低压输浑水管道临界不淤流速的试验研究

安杰，宗全利，汤骅

（石河子大学水利建筑工程学院，石河子832003）

管道输水灌溉技术已经成为世界农业节水灌溉中的一项关键技术。由于管道内水压力很低，一般不超过0．2MPa，且在克服管道输水压力损失之后，管道最远处出水口压力应控制在0．002～0．003 MPa，故称为低压管道输水灌溉［1］。它具有节水、省地、省工、低能耗等优点［2－3］，我国自20世纪50年代，开始尝试对低压管道输水灌溉技术的开发与应用。尽管近十几年来管道输水灌溉发展较快，但管道淤堵问题一直是影响管道输水灌溉技术在渠灌区推广应用的一个重要制约因素，而解决浑水管道泥沙淤堵问题的关键就在于其临界不淤流速的确定［4－5］。至今，临界不淤流速的计算大多采用输浆体管道临界不淤流速的计算公式，而输浆体管道的含沙量要远远高于输浑水管道中的含沙量，因此，在输浑水管道灌溉中采用输浆体的临界不淤流速公式计算临界不淤流速缺乏可靠性。本研究主要是通过对低压输浑水管道在不同含沙量下的临界不淤流速的试验研究，同时参考输浆体管道的临界不淤流速的计算公式，求得更适合计算低压输浑水管道的临界不淤流速的经验公式。

1 试验装置与方法

1．1 试验装置

试验装置如图1所示，主要包括蓄水池、搅拌池、水泵、浑水管道系统、测压管、电磁流量计、透明有机玻璃观测管、管道系统（聚氯乙烯硬塑料管）等。系统管道总长为50m，管道外径为200mm，管壁厚5mm。

1．2 试验方法

采用试验水力学原型观测法，流量采用电磁流量计测定，阻力损失用测压管观测，临界不淤流速采用目测透明有机玻璃管段进行判断。试验在同一泥沙粒径级配及不同含沙量组合下，使进口流速分别由大变小和由小变大变化，通过观测法判断泥沙不淤积的临界状态，测出临界状态的流量和测压管水头，结合2种情况试验结果确定临界不淤流速值。

图1 管道输浑水试验系统示意图Fig．1The schemes of experimental system about muddy water pipe

2 结果与分析

2．1 试验沙洋测试结果

试验沙样为天然河沙，其粒径级配分析结果见图2，中值粒径d50＝0．15mm。

根据我国西北地区以多泥沙河流为水源的渠灌区运行实际，共设计进行了16组不同含沙量试验，含沙量变化范围为0．185～6．852kg／m3。试验不同处理水样的实际物理性状见表1，其中水体积质量为1000kg／m3，泥沙体积质量为2．65×103kg／m3。

图2 泥沙颗粒级配图Fig．2The size gradation of sedment

表1 浑水水样物理性状Tab．1The physical properties of muddy water samples

2．2 临界不淤流速判别

为了防止在浑水低压管道输水过程中因泥沙沉积而造成管道的淤堵，便提出了临界不淤流速的概念，然而对于临界不淤流速的定义，却不尽相同。高桂仙等［6］的观点是泥沙开始出现落淤时，管中断面的平均流速就是临界不淤流速；周维博等［7］的观点是保证含沙水流所挟带的泥沙能够稳定地随水流输运而不在管道中淤积时的管道水流最低的平均流速称为临界不淤流速；何武全［8］、张英普［9］等的观点是管道中泥沙出现明显推移质运动时的断面平均流速称为临界不淤流速。通过试验研究，笔者认为当管道中泥沙在管底呈线形较慢推移前进而未出现成堆淤积时，管中断面的平均流速为临界不淤流速。

2．3 临界不淤流速测定方法

临界测定不淤流速主要有3种方法，分别如下：

1）观测法。通过一直段透明有机玻璃管道观测浑水泥沙沉降淤积情况，根据临界不淤流速定义判定出现临界不淤状态，通过测定流量从而求出临界不淤流速。

2）电测法。利用浑水中导电物质测定其电导率的变化率。在含沙量一定情况下，当泥沙没有明显沉降时，电导率不会随着断面平均流速增大而变化；当泥沙有明显沉降时，浑水中导电物质发生明显变化，其电导率也会发生明显变化。此方法比较准确，可以精确判定临界不淤流速，精度比较高。

3）图解法。根据浑水阻力损失试验结果绘制出浑水水力坡降与断面平均流速之间关系曲线，曲线最小值对应的断面平均流速即为临界不淤流速。

以上3种方法，目测法比较直观，可以直观观测泥沙在管道中的运动形式，特别是泥沙的淤积过程，但人为因素影响大；电测法比较准确，可以精确判定临界不淤流速，精度高，但浑水导电率变化范围较小，不易确定；图解法可以验证其它两种方法，实际试验过程中可以3种方法都采用，互相验证所判断的临界不淤流速是否准确。

2．4 试验结果与分析

本试验研究主要通过观测法，透过一直段透明有机玻璃管，利用变频设备调节管道中的流速，观察在不同含沙量下浑水泥沙沉降淤积情况，根据上述临界不淤流速的定义判定出现临界不淤状态，最终通过测定流量从而求出临界不淤流速，试验所得数据见图3。

从图3及试验中发现，当泥沙开始出现沉积时，泥沙颗粒总是由大到小先后沉积，然后逐渐成线形沉积，最终成堆淤积在管底；含沙量对于临界不淤流速具有一定的影响，即在同一种管径和泥沙容重条件下，临界不淤流速随着含沙量的增大而增大，但临界不淤流速并不是随着含沙量的增大而一直增大，当含沙量达到一定程度时，临界不淤流速增大趋势开始趋于平缓，即临界不淤流速随着含沙量增大，其增大的趋势逐渐减小。

图3 含沙量与临界不淤流速关系曲线Fig．3Relationship between silt content andnon－depositing critical velocity

3 临界不淤流速经验公式的建立

式（1）中：vs为临界不淤流速（m／s）；g 为重力加速度；Sv为体积比含沙量（L／m3）；ρs为泥沙密度（g／cm3）；D 为管径（m）；ω为泥沙自由沉降速度（m／s），取d50对应沉降速度；ρ为水的密度（g／cm3）。

将获得的临界不淤流速经验公式计算值与实测值进行比较，结果见图4。

从图4可以看出，两者符合较好，公式相关系数R2＝0．95，拟合度较高，完全可以用于实际计算。

结合已有的试验资料和研究成果，低压输水管道的临界不淤流速的影响因素主要有输水管径的大小、泥沙密度及含沙量等。通过回归性分析，并参考杜兰德公式和舒克公式［10－11］，可得出低压输浑水管道临界不淤流速的经验公式为：

图4 临界不淤流速计算值与实测值对比Comparison between calculated value and actual measureddata of non－depositing critical velocity

4 结语

1）通过系统的室内试验，对低压输浑水管道临界不淤流速进行了研究，并根据试验现象重新定义了低压输浑水管道的临界不淤流速。

2）虽然低压输水管道所能承受的压力范围较小，但与前人相比，本试验采用的管径较大，其压力范围也相应的得以扩大，可以得到更大范围的临界不淤流速，结果所得的规律性更加明显和准确。

3）经过对所得到试验数据分析，得出了泥沙含量对临界不淤流速的影响规律，并给出了临界不淤流速的经验公式。通过比较所得到的临界不淤流速经验公式计算值与实测值，该公式精度较高，完全可以用于实际计算，从而为低压输浑水管道设计中临界不淤流速的计算提供重要参考。

［1］王恩宝，庞玉俊，李占华．低压管道输水灌溉技术在农业综合开发中的应用［J］．2005，27（5）：411－412．

［2］康绍忠．农业水土工程概论［M］．北京：中国农业出版社，2007．

［3］魏闯，李明思，雷成霞．新疆管道输水灌溉技术的应用条件及面对的问题，节水灌溉［J］．2010（5）：71－74．

［4］蔡明科，何武全，张英普，等．浑水管道淤堵机理及防淤堵技术研究，灌溉排水学报［J］．2005，24（3）：27－29．

［5］张英普，王玉宝，何武全，等．浑水管道输水灌溉系统防淤堵技术研究，西北农林科技大学学报：自然科学版［J］．2010，38（12）：230－234．

［6］高桂仙，尚民勇．东雷抽黄灌区低压管道输浑水应用研究［J］．泥沙研究，1994（4）：60－67．

［7］周维博，党育宏．低压管灌系统渠管联接的方式及不淤流速的确定［C］／／中国水利学会信用专业委员会．第三次全国低压管道输水灌溉技术研讨会论文集．北京：中国农业科学技术出版社，1994：101－103．

［8］何武全，王玉宝，张英普，等．浑水低压管道输水灌溉的试验，沈阳农业大学学报［J］．2007，38（1）：98－101．

［9］张英普，何武全，蔡明科，等．关于浑水管道输水系统临界不淤流速的试验研究，灌溉排水学报［J］．2004，23（6）：34－36．

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［11］Shook C A．The Design of Short Distance Pipelines［M］．Ottawa Proc Symp，Canadian Soc．Chem．Engin，1969：56－59．