长距离泥浆输送管道粗糙系数现场检测

冯 鹰,戚卫斌

(浙江省疏浚工程有限公司,浙江 湖州 313000)

0 引 言

随着水环境治理工作的深入开展,疏浚工程中长距离管道输泥规模日益扩大,输泥距离越来越长.疏浚施工企业在进行工程施工规划与作业实施过程中发现,长距离管道输送泥浆的经济性问题相当突出,一个加压站的投资100余万元,多设一个与少设一个加压站,直接与施工企业的经济效益联系在一起,与业主的投资效益也密切相关.科学地解决这个问题牵涉到一个很重要的参数,即输送泥浆管道粗糙系数.根据以往某些文献中提供的经验数据与工程实际使用中发生的情况相比较,存在较明显的差异.实际工程中采用这些或然性较大的粗糙系数进行计算的结果供决策,将对工程效益产生影响.为此,有必要对在实际工程中发生的管道粗糙系数进行现场检测,得出比较符合实际工程的粗糙系数,从而提高在管道输送系统施工规划中的决策科学性,提高工程经济效益.

1 被检测工程应具备的基本条件

管道输送泥浆的现场检测技术性很强,检测结果必须对工程实际具有意义,为此,选择被检测工程非常重要.对选择不当的工程进行检测,由于太多客观因素的影响,检测结果将会提供不当甚至错误的数据,从而误导决策,造成不应有的工程经济损失.在选择检测长距离输送泥浆检测工程对象时,应当注意具备以下基本条件：

①输送泥浆管道铺设长度宜在以上;

②输送泥浆管道长度及相应管道材料性质的书面资料齐全;

③输送泥浆管道敷设的平面布置及沿线地形剖面图完整;

④挖泥船泥浆泵及各加压泵站的各种记录仪表运用正常,读数准确;

⑤现场所有施工设备及管道系统处于正常施工作业状态;

⑥疏浚底泥物料组成中无明显城市垃圾及块石和坚硬土料等.

2 现场检测前的准备工作

检测工程选定后,进入现场检测前须做好以下准备工作：

(1)疏浚施工挖泥船及各加压泵站泥泵特性资料收集

检测工程施工作业的各泥浆泵特性资料收集齐全,包括泥浆泵轴功率和效率曲线;转速特性曲线等.

(2)疏浚施工挖泥船及各加压泵站检测仪表的检查

检测前应对各个泥浆泵设备的检测仪表作一次检查,并做好记录.挖泥船和各加压泵站泥浆泵的进出口压力表、流速表、泥浆浓度表均应处于正常运用状态.

(3)检测管道系统施工作业的正常运行情况检查

进入现场检测前,必须是整个管道系统处于正常连续作业状态,不能在检修或间息停顿状态进行检测.

3 现场检测

现场检测准备工作完成后,即可进现场进行检测.

检测记录一般宜在挖泥船进行,其他加压站读数则通过步话机同时报读数据.每隔5～6 min读数一次,总数据不少于30组.

在读取管道系统压力和流速数据的同时,应在输泥浆管道出口采取若干疏浚泥浆的检测样品,送到实验室进行泥浆容重测定.泥浆样品应不能少于3个,宜取3～5个.取样容器可用相同的塑料瓶替代.

在疏浚水域尚应根据疏浚底泥土的特性,采取若干疏浚底泥土的样本,送到试验室得出容重特性.疏浚土样本不应少于3～5个.由于疏浚作业面一般均相当宽大,取土范围应该分开几个代表性的地方取样,不宜集中在一个地方取样.

4 泥浆输送管道粗糙系数的现场检测数据处理

4.1 检测数据系列可靠性分析

对取得的检测数据系列应先进行可靠性分析.根据理论与实际工程经验判断,数据系列反映的情况是否存在严重偏离正常情况的现象,即具有比较好的数值关系稳定性.数据偏离的原因可能是表计的偶然抖动使读数不准;或者表计偶然失灵;或者读数方法不当等.如果严重偏离正常数据多达6～8个以上,一般认为该数据系列的稳定性差,应考虑作不可靠处理,重新检测.如果异常数据在5个以内,其他数据均比较稳定,可以将异常数据踢除处理.

4.2 数据系列合理性分析与处理

对取得的检测数据系列可靠性分析后,应对监测数据系列进行合理性分析与处理.分析主要针对以下几个方面.

(1)数据系列的合理性分析处理

合理的管道流速与压力关系应该具有较好正比关系的稳定性,即高压力对应高流速.但由于读数时间与实际工况发生时间存在差异及计量表计表针的抖动和施工现场其他多方面因素的影响,这种数据系列反映的关系会具有一定的离散性,高压力不一定对应高流速.而这种离散性与工程客观实际现象相背离,因此,作为进行理论计算的依据,检测数据系列取得后,必须对这种离散性进行纠正处理.处理按照数据系列中的高压力对应高流速,低压力对应低流速的原则.

设系列最高压力为Pmax,系列最大流速为Vmax;系列最低压力为Pmin,系列最小流速为Vmin,则有：

或者：

式中：

K、K′— 数据系列修正曲线斜率,即：

式(1)、(2)、(3)、(4)即是修正数据系列的处理公式,只要将相应的流速V或者P代入,即可得出修正后的压力或者流速值,得出处理后的数据系列.

(2)数据系列确认

在经过以上数据处理后,对照工程实际情况一般应于确认合理.

4.3 管道粗糙系数的数据系列计算

检测数据系列经过合理性分析处理后,即可进行管道粗糙系数的数据系列计算.计算按谢才经验公式进行,谢才系数按曼宁公式计算,从而得到管道粗糙系数的计算公式[1-2]为：

式中：

n—管道粗糙系数;

H—计算管道中的输泥浆压力损失,m;

C—泥浆容重对水容重的比值;

Vm—计算管道中的泥浆流速,m/s;

R—计算管道水力半径,m;

L—计算管道长度,m.

对现场得到的检测数据系列经过分析处理后,即可按式(5)进行粗糙系数的数据系列计算,得出粗糙系数数据系列.

4.4 管道粗糙系数的数据系列统计推断

对计算得到的粗糙系数数据系列不需要进行可靠性分析与合理性分析,直接进行数据处理即可.

粗糙系数数据系列的流速数据与压力损失数据属于随机抽取的随机变量值,其在时间与空间上的分布没有预设边界条件,其每一对数据的出现具有偶然性与满足总体规律的必然性,从而认为其数据的分布符合正太分布规律,可以采用统计推断分析方法：

(1)点估计

推求粗糙系数数据系列点估计量的方法采用矩法[3],其子样的1阶矩为母体的数学期望;子样的二阶矩为母体的方差.

设取得的粗糙系数系列值个数共n个,根据点估计,用子样系列均值作为母体数学期望的估计值：

子样系列的方差值作为母体方差的估计值：

(2)置信区间估计

根据统计程序计算得出该子样的总体方差为：

置信区间估计采用u估计.由给出的样本系列计算均方差为：

规定置信度为1-α=0.95,查正态分布表α/2=0.025,得到：

u=±1.96

总体方差σ2为已知,置信区间计算按式[10]进行：

根据已知粗糙系数数据系列的均值¯X和总体方差σ2及样本系列观测值个数,即可计算求得粗糙系数数据系列置信区间为：

(X1,X2)

即：该输泥浆管道的粗糙系数为(X1,X2)的可信度为95%.

4.5 现场检测管道粗糙系数数据计算结果处理

通过对以上计算数据处理后可以得出结果,见表1.

表1 长距离输泥浆管道粗糙系数现场检测分析结果汇总表

针对以上数据处理可以看出,数据系列的均值、众数、数学期望值是否均在置信区间内,若在置信区间内,其出现的几率为95%.

对以上数据计算的3个数值,认为出现机会比较多的是众数,数学期望与均值是总体平均概念,为此,对以上3个数据作进一步处理时,应视工程实际情况进行,例如按以下比例计算总的粗糙系数值是方法之一：

众数：按40%计;

均值：按30%计;

数学期望值：按30%计.

鉴于钢管道粗糙系数在使用过程中存在很多或然因素影响,故在实际使用过程中建议如下.

(1)对于旧钢质管道,管壁比较光滑,建议采用较小值处理;对于新钢质管道,建议采用较大值处理.整个管道系统的平均粗糙系数,可用相应加权平均法求得.

(2)橡胶管道的粗糙系数根据厂家提供资料使用,若无厂家资料,可取0.015～0.016使用.

(3)对于采用PE管道,其管道粗糙系数按照厂家提供的粗糙系数数值.

5 工程实例

某疏浚河道共长约5.9 km.整个工程疏浚总工程量约33.0×104 m3,通过长11.0 km的管道送至两个弃土场,采用一船三泵.

该施工地区上层土质为黑色淤泥,内含有机质.下层为黄遏色黏土,质地较硬.经分析,该管道系统比较符合现场检测条件.

该工程管道系统采用潜管和岸管两种管道敷设形式,管道总长度为11 096 m,其中：橡胶管：Lx=526.80 m;PE管道：LPE=250 m;钢管：Lg=10 319.20 m.

检测时挖泥船所在位置河道水位：3.50 m,管道出口高程16.00 m,故管道输泥浆时地理扬程：12.50 m.

5.1 疏浚设备基本资料

(1)挖泥船

柴油机功率：485 kW

泥浆泵轴功率：390 kW

(2)1号加压泵站

型号：750泥浆泵

柴油机功率：465 kW

泥浆泵轴功率：390 kW

5.2 现场检测记录及分析处理

该工程现场检测取得各泥浆泵进出口压力和流速共120组计360个数据,限于篇幅,现列出其中挖泥船～1号加压站经过可靠性与合理性分析后的数据,见表2.

表2 某河道挖泥船现场检测记录

挖泥船—1号泵站管长：L=1 300 m,其中钢管Lg=1 040 m;橡胶管Lx=260 m;

局部损失系数：åx=5.478.

5.3 数据系列统计推断

根据表2中列出的该管段的总水力损失值,并由现场采集的泥浆样品和疏浚底泥土样试验结果,按式(5)计算出粗糙系数列于表中(7)栏.针对表2中(7)栏的粗糙系数数据系列,按式(6)～(10)进行统计推断得出结果,见表3.

表3 长距离输泥浆管道粗糙系数现场检测分析结果汇总表

5.4 钢质管道粗糙系数选定

根据对该河道1管段现场检测结果进行统计推断分析结果,管道系统粗糙系数均值0.010 8,众数0.0098,置信区间(0.01036,0.011 24),其中众数0.009 8不在置信区间内,说明该管段的实际粗糙系数值宜选择小于0.010 8值较为合理,笔者认为选择0.010 8与置信区间下限值0.0103 6的均值0.010 22较为合理.橡胶管道粗糙系数0.001 6,根据各自管道长度采用加权平均计算法,得出钢管粗糙系数为0.009 5.

按照同样的方法,对其他管段的检测数据进行同样的分析处理,也可得到各自的粗糙系数值,按照同样的方法处理,同样可以得到一个钢管的粗糙系数值,供施工组织期间确定长距离泥浆输送管道及加压泵站布设的依据.

根据实践,对4个环保疏浚工程11段管道进行检测的结果应用于实际施工规划设计和施工实施证明,检测得出的粗糙系数比较符合工程实际.在进行长距离输送泥浆钢管道的加压站布设中,有了比较可靠的决策依据,不再是仅凭感觉与经验判断.

值得指出,本次检测得出的钢管道粗糙系数值0.009 5较一些资料与书本上提供的经验数据值0.011～0.013明显偏小,分析原因是本次检测工程中钢管道输送的泥浆中含有为数众多的粗砂、碎石、块石及其他硬质垃圾等固体杂质,钢管内壁在很短的时间内就被磨损得非常光滑,本次检测读数时段系疏浚施工正常时段,钢管内壁已经磨损相当一段时间,从而使得检测结果偏小,但该结果符合疏浚施工实际情况,应属合理.

6 结论及建议

通过长距离泥浆输送管道粗糙系数的现场检测,得到了比较符合工程实际的钢质管道泥浆输送时的粗糙系数值,避免了原来仅凭感觉与经验判断的盲目性,提高了长距离泥浆输送管道工程布置的科学性,尤其是加压泵站的布设,对降低疏浚工程泥浆输送成本及其正常稳定运行有重要的现实意义,取得的粗糙系数检测数据对类似工程也有一定的参考价值.但限于工程实际条件,上述泥浆输送管道粗糙系数检测方法还不够严谨,取得的粗糙系数检测数据也有一定局限性.对此,可考虑在今后的工作实践中,待条件成熟时作进一步完善.

[1] 郑文康,刘翰湘.水力学[M].北京：水利电力出版社,1991.

[2] 清华大学水利工程系教研组编.水力学[M].北京：人民教育出版社,1961.

[3] 汪树玉,刘国华.系统分析[M].杭州：浙江大学出版社,2002.

[4] 孙清华,孙 昊.概率论与数理统计[M].武汉：华中科技大学出版社,2006.