关于浑水管道输水系统临界不淤流速的试验研究.docx

1、2004年12月第23卷第6期淮溉排水学报JournalofIrrigaiionandDrainage文章编号：1000-646X(2004)06-0034-03关于浑水管道输水系统临界不淤流速的试验研究张英普，何武全，蔡明科，王玉宝（西北农林科技大学，陕西杨凌712100）捎要：我国北方梁湛区多以多泥沙河流为水源，管道游墙何题是影响Tit*水灌沅技术在梁灌区推广应用的制约因素之一.而解决浑水管道泥沙於绪问题的美徒在于其临界不淤沆速的确定.根据我国浑水果灌区泥沙特点和运行实际，以泥9运动力学为理论基珀，利用管道水试检系统，对不同舍沙量下的格界不於波速进行了系饨试脍研究，得出格界不於流速经验公式

2、，为浑水渠灌区管道水系统防於堵提供了理论依据.关词,Tit*水系统；泥沙；金沙量；格界不於波速中图分类号：S274.2文献标识码：A1引S我国渠灌区多以多泥沙河流为水源，管道的泥沙淤堵问题同大口径管材管件、渠道管道衔接和分水配水等问题一样，成为影响我国渠灌区管道输水灌溉技术推广应用和发展的制约因素。而管道泥沙淤堵问题的解决,将有赖于管道临界不淤流速的准确判断和确定。目前，有关管道临界不淤流速的试验研究"刁，大多以利用管道输送固体颗粒为对象，以为了防止管道输沙过程中的管道淤堵为目的而展开的，很多试验工作都是围绕着临界淤积流速进行的。而针对管道输水系统者很少。与渠灌区管道输水灌溉系统相比

3、，无论就输送目的，输送介质而言，还是从运行方式和动力来源讲，都存在较大的差异。因此，管道输水灌溉系统临界不淤流速利用管道输送的相关公式确定，势必存在适用性和准确性问题,其结果缺乏可靠性。有必要通过管道输水试验系统,对渠灌区管道输水系统临界不淤流速进行探讨。2试验概况根据浑水管道输水系统水沙运动规律试验研究的内容和目的，课题组建成了浑水管道输水试验系统。该系统由课题组设计，集国内外先进机电仪器、仪表及管材组装而成。主要包括输水动力系统、搅沙系统、压力变送器、电磁流量计、电导率仪、管道系统和贮水池等部分，系统管道长100m,管径110mm。根据我国北方地区以多泥沙河流为水源的渠灌区运行实际，以引渭

4、灌区为研究对象进行试验研究，设计含沙量上限为12%（重量比）分别对含量为2%、4%、6%、8%、10%进行临界不淤流速试验，每组试验设3个重复。表1泥沙顼粒级配表试验沙样选取宝鸡峡引渭干渠洪tte/mm50.0250.010.005必水季节淤沙为沙样进行试验，其颗粒小于某住径”比/%】0097.3471.2218.966.00】.】40.。站级配分析结果见表1.收2004-10-08基金项目：国家“863计划资助项目（2001AA242071）作者简介：张英普（1956-），河北饶阳人，高级工程师，主熨从事节水灌溉理论与技术研究工作.试验中不同处理的水样物理性状见表2。序号

5、重量比S/%体积比S./%混合比S/%浑水容直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水禅物理试验水容重7=1.01g/cmS泥沙容重/,=2.6478g/cm3临界不淤流速到目前为止，有关管道泥沙问题的研究大多以利用管道输送固体颗粒为对象，以防止管道输沙过程中的管道淤堵为目的而展开的。很多试验工作都是围绕着临界淤积流速进行的。管道二相流中有各种临界条件待确定，不同的临界条件具有不同的临界流速含义:1）

6、从均匀悬浮过渡到非均匀悬浮的临界条件根据扩散理论，悬移质在垂线分布的均匀程度决定于参数z。(1)当ZV0.25时，悬移质在垂线上已接近均匀分布卬。式中卡门常数k=Q.4,U为摩阻流速*为泥沙沉速。2）泥沙开始悬浮的临界条件当Z=>5时，泥沙基本上以推移的形式运动，反之则开始出现悬移运动。3）与JlU关系曲线中最低值相应的临界流速U。较多的研究者认为<7-U关系线最低点也就是相当于管道底部出现沉积物时的临界情况，从图1看,临界流速Ul和临界淤积流速U,是有一些区别的，但差别不大。4）临界不淤流速S1格界沆速与临界於积流速在管道输水系统中，为了防止输水过程中因管床出现泥沙沉积而造成管道

7、淤堵，提出了临界不淤流速的概念。临界不淤流速就是管底不出现沉积物的最小平均流速。那么，管道输水系统的临界不淤流速应如何界定和判定呢？由于管道输水灌溉系统中含沙量一般较低（小于15%）,管道淤堵是一个逐渐积累过程，实验中J.U关系曲线凹点不明显。因此，在此观点基础上利用图解法确定管道不淤流速，不适合管道输水灌溉系统的不淤流速的判断。根据流区划分，临界不淤流速应该是由推移运动区过渡到泥沙开始出现沉淀的临界流速。在管道输水系统中，通过实验发现,从推移运动区到管底开始出现沉积物时的流区区间很窄，考虑到出水口垂直管段的因素和运行安全的要求，一般不希望有大量的推移质出现，因此，其临界不淤流速可近似看作由不

8、均匀悬浮区到推移运动区临界点的流速。小于该临界流速时，泥沙以推移形式运动，大于临界流速，悬移运动开始出现。4临界不淤流速的判断方法在试验观测中，如何判断管道输水的临界不淤流速呢？基于临界不淤流速的概念，物理含意及水沙运动规律的研究基础，其判断方法概括为3种。1）利用J.U关系曲线判断临界不淤流速根据浑水阻力损失试验资料，以单位距离的水头损失，即压力梯度（清水水柱）为纵坐标，以断面平均流速。为横坐标，绘制浑水JlU关系曲线，见图1。以往的研究和很多文献中认为JlU关系曲线的最低点也就是相当于管底开始出现沉积物的临界情况，此点的流速即为临界不淤流速。2）利用电导率仪判断临界不淤流速就液体而言，由于

9、介质的不同，其电导率也不同。浑水在管道中流动时，当管内高速水流由大到小变化时，泥沙颗粒从均匀悬浮、到不均匀悬浮、管底床面存在明显的推移运动，以至开始出现泥沙的沉积和不动底床，其泥沙在不同流区的变化势必产生管底层电导率的变化。随着底层水流含沙量的增加，其电导率随之增大，当泥沙开始沉积后，电导率接近于最大，以后趋于平缓，此时的流速即为临界不淤流速。3）目测在测试管道末端安置透明管，如有机玻璃管，通过目测判断临界状态点。当管底床面开始出现泥沙的沉积和不动底床时，此时的流速即为临界不淤流速。5临界不淤流速的影响因素1）含沙景对临界不淤流速的影响管道临界不淤流速试验结合管路阻力损失同时展开，流速由大到小

10、进行观测。试验表明，含沙量对临界不淤流速有明显的影响，当含沙量较低时，临界不淤流速随含沙景的加大而增大;但当含沙量加大到5.75%（重量比）时,临界不淤流速因含沙量的加大而增大的趋势趋于平缓。2）粒径对临界不淤流速的影响在渠灌区，由于渠首一般均采取一定的拦沙措施（如拦河坎），且对引水含沙景有一定的限制，其泥沙粒径一般不超过1mm,含沙量多小于12%,在此条件下，泥沙径对临界不淤流速也有一定的影响，试验观测表明，当泥沙颗粒开始沉积时，颗粒由大到小先后沉积，同样含沙量条件下，临界不淤流速随颗径的加大而增大。6临界不淤流速的经验公式根据试验资料，参考舒克和杜兰德公式1硕,通过回归分析，浑水管道临界不

11、淤流速经验公式为：Ue=0.2799S：,84W/24Jgd七里式中:为临界不淤流速（m/s）；g为重力加速度,S。为含沙量（体积比%）”,为泥沙密度（g/cm3）；为管径（mm）；s为泥沙自由沉降速度（m/s）；p为水的密度（g/cm3）o7结论通过系统的室内试验，对浑水管道输水系统水沙运动规律有了一定的掌握，并根据试验资料，依据沙泥运动力学，通过回归分析得出管道输水系统临界不淤流速经验公式。通过对该试验研究成果综合分析及实际工程验证可知：1）管道临界不淤流速的确定，将直接影响渠灌区管灌工程经济性和安全性,进而影响该技术在渠灌区的推广应用。若管道临界不淤流速选择偏大，使得有些本满足管道不淤条

12、件的区域不得不采取其它工程措施，这势必造成工程上的浪费；若临界不淤流速选取值偏小，可能会造成管道淤堵而影响工程安全。2）通过将文中临界不淤流速经验公式与以往有关文献介绍的公式比较，以往有关公式计算值偏大，应用于管道输水系统过于保守。3）渠道区管道输水系统不同于井灌区，由于其多利用天然水位差自压灌溉，因此不具压力补尝功能。管道部分淤积后，管内流速变化不大，致使泥沙逐渐累积。因此，必须正确定其临界不淤流速，以确保系统安全。，考文献；Durand,R.BasicRelationshipsoftheTransportationofSolidsinPipes-ExperimentalReaearchJ.

13、ProcMinnesouInternHydConv,1953.1 GibertR.TransportHydrauliqueetRefoulementdesMixturesonConduitesDJ.AnndesdesPontsetChaussees,130Armee,I960,<3、4）.C3钱宁，万兆惠.况沙运动力学M.北京，科学出版社,1983.12.4 ShenHW,JSWang.IncipientMotionandLimitingDepositConditionsofSolid-LiquidPipeFlowJ.Proc.Hydrotransport,1970,（1）.5 张英普，

14、何武全，蔡明科，等果濯区管道水系统防淤堵技术研究报告R.锋凌，西北农林科技大学，2004.5.6 ShookCA.PipeliningSolidsiTheDesignofShortDistancePipelinesM.ProcSymp.OnPipelineTransportofSolids,CanadianSoc.Chem.Engin.1969.的灌区资料有限，可能对评价的结果带来一定的影响。但总体来说，评价结果反映了灌区的现状，同时在评价中定量化分析了灌区持续发展中面临的主要因素，对灌区的管理、规划及战略决策的制定具有一定的指导意义。，考文献:1金式容.系统工程与可持续发展战略M.北京，科技

15、文就出版社.2000.2高整，声隆，等.节水灌溉工程模物神经网堵燎合评价模员研究J1农业工程学报，2003,(4).3裴源生.中国农业水危机对策研究M.北京，中国农业科技出版社，1998.155-170.4高得三，等.海城市农业现代化量化指标体系研究口.农业经济向题,1998,(7.5吴寡光.我国小康生活水平和测度尺度与指标.中国人口、安源与环境，1995,(5).6张志强.区域可持续发展指标体系的理论及方法口中国人口、资源与环境，1994,3).7涌万金，等.矿区可持续发展指标体系及评价方法研究口)系统工程理婚与实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页)ExperimentalStudyonNon-depositingCriticalVelocityofMuddyWaterDeliveryinPipelineSystemZHANGYing-pu,HEWu-quan,CAIMing-ke,WANGYu-bao(CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering»NorthwestSci-TechUniversityofAgricultureandForestry,Yangling712100,China)Abstract:Multi-sedimentriverwasregardedassourceofwaterinnorthernchannelirrigationarea.Whichirrigationtechniqueofwaterdeliveryinpipelinebeingextendedandappliedisrestrictedbecauseofsedime