基于高效输沙实现技术的淤筑村台示范研究

苏立志 龚西城 鲁详磊

摘 要：在黃河下游滩区村台建设过程中，利用黄河泥沙淤筑村台，不但能提升黄河河道的行洪能力，将黄河泥沙资源化利用，还能帮助滩区居民躲避洪灾，改善滩区居民生活条件。为利用高浓度长距离输沙通道淤筑村台，开展“黄河下游河道与滩区治理研究”项目多技术高效泥沙处置示范工程建设，在前人研究的基础上，基于张红武水力学及河流动力学理论体系，运用水流挟沙力等公式计算临界流速、阻力系数等，确定淤筑村台工程中动力系统、造浆系统和管道系统的关键技术参数，构建黄河不同粒径泥沙的长距离管道高效输沙参数计算方法。结果表明：结合工程实际的计算结果为管道高效输沙淤筑村台工程的设备布设等重要环节设计提供了技术支撑，淤筑村台工程良好的运行情景说明所选择的管径和输沙浓度是合适的，明显提高了工作效率，降低了工程成本。示范工程中泥沙水力粗度、含沙量等大量实测数据，均与前期理论计算结果颇为接近，从而在理论和实践上都表明，对于黄河床沙中的粗沙，可以实现长距离精准高效的管道高浓度输沙淤滩目标。

关键词：滩区治理;村台淤筑;管道高浓度输沙;计算方法;黄河

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

近些年来，国家把脱贫攻坚作为头等大事，而黄河滩区居民的脱贫工作是其中“最难啃的硬骨头”。解决黄河滩区脱贫问题，首先应解决安居问题，这是滩区居民最迫切的愿望，也是滩区产业发展的基本条件[1]。国务院批复的《黄河流域防洪规划》和《黄河流域综合规划（2012—2030年）》提出，滩区安全建设采取“村台安置”和“外迁安置”两种方式。根据国家有关要求，结合东明滩区当地实际情况，地方政府提出就地修筑避水村台，将群众迁建安置在村台顶部，将黄河滩区的村台建设当成滩区居民脱贫攻坚的重要途径。

黄河作为多沙河流，泥沙严重淤积一直是黄河治理的棘手问题。随着人类对生态环境整治和水沙资源利用的意识逐步提高，通过开辟利用途径和革新技术手段，一定程度上将灾害性泥沙转化成资源性泥沙[2]。如果将大量泥沙用来淤筑村台[1]，不但能提升黄河河道的行洪能力，将黄河泥沙资源化利用，还能帮助滩区居民躲避洪灾，改善滩区居民生活条件。根据多年来黄河大堤淤背经验，村台填筑工程可以采用管道远距离输沙技术将泥沙从河道转移到指定地点淤筑村台。管道输沙技术具有无污染、作业不受天气情况影响、输送量大等优点，已在国内外较多工程中得以应用。

按照“就近安置、节约土地、便于群众生产生活”的原则，在黄河滩区采取淤筑“大村台”安居工程这种脱贫安置方式，具有工程量大与施工难度大等特点[1]，需要前期通过理论计算管道输沙距离，确定采沙点和设备布局，以节约人力物力、缩短工期。

鉴于黄河泥沙问题的复杂性[3]，仍有较多关键科学技术问题亟待解决。“黄河下游河道与滩区治理研究”作为国家重点研发计划项目，必须针对未来黄河面临的河道与滩区治理难题开展研究，提供重要的科技支撑，并打造示范性工程[4]。本文研究内容属于其中的课题7“黄河下游河势控制与滩区治理示范工程”之第4专题“泥沙高效处置工程示范建设”的工作范畴，需要在课题5“黄河下游滩区功能约束及其良性治理体系”将集浆器组合系统中管道输沙技术升级为长距离精准高效的管道高浓度输沙淤滩技术的基础上，采用抽沙船水冲式和机械扰动式造浆系统造浆，并用自吸泵抽入主管道内，输送至吹填区，对可持续高效淤滩措施进行联合施工试验[4]。为此，课题组结合淤筑村台工程，构建高浓度长距离输沙通道，打造多技术高效泥沙处置示范工程，在理论计算、比选多方案输沙方式后进行管道输沙设备布局，并通过观测现场试验效果，将相关技术指标和参数同前期计算结果进行比较。

1.2 管道输沙研究现状

为保证管道输沙的效果并考虑最大限度降低成本，以往研究大多集中于解决阻力问题和临界不淤问题。由于管道内泥沙流动的复杂性及管道输沙理论尚不完善，因此管道输沙的特性及计算模拟是众多专家学者十分关注的研究热点。费祥俊[5]建立了针对缺乏细颗粒的两相管流进行预测摩阻损失的模型;白晓宁等[6]对浆体管道的阻力特性变化分不同流速阶段进行分析研究;赵安平[7]基于张红武黄河水沙运动理论，利用汇流集浆器组合系统实测资料，计算分析了含沙浓度、泥沙粒径、管径等对输沙距离的影响，建立了不同参数之间的关系曲线，是黄河两相管流输沙领域的代表性研究成果;张英普等[8]通过对浑水管道的不淤流速进行判断并分析影响因素，建立适用于灌区管道输水系统的临界不淤流速经验公式;丁宏达[9]推求了浆体管道输送物料粒径变化对管道临界流速影响的简化模型，认为粒径越小越节能，减小粒径可使临界流速下降;李鹏程等[10]在考虑固体颗粒悬浮及流态的前提下，开发了计算管道临界输送流速的模型。傅旭东等[11]基于固液两相流动理论，考虑流场中固体颗粒的受力特性，建立水平方管固液两相流的数学模型来研究两种类型的颗粒浓度垂向分布情况;蒋素绮等[12]通过分析高浓度黏性浑水的基本特性及管道输送的试验结果，提出适用于高浓度管道输沙的计算方法。基于以上研究，可见目前对于管道输沙的研究主要围绕摩阻损失、临界流速、输沙浓度及速度的分布等进行分析探讨。

值得强调的是，包头钢铁公司布设145 km长管道，将铁精矿浆从白云西矿输送至包钢，是我国长距离管道输送研究取得突破的标志[13]，其创新点主要是利用张红武系列公式描绘出固液两相流能耗最小图形，确定设计浓度与设计流速，成功提高了铁精矿输送效率，产生了巨大效益，该成果被鉴定为国际领先水平。

为开展高效输沙实现技术示范，课题组对水沙配比、动力系统等进行现场调试，在理论计算基础上，利用抽吸河内粗颗粒床沙的造浆系统将泥浆汇入主输沙管道，组成长距离有压高效管道输沙系统，成功提高了淤筑滩区村台的效率。

2 示范工程概况及输沙设备布设

2.1 长兴集乡村台概况

长兴集乡位于黄河下游，山东省西南部，黄河南岸，菏泽市的最西端，东明县西南部，为东明县典型的纯滩区乡，面积100.26 km2，辖37个行政村88个自然村，常住人口66 370人。受黄河改道和决口的影响，境内的地形自西南向东北倾斜。境内的河道为黄河决口时的溜道，自然流势，河道极其弯曲，分岔较多，互相串连，水系紊乱，排水不畅，长期以来存在滩內旱、堤根涝、堤外盐碱、漫滩等现象，灾害频繁。1996年8月5日，花园口站发生洪峰流量为7 600 m3/s的中常洪水时，长兴集乡全部漫滩，水深1.4～2.3 m。受漫滩洪水影响和生产环境、生产条件的制约，滩区村庄生产水平低下，经济发展落后，经济发展可持续性差，农民生活基本处于温饱状态，教育、文化、卫生水平低。长兴集乡的村庄部分紧靠黄河，交通相对不便，且现有安全避洪设施相对薄弱，如果发生超标准大漫滩洪水，滩区内现有村台基本不能满足安全避洪要求。为此，东明滩区近两年大力推行合村并居工作。按规划安排，长兴集乡脱贫迁建防洪村台工程共修建9个大村台来保障滩区居民的生产生活问题。

2.2 示范工程建设思路与技术路线

结合近年来黄河淤背经验，村台填筑工程采用船淤吹填方式，即在黄河行洪河槽内布设简易抽沙船，利用泥浆泵和管道输送泥浆，并在中间设置加力站，对管道中的水体补充能量，延长输送距离。

根据黄河近年来抽沙吹填经验，以取土为目的抽取泥浆，单位体积内所含的泥沙越多越好，抽取的泥浆浓度大，生产效率就高，同时利润也大。课题组在理论技术研发基础上，由清华大学在室内开展大量的基础试验，建立了泥沙粒径、含沙量、管道直径与输沙距离的关系，对淤筑村台工程中的动力系统、造浆系统、管道系统与输沙参数的关系以及能否满足工程应用要求有了清晰的认识，为现场确定造浆方式、动力配置、村台吹填淤筑等关键环节提供了初步依据。

目前黄河河道内抽沙船造浆方式主要有两种：水冲式和机械扰动式。水冲式是利用高速水束主动冲击河底固结泥沙，造成其结构瓦解和破坏，使土颗粒与水混合形成泥浆，再用自吸泵抽入管道内送到吹填区;机械扰动式是靠机械动力带动自吸泵前面的铰刀旋轉扰动河底沙层，然后通过自吸泵吸入管道后送至吹填区。根据相关设计与现场调试结果，长兴集乡村台吹填淤筑主要采用上述两种方式进行动力输送。

根据设计沙场探摸河道沙层沉降厚度是施工前期的关键环节。在确定抽沙船船位前，课题组专门组织相关技术人员进行河势观测、河道内沙层探测，利用交通船只与打井设备现场探明沙层的范围、积沙厚度。由于黄河上抽沙船输沙泵管道长度为15 m左右，因此探查河底厚度确定为20 m。同时还要根据河道上游河势、流量、含沙量等情况，运用水流挟沙力公式来预估河道还沙能力。抽沙场可根据工程所处河道流路走向及取沙、落沙、还沙条件来选择，为避免影响河势变化，并在抽沙过程中不影响河道工程及施工人员的安全，需要避开主流位置。根据清华大学在辛店集河段模型试验结果，发现易落沙、还沙快的部位多在河道工程的下首，且需要离开靠溜工程250 m以上。经过比选，最后将高效输沙实现技术示范工程抽沙船（实际也是放淤料场）位置确定在辛店集控导下延工程30#坝下游300 m以外。为保证施工人员和抽沙船只的安全，不得到水深小的河道对岸取沙。

通过探摸沙场，进行对比论证，最后择优确定船只最佳位置。抽沙船可以重复利用，在一期工程结束后，抽沙船可在二期及后续工程中使用，只需重新布设输沙管道，或根据需沙量增减船只数量即可。可见，选好抽沙船的布设位置，能够为整体工程节省大量物力财力。确定沙场后，船与船的间距一般布置为500 m左右，最小不得小于300 m。其原因是船只布置过密后，在小水期间会导致还沙慢、抽沙效率低。根据黄河放淤固堤工程多年的施工经验，每条船每年淤筑沙量约为25万m3。

串联式接力是将接力泵串联在输沙管道中间，使接力泵起到加力站的作用。对于高浓度长距离管道输沙，合理布设串联加力站在整个抽沙过程中至关重要，否则输沙运转时很难掌控管道压力和动力配置。如果两加力站之间相距较远，在管道输沙过程中会造成动力衰竭，那么泥沙在没有到达下个动力站之前就已出现淤堵，形成壅管故障，导致设备损坏;如果两加力站之间布局较近，就会造成动力浪费、成本增加，难以达到动力优化配置的目的。同时，还要根据电机的功率、泥浆泵的流量、地势的起伏变化加以分析，进行科学优化。

3 管道输沙理论分析

通过在小管径上模拟试验确定摩阻损失和临界流速、再放大到原型大管径的方法得到一些经验公式，这种方法存在一定的局限性。对于管道输沙来说，管道输送阻力除了受边壁粗糙度影响外，输送浓度对阻力也存在一定的影响。当输送浓度较低时，管道输送阻力随着水流强度的增大而增大;当浓度较高时，随着水流强度增大，泥沙颗粒在边壁粗糙处停留落淤，使壁面变得平整光滑，边壁摩擦力减小，使得阻力也相应减小。因此，本研究认为考虑输送浓度对阻力的影响是不可或缺的。

管道水流流速分布一般是在清水条件下由试验所得，含沙水流作为两相混合体，其浑水流速分布大都较清水流速分布更不均匀。管道含沙水流流速分布更为复杂，所以清水条件下的管道水流流速分布试验参考意义较小。针对黄河高含沙水流的研究，钱宁等[14]、钱意颖等[15]、张红武等[16]做了大量的有实际意义的研究工作。作为淤筑村台工程中的必要环节和重点难点，较为适用且精准的计算方法是迫切需要解决的科学问题。根据上述分析，欲通过高浓度长距离输送粗沙途径淤筑村台，输送泥浆的浓度就必须进行最佳设计。较小的泥浆浓度能保持泥浆紊流的特点，可减轻对管壁的磨损，但会引起泥浆的非均匀性和过多的水动力，造成能量浪费并增加用水费用;较大的泥浆浓度更加经济，但泥浆的屈服应力变大，对轻微的浓度变化敏感，会导致压力损失及运行不稳定[17]。为此，本研究利用张红武水力学及河流动力学理论计算黄河下游滩区淤筑村台工程中的一些技术参数。

3.1 临界流速和水流挟沙力

临界流速主要指固体颗粒从悬浮状态开始沉淀时的管道流速。在浆体和粒状物料输送研究成果中，一般认为临界流速主要受管径、浓度、黏度、颗粒大小和级配等因素影响。均匀颗粒非均质流的临界流速有不少经验和半经验计算公式，但在黄河上不能直接应用;非均匀颗粒的成果则较少，多采用代表粒径的做法[17]。这些公式经验性较强，只适合特定的计算条件，往往同条件计算结果差别都较大[17]。这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]、王可钦公式[17]、费祥俊公式[17]、张兴荣公式[20]等。

在试验资料基础上，对于浓度对临界流速的影响，这些公式中存在两种观点[17]，一种认为在临界流速随浓度变化的过程中会出现两个极值，即低浓度的最大流速值和高浓度的最小流速值，从资料上看，对应的输送浓度在10%左右为低浓度，当输送浓度大于40%时为高浓度，或没有明显极值点，此时输送阻力和流速都最小，推荐作为管道输送设计参数;另一种认为临界流速随浓度增大而增大，中间没有两个极值出现。综上可以看出，影响临界流速的因素是非常复杂的，除了颗粒浓度这个重要因素外，还受管径、浑水黏度、颗粒性质（如密度、粒径和级配）等多因素的综合制约，而且与颗粒运动形式及其比例、浑水流变特性有很大关系。

水流挟沙力概念来自明渠流，这里将张红武公式[21]引入管流输沙参数计算之中：

3.2 阻力系数

由于试验颗粒差异大，并且综合糙率和阻力系数本身非常复杂，因此尚无普适计算公式，大多数公式的经验性较强，存在一定局限性。E. J. Wasp的复合系统求阻力方法虽在国外曾得到较多应用，但需试算，比较繁琐[22]。

在黄河下游抽沙淤筑村台的实际工程中，发现正常输沙时管中流态一般为紊流，水流阻力系数已基本不受雷诺数影响。为此，本研究阻力系数计算采用张红武公式[23]，即首先引入考虑沙粒物面摩阻影响的糙率公式：

3.3 扬 程

4 研究结果

以往管道输沙取沙一般较细，中值粒径一般为0.02～0.03 mm，与滩地泥沙级配相当，而淤筑村台要求承载能力与干容重较大的粗沙，因此在理论和实践上都是很大的挑战。本研究选取位于黄河下游辛店集控导工程前河槽床沙的两组实测级配数据（见图1），其中值粒径分别为0.08 mm和0.15 mm，以此计算管道输沙的特性参数变化情况，分析临界流速与含沙量、临界流量与含沙量、管道阻力系数与含沙量以及扬程、流量、含沙量和有效功率之间的关系，研究不同参数对管道输沙能力的影响。

4.1 管道输沙特性参数分析

临界流速Uk与含沙量的关系见图2（D400、D300、D250分别表示管径为400、300、250 mm，下同）。可以看出，随着含沙量逐渐增大，临界流速在迅速上升到一个极大值后缓慢减小，含沙量约为200 kg/m3时临界流速达到最大。对比两种中值粒径级配管道输沙情况，发现在同等条件下中值粒径为0.15 mm级配的粗颗粒泥沙的管道输送临界流速大于中值粒径为0.08 mm级配的。在同一含沙量条件下，临界流速随管径减小而减小;当临界流速较大时，不同管径之间临界流速相差也较大;随含沙量增大，管径不同所引起的临界流速差别有减小趋势，因此从输送工作效率来说，选用较大的管径更好。

分析图2可知，在含沙量持续增大时，临界流速呈现缓慢下降趋势，似乎表明高浓度泥浆流能够在足够的能坡或压差下以小流速运动，这与泥浆流黏性较大时因水流挟沙力很大而不会淤积有关。另外，由于泥沙粒径级配的不同，管内出现淤积后会导致过流面积减小，从而通过管内的自动调整使其以临界流速流动。综上所述，在工程采沙的过程中，对于不同的泥沙粒径级配，管内的泥沙输送浓度不只受临界流速的影响，如果选用合适的泥浆泵以及较高的造浆技术，管道也可以输送高浓度泥沙。目前黄河下游已有工程的经验都显示，现有输送设备对于黄河细颗粒泥沙，能够输送含沙量超过1 000 kg/m3的泥浆[25]。但是，除受造浆能力所限外，若采用这种高浓度泥沙输送方式，在受工程突发情况（如断电等）影响从而被动导致输送停止时，再次启动输沙则会异常困难，因此不能一味追求高浓度运输，应选取一个合适的浓度，既能保证输送效率，又能正常输送。

图3为不同管径下临界流量与含沙量之间的关系，流量随含沙量的增大先达到一个最大值，然后呈下降趋势，但下降趋势较缓。管径对流量的影响较流速更为明显，在同一含沙量条件下，管径越大流量越大，但随着含沙量的增大，管径对流量的影响逐渐减小。对比图3（a）和图3（b）可发现，在同等条件下，较粗的泥沙要求输送流量更大。

管道阻力系数与含沙量之间的关系，见图4。可以看出，不同管径下的阻力系数变化规律差异不大，阻力系数随含沙量变化是一个先减小后增大的过程，在含沙量约为100 kg/m3时出现一个极小值，随后在含沙量为100～400 kg/m3范围内阻力系數缓慢增大，在20～600 kg/m3范围内阻力系数都较小，含沙量大于600 kg/m3后阻力系数随含沙量增大而明显增大。

结合阻力系数和临界流速的计算，分析图2至图4发现，当实际含沙量控制在600～800 kg/m3时较为合适，根据图3可查找对应的临界流量。当中值粒径为0.08 mm时，D250管相应的临界流量为136～171 m3/h，D300管相应的临界流量为205～258 m3/h，D400管相应的临界流量为392～495 m3/h，阻力系数范围为0.012～0.019。当中值粒径为0.15 mm时，D250管相应的临界流量为266～306 m3/h，D300管相应的临界流量为401～462 m3/h，D400管相应的临界流量为769～884 m3/h，阻力系数范围为0.075～0.010。

根据实际工程中采集的数据，确定泥浆泵至管道出口高差h=2.7 m，D1=300 mm，L1=400 m，D2=250 mm，L2=2 100 m，总的局部水头损失∑ζ约为2.5 m。利用式（8）～式（9）计算扬程和电机功率，分析含沙量、扬程、流量、电机功率之间的变化关系，结果见图5。可以看出，在同一粒径级配下，工作流量（或流速）、扬程、电机功率、含沙量之间都有密切关系。相同流量下，扬程随着含沙量的增大而增大，且要求的电机功率越大，因此对于输送水流含沙量的要求还受动力系统功率的限制，否则易造成流速下降至低于临界流速而使管道淤塞。

根据计算，动力系统可选用10EPN-30泥浆泵，有效功率为136 kW。从图5可以看出，当中值粒径为0.08 mm的泥沙输运时，扬程基本在33.5 m左右，含沙量小于800 kg/m3时，流量大于489 m3/h;当流量大于600 m3/h时，要求含沙量小于600 kg/m3，因此含沙量为600～800 kg/m3时相应流量为489～600 m3/h。当中值粒径为0.15 mm的泥沙输运时，采用相同的泥浆泵，扬程基本在26 m左右，含沙量小于800 kg/m3时，流量大于630 m3/h;当流量大于714 m3/h时，要求含沙量小于600 kg/m3，因此含沙量为600～800 kg/m3时相应流量为630～714 m3/h。

本研究采用的水流挟沙力、临界流速、群体沉速、阻力系数、浑水卡门常数及水流黏滞性系数等计算公式，均基于张红武的水力学及河流动力学理论体系，在实际水流泥沙计算中精度较高，在黄河下游泥沙管道输送计算中颇有应用价值，且计算方法具有简便性和系统性，关键参数较易获取，能够较好地满足工程应用要求。

4.2 泥浆泵输沙距离计算

高浓度长距离输沙是整个工程的重要环节，也是难点所在。试验现场辛店集控导工程联坝坝顶高程70.5 m，出水口高程66.7 m，泥浆泵高程64.0 m。为了便于计算分析，将输沙管道视为管径不变且无分支的简单管道。在试验（生产）过程中，管道内介质的运动要素变化不大，沿程无流量损失，可作为恒定流进行计算，则流量公式为

采用本次现场试验的基本数据，全部采用直径300 mm的钢管，可根据式（15）计算输沙距离。当输送中值粒径为0.08 mm的泥沙并将泥浆流量分别控制为489、545、600 m3/h时，输送含沙量600 kg/m3条件下，最大输沙距离分别为2 708、2 722、2 739 m;输送含沙量800 kg/m3且相同泥浆流量条件下，最大输沙距离分别为3 450、3 464、3 482 m。显然，能满足远距离输沙的要求。

当输送中值粒径为0.15 mm的泥沙并将泥浆流量分别控制为630、672、714 m3/h条件下，输送含沙量为600 kg/m3时，最大输沙距离分别为2 227、2 242、2 262 m;输送含沙量为800 kg/m3且相同泥浆流量条件下，最大输沙距离分别为3 321、3 336、3 356 m。可见，能够满足远距离输沙淤筑长兴集乡2号村台的要求。

5 示范工程输沙设备布局

上述分析表明，选择合适的管径以及保持合适的较高浓度，对于提高工作效率和降低成本是十分必要的。以本文计算结果为依据，可以对黄河滩区村台淤筑输送设备布局进行设计，这是保证完成施工任务的基础。对计算结果比选分析后，在长兴集乡2号村台施工中选用输沙管的直径为300 mm。根据2号村台设计的体量[1]，村台淤筑量约为2 455 900 m3。考虑到在辛店集工程下首河槽抽沙的中值粒径一般在0.08～0.15 mm之间，可按照最不利的粗颗粒计，由所计算的管道高浓度输沙不淤距离来配置动力条件，即需要在黄河主槽内布设6条简易抽沙船，每条船上配136 kW泥浆泵（800 m3/h）一台，电机功率为250 kW;中间加力站电机功率为220 kW。同時，为满足8.3 km的高浓度输沙距离，抽沙船只与一级加力站之间的间距设计为900～1 200 m，一级加力站距二级加力站、二级加力站距三级加力站均为2 200～2 400 m，三级加力站距淤沙口2 100～2 300 m，其最大间距均小于理论计算的输沙距离。

长兴集乡2号村台淤筑示范工程所需船只与串联加力站布设间距见图6。2018年7—9月，在前期研究基础上，在现场布局抽沙船、配置管路与动力设备。2018年10—11月属于试运行阶段，对所构建的长距离输沙淤筑村台系统进行了率定与调试。2018年12月至2019年5月为正常运用期，该期间淤筑村台工程良好的运行情景说明所选择的管径和输沙浓度是合适的，而且明显提高了工作效率，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、含沙量等大量实测资料均与前期理论计算结果颇为接近，只是随着黄河来沙和落沙的变化，会出现供浆过量或泥浆供应不足的情况，需要根据施工段水沙变化等具体情况进行船位调整[26]，使抽沙环节实际运行状况同设计情况接近，保证了淤筑村台的工作效率和计划进度，还能够节约大量人力物力与土地。由此表明，本文理论计算方法简便且能够满足工程应用需求，为黄河下游淤筑村台等工程所采用的管道输沙能力设计提供了技术支撑。

6 结 论

结合黄河下游滩区淤筑村台工程，构建高浓度长距离输沙通道，能够通过合理的设备布局从河道内大量抽沙，降低河床高程，提高河道行洪能力，是开展多技术高效泥沙处置示范工程的理想选择。本文基于张红武的水力学及河流动力学理论体系，建立不同管径下临界流速、含沙量、阻力系数和扬程等输沙特性参数之间的关系，发现各参数间存在相互影响的规律，且粒径级配对管道输沙参数有一定影响，较粗颗粒泥沙的输送需要更大的流速、流量和电机功率;提出了简捷可行的黄河长距离精准高效的管道高浓度输沙淤滩技术参数的计算方法，可针对淤筑村台以及淤填堤河等滩区治理工程中关键技术参数进行计算。

根据上述理论计算，课题组针对黄河滩区村台淤筑工程输送设备布局，确定了输沙管径、不淤浓度、抽沙船位与泥浆泵功率，合理确定了加力站位置，有效保证了示范工程有序实施，并降低了成本。现场实测资料和运行情景均与前期计算结果颇为接近，从而在理论和实践上都表明，对于黄河床沙中的粗沙，能够实现长距离精准高效的管道高浓度输沙淤滩目标，也为改善宽滩河流形态的工程措施提供了可靠技术。

参考文献：

[1] 黄河勘测规划设计有限公司.东明黄河滩区村台初步设计报告[R].郑州：黄河勘测规划设计有限公司，2016：1-132.

[2] LI L Q， ZHANG H W. Multi-Objective Optimal Allocation of Sediment Resources Under Multiple Uncertainties[J]. Journal of Cleaner Production， 2020，287：35-42.

[3] 倪晋仁，王光谦，张红武.固液两相流基本理论及其最新应用[M].北京：科学出版社，1991：6-10.

[4] 张红武，李振山，安催花，等.黄河下游河道与滩区治理研究的趋势与进展[J].人民黄河，2016，38（12）：1-10.

[5] 费祥俊.固体管道水力输送摩阻损失的预测[J].水利学报，1986，17（12）：20-29.