弱動(dòng)力條件下的河流粘性泥沙運(yùn)動(dòng)分析

□姜 坤（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

弱動(dòng)力條件下的河流粘性泥沙運(yùn)動(dòng)分析

□姜 坤（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

在河流中，動(dòng)力條件驅(qū)使下的粘性泥沙往往會(huì)出現(xiàn)完全懸浮現(xiàn)象，使其中細(xì)顆粒泥沙處于不飽和常態(tài)，這種狀態(tài)在某些動(dòng)力較弱的水流段表現(xiàn)為粘性泥沙的大量淤積，其輸移規(guī)律也會(huì)發(fā)生較大變化。文章就以粘性泥沙分層運(yùn)動(dòng)玻璃水槽試驗(yàn)驗(yàn)證的方式探討在弱動(dòng)力條件下河流粘性泥沙的分層運(yùn)動(dòng)形式及影響分層運(yùn)動(dòng)的相關(guān)因素。

河流粘性泥沙運(yùn)動(dòng)；弱動(dòng)力條件；試驗(yàn)；分層運(yùn)動(dòng)；影響因素

0 引言

在弱動(dòng)力條件下，河流粘性泥沙難免會(huì)受到水流條件等物理環(huán)境的相互影響，其水質(zhì)條件與泥沙濃度等化學(xué)因素也會(huì)發(fā)生改變，影響它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且十分明顯。諸多因素的綜合影響就讓粘性泥沙形成浮泥和異重流分層特征，換言之就是明顯的清渾水分層。所以為了驗(yàn)證粘性泥沙在河流弱動(dòng)力條件下的分層運(yùn)動(dòng)規(guī)律，有必要利用試驗(yàn)方法來(lái)加以驗(yàn)證。

1 水槽試驗(yàn)

1.1 玻璃水槽的試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

用于粘性泥沙分層運(yùn)動(dòng)的水槽試驗(yàn)系統(tǒng)包括了20 cm（寬）、25 cm（高）、3.50 m（長(zhǎng)）的玻璃水槽裝置。玻璃水槽的底坡是可變的，它的最大可供流量超過(guò)8 m3/h，變化范圍在0～1%左右。在水槽中部采用了紊動(dòng)流速實(shí)測(cè)斷面裝置，其中的測(cè)點(diǎn)調(diào)節(jié)定位完全由人工操作完成，而水流的流速與紊動(dòng)狀態(tài)則采用了多普勒ADV流速測(cè)試儀實(shí)施測(cè)量操作。

水槽試驗(yàn)中會(huì)利用虹吸管采樣器來(lái)對(duì)泥沙進(jìn)行采樣，然后借助烘干法測(cè)量粘性泥沙含沙量。對(duì)虹吸管的合理利用尤其是在取樣方面要注意管口與測(cè)點(diǎn)保持相同水平高度，謹(jǐn)慎控制渾水的緩慢溢出，這樣也能確保所取樣的沙樣符合測(cè)點(diǎn)要求，如圖1。

1.2 多普勒ADV流速儀

在玻璃水槽試驗(yàn)系統(tǒng)中，聲學(xué)多普勒流速儀（MicroADV）是重要測(cè)量設(shè)備之一，它能夠測(cè)量水流的流速與紊動(dòng)性，可以對(duì)所測(cè)量取樣點(diǎn)進(jìn)行非接觸干擾。

多普勒流速儀主要由信號(hào)調(diào)理、信號(hào)處理與測(cè)量探頭3部分組成，它的測(cè)量探頭探頭能夠向上、向下、側(cè)向測(cè)量，可以測(cè)量從1～2.50 mm/s的河流流速。它的流動(dòng)參數(shù)與信號(hào)全由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)完成，并最后由Excel對(duì)所測(cè)量獲取的數(shù)據(jù)文本文件采取處理措施。

圖1 玻璃水槽試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

在水槽試驗(yàn)過(guò)程中，頻移現(xiàn)象主要由水中粒子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生，由它們觸發(fā)的頻率變化也被稱為多普勒頻移。所以多普勒測(cè)速儀就應(yīng)用了這一原理，在測(cè)量過(guò)程中依靠水中粒子運(yùn)動(dòng)頻儀來(lái)固定聲源、接收探頭。考慮到探頭所接收到的運(yùn)動(dòng)粒子的散射與反射會(huì)根據(jù)聲音頻率的變化而變化，所以給出了頻移與水中粒子運(yùn)動(dòng)的關(guān)系式為：

式中∶Fd就是多普勒頻移，fS代表了發(fā)射頻率，v代表運(yùn)動(dòng)粒子相對(duì)于探頭測(cè)試頻率下的實(shí)際速度，而c為聲速?？紤]到水中粒子速度與聲速的比值非常小，所以可知多普勒頻移也是相當(dāng)小的，所以它不能用來(lái)直接測(cè)量。而采用多普勒流速儀的脈沖相干處理能力，在發(fā)射探頭測(cè)量時(shí)借助兩個(gè)時(shí)間滯后分離脈沖測(cè)量其脈沖相位，就可以明確脈沖相位差正比于水中粒子的相對(duì)速度，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)水流速度的計(jì)算。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

水槽試驗(yàn)方法可以獲得更多粘性泥沙與水流之間的相互作用的數(shù)據(jù)信息，明確粘性泥沙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律取決于其重力沉降與水流擴(kuò)散的相互作用。首先，在水槽中加入一定量的細(xì)顆粒泥沙，再進(jìn)行流量、水深調(diào)節(jié)，確保其成為均勻流，在其中取樣水樣做水質(zhì)檢測(cè)備用。其次，在確保水槽中粘性泥沙運(yùn)動(dòng)足夠長(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間以后，利用多普勒流速儀對(duì)粘性泥沙所處水流的流速、紊動(dòng)強(qiáng)度實(shí)施精確測(cè)量，配合虹吸管取樣，利用烘干稱重法來(lái)測(cè)量水樣中的泥沙濃度。再次，在改變水流條件與泥沙濃度以后，再次重復(fù)上述步驟。最后，在試驗(yàn)結(jié)束后，清洗水槽與循環(huán)系統(tǒng)。

在試驗(yàn)中可以得知，河流水體中的陽(yáng)離子會(huì)對(duì)粘性泥沙產(chǎn)生一定的沉降影響，因此弱動(dòng)力條件下水質(zhì)條件的變化是有可能影響其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的[1]。

2 弱動(dòng)力條件下河流粘性泥沙的分層運(yùn)動(dòng)

2.1 水槽試驗(yàn)中粘性泥沙的分層運(yùn)動(dòng)

粘性泥沙在弱動(dòng)力條件下存在特殊的分層運(yùn)動(dòng)形式，也被叫做分層流動(dòng)。分層流動(dòng)中不同層次之間的泥沙濃度也有很大差別，但同一層泥沙中的濃度幾乎相近。不同層次之間的泥沙濃度是具有較為清晰的分界面的，所以它的泥沙濃度分布是沒(méi)有連續(xù)性的，但存在突變點(diǎn)，可見(jiàn)粘性泥沙在河流弱動(dòng)力條件下與一般泥沙濃度分布規(guī)律是存在本質(zhì)差別的。

一旦粘性泥沙的分層運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生，泥沙濃度就會(huì)呈現(xiàn)沿垂線分布的3層斷面，其中上層靠近表面泥沙的粘性泥沙濃度最低（0.50～0.70 g/L），中間層的粘性泥沙濃度相對(duì)較高（3.20～3.50 g/L），靠近水底的最下層粘性泥沙濃度最高（＞24 g/L）。雖然3層粘性泥沙的濃度相差很大，但是每一層中泥沙的濃度分布是相當(dāng)均勻的，這也是粘性泥沙在垂線分布基礎(chǔ)上所體現(xiàn)出的異重流特征。

如果沿垂線分布變化來(lái)分析粘性泥沙在河流弱動(dòng)力條件下的流速，就必須考慮在分層運(yùn)動(dòng)形成以后，其流速在達(dá)到最大值時(shí)粘性泥沙在水中的位置。利用多普勒流速儀探頭在水下進(jìn)行探測(cè)，并在水面放置紙片觀察其動(dòng)向，發(fā)現(xiàn)分層運(yùn)動(dòng)狀況粘性泥沙所形成的表面流速可以忽略不計(jì)。

2.2 對(duì)粘性泥沙分層運(yùn)動(dòng)形成的分析

由于粘性泥沙的分層運(yùn)動(dòng)讓其劃分為3層，當(dāng)分層運(yùn)動(dòng)最初形成時(shí)，上層與中層界面的粘性泥沙會(huì)受到剪切力作用與自身浮力作用，讓兩層界面之間產(chǎn)生內(nèi)波，當(dāng)內(nèi)波破碎后，泥沙垂向就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重混合，此時(shí)中間層的粘性泥沙會(huì)呈絮狀與上層泥沙互換，成為上層水體絮狀粘性泥沙。但由于勢(shì)能不同，所以它們還是會(huì)在低等濃度狀態(tài)作用下沉降回原來(lái)的中層位置。在弱動(dòng)力的水流條件與泥沙濃度條件共同影響下，分層運(yùn)動(dòng)中上層的粘性泥沙濃度依然會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定，并存在絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，從而降低泥沙的沉降速度。而中層泥沙沉降速度也會(huì)相對(duì)降低，確保其在中層與上層中的濃度分布趨于均勻。反觀濃度最大的下層粘性泥沙，它由于泥沙本身粘性最強(qiáng)、浮力最大，所以在下層中粘性泥沙的紊動(dòng)特性會(huì)逐漸消失，基于該原因中層與下層粘性泥沙之間是難以產(chǎn)生垂直互換的。但如果河流流速加強(qiáng)，弱動(dòng)力條件有所改善，最下層的粘性泥沙懸浮能力就會(huì)被強(qiáng)化，導(dǎo)致河流中上下水體被充分交換，此時(shí)粘性泥沙的分層運(yùn)動(dòng)也會(huì)相應(yīng)消失[2]。

3 粘性泥沙分層運(yùn)動(dòng)的影響因素

粘性泥沙在弱動(dòng)力條件下的影響因素有很多，例如：泥沙濃度、水流條件等等，其中各個(gè)因素之間的相互影響也相當(dāng)復(fù)雜。文章重點(diǎn)分析一下水流條件對(duì)粘性泥沙分層運(yùn)動(dòng)的具體影響。

以上文的水槽試驗(yàn)為例，由于設(shè)定了水槽進(jìn)口的泥沙濃度為3.50 g，所以當(dāng)水槽流量降低時(shí)，關(guān)于流量的試驗(yàn)結(jié)果分別為3.72、2.14、1.44（m3/h）。

當(dāng)水槽流量為3.72 m3/h時(shí)，粘性泥沙斷面的濃度是隨垂線均勻分布的，測(cè)點(diǎn)上的泥沙濃度值沒(méi)有太大差別，保持在3.50 g/L，而水槽水流表面的泥沙濃度在3.00 g/L。相比而言，水槽底部?jī)蓽y(cè)點(diǎn)的粘性泥沙濃度值最小，這就說(shuō)明水槽底部的粘性泥沙應(yīng)該處于懸浮狀態(tài)，此時(shí)并沒(méi)有形成泥沙分層運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)水槽流量下降到2.14 m3/h時(shí)，粘性泥沙濃度會(huì)沿垂線分布發(fā)生變化，以水槽表面泥沙濃度為例，它會(huì)迅速下降到2 g/L以內(nèi)，而水槽水深中間測(cè)點(diǎn)的泥沙濃度依然會(huì)保持在3.50 g/L。相比于3.72 m3/h流量階段，此流量下水槽底部測(cè)點(diǎn)的粘性泥沙濃度發(fā)生了變化，出現(xiàn)了底部最大泥沙濃度，這就說(shuō)明當(dāng)水槽流量在下降以后，粘性泥沙在水槽底部出現(xiàn)了淤積趨向，此時(shí)的泥沙輸移呈現(xiàn)即將飽和狀態(tài)，粘性泥沙的分層輸移現(xiàn)象初步形成。

當(dāng)水槽流速下降到1.44 m3/h時(shí)，水槽中粘性泥沙的分層輸移已經(jīng)相當(dāng)明顯，主要分為3層。

由上述分析可以見(jiàn)得，隨著水槽流量的降低，弱動(dòng)力條件的逐漸形成，粘性泥沙的分層運(yùn)動(dòng)會(huì)越來(lái)越明顯，水流結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生巨大改變，這就充分說(shuō)明了水流流速分布所帶來(lái)的粘性泥沙異重流特征。所以，粘性泥沙的分層運(yùn)動(dòng)是受到水流條件極大影響的，當(dāng)水流在一定的流量范圍內(nèi)發(fā)生變化，粘性泥沙的分層流動(dòng)形式就會(huì)形成，同時(shí)它也會(huì)影響水流的結(jié)構(gòu)與流速的分布，二者相輔相成[3]。

4 總結(jié)

文章利用水槽試驗(yàn)對(duì)弱動(dòng)力條件下的粘性泥沙進(jìn)行了分析，證明了它在水流條件與泥沙濃度影響下輸移規(guī)律與分層運(yùn)動(dòng)的變化趨勢(shì)。同時(shí)也明確了在一定濃度條件下粘性泥沙分層運(yùn)動(dòng)的形成過(guò)程以及其在形成過(guò)程中所需要的水流條件范圍。參考文獻(xiàn)

[1]王家生.河流泥沙運(yùn)動(dòng)物理化學(xué)過(guò)程初步研究[D].武漢大學(xué),2013：97-105.

[2]王家生,陳立,劉林等.粘性泥沙分層運(yùn)動(dòng)特征的試驗(yàn)研究[J].水科學(xué)進(jìn)展,2014,19(1):13-18.

[3]許文盛,陳立,劉林等.粘性泥沙分層運(yùn)動(dòng)中流速垂線分布特征試驗(yàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）,2015,43(3):315-319.

（責(zé)任編輯：劉 青）

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2016-07-07