張永偉 張紅杰 孔玉花

(河南省中原水利水電工程集團(tuán)有限公司， 河南 濮陽(yáng) 457000)

黃河下游放淤固堤遠(yuǎn)距離輸沙方法研究

張永偉 張紅杰 孔玉花

(河南省中原水利水電工程集團(tuán)有限公司， 河南 濮陽(yáng) 457000)

黃河下游淤背固堤工程的輸沙距離大部分較遠(yuǎn)，需要進(jìn)行多次接力。針對(duì)如何科學(xué)確定接力泵級(jí)數(shù)和接力泵間距離的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)輸沙管道的布設(shè)和泥沙輸送方式的研究，提出了管道布設(shè)的要求和泥沙輸送的方式；在對(duì)影響接力泵級(jí)數(shù)和各接力泵站間距離的主要因素分析的基礎(chǔ)上，建立了管道揚(yáng)程和在兩級(jí)接力、多級(jí)接力情況下接力泵間距離的計(jì)算公式，確定了接力泵級(jí)數(shù)和各接力泵站間距離。實(shí)例分析表明：利用所建立的計(jì)算公式能夠科學(xué)合理地確定接力泵的級(jí)數(shù)和各級(jí)的具體位置，提高了設(shè)備利用率，降低了設(shè)備使用臺(tái)班，節(jié)約了施工成本，提高了管理效率，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

黃河；淤背固堤；遠(yuǎn)距離；輸沙方法；研究

20世紀(jì)70年代，為了加固黃河大堤引進(jìn)了淤背固堤模式，當(dāng)時(shí)多在險(xiǎn)工堤段，大堤距離河槽較近，排距一般在500m以內(nèi)。隨著淤背固堤由險(xiǎn)工堤段向平工堤段擴(kuò)展，泥沙的輸送距離不斷增加。2000年以后，淤背固堤的輸沙距離最遠(yuǎn)可達(dá)到8000m[1-2]。

本文擬從輸沙管道的布設(shè)、泥沙輸送的方式、接力泵級(jí)數(shù)和各接力泵站間距離的確定等方面，介紹遠(yuǎn)距離泥沙輸送方法，以期為廣大水利工程施工技術(shù)人員提供參考。

1 輸沙管道布設(shè)

在淤筑工程中，一般通過(guò)管道輸送泥沙，多為200kg/m3以上的高濃度泥漿，其輸送距離除與泵的性能有關(guān)外，也與泥漿濃度、泥沙顆粒粗細(xì)和管道本身的規(guī)格、管材質(zhì)地等密切相關(guān)[3]。一般情況下，泥漿顆粒細(xì)、濃度低、管道光滑情況下阻力小，輸送距離遠(yuǎn)。

輸沙管道布設(shè)要遵循安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、平直和易于實(shí)施的原則，盡量減少交通與其他施工的干擾，選擇地勢(shì)平坦交通便利的場(chǎng)地、道路、堤岸、河邊布置，且走向平直、距離短。輸沙管道穿越水渠時(shí)，宜架設(shè)在管架之上，水陸管線接頭應(yīng)采用柔性連接，水上部分宜留一定的活動(dòng)余量[3-5]。

2 泥沙輸送方式

泥沙輸送方式主要指接力輸送。接力輸送一般是指兩級(jí)或兩級(jí)以上輸送泵，組成水力輸送系統(tǒng)。按輸沙管道中間是否斷開(kāi)，分為間斷式和連續(xù)式。特殊條件下，采用自流和機(jī)械相結(jié)合的輸送方法，也可達(dá)到遠(yuǎn)距離輸送的目的。

2.1 間斷式接力

在接力輸送中，前一級(jí)輸送泵與后一級(jí)泵沒(méi)有直接的聯(lián)系，接力是間斷的，這種輸送泥沙的方式稱為間斷式接力[2]。間斷式接力一般以集漿池為節(jié)點(diǎn)，即前一級(jí)泵將泥漿輸送至集漿池，再由后一級(jí)泵從集漿池中抽吸后輸送。這種輸送方式的優(yōu)點(diǎn)是泵與泵之間沒(méi)有直接的聯(lián)系，兩級(jí)泵的動(dòng)力、流量、揚(yáng)程等指標(biāo)可以不同，便于多種型號(hào)的輸送泵聯(lián)合運(yùn)用。缺點(diǎn)是中間需要做集漿池，且集漿池內(nèi)宜淤積。

2.2 連續(xù)式接力

連續(xù)式接力是將接力泵連接在輸沙管道中間，使接力泵起到加壓泵站的作用，保證遠(yuǎn)距離管道輸送泥沙正常進(jìn)行。其優(yōu)點(diǎn)是布置簡(jiǎn)單，中途能量損失少；但該方式需要各級(jí)泵的指標(biāo)一致，對(duì)運(yùn)行中的協(xié)調(diào)性要求較高。為防止系統(tǒng)壓力驟變，造成設(shè)備的損壞或淤堵，接力泵的位置需要進(jìn)行合理選擇。

2.3 無(wú)壓與有壓混合接力

利用有利的地形條件，在整個(gè)輸送線路上選擇其中的一段使水流自流挾沙，減少機(jī)械排距，降低生產(chǎn)成本。自流輸送實(shí)際就是無(wú)壓輸送，需要有一定的坡降。在黃河下游淤背固堤工程中，先使用機(jī)械將泥沙送到大堤背河側(cè)淤區(qū)的一端，再利用淤區(qū)的縱向坡降讓泥漿自流至另一端，屬于無(wú)壓與有壓的混合接力。

3 接力泵級(jí)數(shù)的確定

對(duì)于連續(xù)式接力遠(yuǎn)距離輸送泥沙，可采用雙泵或多泵接力輸送泥漿的方式，即采用同型號(hào)的機(jī)泵，其中一臺(tái)布置在挖沙點(diǎn)，另一臺(tái)或幾臺(tái)布置在適當(dāng)位置接力把泥漿輸送至淤區(qū)，目前這種接力輸沙方式在黃河下游淤背固堤施工中較常見(jiàn)。

3.1 管道的揚(yáng)程

在挖泥船、淤區(qū)位置和輸沙管道的走向確定以后，輸沙管道的長(zhǎng)度(L)為一定值，放淤固堤所需要的總揚(yáng)程(H)可通過(guò)能量方程式[6]求得:

(1)

(2)

式中H——放淤固堤總揚(yáng)程，m；

Z1——進(jìn)水口水面高程，m；

Z2——出水口水面高程，m；

L——輸沙管道的長(zhǎng)度，m；

Q——泥漿泵實(shí)際流量，m3/s，(考慮管道的新舊程度、粗糙度，泥漿泵新舊程度，實(shí)際流量往往只達(dá)到其額定流量的30%～40%，對(duì)于額定流量1100m3/h的泥漿泵，實(shí)際流量只有360m3/h左右，也就是0.10m3/s)；

K——流量模數(shù)(對(duì)于φ300mm的舊鋼管，清水時(shí)K=1.032，含沙量在200～400kg/m3情況下，K=0.90～1 )。

3.2 接力泵級(jí)數(shù)的確定

根據(jù)總揚(yáng)程H和泥漿泵揚(yáng)程(Hi)的比較，即可確定接力泵的級(jí)數(shù)。

4.接力泵位置的確定

接力泵的位置在實(shí)際生產(chǎn)中非常重要，如兩級(jí)接力時(shí)，接力泵距離吸泥船太近，將使管道的壓力增加很多，易造成管道損壞；若距離太遠(yuǎn)，靠管道出口太近，就會(huì)使泵前產(chǎn)生負(fù)壓，易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，因此，選擇接力泵安設(shè)的位置要有利于工程施工和管理，使管道壓力盡量均勻。

4.1 兩級(jí)接力

下圖為兩級(jí)接力輸送的示意圖。設(shè)接力泵前A處的管道壓力為零，對(duì)于初級(jí)泵，根據(jù)能量平衡方程[2]，有:

兩級(jí)接力輸送示意圖

(3)

對(duì)于接力泵，按照能量平衡方程有：

(4)

由于水流的連續(xù)性，有ν1=ν2，同時(shí)考慮到輸沙管道一般較長(zhǎng)，∑ξi在其中所占的比例較小，可以忽略不計(jì)，由式(3)和式(4)，可得

(5)

設(shè)總的排距為L(zhǎng)=L1+L2，則接力泵前的管道長(zhǎng)度L1在總長(zhǎng)度中的比例

或

(6)

式(6)是在兩級(jí)接力輸送時(shí)計(jì)算接力泵安設(shè)位置的計(jì)算公式?？梢钥闯觯恿Ρ玫奈恢弥饕c泵的揚(yáng)程H、輸送泥漿容重、排高h(yuǎn)0-h1、安設(shè)高程h2以及管道長(zhǎng)度L有關(guān)。

4.2 多級(jí)接力

對(duì)于三級(jí)或多級(jí)接力情況下接力泵的安設(shè)位置，可以利用同樣的原理，導(dǎo)出各級(jí)接力泵安設(shè)位置的計(jì)算公式。

三級(jí)接力情況：設(shè)初級(jí)泵、二級(jí)泵和三級(jí)泵的參數(shù)相同，揚(yáng)程分別為H1、H2、H3；泵的安設(shè)高程分別為h1、h2、h3，管道的出口高程為h0，初級(jí)泵到二級(jí)泵之間的管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，二級(jí)泵到三級(jí)泵之間的管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，三級(jí)泵到出口之間的管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)3，總的管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)。

L1在總長(zhǎng)度中所占的比例N1為

(7)

L2在總長(zhǎng)度中所占的比例N2為

(8)

同理可以推出n級(jí)接力情況下接力泵安設(shè)位置

(9)

4.3 注意事項(xiàng)

a.以上各式是以接力泵前的管道壓力為零計(jì)算Li的長(zhǎng)度，忽略了一些次要因素，在實(shí)際施工中有其他因素的影響[8](如:泥漿泵的壓力和泥漿含沙量的波動(dòng)、水流的強(qiáng)度、顆粒組成等)。因此，計(jì)算出的Li再縮短一些，以確保接力泵前不出現(xiàn)負(fù)壓。根據(jù)黃河下游淤背固堤的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般將計(jì)算的Li縮短100～300m。

b.式中Hi是泥漿泵的揚(yáng)程，是按照吸程為零考慮的，在實(shí)際工作中，盡管初級(jí)泵的安設(shè)高程接近水面，但由于吸入的是泥漿，而泥漿的容重大于清水的容重，所以吸入泥漿也需要消耗能量。在實(shí)際運(yùn)用中，可以將初級(jí)泵的揚(yáng)程減去3～3.50m。

c.在運(yùn)用公式時(shí)，應(yīng)特別注意管道長(zhǎng)度和排高的確定。由于黃河淤背固堤一般都要爬越黃河大堤，在爬越大堤后，管道布設(shè)的坡降一般較陡，泥漿在其中會(huì)加速運(yùn)行，由原來(lái)的滿管變?yōu)榘牍?，由有壓變?yōu)闊o(wú)壓，為此，在計(jì)算管道長(zhǎng)度時(shí)不能將爬越大堤以后的無(wú)壓管道計(jì)算在內(nèi)，相應(yīng)的排高也應(yīng)計(jì)算至大堤頂部，即有壓和無(wú)壓的分界高程。但若爬越大堤后的管道較長(zhǎng)，而且采取了一定的措施能保持管道滿管有壓運(yùn)行，管道長(zhǎng)度則應(yīng)計(jì)算在內(nèi)，排高也應(yīng)計(jì)算至出口高程。

d.注意安設(shè)高程的變化。由于在管道沿線地面的高程是變化的，在計(jì)算假設(shè)的接力泵安設(shè)高程hi與根據(jù)計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)落實(shí)的高程hj往往不相符，應(yīng)注意這一變化的幅度和進(jìn)行必要的調(diào)整。如果hj≥hi,計(jì)算出的Li要做相應(yīng)減少，減少幅度可以按ΔL=100(hj-hi)進(jìn)行估算；反之可相應(yīng)增加。

5 應(yīng)用實(shí)例

2013年，黃河下游濮陽(yáng)堤防加固工程第十標(biāo)段，吸泥船的泥漿泵為10ENP—30型，額定揚(yáng)程30m，輸沙距離7000m，河道距大堤距離6500m，灘地高程57.80～56.40m(黃海高程，下同)，進(jìn)水口水面高程54.50m，出水口水面高程57.90m，堤頂高程66.00m，管道在堤頂鋪設(shè)約500m后進(jìn)入淤區(qū)。從堤頂至淤區(qū)距離較短，不形成有壓。該系統(tǒng)采用連續(xù)式接力輸送，正常輸送泥沙含量為300kg/m3，接力泵為10ENP—30型，計(jì)劃置于灘地，管道選用直徑為300mm的鋼管。

再計(jì)算接力泵間的管道長(zhǎng)度，確定接力泵的位置：由實(shí)例給出的條件可知，H1=30-3=27m,H2=H3=30m,h1=54.50m,h2=57.50m,h3=57m,h0=66m，輸送沙土的顆粒密度為2650kg/m3，水容重為9.80kN/m3，則泥漿的容重為

按照式(9)，接力泵間管道長(zhǎng)度Li在總長(zhǎng)度中的比例為

由于L=7000m,則L1=L×N1=7000×0.321=2247(m),L2=L×N2=7000×0.408=2856(m)，依據(jù)理論計(jì)算數(shù)據(jù)，考慮其他因素，實(shí)際安放第一級(jí)接力泵距吸泥船2000m，第二級(jí)接力泵距第一級(jí)2700m。

6 結(jié) 語(yǔ)

濮陽(yáng)黃河下游淤背固堤工程施工準(zhǔn)備期間，采用科學(xué)的方法，確定接力泵的級(jí)數(shù)和各級(jí)接力泵間的距離，通過(guò)對(duì)黃河下游濮陽(yáng)境內(nèi)幾個(gè)放淤固堤施工標(biāo)段，與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)確定法的比較，在輸沙距離為7000m的時(shí)候，每條輸沙管線可節(jié)省1臺(tái)接力泵，提高了設(shè)備利用率，降低了設(shè)備使用臺(tái)班，節(jié)約了施工成本，提高了管理效率，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1] 趙壽剛，張俊霞，沈細(xì)中，等.黃河下游放淤固堤效果分析及其施工影響研究[M].鄭州:黃河水利出版社,2008(12)：23-30.

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Research on long-distance sediment transportation method of dyke strengthening by warping on lower reaches of the Yellow River

ZHANG Yongwei,ZHANG Hongjie,KONG Yuhua

(HenanZhongyuanWaterConservancyandHydropowerEngineeringGroupCo.,Ltd.,Puyang457000,China)

Sediment transportation distance in dyke strengthening by warping on lower reaches of the Yellow River is mostly remote.Multiple relays are required.Requirements on pipeline layout and sediment transportation mode are proposed through studying sediment transportation pipeline layout and sediment transportation mode aiming at how to scientifically determine relay pump series and distance among relay pumps.Main factors affecting relay pump series and distance among relay pumps are analyzed.On the basis,pipeline head and calculation formula of distance among relay pumps under the condition of two-level relay and multi-level replay are established.Relay pump series and distance among relay pumps are determined.Example analysis shows that relay pump series and concrete positions of all series are scientifically and rationally determined through utilizing the established calculation formula.Utilization rate of equipment is improved,equipment application shifts are reduced,construction cost is saved,efficiency of management is improved,and obvious economic benefits and social benefits are obtained.

the Yellow River;dyke strengthening by warping;long distance;sediment transportation method;research

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2015.09.010

TV87

A

1005-4774(2015)09-0031-04