長距離泥漿輸送管道粗糙系數(shù)現(xiàn)場檢測

馮 鷹,戚衛(wèi)斌

(浙江省疏浚工程有限公司,浙江 湖州 313000)

0 引 言

隨著水環(huán)境治理工作的深入開展,疏浚工程中長距離管道輸泥規(guī)模日益擴大,輸泥距離越來越長.疏浚施工企業(yè)在進行工程施工規(guī)劃與作業(yè)實施過程中發(fā)現(xiàn),長距離管道輸送泥漿的經(jīng)濟性問題相當突出,一個加壓站的投資100余萬元,多設一個與少設一個加壓站,直接與施工企業(yè)的經(jīng)濟效益聯(lián)系在一起,與業(yè)主的投資效益也密切相關.科學地解決這個問題牽涉到一個很重要的參數(shù),即輸送泥漿管道粗糙系數(shù).根據(jù)以往某些文獻中提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)與工程實際使用中發(fā)生的情況相比較,存在較明顯的差異.實際工程中采用這些或然性較大的粗糙系數(shù)進行計算的結果供決策,將對工程效益產(chǎn)生影響.為此,有必要對在實際工程中發(fā)生的管道粗糙系數(shù)進行現(xiàn)場檢測,得出比較符合實際工程的粗糙系數(shù),從而提高在管道輸送系統(tǒng)施工規(guī)劃中的決策科學性,提高工程經(jīng)濟效益.

1 被檢測工程應具備的基本條件

管道輸送泥漿的現(xiàn)場檢測技術性很強,檢測結果必須對工程實際具有意義,為此,選擇被檢測工程非常重要.對選擇不當?shù)墓こ踢M行檢測,由于太多客觀因素的影響,檢測結果將會提供不當甚至錯誤的數(shù)據(jù),從而誤導決策,造成不應有的工程經(jīng)濟損失.在選擇檢測長距離輸送泥漿檢測工程對象時,應當注意具備以下基本條件：

①輸送泥漿管道鋪設長度宜在以上;

②輸送泥漿管道長度及相應管道材料性質(zhì)的書面資料齊全;

③輸送泥漿管道敷設的平面布置及沿線地形剖面圖完整;

④挖泥船泥漿泵及各加壓泵站的各種記錄儀表運用正常,讀數(shù)準確;

⑤現(xiàn)場所有施工設備及管道系統(tǒng)處于正常施工作業(yè)狀態(tài);

⑥疏浚底泥物料組成中無明顯城市垃圾及塊石和堅硬土料等.

2 現(xiàn)場檢測前的準備工作

檢測工程選定后,進入現(xiàn)場檢測前須做好以下準備工作：

(1)疏浚施工挖泥船及各加壓泵站泥泵特性資料收集

檢測工程施工作業(yè)的各泥漿泵特性資料收集齊全,包括泥漿泵軸功率和效率曲線;轉(zhuǎn)速特性曲線等.

(2)疏浚施工挖泥船及各加壓泵站檢測儀表的檢查

檢測前應對各個泥漿泵設備的檢測儀表作一次檢查,并做好記錄.挖泥船和各加壓泵站泥漿泵的進出口壓力表、流速表、泥漿濃度表均應處于正常運用狀態(tài).

(3)檢測管道系統(tǒng)施工作業(yè)的正常運行情況檢查

進入現(xiàn)場檢測前,必須是整個管道系統(tǒng)處于正常連續(xù)作業(yè)狀態(tài),不能在檢修或間息停頓狀態(tài)進行檢測.

3 現(xiàn)場檢測

現(xiàn)場檢測準備工作完成后,即可進現(xiàn)場進行檢測.

檢測記錄一般宜在挖泥船進行,其他加壓站讀數(shù)則通過步話機同時報讀數(shù)據(jù).每隔5～6 min讀數(shù)一次,總數(shù)據(jù)不少于30組.

在讀取管道系統(tǒng)壓力和流速數(shù)據(jù)的同時,應在輸泥漿管道出口采取若干疏浚泥漿的檢測樣品,送到實驗室進行泥漿容重測定.泥漿樣品應不能少于3個,宜取3～5個.取樣容器可用相同的塑料瓶替代.

在疏浚水域尚應根據(jù)疏浚底泥土的特性,采取若干疏浚底泥土的樣本,送到試驗室得出容重特性.疏浚土樣本不應少于3～5個.由于疏浚作業(yè)面一般均相當寬大,取土范圍應該分開幾個代表性的地方取樣,不宜集中在一個地方取樣.

4 泥漿輸送管道粗糙系數(shù)的現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)處理

4.1 檢測數(shù)據(jù)系列可靠性分析

對取得的檢測數(shù)據(jù)系列應先進行可靠性分析.根據(jù)理論與實際工程經(jīng)驗判斷,數(shù)據(jù)系列反映的情況是否存在嚴重偏離正常情況的現(xiàn)象,即具有比較好的數(shù)值關系穩(wěn)定性.數(shù)據(jù)偏離的原因可能是表計的偶然抖動使讀數(shù)不準;或者表計偶然失靈;或者讀數(shù)方法不當?shù)?如果嚴重偏離正常數(shù)據(jù)多達6～8個以上,一般認為該數(shù)據(jù)系列的穩(wěn)定性差,應考慮作不可靠處理,重新檢測.如果異常數(shù)據(jù)在5個以內(nèi),其他數(shù)據(jù)均比較穩(wěn)定,可以將異常數(shù)據(jù)踢除處理.

4.2 數(shù)據(jù)系列合理性分析與處理

對取得的檢測數(shù)據(jù)系列可靠性分析后,應對監(jiān)測數(shù)據(jù)系列進行合理性分析與處理.分析主要針對以下幾個方面.

(1)數(shù)據(jù)系列的合理性分析處理

合理的管道流速與壓力關系應該具有較好正比關系的穩(wěn)定性,即高壓力對應高流速.但由于讀數(shù)時間與實際工況發(fā)生時間存在差異及計量表計表針的抖動和施工現(xiàn)場其他多方面因素的影響,這種數(shù)據(jù)系列反映的關系會具有一定的離散性,高壓力不一定對應高流速.而這種離散性與工程客觀實際現(xiàn)象相背離,因此,作為進行理論計算的依據(jù),檢測數(shù)據(jù)系列取得后,必須對這種離散性進行糾正處理.處理按照數(shù)據(jù)系列中的高壓力對應高流速,低壓力對應低流速的原則.

設系列最高壓力為Pmax,系列最大流速為Vmax;系列最低壓力為Pmin,系列最小流速為Vmin,則有：

或者：

式中：

K、K′— 數(shù)據(jù)系列修正曲線斜率,即：

式(1)、(2)、(3)、(4)即是修正數(shù)據(jù)系列的處理公式,只要將相應的流速V或者P代入,即可得出修正后的壓力或者流速值,得出處理后的數(shù)據(jù)系列.

(2)數(shù)據(jù)系列確認

在經(jīng)過以上數(shù)據(jù)處理后,對照工程實際情況一般應于確認合理.

4.3 管道粗糙系數(shù)的數(shù)據(jù)系列計算

檢測數(shù)據(jù)系列經(jīng)過合理性分析處理后,即可進行管道粗糙系數(shù)的數(shù)據(jù)系列計算.計算按謝才經(jīng)驗公式進行,謝才系數(shù)按曼寧公式計算,從而得到管道粗糙系數(shù)的計算公式[1-2]為：

式中：

n—管道粗糙系數(shù);

H—計算管道中的輸泥漿壓力損失,m;

C—泥漿容重對水容重的比值;

Vm—計算管道中的泥漿流速,m/s;

R—計算管道水力半徑,m;

L—計算管道長度,m.

對現(xiàn)場得到的檢測數(shù)據(jù)系列經(jīng)過分析處理后,即可按式(5)進行粗糙系數(shù)的數(shù)據(jù)系列計算,得出粗糙系數(shù)數(shù)據(jù)系列.

4.4 管道粗糙系數(shù)的數(shù)據(jù)系列統(tǒng)計推斷

對計算得到的粗糙系數(shù)數(shù)據(jù)系列不需要進行可靠性分析與合理性分析,直接進行數(shù)據(jù)處理即可.

粗糙系數(shù)數(shù)據(jù)系列的流速數(shù)據(jù)與壓力損失數(shù)據(jù)屬于隨機抽取的隨機變量值,其在時間與空間上的分布沒有預設邊界條件,其每一對數(shù)據(jù)的出現(xiàn)具有偶然性與滿足總體規(guī)律的必然性,從而認為其數(shù)據(jù)的分布符合正太分布規(guī)律,可以采用統(tǒng)計推斷分析方法：

(1)點估計

推求粗糙系數(shù)數(shù)據(jù)系列點估計量的方法采用矩法[3],其子樣的1階矩為母體的數(shù)學期望;子樣的二階矩為母體的方差.

設取得的粗糙系數(shù)系列值個數(shù)共n個,根據(jù)點估計,用子樣系列均值作為母體數(shù)學期望的估計值：

子樣系列的方差值作為母體方差的估計值：

(2)置信區(qū)間估計

根據(jù)統(tǒng)計程序計算得出該子樣的總體方差為：

置信區(qū)間估計采用u估計.由給出的樣本系列計算均方差為：

規(guī)定置信度為1-α=0.95,查正態(tài)分布表α/2=0.025,得到：

u=±1.96

總體方差σ2為已知,置信區(qū)間計算按式[10]進行：

根據(jù)已知粗糙系數(shù)數(shù)據(jù)系列的均值ˉX和總體方差σ2及樣本系列觀測值個數(shù),即可計算求得粗糙系數(shù)數(shù)據(jù)系列置信區(qū)間為：

(X1,X2)

即：該輸泥漿管道的粗糙系數(shù)為(X1,X2)的可信度為95%.

4.5 現(xiàn)場檢測管道粗糙系數(shù)數(shù)據(jù)計算結果處理

通過對以上計算數(shù)據(jù)處理后可以得出結果,見表1.

表1 長距離輸泥漿管道粗糙系數(shù)現(xiàn)場檢測分析結果匯總表

針對以上數(shù)據(jù)處理可以看出,數(shù)據(jù)系列的均值、眾數(shù)、數(shù)學期望值是否均在置信區(qū)間內(nèi),若在置信區(qū)間內(nèi),其出現(xiàn)的幾率為95%.

對以上數(shù)據(jù)計算的3個數(shù)值,認為出現(xiàn)機會比較多的是眾數(shù),數(shù)學期望與均值是總體平均概念,為此,對以上3個數(shù)據(jù)作進一步處理時,應視工程實際情況進行,例如按以下比例計算總的粗糙系數(shù)值是方法之一：

眾數(shù)：按40%計;

均值：按30%計;

數(shù)學期望值：按30%計.

鑒于鋼管道粗糙系數(shù)在使用過程中存在很多或然因素影響,故在實際使用過程中建議如下.

(1)對于舊鋼質(zhì)管道,管壁比較光滑,建議采用較小值處理;對于新鋼質(zhì)管道,建議采用較大值處理.整個管道系統(tǒng)的平均粗糙系數(shù),可用相應加權平均法求得.

(2)橡膠管道的粗糙系數(shù)根據(jù)廠家提供資料使用,若無廠家資料,可取0.015～0.016使用.

(3)對于采用PE管道,其管道粗糙系數(shù)按照廠家提供的粗糙系數(shù)數(shù)值.

5 工程實例

某疏浚河道共長約5.9 km.整個工程疏?？偣こ塘考s33.0×104 m3,通過長11.0 km的管道送至兩個棄土場,采用一船三泵.

該施工地區(qū)上層土質(zhì)為黑色淤泥,內(nèi)含有機質(zhì).下層為黃遏色黏土,質(zhì)地較硬.經(jīng)分析,該管道系統(tǒng)比較符合現(xiàn)場檢測條件.

該工程管道系統(tǒng)采用潛管和岸管兩種管道敷設形式,管道總長度為11 096 m,其中：橡膠管：Lx=526.80 m;PE管道：LPE=250 m;鋼管：Lg=10 319.20 m.

檢測時挖泥船所在位置河道水位：3.50 m,管道出口高程16.00 m,故管道輸泥漿時地理揚程：12.50 m.

5.1 疏浚設備基本資料

(1)挖泥船

柴油機功率：485 kW

泥漿泵軸功率：390 kW

(2)1號加壓泵站

型號：750泥漿泵

柴油機功率：465 kW

泥漿泵軸功率：390 kW

5.2 現(xiàn)場檢測記錄及分析處理

該工程現(xiàn)場檢測取得各泥漿泵進出口壓力和流速共120組計360個數(shù)據(jù),限于篇幅,現(xiàn)列出其中挖泥船～1號加壓站經(jīng)過可靠性與合理性分析后的數(shù)據(jù),見表2.

表2 某河道挖泥船現(xiàn)場檢測記錄

挖泥船—1號泵站管長：L=1 300 m,其中鋼管Lg=1 040 m;橡膠管Lx=260 m;

局部損失系數(shù)：?x=5.478.

5.3 數(shù)據(jù)系列統(tǒng)計推斷

根據(jù)表2中列出的該管段的總水力損失值,并由現(xiàn)場采集的泥漿樣品和疏浚底泥土樣試驗結果,按式(5)計算出粗糙系數(shù)列于表中(7)欄.針對表2中(7)欄的粗糙系數(shù)數(shù)據(jù)系列,按式(6)～(10)進行統(tǒng)計推斷得出結果,見表3.

表3 長距離輸泥漿管道粗糙系數(shù)現(xiàn)場檢測分析結果匯總表

5.4 鋼質(zhì)管道粗糙系數(shù)選定

根據(jù)對該河道1管段現(xiàn)場檢測結果進行統(tǒng)計推斷分析結果,管道系統(tǒng)粗糙系數(shù)均值0.010 8,眾數(shù)0.0098,置信區(qū)間(0.01036,0.011 24),其中眾數(shù)0.009 8不在置信區(qū)間內(nèi),說明該管段的實際粗糙系數(shù)值宜選擇小于0.010 8值較為合理,筆者認為選擇0.010 8與置信區(qū)間下限值0.0103 6的均值0.010 22較為合理.橡膠管道粗糙系數(shù)0.001 6,根據(jù)各自管道長度采用加權平均計算法,得出鋼管粗糙系數(shù)為0.009 5.

按照同樣的方法,對其他管段的檢測數(shù)據(jù)進行同樣的分析處理,也可得到各自的粗糙系數(shù)值,按照同樣的方法處理,同樣可以得到一個鋼管的粗糙系數(shù)值,供施工組織期間確定長距離泥漿輸送管道及加壓泵站布設的依據(jù).

根據(jù)實踐,對4個環(huán)保疏浚工程11段管道進行檢測的結果應用于實際施工規(guī)劃設計和施工實施證明,檢測得出的粗糙系數(shù)比較符合工程實際.在進行長距離輸送泥漿鋼管道的加壓站布設中,有了比較可靠的決策依據(jù),不再是僅憑感覺與經(jīng)驗判斷.

值得指出,本次檢測得出的鋼管道粗糙系數(shù)值0.009 5較一些資料與書本上提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)值0.011～0.013明顯偏小,分析原因是本次檢測工程中鋼管道輸送的泥漿中含有為數(shù)眾多的粗砂、碎石、塊石及其他硬質(zhì)垃圾等固體雜質(zhì),鋼管內(nèi)壁在很短的時間內(nèi)就被磨損得非常光滑,本次檢測讀數(shù)時段系疏浚施工正常時段,鋼管內(nèi)壁已經(jīng)磨損相當一段時間,從而使得檢測結果偏小,但該結果符合疏浚施工實際情況,應屬合理.

6 結論及建議

通過長距離泥漿輸送管道粗糙系數(shù)的現(xiàn)場檢測,得到了比較符合工程實際的鋼質(zhì)管道泥漿輸送時的粗糙系數(shù)值,避免了原來僅憑感覺與經(jīng)驗判斷的盲目性,提高了長距離泥漿輸送管道工程布置的科學性,尤其是加壓泵站的布設,對降低疏浚工程泥漿輸送成本及其正常穩(wěn)定運行有重要的現(xiàn)實意義,取得的粗糙系數(shù)檢測數(shù)據(jù)對類似工程也有一定的參考價值.但限于工程實際條件,上述泥漿輸送管道粗糙系數(shù)檢測方法還不夠嚴謹,取得的粗糙系數(shù)檢測數(shù)據(jù)也有一定局限性.對此,可考慮在今后的工作實踐中,待條件成熟時作進一步完善.

[1] 鄭文康,劉翰湘.水力學[M].北京：水利電力出版社,1991.

[2] 清華大學水利工程系教研組編.水力學[M].北京：人民教育出版社,1961.

[3] 汪樹玉,劉國華.系統(tǒng)分析[M].杭州：浙江大學出版社,2002.

[4] 孫清華,孫 昊.概率論與數(shù)理統(tǒng)計[M].武漢：華中科技大學出版社,2006.