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水庫調水調沙與小浪底水庫管道排沙系統

摘 要 : 在簡要分析小浪底管道排沙系統的基礎上, 對管道配沙可利用的沙量、 管道含沙量、 管道泥漿輸移強度進行 了分析 , 認為運用管道排沙系統配沙進行清淤, 輸沙率可達到 8 0 t / s 。 關 鍵 詞:排沙距離;排沙強度 ;調水調沙;管道排沙;小浪底水庫 中圖分類號:T V 6 7 2 ; T V 2 1 3 . 4 文獻標識碼: A 文章編號: 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, 小浪底水庫共進行了 3次調水調沙試驗 和2次調水調沙生產運行。通過小浪底水庫調水調沙實現了黃河下游河道全線沖刷, 主槽過流能力持續增加。目前, 下游河道平灘流量已由2 0 0 2年汛前的 1 8 0 0 m / s 提高至 3 5 0 0 m 3 / s 。按防汛要求,小浪底水庫汛前必須釋放清水降至汛限水位。另外 , 小浪底水庫的排沙方式主要是異重流排沙 , 但異重流排沙仍然需要將水庫水位降低到~定高程才能實施。因此, 正如黃委李國英主任所說的, 現在可以估計到的問題是如何將巨量的庫區泥沙這些“ 貨物” 裝上調水調沙這一“ 載重卡車” 。 為此 , 黃委啟動了小浪底庫區配沙關鍵技術及其重大裝備的研究計劃。 1 小浪底庫區管道排沙系統簡介按照小浪底排沙要求, 黃河水利科學研究院提出并設計了小浪底水庫管道排沙系統。管道排沙的基本思路是 : 利用水庫自然水頭 , 結合小浪底水庫建筑物的布置特點, 在庫區設置一種帶吸泥頭的水下管道排沙系統, 將小浪底庫區淤積泥沙排出庫外 , 見圖1 。研究認為, 庫區自吸式管道排沙技術與裝備理論上可以實現小浪底水庫泄流達到 4 0 0 0 I n 。 / s 、 平均含沙量約 2 O k r n 的配沙強度 目標。 2 自吸式管道排沙系統分析2 . 1 管道配沙可利用的沙量在調水調沙試驗中, 2 0 0 4年小浪底水庫汛限水位以上蓄水 達到 4 1 . 8億 1 2 1 , 如按前述配沙方案, 則總沙量近 0 . 7億 m。 。 實際壩前4 k m內( 平均距離 2 k m) 累積沙量超過了0 . 8億 m , 可以滿足泥沙總量要求。因此 , 重點對小浪底水庫壩前 4 k m 范圍的這些泥沙進行管道排沙輸沙強度分析。 小浪底水庫調水調沙運用的上游最高水位為 2 7 5 1 3 3 , 汛限水位為2 2 5 1 1 1 , 自吸式排沙管道出口高程按 1 4 5 m設計 , 可以利用的自然水頭為 8 0—1 3 0 m, 平均為 1 0 5 m。按調水調沙泄流流量 4 0 0 0 1 Y l / s 、 平均含沙量 2 0 k #m 進行配沙強度分析計算 , 則管道系統輸沙率為8 0 t / s 。 2 . 2 管道輸沙濃度分析 要充分利用自然水頭提高管道輸沙效率, 應通過提高進入管道系統的輸沙濃度來實現。從小華山水庫實測資料可知, 壩前淤積物粒徑為0 . 0 2 4— 0 . 0 4 4 m m, 干容重為 1 . 5 9 g / c m , 起動流速為 1 . 0 m / s 。輸沙管道管徑為0 . 3 m, 管道長度為 3 0~ 3 5 0 m, 水頭為 1 6 . 8 m, 小華山水庫管道最大流速為 6 . 5 m / s , 管道吸泥密度可達7 2 4 k g / m 。 目前 , 小浪底水庫壩前淤積泥沙的平均粒徑為 0 . 0 0 8 mm ( 壩前至 H H1 0斷面) , 淤積物顆粒于容重為 1 . 2 g / c m , 因此極易被吸泥頭吸取進入管道排沙系統。小浪底水庫管道排沙的有效水頭為8 O~1 3 0 1 1 2 l , 高出小華山水庫幾十米, 吸泥頭處平均流速大于小華山水庫吸泥頭處流速。所以, 通過管道系統吸泥頭的系統研究 , 小浪底水庫管道排沙系統含沙量也應遠遠超過小華山水庫輸沙管道的含沙量, 這為管道排沙系統達到調水調沙要求的管道輸沙率提供了前提條件。 2 . 3 管道泥漿輸移強度分析 小浪底管道排沙系統輸移泥漿的粒徑細、 濃度高, 可以作為偽一相流, 按均質賓漢體懸液進行分析研究…。管道輸沙原則上應采用盡量大的設計含沙量、 較小的管道流速 , 以降低管道阻力損失, 提高管道輸沙率。從黃河細顆粒泥沙流變特性試驗來看, 含沙量超過 1 0 0 0 k m 后泥沙的黏度增大, 雷諾數明顯減小 , 配以略大于管道不淤的管道流速, 對于長距離管道來說將增大管道淤堵 的可能性 , 使運行安全性降低 ①水頭和含沙量一定時,若增大管徑,則清淤距離顯著增大,但管徑增大也會增加管道生產、施工難度,因此在滿足輸沙要求的前提下應盡量采用較小的管徑。②水頭和管徑一定時,進入管道的含沙量越大,管道阻力損失越小,清淤距離越大,因此設計高效率的吸泥頭及穩定的吸泥方式可以大幅度提高管道系統輸沙效率,也將更加有效地利用小浪底水庫的自然水頭;從估算濃度來看,對應的管道流速明顯偏大,因此進一步提高管道含沙量尚有較大的空間。③管徑和含沙量一定時,采用合理的清淤運行方式,清淤距離應大于平均水頭計算的清淤距離。從上述管道泥沙輸移計算結果來看,利用小浪底水庫的巨大自然能量,基本上可以滿足管道排沙系統在調水調沙時對配沙強度的要求。然而,實現這一目標還需要對管道系統進行深入的技術性研究,比如設計可以穩定控制、吸入高濃度泥漿的吸泥頭等
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