水壓力對細顆粒泥沙起動流速影響的試驗研究.docxVIP

1、泥沙研究1990年12月JournalofSedimentResearch第4期水壓力對細顆粒泥沙起動逸速影響的試驗研究.萬兆惠用天應(yīng)何青(求料水電科學(xué)研究院)提要本文對現(xiàn)有起動流速公式的結(jié)構(gòu)進行了分析，指出水深是通過水壓力來影晌起動流速的作若在一個水壓力可以調(diào)節(jié)的專用設(shè)務(wù)上用三種泥W進行了試驗結(jié)果表明：對較粗的散說體濕沙，水壓力對起動流速沒有影響.因此現(xiàn)有的公式需要修正.對枯性細顆粒泥沙，隨著水壓力的增大，起動流速明顯增大.起動流速增大的程度介于現(xiàn)有二個公式計食值之何.具體規(guī)律有待進一羅研究.一、前言泥沙顆粒的起動流速是泥沙運動力學(xué)中的一卜基本問題，也是生產(chǎn)實鹿中經(jīng)常涉及的實際問題.諸如水庫

2、及河道的沖淤計算，渠道及動床泥沙模型的設(shè)計等都涉及到泥沙顆粒起動流速的確定問題，關(guān)于這個問題，國內(nèi)外許多學(xué)者.做過大量工作，取得了不少研究成果，同時也掌握了大最實測資料作為驗證的依據(jù)目前對松散的粗顆粒的起動條件已經(jīng)取得了比較一致的認(rèn)識，但涉及細顆粒以及與之有關(guān)的粘著力的問題，則目前的認(rèn)識還有待深化，特別是大多數(shù)驗證資料都是在試驗室小水深條件下得出的結(jié)果，缺乏大水深條件下的資料，因而，開展這方面的研究是很有必要的.目前國內(nèi)常用的細顆粒泥沙在新淤條件下的起動流速公式有：宴國仁公式：0.32】n(n-)(蕓3gd+0.199”方，)”(1)其中)、曾分別為泥沙和水的容重：h為水深；d為泥沙粒徑；6=

3、0.213:10_cm,e1=2.56cm,/s,d0.5mm時，k.d；d<0.5mm時，ku0.5mm；公式中量綱是合諧的.武漢水院公式：U<S=(j)*H(17.6-d+0.000000605)(2)式中符號的定義同前，但/I和d的單位均為m,的單位為m/s.表1給出了利用兩個公式分別求得0.065mm及0.004mm兩種泥沙在不同水深下的起動流速值.由表1可以看出，小水深下，兩個公式求得的值基本接近，但當(dāng)水深較大時，由竇*參加本研究的還有蘇曉波、袁玉拜同志.國仁公式求得的值遠大于由武漢水院公式求得的值，而且兩者的差別隨水深的加大和泥沙粒徑的減小而加大.對于0.004mm的泥

4、沙，當(dāng)水深為10m時，兩者相差近一倍.為了弄清引起計算結(jié)果差別的原因，我們對公式（1）,（2）作進一步分析.公式中括號前面（廿）"'，0321n（Ll土一）反映的是底部流速與斷面平均流速的關(guān)系，在同一泥沙，同一水深條件下兩值基本接近：括號內(nèi)的第一項反映重力的作用，與水深無關(guān)，武漢水院公式中，括號內(nèi)第2項0.000000605當(dāng)料、竇國仁公式中的0、19（ih84-£k'd均與水深有關(guān)所以，兩式在大水深下計算結(jié)果的差別必然是由這兩項的差別所引起.因此，有必要對此項的物理意義作深入分析，這就必須從細顆粒泥沙在水體中的受力情況分析入手、表1由式（1）、（2）計算的

5、起動流速的比較n徑mm水深cm起動流速的計算值（cm/6）粒徑mm水深cm起動流速的計算值（cm/8）宴頃仁公式武漢水院公式宴回仁公武武漢水院公式1023.625.31089.389.65032.132.150123.3114.510038.736.7100150.4129、10.06550073.451.20.004500292.0188.86008恥154.1609319.5200.180。92、459.2800369.922Q.910001R3.963.91000410.5240.2二、床面細顆粒泥沙的受力情況一般說來，松散的泥沙顆粒在水體中所受的力有有效重力（重力減去浮力）、拖曳力、上

6、舉力，對這些力的作用，目前的認(rèn)識比較一致，對細,顆粒泥沙，除以上兒種力外，還存在著顆粒之間的粘結(jié)力，對粘結(jié)力的數(shù)匿和大小，各家的認(rèn)識不盡相同.（一）龔國仁的卒慮竇國仁采用交叉石英絲試驗，通過變更石英絲所受的靜水壓力，證實了壓力水頭對粘結(jié)力的影響.最后又考慮了顆粒表面與粘結(jié)水之間存在的分子引力對粘結(jié)力的影響，得出粘結(jié)力的表達式,可="五三如+9三48（3）通過動力平衡方程，最后得到起動流速的表達式（1）（二）武漢水院的考慮張瑞瑾通過研究指出細顆粒泥沙粒之間的粘結(jié)力是由存在于顆粒之間的吸著水和薄膜水不傳遞靜水壓力而引起的.經(jīng)過分析，作者提出了粘結(jié)力N的表達式；N=cmP（上）"

7、+Q式中。、s、此等均為常數(shù)，利用平衡方程，最后得到式（2）.由上可知，公式（1）、（2）中括號內(nèi)第2項反映的是粘結(jié)力（及分子力）的影響，而且都是通過水深，以水壓力的形式反映出來的.所以，此項所表示的就是水壓力對起動流速所產(chǎn)生的影響.用此，水深除了引起公式中反映流速分布的項（括號前面的一項）的變化外，便是通過影響水壓力來影響起動流速的，我們只要弄清水壓力對起動流速的影響，也就知道了水深對起動流速的影響.三、試驗概況大水深對細顆粒的起動流速到底有多大的影響？這是我們所要回答的主要問題.但是，要想在試驗室內(nèi)建造一個能提供10m水深，并能清楚地觀測床面泥沙運動情況的水槽兒乎是不可能的.所幸根據(jù)上節(jié)的

8、分析我們知道，大水深下引起式（1）,（2）計算結(jié)果差別的主要原因是水壓力的作用.因此，如果我們能建造一種設(shè)備，其中可以造成很大壓力或很小的壓力（即壓力可以有較大的變幅），即使設(shè)備尺寸不大，也可以用來研究水壓力（也就是水深）對起動流速的影響.基于這種考慮，我們設(shè)計了一套矩形斷面管路系統(tǒng).試驗設(shè)備詳見圖1.通過高出試驗段約lim的平水塔提供穩(wěn)定的流量和壓力，流量用安裝在試驗段前的園形管路上的超聲流信計測信，并用置于出口的量水堰校正；試驗段長約4m,斷面高0.162m,寬0.10m.在試驗段中部有約長1.00m的透明有機玻璃觀測段，用來觀測泥沙運動情況.在觀測段底部設(shè)有長0.6m,深0.02m,寬0

9、.085m的矩形槽，用來鋪設(shè)試驗沙樣.觀測段的具體形式參見圖1中的局部放大圖.圖1管路布置圖1.平水塔；2.90.20米管路；3.90.20米閥口：4.斷變段；5.平秘段；6.XS8SR;7.平。段，8.斷變段；9.80.15米管路；10.11.R水堰；12.R水池；13.閥門；14.流量計在觀測段的側(cè)壁上，設(shè)有一測壓孔，用膠皮管與測壓計相連，用來測髭試驗段的水壓力值.試驗中分別量測了三種沙樣的起動流速.沙樣經(jīng)過仔細的分選，其特性列于表2,1./）60=0.15的均勻沙2.0-0.065的均勻沙3.花園口泥不加分敞劑4.花回口能加分故劑1./）60=0.15的均勻沙2.0-0.065的均勻沙3

10、.花園口泥不加分敞劑4.花回口能加分故劑試驗開始前，先在底部槽內(nèi)鋪好沙樣,然來流造成的沖刷，先將試驗段充滿清水,度的不同組合，可以獲得不同的水壓力和斷面問平均流速.放水后，記錄流量計，量水堰，羞壓計讀數(shù)和床面泥沙運動情試驗開始前，先在底部槽內(nèi)鋪好沙樣,然來流造成的沖刷，先將試驗段充滿清水,度的不同組合，可以獲得不同的水壓力和斷面問平均流速.放水后，記錄流量計，量水堰，羞壓計讀數(shù)和床面泥沙運動情并與周圍有機玻璃床面保持齊平.為防止夾然后放水試驗，依據(jù)試驗段前后兩個閥門開表2試驗用沙的待性況.（一）散粒泥沙的起動情況對敦徑為0.15mm和。.065mm的泥沙，由于顆粒之間的粘性很小，因而，在萼來.

11、源(mm)各注I黃河花園口2黃河花園口3珠窩水庫0.150.0650.004分于之間介于D.O6mmo.Q7mrn之間蒸?S水加分散刑，用比第計測床面上，顆粒以散粒體形式存在.隨著試驗段流量（即斷面平均流速）的增大，床面泥沙顆粒經(jīng)過不動、少最動，普遍動，大量動到揚動兒個階段，這一過程隨流量變化而緩慢發(fā)展.（二）粘土的起動對D=0.004mm的粘土，由于其粒徑很小，床面上的泥沙顆粒不再以分散形式存在.由于粘結(jié)力的作用，顆粒相互搭接，成為一個整體，它的起動具有完全不同于松散顆粒的特點，與壓密的粉煤灰的起動形式十分相似試驗開始，在流晨較小時，表面上有極少的一部分顆粒緩慢運動，隨著時間的延續(xù)，表面上沒

12、有與泥面連成一片的費個顆粒全部被沖出試驗段.這時，即使再增大流量，泥面上也無泥沙顆粒運動，.當(dāng)流量'達到一定的程度后，泥面出現(xiàn)一條條很細的沖瀉，同時也出現(xiàn)一些小的沖坑，開始，沖溝、沖坑很??；隨若流最的增大，沖溝、沖坑不斷增大，當(dāng)流量超過一定值后，沖坑迅速增大，旋即整個泥面被沖起，破壞.需要特別指出的是，粘土類顆粒的起動具有很大的隨機性，沖刷往往從泥面的某些薄弱處（由于鋪設(shè)不均勻引起）開始.另外，局部擾動也很容易誘發(fā)床面的破壞，如果給床面某處一擾動，即使未達到?jīng)_刷流速，也會引起床面的大量沖刷,四、試驗結(jié)果l. D=0.J5mm和0.065mm的散位泥沙刈于粒徑為0.15mm和o.06mn

13、】的泥沙，試驗結(jié)果分別列于表3和表4中.起動狀客水氏力iu水柱）流濁（cm/s）10.629.428.?U通功6.531.130.70.632.03D=o.15mm的泥沙的起動流速實濯值為了更直觀地分析水壓力對起動流速的影響，我們把D=0.065mm泥沙的試驗結(jié)果以V。P的形式點繪于圖3.由圖可見，同一起動狀態(tài)下的點據(jù)分布于一條水平線兩側(cè)，說明水壓力對起動流速沒有影響.2. D=0.004mm的粘土試驗結(jié)果列于表6和圖4中.由圖4可以清楚地看出，同一起動狀態(tài)的起動流速有隨水壓力的增大而增大的趨勢.表4D=o.065mm的泥沙的起動流速實劉值起動狀態(tài)水壓力（m水柱）流速（em/8）起動狀杰水壓力

14、（m水柱）流速9.277.284.0513.401.1610.294.2512.300.358.604.8013.200.809.206.8513.2。1.008.40普科動6.9513.203.109.007.2613.203.209.007.8013.50少酸動5.208.208.5013.205.508.509.0512.B06.309.000.1015.506.4010.200.3。?5.406.8010.204.2516.307<1010.30大量動6.3016.207.157.208.0514.509.20J0.208.2016.409.4010.408.8016.50表5計

15、算的起動流速值mm)ai力（cm水柱）焦動流速計算值（cm/。粒輕(mm)壓力（cm水柱）起動流速計算慎（cm/s）竇國仁公式武漢水隴公式寞國仁公式武漢水院公式10f25.0327.081020.1623.505028.1727.495021.8923.7610031.6727.9910023.8723.970.06520037.7028.980.15020027.4024.4850051.7331.7450035.9735.90B0062.7034.2880042.8827.28100069.0535.88100046.9228.15表6。«0.004mm的粘土的起動流速賓測值起動

16、狀態(tài)水壓（四水柱，流速<cm/sj起動狀去水出sm水祥旅速(cm./E1.1025.U1.0569.81.3526.01.9571.0開始出現(xiàn)沖刷痕跡）1.754.3528.530.0大量動（開始人沖刷，2.933.6576.078.36.3038.04.5088.67.5151.58.50122.59.0067.0zn心）也r-o-°o圖3水壓力對起動流速的影響（D=0.065mm）五、討論如前所述，公式（1）、（2）等號右邊大括號前邊的因子（等廣、0.321a（11去）反映的是底部流速與斷面平均流速的關(guān)系.在本試驗斷面和泥沙粒徑固定的條件下應(yīng)為常數(shù).大括號內(nèi)第一項反映了重力

17、（即顆粒的水下重量）對阻止泥沙顆粒運動的作用，該項與水深或水壓力大小無關(guān).大括號內(nèi)第二項反映了粘著力對阻止泥沙顆粒運動的作用，該項隨水壓力加大而加大.如按公式計算，對于D=0.065mm的泥沙顆粒，固定水深（計算時取為管道斷面高的一半）下的起動流速（亦即兩項之和乘一常數(shù)）隨水壓力的變化如表5所示,也即隨著水壓力的增大，計算的起動流速明顯增加.這一點是與圖3的試驗結(jié)果不一致的.從粘著力的物理成因考慮，也只有薄膜水起重要作用的顆粒小于0.030.02mm的泥沙顆粒才能產(chǎn)生粘結(jié)力.而這是與試驗結(jié)果一致的.按照竇國仁公式（1）,當(dāng)水深達到10m時，即使是D=0.5mm的泥沙，大括號內(nèi)第一項和第二項的數(shù)

18、值大致相當(dāng)，也就是粘著力的作用和重力的作用大體相當(dāng).這樣一個結(jié)果似乎與薄膜水和粘著力的概念不一致.對于D=0.004mm的更細顆粒，試驗中顯示出起動流速隨水壓力增大而增大的明顯趨勢.這是與公式計算的總趨勢是一致的.只是竇國仁公式和武漢水院公式都是明巢水流的起動流速公式，而我們的試驗是在管道中進行的，所以試驗結(jié)果無法與上述公式的計算值直接進行比較.但我們可以設(shè)法進行相對的比較.以武漢水院的起動流速公式為例：U=（-j）°U（1.7677d+0.000000605%土F）%前面已經(jīng)指出，（h/d）。*為考慮流速分布的修正項，如果把管道沿中心切為對稱的上下兩半，可以認(rèn)為管道上下兩半的流速分

19、布均與水深為H/2（H為管道斷面高）的明渠水流相近.那么，這就可以用H/2代替（中的瓦我們的所有試驗都是在同一訝道中進行的，H/2是個固定值.大括號中第二項中的R則為水壓力所對應(yīng)的水柱高，可由差壓計的讀數(shù)換算得出.這樣便可以算得不同水壓力P條件下的起動流速.對于竇國仁公式，也可以用類似的方法算得不同水壓力P條件下的起動流速.實測資料中有P=l.05m水柱時的起動流速數(shù)據(jù)U（P）,可以用作相對比較的起始點.用如下參數(shù)：,U（P+P）-U（P）八=U（P）反映水壓力增大ZP以后起動流速增大的相對程度.式中U（P+ZP）是壓力增大到P+ZP以后的起動流速.實測的和用兩個公式計算的人值列如表7.表7D

20、=0.004nrm的泥沙實測和計算的八值JP（m水柱）武水公式甘算值竇國仁公式計算值im水枕）實瀏值武水公式廿算值竇國仁公式計算值00002.600.1220.1110.4220.900.0J70.0400.1643.450.2680.1450.5341.900.0890.0800.3217.450.7550.2930.931)由表可見：實測的A值介于兩個公式的計算值之間.竇國仁公式計算得出的起動流速增大程度較實測為大，武漢水院計算得出的起動流速增大程度較實澳為小.這里還應(yīng)指出；試驗用管道斷面窄深，兩壁會對水流產(chǎn)生一定的影響.而這一除響目前尚難加以定量估計.這也是在作出以上分析時應(yīng)加以考慮的.

21、六、結(jié)論通過個水壓力可以調(diào)節(jié)的專用設(shè)施，用三種泥沙進行試驗的結(jié)果，可以得出以下認(rèn)識.1.對于D=0.15mm和D=0.065mm的泥沙，水壓力的變化不會引起起動流速的變化.而根據(jù)現(xiàn)有的公式計算，起動流速會因水壓力增大而增大.2. 對于D=0.D04mm的泥沙，隨著水壓力的增大，起動流速明顯增大.起動流速增大的程度介于現(xiàn)有二個公式的計算值之間.3. 以上情況表明：對于細顆粒泥沙的起動問題，還需做更多的工作.特別是大水深（或壓力）下的起動條件更應(yīng)著重研究.參考文獻1安國仁，論泥沙起動流速.水利學(xué)報，I960年第四期.2武漢水利電力學(xué)院，河流動力學(xué).中國工業(yè)出版社.1980年.C3萬兆惠、朱天成等，干貯灰轄水豎井的泥沙水力孕試驗研究報告.水利水電科學(xué)研究院，1988年4月.商通海域有個“百暮大三角&qu