泥水盾构排浆系统输送大粒径卵石管道的压力损失

泥水盾构在砂卵石地层掘进时,排浆管道将输送大量大粒径卵石,导致浆体产生不稳定湍流,这给管道压力损失的确定带来了挑战。该研究设计了环流试验装置,以CMC透明黏性浆液为实验用泥浆,建立了基于计算流体动力学与离散单元法(CFDDEM)耦合的三维数值模型;以粒径为5~80 mm的卵石为对象,分析了卵石粒径级配、浆液流速、卵石体积分数以及管道倾角对管道沿程压力损失的影响规律。研究结果表明:同一卵石粒径级配、卵石体积分数与管道倾角下,管道沿程压力损失随浆液流速的增加大致呈指数函数规律增加;对于水平管道,不同卵石粒径级配下的管道沿程压力损失差别较小;在低浆液流速(v <2 m/s)下,管道沿程压力损失随卵石体积分数的增大呈线性规律增加,在较高浆液流速(v≥2.0 m/s)下,管道沿程压力损失随卵石体积分数的增大呈指数函数形式增加;对于倾斜及竖直管道,同一卵石粒径级配、卵石体积分数与浆液流速下,管道沿程压力损失随着管道倾斜角度的增大首先表现为缓慢增加,然后呈急剧增加,其转折点的管道倾角为60°。此外,在泥浆浮力以及湍流的作用下,大粒径的卵石难以克服自身重力达到完全悬浮的运动状态,因此,大粒径卵石主要沿管道下壁面运动,且在管道弯头处压力存在明显的分层现象。