陳楊柳二，郝宇馳，陶潤禮，張民曦，喻國良

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208)

管道輸送是疏浚工程中高濃度泥漿的一種主要輸送方式，在輸送過程中尤其是長距離輸送情況下，隨著輸送距離變長、輸送時(shí)間增加，泥沙顆粒由于其重力作用逐漸向管道底沉積而不再保持懸浮狀態(tài)，導(dǎo)致管道輸送阻力增大，從而增大輸送的能耗、降低排距，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐啥鹿艿葐栴}。若發(fā)生堵管，挖泥船必須停工，需花較長時(shí)間清通管道，進(jìn)一步降低疏浚效率。因此，本文的主要關(guān)注點(diǎn)在于長距離泥漿管道輸送的減阻研究。

在多年理論研究與工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，泥漿管道輸送減阻方法的研究取得了豐碩的成果。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，在泥漿輸送中添加高分子聚合物[1-2]、細(xì)顆粒泥沙[3-4]、氣體[5-7]等介質(zhì)以影響管道內(nèi)的流場能夠在一定范圍內(nèi)取得良好的減阻效果，但不論哪種介質(zhì)的添加量都會受到輸送距離和時(shí)間的制約[8]，這個(gè)問題限制了添加介質(zhì)減阻方法在許多大型疏浚工程中的應(yīng)用。近年來，泥沙流變學(xué)[9]為工程領(lǐng)域和自然現(xiàn)象中的一些問題提出新的解決途徑。采用高頻微幅振動將水下淤泥流化后再利用泥漿泵進(jìn)行輸送，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了輸送阻力減小[10]。孫業(yè)志等[11]通過大紅山全尾砂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)振動減阻在漿體輸送中是可行的。依據(jù)楊聞宇和喻國良[12-13]的研究，對高濃度淤泥施加機(jī)械振動作用會降低其黏滯系數(shù)。然而，將機(jī)械振動載荷流化疏浚泥漿而減小輸送阻力的程度值得進(jìn)一步研究。為此，本文將通過物理試驗(yàn)探索機(jī)械振動荷載誘發(fā)泥沙流變在疏浚泥漿管道輸送中的實(shí)際減阻效果。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)管道

泥漿管道輸送的物理試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。試驗(yàn)管道內(nèi)徑為100 mm，總長為14.5 m，管道上部使用無色透明亞克力材質(zhì)以便觀察整個(gè)試驗(yàn)過程，其余部分使用普通PVC材質(zhì)，各管段采用法蘭連接。正式試驗(yàn)前多次使用清水運(yùn)行，以檢測整個(gè)管道系統(tǒng)是否會出現(xiàn)漏液。

圖1 試驗(yàn)管道系統(tǒng)

試驗(yàn)?zāi)酀{儲存在尺寸為1 200 mm×800 mm×400 mm(長×寬×高)的鋁合金箱泥池中，其上部未封頂且切割一部分，以方便試驗(yàn)系統(tǒng)搭建及試驗(yàn)過程中使用攪拌器等相關(guān)操作，底部開孔處使用PVC材質(zhì)接頭連接泥池與PVC管段。

試驗(yàn)采用4 kW立式泵、防腐蝕的UPVC隔膜閥和DN100四氟襯里電磁流量計(jì)。通過調(diào)節(jié)閥門的開閉程度來控制管道內(nèi)流量大小，并通過讀取電磁流量計(jì)數(shù)據(jù)，記錄泥漿輸送的流量與流速。

振動流化段由中間的鋼制振動管段和兩側(cè)的減振法蘭組成。其中鋼制振動管段采用耐腐蝕且強(qiáng)度合適的不銹鋼材質(zhì)，在長為500 mm的不銹鋼管中心管底外側(cè)焊接一個(gè)固定平臺用以安裝振動源(24 V小型直流電動振動馬達(dá))，并在鋼管兩側(cè)焊接法蘭盤以便連接減振法蘭。設(shè)置減振法蘭的目的是防止振動源工作時(shí)產(chǎn)生的振動傳遞到兩側(cè)的亞克力管段。整個(gè)振動流化段的內(nèi)徑與其余管段保持一致(均為100 mm)，以最大程度減小整個(gè)管道系統(tǒng)內(nèi)泥漿輸送時(shí)的局部阻力損失。

振動流化段前后各布置兩個(gè)距離相等的測壓點(diǎn)，外接測壓管分別測量試驗(yàn)過程中前后兩組測壓點(diǎn)的壓力差(即對應(yīng)的阻力損失)，前面兩測壓點(diǎn)的壓力差用作校準(zhǔn)，通過后面兩測壓點(diǎn)間壓力差的變化來反映施加振動載荷前后泥漿管道輸送阻力損失的變化，從而體現(xiàn)減阻效果的變化。

1.2 試驗(yàn)?zāi)鄻?/h3>

選取實(shí)驗(yàn)室中從奉賢海灘挖掘獲得的泥樣[14]，去除草根、貝殼、石塊等雜質(zhì)，取清水均勻攪混制成泥漿，將其儲存在泥池中，多次取樣并使用激光粒度儀測定得到最終制備的泥漿泥沙中值粒徑d50=31 μm。后續(xù)試驗(yàn)中可以通過不斷添加篩過的泥樣增大管道輸送的泥漿濃度。

1.3 試驗(yàn)步驟

1)在泥池中備好初步試驗(yàn)所需的泥漿并測定其濃度，連接電源并運(yùn)行泵，調(diào)節(jié)隔膜閥開啟程度，直至電磁流量計(jì)顯示的泥漿輸送流量達(dá)到穩(wěn)定且流速為0.9 m/s時(shí)，記錄此時(shí)振動流化段前后兩組壓差值。打開電源并啟動振動馬達(dá)，將其振動頻率依次調(diào)節(jié)為10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 Hz以獲得不同的試驗(yàn)組次，對應(yīng)記錄每個(gè)振動頻率下的振動流化段前后兩組壓差值。

2)改變隔膜閥開啟程度，將泥漿管道輸送流速依次增大為1.2、1.5、1.8、2.1、2.4、2.7 m/s，且分別對各個(gè)輸送流速重復(fù)前述試驗(yàn)操作。在改變輸送流速前需要關(guān)閉隔膜閥與泵，并使用攪拌器均勻攪拌泥池內(nèi)的泥漿，待泥漿靜置一段時(shí)間，以達(dá)到每次運(yùn)行之前試驗(yàn)?zāi)酀{的性質(zhì)能最大程度上相近。

3)在完成該體積濃度下輸送流速達(dá)到2.7 m/s的試驗(yàn)后，關(guān)閉隔膜閥與泵，再通過添加篩過的泥樣增大管道輸送的泥漿濃度，并重復(fù)前述所有試驗(yàn)步驟。另外，當(dāng)最大試驗(yàn)?zāi)酀{濃度達(dá)到體積濃度CV=30%時(shí)，不再繼續(xù)增加輸送濃度。

1.4 試驗(yàn)工況

按照上述步驟開展了7種體積濃度、7種輸送流速、11種振動頻率(包含未施加振動荷載)下的管道減阻試驗(yàn)，以探索泥漿管道輸送在不同工況下的減阻效果變化規(guī)律，見表1。

表1 管道試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 振動流變下減阻效果分析

保持泥漿體積濃度和管道輸送流速不變，改變振動流化段管底振動頻率進(jìn)行試驗(yàn)分析，見圖2a)；保持振動流化段管底振動頻率和管道輸送流速不變，改變泥漿體積濃度進(jìn)行試驗(yàn)分析，見圖2b)；保持振動流化段管底振動頻率和泥漿體積濃度不變，改變管道輸送流速進(jìn)行試驗(yàn)分析，見圖2c)。

由圖2a)可以看出，對于管道內(nèi)徑為100 mm、泥沙中值粒徑d50為31 μm的泥漿，在任一體積濃度和輸送流速下，在管道底部施加微幅機(jī)械振動都能夠減小泥漿在管道輸送中產(chǎn)生的阻力損失，其中在體積濃度為29.94%、輸送流速為0.9 m/s、振動頻率為100 Hz時(shí)能減小20%以上的阻力損失。

另外，泥漿管道輸送阻力損失減小率隨振動頻率的變化曲線有著相似的規(guī)律，即隨著振動頻率的增大先明顯增大后趨于平緩，這也表明試驗(yàn)中振動流化段的減阻效果有著隨振動加載頻率增加呈現(xiàn)先顯著提升后逐漸穩(wěn)定的趨勢。

在振動加載頻率為10 Hz時(shí)，阻力損失減小率相較于未施加振動有陡增現(xiàn)象，這是由于微幅機(jī)械振動誘發(fā)流經(jīng)振動單元的泥漿發(fā)生流變、降低了接觸面附近泥漿黏度而明顯減小了輸送的阻力損失。對于圖中數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得到，振動頻率為40 Hz時(shí)的阻力損失減小率大小平均達(dá)到了振動頻率為100 Hz時(shí)的87.53%，這說明在振動頻率為40 Hz的基礎(chǔ)上振動頻率增大1.5倍只能提升不到1/8的減阻效果?？梢哉J(rèn)為40 Hz為本文管道振動減阻試驗(yàn)的最優(yōu)振動頻率(fo)，在此時(shí)泥漿管道輸送系統(tǒng)達(dá)到了最佳減阻效益狀態(tài)，因?yàn)榧哟笳駝宇l率所得到減阻效果的提升遠(yuǎn)不及所增加的功耗，其減阻效益反而會降低。

由圖2b)可以看出，阻力損失減小率隨體積濃度的變化曲線有著相近的形態(tài)，即阻力損失減小率隨著體積濃度的增加而增大，但其增大的速度逐漸減緩。這也表明振動流化段的減阻效果隨泥漿體積濃度的增大而增強(qiáng)，且逐漸達(dá)到相對平衡狀態(tài)。另外，體積濃度對減阻效果的影響受到輸送流速與振動頻率大小的限制，當(dāng)輸送流速為2.7 m/s、振動頻率為100 Hz時(shí)，泥漿體積濃度CV值為16.63%較9.59%時(shí)阻力損失減小率的數(shù)值僅提升了19.35%；而當(dāng)輸送流速為0.9 m/s、振動頻率為60 Hz時(shí)該值為58.45%，是前者的3.02倍。

另外，在不同的振動頻率和體積濃度下，每條阻力損失減小率曲線的變化趨勢也有著同樣的趨勢，見圖2c)，即阻力損失減小率隨著輸送流速的增加而不斷減小，直至曲線趨于平穩(wěn)。這也表明振動流化段的減阻效果隨著輸送流速的增大而減弱最后達(dá)到相對平衡。在試驗(yàn)中輸送流速為0.9 m/s時(shí)振動流化段的減阻效果最明顯，在圖4中當(dāng)時(shí)阻力損失減小率為流速2.7 m/s時(shí)相應(yīng)值的2.10～4.44倍。這是因?yàn)榱魉僭叫r(shí)泥漿中的泥沙顆粒向管道底部下沉淤積的趨勢越強(qiáng)，相應(yīng)輸送的阻力損失越大，而在此時(shí)施加微幅機(jī)械振動來流化管底壁，附近的泥漿能夠最大程度上減小輸送阻力損失。

圖2 阻力損失減小率變化曲線

2.2 阻力損失減小率計(jì)算公式

如上所述，泥漿管道振動減阻效果受到振動頻率、體積濃度以及輸送流速的影響。因此，相應(yīng)的阻力損失減小率可以表示為：

(1)

由前述分析可知，振動頻率、體積濃度與輸送流速3個(gè)參數(shù)對于阻力損失減小率均有相應(yīng)的影響關(guān)系，即：

(2)

選取試驗(yàn)中最優(yōu)振動頻率fo并引入管道輸沙臨界流速vc，得到方程(2)的無量綱函數(shù)形式為：

(3)

將d50=31 μm，g=9.8 m/s2，D=0.1 m，ρs=2.65 t/m3，fo=40 Hz代入方程(3)中，并通過對圖2a)中共計(jì)539組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，最終得到泥漿管道輸送振動流變減阻情況下的阻力損失減小率計(jì)算公式如下：

ln(3.701f+1)

(4)

其中，擬合方程(4)的R2為0.95，且使用方程(4)對前述所有工況總共539組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將得到的計(jì)算值和阻力損失減小率實(shí)測值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖3。從圖中可以看到計(jì)算值點(diǎn)群基本集中分布在完全一致線兩側(cè)附近，進(jìn)一步表明擬合效果良好。

圖3 阻力損失減小率的預(yù)測值與實(shí)測值的比較

但需要注意的是，式(4)尚未考慮泥漿的顆粒粒徑、輸送管徑和振動加載布置方式等因素的影響。此外，試驗(yàn)中搭建的振動流化段前后管道是水平且呈直線布置的，而在疏浚工程中，尤其在長距離疏浚淤泥輸送時(shí)，管道的布置會因山丘、河渠、建筑物等周邊環(huán)境條件而發(fā)生傾斜或曲折，可能導(dǎo)致出現(xiàn)泥漿輸送阻力損失局部突變，所布置的振動流化裝置的實(shí)際效果也會相應(yīng)出現(xiàn)波動。

3 結(jié)論

1)施加微幅機(jī)械振動載荷誘發(fā)管內(nèi)泥漿流變能夠切實(shí)有效地減少泥漿管道輸送的阻力損失。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泥漿管道輸送的減阻效果隨著振動頻率的增大先明顯提升后逐步趨于穩(wěn)定；隨著體積濃度的增加而增強(qiáng)，但其增強(qiáng)的速度逐漸減?。浑S著輸送流速的增加而不斷減弱直至趨于平穩(wěn)。且本文試驗(yàn)中存在一個(gè)最優(yōu)振動頻率為40 Hz，在此時(shí)泥漿管道輸送系統(tǒng)達(dá)到最佳減阻效益狀態(tài)。

2)通過本文試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)徑為100 mm管道中，當(dāng)泥漿體積濃度為29.94%、管道輸送流速為0.9 m/s、微幅機(jī)械振動頻率為100 Hz時(shí)，對于中值粒徑為31 μm的奉賢海灘泥沙能減小20%以上的阻力損失。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了將微幅機(jī)械振動應(yīng)用在長距離泥漿管道輸送中可取得較好的減阻效果。

3)針對本文試驗(yàn)條件范圍，建立了泥漿管道輸送振動流變減阻下阻力損失減小率的計(jì)算方程，為今后深入研究與工程實(shí)際應(yīng)用提供參考。