平原型水库泥沙清淤试验研究

闰振峰 蒋思奇 李昆鹏 王远见 李涛 李新杰

摘要：为研究平原型水库泥沙清淤试验的效果，同时进行平原型水库清淤试验排沙效率和经济性的定量分析，以西霞院水库清淤试验为例，针对输沙管道南岸过坝方案，分析了平原型水库泥沙清淤试验中不同工况下的泥沙运动形式、实测阻力及输移泥沙悬浮情况等，分析计算了各种工况下输沙耗水率及试验清淤成本。结果表明：平均含沙量越大，排沙耗水率越低，最低耗水率为3.53，清淤成本约为52.28元/m³。

关键词：试验;泥沙;清淤;平原型水库

中图分类号：TV145

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.01. 004

平原水库是相对于山丘区水库而言的，一般位于大江、大河下游的冲积平原地区，我国松嫩平原、辽河平原、黄淮海平原及内蒙古、新疆等地区修筑有大量的平原水库[1]。平原水库缓解了水资源严重匮乏地区的供需矛盾，弥补了枯水期农业灌溉引水的不足，为区域经济发展提供了可靠的水源，改善了周围生态环境，调节了区域小气候。作为制约平原水库社会经济效益发挥的主要因素之一，库区泥沙淤积问题已经日益突出，如新疆已建成的500余座水库中大部分是平原水库，有些水库已淤库容在50%以上，有的已淤满失效，全区总淤积量已达11亿m³[2]。崔淑霞[3]分析了高含沙黄河水进入平原水库库区造成的淤积问题，提出了扩建沉沙工程和衬砌输水渠等解决水库淤积的主要途径：马晓昱[4]通过研究新疆已建平原水库的淤积情况及影响因素，分析了可能带来的危害，提出了相应的解决策略：范小军等[5]总结了平原水库清淤措施的研究进展，阐述了平原水库清淤的必要性和可行性：王世杰[6]探讨了平原型水库面临的用水量增加和淤积等主要问题，并对3种增容措施及效果进行了对比研究。

目前，平原型水库泥沙清淤研究大多集中于理论分析探討或局限于泥沙清淤本身，对清淤方案评价、清淤效果的分析研究较少。基于此，笔者选取黄河干流西霞院水库进行试验，对典型平原水库清淤措施选择、方案选取、方案检验和经济分析等进行研究探讨。由于西霞院库区表层淤积泥沙的固结强度较低，多为较松散的淤积泥沙，因此无需破土装置即可开展清淤作业，且水库清淤具有淤积层薄（2～7 m）、淤积面大、水头差小等特点，从淤积物的组成、分布以及水库调度等多方面权衡考虑，采用射流冲吸式清淤技术实施水库泥沙清淤。

1 水库泥沙清淤试验

1.1 库区基本情况

西霞院水库位于河南省洛阳市境内的黄河干流上，上距小浪底水利枢纽16 km，下距花园口145 km。小浪底至西霞院区间流域面积为400 km²，无大支流汇人，河长大于5 km的小支流共有7条。西霞院库区自然河道表现为沿程上窄下宽，库区河道平均比降为0.086%。距西霞院坝址约8 km的焦枝铁路老桥以上河道较窄，宽度小于1 000 m，以下逐渐展宽到3 000～4 000 m，水流分散。

西霞院水库校核洪水位134.75 m以下总库容为1.62亿m³.水库正常蓄水位134.00 m以下库容为1.45亿m³，冲淤平衡时库容为0.452亿m³，库水位131.00～134.00 m之间的反调节库容为0.332亿m³。据小浪底水文站1919-1998年实测资料系列统计，多年平均输沙量为13.25亿t，多年平均含沙量为33.4 kg/m³。截至2016年汛前，西霞院水库累计淤积0.203 2亿m3，年均淤积量254万m³，其中2010年淤积量最大，为0.164 7亿m3，2009年、2011年、2015年度淤积量较小。

1.2 清淤试验

1.2.1 试验目的及布置

（1）试验目的。通过西霞院水库库区局部的清淤试验来遏制水库的淤积趋势，改善泥沙淤积部位，这既是解决平原型水库泥沙淤积问题最直接有效的途径，也是充分发挥平原型水库功能、维护河流健康的重大需求。研究不同工况下水库泥沙清淤效果，作为水库泥沙处理的“落脚点”，可为后续清淤提供可靠的试验基础。

（2）试验线路布置及监测。在掌握西霞院水库来水来沙和库区淤积规律的基础上，对泥沙起悬、输送等配套设备进行选型、优化与集成，提出水库泥沙处理方案，确定出库方式、实施区域、时机、工程布置、作业路线、清淤规模等。综合考虑不同库段边界条件、泥沙组成及清淤要求，选择泥沙利用方式、方法及相应的泥沙利用技术，提出西霞院水库泥沙处理与利用联合技术示范方案。

试验采用输沙管道南岸过坝方案（见图1），而水面管道输送从南岸清淤作业区到右导墙南20 m与大坝坝顶相交处，距离约为1.0 km;陆地管道输送沿右导墙与大坝坝顶相交处过坝，之后沿大坝坝后坡面、西霞院右岸景区道路、黄河南岸护堤铺设管道，陆地管道长度约为1.6 km。排沙管道公称直径为219 mm，每节管道长6m.水上每节管道间用专用的1.5 m长橡胶软管连接。

为研究不同流速下管道输送阻力与对应的输送浓度之间的关系、输送系统实际消耗功率与输送效率，本次试验在管道输送时布控了压力与流量测试，浆体中的泥沙含量测试以及电压、电流测试。

1.2.2 试验工况

为试验不同工况的抽沙效果，水泵采用皮带传动，水泵有3种直径的皮带轮，通过改变水泵皮带轮直径改变泵的转速，获得不同的输送速度和不同的抽沙效果。试验工况见表1。

西霞院库区现场抽沙试验平台装置具备200PN -35型卧式砂泵配90KW-4P电机以及200ZE-45型砂泵配110KW-4P电机的单泵及双泵串联条件。不同流量级下管道输送试验的测验数据包括流量、含沙量和管道沿程压力。

2 方案检验

由于泥浆泵从河底抽取的泥浆浓度具有随机性，测点的含沙量也不稳定，因此将每个断面上、中、下3个测点的含沙量均值作为该断面的含沙量，进出口含沙量的均值作为这组试验的含沙量。根据7种试验工况对实测含沙量进行分析，结果表明：每个断面上、中、下3个测点的含沙量均很不稳定：实测含沙量85%以上小于100 kg/m³;每种工况含沙量变化范围为4.4～342.6 kg/m³（工况1于2016年10月11日9时试验开始，出口处断面11时30分的平均含沙量为4.4 kg/m3.工况4于2016年10月26日9时试验开始，出口处断面11时50分的平均含沙量出现最大值342.6kg/m³）;各工况下出口的实测平均含沙量均小于进口的;除了工况4，其余各工况出口的实测最大含沙量均小于进口的;随着流量增大，所测平均含沙量呈增大趋势，最大含沙量呈现先增大后减小的趋势。

2.1 运动形式分析

为研究管道泥沙输送中的冲淤情况，分析了7种工况下的排沙比和悬浮指数。根据实测含沙量和流量资料，计算管道进口和出口相同时段内的输沙量，以出口与进口单位时间的输沙量之比作为管道排沙比，整体上分析管道内是否有淤积形成。以工况1和工况5为例，管道进口到出口间隔2 400 m.流量300 m³/h时流速为1.80 m/s.泥沙浆体从进口到出口的运行时间为23 min.所以采用出口延迟23 min的含沙量：流量250 m³/h时流速为2.07 m/s.泥沙浆体从进口到出口的运行时间为20 min.所以采用出口延迟20 min的含沙量。根据含沙量垂线分布规律，本文采用的泥沙悬浮指数公式为

z=ω/kU*

式中：ω为颗粒沉速，m/s;，k为卡门常数，取0.4;U*为摩阻流速，m/s。

Z大于5时泥沙颗粒发生推移运动，Z小于0.1时泥沙颗粒发生悬移运动。表2中排沙比均接近1，考虑试验测量取样存在误差，并且分析颗粒级配时可以看出出口处的颗粒级配并没有发生明显的细化现象，在试验完毕后拆卸管道过程中也未发现泥沙残留的现象，故认为7种工况均未发生淤积，进口和出口排沙平衡。同时，7种工况的悬浮指数均小于0.1，说明7种工况下泥沙均为悬移运动，这进一步验证了管道中没有发生淤积。

2.2 实测阻力分析

工况1～工况5布设了4个压力观测断面，工况6和工况7中增加了坝前压力测量断面。在流量相差不大时，不同含沙量浑水在出口断面的压力值均相同，但是工況5、工况6、工况7流量相对较大时，出口断面的压力值也相对较大，这与不同浓度下沿程阻力不同这一规律不符，造成这种现象的原因可能是出口断面趋于明流，与其他位置的有压管流之间存在根本区别，因此在进行水力坡降计算时不将出口断面的压力值纳入计算中。

根据达西一韦斯巴赫公式计算沿程阻力系数：式中：A为沿程阻力系数;L为管道长度，m，d为管道直径，m;v为平均流速，m/s;g为重力加速度，

从表3可以看出，流量为200～ 230 m³/h时，阻力系数随含沙量的增大而减小：流量为240～250 m³/h时，阻力系数随着含沙量的增大变化不大：当流量达到300 m³/h时，随着含沙量的增大，阻力系数达到1.97;而流量为300—330 m³/h时，随着含沙量的增大，阻力系数又保持基本稳定。这说明当流量大于某一值时，阻力坡降随含沙量增大会先减小后增大，因此存在一个临界值使阻力损失最小，当流量超过这一临界值时，含沙量的持续增大会加剧固体颗粒的相互碰撞，从而导致碰撞消耗的能量加大，阻力损失加大。

2.3 临界不淤流速与试验流速

过去有关学者针对临界不淤流速进行了大量试验，分析了影响临界不淤流速的因素，认为临界不淤流速与管径的1/3～1/4次方成正比，与固体颗粒容重和组成有关，特别是粗颗粒直径大小及含量有关，另外还与含沙量有关，并推导了不同的临界不淤流速计算公式，但计算精度都不是太高，原因是固体的浓度及固体颗粒组成太复杂。在没有更好的公式以前，本文采用文献[7]中的公式进行计算，结果见表4。

临界不淤流速是管道输送流速的设计依据，若管道设计输送流速太大，则阻力损失大，输送能耗高，另外固体颗粒对管道磨蚀也更严重：若管道输送流速太小，则固体颗粒可能不会悬浮起来，甚至会产生淤积，造成管道堵塞。因此，管道设计输送流速一定要大于管道临界不淤流速，实际工作流速一般取临界不淤流速的1.15倍，或者比临界不淤流速大0.2 m/s。

3 试验结果分析

3.1 试验工况分析

7种工况下实测含沙量显示，相对单泵（200PN -35型.200ZE-45型）条件，双泵串联条件（工况6和工况7）下由于抽沙动力更大、持续性更强，因此平均含沙量与最大含沙量都较大，其中工况7的平均含沙量和最大含沙量均最大，分别为147、343 kg/m³，见表5。

3.2 排沙效率分析

根据实测的含沙量和流量资料，计算管道进口和管道出口相同时段内的输沙量，以出口与进口单位时间的输沙量之比作为管道排沙比，见表6。根据各工况实测数据计算不同输沙量相应的耗水量，进而计算排沙耗水量，结果显示平均含沙量越大，排沙耗水率越低。7种工况中，双泵串联条件下的工况7排沙耗水率最小，为3.53，远低于其余6种工况。

3.3 清淤成本分析

根据西霞院水库泥沙清淤试验生产成本统计，抽沙固定资产包括抽沙平台建造、抽沙管道及浮筒加工、抽沙平台现场组装、浮筒组装及水上管道布设、岸上管道布设、拆卸等，固定成本计算其折旧额Cg，本次清淤试验计算为7.56万元;变动成本中抽沙运行费用Cb包括生产占地费用、人工费用、水电费用及税费等，合计15元/m³。通过计算，本次清淤2 000 m3泥沙的生产成本为C=Cg+CbX =7.56+0.001Sx2 000=10.56万元，即清淤1m³泥沙的生产成本为52.8兀。考虑到固定成本计算其折旧额不变，要想降低清淤生产成本，就要对抽沙运行管理方案进行优化。

4 结语

（1）双泵串联且流量为330 m³/I1条件下的平均含沙量和最大含沙量都最大，排沙耗水率较低，最低耗水率为3.53。

（2）本次试验仅清淤泥沙2 000 m³，下一步的试验需要优化抽沙运行管理方案，来检验清淤效果和排沙效率的持续性，以达到降低生产成本的目的。另外，本次试验中输沙管道公称直径为219 mm.以后需要对多种大直径管道输沙情况进行研究，以满足更广范围的水库清淤要求。

参考文献：

[1]王殿武，于本洋，平原水库工程技术研究与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2004：23-25.

[2] 何庆海，周荣星，金瑞清，等，山东省平原水库的典型生态环境问题及对策研究[J].中国农村水利水电，2010（10）： 53-58.

[3] 崔淑霞，滨州市平原水库建设的几个关键问题与解决措施[J].海河水利，2016（2）：30-33.

[4] 马晓昱，新疆平原水库淤积的影响因素与应对策略[J].黑龙江水利科技，2013，41（5）：242-244.

[5]范小军，李垄垄，平原水库清淤措施研究进展[J].中国科技纵横，2013（21）：53-58.

[6]王世杰，平原型水库增容措施效果对比研究[J].中国水能及电气化，2013（3）：34-37.

[7]费祥俊，浆体输送水力学[M].北京：清华大学出版社，1994：430-432.