徐俊，于洪亮，韓洪發(fā)

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200）

0 引言

復(fù)墾泵站經(jīng)常要泵送固體顆粒超標(biāo)的水流，主要原因是水源濁度高或供水渠道侵蝕過(guò)程造成固體顆粒量增加。由于泵站前室流速急劇下降，泥沙顆粒開(kāi)始沉降，形成厚厚的淤泥沉積物，從而導(dǎo)致通向取水室的水流結(jié)構(gòu)、泵的能量特性和泵送水量發(fā)生變化。為了采取措施防止這些不良后果的發(fā)生，有必要了解取水建筑物底部的泥沙淤積規(guī)律，以達(dá)到泥沙最小化的狀態(tài)。

1 參數(shù)確定

在制定防止渾濁沉積物發(fā)生的措施時(shí)，確定以下參數(shù)非常重要。①固體顆粒的粒度組成；②固體顆粒在結(jié)構(gòu)表面的粒度組成分布；③泥水沉積物的尺寸（面積、厚度和體積）。

為了確定上述參數(shù)，簡(jiǎn)要地考慮了渾濁顆粒沉降的理論基礎(chǔ)。在許多研究中，固體在液體流動(dòng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)的沉降問(wèn)題已被考慮，在這些研究中發(fā)現(xiàn)，固體顆粒在液體介質(zhì)中的沉積與以下因素有關(guān)：①流動(dòng)的流體動(dòng)力結(jié)構(gòu)和作用在顆粒上的各種力（阻力、重力、浮力等）的大小，其他力如馬格納斯力，可能導(dǎo)致小顆粒橫向遷移。②粒子間的相互作用。在高濁度的情況下，它們的濃度對(duì)顆粒的沉降速率有很大影響。每個(gè)粒子都會(huì)在自身周圍產(chǎn)生一定量的速度和壓力場(chǎng)。如果兩個(gè)粒子彼此靠近，它們之間就會(huì)發(fā)生流體動(dòng)力學(xué)和重力效應(yīng)。最終，粒子彼此相互作用、碰撞，甚至可以聚結(jié)形成單個(gè)粒子，這在一定程度上取決于流速和能量的具體耗散。③按大小、形狀和建筑面積劃分的顆粒分布。大粒徑顆粒在結(jié)構(gòu)物初始段開(kāi)始沉降，小顆粒在結(jié)構(gòu)末段開(kāi)始沉降。當(dāng)顆粒形狀不同時(shí)，作用在其上的阻力，即浮力也不同，會(huì)極大影響它們的沉降速率。④顆粒的沉降規(guī)律取決于流體的性質(zhì)（粘度、密度、表面重力等）。⑤如果在某些情況下粒子的運(yùn)動(dòng)存在某種刺激性因素，則還必須考慮粒子的擴(kuò)散。⑥固體顆粒沉降過(guò)程存在的隨機(jī)性也是十分有必要考慮的因素。這種情況是由粒子的形狀和大小不同，它們?cè)谝?chǎng)中以不同的速度下沉，在某些情況下有脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)，它們的濃度也不同。

因此，在每個(gè)特定情況下，有必要考慮上述各個(gè)不同的影響因素并從中選擇影響最大的因素著重考慮。文中充分研究了單顆粒在小流速水流中的沉積過(guò)程，與此同時(shí)，在考慮到它的質(zhì)量，密度，重量，受到的浮力和阻力的情況下，提出了幾個(gè)方程來(lái)考慮這個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，給出了球形渾濁顆粒沉降速度的經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)以往學(xué)者研究表明，這個(gè)公式是一個(gè)通用公式，在所有類似公式中給出的結(jié)果接近于實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果。

式中字母含義同上。

在經(jīng)典的推進(jìn)室設(shè)計(jì)中，即當(dāng)流動(dòng)以一定的斜率運(yùn)動(dòng)且其橫截面不斷擴(kuò)大時(shí)，確定顆粒沉積的主要區(qū)域非常重要。

確定沉積物顆粒軌跡和長(zhǎng)度的研究表明，相同大小和密度的顆粒按照正常高斯定律下沉到結(jié)構(gòu)底部，顆粒沉積的平均長(zhǎng)度由下式確定：

2 研究方法

圖1 泵站前室中固體顆粒的流動(dòng)圖

3 結(jié)果與討論

確定固體顆粒在泵站前室中運(yùn)動(dòng)軌跡方程案例：初始寬度b=3.00 m，水深h1=2.50 m，斜率i=0.20，斜率系數(shù)m=1.50，擴(kuò)散角β=22.50°，其形式如下：

在以下條件下確定V3的值：顆粒粒徑d = 2.5 × 10-4m，密度ρ = 2 000 kg/m3，公式（1）中vc=1.006 × 10-6m2/s 為20℃時(shí)水的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)。在上述情況下，通過(guò)公式（1）計(jì)算得到的V3值為0.026 m/s。

為確定K3的值，假設(shè)粒子濃度φ = 15%。其中，根據(jù)研究進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果來(lái)確定K2的值。計(jì)算結(jié)果需要通過(guò)公式（4）確定公式（3）中的指數(shù)n。

n=1.75-1.25×?8.5=1.74，κ2=（1-0.15）1.74=0.75，κ3=κ1×κ2=0.66×0.75=0.495。

通過(guò)使用這種方法，可以確定在泵站前室的不同區(qū)域觀察到的不同直徑和密度的顆粒的沉積軌跡和位置。

以江蘇省揚(yáng)州市某泵站前室為例，使用上述方程來(lái)檢查計(jì)算結(jié)果。用于驗(yàn)算的實(shí)驗(yàn)泵站長(zhǎng)度為36 m，底部29 m水平延伸，有7 m 斜坡，坡度為i=0.50，如圖2 所示。泵站兩側(cè)的擴(kuò)展角為β = 17°，斜率系數(shù)m = 1.5，輸入部分的寬度B1= 3.0 m，水深h1= 1.95 m，流量Q = 7.8 m3/s。該流量對(duì)應(yīng)于0.68 m/s的水速（在前室的入口部分）。

圖2 泵站前室示意圖

上式（7）～（15）中字母含義同式（1）～（6）。

在上述條件的基礎(chǔ)上假設(shè)V3和K3的值，對(duì)于此案例使K1= 0.66，V3= 0.029 m/s。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)粒徑d = 2.5 × 10-4m，密度ρ3= 2 200 kg/m3、形狀不確定的顆粒在33.80 m處落入泵站前室底部。

在分析從該實(shí)驗(yàn)泵站前室采集的樣品的部分成分時(shí)，發(fā)現(xiàn)尺寸為0.25～0.30 mm 的顆粒，這些顆粒出現(xiàn)在距離前室入口25～37 m處（圖2截面b～b和c～c之間的間隔）；大于0.30 mm的顆粒在a～a 和b～b 段之間沉降更多，距離前室入口16～24 m。根據(jù)式（15）計(jì)算沉積距離的結(jié)果與其他尺寸固體顆粒沉積的實(shí)際結(jié)果之間的誤差為7%～12%。

4 結(jié)論

①研究表明，在泵站的前室中，如果接受與水力尺寸相等的顆粒沉降速率值，在確定顆粒沉降軌跡時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可接受的誤差。②考慮顆粒的渾濁濃度、粒徑、形狀和密度，便于確定顆粒沉降軌跡。③研究提出了一種確定泵站前室內(nèi)固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的新方法和新方程。④新方程的計(jì)算結(jié)果與固體顆粒沉降的實(shí)際結(jié)果相差7%～12%，理論與實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，該方程可用于有效確定泵站前室中固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。

理論方程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照分析發(fā)現(xiàn)，提出的方程能確實(shí)有效計(jì)算泵站取水建筑物的泥沙淤積軌跡及主要沉積位置，為泵站安全運(yùn)行提供一定的理論參考。