泥水盾構(gòu)水平直管輸碴特性研究

徐 朝 輝

(蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

隨著我國(guó)城市地下空間工程和跨江越海隧道工程的不斷增長(zhǎng)，泥水盾構(gòu)施工技術(shù)得到越來(lái)越廣泛地應(yīng)用[1-3]。在卵石地層掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)排漿系統(tǒng)中的石碴含量會(huì)大大增加，對(duì)環(huán)流系統(tǒng)輸送能力提出了較高的要求。因此掌握泥水盾構(gòu)泥漿管道內(nèi)石碴輸送規(guī)律，是保證泥水盾構(gòu)高效、安全施工的關(guān)鍵。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)管路輸送系統(tǒng)開(kāi)展了大量相關(guān)研究。在實(shí)驗(yàn)方面，F(xiàn).Ravelet等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到管道中顆粒尺寸與密度對(duì)顆粒形成固定床或分散流具有重大影響；王少勇等[5]通過(guò)管道循環(huán)系統(tǒng)，研究不同參數(shù)對(duì)管道壓力損失的影響；Edelin等[6]從輸送能量的角度，研究了聚丙烯顆粒在清水中輸送的最佳濃度；周知進(jìn)等[7]研究顆粒組分特性與輸送速度之間關(guān)系，得到顆粒級(jí)配對(duì)輸送速度的影響規(guī)律；曹斌等[8]通過(guò)高速攝影技術(shù)研究不同輸入?yún)?shù)下粗顆粒的水力學(xué)特性。在數(shù)值模擬方面，吳迪等[9]和Gopaliya等[10]利用兩相流理論構(gòu)建了鐵礦填充料漿和沙漿的流動(dòng)模型；陶賀等[11]采用多元顆粒模型研究了顆粒物性對(duì)流型、空隙率分布以及顆粒分離的影響；Jiang等[12]采用雙流體模型研究流速和固體體積分?jǐn)?shù)對(duì)漿液流動(dòng)特性的影響；Tian等[13]建立冰漿流動(dòng)模型，分析了流動(dòng)參數(shù)對(duì)運(yùn)輸安全性的影響，確定理想冰粒直徑。

以上研究的流體介質(zhì)多為清水，其流變特性與泥水盾構(gòu)所用泥漿有較大區(qū)別，且固體顆粒多為小粒徑細(xì)沙，因而所得研究成果難以適用于泥水盾構(gòu)泥漿管道的石碴輸送。本文基于固—液兩相流理論，考慮泥漿流變特性，建立排漿系統(tǒng)中水平管段石碴運(yùn)動(dòng)模型，研究入口流速、顆粒濃度、漿液密度、石碴密度對(duì)石碴運(yùn)動(dòng)速度和排碴量的影響規(guī)律。

2 水平排漿管道內(nèi)泥漿和石碴運(yùn)動(dòng)模型

2.1 泥漿流動(dòng)模型

泥漿在管道中的流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律，因不考慮泥漿和石碴之間的熱傳遞與相變，故不考慮能量守恒方程，其連續(xù)性方程和動(dòng)量方程如式(1)，式(2)所示：

(1)

(2)

其中，ρ為液體密度；t為時(shí)間；u為液體流速；g為重力加速度；ρf為顆粒體積力；▽p為壓力梯度力；▽?duì)訛闈{液粘性力。

泥漿在輸送管道內(nèi)的流動(dòng)為湍流運(yùn)動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)k—ε模型尤其適合工程湍流運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)的計(jì)算，具有適用范圍廣，經(jīng)濟(jì)、合理的精度，其控制方程如式(3)，式(4)所示：

(3)

(4)

其中,k，ε分別為湍流動(dòng)能和湍流耗散率；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；μt=ρCμk2/ε為湍流動(dòng)力粘性系數(shù)，模型常數(shù)C1ε，C2ε，σk，σε，Cμ的取值分別為：C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3，Cμ=0.09。

2.2 石碴運(yùn)動(dòng)模型

石碴在輸送管道中運(yùn)動(dòng)主要受到其他石碴、泥漿以及管道壁面的作用力。石碴與泥漿的作用力主要由浮力、繞流阻力和壓力梯度力組成，則運(yùn)動(dòng)方程如式(5)所示：

(5)

其中，mi，Up,i分別為石碴i的質(zhì)量、速度；Fc,ij為石碴i與石碴j之間的接觸力；Ff,i為石碴i與泥漿之間的作用力；Fb為浮力；FD為繞流阻力；FP為壓力梯度力。

2.3 幾何模型和邊界條件設(shè)置

以蘭州某穿黃隧道工程為研究背景，將石碴簡(jiǎn)化為粒徑為20 mm的球形顆粒，石碴的密度為2 700 kg/m3，泥漿的密度為1 200 kg/m3。構(gòu)建的管道模型如圖1所示，水平直管長(zhǎng)度為5 m，直徑為450 mm，邊界采用速度進(jìn)口，壓力出口，無(wú)滑移壁面，湍流模型選用Standardk—ε；采用Phase Coupled SIMPLE算法求解速度、壓力耦合方程。

3 泥水盾構(gòu)水平直管輸送規(guī)律

3.1 入口流速對(duì)排碴量的影響

為得到不同漿液流速Vi對(duì)水平直管輸碴特性的影響規(guī)律，取石碴粒徑ds=20 mm，泥漿漿液密度ρ=1 200 kg/m3，石碴密度ρ1=2 785 kg/m3，石碴體積濃度Cv=2%。分別取入口漿液流速Vi=2.5 m/s，3.0 m/s，3.5 m/s，4.0 m/s，得到石碴群平均運(yùn)動(dòng)速度如圖2所示。

3.2 石碴體積濃度對(duì)排碴量的影響

為研究石碴體積濃度Cv對(duì)水平直管輸碴特性的影響，設(shè)入口流速Vi=3.5 m/s，分別取石碴體積濃度Cv=2%，3%，4%，5%，其余條件與不同入口流速條件下一致，得到不同石碴體積濃度下石碴群平均運(yùn)動(dòng)速度變化曲線如圖4所示。

3.3 漿液密度對(duì)排碴量的影響

為研究漿液密度ρ對(duì)水平直管輸碴特性的影響，控制入口流速Vi=3.5 m/s，分別取管道漿液密度ρ=1 000 kg/m3，1 100 kg/m3，1 200 kg/m3，1 300 kg/m3，得到不同漿液密度下石碴群平均運(yùn)動(dòng)速度變化曲線如圖6所示。

3.4 石碴密度對(duì)排碴量的影響

為研究石碴密度ρ1對(duì)水平直管輸碴特性的影響，控制入口流速Vi=3.5 m/s，分別取石碴密度ρ1=2 500 kg/m3，2 785 kg/m3，3 100 kg/m3，3 400 kg/m3，得到不同石碴密度下石碴群平均運(yùn)動(dòng)速度變化曲線如圖8所示。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)基于固—液兩相流理論，考慮泥漿的流變特性，建立盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)排漿管水平管段石碴運(yùn)動(dòng)模型，研究入口流速、石碴體積濃度、漿液密度、石碴密度對(duì)石碴運(yùn)動(dòng)速度和排碴量的影響規(guī)律，得到的結(jié)論如下：

2)排碴量隨著入口流速Vi、顆粒濃度Cv、漿液密度ρ、顆粒比重ρ1的增加幾乎呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。對(duì)比上述因素對(duì)排碴量的影響大小，得到Cv>Vi>ρ1>ρ。石碴體積濃度Cv對(duì)排碴量的影響最大，入口排碴濃度的增大，單位時(shí)間排碴量在26 kg/s～69 kg/s，不同石碴體積濃度下排碴量的最大增幅為55.53%；漿液密度ρ對(duì)排碴量的影響最小，不同漿液密度ρ下排碴量的最大增幅僅為1.23%。