管道淤积物固结后起动特性的试验研究

李 明，刘 达，黄本胜，谢智勇，秦晓川，邱 静

(1. 广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2. 广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510635；3. 河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510635；4. 广东粤海珠三角供水有限公司，广东 广州 511458；5.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

1 概述

珠江三角洲水资源配置工程取水输水流量大，运行期间不可避免地会吸入取水河段的悬浮泥沙。工程在“西江鲤鱼洲泵站——南沙高新沙水库”输水段设置了2个平行管道，管道长度约为40.9 km，且在不同取水工况中会交替进行使用，因此，在输水过程中，泥沙很可能发生淤积[1-2]。另外，在输水管道调度过程中，间歇期管道内的淤泥物还可能会发生固结，一旦发生固结后，其起动难度将大大增加[3-5]。

对于细颗粒的粘性泥沙，其起动条件同时受含水量、粘粒含量、容重等内部因素与淤积条件等外部因素的共同影响[6-7]。已有研究表明，多数已有的粘性泥沙起动流速计算公式只适用于浮泥或新鲜淤泥，对于固结后的淤积物，由于物理化学性质的变化而不能直接应用于某一实际工程中[8]。

因此，为确定珠江三角洲水资源配置工程“西江鲤鱼洲泵站——南沙高新沙水库”输水段管道的泥沙淤积、固结和起动情况，提出减少淤积的建议，需要工程现场采集原体泥沙样本，通过试验来确定管道淤积物在不同固结状态下的起动特性。

2 试验设计

2.1 泥沙样本

管道淤积物主要来源于取水河段的悬移质泥沙，但由于悬移质泥沙不易从江水中直接获取，所以采集工程取水口下游约250 m的自来水厂沉沙池中的淤积泥沙，作为试验样本，采样点与西江鲤鱼洲取水口的相对位置见图1。

图1 淤积物采样点与工程取水口的相对位置示意

西江马口水文站的多年监测数据显示[9]，取水河段洪峰流量下的悬移质泥沙中值粒径在0.006～0.020 mm之间，试验样本的颗粒级配与西江鲤鱼洲取水口2016年3月—11月悬移质泥沙测验结果[10]对比见图2。由图2可知，试验样本的颗粒级配与取水口悬移质的相近，具有代表性。样本泥沙颗粒的中值粒径为0.014 mm，最大粒径不超过0.5 mm，其中小于0.05 mm粒径的颗粒(粉沙、粘粒)约占样本的67%。由此可见，珠江三角洲水资源配置工程取水吸入的泥沙有相当一部分具有粘性，在分析淤积物起动时需考虑粘性泥沙固结的问题。

图2 试验样本的颗粒级配与实测数据的对比分析示意

2.2 试验装置

粘性泥沙因固结程度不同，其起动切应力变化范围大。在引水工程中，输水流量随着洪、枯季以及用水需求的变化，管道过流流量以及水动力条件变化范围也较大。因此，用于管道淤积物起动试验的水槽需要有足够的供水能力，且方便水动力条件的调节。综合考虑以上因素，管道淤积物起动试验安排在长4 m、截面尺寸为0.1 m×0.1 m的有压水槽[11-12]中进行。试验装置包括蓄水池、引水管道和水槽主体3个部分(如图3所示)。

图3 淤积物起动试验水槽装置示意

试验中，压强测量采用CY200型智能数字压力传感器，测量范围为0～50 kPa，精度为±0.1%，采样频率可在0.000 5～1 000 Hz区间内任意调节，输出为RS485数字信号。

2.3 试验过程

将现场采集的淤积物装入塑料桶中与清水混合搅拌均匀，静置24 h后，将表层析出的清水去除，继续搅拌均匀，然后装入与试验水槽配套的泥样盒中。将制备好的泥样盒分为两批：一批放置在空气中暗箱内，用于模拟淤积物在管道检修期间的固结过程；另一批放置在装满水的塑料桶中，用于模拟淤积物在未排干水的管道中的固结过程。

根据外界环境的不同，将淤积物固结起动试验分为3组进行(见表1所示)。

表1 淤积物固结起动试验分组情况

分别将不同固结状态的淤积物装入有压水槽中进行起动试验，操作步骤如下：① 往水池中加水，直到水槽将要被充满(防止补水过程中，淤积物产生冲刷)；② 将制备好的泥样盒缓缓放到试验槽中，再将活动顶盖放入插槽，密封固定；③ 继续往水槽中加水至受压，开启水泵，先使水槽内水流低速运动，排除气泡；④ 通过调整变频器逐级增大水槽内流速，确定淤积物样本的临界起动条件，读取上下游的压力传感器读数p1、p2；⑤ 试验后，取部分样本称重，烘干24 h后再次称重，计算得到含水率。

试验中，水力坡降J根据上、下游的实测压强差计算：

(1)

式中L为2个压力传感器的间距。

根据均匀流有压管道的壁面切应力计算公式τ0=ρgRJ，可计算出试验中淤积物发生起动时的表面切应力大小，即起动切应力大小(式中ρ为水的密度，g为重力加速度，R为水力半径，J为水力坡降)。

3 试验结果分析

3.1 固结时长对淤积物起动特征影响分析

在空气中固结时，随着时长的增加，淤积物的表面状态和起动特征发生阶段性变化(如图4所示)。不同气温条件下，淤积物发展至不同阶段固结状态的历时不同(见表2所示)。

图4 固结阶段1～5，淤积物起动前、后的表面状态

表2 泥沙固结状态随时间的变化情况

对比7—8月和11—1月在空气中固结的试验结果可知，在气温更高的夏季，淤积物的前期固结状态变化比冬季更快，淤积物固结达到第4阶段的历时接近，表明淤积物达到较高固结程度的历时受气温的影响较小。对比11—1月在空气中和在水中固结的试验结果可知，淤积物在水中固结50 d内的状态与在空气中固结4 d内的状态基本一致。

阶段1：淤积物整体结构较松散，表面光滑且有一层水膜覆盖；起动过程中，随着水流流速的增大，淤积物表面发生颗粒滚动，部分运动的泥沙悬浮后随水流一起运动，流速越大，表面泥沙滚动的范围越大。

阶段2：淤积物表面基本平整，泥沙颗粒间结合程度更加紧密，局部出现由于水分散失而留下的小孔；起动试验中，随着水流流速的增大，未观察到表面颗粒滚动的现象，而是在淤积物样本的局部出现片状的剥离，剥离的范围随着冲刷时间的增长而扩大。

阶段3：淤积物表面粗糙，表面由于水分流失而有所沉降，而沉降的不均匀又使得淤积物表面被拉裂；起动试验中，随着水流流速的增大，淤积物的起动先发生在裂隙附近，随后淤积物的局部开始发生连续冲刷，表现为裂隙的扩张和表面颗粒的脱落。

阶段4：淤积物表面粗糙，试验样本表面沉降明显，裂隙充分发育后将淤积物割裂成若干部分；试验过程中，裂隙和淤积物表面都基本不发生起动，随着水流流速的增大，淤积物样本的局部位置出现破坏，然后成块起动，块状淤积物被冲刷之后，起动的范围也逐渐由冲刷的位置向其他区域扩大。

阶段5：淤积物表面粗糙，有大量裂隙存在，表层以及边缘的部分接近脱水，局部有小块的淤积物与整体脱离；将样本放入起动试验水槽时，淤积物吸水后结构变得十分松散，起动过程与阶段1相似。

淤积物在空气中固结后起动的试验结果表明，对于新鲜淤积物，其表面泥沙颗粒极易起动，且起动可发生于淤积物暴露面的任意位置；对于表面水分散失、初步固结的淤积物，表面的泥沙不易被剥离，起动先发生在局部脆弱的区域，然后向周围发展；对于中等固结的淤积物，水流冲刷过程中，泥沙起动不易出现在保持完整形态的淤积物表面，而是发生在局部脆弱的区域以及裂隙附近，然后向周围发展；高度固结的淤积物与中等固结程度的淤积物在外观上相似，表面凹陷以及裂隙更加明显，形态完整的淤积物表面很难发生剥离或颗粒滚动，当水流流速增大到一定程度时，脆弱位置的淤积物会先产生成块冲刷；当淤积物在空气中的固结时间足够长(超过阶段4的历时)，淤积物表层以及裂隙处的部分接近脱水，遇水后吸水膨胀，整体结构变得十分松散，表面泥沙颗粒容易起动。

3.2 起动切应力试验结果分析

随着固结时间增加，颗粒间密实程度增加，淤积物含水率随固结时长的变化如图5所示。对比7—8月和11—1月在空气中固结的试验结果可知，淤积物含水率随固结时长的变化规律基本不受气温的影响，在固结初期，随着固结时间的延长，淤积物的含水率下降迅速，例如第1组试验中，在固结开始的10 d内淤积物含水率由80.67%下降至65.52%；当固结时间超过15 d后，淤积物含水率下降较为缓慢，在后10 d内，淤积物含水率仅从59.92%下降至56.48%；由水中固结试验可知，在水中固结的30 d内，淤积物含水率几乎无变化。

图5 淤积物含水率与固结时长的关系

由于试验样品的含水率是取起动试验结束后样品测得，因此，在空气中固结25 d后的淤积物含水率实际上是吸水后的测量结果，接近新鲜淤积物的含水率。

试验中淤积物起动切应力与固结时长的关系如图6所示。从趋势上看，起动切应力随固结时长的变化有4个阶段，以7—8月在空气中固结的试验为例，随着固结时间的增加：① 固结时间在1～7 d时，淤积物的起动切应力随固结时长增加而增长较快；② 固结时间在7～14 d时，淤积物的起动切应力基本不变；③ 固结时间在15～22 d时，起动切应力随固结时长增加而迅速增大；④ 固结时间超过24 d后，起动切应力随着固结时长的继续增加而减小，基本恢复到第1阶段对应的大小。对于11—1月在空气中固结的淤积物，起动切应力随固结时长的变化规律基本一致，但各个阶段的时间节点有所差异，且固结淤积物对应的最大起动切应力小于7—8月的试验值。

图6 淤积物起动切应力与固结时长的关系

对于11—1月在水中固结的淤积物，在50 d内，其起动切应力随固结时长的增加而缓慢增加，淤积物在水中固结50 d后的切应力与其在空气中固结7 d后的值大小接近。

3.3 工程应用

珠江三角洲工程水资源配置工程“西江鲤鱼洲泵站——南沙高新沙水库”输水段中，单管过流流量最大为40 m3/s，管径为4.8 m，管道内壁的参考糙率为0.012～0.015，根据水力学理论计算如下。

输水管道沿程水力坡降为：

(2)

最大流量输水时，壁面切应力为：

τ0max=ρgRJ=9 810×1.2×0.000 86=10.12 Pa

(3)

由此求得管道正常运行时，壁面切应力可能达到的最大值为10.12 Pa，小于管道淤积物固结后的可能达到的最大起动切应力19.43 Pa，表明输水管道运行期间存在泥沙淤积固结后无法被水流带走的风险。由图6可知，对来源于西江鲤鱼洲段的管道淤积物，当固结时间在14 d内，其起动切应力可以控制在10 Pa以下。

管道停运期间，内部的环境与试验中淤积物样本所处环境可能存在差异，因此，“固结时间超过25 d后，淤积物起动切应力减小至新鲜淤积物对应的大小”结论不一定适用于工程实际。为避免风险，建议珠江三角洲工程水资源配置工程“西江鲤鱼洲泵站——南沙高新沙水库”输水段管道的间歇期不宜超过14 d。

4 结语

1)试验结果显示，不同固结状态下淤积物的起动模式和起动条件不同，随着固结时间的增加，淤积物的起动模式经历颗粒滚动、片状剥离、成块起动的变化过程。

2)对于来自西江鲤鱼洲附近的悬移质淤积物，随着在空气中固结时间的增加，其起动切应力先增大，可能达到的最大起动切应力为19.43 Pa，当固结时间超过25 d后，淤积物由于失水过多而变得疏松多孔，整体结构在遇水后发生吸水破坏，起动切应力减小至新鲜淤积物对应的大小。

3)本研究对于珠江三角洲水资源配置工程输水管道的运行调度方式具有直接参考价值，根据试验结果，建议 “西江鲤鱼洲泵站——南沙高新沙水库”输水段管道的间歇期不宜超过14 d。