泵站取水建筑物底部泥沙淤積軌跡研究

徐俊，于洪亮，韓洪發

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200）

0 引言

復墾泵站經常要泵送固體顆粒超標的水流，主要原因是水源濁度高或供水渠道侵蝕過程造成固體顆粒量增加。由于泵站前室流速急劇下降，泥沙顆粒開始沉降，形成厚厚的淤泥沉積物，從而導致通向取水室的水流結構、泵的能量特性和泵送水量發生變化。為了采取措施防止這些不良后果的發生，有必要了解取水建筑物底部的泥沙淤積規律，以達到泥沙最小化的狀態。

1 參數確定

在制定防止渾濁沉積物發生的措施時，確定以下參數非常重要。①固體顆粒的粒度組成；②固體顆粒在結構表面的粒度組成分布；③泥水沉積物的尺寸（面積、厚度和體積）。

為了確定上述參數，簡要地考慮了渾濁顆粒沉降的理論基礎。在許多研究中，固體在液體流動中運動時的沉降問題已被考慮，在這些研究中發現，固體顆粒在液體介質中的沉積與以下因素有關：①流動的流體動力結構和作用在顆粒上的各種力（阻力、重力、浮力等）的大小，其他力如馬格納斯力，可能導致小顆粒橫向遷移。②粒子間的相互作用。在高濁度的情況下，它們的濃度對顆粒的沉降速率有很大影響。每個粒子都會在自身周圍產生一定量的速度和壓力場。如果兩個粒子彼此靠近，它們之間就會發生流體動力學和重力效應。最終，粒子彼此相互作用、碰撞，甚至可以聚結形成單個粒子，這在一定程度上取決于流速和能量的具體耗散。③按大小、形狀和建筑面積劃分的顆粒分布。大粒徑顆粒在結構物初始段開始沉降，小顆粒在結構末段開始沉降。當顆粒形狀不同時，作用在其上的阻力，即浮力也不同，會極大影響它們的沉降速率。④顆粒的沉降規律取決于流體的性質（粘度、密度、表面重力等）。⑤如果在某些情況下粒子的運動存在某種刺激性因素，則還必須考慮粒子的擴散。⑥固體顆粒沉降過程存在的隨機性也是十分有必要考慮的因素。這種情況是由粒子的形狀和大小不同，它們在引力場中以不同的速度下沉，在某些情況下有脈動運動，它們的濃度也不同。

因此，在每個特定情況下，有必要考慮上述各個不同的影響因素并從中選擇影響最大的因素著重考慮。文中充分研究了單顆粒在小流速水流中的沉積過程，與此同時，在考慮到它的質量，密度，重量，受到的浮力和阻力的情況下，提出了幾個方程來考慮這個粒子的運動。在此基礎上，給出了球形渾濁顆粒沉降速度的經驗公式。根據以往學者研究表明，這個公式是一個通用公式，在所有類似公式中給出的結果接近于實驗研究的結果。

式中字母含義同上。

在經典的推進室設計中，即當流動以一定的斜率運動且其橫截面不斷擴大時，確定顆粒沉積的主要區域非常重要。

確定沉積物顆粒軌跡和長度的研究表明，相同大小和密度的顆粒按照正常高斯定律下沉到結構底部，顆粒沉積的平均長度由下式確定：

2 研究方法

圖1 泵站前室中固體顆粒的流動圖

3 結果與討論

確定固體顆粒在泵站前室中運動軌跡方程案例：初始寬度b=3.00 m，水深h1=2.50 m，斜率i=0.20，斜率系數m=1.50，擴散角β=22.50°，其形式如下：

在以下條件下確定V3的值：顆粒粒徑d = 2.5 × 10-4m，密度ρ = 2 000 kg/m3，公式（1）中vc=1.006 × 10-6m2/s 為20℃時水的運動粘度系數。在上述情況下，通過公式（1）計算得到的V3值為0.026 m/s。

為確定K3的值，假設粒子濃度φ = 15%。其中，根據研究進行的實驗獲得的結果來確定K2的值。計算結果需要通過公式（4）確定公式（3）中的指數n。

n=1.75-1.25×?8.5=1.74，κ2=（1-0.15）1.74=0.75，κ3=κ1×κ2=0.66×0.75=0.495。

通過使用這種方法，可以確定在泵站前室的不同區域觀察到的不同直徑和密度的顆粒的沉積軌跡和位置。

以江蘇省揚州市某泵站前室為例，使用上述方程來檢查計算結果。用于驗算的實驗泵站長度為36 m，底部29 m水平延伸，有7 m 斜坡，坡度為i=0.50，如圖2 所示。泵站兩側的擴展角為β = 17°，斜率系數m = 1.5，輸入部分的寬度B1= 3.0 m，水深h1= 1.95 m，流量Q = 7.8 m3/s。該流量對應于0.68 m/s的水速（在前室的入口部分）。

圖2 泵站前室示意圖

上式（7）～（15）中字母含義同式（1）～（6）。

在上述條件的基礎上假設V3和K3的值，對于此案例使K1= 0.66，V3= 0.029 m/s。

根據計算結果，發現粒徑d = 2.5 × 10-4m，密度ρ3= 2 200 kg/m3、形狀不確定的顆粒在33.80 m處落入泵站前室底部。

在分析從該實驗泵站前室采集的樣品的部分成分時，發現尺寸為0.25～0.30 mm 的顆粒，這些顆粒出現在距離前室入口25～37 m處（圖2截面b～b和c～c之間的間隔）；大于0.30 mm的顆粒在a～a 和b～b 段之間沉降更多，距離前室入口16～24 m。根據式（15）計算沉積距離的結果與其他尺寸固體顆粒沉積的實際結果之間的誤差為7%～12%。

4 結論

①研究表明，在泵站的前室中，如果接受與水力尺寸相等的顆粒沉降速率值，在確定顆粒沉降軌跡時會產生不可接受的誤差。②考慮顆粒的渾濁濃度、粒徑、形狀和密度，便于確定顆粒沉降軌跡。③研究提出了一種確定泵站前室內固體顆粒運動軌跡的新方法和新方程。④新方程的計算結果與固體顆粒沉降的實際結果相差7%～12%，理論與實驗相互驗證后發現，該方程可用于有效確定泵站前室中固體顆粒的運動軌跡。

理論方程與實驗結果對照分析發現，提出的方程能確實有效計算泵站取水建筑物的泥沙淤積軌跡及主要沉積位置，為泵站安全運行提供一定的理論參考。