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卵石地层中泥水盾构管道出渣影响因素研究

摘 要:为了解决泥水环流系统排渣困难,避免出现排渣口卵石滞排以及环流系统泵供能不足的现象,研究了渣土在泥浆管路中的堆积量和水力坡降变化规律。通过离散元法构建排浆水平管段石渣输送数值模型,研究泥浆流量、泥浆相对密度、石渣质量流率对石渣堆积量、泥浆管路水力坡降的影响。结果表明: 现有施工参数下大于 20 mm 粒径的石渣主要在水平直管底部做推移运动; 泥浆流量的增大能够明显减少管路系统中的石渣堆积量,且能够大大削弱泥浆相对密度和质量流率对石渣堆积量的影响,管路水力坡降呈先减小后增大的趋势,在流量为 763.41 m3 / h 时取得最小值; 石渣堆积量随泥浆相对密度的增大呈下降趋势,管路水力坡降呈增大趋势;石渣质量流率的增大会增大管路中的石渣堆积量和管路的水力坡降。
1 引 言
  目前泥水盾构被广泛应用于我国地下空间工程以及隧道施工工程中。我国地缘辽阔,盾构机在地下掘进过程中会面临多种复杂地层,在兰州穿黄工程中就遇到卵石地层,掘进过程中主要遇到两方面问题:
  ①盾构机开挖系统出现刀具过量磨损甚至刀盘面板异常磨损现象;
  ②盾构机环流系统排渣困难,在排渣口容易出现卵石滞排现象,石渣粒径和数量的增大造成环流系统泵供能不足的现象。环流系统作为盾构机的排渣系统,其工作的稳定性对盾构机高效掘进和安全施工具有重要意义。
  目前国内外学者针对管道内固体颗粒输送方面开展了大量研究。F.Ravelet 等通过试验得到颗粒尺寸与密度对颗粒形成固定床或分散流的影响,并对经验公式进行了修正。王少勇等通过试验研究不同水力参数对管道压力损失的影响,确定了不同水力参数与压力损失间的函数关系。Edelin 等从能量的角度研究了聚丙烯颗粒在清水中输送的最佳浓度。周知进等研究颗粒组分特性与输送速度之间的关系,得到颗粒体积分数。曹斌等通过高速摄影仪研究不同水力参数下粗颗粒水力学特性。随着计算机的发展,数值模拟方法被越来越广泛地应用到管道输送研究中,相比试验手段,其具有研究周期短、投入成本低等优势。夏毅敏等研究了石渣形状系数、等容粒径和数量对石渣起动速度的影响,以及盾构机操作参数对环流系统压力损失和石渣输送速度的影响。杨端等研究了泥水盾构环流系统水平直管中渣土输送特性。Gopaliya 等利用两相流理论构建了铁矿填充料浆和沙浆的固体流动模型,分析了铁矿填充料浆和沙浆在水平管内的流动状态。Jiang 等采用欧拉多相流模型研究流速和平均固体体积分数对氮浆流动特性的影响。
  上述研究的管道输送介质多为清水,其浆液流变特性与泥水盾构环流系统中泥浆有较大区别,且固体颗粒多为小粒径细砂,因而所得研究成果难以适用于泥水盾构泥浆管道的石渣输送。本研究以兰州某穿黄工程为例,其施工地层分为人工填土层、第四系全新统冲积地层、第四系下更新统冲积地层和第三系中新统泥岩夹砂岩层,施工地层中卵石含量高达 81.95%,粒径大于 10 mm 以 及 小 于 40 mm 的卵石含量约占64.53%,粒径大于 200 mm 的漂石含量较少。笔者基于固-液两相流运动理论,考虑泥浆流变特性,建立排浆水平管段的石渣运动模型,研究了泥浆输送速度、泥浆相对密度、石渣质量流率对石渣堆积量、泥浆管道输送阻力的影响。
2 水平直管石渣输送模型
2.1 泥浆模型
  泥浆流动过程中遵循质量和动量守恒定律,不考虑泥浆和石渣间的热传递与相变特性,其连续性方程和动量方程如下:
  式中:ρf 为泥浆密度;t 为时间; u 为泥浆流速;g 为重力加速度; 为那勃勒算子; p 为泥浆压力梯度力;τ 为泥浆黏性力。
  针对兰州某穿黄工程现场泥浆进行流变试验,通过六旋转黏度计测得剪切应力 τ 和剪切速率 γ 呈线性变化。各转速下泥浆的剪切应力与剪切速率见表 1。
  拟合得到的流变线如图 1 所示,可知现有施工使用的泥浆具有一定的塑性,其塑性应力为 3.98 Pa,是宾汉塑性流体。
2.2 石渣运动模型
  石渣在输送过程中受到石渣重力、石渣-石渣、石渣-管壁之间的接触力和石渣-泥浆相互作用力,其运动模型如下:
  式中:mp 为卵石质量; ρp 为卵石密度; up 为颗粒速度;Fpc,i 为颗粒与颗粒间外表面接触力; kc 为每个颗粒外表面接触数目;Fpf,i 为石渣与泥浆之间的作用力; IP 为石渣转动惯量;ωp 为石渣角速度;Tpt,c 为石渣间的扭矩。
2.3 几何模型和边界条件设置
  该隧道工程石渣粒径主要在 10 ~ 40 mm范围,平均石渣粒径为 20 mm。石渣密度为2 500~ 2 800 kg /m3,为便于分析,设定石渣密度为2 700 kg /m3。管道模型如图 2 所示,水平管道长 L = 5 m,直径 D 为 300 mm,石渣设置以一定质量流率从管道入口进入,质量流率即为每秒输送的石渣质量。仿真边界条件采用速度进口、总压出口边界条件及壁面无滑移边界条件,湍流模型选用 Standard k - ε 流场模型,采用 SIMPLE 算法求解速度、压力耦合方程。
3 结果及分析
3.1 颗粒流态与流场分析
  由于石渣粒径较大,因此大部分石渣无法在泥浆浮力和湍流作用下克服重力以悬浮状态进行移动。石渣以一定速度进入,泥浆与石渣发生动能交换,推动石渣向前运动。石渣群开始做加速运动,石渣群的运动轨迹类似抛物线,总体趋势呈现顺泥浆流动方向与重力方向运动。石渣颗粒从悬移运动状态变成完全推移运动状态移动的距离称为沉降距离。由图 3 可知,沉降距离随泥浆流量 Q 的增大而增大,当石渣开始做推移运动时,大量石渣与管壁接触,受到管壁摩擦阻力影响,石渣群整体运动速度开始降低。由于入口石渣颗粒的质量流率一定,且管道足够长,颗粒群在达到沉降距离之前的整体运动速度是高于达到沉降距离之后的,因此石渣在管道底部会发生一定堆积,且泥浆流量越大,堆积量越少。越靠近管道底部的石渣受到泥浆流动的影响越小,造成石渣的速度分布不均匀,如图 4所示。管道底部石渣的运动速度较低,呈推移运动; 堆积层上部区域石渣运动速度高,呈翻滚式跳跃运动。石渣堆积也造成泥浆流速分布不均,堆积层较厚的地方流速高,堆积层较薄的地方流速低,如图 5 所示。 
3.2 泥浆流量的影响
  定义泥浆密度与清水密度的比值为泥浆相对密度 s,图 6 为不同泥浆相对密度下石渣的堆积量随泥浆流量增大的变化曲线。可知,当泥浆相对密度一定时,石渣堆积量随泥浆流量的增大呈下降趋势。
  泥浆流量对石渣堆积量影响明显,当泥浆流量为508.94 m3 / h、浆液相对密度为 1. 1 时,石渣堆积量为114.8 kg,石渣体积为管道总体积的 12%; 排浆管的泥浆流量增大至 763.41 m3 / h 时,石渣的堆积量急剧减小,系统残留的石渣质量仅为 37.06 kg; 进一步增大浆液流量后,石渣堆积量降幅变得平缓。
  由图 7 可知,当泥浆相对密度、石渣质量流率一定时,水力坡降随泥浆流量的增大呈先降低后增大的趋势,水力坡降均在泥浆流量为 763.41 m3 / h 时取得最小值。当泥浆流量超过 763.41 m3 / h 后不同泥浆相对密度下水力坡降增幅几乎相等。这是由于流量超过763.41 m3 / h 后,浆液流速成为了管道水力坡降的主要影响因素,此时石渣相对密度对管道水力坡降的影响程度会被削弱,因此在大流量工况下石渣相对密度的增大对管道水力坡降的影响变得不明显。
3.3 泥浆相对密度的影响
  图 8 为不同泥浆流量下石渣堆积量随浆液相对密度变化的规律。 由图 8 可知,当泥浆流量为508.94 m3 / h时,管道石渣堆积量随泥浆相对密度的增大呈衰减趋势。随着泥浆流量的增大,泥浆相对密度对石渣堆积量的影响减弱。
  图 9 为不同泥浆相对密度下水力坡降随泥浆流量变化规律。由图 9 可知,当泥浆流量为 508. 94 m3 / h时,水力坡降随泥浆相对密度的增大呈下降趋势,当流量大于 763.41 m3 / h 时,水力坡降随泥浆相对密度的增大呈增长趋势,且涨幅随着泥浆流量的增大呈增大趋势。
3.4 石渣质量流率的影响
  不同泥浆流量下石渣堆积量随石渣质量流率变化规律见图 10。由图 10 可知,当泥浆流量一定时,石渣堆积量随石渣质量流率的增大呈增大趋势,增长率随泥浆流量的增大而减小。当流量为 508. 94 m3 / h 时,石渣质量流率对石渣堆积量影响较大,随着泥浆流量的增大,石渣质量流率对石渣堆积量的影响越来越小。当石渣质量流率从 13 kg / s 增大到 26 kg / s,泥浆流量为 763.41、1 017.88、1 272.35 m3 / h 时对应的石渣堆积量分别增加了 11.45、7.14、4.60 kg。
  不同流量下水力坡降随石渣质量流率变化的规律见图 11。当泥浆流量为 508.94 m3 / h,石渣的质量流率分别为 13.36、17.81、22.26、24.49、26.71 kg / s 时,水平管道水力坡降分别为 0. 231、0.348、0. 435、0. 448、0.490,水力坡降随质量流率的增大呈幂函数增大; 而当泥浆流量为 763. 41、1 017. 88、1 272.35 m3 / h时,水力坡降随石渣质量流率的增大近似呈线性增大趋势,且斜率近乎相等。
4 结 语
  以兰州某穿黄河工程为例,基于固-液两相流理论,考虑泥浆流变特性,建立排浆水平管段卵石运动模型,通过有限体积法和离散单元法研究了泥浆流量、泥浆相对密度、石渣质量流率对石渣堆积量、泥浆管道输送阻力的影响,得到如下结论:
  ( 1) 当管路泥浆流量为 508.94 ~ 1 272.35 m3 / h,泥浆相对密度为 1.10~ 1.30,质量流率为 13.36 ~ 26.71 kg / s时,大于 20 mm 粒径的石渣以底部推移运动为主。
  ( 2) 泥浆流量的增大能大大降低环流系统中石渣的堆积量,随着流量的增大环流系统水力坡降呈先减小后增大趋势,在泥浆流量为 763.41 m3 / h 时取得最小值。
  ( 3) 泥浆相对密度的增大会减少环流系统中石渣的堆积量,当浆液流量大于 763.41 m3 / h 时,该作用会被明显削弱。当泥浆流量为 508. 94 m3 / h 时,水力坡降随泥浆相对密度的增大呈减小趋势,而当泥浆流量大于 763.41 m3 / h 时,水力坡降随泥浆相对密度的增大呈增长趋势。
  ( 4) 浆液流量较低时,石渣质量流率的增大会明显增大环流系统中石渣的堆积量,随着浆液流量的增大该作用会被削弱。水力坡降随着石渣质量流率的提升呈近似线性增长趋势。
现有研究中石渣粒径单一且为球形颗粒,可以进一步对非球形石渣和不同粒径石渣展开研究,另外本研究管道局限于水平直管,可以进一步对复杂管路结构进行探究。
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