黄河下游引黄灌区管道输水临界不淤流速试验.docx

1、人民黄河YELLOWRIVER【灌溉排水】黄河下游引黄灌区管道输水临界不淤流速试验姜金利'，张庆华I，程明'，李福军2(I.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安271018；2.黄河水利委员会山东水文水资源局，山东济南251000)摘要：为了研究黄河下游引黄灌区管道输水临界不淤流速的计算方法，在室内用U-PVC管道，以黄河泥沙为沙样，进行了90JI0J25mm三种曾径、两种泥沙颗粒级配条件下，不同含沙量浑水管道输水临界不淤流速试验。结果表明：试验条件下，在金沙量、管径相同时，浑水中泥沙粒径越大，临界不淤流速越大；在管径、泥沙校径相同时，含沙量越大，临界不淤流速越大；在泥沙粒径

2、、含沙量相同时.管径越大，临界不淤流速越小。依据试验成果，利用回归分析方法建立了黄河下游引黄灌区管道输水临界不淤流速计算公式。关键词：管道输水；不淤流速；引黄灌区中图分类号：S274.2文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2014.08.041StudyonNon-SiltingVelocityofWaterConveyancePipelinesintheYellowRiverDownstreamIrrigationAreaJIANGJin-li',ZHANGQing-hua',CHENGMing',LIFu-jun2(1.Colle

3、geofWaterConservancyandCivilEngineeringvShandongAgriculturalUnivcreity,Tai*an271018,China；2.ShandongBureauofHydrologyandWaterResources9YRCC,Jinan251000,China)Abstract:Aseriesofexperimentsonnon-siltingvelocityofmuddywaterconveyancepipelineswithdifferentsedimentconcentrationwerecarriedouttostudythecal

4、culationmethodofwalerconveyancepipelinesofirrigationareaintheYellowRiverdownstream.WeusedU-PVCpipeindoorswiththeYellowKiversedimentasthesandsampleand9()mm.110mmand125mmthreepipediametersandtwosedimentpaniclegradations.Theresultsshowthatthebiggersedimentparticleinmuddywateris,thegreaternon-siltingvel

5、ocitywillbe；thehighersedimentconcentrationistthegreaterthenon-sihingvelocitywillbeunderdiesameconditionsofsedimentconcentrationandpipediameter.Thebiggerpipediameteris,thesmaller(henon-siltingvelocitywillbeincaseofthesamesandsample.Ithasestablishedthecalculatingformulaofnon-siltingvelocityofwaterconv

6、eyancepipelinesintheYellowRiverdownstreamirrigationareabyusingregressionanalysisonthebasisofresults.Keywords：waterconveyancepipelines；non-siltingvelocity;YellowRiverirrigationarea长期以来,引黄灌区大多采用明渠输水、地面灌溉，渗漏、蒸发严重，灌溉水利用率低。例如黄河下游的山东省沿黄农业灌溉用水占全部引黄水量的90%,而引黄水的利用率只有45%左右。面对水资源的不足及农业用水效率低的实际情况，引黄灌区发展管道输水灌溉已成

7、为高效节水灌溉的发展趋势。然而，泥沙含量大是制约发展管道输水灌溉的重要因素Z,采用管道输水灌溉首要解决泥沙淤积问题，共措施之一是管道输水流速应大于临界不淤流速。对于浑水管道输水临界不淤流速的计算.国内外许多学者进行了较多的理论分析与试验研究，提出了诸多临界不淤流速计算的经验公式，如B.C科诺罗兹公式、瓦斯普公式、何武全公式、张英普公式、安杰公式等。这些经验公式大多参考了舒克和杜兰德公式的形式"°-5,因使用不同沙样进行试验，公式系数不一致，限制了公式的应用范围.故通用性较差。为此，本研究针对黄河下游泥沙情况，开展管道输水临界不淤流速研究，以期对引黄灌区管道输水灌溉工程规划设

8、计与运行有一定参考价值。1试验材料与方法11试验材料管道输水临界不淤流速的主要影响因素有含沙量、泥沙容重、管径、泥沙粒径等，而泥沙容重、泥沙粒径与沙样有关，因此试验材料主要包括不同颗粒级配的泥沙及不同管径的管道。1.1.1试验沙样本研究范围为黄河下游山东段。高村、艾山、利津3个水文站位于黄河山东段的上、中、下游，通过对2006-2011年3个测站的实测泥沙资料分析表明,3个站中各年的泥沙颗粒级收稿日期：2OI4-O3T1基金项目：水柯部公行兆科研专项(201201115)。作者简介：展金利(1989)，男，山东皆城人，曲士研宣生，妍尤方向为农田水利工程建设与管理。通信作者：张庆华(I960).

9、»,山东和逃人，赦投，牌士生导岬.主要从亭农田水利工我建设与管理研充工作。E-mail:sdau.«配曲线差别不大,其中高村与艾山比较接近。因此，试验用沙样的颗粒级配以高村、艾山站近3a的平均值为参考。直接从黄河中取泥沙较困难，以山东省小开河灌区集首、沉沙池、一支渠、田间等7个取样点的泥沙作为沙料，组合成忒验所用沙样I、沙样2出颗粒级配见表1，沙样1、2的泥沙密度分别为2.62、2.60/cm，o衰1试验沙样顺粒级配沙样小于某粒径泥沙体积百分比/%-中值粒径/mm平均粒径/mm0.002mm0.004mm0.008mm0.016mm0.031mm0.062mm0.125mm

10、0.25mm0.5mm1mm沙样111.815.921.534.450.274.098.199.199.6100.00.0320.042沙样211.116.722.440.157.779.398.299.399.5100.00.0220.037含沽&图2管径90mm下含沙与临界不淤流速的关系1.1.2试验管材与管径管道输水灌溉常用的管材一般为PVC、PE或玻璃钢管,3种管材的管道糙率相差不大。试验管材选用山东省莱芜丰田节水器材有限公司生产的U-PVC塑料管，外径分别为90、H0J25mm,额定压力为0.6MPa,实际管壁厚度分别为2.5、2.75、3.50mm,内径分别为85、104.

11、5、118mm。12试验装置试验在山东农业大学水利实验室进行，试验装置主要包括进水池、搅拌机、水泵、闸阀、电磁流虽计、管道系统、透明观测管等，见图I。管道系统总长51m0透明观测管采用有机玻璃制作，管内径严格控制与PVC管内径相同，管长为0.5m。水泵选用潜水电泵，扬程14m°流量控制及计量采用闸阀及电磁流量计，选用西安仪表厂生产的电磁流员计,管内径80mm,闸阀为直径110mm的球形阀。进水池为循环水池,设有搅拌机、补水管与溢流管，搅拌机是保证加入进水池的泥沙均匀分布在水中，补水管与溢流管起到稳定进水池水位的作用，以保证流量的稳定。1.3试验方案试验按管径分90J10J25mm3组

12、，按泥沙级配分2组。在相同管径、相同颗粒级配情况下，再根据含沙最分为若干测（组）次。14试验方法向进水池内加一定量的泥沙，启动搅拌机使池中泥沙均匀分布，开启水泵使管道系统运行，同时开启进水管向进水池加水，待进水池水位稳定、流量计所测流量稳定后,关闭进水管闸阀，此时整个管道系统处于自循环状态。然后，通过闸阀调节管道（水泵）流童（一般由大变小），同时通过有机玻璃管段观察管中水沙运动情况，并判断泥沙不淤积的临界状态，当有机玻璃管段底部开始出现泥沙沉积时，记录流景计测度的管道流量、水温，通过公式V=Q/W（Vj流速，。为流量，叩为管道内截面积）计算该测次的不淤流速。同时,在管道出口用最杯接水样，用烘干

13、法测量:泥沙含量，从而得到一个测次不淤流速的试验结果。2试验结果与分析本研究共进行了66组试验，得到不同管径、不同泥沙颗粒级配、不同含沙坦情况F的临界不淤流速试验结果。21临界不淤流速与泥沙粒径的关系图2图4为3种管径下两种沙样不同含沙量与临界不淤流速的关系。图2图4中,3种管径下沙样1的临界不淤流速点都在沙样2的上方，而沙样I的中值粒径大于沙样2,说明临界不淤流速与泥沙颗粒粒径有关，相同含沙量、相同管径情况下，泥沙粒径大的临界不淤流速大因为泥沙在水中的沉降速度与泥沙粒径有关，粒径越大，沉降速度越大,管道中的水流带动泥沙运动时需要的“动力”（水流水平速度）就越大，因此在相同含沙最、相同管径情况

14、下，浑水中泥沙粒径越大,临界不淤流速就越大。林1州2图3管径110mm下含沙量与临界不淤流速的关系*1施20I.®-1563W400lit）轮WE图4管径125mm下含沙量与临界不淤流速的关系2.2临界不淤流速与管径的关系关于含沙水流管径与临界不淤流速的关系，目前的认识仍不统一。有的学者认为大型管道中管径对临界不淤流速的影响不大而有的学者则认为管径增大则临界不淤流速也增大,例如杜兰德公式中临界不淤流速与管径的1/3次方成正比，何武全、张英普公式中临界不淤流速与管径的1/4次59134叶部9点如1°/f=fl%58Q0200.0»Q0600.0801100QJ20Q

15、I40Q1600.18)0.200Q22O含昔.sy%科诺罗性公式瓦新斜:式，何武全公式张英普公式*实泌值泌量S/%管径90J10mmTV/A-Sv关系0B9Wts/%图8管径125mm计算流速与实测不淤流速比较76-方成正比。图5为试验得到的3种管径下沙样1临界不淤流速与含沙缺的关系，可以看到管径90mm的临界不淤流速线在最上方，管径125mm的临界不淤流速线在最下方，说明在本研究试验沙样条件及水流含沙量范围内，泥沙粒径、含沙眼相同情况卜L临界不淤流速随管径的增大而变小。4t»l25«n=0.7409?®*ff=Q9567L=Qm49msff=Q<

16、7;281.002003.004.00SOO颂7Wg池E005沙样1临界不淤流速与管径关系2.3临界不淤流速与泥沙含量的关系从图2图5中可以看出，含沙量对临界不淤流速有明显的影响，在本研究试验水流含沙fit范围内，临界不淤流速均随含沙欧的增大而增大，说明管径、泥沙粒径相同的情况下，含沙最越大，临界不淤流速就越大。其原因是含沙成越大，单位体积的浑水重量越大，水流带动泥沙作慈移质运动需要的“动力”就越大。3临界不淤流速计算31现有经验公式计算结果与实测值比较图6图8为针对沙样1分别利用科诺罗兹、瓦斯普、何武全、张英普提出的临界不淤流速经验公式计算结果与实测值的比较。图6管径90mm计算流速与实测不

17、淤流速比较图6管径90mm计算流速与实测不淤流速比较®-60-4)-打ZLLLLLQQQfl矗Qo®aoboao®)aim0.120o.i«aieoaisoQ200泗s/%图7管径110mm计算流速与实测不淤流速比较由图6图8可知，临界不淤流速计算值与实验值均有差距，用4个经羚公式计算沙样1的临界不淤流速由大到小依次为何武全公式、科诺罗兹公式、张英普公式、瓦斯普公式。针对沙样2进行比较，结果与沙样1类似,临界不淤流速计算值与实验值均有差距,临界不淤流速由大到小依次为科诺罗兹公式、何武全公式、瓦斯普公式、张英普公式。沙样1中张英普公式计算结果与实测值最接近

18、，沙样2中(管径125mm除外)何武全公式最接近。总体来看，现有临界不淤流速计算经验公式不适用于黄河下游引黄灌区管道输水。3.2临界不淤流速的计算依据试验成果，利用统计分析方法建立黄河下游管道输水临界不淤流速经验公式C临界不淤流速与泥沙颗粒级配、含沙虽、管径等有关，参照上述经貌公式，假设&竺习(1)LOpJ式中:A为泥沙及边界因子W为泥沙沉降速度,mm/s；p为水的密度,kg/mS;p,为泥沙密度，kg/n?；D为管径,mm；g为重力加速度，取值9.8m/s2；a为指数。指数为对观测数据进行处理得到的值，经过多次试算,a73分别为0.28.0.25时式(1)具有较好的相关性。为得到计算

19、临界不淤流速的经验公式，先对观测数据进行处理:根据式(1)及管径90J10mm下沙样1、2临界不淤流速试验数据丫和式(1)if'算所得的4,求得"4,建立V/A-S,关系，见图9。对图9中V/0Sv数据回归分析得到临界不淤流速计算公式为.a25&四二£(2)Dpi或-0.2$-S-PlP(3)Dp'式中/为临界不淤流速,m/s；Sv为体积含沙量为质鼠含沙量,kg/m：其余符号意义同式(1)。式(2)、式(3)的复相关系数中=o9432,满足相关分析要求。为了检验式(2)、式(3)的正确性,采用以下方法检验。(1)利用式(2)、式(3),对管径90、1

20、10mm下沙样1、2的不淤流速进行计算，得到44组不同含沙量临界不淤流速的计算值的误差分布，见图11。由图10可知，误差超过5%的仅占6.82%，误差在3物以内的占61.36%，在2%以内的占34.09%。(2)利用式(2)、式(3),对管径125mm下沙样1临界不淤流速的计算值与实测值进行比较，其误差分布见图10o图11管径125mm临界不淤流速计算值误差分布由图1】可知，计算误差除1个超过5%外，其余均在5%以内。由上述分析看到，式(2)、式(3)有比较高的计算精度，可以用于黄河F游引黄灌区管道输水临界不淤流速计算°4结语临界不淤流速是浑水管道输水灌溉I：程规划设计和运行中的一个

21、重要参数，影响临界不淤流速的主要因素是泥沙粒径、管径、泥沙含量。引黄灌区浑水管道输水时，在相同含沙破、相同管径情况泥沙粒径越大，临界不淤流速就越大；在管径、泥沙粒径相同的情况下，含沙虽越大，临界不淤流速越大;在泥沙粒径、含沙鼠相同的情况下，管径越大，临界不淤流速越小。依据试验成果，通过回归分析方法建立的黄河卜游管道输水临界不淤流速经验公式，经检验计算精度较高，能够满足工程规划设计要求，可用于黄河下游引黄灌区管道输水灌溉工程规划设计。参考文献：(1薄宏波.胡健.刘新兵，等.山东省引黄漕区节水灌溉的必要性与主要措施J.水利科技与姓济.2013(3)：1-3.(2马文敏，蔡瑜.宋华株.扬黄濯区管灌防

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