黃土和淤泥沙對鋼結(jié)晶物的懸移質(zhì)私流試驗

黃土和淤泥沙對鋼結(jié)晶物的懸移質(zhì)私流試驗

黃河沙和黃沙用于測試水流輸送的極沙量（即飽和含沙量）。這項試驗始于1947年。中央水利實驗局（現(xiàn)南京水科學研究院）于1947年提出了“黃土水流限制含沙量試驗計劃”，并設(shè)計了鋼罐試驗裝置。中華人民共和國成立后，南京水利實驗于52年7月竣工。54年，進行了一次飽和隨沙試驗。1955年至1957年，進行了四種類型的飽和隨沙試驗。1958年，初步報告（油?。┟鞔_表示，由于水流懸浮沙和輸送沙的能力尚未得到很好的解決，因此將對其進行修改和補充。這項工作的樣本組列了更詳細的試驗數(shù)據(jù)，并保存了19卷技術(shù)文件，供研究人員使用。1裝置的試驗過程本試驗主要目的是探求細粒泥沙在一定條件下的懸沙含量.擬通過試驗求得懸沙量關(guān)系式,并與天然測驗資料作比較和檢驗,從而提供渠道設(shè)計以及河道輸沙量的估算.1954年所進行的平均粒徑為0.03mm人工沙試驗,是考慮泥沙在一定水流條件下通過水槽發(fā)生淤積后所達到的飽和含量.所推求的經(jīng)驗關(guān)系式中未考慮懸沙沉速、河底沙波、河底泥沙粒徑等參數(shù)的影響,并且,假定懸沙粒徑為常數(shù),因此,在1955年開始的試驗中,對每次試驗都做了比較詳細的觀測取樣,以更加全面地考慮各種影響因素.圖1為活動鋼板水槽照片.試驗在可調(diào)節(jié)坡度的鋼板水槽內(nèi)進行,槽長33m,寬1.25m,深0.5m,最大流量280L/s,蓄水池體積28.5m3,經(jīng)由直徑35cm的輸水管(長約38m)和漸變段到達水槽,以閘門控制流量大小,未入水槽的流量直接經(jīng)回水管流入水池,攪混池中渾水.本試驗所用沙樣資料見表1,粒徑級配曲線見圖2.按系統(tǒng)試驗方法進行試驗,每次試驗先給定水面比降和流量,調(diào)至均勻水流并測定:含沙量、流速、水深、懸沙顆粒級配、槽底泥沙淤積比降及槽底泥沙顆粒級配等.試驗流量分別為40,80,120,160,200和240L/s,水槽底坡則分別為1/1000(0.001),1/1200(0.000833),1/1500(0.000667),1/2000(0.0005),1/3000(0.000333)和1/4000(0.00025)數(shù)組.2槽底泥沙含沙量的測定試驗前,先調(diào)整好水槽槽底比降,試驗時控制水流為等速流.先使流量穩(wěn)定,然后減小水面比降,使之平行于底部比降,達到最近似的均勻流動.要達到飽和含沙量,須充分供給水流以泥沙.試驗開始時槽底并無泥沙淤積,水流含沙量甚大,并令水面比降大于底坡比降,不久,泥沙逐漸發(fā)生淤積,經(jīng)逐步調(diào)整尾門,降低水面比降,最后形成一定的淤積比降,當水中含沙量基本保持不變時,即認為已達到在一定條件下的飽和含沙量.試驗時因難以估計淤積坡度是否與槽底坡度相同,因此,試驗中不使淤積層厚度過大.4種沙樣的試驗中測得淤積層厚度為幾毫米至1～2cm不等.淤積厚度較小時,部分槽底可能沒有被淤沙所掩蓋.流量用Venturi流量計觀測;水位在測針筒內(nèi)測讀,測壓孔與測針筒之間連以沉沙筒,使渾水不入測針筒,針筒內(nèi)的清水深度最后換算到渾水深度.由各斷面的水位計算得出水面比降.槽內(nèi)含沙量以虹吸管取出.取樣點的流速以畢托管施測,取樣時令取樣點進管流速與槽內(nèi)該點流速相同.槽內(nèi)的平均含沙量在水槽尾門下游回水槽跌水處舀取,放入率定好的500cm3的LeChatelier比重瓶,定出含沙量值.這樣取得的含沙量為cm=∫cudAQ(1)cm=∫cudAQ(1)式中:c為過水斷面上一點的含沙量;u為該點流速,A為斷面面積,Q為流量.在試驗過程中算出平均含沙量cm,隨時判斷含沙量的變化趨勢,含沙量至少維持2h內(nèi)不變,即為飽和含沙量.試驗終止后,還將含沙量沙樣烘干測出平均含沙量值.用比重瓶計算含沙量值與烘干算出的含沙量值關(guān)系為c烘干法=c比重計法-0.03,其中的含沙量c為質(zhì)量百分數(shù).試驗結(jié)束后,關(guān)閉進水流量,抬高尾門,槽中水位因少量漏水而緩慢降低,水中泥沙大部分淤在槽底,待水流完后,分別在6個斷面上測量6點,每個斷面選3個波峰和3個波谷,求出斷面平均淤積厚度,再計算總的平均淤積厚度,并分別在槽底上下游3個斷面取3個底部沙樣,用作粒徑分析.泥沙粒徑主要用比重計法分析,有時亦用移液管法分析.每次試驗作2個沙樣懸沙粒徑分析;泥沙粒徑的上限部分(如大于0.1mm),則用篩析法.對于含沙量垂線分布,一般在垂線上取10個水樣,最低一點位于槽底以上1cm,所取水樣,先用LeChatelier比重瓶定出含沙量,再用烘干法測出含沙量值.3內(nèi)水沙運動3.1單次泥沙運動渾水水流自下層水庫抽出流入輸沙管,經(jīng)漸變段垂直進入水槽,故在水槽前段水流紊亂、洶涌,隨距離漸趨于平穩(wěn).觀察槽中挾帶泥沙的水流,其中漩渦內(nèi)外,因含沙不均勻,其水色不同(見圖3).漩渦自水下泛起,擴大散開,形成朵朵沙云,沙云的擴散速度與水流速度成正比.曾做如下觀察:在停水后,當水流接近靜止時,降低尾門,使有少量溢流,由于水流運動漩渦挾起底部淤沙,此種漩渦緩緩向上升起,帶起朵朵浮云,雙雙向前推進并擴大.此種渦環(huán)在一定水流條件下,以一定的速度連續(xù)不斷發(fā)生,水流加大時,其過程也加快.圖3中顯示水流紊動的漩渦現(xiàn)象是三維的.在槽邊壁兩側(cè),紊動劇烈,可看出其影響范圍明顯.實測斷面含沙量分布顯示,邊壁的含沙量同中心線含沙量相差不大,槽底部分槽壁附近含沙量較中心線略小,而在水面附近,則槽邊含沙量較中心線水面線為大,此為槽邊壁的影響.斷面流速與含沙量等值線分布見圖4.水流中泥沙供應(yīng)充分,造成不同程度的淤積.觀測表明,槽兩側(cè)淤積較多,乃槽壁影響所致.淤積泥沙形成相當規(guī)則的沙波(見圖5),圖中沙波高度分別為1.18cm和0.57cm.在邊壁外玻璃窗孔觀察沙波的運動,底層泥沙顆粒在渾水中沿底部前移到沙波頂進入低谷,其現(xiàn)象與一般討論沙波運移過程的情況一致.3.2平均流速及關(guān)系施測槽內(nèi)3種試驗用沙的渾水流速垂線分布見圖6.可見,渾水的流速分布基本上亦呈半對數(shù)分布.Prandtl根據(jù)明渠紊流剪力分析紊流流速分布為τ=ρl2(dudy)(2)τ=ρl2(dudy)(2)式中:ρ為清水密度;l為混合長度;dudy為距底部某點的流速梯度.假設(shè)l與y成比例,水流底部剪力等于單位推移力,τ=τ0,因而可得du=1κ√τ0ρdyy(3)式中:κ由試驗定出為0.4?u*=τ0ρ,積分上式得u=2.5√τ0ρlnyy0=2.5u*lnyy0(4)式中:y0為積分常數(shù).此式表明紊流中流速是距離y的對數(shù)函數(shù)關(guān)系.對于粗糙底部,常數(shù)y0依賴于糙度高度,即y0=mks,常數(shù)m近似等于1/30,因此式中:ks可用平均流速公式估算.根據(jù)Keulegan分析得平均流速關(guān)系式uu*=5.75log(30y0ks)(5)ˉuu*A=5.75logmRy0=A+5.75logRks(6)式中:ˉu為斷面平均流速;R為水力半徑;Keulegan分析Bazin資料得A=3.23～16.92,取平均值為6.25.曾試圖分析渾水流速分布是否類似于清水流速分布.利用平均流速分式ˉuu*=6.25+5.75logRks求取ks值.然后再求取下式uu*=AlogRks+B(7)利用試驗資料求得的A和B值見表2.可見,A和B值變化很大,A值在15.5～49.5之間,B值在32.9至-1.5之間,而ks值在0.013至1.32之間.這說明渾水流速分布的流速梯度同清水流速都變化很大.曾點繪ks值與Manning系數(shù)n值的關(guān)系(見圖7),表明它們有很好的相關(guān)性.渾水流速分布公式中ks受到底部沙粒大小和沙波高度兩種因素的影響.這里需要說明的是0.13mm組中的少數(shù)測次,其Manning系數(shù)n計算值為0.009～0.010,這些測次的底部泥沙淤積均很薄,可能有部分槽底露出鋼板,其n值接近鋼板的n值(清水試驗中鋼板的n值為0.010,Openchannelhydraulics中銅板表面的n值為0.009～0.013).關(guān)于渾水流速公式中A的變化,其值均大于Bazin清水資料的A值.初步分析A值似與懸沙d50有關(guān)(見圖8所示).為了解流速分布的相似性,將表2中10次觀測資料點繪uumax=A′logyks+B′得圖9.計算得A′和B′值見表3.可見,A′的變化范圍為0.11～0.21,B′值變化很小,其平均值為1.因此有u-umaxumax=A′lnyh(8)從圖9可看出大致區(qū)分3組分布線,左邊為0.03mm試驗組,右邊為0.13mm組,中間為0.06mm組.從中可看出A′值與圖8相似,A′值與懸沙d50的關(guān)系見圖10.3.3含沙量垂線分布分析了人工沙含沙量垂線分布形狀,在施測的8次平均含沙量中,最小為2.11%,最大8.86%(表4).含沙量垂線分布基本符合Velikanov推導(dǎo)的關(guān)系式cc0=(1-η1+ηα)ωκ√ghJ(9)式中:c為測點含沙量;c0為底部含沙量;η為相對水深;α為相對糙率.同實測點據(jù)比較表明,在水面附近,實測點常比理論值小(見圖11),式中的相對糙率值α隨Manning值變大而變大(見圖12).3.4人工沙級配中cb與u3/h值的關(guān)系在4種懸沙試驗中,每次試驗放水完畢后,施測槽底沙波高度.沙波高度與糙率有關(guān),點繪實測沙波相對高度Δ/h與Manningn值糙率系數(shù)的關(guān)系,圖13顯示它們之間的變化趨勢.取距槽底1cm處的含沙量值為臨底層含沙量,觀察此值隨水流速度的變化趨勢(見圖14).可見,對于0.03mm組,黃土與人工沙兩組,cb隨u的增大而增大,對0.06mm和0.13mm兩組,則cb值均相應(yīng)較小.簡單分析表明cb與u3成正比,故點繪cb～u3/h的關(guān)系(見圖15),由此看出cb的變化同u3/h值有近似關(guān)系,隨不同用沙級配(3種)集中在3組點群.3.5泥沙懸沙垂線分析試驗中僅有少數(shù)0.03mm人工沙和0.13mm黃沙的測次,沿垂線取10個含沙量沙樣,進行顆粒分析,求出垂線上顆粒粒徑的分布情況.從垂線d50的變化(見圖16)可以看出,對于圖16(a)0.03mm人工沙,12,26組次(Q=117.5L/s,u=34.8cm/s)其臨底層的d50值同槽底上淤沙粒徑D50值比較接近.其變化趨勢,似具有連續(xù)性,而于圖16(b)黃沙組0.13mm的11,19組次(Q=80.5L/s,u=34.8cm/s),其d50在垂線上的變化,以及臨底層d50同淤沙D50相距甚遠.而圖16(c)中0.13mm的11,28組次(Q=161L/s,u=52cm/s),則由于水流流速大,即較圖16(b)中11,19組次的流速為大,能挾運較粗泥沙,故其懸沙垂線分布d50值從水面以下逐漸增大,臨底處d50值接近底部淤沙D50值.4飽和含沙量公式采用4種沙樣的飽和懸沙量試驗,共進行162次試驗.對每次試驗所得數(shù)據(jù)隨時檢驗.如果懸沙或淤沙粒徑級配的結(jié)果存在錯誤,又如水沙運動不能保持恒定均勻,或水面比降與試驗放水完畢后施測的槽底淤積比降相差較大,則不采用.經(jīng)篩選共得133次試驗資料用以分析.4種沙樣的試驗次數(shù),列于表5.試驗數(shù)據(jù)列于表6～9.將每次試驗的懸沙沙樣作顆粒級配分析,再計算在試驗溫度時的沉速,按ωm=∫ωdp/∫dp=∫ωdp/P求平均沉速,其中p為粒徑分組百分數(shù);ω為該分組的平均沉速.顆粒分布曲線系用比重計法和篩析法.有時兩種方法所得曲線并不銜接,此時計算的ω值僅采用比重計法所得曲線,故其精度受到一定限制.算出的平均ω值,大致相當于d70至d75.從各組水面比降與底部比降數(shù)據(jù)可看出水流均勻程度,從d50和D50各值可看到不同沙樣粒徑的分選程度.在第1組和第2組黃土試驗中,懸沙與底部泥沙粒徑兩者之間有俱漲俱落的關(guān)系,而第3種0.13mm組,懸沙粒徑變化似與底沙粒徑無關(guān)(圖17).在探求飽和含沙量關(guān)系式的過程中,首先采用統(tǒng)計相關(guān)分析法求取飽和含沙量與各水力泥沙因子的經(jīng)驗關(guān)系.根據(jù)表中4種沙試驗所得數(shù)據(jù),試求cw=kvaRbJcωd中的參數(shù)k,a,b,c和d得cw=kv0.75R0.67J1.2ω0.67.代入Manning公式,得cw=kn2.4v3.15ω0.67R0.67(10)上式同Veliknov公式相近.同樣,根據(jù)前人的懸沙運動理論,結(jié)合試驗中所獲得的有關(guān)懸沙運動所顯示的物理現(xiàn)象,探求飽和含沙量的公式,如Velikanov根據(jù)他提出的重力理論,得關(guān)系式c=ku3ghω(11)點繪u3ghω與c的關(guān)系(見圖18).Barenblatt的理論分析可供實驗資料分析的參考.Barenblatt根據(jù)Kormogorov關(guān)于水流脈動能的平衡觀念,寫出脈動能平衡方程.在不考慮底部影響的情況下有δgˉc′v′3+Q1ρ1+ˉv′1v′3dˉv1dx3=0(12)式中:第1項代表水流上舉懸浮質(zhì)所消耗的脈動能,δ=ρ2-ρ1ρ1,ρ1為液體密度,ρ2為顆粒密度,c′為懸移質(zhì)含量相對體積的脈動量,v′3為水流在縱向與垂直方向的脈動速度;第2項代表脈動能的耗損,Q1為脈動能的耗損;第3項表示由平均運動的能量中取得的脈動能流入,v′1,v′3分別為水流在縱向與垂直方向的脈動速度,x3為垂直坐標.因此,在恒定均勻流含沙水流中懸浮質(zhì)的懸浮所消耗的脈動能量,近似地等于水流平均運動能量中取得的脈動能減去動能的耗損.式(12)中第3項,即水流中由于脈動流速產(chǎn)生的剪力τ等于ρˉv′1v′3與平均流速梯度dˉv1dx3的乘積.質(zhì)量平衡方程和運動量方程分別為ˉc′v3=ωˉc(13)ˉv′1v′3=-v2*+cx3(14)式中:ω為顆粒沉速,v*為阻力速度.含沙量平衡方程,在擴散理論的假設(shè)下,可推導(dǎo)出含沙量沿水深的分布曲線,而水流運動量方程,則可導(dǎo)出水流流速的垂向分布表達式.Minski在水槽中水流試驗,得ˉv′1v′3=-v2*(1-x3h),其中:h為水深.利用對數(shù)流速分布公式,可得dˉv*dx3=v*kx3.因此?有σgωˉc+Q1ρ1-v2*(1-x3h)v*kx3(15)Kormogorov用量綱分析,假定能量耗損為{Q1d1=Κb32Lb=12(v′12+v′22+v′32)(16)式中:v′1,v′2,v′3分別為縱向、橫向和垂向的脈動速度.清水水流脈動速度試驗得b=v2*γ2(1-x3h)(17)式中:γ為常數(shù).泥沙顆粒脈動速度的水槽實驗結(jié)果顯示有類似關(guān)系.Barenblatt理論分析獲得:水流中含沙顆粒的脈動速度小于水流脈動速度.前人在水槽中測量顆粒脈動速度,得到與理論相同的結(jié)論.因此可得σgωˉc+ΚL[12(v′12+v′22+v′32)]32-v2*(1-x3h)v*k1x3=0σgωˉc+ΚL[v2*γ(1-x3h)]32-v3*(1-x3h)1k1x3=0如以上式中各項求沿水深積分的平均,可得c=fv3*ghω(18)式中:f為述水流底部邊界條件如邊壁阻力和底部泥沙運動的參數(shù).根據(jù)上兩種方法的分析獲知,飽和含沙量同無量綱參數(shù)(u2/gh)(u/ω)有關(guān)外,還與底部阻力和底部泥沙運動參數(shù)等因子有關(guān).試驗中觀察到:含有一定大小級配的泥沙進入水槽,大部分泥沙懸浮在水中前移,其中較大的泥沙不能在水中懸浮而沉淀于槽底,或沿底部縱向移動,在臨底層的泥沙含量較大;而粒徑較粗時,沿底部運動的泥沙含量亦因床面剪力的增大而加大.含沙量垂線分布結(jié)果表明,輸沙量的大小取決于底層泥沙含量的大小,而實驗測得的臨底層含沙量與(u2/gh)(u/ω)大致存在線性關(guān)系(圖14,15).此外,根據(jù)浮泥與鹽水介面波破碎泥沙起動的實驗和分析得τ=kc,而對細沙推移質(zhì)的起動臨界推移力,則有τ=k(ρs-ρf)D,其中:ρs為顆粒粒徑D的密度;ρf為清水的密度;D為槽底上起動的泥沙粒徑.點繪cw-(u3ghω)u*-0.3√gDgD)的關(guān)系如圖19,可見測點基本集中在一條線上,因(u*-0.3√gDgD)的量綱與u3ghω不一致,故將gD改為g23Dν13,使其量綱一致,可得cw=k(u3ghω)(u*-0.3√gDg23Dν-13)(19)式中:D為底部泥沙平均粒徑,以D50代表,u*=√gRbJ,Rb為去除槽壁影響的水力半徑,式中右邊采用CGS單位制,k=1/35,cm含沙量以質(zhì)量百分比計.根據(jù)式(19)點給的關(guān)系式見圖20.圖20還包括由黃委水科所提供的人民勝利渠實測資料,選用其中測取過河床質(zhì)的資料進行計算比較.測取床面泥沙的有18個點,除4～5個點的偏差較大外,其余均與上式相符.所采用的人民勝利渠資料情況見表10.所得經(jīng)驗關(guān)系式(19)表明底部條件對飽和懸沙量的影響.考慮到底部淤沙粒徑包括糙率(沙波高度)和底沙運動的影響,亦即底部推移質(zhì)運動對輸沙的影響,可表示為τ=ρu2*.底部顆粒運動強度,主要受底部水流剪力的作用.因此,飽和含沙量的表達式,亦可用無量綱參數(shù)的下式表示:cw=k(u3ghω)(u2*gD50)(20)式中:u*=√ghJ?k=0.001,點給的關(guān)系見圖21,圖中點群的集中程度也較好.用4種沙樣進行的活動水槽飽和含沙量實驗資料分析得式(20),表明在恒定均勻水流條件下的飽和含沙量值取決于懸沙的沉速、水流流速、水深、水力半徑,水面比降和底部淤沙粒徑等各參數(shù).5試驗結(jié)果分析對4種沙樣試驗取得的數(shù)據(jù)進行分析,求得一個經(jīng)驗關(guān)系式,此關(guān)系式與Velikanov公式接近.采用Barenblatt-Komo