安杰，宗全利，湯驊

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子832003）

管道輸水灌溉技術(shù)已經(jīng)成為世界農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于管道內(nèi)水壓力很低，一般不超過0．2MPa，且在克服管道輸水壓力損失之后，管道最遠(yuǎn)處出水口壓力應(yīng)控制在0．002～0．003 MPa，故稱為低壓管道輸水灌溉［1］。它具有節(jié)水、省地、省工、低能耗等優(yōu)點(diǎn)［2－3］，我國自20世紀(jì)50年代，開始嘗試對低壓管道輸水灌溉技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。盡管近十幾年來管道輸水灌溉發(fā)展較快，但管道淤堵問題一直是影響管道輸水灌溉技術(shù)在渠灌區(qū)推廣應(yīng)用的一個(gè)重要制約因素，而解決渾水管道泥沙淤堵問題的關(guān)鍵就在于其臨界不淤流速的確定［4－5］。至今，臨界不淤流速的計(jì)算大多采用輸漿體管道臨界不淤流速的計(jì)算公式，而輸漿體管道的含沙量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸渾水管道中的含沙量，因此，在輸渾水管道灌溉中采用輸漿體的臨界不淤流速公式計(jì)算臨界不淤流速缺乏可靠性。本研究主要是通過對低壓輸渾水管道在不同含沙量下的臨界不淤流速的試驗(yàn)研究，同時(shí)參考輸漿體管道的臨界不淤流速的計(jì)算公式，求得更適合計(jì)算低壓輸渾水管道的臨界不淤流速的經(jīng)驗(yàn)公式。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1．1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要包括蓄水池、攪拌池、水泵、渾水管道系統(tǒng)、測壓管、電磁流量計(jì)、透明有機(jī)玻璃觀測管、管道系統(tǒng)（聚氯乙烯硬塑料管）等。系統(tǒng)管道總長為50m，管道外徑為200mm，管壁厚5mm。

1．2 試驗(yàn)方法

采用試驗(yàn)水力學(xué)原型觀測法，流量采用電磁流量計(jì)測定，阻力損失用測壓管觀測，臨界不淤流速采用目測透明有機(jī)玻璃管段進(jìn)行判斷。試驗(yàn)在同一泥沙粒徑級(jí)配及不同含沙量組合下，使進(jìn)口流速分別由大變小和由小變大變化，通過觀測法判斷泥沙不淤積的臨界狀態(tài)，測出臨界狀態(tài)的流量和測壓管水頭，結(jié)合2種情況試驗(yàn)結(jié)果確定臨界不淤流速值。

圖1 管道輸渾水試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig．1The schemes of experimental system about muddy water pipe

2 結(jié)果與分析

2．1 試驗(yàn)沙洋測試結(jié)果

試驗(yàn)沙樣為天然河沙，其粒徑級(jí)配分析結(jié)果見圖2，中值粒徑d50＝0．15mm。

根據(jù)我國西北地區(qū)以多泥沙河流為水源的渠灌區(qū)運(yùn)行實(shí)際，共設(shè)計(jì)進(jìn)行了16組不同含沙量試驗(yàn)，含沙量變化范圍為0．185～6．852kg／m3。試驗(yàn)不同處理水樣的實(shí)際物理性狀見表1，其中水體積質(zhì)量為1000kg／m3，泥沙體積質(zhì)量為2．65×103kg／m3。

圖2 泥沙顆粒級(jí)配圖Fig．2The size gradation of sedment

表1 渾水水樣物理性狀Tab．1The physical properties of muddy water samples

2．2 臨界不淤流速判別

為了防止在渾水低壓管道輸水過程中因泥沙沉積而造成管道的淤堵，便提出了臨界不淤流速的概念，然而對于臨界不淤流速的定義，卻不盡相同。高桂仙等［6］的觀點(diǎn)是泥沙開始出現(xiàn)落淤時(shí)，管中斷面的平均流速就是臨界不淤流速；周維博等［7］的觀點(diǎn)是保證含沙水流所挾帶的泥沙能夠穩(wěn)定地隨水流輸運(yùn)而不在管道中淤積時(shí)的管道水流最低的平均流速稱為臨界不淤流速；何武全［8］、張英普［9］等的觀點(diǎn)是管道中泥沙出現(xiàn)明顯推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的斷面平均流速稱為臨界不淤流速。通過試驗(yàn)研究，筆者認(rèn)為當(dāng)管道中泥沙在管底呈線形較慢推移前進(jìn)而未出現(xiàn)成堆淤積時(shí)，管中斷面的平均流速為臨界不淤流速。

2．3 臨界不淤流速測定方法

臨界測定不淤流速主要有3種方法，分別如下：

1）觀測法。通過一直段透明有機(jī)玻璃管道觀測渾水泥沙沉降淤積情況，根據(jù)臨界不淤流速定義判定出現(xiàn)臨界不淤狀態(tài)，通過測定流量從而求出臨界不淤流速。

2）電測法。利用渾水中導(dǎo)電物質(zhì)測定其電導(dǎo)率的變化率。在含沙量一定情況下，當(dāng)泥沙沒有明顯沉降時(shí)，電導(dǎo)率不會(huì)隨著斷面平均流速增大而變化；當(dāng)泥沙有明顯沉降時(shí)，渾水中導(dǎo)電物質(zhì)發(fā)生明顯變化，其電導(dǎo)率也會(huì)發(fā)生明顯變化。此方法比較準(zhǔn)確，可以精確判定臨界不淤流速，精度比較高。

3）圖解法。根據(jù)渾水阻力損失試驗(yàn)結(jié)果繪制出渾水水力坡降與斷面平均流速之間關(guān)系曲線，曲線最小值對應(yīng)的斷面平均流速即為臨界不淤流速。

以上3種方法，目測法比較直觀，可以直觀觀測泥沙在管道中的運(yùn)動(dòng)形式，特別是泥沙的淤積過程，但人為因素影響大；電測法比較準(zhǔn)確，可以精確判定臨界不淤流速，精度高，但渾水導(dǎo)電率變化范圍較小，不易確定；圖解法可以驗(yàn)證其它兩種方法，實(shí)際試驗(yàn)過程中可以3種方法都采用，互相驗(yàn)證所判斷的臨界不淤流速是否準(zhǔn)確。

2．4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)研究主要通過觀測法，透過一直段透明有機(jī)玻璃管，利用變頻設(shè)備調(diào)節(jié)管道中的流速，觀察在不同含沙量下渾水泥沙沉降淤積情況，根據(jù)上述臨界不淤流速的定義判定出現(xiàn)臨界不淤狀態(tài)，最終通過測定流量從而求出臨界不淤流速，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見圖3。

從圖3及試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泥沙開始出現(xiàn)沉積時(shí)，泥沙顆?？偸怯纱蟮叫∠群蟪练e，然后逐漸成線形沉積，最終成堆淤積在管底；含沙量對于臨界不淤流速具有一定的影響，即在同一種管徑和泥沙容重條件下，臨界不淤流速隨著含沙量的增大而增大，但臨界不淤流速并不是隨著含沙量的增大而一直增大，當(dāng)含沙量達(dá)到一定程度時(shí)，臨界不淤流速增大趨勢開始趨于平緩，即臨界不淤流速隨著含沙量增大，其增大的趨勢逐漸減小。

圖3 含沙量與臨界不淤流速關(guān)系曲線Fig．3Relationship between silt content andnon－depositing critical velocity

3 臨界不淤流速經(jīng)驗(yàn)公式的建立

式（1）中：vs為臨界不淤流速（m／s）；g 為重力加速度；Sv為體積比含沙量（L／m3）；ρs為泥沙密度（g／cm3）；D 為管徑（m）；ω為泥沙自由沉降速度（m／s），取d50對應(yīng)沉降速度；ρ為水的密度（g／cm3）。

將獲得的臨界不淤流速經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，兩者符合較好，公式相關(guān)系數(shù)R2＝0．95，擬合度較高，完全可以用于實(shí)際計(jì)算。

結(jié)合已有的試驗(yàn)資料和研究成果，低壓輸水管道的臨界不淤流速的影響因素主要有輸水管徑的大小、泥沙密度及含沙量等。通過回歸性分析，并參考杜蘭德公式和舒克公式［10－11］，可得出低壓輸渾水管道臨界不淤流速的經(jīng)驗(yàn)公式為：

圖4 臨界不淤流速計(jì)算值與實(shí)測值對比Comparison between calculated value and actual measureddata of non－depositing critical velocity

4 結(jié)語

1）通過系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)，對低壓輸渾水管道臨界不淤流速進(jìn)行了研究，并根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象重新定義了低壓輸渾水管道的臨界不淤流速。

2）雖然低壓輸水管道所能承受的壓力范圍較小，但與前人相比，本試驗(yàn)采用的管徑較大，其壓力范圍也相應(yīng)的得以擴(kuò)大，可以得到更大范圍的臨界不淤流速，結(jié)果所得的規(guī)律性更加明顯和準(zhǔn)確。

3）經(jīng)過對所得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出了泥沙含量對臨界不淤流速的影響規(guī)律，并給出了臨界不淤流速的經(jīng)驗(yàn)公式。通過比較所得到的臨界不淤流速經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與實(shí)測值，該公式精度較高，完全可以用于實(shí)際計(jì)算，從而為低壓輸渾水管道設(shè)計(jì)中臨界不淤流速的計(jì)算提供重要參考。

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