浑水管道输水灌溉的临界不淤流速研究.pdf

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1、水利学报2013年3月SHUILlXUEBA0第44卷第3期文章编号：0559—9350(2013)03—0373—05浑水管道输水灌溉的临界不淤流速研究何武全2，蔡明科1，张英普，张晨笛(1．西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100；2．旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌712100)摘要：本文基于水流挟沙理论和悬移质泥沙悬浮效率系数研究基础，建立了浑水管道输水临界不淤流速计算公式，通过6组不同含沙量和4种规格管径的临界不淤流速试验结果，分析了不同含沙量、管径、泥沙粒径和密度等因素对临界不淤流速的影响，利用试验数

2、据确定了泥沙悬浮效率系数计算方法，并对临界不淤流速计算公式进行了验证，结果表明计算公式具有较高的精度，计算值与实测值的最大相对误差为2．96％，能够满足管道输水灌溉工程的应用要求。关键词：浑水；管道输水灌溉；临界不淤流速；泥沙悬浮效率系数；计算方法中图分类号：$274．2；TV146文献标识码：AI研究背景临界不淤流速是浑水(多泥沙水源)管道输水灌溉工程规划、设计及建设中的一个重要参数，过去多借用有关固体颗粒管道输送的临界流速公式进行计算，如杜兰德(Durand)、B．C克诺罗兹等公式。刘忠潮提出浑水管道输水灌溉工程设计中可以采用r．M．

3、久利柯夫关于管道输送的临界流速计算公式，但该公式只适用于含沙量小于10kg／m和泥沙粒径在0．25—0．50mm之间的情况；周维博等在宝鸡峡灌区管道输水灌溉工程试验中，采用B．c．克诺罗兹公式计算确定管道临界不淤流速；张英普等利用管道试验资料，参考舒克(Shook)和杜兰德(Durand)公式，通过回归分析得出管道临界不淤流速经验公式。但是，浑水管道输水灌溉中，一般泥沙含量相对较小，且细颗粒含量多，与固体颗粒管道输送的情况差异较大，其计算公式的适用性和可靠性差，计算误差也较大，因而有必要对浑水管道输水灌溉的临界不淤流速进行系统的研究。泥沙

4、悬浮系数es是泥沙悬浮功与单位时间挟沙水流提供的紊动能量的比值。早在20世纪60年代，Bagnold根据推移质颗粒与床沙颗粒跃移的力学分析，推导得出推移质运动效率系数表达式，同时提出了悬移质运动效率系数的概念，但没有进行必要的理论分析。钱宁等引进了水流有效功率系数E．(即悬浮功与有效势能比值)，通过大量室内外实测资料，建立了有效功率系数与卡门常数，c的关系。舒安平根据悬移质运动效率系数等泥沙悬浮能耗的概念建立了水流挟沙能力统一结构式公式。舒安平根据两相挟沙水流紊动能量平衡方程，在二维、恒定、均匀及充分紊动的流态条件下，经过必要的推导和简化

5、，得出悬移质运动效率系数理论表达式。但上述研究的对象主要是天然河流的挟沙能力，很少涉及浑水管道输水临界不淤流速。本文以水流挟沙理论和悬移质泥沙悬浮效率系数研究成果为基础，采用理论分析和试验相结合的方法，提出了一种适用于浑水管道输水灌溉的临界不淤流速计算公式。收稿日期：2012—03—02基金项目：国家“十一五”科技支撑计划课题(2006BAD11B03)；国家“十二五”农村领域科技计划课题(2011BAD25B04)作者简介：何武全(1967一)，男，陕西合阳人，副教授，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail：hewuquan196

6、7@sina．com·-——373·——2临界不淤流速计算公式的建立根据水流挟沙理论，浑水管道输水时，泥沙颗粒维持运动需要克服重力下沉而作功(称为悬浮功)，对于以悬移质运动为主的紊动挟沙水流，泥沙悬浮功来自于挟沙水流的紊动能量，二者的比值为泥沙悬浮效率系数⋯，其表达式为e=E／E(1)式中：e。为泥沙悬浮效率系数；E、E分别为泥沙悬浮功和紊动能量，kN／(m·s)。泥沙悬浮效率系数沿水深方向是变化的，对于无推移质的含泥沙水流，可将泥沙悬浮功与单位时间紊动能分别沿水深方向积分，得到水平方向平均值，即E=‘(一)stody=(y一y)s(2)

7、O_=udw(3)，v式中：h为水深，m；y、7分别为泥沙和挟沙水流的容重，kN／m；s为体积含沙量；∞为在含沙量为，中的泥沙颗粒沉速，m／s；劝水流总切应力，MPa；U为垂线平均流速，m／s；L为水力坡降。由式(1)一式(3)可得到整体平均意义下的泥沙悬浮效率系数表达式e：—■丁一(q4)，水力坡降表示管道挟沙水流各断面总水头的沿程变化率，可表达为_，=U／2．o(5)式中：为挟沙水流阻力系数；g为重力加速度，m／s；D为管道内径，m。浑水管道输水灌溉工程中，一般含沙量比较小，泥沙颗粒沉速∞可以用式(6)计算。O)-(．O。(1一so)

8、(6)式中：∞为同一粒径泥沙在清水中的沉速，m／s。RiehardsonJF和ZukiWNn从量纲分析的角度出发论证得出颗粒沉速与含沙浓度的关系式，并通过大量试验资料确定了关系式中系数的取值范