基于高效輸沙實現技術的淤筑村臺示范研究

蘇立志 龔西城 魯詳磊

摘 要：在黃河下游灘區村臺建設過程中，利用黃河泥沙淤筑村臺，不但能提升黃河河道的行洪能力，將黃河泥沙資源化利用，還能幫助灘區居民躲避洪災，改善灘區居民生活條件。為利用高濃度長距離輸沙通道淤筑村臺，開展“黃河下游河道與灘區治理研究”項目多技術高效泥沙處置示范工程建設，在前人研究的基礎上，基于張紅武水力學及河流動力學理論體系，運用水流挾沙力等公式計算臨界流速、阻力系數等，確定淤筑村臺工程中動力系統、造漿系統和管道系統的關鍵技術參數，構建黃河不同粒徑泥沙的長距離管道高效輸沙參數計算方法。結果表明：結合工程實際的計算結果為管道高效輸沙淤筑村臺工程的設備布設等重要環節設計提供了技術支撐，淤筑村臺工程良好的運行情景說明所選擇的管徑和輸沙濃度是合適的，明顯提高了工作效率，降低了工程成本。示范工程中泥沙水力粗度、含沙量等大量實測數據，均與前期理論計算結果頗為接近，從而在理論和實踐上都表明，對于黃河床沙中的粗沙，可以實現長距離精準高效的管道高濃度輸沙淤灘目標。

關鍵詞：灘區治理;村臺淤筑;管道高濃度輸沙;計算方法;黃河

Abstract：In the process of village platform construction in the lower Yellow River beach area， using the Yellow River sediment to build village platform can not only improve the flood carrying capacity of the Yellow River channel， utilize the Yellow River sediment resources， but also enable the beach area residents to avoid the flood disaster and improve the living and travel conditions of the beach area residents. In order to construct a high concentration and long-distance sediment transport channel， the multi-technology and high-efficiency sediment disposal demonstration project of “research on river channel and beach area treatment of the lower Yellow River” has been carried out. On the basis of previous studies， based on Zhang Hongwus hydraulics and river dynamics theory system， this paper calculated the critical velocity and resistance coefficient by using the sediment carrying capacity formula， the key technical parameters of the power system， slurry making system and pipeline system in the village platform construction through siltation and constructed a long-distance pipeline high-efficiency sediment transport meter to realize different coarse and fine sediment calculation methods. Combined with the engineering practice， the calculation results provide technical support for the design of equipment layout and other important links of the Yellow River pipeline high-efficiency sediment transport and silting construction project. The smoothly operation situation of the silted village platform project shows that the selected pipe diameter and sediment concentration are appropriate， which significantly improves the work efficiency and saves the project cost. A large number of measured data， such as hydraulic roughness and sediment concentration are quite close to the previous theoretical calculation results. Therefore， it can be shown in theory and engineering that for the coarse sediment in the Yellow River bed sediment can achieve the goal of long-distance accurate and efficient pipeline high concentration sediment transport and siltation. It can provide theoretical basis for efficient sediment transport and silting up the downstream beach area of the Yellow River and provide reliable technology for improving the wide beach river morphology of the Lower Yellow River.

Key words： beach treatment; silted village platform; pipeline sediment transport; calculation method; Yellow River

1 引 言

1.1 研究背景

近些年來，國家把脫貧攻堅作為頭等大事，而黃河灘區居民的脫貧工作是其中“最難啃的硬骨頭”。解決黃河灘區脫貧問題，首先應解決安居問題，這是灘區居民最迫切的愿望，也是灘區產業發展的基本條件[1]。國務院批復的《黃河流域防洪規劃》和《黃河流域綜合規劃（2012—2030年）》提出，灘區安全建設采取“村臺安置”和“外遷安置”兩種方式。根據國家有關要求，結合東明灘區當地實際情況，地方政府提出就地修筑避水村臺，將群眾遷建安置在村臺頂部，將黃河灘區的村臺建設當成灘區居民脫貧攻堅的重要途徑。

黃河作為多沙河流，泥沙嚴重淤積一直是黃河治理的棘手問題。隨著人類對生態環境整治和水沙資源利用的意識逐步提高，通過開辟利用途徑和革新技術手段，一定程度上將災害性泥沙轉化成資源性泥沙[2]。如果將大量泥沙用來淤筑村臺[1]，不但能提升黃河河道的行洪能力，將黃河泥沙資源化利用，還能幫助灘區居民躲避洪災，改善灘區居民生活條件。根據多年來黃河大堤淤背經驗，村臺填筑工程可以采用管道遠距離輸沙技術將泥沙從河道轉移到指定地點淤筑村臺。管道輸沙技術具有無污染、作業不受天氣情況影響、輸送量大等優點，已在國內外較多工程中得以應用。

按照“就近安置、節約土地、便于群眾生產生活”的原則，在黃河灘區采取淤筑“大村臺”安居工程這種脫貧安置方式，具有工程量大與施工難度大等特點[1]，需要前期通過理論計算管道輸沙距離，確定采沙點和設備布局，以節約人力物力、縮短工期。

鑒于黃河泥沙問題的復雜性[3]，仍有較多關鍵科學技術問題亟待解決。“黃河下游河道與灘區治理研究”作為國家重點研發計劃項目，必須針對未來黃河面臨的河道與灘區治理難題開展研究，提供重要的科技支撐，并打造示范性工程[4]。本文研究內容屬于其中的課題7“黃河下游河勢控制與灘區治理示范工程”之第4專題“泥沙高效處置工程示范建設”的工作范疇，需要在課題5“黃河下游灘區功能約束及其良性治理體系”將集漿器組合系統中管道輸沙技術升級為長距離精準高效的管道高濃度輸沙淤灘技術的基礎上，采用抽沙船水沖式和機械擾動式造漿系統造漿，并用自吸泵抽入主管道內，輸送至吹填區，對可持續高效淤灘措施進行聯合施工試驗[4]。為此，課題組結合淤筑村臺工程，構建高濃度長距離輸沙通道，打造多技術高效泥沙處置示范工程，在理論計算、比選多方案輸沙方式后進行管道輸沙設備布局，并通過觀測現場試驗效果，將相關技術指標和參數同前期計算結果進行比較。

1.2 管道輸沙研究現狀

為保證管道輸沙的效果并考慮最大限度降低成本，以往研究大多集中于解決阻力問題和臨界不淤問題。由于管道內泥沙流動的復雜性及管道輸沙理論尚不完善，因此管道輸沙的特性及計算模擬是眾多專家學者十分關注的研究熱點。費祥俊[5]建立了針對缺乏細顆粒的兩相管流進行預測摩阻損失的模型;白曉寧等[6]對漿體管道的阻力特性變化分不同流速階段進行分析研究;趙安平[7]基于張紅武黃河水沙運動理論，利用匯流集漿器組合系統實測資料，計算分析了含沙濃度、泥沙粒徑、管徑等對輸沙距離的影響，建立了不同參數之間的關系曲線，是黃河兩相管流輸沙領域的代表性研究成果;張英普等[8]通過對渾水管道的不淤流速進行判斷并分析影響因素，建立適用于灌區管道輸水系統的臨界不淤流速經驗公式;丁宏達[9]推求了漿體管道輸送物料粒徑變化對管道臨界流速影響的簡化模型，認為粒徑越小越節能，減小粒徑可使臨界流速下降;李鵬程等[10]在考慮固體顆粒懸浮及流態的前提下，開發了計算管道臨界輸送流速的模型。傅旭東等[11]基于固液兩相流動理論，考慮流場中固體顆粒的受力特性，建立水平方管固液兩相流的數學模型來研究兩種類型的顆粒濃度垂向分布情況;蔣素綺等[12]通過分析高濃度黏性渾水的基本特性及管道輸送的試驗結果，提出適用于高濃度管道輸沙的計算方法。基于以上研究，可見目前對于管道輸沙的研究主要圍繞摩阻損失、臨界流速、輸沙濃度及速度的分布等進行分析探討。

值得強調的是，包頭鋼鐵公司布設145 km長管道，將鐵精礦漿從白云西礦輸送至包鋼，是我國長距離管道輸送研究取得突破的標志[13]，其創新點主要是利用張紅武系列公式描繪出固液兩相流能耗最小圖形，確定設計濃度與設計流速，成功提高了鐵精礦輸送效率，產生了巨大效益，該成果被鑒定為國際領先水平。

為開展高效輸沙實現技術示范，課題組對水沙配比、動力系統等進行現場調試，在理論計算基礎上，利用抽吸河內粗顆粒床沙的造漿系統將泥漿匯入主輸沙管道，組成長距離有壓高效管道輸沙系統，成功提高了淤筑灘區村臺的效率。

2 示范工程概況及輸沙設備布設

2.1 長興集鄉村臺概況

長興集鄉位于黃河下游，山東省西南部，黃河南岸，菏澤市的最西端，東明縣西南部，為東明縣典型的純灘區鄉，面積100.26 km2，轄37個行政村88個自然村，常住人口66 370人。受黃河改道和決口的影響，境內的地形自西南向東北傾斜。境內的河道為黃河決口時的溜道，自然流勢，河道極其彎曲，分岔較多，互相串連，水系紊亂，排水不暢，長期以來存在灘內旱、堤根澇、堤外鹽堿、漫灘等現象，災害頻繁。1996年8月5日，花園口站發生洪峰流量為7 600 m3/s的中常洪水時，長興集鄉全部漫灘，水深1.4～2.3 m。受漫灘洪水影響和生產環境、生產條件的制約，灘區村莊生產水平低下，經濟發展落后，經濟發展可持續性差，農民生活基本處于溫飽狀態，教育、文化、衛生水平低。長興集鄉的村莊部分緊靠黃河，交通相對不便，且現有安全避洪設施相對薄弱，如果發生超標準大漫灘洪水，灘區內現有村臺基本不能滿足安全避洪要求。為此，東明灘區近兩年大力推行合村并居工作。按規劃安排，長興集鄉脫貧遷建防洪村臺工程共修建9個大村臺來保障灘區居民的生產生活問題。

2.2 示范工程建設思路與技術路線

結合近年來黃河淤背經驗，村臺填筑工程采用船淤吹填方式，即在黃河行洪河槽內布設簡易抽沙船，利用泥漿泵和管道輸送泥漿，并在中間設置加力站，對管道中的水體補充能量，延長輸送距離。

根據黃河近年來抽沙吹填經驗，以取土為目的抽取泥漿，單位體積內所含的泥沙越多越好，抽取的泥漿濃度大，生產效率就高，同時利潤也大。課題組在理論技術研發基礎上，由清華大學在室內開展大量的基礎試驗，建立了泥沙粒徑、含沙量、管道直徑與輸沙距離的關系，對淤筑村臺工程中的動力系統、造漿系統、管道系統與輸沙參數的關系以及能否滿足工程應用要求有了清晰的認識，為現場確定造漿方式、動力配置、村臺吹填淤筑等關鍵環節提供了初步依據。

目前黃河河道內抽沙船造漿方式主要有兩種：水沖式和機械擾動式。水沖式是利用高速水束主動沖擊河底固結泥沙，造成其結構瓦解和破壞，使土顆粒與水混合形成泥漿，再用自吸泵抽入管道內送到吹填區;機械擾動式是靠機械動力帶動自吸泵前面的鉸刀旋轉擾動河底沙層，然后通過自吸泵吸入管道后送至吹填區。根據相關設計與現場調試結果，長興集鄉村臺吹填淤筑主要采用上述兩種方式進行動力輸送。

根據設計沙場探摸河道沙層沉降厚度是施工前期的關鍵環節。在確定抽沙船船位前，課題組專門組織相關技術人員進行河勢觀測、河道內沙層探測，利用交通船只與打井設備現場探明沙層的范圍、積沙厚度。由于黃河上抽沙船輸沙泵管道長度為15 m左右，因此探查河底厚度確定為20 m。同時還要根據河道上游河勢、流量、含沙量等情況，運用水流挾沙力公式來預估河道還沙能力。抽沙場可根據工程所處河道流路走向及取沙、落沙、還沙條件來選擇，為避免影響河勢變化，并在抽沙過程中不影響河道工程及施工人員的安全，需要避開主流位置。根據清華大學在辛店集河段模型試驗結果，發現易落沙、還沙快的部位多在河道工程的下首，且需要離開靠溜工程250 m以上。經過比選，最后將高效輸沙實現技術示范工程抽沙船（實際也是放淤料場）位置確定在辛店集控導下延工程30#壩下游300 m以外。為保證施工人員和抽沙船只的安全，不得到水深小的河道對岸取沙。

通過探摸沙場，進行對比論證，最后擇優確定船只最佳位置。抽沙船可以重復利用，在一期工程結束后，抽沙船可在二期及后續工程中使用，只需重新布設輸沙管道，或根據需沙量增減船只數量即可。可見，選好抽沙船的布設位置，能夠為整體工程節省大量物力財力。確定沙場后，船與船的間距一般布置為500 m左右，最小不得小于300 m。其原因是船只布置過密后，在小水期間會導致還沙慢、抽沙效率低。根據黃河放淤固堤工程多年的施工經驗，每條船每年淤筑沙量約為25萬m3。

串聯式接力是將接力泵串聯在輸沙管道中間，使接力泵起到加力站的作用。對于高濃度長距離管道輸沙，合理布設串聯加力站在整個抽沙過程中至關重要，否則輸沙運轉時很難掌控管道壓力和動力配置。如果兩加力站之間相距較遠，在管道輸沙過程中會造成動力衰竭，那么泥沙在沒有到達下個動力站之前就已出現淤堵，形成壅管故障，導致設備損壞;如果兩加力站之間布局較近，就會造成動力浪費、成本增加，難以達到動力優化配置的目的。同時，還要根據電機的功率、泥漿泵的流量、地勢的起伏變化加以分析，進行科學優化。

3 管道輸沙理論分析

通過在小管徑上模擬試驗確定摩阻損失和臨界流速、再放大到原型大管徑的方法得到一些經驗公式，這種方法存在一定的局限性。對于管道輸沙來說，管道輸送阻力除了受邊壁粗糙度影響外，輸送濃度對阻力也存在一定的影響。當輸送濃度較低時，管道輸送阻力隨著水流強度的增大而增大;當濃度較高時，隨著水流強度增大，泥沙顆粒在邊壁粗糙處停留落淤，使壁面變得平整光滑，邊壁摩擦力減小，使得阻力也相應減小。因此，本研究認為考慮輸送濃度對阻力的影響是不可或缺的。

管道水流流速分布一般是在清水條件下由試驗所得，含沙水流作為兩相混合體，其渾水流速分布大都較清水流速分布更不均勻。管道含沙水流流速分布更為復雜，所以清水條件下的管道水流流速分布試驗參考意義較小。針對黃河高含沙水流的研究，錢寧等[14]、錢意穎等[15]、張紅武等[16]做了大量的有實際意義的研究工作。作為淤筑村臺工程中的必要環節和重點難點，較為適用且精準的計算方法是迫切需要解決的科學問題。根據上述分析，欲通過高濃度長距離輸送粗沙途徑淤筑村臺，輸送泥漿的濃度就必須進行最佳設計。較小的泥漿濃度能保持泥漿紊流的特點，可減輕對管壁的磨損，但會引起泥漿的非均勻性和過多的水動力，造成能量浪費并增加用水費用;較大的泥漿濃度更加經濟，但泥漿的屈服應力變大，對輕微的濃度變化敏感，會導致壓力損失及運行不穩定[17]。為此，本研究利用張紅武水力學及河流動力學理論計算黃河下游灘區淤筑村臺工程中的一些技術參數。

3.1 臨界流速和水流挾沙力

臨界流速主要指固體顆粒從懸浮狀態開始沉淀時的管道流速。在漿體和粒狀物料輸送研究成果中，一般認為臨界流速主要受管徑、濃度、黏度、顆粒大小和級配等因素影響。均勻顆粒非均質流的臨界流速有不少經驗和半經驗計算公式，但在黃河上不能直接應用;非均勻顆粒的成果則較少，多采用代表粒徑的做法[17]。這些公式經驗性較強，只適合特定的計算條件，往往同條件計算結果差別都較大[17]。這些公式中有代表性的有Durand公式[18]、Wasp公式[19]、Shook公式[17]、卡察斯基公式[17]、王可欽公式[17]、費祥俊公式[17]、張興榮公式[20]等。

在試驗資料基礎上，對于濃度對臨界流速的影響，這些公式中存在兩種觀點[17]，一種認為在臨界流速隨濃度變化的過程中會出現兩個極值，即低濃度的最大流速值和高濃度的最小流速值，從資料上看，對應的輸送濃度在10%左右為低濃度，當輸送濃度大于40%時為高濃度，或沒有明顯極值點，此時輸送阻力和流速都最小，推薦作為管道輸送設計參數;另一種認為臨界流速隨濃度增大而增大，中間沒有兩個極值出現。綜上可以看出，影響臨界流速的因素是非常復雜的，除了顆粒濃度這個重要因素外，還受管徑、渾水黏度、顆粒性質（如密度、粒徑和級配）等多因素的綜合制約，而且與顆粒運動形式及其比例、渾水流變特性有很大關系。

水流挾沙力概念來自明渠流，這里將張紅武公式[21]引入管流輸沙參數計算之中：

3.2 阻力系數

由于試驗顆粒差異大，并且綜合糙率和阻力系數本身非常復雜，因此尚無普適計算公式，大多數公式的經驗性較強，存在一定局限性。E. J. Wasp的復合系統求阻力方法雖在國外曾得到較多應用，但需試算，比較繁瑣[22]。

在黃河下游抽沙淤筑村臺的實際工程中，發現正常輸沙時管中流態一般為紊流，水流阻力系數已基本不受雷諾數影響。為此，本研究阻力系數計算采用張紅武公式[23]，即首先引入考慮沙粒物面摩阻影響的糙率公式：

3.3 揚 程

4 研究結果

以往管道輸沙取沙一般較細，中值粒徑一般為0.02～0.03 mm，與灘地泥沙級配相當，而淤筑村臺要求承載能力與干容重較大的粗沙，因此在理論和實踐上都是很大的挑戰。本研究選取位于黃河下游辛店集控導工程前河槽床沙的兩組實測級配數據（見圖1），其中值粒徑分別為0.08 mm和0.15 mm，以此計算管道輸沙的特性參數變化情況，分析臨界流速與含沙量、臨界流量與含沙量、管道阻力系數與含沙量以及揚程、流量、含沙量和有效功率之間的關系，研究不同參數對管道輸沙能力的影響。

4.1 管道輸沙特性參數分析

臨界流速Uk與含沙量的關系見圖2（D400、D300、D250分別表示管徑為400、300、250 mm，下同）。可以看出，隨著含沙量逐漸增大，臨界流速在迅速上升到一個極大值后緩慢減小，含沙量約為200 kg/m3時臨界流速達到最大。對比兩種中值粒徑級配管道輸沙情況，發現在同等條件下中值粒徑為0.15 mm級配的粗顆粒泥沙的管道輸送臨界流速大于中值粒徑為0.08 mm級配的。在同一含沙量條件下，臨界流速隨管徑減小而減小;當臨界流速較大時，不同管徑之間臨界流速相差也較大;隨含沙量增大，管徑不同所引起的臨界流速差別有減小趨勢，因此從輸送工作效率來說，選用較大的管徑更好。

分析圖2可知，在含沙量持續增大時，臨界流速呈現緩慢下降趨勢，似乎表明高濃度泥漿流能夠在足夠的能坡或壓差下以小流速運動，這與泥漿流黏性較大時因水流挾沙力很大而不會淤積有關。另外，由于泥沙粒徑級配的不同，管內出現淤積后會導致過流面積減小，從而通過管內的自動調整使其以臨界流速流動。綜上所述，在工程采沙的過程中，對于不同的泥沙粒徑級配，管內的泥沙輸送濃度不只受臨界流速的影響，如果選用合適的泥漿泵以及較高的造漿技術，管道也可以輸送高濃度泥沙。目前黃河下游已有工程的經驗都顯示，現有輸送設備對于黃河細顆粒泥沙，能夠輸送含沙量超過1 000 kg/m3的泥漿[25]。但是，除受造漿能力所限外，若采用這種高濃度泥沙輸送方式，在受工程突發情況（如斷電等）影響從而被動導致輸送停止時，再次啟動輸沙則會異常困難，因此不能一味追求高濃度運輸，應選取一個合適的濃度，既能保證輸送效率，又能正常輸送。

圖3為不同管徑下臨界流量與含沙量之間的關系，流量隨含沙量的增大先達到一個最大值，然后呈下降趨勢，但下降趨勢較緩。管徑對流量的影響較流速更為明顯，在同一含沙量條件下，管徑越大流量越大，但隨著含沙量的增大，管徑對流量的影響逐漸減小。對比圖3（a）和圖3（b）可發現，在同等條件下，較粗的泥沙要求輸送流量更大。

管道阻力系數與含沙量之間的關系，見圖4。可以看出，不同管徑下的阻力系數變化規律差異不大，阻力系數隨含沙量變化是一個先減小后增大的過程，在含沙量約為100 kg/m3時出現一個極小值，隨后在含沙量為100～400 kg/m3范圍內阻力系數緩慢增大，在20～600 kg/m3范圍內阻力系數都較小，含沙量大于600 kg/m3后阻力系數隨含沙量增大而明顯增大。

結合阻力系數和臨界流速的計算，分析圖2至圖4發現，當實際含沙量控制在600～800 kg/m3時較為合適，根據圖3可查找對應的臨界流量。當中值粒徑為0.08 mm時，D250管相應的臨界流量為136～171 m3/h，D300管相應的臨界流量為205～258 m3/h，D400管相應的臨界流量為392～495 m3/h，阻力系數范圍為0.012～0.019。當中值粒徑為0.15 mm時，D250管相應的臨界流量為266～306 m3/h，D300管相應的臨界流量為401～462 m3/h，D400管相應的臨界流量為769～884 m3/h，阻力系數范圍為0.075～0.010。

根據實際工程中采集的數據，確定泥漿泵至管道出口高差h=2.7 m，D1=300 mm，L1=400 m，D2=250 mm，L2=2 100 m，總的局部水頭損失∑ζ約為2.5 m。利用式（8）～式（9）計算揚程和電機功率，分析含沙量、揚程、流量、電機功率之間的變化關系，結果見圖5。可以看出，在同一粒徑級配下，工作流量（或流速）、揚程、電機功率、含沙量之間都有密切關系。相同流量下，揚程隨著含沙量的增大而增大，且要求的電機功率越大，因此對于輸送水流含沙量的要求還受動力系統功率的限制，否則易造成流速下降至低于臨界流速而使管道淤塞。

根據計算，動力系統可選用10EPN-30泥漿泵，有效功率為136 kW。從圖5可以看出，當中值粒徑為0.08 mm的泥沙輸運時，揚程基本在33.5 m左右，含沙量小于800 kg/m3時，流量大于489 m3/h;當流量大于600 m3/h時，要求含沙量小于600 kg/m3，因此含沙量為600～800 kg/m3時相應流量為489～600 m3/h。當中值粒徑為0.15 mm的泥沙輸運時，采用相同的泥漿泵，揚程基本在26 m左右，含沙量小于800 kg/m3時，流量大于630 m3/h;當流量大于714 m3/h時，要求含沙量小于600 kg/m3，因此含沙量為600～800 kg/m3時相應流量為630～714 m3/h。

本研究采用的水流挾沙力、臨界流速、群體沉速、阻力系數、渾水卡門常數及水流黏滯性系數等計算公式，均基于張紅武的水力學及河流動力學理論體系，在實際水流泥沙計算中精度較高，在黃河下游泥沙管道輸送計算中頗有應用價值，且計算方法具有簡便性和系統性，關鍵參數較易獲取，能夠較好地滿足工程應用要求。

4.2 泥漿泵輸沙距離計算

高濃度長距離輸沙是整個工程的重要環節，也是難點所在。試驗現場辛店集控導工程聯壩壩頂高程70.5 m，出水口高程66.7 m，泥漿泵高程64.0 m。為了便于計算分析，將輸沙管道視為管徑不變且無分支的簡單管道。在試驗（生產）過程中，管道內介質的運動要素變化不大，沿程無流量損失，可作為恒定流進行計算，則流量公式為

采用本次現場試驗的基本數據，全部采用直徑300 mm的鋼管，可根據式（15）計算輸沙距離。當輸送中值粒徑為0.08 mm的泥沙并將泥漿流量分別控制為489、545、600 m3/h時，輸送含沙量600 kg/m3條件下，最大輸沙距離分別為2 708、2 722、2 739 m;輸送含沙量800 kg/m3且相同泥漿流量條件下，最大輸沙距離分別為3 450、3 464、3 482 m。顯然，能滿足遠距離輸沙的要求。

當輸送中值粒徑為0.15 mm的泥沙并將泥漿流量分別控制為630、672、714 m3/h條件下，輸送含沙量為600 kg/m3時，最大輸沙距離分別為2 227、2 242、2 262 m;輸送含沙量為800 kg/m3且相同泥漿流量條件下，最大輸沙距離分別為3 321、3 336、3 356 m。可見，能夠滿足遠距離輸沙淤筑長興集鄉2號村臺的要求。

5 示范工程輸沙設備布局

上述分析表明，選擇合適的管徑以及保持合適的較高濃度，對于提高工作效率和降低成本是十分必要的。以本文計算結果為依據，可以對黃河灘區村臺淤筑輸送設備布局進行設計，這是保證完成施工任務的基礎。對計算結果比選分析后，在長興集鄉2號村臺施工中選用輸沙管的直徑為300 mm。根據2號村臺設計的體量[1]，村臺淤筑量約為2 455 900 m3。考慮到在辛店集工程下首河槽抽沙的中值粒徑一般在0.08～0.15 mm之間，可按照最不利的粗顆粒計，由所計算的管道高濃度輸沙不淤距離來配置動力條件，即需要在黃河主槽內布設6條簡易抽沙船，每條船上配136 kW泥漿泵（800 m3/h）一臺，電機功率為250 kW;中間加力站電機功率為220 kW。同時，為滿足8.3 km的高濃度輸沙距離，抽沙船只與一級加力站之間的間距設計為900～1 200 m，一級加力站距二級加力站、二級加力站距三級加力站均為2 200～2 400 m，三級加力站距淤沙口2 100～2 300 m，其最大間距均小于理論計算的輸沙距離。

長興集鄉2號村臺淤筑示范工程所需船只與串聯加力站布設間距見圖6。2018年7—9月，在前期研究基礎上，在現場布局抽沙船、配置管路與動力設備。2018年10—11月屬于試運行階段，對所構建的長距離輸沙淤筑村臺系統進行了率定與調試。2018年12月至2019年5月為正常運用期，該期間淤筑村臺工程良好的運行情景說明所選擇的管徑和輸沙濃度是合適的，而且明顯提高了工作效率，降低了工程成本，起到了事半功倍的效果。示范工程中泥沙水力粗度、含沙量等大量實測資料均與前期理論計算結果頗為接近，只是隨著黃河來沙和落沙的變化，會出現供漿過量或泥漿供應不足的情況，需要根據施工段水沙變化等具體情況進行船位調整[26]，使抽沙環節實際運行狀況同設計情況接近，保證了淤筑村臺的工作效率和計劃進度，還能夠節約大量人力物力與土地。由此表明，本文理論計算方法簡便且能夠滿足工程應用需求，為黃河下游淤筑村臺等工程所采用的管道輸沙能力設計提供了技術支撐。

6 結 論

結合黃河下游灘區淤筑村臺工程，構建高濃度長距離輸沙通道，能夠通過合理的設備布局從河道內大量抽沙，降低河床高程，提高河道行洪能力，是開展多技術高效泥沙處置示范工程的理想選擇。本文基于張紅武的水力學及河流動力學理論體系，建立不同管徑下臨界流速、含沙量、阻力系數和揚程等輸沙特性參數之間的關系，發現各參數間存在相互影響的規律，且粒徑級配對管道輸沙參數有一定影響，較粗顆粒泥沙的輸送需要更大的流速、流量和電機功率;提出了簡捷可行的黃河長距離精準高效的管道高濃度輸沙淤灘技術參數的計算方法，可針對淤筑村臺以及淤填堤河等灘區治理工程中關鍵技術參數進行計算。

根據上述理論計算，課題組針對黃河灘區村臺淤筑工程輸送設備布局，確定了輸沙管徑、不淤濃度、抽沙船位與泥漿泵功率，合理確定了加力站位置，有效保證了示范工程有序實施，并降低了成本。現場實測資料和運行情景均與前期計算結果頗為接近，從而在理論和實踐上都表明，對于黃河床沙中的粗沙，能夠實現長距離精準高效的管道高濃度輸沙淤灘目標，也為改善寬灘河流形態的工程措施提供了可靠技術。

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