黄河下游放淤固堤远距离输沙方法研究

张永伟 张红杰 孔玉花

(河南省中原水利水电工程集团有限公司， 河南 濮阳 457000)

黄河下游放淤固堤远距离输沙方法研究

张永伟 张红杰 孔玉花

(河南省中原水利水电工程集团有限公司， 河南 濮阳 457000)

黄河下游淤背固堤工程的输沙距离大部分较远，需要进行多次接力。针对如何科学确定接力泵级数和接力泵间距离的问题，通过对输沙管道的布设和泥沙输送方式的研究，提出了管道布设的要求和泥沙输送的方式；在对影响接力泵级数和各接力泵站间距离的主要因素分析的基础上，建立了管道扬程和在两级接力、多级接力情况下接力泵间距离的计算公式，确定了接力泵级数和各接力泵站间距离。实例分析表明：利用所建立的计算公式能够科学合理地确定接力泵的级数和各级的具体位置，提高了设备利用率，降低了设备使用台班，节约了施工成本，提高了管理效率，取得了明显的经济效益和社会效益。

黄河；淤背固堤；远距离；输沙方法；研究

20世纪70年代，为了加固黄河大堤引进了淤背固堤模式，当时多在险工堤段，大堤距离河槽较近，排距一般在500m以内。随着淤背固堤由险工堤段向平工堤段扩展，泥沙的输送距离不断增加。2000年以后，淤背固堤的输沙距离最远可达到8000m[1-2]。

本文拟从输沙管道的布设、泥沙输送的方式、接力泵级数和各接力泵站间距离的确定等方面，介绍远距离泥沙输送方法，以期为广大水利工程施工技术人员提供参考。

1 输沙管道布设

在淤筑工程中，一般通过管道输送泥沙，多为200kg/m3以上的高浓度泥浆，其输送距离除与泵的性能有关外，也与泥浆浓度、泥沙颗粒粗细和管道本身的规格、管材质地等密切相关[3]。一般情况下，泥浆颗粒细、浓度低、管道光滑情况下阻力小，输送距离远。

输沙管道布设要遵循安全、经济、环保、平直和易于实施的原则，尽量减少交通与其他施工的干扰，选择地势平坦交通便利的场地、道路、堤岸、河边布置，且走向平直、距离短。输沙管道穿越水渠时，宜架设在管架之上，水陆管线接头应采用柔性连接，水上部分宜留一定的活动余量[3-5]。

2 泥沙输送方式

泥沙输送方式主要指接力输送。接力输送一般是指两级或两级以上输送泵，组成水力输送系统。按输沙管道中间是否断开，分为间断式和连续式。特殊条件下，采用自流和机械相结合的输送方法，也可达到远距离输送的目的。

2.1 间断式接力

在接力输送中，前一级输送泵与后一级泵没有直接的联系，接力是间断的，这种输送泥沙的方式称为间断式接力[2]。间断式接力一般以集浆池为节点，即前一级泵将泥浆输送至集浆池，再由后一级泵从集浆池中抽吸后输送。这种输送方式的优点是泵与泵之间没有直接的联系，两级泵的动力、流量、扬程等指标可以不同，便于多种型号的输送泵联合运用。缺点是中间需要做集浆池，且集浆池内宜淤积。

2.2 连续式接力

连续式接力是将接力泵连接在输沙管道中间，使接力泵起到加压泵站的作用，保证远距离管道输送泥沙正常进行。其优点是布置简单，中途能量损失少；但该方式需要各级泵的指标一致，对运行中的协调性要求较高。为防止系统压力骤变，造成设备的损坏或淤堵，接力泵的位置需要进行合理选择。

2.3 无压与有压混合接力

利用有利的地形条件，在整个输送线路上选择其中的一段使水流自流挟沙，减少机械排距，降低生产成本。自流输送实际就是无压输送，需要有一定的坡降。在黄河下游淤背固堤工程中，先使用机械将泥沙送到大堤背河侧淤区的一端，再利用淤区的纵向坡降让泥浆自流至另一端，属于无压与有压的混合接力。

3 接力泵级数的确定

对于连续式接力远距离输送泥沙，可采用双泵或多泵接力输送泥浆的方式，即采用同型号的机泵，其中一台布置在挖沙点，另一台或几台布置在适当位置接力把泥浆输送至淤区，目前这种接力输沙方式在黄河下游淤背固堤施工中较常见。

3.1 管道的扬程

在挖泥船、淤区位置和输沙管道的走向确定以后，输沙管道的长度(L)为一定值，放淤固堤所需要的总扬程(H)可通过能量方程式[6]求得:

(1)

(2)

式中H——放淤固堤总扬程，m；

Z1——进水口水面高程，m；

Z2——出水口水面高程，m；

L——输沙管道的长度，m；

Q——泥浆泵实际流量，m3/s，(考虑管道的新旧程度、粗糙度，泥浆泵新旧程度，实际流量往往只达到其额定流量的30%～40%，对于额定流量1100m3/h的泥浆泵，实际流量只有360m3/h左右，也就是0.10m3/s)；

K——流量模数(对于φ300mm的旧钢管，清水时K=1.032，含沙量在200～400kg/m3情况下，K=0.90～1 )。

3.2 接力泵级数的确定

根据总扬程H和泥浆泵扬程(Hi)的比较，即可确定接力泵的级数。

4.接力泵位置的确定

接力泵的位置在实际生产中非常重要，如两级接力时，接力泵距离吸泥船太近，将使管道的压力增加很多，易造成管道损坏；若距离太远，靠管道出口太近，就会使泵前产生负压，易发生气蚀现象，因此，选择接力泵安设的位置要有利于工程施工和管理，使管道压力尽量均匀。

4.1 两级接力

下图为两级接力输送的示意图。设接力泵前A处的管道压力为零，对于初级泵，根据能量平衡方程[2]，有:

两级接力输送示意图

(3)

对于接力泵，按照能量平衡方程有：

(4)

由于水流的连续性，有ν1=ν2，同时考虑到输沙管道一般较长，∑ξi在其中所占的比例较小，可以忽略不计，由式(3)和式(4)，可得

(5)

设总的排距为L=L1+L2，则接力泵前的管道长度L1在总长度中的比例

或

(6)

式(6)是在两级接力输送时计算接力泵安设位置的计算公式。可以看出，接力泵的位置主要与泵的扬程H、输送泥浆容重、排高h0-h1、安设高程h2以及管道长度L有关。

4.2 多级接力

对于三级或多级接力情况下接力泵的安设位置，可以利用同样的原理，导出各级接力泵安设位置的计算公式。

三级接力情况：设初级泵、二级泵和三级泵的参数相同，扬程分别为H1、H2、H3；泵的安设高程分别为h1、h2、h3，管道的出口高程为h0，初级泵到二级泵之间的管道长度为L1，二级泵到三级泵之间的管道长度为L2，三级泵到出口之间的管道长度为L3，总的管道长度为L。

L1在总长度中所占的比例N1为

(7)

L2在总长度中所占的比例N2为

(8)

同理可以推出n级接力情况下接力泵安设位置

(9)

4.3 注意事项

a.以上各式是以接力泵前的管道压力为零计算Li的长度，忽略了一些次要因素，在实际施工中有其他因素的影响[8](如:泥浆泵的压力和泥浆含沙量的波动、水流的强度、颗粒组成等)。因此，计算出的Li再缩短一些，以确保接力泵前不出现负压。根据黄河下游淤背固堤的实践经验，一般将计算的Li缩短100～300m。

b.式中Hi是泥浆泵的扬程，是按照吸程为零考虑的，在实际工作中，尽管初级泵的安设高程接近水面，但由于吸入的是泥浆，而泥浆的容重大于清水的容重，所以吸入泥浆也需要消耗能量。在实际运用中，可以将初级泵的扬程减去3～3.50m。

c.在运用公式时，应特别注意管道长度和排高的确定。由于黄河淤背固堤一般都要爬越黄河大堤，在爬越大堤后，管道布设的坡降一般较陡，泥浆在其中会加速运行，由原来的满管变为半管，由有压变为无压，为此，在计算管道长度时不能将爬越大堤以后的无压管道计算在内，相应的排高也应计算至大堤顶部，即有压和无压的分界高程。但若爬越大堤后的管道较长，而且采取了一定的措施能保持管道满管有压运行，管道长度则应计算在内，排高也应计算至出口高程。

d.注意安设高程的变化。由于在管道沿线地面的高程是变化的，在计算假设的接力泵安设高程hi与根据计算现场落实的高程hj往往不相符，应注意这一变化的幅度和进行必要的调整。如果hj≥hi,计算出的Li要做相应减少，减少幅度可以按ΔL=100(hj-hi)进行估算；反之可相应增加。

5 应用实例

2013年，黄河下游濮阳堤防加固工程第十标段，吸泥船的泥浆泵为10ENP—30型，额定扬程30m，输沙距离7000m，河道距大堤距离6500m，滩地高程57.80～56.40m(黄海高程，下同)，进水口水面高程54.50m，出水口水面高程57.90m，堤顶高程66.00m，管道在堤顶铺设约500m后进入淤区。从堤顶至淤区距离较短，不形成有压。该系统采用连续式接力输送，正常输送泥沙含量为300kg/m3，接力泵为10ENP—30型，计划置于滩地，管道选用直径为300mm的钢管。

再计算接力泵间的管道长度，确定接力泵的位置：由实例给出的条件可知，H1=30-3=27m,H2=H3=30m,h1=54.50m,h2=57.50m,h3=57m,h0=66m，输送沙土的颗粒密度为2650kg/m3，水容重为9.80kN/m3，则泥浆的容重为

按照式(9)，接力泵间管道长度Li在总长度中的比例为

由于L=7000m,则L1=L×N1=7000×0.321=2247(m),L2=L×N2=7000×0.408=2856(m)，依据理论计算数据，考虑其他因素，实际安放第一级接力泵距吸泥船2000m，第二级接力泵距第一级2700m。

6 结 语

濮阳黄河下游淤背固堤工程施工准备期间，采用科学的方法，确定接力泵的级数和各级接力泵间的距离，通过对黄河下游濮阳境内几个放淤固堤施工标段，与传统的经验确定法的比较，在输沙距离为7000m的时候，每条输沙管线可节省1台接力泵，提高了设备利用率，降低了设备使用台班，节约了施工成本，提高了管理效率，具有明显的经济效益和社会效益。

[1] 赵寿刚，张俊霞，沈细中，等.黄河下游放淤固堤效果分析及其施工影响研究[M].郑州:黄河水利出版社,2008(12)：23-30.

[2] 杜玉海.黄河下游淤背固堤技术研究与实践[M].郑州：黄河水利出版社，2002(10)：122-133.

[3] 兰华林,曾贺,霍风霖.黄河下游滩区放淤与泥沙处理技术[M].郑州:黄河水利出版社,2011(12)：64-66.

[4] JTS 207—2012疏浚与吹填工程施工规范[S].北京：人民交通出版社，2012(11)：27-35.

[5] SL260—98堤防工程施工规范[S].北京：中国水利水电出版社，1998(10)：13-15.

[6] 李洪明，潘玉琴，韩晶.冲吸式挖泥船远距离输沙放淤固堤技术[EB/OL].[2015-05-06]http:∥www.doc88.com/p-1532298967508.html.

[7] 徐正凡.水力学[M].北京：高等教育出版社，1986(10)：394-400.

[8] 张瑞瑾，谢鉴衡，王明甫，等.河流泥沙动力学[M].北京：中国水利水电出版社，1989(6)：265-270.

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