黃河下游放淤固堤遠距離輸沙方法研究

張永偉 張紅杰 孔玉花

(河南省中原水利水電工程集團有限公司， 河南 濮陽 457000)

黃河下游放淤固堤遠距離輸沙方法研究

張永偉 張紅杰 孔玉花

(河南省中原水利水電工程集團有限公司， 河南 濮陽 457000)

黃河下游淤背固堤工程的輸沙距離大部分較遠，需要進行多次接力。針對如何科學確定接力泵級數和接力泵間距離的問題，通過對輸沙管道的布設和泥沙輸送方式的研究，提出了管道布設的要求和泥沙輸送的方式；在對影響接力泵級數和各接力泵站間距離的主要因素分析的基礎上，建立了管道揚程和在兩級接力、多級接力情況下接力泵間距離的計算公式，確定了接力泵級數和各接力泵站間距離。實例分析表明：利用所建立的計算公式能夠科學合理地確定接力泵的級數和各級的具體位置，提高了設備利用率，降低了設備使用臺班，節約了施工成本，提高了管理效率，取得了明顯的經濟效益和社會效益。

黃河；淤背固堤；遠距離；輸沙方法；研究

20世紀70年代，為了加固黃河大堤引進了淤背固堤模式，當時多在險工堤段，大堤距離河槽較近，排距一般在500m以內。隨著淤背固堤由險工堤段向平工堤段擴展，泥沙的輸送距離不斷增加。2000年以后，淤背固堤的輸沙距離最遠可達到8000m[1-2]。

本文擬從輸沙管道的布設、泥沙輸送的方式、接力泵級數和各接力泵站間距離的確定等方面，介紹遠距離泥沙輸送方法，以期為廣大水利工程施工技術人員提供參考。

1 輸沙管道布設

在淤筑工程中，一般通過管道輸送泥沙，多為200kg/m3以上的高濃度泥漿，其輸送距離除與泵的性能有關外，也與泥漿濃度、泥沙顆粒粗細和管道本身的規格、管材質地等密切相關[3]。一般情況下，泥漿顆粒細、濃度低、管道光滑情況下阻力小，輸送距離遠。

輸沙管道布設要遵循安全、經濟、環保、平直和易于實施的原則，盡量減少交通與其他施工的干擾，選擇地勢平坦交通便利的場地、道路、堤岸、河邊布置，且走向平直、距離短。輸沙管道穿越水渠時，宜架設在管架之上，水陸管線接頭應采用柔性連接，水上部分宜留一定的活動余量[3-5]。

2 泥沙輸送方式

泥沙輸送方式主要指接力輸送。接力輸送一般是指兩級或兩級以上輸送泵，組成水力輸送系統。按輸沙管道中間是否斷開，分為間斷式和連續式。特殊條件下，采用自流和機械相結合的輸送方法，也可達到遠距離輸送的目的。

2.1 間斷式接力

在接力輸送中，前一級輸送泵與后一級泵沒有直接的聯系，接力是間斷的，這種輸送泥沙的方式稱為間斷式接力[2]。間斷式接力一般以集漿池為節點，即前一級泵將泥漿輸送至集漿池，再由后一級泵從集漿池中抽吸后輸送。這種輸送方式的優點是泵與泵之間沒有直接的聯系，兩級泵的動力、流量、揚程等指標可以不同，便于多種型號的輸送泵聯合運用。缺點是中間需要做集漿池，且集漿池內宜淤積。

2.2 連續式接力

連續式接力是將接力泵連接在輸沙管道中間，使接力泵起到加壓泵站的作用，保證遠距離管道輸送泥沙正常進行。其優點是布置簡單，中途能量損失少；但該方式需要各級泵的指標一致，對運行中的協調性要求較高。為防止系統壓力驟變，造成設備的損壞或淤堵，接力泵的位置需要進行合理選擇。

2.3 無壓與有壓混合接力

利用有利的地形條件，在整個輸送線路上選擇其中的一段使水流自流挾沙，減少機械排距，降低生產成本。自流輸送實際就是無壓輸送，需要有一定的坡降。在黃河下游淤背固堤工程中，先使用機械將泥沙送到大堤背河側淤區的一端，再利用淤區的縱向坡降讓泥漿自流至另一端，屬于無壓與有壓的混合接力。

3 接力泵級數的確定

對于連續式接力遠距離輸送泥沙，可采用雙泵或多泵接力輸送泥漿的方式，即采用同型號的機泵，其中一臺布置在挖沙點，另一臺或幾臺布置在適當位置接力把泥漿輸送至淤區，目前這種接力輸沙方式在黃河下游淤背固堤施工中較常見。

3.1 管道的揚程

在挖泥船、淤區位置和輸沙管道的走向確定以后，輸沙管道的長度(L)為一定值，放淤固堤所需要的總揚程(H)可通過能量方程式[6]求得:

(1)

(2)

式中H——放淤固堤總揚程，m；

Z1——進水口水面高程，m；

Z2——出水口水面高程，m；

L——輸沙管道的長度，m；

Q——泥漿泵實際流量，m3/s，(考慮管道的新舊程度、粗糙度，泥漿泵新舊程度，實際流量往往只達到其額定流量的30%～40%，對于額定流量1100m3/h的泥漿泵，實際流量只有360m3/h左右，也就是0.10m3/s)；

K——流量模數(對于φ300mm的舊鋼管，清水時K=1.032，含沙量在200～400kg/m3情況下，K=0.90～1 )。

3.2 接力泵級數的確定

根據總揚程H和泥漿泵揚程(Hi)的比較，即可確定接力泵的級數。

4.接力泵位置的確定

接力泵的位置在實際生產中非常重要，如兩級接力時，接力泵距離吸泥船太近，將使管道的壓力增加很多，易造成管道損壞；若距離太遠，靠管道出口太近，就會使泵前產生負壓，易發生氣蝕現象，因此，選擇接力泵安設的位置要有利于工程施工和管理，使管道壓力盡量均勻。

4.1 兩級接力

下圖為兩級接力輸送的示意圖。設接力泵前A處的管道壓力為零，對于初級泵，根據能量平衡方程[2]，有:

兩級接力輸送示意圖

(3)

對于接力泵，按照能量平衡方程有：

(4)

由于水流的連續性，有ν1=ν2，同時考慮到輸沙管道一般較長，∑ξi在其中所占的比例較小，可以忽略不計，由式(3)和式(4)，可得

(5)

設總的排距為L=L1+L2，則接力泵前的管道長度L1在總長度中的比例

或

(6)

式(6)是在兩級接力輸送時計算接力泵安設位置的計算公式?？梢钥闯觯恿Ρ玫奈恢弥饕c泵的揚程H、輸送泥漿容重、排高h0-h1、安設高程h2以及管道長度L有關。

4.2 多級接力

對于三級或多級接力情況下接力泵的安設位置，可以利用同樣的原理，導出各級接力泵安設位置的計算公式。

三級接力情況：設初級泵、二級泵和三級泵的參數相同，揚程分別為H1、H2、H3；泵的安設高程分別為h1、h2、h3，管道的出口高程為h0，初級泵到二級泵之間的管道長度為L1，二級泵到三級泵之間的管道長度為L2，三級泵到出口之間的管道長度為L3，總的管道長度為L。

L1在總長度中所占的比例N1為

(7)

L2在總長度中所占的比例N2為

(8)

同理可以推出n級接力情況下接力泵安設位置

(9)

4.3 注意事項

a.以上各式是以接力泵前的管道壓力為零計算Li的長度，忽略了一些次要因素，在實際施工中有其他因素的影響[8](如:泥漿泵的壓力和泥漿含沙量的波動、水流的強度、顆粒組成等)。因此，計算出的Li再縮短一些，以確保接力泵前不出現負壓。根據黃河下游淤背固堤的實踐經驗，一般將計算的Li縮短100～300m。

b.式中Hi是泥漿泵的揚程，是按照吸程為零考慮的，在實際工作中，盡管初級泵的安設高程接近水面，但由于吸入的是泥漿，而泥漿的容重大于清水的容重，所以吸入泥漿也需要消耗能量。在實際運用中，可以將初級泵的揚程減去3～3.50m。

c.在運用公式時，應特別注意管道長度和排高的確定。由于黃河淤背固堤一般都要爬越黃河大堤，在爬越大堤后，管道布設的坡降一般較陡，泥漿在其中會加速運行，由原來的滿管變為半管，由有壓變為無壓，為此，在計算管道長度時不能將爬越大堤以后的無壓管道計算在內，相應的排高也應計算至大堤頂部，即有壓和無壓的分界高程。但若爬越大堤后的管道較長，而且采取了一定的措施能保持管道滿管有壓運行，管道長度則應計算在內，排高也應計算至出口高程。

d.注意安設高程的變化。由于在管道沿線地面的高程是變化的，在計算假設的接力泵安設高程hi與根據計算現場落實的高程hj往往不相符，應注意這一變化的幅度和進行必要的調整。如果hj≥hi,計算出的Li要做相應減少，減少幅度可以按ΔL=100(hj-hi)進行估算；反之可相應增加。

5 應用實例

2013年，黃河下游濮陽堤防加固工程第十標段，吸泥船的泥漿泵為10ENP—30型，額定揚程30m，輸沙距離7000m，河道距大堤距離6500m，灘地高程57.80～56.40m(黃海高程，下同)，進水口水面高程54.50m，出水口水面高程57.90m，堤頂高程66.00m，管道在堤頂鋪設約500m后進入淤區。從堤頂至淤區距離較短，不形成有壓。該系統采用連續式接力輸送，正常輸送泥沙含量為300kg/m3，接力泵為10ENP—30型，計劃置于灘地，管道選用直徑為300mm的鋼管。

再計算接力泵間的管道長度，確定接力泵的位置：由實例給出的條件可知，H1=30-3=27m,H2=H3=30m,h1=54.50m,h2=57.50m,h3=57m,h0=66m，輸送沙土的顆粒密度為2650kg/m3，水容重為9.80kN/m3，則泥漿的容重為

按照式(9)，接力泵間管道長度Li在總長度中的比例為

由于L=7000m,則L1=L×N1=7000×0.321=2247(m),L2=L×N2=7000×0.408=2856(m)，依據理論計算數據，考慮其他因素，實際安放第一級接力泵距吸泥船2000m，第二級接力泵距第一級2700m。

6 結 語

濮陽黃河下游淤背固堤工程施工準備期間，采用科學的方法，確定接力泵的級數和各級接力泵間的距離，通過對黃河下游濮陽境內幾個放淤固堤施工標段，與傳統的經驗確定法的比較，在輸沙距離為7000m的時候，每條輸沙管線可節省1臺接力泵，提高了設備利用率，降低了設備使用臺班，節約了施工成本，提高了管理效率，具有明顯的經濟效益和社會效益。

[1] 趙壽剛，張俊霞，沈細中，等.黃河下游放淤固堤效果分析及其施工影響研究[M].鄭州:黃河水利出版社,2008(12)：23-30.

[2] 杜玉海.黃河下游淤背固堤技術研究與實踐[M].鄭州：黃河水利出版社，2002(10)：122-133.

[3] 蘭華林,曾賀,霍風霖.黃河下游灘區放淤與泥沙處理技術[M].鄭州:黃河水利出版社,2011(12)：64-66.

[4] JTS 207—2012疏浚與吹填工程施工規范[S].北京：人民交通出版社，2012(11)：27-35.

[5] SL260—98堤防工程施工規范[S].北京：中國水利水電出版社，1998(10)：13-15.

[6] 李洪明，潘玉琴，韓晶.沖吸式挖泥船遠距離輸沙放淤固堤技術[EB/OL].[2015-05-06]http:∥www.doc88.com/p-1532298967508.html.

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

[8] 張瑞瑾，謝鑒衡，王明甫，等.河流泥沙動力學[M].北京：中國水利水電出版社，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