4P電機的單泵及雙泵串聯(lián)條件。不同流量級下管道輸送試驗的測驗數(shù)據(jù)包括流量、含沙量和管道沿程壓力。

2 方案檢驗

由于泥漿泵從河底抽取的泥漿濃度具有隨機性，測點的含沙量也不穩(wěn)定，因此將每個斷面上、中、下3個測點的含沙量均值作為該斷面的含沙量，進出口含沙量的均值作為這組試驗的含沙量。根據(jù)7種試驗工況對實測含沙量進行分析，結(jié)果表明：每個斷面上、中、下3個測點的含沙量均很不穩(wěn)定：實測含沙量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時試驗開始，出口處斷面11時30分的平均含沙量為4.4 kg/m3.工況4于2016年10月26日9時試驗開始，出口處斷面11時50分的平均含沙量出現(xiàn)最大值342.6kg/m³）;各工況下出口的實測平均含沙量均小于進口的;除了工況4，其余各工況出口的實測最大含沙量均小于進口的;隨著流量增大，所測平均含沙量呈增大趨勢，最大含沙量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

2.1 運動形式分析

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)實測含沙量和流量資料，計算管道進口和出口相同時段內(nèi)的輸沙量，以出口與進口單位時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，管道進口到出口間隔2 400 m.流量300 m³/h時流速為1.80 m/s.泥沙漿體從進口到出口的運行時間為23 min.所以采用出口延遲23 min的含沙量：流量250 m³/h時流速為2.07 m/s.泥沙漿體從進口到出口的運行時間為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為卡門常數(shù)，取0.4;U*為摩阻流速，m/s。

Z大于5時泥沙顆粒發(fā)生推移運動，Z小于0.1時泥沙顆粒發(fā)生懸移運動。表2中排沙比均接近1，考慮試驗測量取樣存在誤差，并且分析顆粒級配時可以看出出口處的顆粒級配并沒有發(fā)生明顯的細化現(xiàn)象，在試驗完畢后拆卸管道過程中也未發(fā)現(xiàn)泥沙殘留的現(xiàn)象，故認為7種工況均未發(fā)生淤積，進口和出口排沙平衡。同時，7種工況的懸浮指數(shù)均小于0.1，說明7種工況下泥沙均為懸移運動，這進一步驗證了管道中沒有發(fā)生淤積。

2.2 實測阻力分析

工況1～工況5布設(shè)了4個壓力觀測斷面，工況6和工況7中增加了壩前壓力測量斷面。在流量相差不大時，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流量相對較大時，出口斷面的壓力值也相對較大，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，因此在進行水力坡降計算時不將出口斷面的壓力值納入計算中。

根據(jù)達西一韋斯巴赫公式計算沿程阻力系數(shù)：式中：A為沿程阻力系數(shù);L為管道長度，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，阻力系數(shù)隨含沙量的增大而減?。毫髁繛?40～250 m³/h時，阻力系數(shù)隨著含沙量的增大變化不大：當流量達到300 m³/h時，隨著含沙量的增大，阻力系數(shù)達到1.97;而流量為300—330 m³/h時，隨著含沙量的增大，阻力系數(shù)又保持基本穩(wěn)定。這說明當流量大于某一值時，阻力坡降隨含沙量增大會先減小后增大，因此存在一個臨界值使阻力損失最小，當流量超過這一臨界值時，含沙量的持續(xù)增大會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流速

過去有關(guān)學(xué)者針對臨界不淤流速進行了大量試驗，分析了影響臨界不淤流速的因素，認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算公式，但計算精度都不是太高，原因是固體的濃度及固體顆粒組成太復(fù)雜。在沒有更好的公式以前，本文采用文獻[7]中的公式進行計算，結(jié)果見表4。

臨界不淤流速是管道輸送流速的設(shè)計依據(jù)，若管道設(shè)計輸送流速太大，則阻力損失大，輸送能耗高，另外固體顆粒對管道磨蝕也更嚴重：若管道輸送流速太小，則固體顆?？赡懿粫腋∑饋?，甚至?xí)a(chǎn)生淤積，造成管道堵塞。因此，管道設(shè)計輸送流速一定要大于管道臨界不淤流速，實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 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗工況分析

7種工況下實測含沙量顯示，相對單泵（200PN -35型.200ZE-45型）條件，雙泵串聯(lián)條件（工況6和工況7）下由于抽沙動力更大、持續(xù)性更強，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，見表5。

3.2 排沙效率分析

根據(jù)實測的含沙量和流量資料，計算管道進口和管道出口相同時段內(nèi)的輸沙量，以出口與進口單位時間的輸沙量之比作為管道排沙比，見表6。根據(jù)各工況實測數(shù)據(jù)計算不同輸沙量相應(yīng)的耗水量，進而計算排沙耗水量，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，遠低于其余6種工況。

3.3 清淤成本分析

根據(jù)西霞院水庫泥沙清淤試驗生產(chǎn)成本統(tǒng)計，抽沙固定資產(chǎn)包括抽沙平臺建造、抽沙管道及浮筒加工、抽沙平臺現(xiàn)場組裝、浮筒組裝及水上管道布設(shè)、岸上管道布設(shè)、拆卸等，固定成本計算其折舊額Cg，本次清淤試驗計算為7.56萬元;變動成本中抽沙運行費用Cb包括生產(chǎn)占地費用、人工費用、水電費用及稅費等，合計15元/m³。通過計算，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。考慮到固定成本計算其折舊額不變，要想降低清淤生產(chǎn)成本，就要對抽沙運行管理方案進行優(yōu)化。

4 結(jié)語

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

參考文獻：

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