黃河下游引黃灌區(qū)管道輸水臨界不淤流速試驗.docx

1、人民黃河YELLOWRIVER【灌溉排水】黃河下游引黃灌區(qū)管道輸水臨界不淤流速試驗姜金利'，張慶華I，程明'，李福軍2(I.山東農業(yè)大學水利土木工程學院，山東泰安271018；2.黃河水利委員會山東水文水資源局，山東濟南251000)摘要：為了研究黃河下游引黃灌區(qū)管道輸水臨界不淤流速的計算方法，在室內用U-PVC管道，以黃河泥沙為沙樣，進行了90JI0J25mm三種曾徑、兩種泥沙顆粒級配條件下，不同含沙量渾水管道輸水臨界不淤流速試驗。結果表明：試驗條件下，在金沙量、管徑相同時，渾水中泥沙粒徑越大，臨界不淤流速越大；在管徑、泥沙校徑相同時，含沙量越大，臨界不淤流速越大；在泥沙粒徑

2、、含沙量相同時.管徑越大，臨界不淤流速越小。依據試驗成果，利用回歸分析方法建立了黃河下游引黃灌區(qū)管道輸水臨界不淤流速計算公式。關鍵詞：管道輸水；不淤流速；引黃灌區(qū)中圖分類號：S274.2文獻標志碼：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長期以來,引黃灌區(qū)大多采用明渠輸水、地面灌溉，滲漏、蒸發(fā)嚴重，灌溉水利用率低。例如黃河下游的山東省沿黃農業(yè)灌溉用水占全部引黃水量的90%,而引黃水的利用率只有45%左右。面對水資源的不足及農業(yè)用水效率低的實際情況，引黃灌區(qū)發(fā)展管道輸水灌溉已成

7、為高效節(jié)水灌溉的發(fā)展趨勢。然而，泥沙含量大是制約發(fā)展管道輸水灌溉的重要因素Z,采用管道輸水灌溉首要解決泥沙淤積問題，共措施之一是管道輸水流速應大于臨界不淤流速。對于渾水管道輸水臨界不淤流速的計算.國內外許多學者進行了較多的理論分析與試驗研究，提出了諸多臨界不淤流速計算的經驗公式，如B.C科諾羅茲公式、瓦斯普公式、何武全公式、張英普公式、安杰公式等。這些經驗公式大多參考了舒克和杜蘭德公式的形式"°-5,因使用不同沙樣進行試驗，公式系數(shù)不一致，限制了公式的應用范圍.故通用性較差。為此，本研究針對黃河下游泥沙情況，開展管道輸水臨界不淤流速研究，以期對引黃灌區(qū)管道輸水灌溉工程規(guī)劃設

8、計與運行有一定參考價值。1試驗材料與方法11試驗材料管道輸水臨界不淤流速的主要影響因素有含沙量、泥沙容重、管徑、泥沙粒徑等，而泥沙容重、泥沙粒徑與沙樣有關，因此試驗材料主要包括不同顆粒級配的泥沙及不同管徑的管道。1.1.1試驗沙樣本研究范圍為黃河下游山東段。高村、艾山、利津3個水文站位于黃河山東段的上、中、下游，通過對2006-2011年3個測站的實測泥沙資料分析表明,3個站中各年的泥沙顆粒級收稿日期：2OI4-O3T1基金項目：水柯部公行兆科研專項(201201115)。作者簡介：展金利(1989)，男，山東皆城人，曲士研宣生，妍尤方向為農田水利工程建設與管理。通信作者：張慶華(I960).

9、»,山東和逃人，赦投，牌士生導岬.主要從亭農田水利工我建設與管理研充工作。E-mail:sdau.«配曲線差別不大,其中高村與艾山比較接近。因此，試驗用沙樣的顆粒級配以高村、艾山站近3a的平均值為參考。直接從黃河中取泥沙較困難，以山東省小開河灌區(qū)集首、沉沙池、一支渠、田間等7個取樣點的泥沙作為沙料，組合成忒驗所用沙樣I、沙樣2出顆粒級配見表1，沙樣1、2的泥沙密度分別為2.62、2.60/cm，o衰1試驗沙樣順粒級配沙樣小于某粒徑泥沙體積百分比/%-中值粒徑/mm平均粒徑/mm0.002mm0.004mm0.008mm0.016mm0.031mm0.062mm0.125mm

10、0.25mm0.5mm1mm沙樣111.815.921.534.450.274.098.199.199.6100.00.0320.042沙樣211.116.722.440.157.779.398.299.399.5100.00.0220.037含沽&圖2管徑90mm下含沙與臨界不淤流速的關系1.1.2試驗管材與管徑管道輸水灌溉常用的管材一般為PVC、PE或玻璃鋼管,3種管材的管道糙率相差不大。試驗管材選用山東省萊蕪豐田節(jié)水器材有限公司生產的U-PVC塑料管，外徑分別為90、H0J25mm,額定壓力為0.6MPa,實際管壁厚度分別為2.5、2.75、3.50mm,內徑分別為85、104.

11、5、118mm。12試驗裝置試驗在山東農業(yè)大學水利實驗室進行，試驗裝置主要包括進水池、攪拌機、水泵、閘閥、電磁流雖計、管道系統(tǒng)、透明觀測管等，見圖I。管道系統(tǒng)總長51m0透明觀測管采用有機玻璃制作，管內徑嚴格控制與PVC管內徑相同，管長為0.5m。水泵選用潛水電泵，揚程14m°流量控制及計量采用閘閥及電磁流量計，選用西安儀表廠生產的電磁流員計,管內徑80mm,閘閥為直徑110mm的球形閥。進水池為循環(huán)水池,設有攪拌機、補水管與溢流管，攪拌機是保證加入進水池的泥沙均勻分布在水中，補水管與溢流管起到穩(wěn)定進水池水位的作用，以保證流量的穩(wěn)定。1.3試驗方案試驗按管徑分90J10J25mm3組

12、，按泥沙級配分2組。在相同管徑、相同顆粒級配情況下，再根據含沙最分為若干測（組）次。14試驗方法向進水池內加一定量的泥沙，啟動攪拌機使池中泥沙均勻分布，開啟水泵使管道系統(tǒng)運行，同時開啟進水管向進水池加水，待進水池水位穩(wěn)定、流量計所測流量穩(wěn)定后,關閉進水管閘閥，此時整個管道系統(tǒng)處于自循環(huán)狀態(tài)。然后，通過閘閥調節(jié)管道（水泵）流童（一般由大變?。瑫r通過有機玻璃管段觀察管中水沙運動情況，并判斷泥沙不淤積的臨界狀態(tài)，當有機玻璃管段底部開始出現(xiàn)泥沙沉積時，記錄流景計測度的管道流量、水溫，通過公式V=Q/W（Vj流速，。為流量，叩為管道內截面積）計算該測次的不淤流速。同時,在管道出口用最杯接水樣，用烘干

13、法測量:泥沙含量，從而得到一個測次不淤流速的試驗結果。2試驗結果與分析本研究共進行了66組試驗，得到不同管徑、不同泥沙顆粒級配、不同含沙坦情況F的臨界不淤流速試驗結果。21臨界不淤流速與泥沙粒徑的關系圖2圖4為3種管徑下兩種沙樣不同含沙量與臨界不淤流速的關系。圖2圖4中,3種管徑下沙樣1的臨界不淤流速點都在沙樣2的上方，而沙樣I的中值粒徑大于沙樣2,說明臨界不淤流速與泥沙顆粒粒徑有關，相同含沙量、相同管徑情況下，泥沙粒徑大的臨界不淤流速大因為泥沙在水中的沉降速度與泥沙粒徑有關，粒徑越大，沉降速度越大,管道中的水流帶動泥沙運動時需要的“動力”（水流水平速度）就越大，因此在相同含沙最、相同管徑情況

14、下，渾水中泥沙粒徑越大,臨界不淤流速就越大。林1州2圖3管徑110mm下含沙量與臨界不淤流速的關系*1施20I.®-1563W400lit）輪WE圖4管徑125mm下含沙量與臨界不淤流速的關系2.2臨界不淤流速與管徑的關系關于含沙水流管徑與臨界不淤流速的關系，目前的認識仍不統(tǒng)一。有的學者認為大型管道中管徑對臨界不淤流速的影響不大而有的學者則認為管徑增大則臨界不淤流速也增大,例如杜蘭德公式中臨界不淤流速與管徑的1/3次方成正比，何武全、張英普公式中臨界不淤流速與管徑的1/4次59134葉部9點如1°/f=fl%58Q0200.0»Q0600.0801100QJ20Q

15、I40Q1600.18)0.200Q22O含昔.sy%科諾羅性公式瓦新斜:式，何武全公式張英普公式*實泌值泌量S/%管徑90J10mmTV/A-Sv關系0B9Wts/%圖8管徑125mm計算流速與實測不淤流速比較76-方成正比。圖5為試驗得到的3種管徑下沙樣1臨界不淤流速與含沙缺的關系，可以看到管徑90mm的臨界不淤流速線在最上方，管徑125mm的臨界不淤流速線在最下方，說明在本研究試驗沙樣條件及水流含沙量范圍內，泥沙粒徑、含沙眼相同情況卜L臨界不淤流速隨管徑的增大而變小。4t»l25«n=0.7409?®*ff=Q9567L=Qm49msff=Q<

16、7;281.002003.004.00SOO頌7Wg池E005沙樣1臨界不淤流速與管徑關系2.3臨界不淤流速與泥沙含量的關系從圖2圖5中可以看出，含沙量對臨界不淤流速有明顯的影響，在本研究試驗水流含沙fit范圍內，臨界不淤流速均隨含沙歐的增大而增大，說明管徑、泥沙粒徑相同的情況下，含沙最越大，臨界不淤流速就越大。其原因是含沙成越大，單位體積的渾水重量越大，水流帶動泥沙作慈移質運動需要的“動力”就越大。3臨界不淤流速計算31現(xiàn)有經驗公式計算結果與實測值比較圖6圖8為針對沙樣1分別利用科諾羅茲、瓦斯普、何武全、張英普提出的臨界不淤流速經驗公式計算結果與實測值的比較。圖6管徑90mm計算流速與實測不

17、淤流速比較圖6管徑90mm計算流速與實測不淤流速比較®-60-4)-打ZLLLLLQQQfl矗Qo®aoboao®)aim0.120o.i«aieoaisoQ200泗s/%圖7管徑110mm計算流速與實測不淤流速比較由圖6圖8可知，臨界不淤流速計算值與實驗值均有差距，用4個經羚公式計算沙樣1的臨界不淤流速由大到小依次為何武全公式、科諾羅茲公式、張英普公式、瓦斯普公式。針對沙樣2進行比較，結果與沙樣1類似,臨界不淤流速計算值與實驗值均有差距,臨界不淤流速由大到小依次為科諾羅茲公式、何武全公式、瓦斯普公式、張英普公式。沙樣1中張英普公式計算結果與實測值最接近

18、，沙樣2中(管徑125mm除外)何武全公式最接近?？傮w來看，現(xiàn)有臨界不淤流速計算經驗公式不適用于黃河下游引黃灌區(qū)管道輸水。3.2臨界不淤流速的計算依據試驗成果，利用統(tǒng)計分析方法建立黃河下游管道輸水臨界不淤流速經驗公式C臨界不淤流速與泥沙顆粒級配、含沙雖、管徑等有關，參照上述經貌公式，假設&竺習(1)LOpJ式中:A為泥沙及邊界因子W為泥沙沉降速度,mm/s；p為水的密度,kg/mS;p,為泥沙密度，kg/n?；D為管徑,mm；g為重力加速度，取值9.8m/s2；a為指數(shù)。指數(shù)為對觀測數(shù)據進行處理得到的值，經過多次試算,a73分別為0.28.0.25時式(1)具有較好的相關性。為得到計算

19、臨界不淤流速的經驗公式，先對觀測數(shù)據進行處理:根據式(1)及管徑90J10mm下沙樣1、2臨界不淤流速試驗數(shù)據丫和式(1)if'算所得的4,求得"4,建立V/A-S,關系，見圖9。對圖9中V/0Sv數(shù)據回歸分析得到臨界不淤流速計算公式為.a25&四二£(2)Dpi或-0.2$-S-PlP(3)Dp'式中/為臨界不淤流速,m/s；Sv為體積含沙量為質鼠含沙量,kg/m：其余符號意義同式(1)。式(2)、式(3)的復相關系數(shù)中=o9432,滿足相關分析要求。為了檢驗式(2)、式(3)的正確性,采用以下方法檢驗。(1)利用式(2)、式(3),對管徑90、1

20、10mm下沙樣1、2的不淤流速進行計算，得到44組不同含沙量臨界不淤流速的計算值的誤差分布，見圖11。由圖10可知，誤差超過5%的僅占6.82%，誤差在3物以內的占61.36%，在2%以內的占34.09%。(2)利用式(2)、式(3),對管徑125mm下沙樣1臨界不淤流速的計算值與實測值進行比較，其誤差分布見圖10o圖11管徑125mm臨界不淤流速計算值誤差分布由圖1】可知，計算誤差除1個超過5%外，其余均在5%以內。由上述分析看到，式(2)、式(3)有比較高的計算精度，可以用于黃河F游引黃灌區(qū)管道輸水臨界不淤流速計算°4結語臨界不淤流速是渾水管道輸水灌溉I：程規(guī)劃設計和運行中的一個

21、重要參數(shù)，影響臨界不淤流速的主要因素是泥沙粒徑、管徑、泥沙含量。引黃灌區(qū)渾水管道輸水時，在相同含沙破、相同管徑情況泥沙粒徑越大，臨界不淤流速就越大；在管徑、泥沙粒徑相同的情況下，含沙雖越大，臨界不淤流速越大;在泥沙粒徑、含沙鼠相同的情況下，管徑越大，臨界不淤流速越小。依據試驗成果，通過回歸分析方法建立的黃河卜游管道輸水臨界不淤流速經驗公式，經檢驗計算精度較高，能夠滿足工程規(guī)劃設計要求，可用于黃河下游引黃灌區(qū)管道輸水灌溉工程規(guī)劃設計。參考文獻：(1薄宏波.胡健.劉新兵，等.山東省引黃漕區(qū)節(jié)水灌溉的必要性與主要措施J.水利科技與姓濟.2013(3)：1-3.(2馬文敏，蔡瑜.宋華株.揚黃濯區(qū)管灌防

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