摘 要 在水电工程混凝土坝中使用软管溜筒、负压溜槽向下输送混凝土日趋 广泛，尤其碾压混凝土更甚；但目前仍停留在工业性试验和少许工程实践的经 验上，在设计中对参数的确定尚在探索，使用效果无较大的把握；针对上述情 况，本文对混凝土在软管溜筒、负压溜槽中的运动作了理论上的分析，建立了 各参数间的数学关系并对载体设计和使用过程中的一些问题提出了作者的一些 看法关键词软管溜筒负压溜槽钢管溜筒散粒体许多水电站建设在高山峡谷中，混凝土生产系统布置在半山腰或山顶上，如将混凝十•运 到处于低处的坝体进行浇筑就产生了一个下行运输问题要克服几十米英至上百米的落养下 行运输，根据现场的具体条件可能有多种施T手段来实现，但采川依靠混凝十•木身的自重下 落的办法，往往是最简单、最经济的选择方案，尤其浇筑强度较大时更是如此混凝土靠自重的下行运输，目前国内外普遍采用的有溜槽、溜管、负圧溜槽、软管溜筒 等；其断面形状如图一，其中软管溜筒为垂岚布置，其余则为斜面布置刚性材料&）溜管 b）溜槽c）软管溜筒柔性材料刚性材料d）负压溜槽1为了保证混凝土的质最，必须限制混凝十•下行的终端速度其实质是将混凝十•下行过程 的部份动能转变为其他形式的能量。
最简单的办法是在混凝十•下行过程中以其自重与载体产 生磨擦力，阻尼了白己的下行速度，磨擦能则以热能形式发散出去；溜管、溜槽的斜面布置 则屈此种办法Z二是使混凝十•在软管中下行使其在软管内产生负压与软管外静止空气形成 压并，而使软管压缩管内下行的混凝土使其受阻；软管溜筒则属此种负压溜槽则两者兼Z. 对于混凝十•沿斜面的运动，实际上相当于重物沿斜面下滑，是一个简单的力学问题，在备理 论力学中多有论述但混凝土在软管中下行，则未见著文；木文的目的就是对这个问题做理 论上的探讨，并兼述对混凝土靠自重下行载体设计的一些看法1混凝土在软管中垂直下行的运动方程1.1混凝十•在软管中运动的假设条件1） 混凝土连续、密集的充满软管（但并非园形）；2） 混凝十.运动时带动管内气体同速运动，且气体是不可压缩的；3） 软管的刚度为零1. 2混凝十.在软管中运动产生的负压按假设条件：当混凝土在软管中下行时，同时带动管内气体同速运动；对不可压缩气流, 根据伯努利方程:p + ^pv2 = c 式中：C为常数，Pz为空气密度；如果等式前代表了软管内气流的的状态：P为静压 力，V为气流速度，那么C就代表了管外气体静止状态的压力；故等式前第二项为动压力 Pd :I /、pd=2p，v ⑴既是管内产生的负压，也是软管内外的压差，此压力从管外作用于软管上。
空气密度卩 与其重度y有如下关系：P，= Y，/g式中：g 重力加速度，仍取g=9. 8m/s2Y ——空气重度:在标准大气压下，水银柱高760mm,常温为15C时,干空气重度，Y = 1.2255kg/m；：代入式（1）得：| 2P厂石小亠豈（kg/宀 ⑵值得注意的是，（2）式是在特定条件下求得的，地理位置不同、气侯不同，g与丫的 值也不同，使用软管溜筒将出现差异1. 3作用于软管中混凝土的外力混凝土在软管中下行，作用于混凝土上的主动力为其自重，阻力为软管与混凝土的磨擦 力1.3.1混凝土自重G = vQt （3）式中：Y—混凝土的堆集重度（kg/m3）Q—混凝土的流量（生产率）（m/s）t—混凝土在软管内下行，从初速度⑴至速度v所用的时间（s）1.3.2软管对混凝土的摩阻力由式（2）软管作用于混凝土的压力：Pd=v2/16,故作用于混凝十.的线压力为：P，= 7T DPd = 7T Dv2 /16式中：D—软管直径（m） 作用于混凝土的总压力P：487T.D件)从Vo至V混凝土下行时总摩阻力:式中：fl—混凝土与软管的摩擦系数;令a=兀环48得:F，= a(y" - Vo)1.4混凝土在软管中的运动方程根据质点系的动量定理:质点系的动量对时间的导数等于作用于质点系上所有外力的矢 量和：_dK"F(5J由于是一维问题，得：dt J对于在管中运动的流体，有:dK ( — = pQ\y-v.(5”)代入式(5‘)，得:p.Q(v-v^ = G-F式中：Q—混凝十•的流量(生产率)(m7s)P 一混凝土的堆集密度，P = Y /g (kg. s7m3. in) 将式(3) (4)代入，并整理：(6J\ 3 pgQ t p.Q \V此方程的实数解为:+ 1A) + 0」+ J(A)+0・f) +1aP・Q若初速度Vo二0,贝OPo=0,方程成为:而运动方程为:2. 软管溜筒所受作用力计算软管溜筒在输送混凝土的过程中，在其悬挂端承受最大的作用力。
1）正常输送时：软管溜筒在以流量Q正常输送混凝土时的最大作用力：^Imax = F+Go式中：—软管溜筒作用于混凝土上总的摩阻力的反力（kg）Go—软管H重（kg）将式（4）代入，得:2）软管出口突然被堵塞时：软管溜筒出口端突然被骨料卡住，将使混凝土的下行动压力作用于堵塞物上，转而由软 管承受，故其最大作用力：F2max 二九+厂水-％）将式（8）代入：F2max = P-（?（v 一％） +声一诩）+ G（）计算上述作用力时，应注意的是：软管溜筒出口端被堵塞后，如果不停止供料，将使软 管内充满混凝土，其重量往往要远大于值3. 混凝土沿斜面下行的运动方程混凝十•沿斜面下行，按其阻力情况分为没有负压的钢管溜筒、不计盖带重量的负压溜槽 及计及盖带重量的负压溜槽3.1混凝土在钢管溜筒中下行的运动方稈混凝十•在钢管溜筒中下行的主动力（图2）：(10)(10z)(11)(ir)Geos (fi._ F=Gsin （p图2片=G.sin0式中：—钢管与水平面夹角混凝土在钢管溜筒中下行的阻力：F、— G. j 0 cos0式中：A—混凝十.与钢管的摩擦系数； 故作用于混凝土上所有外力的矢量和为： 厂时将式（3）代入式（10） （10）并代入式（5‘ ）,得：p Q（y -v0） = /.0（sin 0 _ 7*2 COS0）nJ/.V = 0g/ +"o式中：cp =s in（|）-f2cos（\）运动方程为：x=卜力=[/⑺力冷慫/ +3.2混凝十•在负压溜槽中下行的运动方程Z—（不计盖带重量） 混凝十•在负压溜槽中的运动，其受力情况如（图3）所示： 主动力F：同式（10） 阻力：由三部份组成:f=f；+f2+f3NvIF\——同式（10，）笃一一由于负压的作用，溜槽对混凝十-的摩阻力；与式（4）相似的关系式:a.}仃248式中：1-盖带沿垂直混凝土运动方向与混凝土的接触长（m） f%——由于负压的作用，盖带对混凝土的摩阻力；如前相似:a.2也48故作用于混凝土的外力为:F=G(sin(/)- f2 cos(/))- (aA +a.2)(v3 - v^)(12)将式（3）代入并整理：式中：〃=Q|+%=i[- 48代入式（5，） （5）并整理：3 p.Q(3 p.gQ pQ )=0(139此方程与式（6,）非常相似，其实数解为:1(0(;+0S + J(0(;+/r./)2 + i『若vo = O则:上面两式中：瓜2，1 L运动方程为：x= ( vclt -二打（讪+Q0o)仃4)(15z)(15)3. 3混凝土在负压溜槽中下行的运动方稈之二（计及盖带重量） 盖带白重作用于混凝土上总的摩阻力：F；=kvt仃6)式中：R =}y.COS0（久 +几）人一考虑"=/⑺曲线所伟「血积（行稈）与卩=灯直线所|韦「面积差异的系数（见图2） / 一盖带压在混凝土部分重量的线重（kg/m）故式（12）成为：(17)工 - ar(v3 - Vq ) - kvt将式（17）代入式（5） （5，）并整理:3 kt + p.Q v+^~v~3 p・gQ pQ 勺 + 丁m + R・・3r0 \=0(18)此方程唯一实数解:V = 一广z仃9)式中:kt + pQP・gQ (丄(21)若vO=O则：q = _^p^_（pt （2192 a运动方程为：4. 对运动方程的分析按：水平倾角4> =47，行程xo=42m,生产率Q=4・ Om/min、Q = 9. 5m ,/min；建立其运 动方程，计算绘制「= /（）曲线图、丹二/e）曲线图（附件I）。
按D=5OOmm（软管肓径）建立软管溜筒的运动方程并计算绘制v = /（）、日=M）曲线图 （附件I） 0从这组曲线可看出：1） 软管溜筒在混凝土下行速度10m/5时负压开始有明显的作用，v达到13〜15m/s 时负压对混凝土产生很大的阻力2） 负压对混凝土在负压溜槽下行的作用较之软管溜筒要小，这主要由于生产率相同时, 前者较后者负压作用面积小；所以如果行程小于20〜25m,应考虑使用结构更为简单的钢管 溜筒或软管溜筒（采用钢管溜筒必须采取有效措施防止混凝土分离）3） 对软管溜筒中混凝土下行速度起主要作用的参数是软管与混凝土的摩擦系数fb对负 压溜槽是水平倾角及载体与混凝十•的摩擦系数f2所以,如果控制减小混凝十•的出口速度, 对软管溜筒要选用较大摩擦系数的材料，对负压溜槽最有效的办法是减小的差值4） 盖带重量对混凝土在负压溜槽的下行速度有很大影响，所以不能忽略；但盖带随着 负压溜槽的工作逐渐被磨薄，最后作用于混凝十•上的力将趋近于零，所以仍然需要计算不计 盖带重量的出口速度，以供参考比较；通过设计合适的盖带厚度可在较大范囤控制混凝土的 速度，但应注意磨薄问题5） 生产率与没有负压作用的钢管溜筒的混凝土的出口速度无关，但对软管溜筒及负压 溜槽影响很大，随着生产率的增大，混凝土的出口速度也增大；所以负压溜槽可通过调整生 产率的办法，在一定范围内控制混凝土的下行速度。
一般情况下，负压溜槽输送生产率即为 料斗出料口流量，与系统生产率无关；应设计流量可控、数据显示的供料装置——料斗6） 图7的" = 线，是为了在同一落差下，负压溜槽与软管溜筒做比较而绘制从这纟R曲线中可以看出软管溜筒对混凝土下行速度遏止能力；与负压溜槽比较，基木上与不 计盖带重量的负压溜槽处于同一速度水平，所以是一种很有前途的下行输送手段如果将出 口速度控制在20m/s左右，用软管溜筒一次性下落50m是可能的5. 混凝土载体设计的一些问题1）软管溜筒的设计较为单纯，其成功与否、性能优劣在很大程度上决定于软管材料的 选择；对材料的要求为：柔软、耐磨、摩擦系数大软管溜筒的优势在于，由给料机械—— 软管溜筒——仓位（或受料机械）可形成连续的工艺；但无论氏接布料或向受料机械（装置） 给料，应设计成摆动式，以避免混凝土堆集分离2） 软管溜筒的悬挂端必须设置与给料机械（装置）联锁的安全保证装置安全保证装 置应设置三级标定值：一级标定值为超过正常输送混凝土载荷时给料机械（装置）停止供料, 二级标定值为载荷继续增加时发岀警报，三级标定值为载荷讲一步增加时使软。