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    调水调沙与小浪底水库管道排沙系统

    摘 要 : 在简要分析小浪底管道排沙系统的基础上, 对管道配沙可利用的沙量、 管道含沙量、 管道泥浆输移强度进行 了分析 , 认为运用管道排沙系统配沙进行清淤, 输沙率可达到 8 0   t / 。 

     关 键 词:排沙距离;排沙强度 ;调水调沙;管道排沙;小浪底水库

    中图分类号:T V 6 7 2 ; T V 2 1 3 . 4   文献标识码: A   文章编号: 1 0 0 0 — 1 3 7 9 ( 2 0 0 8 ) 0 7 — 0 0 9 8 - 0 1  

     

    截至 2 0 0 6年底, 小浪底水库共进行了 3次调水调沙试验 和2次调水调沙生产运行。通过小浪底水库调水调沙实现了黄河下游河道全线冲刷, 主槽过流能力持续增加。目前, 下游河道平滩流量已由2 0 0 2年汛前的 1   8 0 0   m   / 提高至 3   5 0 0   m 3 / 。按防汛要求,小浪底水库汛前必须释放清水降至汛限水位。另外 , 小浪底水库的排沙方式主要是异重流排沙 , 但异重流排沙仍然需要将水库水位降低到~定高程才能实施。因此, 正如黄委李国英主任所说的, 现在可以估计到的问题是如何将巨量的库区泥沙这些“ 货物” 装上调水调沙这一“ 载重卡车” 。 为此 , 黄委启动了小浪底库区配沙关键技术及其重大装备的研究计划。  小浪底库区管道排沙系统简介按照小浪底排沙要求, 黄河水利科学研究院提出并设计了小浪底水库管道排沙系统。管道排沙的基本思路是 : 利用水库自然水头 , 结合小浪底水库建筑物的布置特点, 在库区设置一种带吸泥头的水下管道排沙系统, 将小浪底库区淤积泥沙排出库外 , 见图。研究认为, 库区自吸式管道排沙技术与装备理论上可以实现小浪底水库泄流达到 4   0 0 0   I n 。 / 、 平均含沙量约 2 O k  r n  的配沙强度 目标。  2   自吸式管道排沙系统分析. 管道配沙可利用的沙量在调水调沙试验中, 2 0 0 4年小浪底水库汛限水位以上蓄水 达到 4 1 . 8亿 1 2 1   , 如按前述配沙方案, 则总沙量近 . 7亿 m。 。  实际坝前4   k m平均距离 2   k m) 累积沙量超过了. 8亿 m   , 可以满足泥沙总量要求。因此 , 重点对小浪底水库坝前 4   k m 范围的这些泥沙进行管道排沙输沙强度分析。 小浪底水库调水调沙运用的上游最高水位为 2 7 5   1 3 3 , 汛限水位为2 2 5   1 1 1 , 自吸式排沙管道出口高程按 1 4 5   m设计 , 可以利用的自然水头为 8 01 3 0   m, 平均为 1 0 5   m。按调水调沙泄流流量 4   0 0 0   1 Y l   / 、 平均含沙量 2 0   k #m 进行配沙强度分析计算 , 则管道系统输沙率为8 0   t / 。  

    . 管道输沙浓度分析 

    要充分利用自然水头提高管道输沙效率, 应通过提高进入管道系统的输沙浓度来实现。从小华山水库实测资料可知, 坝前淤积物粒径为. 0 2 4— . 0 4 4   m m, 干容重为 . 5 9   g / c m   , 起动流速为 . 0   m / 。输沙管道管径为. 3   m, 管道长度为 3 0~ 3 5 0 m, 水头为 1 6 . 8   m, 小华山水库管道最大流速为 . 5   m / , 管道吸泥密度可达7 2 4   k g / m   。 目前 , 小浪底水库坝前淤积泥沙的平均粒径为 . 0 0 8  mm  ( 坝前至 H H1 0断面, 淤积物颗粒于容重为 . 2   g / c m   , 因此极易被吸泥头吸取进入管道排沙系统。小浪底水库管道排沙的有效水头为8 O1 3 0   1 1 2 l , 高出小华山水库几十米, 吸泥头处平均流速大于小华山水库吸泥头处流速。所以, 通过管道系统吸泥头的系统研究 , 小浪底水库管道排沙系统含沙量也应远远超过小华山水库输沙管道的含沙量, 这为管道排沙系统达到调水调沙要求的管道输沙率提供了前提条件。  

    . 管道泥浆输移强度分析 

    小浪底管道排沙系统输移泥浆的粒径细、 浓度高, 可以作为伪一相流, 按均质宾汉体悬液进行分析研究…。管道输沙原则上应采用尽量大的设计含沙量、 较小的管道流速 , 以降低管道阻力损失, 提高管道输沙率。从黄河细颗粒泥沙流变特性试验来看, 含沙量超过 1   0 0 0   k  m  后泥沙的黏度增大, 雷诺数明显减小 , 配以略大于管道不淤的管道流速, 对于长距离管道来说将增大管道淤堵 的可能性 , 使运行安全性 下转第 1 0 3)  

     

     

     

     

     

     

     

     

    李远发等:小浪底库区小范围管道排沙方式探讨·103·按管道排沙系统含沙量400kgm,计算管径10、15m20m时的不淤流速分别为136、167ms193ms。为安全运用起见,管道泥浆流速考虑增大10%。从管道泥沙浆体的输移流速(2)可以看出,管道排沙系统泥浆流速均高于不淤流速。当采用含沙量为600800kgm。时,系统仍具有较大的排沙余量。表2设计含沙量为400kg1113时的管道流速ms23工程效益分析根据调研,10、15m2。0m管径方案工程投资分别为3000万、6000万、9600万元,年运行费用约为500万元,管道使用寿命一般为5O(暂时按正常使用3O年计算折旧),清淤单价分别为046、019、01lm。管道系统出口高程约在200In左右,这也为泥沙远距离输送提供了非常有利的条件。结合小浪底水库重大装备试验研究,合理地进行系统操作,提高管道排沙系统效率,清淤单价还将会进一步降低。3结语小浪底库区管道排沙系统坝前小范围清淤方案,工程规模小、技术难度低,施工及运行相对比较容易,对小浪底库区清淤的作用却很大。除了工程的实际应用价值外,工程实践对小浪底水库大规模清淤也具有非常重要的参考意义?!驹鹑伪嗉孕缌痢?/font>(上接第98)降低。因此,设计的管道系统泥沙输移上限除了要进行理论计算外,还需要进行模型试验。小浪底管道排沙系统输移浆体的阻力损失用范宁摩阻系数表示,并采用尼古拉兹公式进行计算:厂:008+Re…小浪底水库管道排沙设计水头分别为80、110m130m,主管道管径分别采用4、45in5m,进入管道的含沙量分别按550、650kg,m750kgm计算。在输沙率为80ts的情况下,清淤距离计算结果见表1。表1管径、水头、含沙量与清淤距离的关系从表l可以看出:水头和含沙量一定时,若增大管径,则清淤距离显著增大,但管径增大也会增加管道生产、施工难度,因此在满足输沙要求的前提下应尽量采用较小的管径。水头和管径一定时,进入管道的含沙量越大,管道阻力损失越小,清淤距离越大,因此设计高效率的吸泥头及稳定的吸泥方式可以大幅度提高管道系统输沙效率,也将更加有效地利用小浪底水库的自然水头;从估算浓度来看,对应的管道流速明显偏大,因此进一步提高管道含沙量尚有较大的空间。管径和含沙量一定时,采用合理的清淤运行方式,清淤距离应大于平均水头计算的清淤距离。从上述管道泥沙输移计算结果来看,利用小浪底水库的巨大自然能量,基本上可以满足管道排沙系统在调水调沙时对配沙强度的要求。然而,实现这一目标还需要对管道系统进行深入的技术性研究,比如设计可以稳定控制、吸入高浓度泥浆的吸泥头等。参考文献:[t]宋天成,万兆惠,钱宁.细颗粒含量对粗颗粒两相高含沙水流流动特性的影响[J].水利学报,1986(4)1—10[2]EJ瓦斯普.固体物料的浆体管道输送[M].北京:水利水电出版社,1984.【责任编辑翟戌亮】(上接第t01)闸门后关闭1号闸门,打开2号闸门排水,这时1号闸门下游管道连接施工与一般的岸上作业相同。其中1号闸门为半圆形。图1库区自吸式排沙管道隧洞内连接施工隧洞内进出13处的2个闸门是设计的关键:在考虑山体和大坝不受影响的前提下确定闸门井位置及闸门的开闭方式,特别是1号闸门应充分考虑排沙管道连接后的关闭方式及关闭后的密封问题?!?/font>

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