李針龍 孫海瑞
【摘要】本文為更深入地研究黏性泥沙在明渠與管道中起動的異同,探究壓力管道及水深因素對黏性泥沙起動的影響,從受力分析的角度出發(fā)推導(dǎo)出了黏性泥沙起動底部作用流速公式,但泥沙起動時底部流速較難測得,一般在實際生產(chǎn)和研究中用斷面平均流速或起動切應(yīng)力作為研究指標。通過分析發(fā)現(xiàn)在有壓管道中,在泥沙淤積固結(jié)初期,黏結(jié)力對黏性泥沙的起動影響不顯著,阻礙黏性泥沙起動的主要因素為管道壓力,在后期,黏性泥沙黏結(jié)力增強,對其起動的影響增大。
【關(guān)鍵詞】管道壓力;水深;黏性泥沙起動;影響;分析
1、前言
黏性泥沙在明渠中起動主要取決于床面附近的水流情況,在實際的河流中,天然河床總是處于不斷的變化發(fā)展之中,表現(xiàn)為淤積和沖刷。水深不同,黏性泥沙的起動條件也相應(yīng)變化。而在壓力管道中,黏性泥沙的起動與管道中的水流條件息息相關(guān),管道中的壓力是影響?zhàn)ば阅嗌称饎拥闹匾蛩?。從力學(xué)角度出發(fā),無論是天然河流、明渠試驗還是管道試驗中,影響?zhàn)ば阅嗌称饎拥闹苯釉蚴谴裁媲袘?yīng)力。為更加直觀地研究黏性泥沙在明渠與管道中起動的異同,除了分析泥沙本身性質(zhì)因素外,還需對壓力管道壁面壓力與明渠水深做深入研究。
2、管道中壓力對黏性泥沙起動影響研究
有研究人員曾在泥沙研究室的管道內(nèi)進行淤泥起動試驗,讓淤積在較大壓力下起動,從而實現(xiàn)模擬天然大水深條件下淤泥的起動。通過對安裝在實驗段兩端的精密壓力表的觀測,得到作用在試驗觀測段淤泥上水壓力讀數(shù)。實驗材料為天然沙,共有3種淤泥,即杭州灣淤泥、黃河花園淤泥以及二者的混合泥沙,黏性顆粒含量分別為32%、41.1%和42%。試驗的起動標準是以床面淤泥全斷面沖為準,共進行了75組試驗。3種淤泥試樣自身密度變化不大,,隨著管道壓力的增大,起動流速和起動切應(yīng)力都有相應(yīng)的增加,原因是管道壓力增大,使得微團起動的阻力力矩增大,起動需要更強的水流條件。在3種泥沙相對干密度不變的情況下,管道中壓力水頭項和起動流速的平方、起動切應(yīng)力成線性關(guān)系。從宏觀角度了解壓力項與起動流速、起動切應(yīng)力之間的關(guān)系后,為進一步驗證其結(jié)果,以微團受力情況為基礎(chǔ),從管流底部流速出發(fā),推導(dǎo)出起動時斷面平均流速公式和起動切應(yīng)力公式并進行參數(shù)擬合。
3、明渠水深對黏性泥沙起動流速的影響
從前人明渠水深對黏性泥沙起動影響探究可知,與水深相關(guān)的薄膜水附加壓力是黏性泥沙起動的一個主要阻力,在明渠大水深條件下,薄膜水附加壓力更為顯著。本節(jié)將從試驗數(shù)據(jù)出發(fā)初步探索水深對黏性泥沙的影響,結(jié)合明渠流黏性泥沙起動底部作用流速公式,繼續(xù)推導(dǎo)斷面平均起動流速公式與起動切應(yīng)力公式。有研究人員曾在可調(diào)坡度明渠水槽里進行黏性細顆粒泥沙的起動試驗。試驗沙樣采用上海港杭州灣深水航道試挖槽回淤后的淤泥,中值粒徑d50=0.0104mm,粒徑小于0.005m的黏性泥沙含量約占35%。淤泥沉積半年后密度為1.6g/cm3,穩(wěn)定密度為1.66g/cm3。天然河道與明渠水槽中黏性泥沙的起動除與本身相對干密度有關(guān),還有相對水深和水深有著密切的關(guān)系,隨著水深的增加,黏性泥沙的起動流速增加,隨著相對水深增大,黏性泥沙的起動流速減小。為進一步探究明渠水深與相對水深對黏性泥沙起動的影響,以下將通過推導(dǎo)黏性泥沙在明渠中的起動流速公式和起動切應(yīng)力公式并進行擬合。對于明渠流下黏性泥沙起動的情況,采用明渠流條件下的流速分布情況。相關(guān)研究人員研究了矩形斷面明渠中水流垂向及橫向流速分布的特點,借助水槽試驗,探求符合實際流速分布特點的明槽流速垂線分布律與橫向分布律,通過建立準確的流速分布公式及相應(yīng)參數(shù)的確定方法,為精確計量明槽流量提供理論計算依據(jù)。在明渠流量量測時,通常采用1/7指數(shù)分布律與對數(shù)分布律。由于公式形式自身的缺陷及邊壁的影響,實際垂向流速分布與對數(shù)擬合曲線相比較,中心區(qū)的相關(guān)系數(shù)均在0.85左右,而邊壁附近相關(guān)系數(shù)一般在0.5左右甚至更小。實際明渠流速的最大值應(yīng)該在水面以下(約0.8H處),流速的垂線分布更接近于二次函數(shù)曲線的特征。引入無量綱相對流速u/U與相對水深y/H,通過擬合分析表明,各垂線的這兩個無量綱因子之間的相關(guān)曲線具有很好的相似性。
4、結(jié)束語
研究管道壓力以及明渠中水深對黏性泥沙起動的影響,利用公式推導(dǎo)結(jié)合公式擬合,得出相關(guān)結(jié)論。通過理論分析,將有壓管道中的流速分布引入,確定了起動作用流速與斷面平均流速,即實測起動流速之間的關(guān)系,推導(dǎo)出起動流速公式與起動切應(yīng)力公式,利用壓力管道模擬大水深條件下黏性泥沙起動試驗數(shù)據(jù),對黏性泥沙起動流速即起動切應(yīng)力公式進行擬合。得到管流起動切應(yīng)力的平方與管道壓力成正比。引入明渠流斷面流速分布,確定了明渠流起動底部作用流速與斷面平均流速的關(guān)系,推導(dǎo)出起動流速公式和起動切應(yīng)力公式,進行公式擬合。在明渠流條件下,黏性泥沙的起動流速與相對水深、水深、黏性泥沙相對干密度有關(guān)。推導(dǎo)出的公式與理論存在的公式形式相近。有壓管道中,黏性泥沙起動與管道壓力和黏結(jié)力密切相關(guān),在淤積固結(jié)初期,黏結(jié)力較小,對黏性泥沙的起動影響較小,主要受到管道水壓力阻礙黏性泥沙起動,在后期,黏性泥沙相對干密度增加,黏結(jié)力增強,對其起動的影響增大。在明渠中,大水深條件下,相對水深很小,其變化不是影響?zhàn)ば阅嗌称饎拥闹饕?,然而在明渠水槽中試驗室,相對水深對黏性泥沙起動的影響表現(xiàn)較為顯著。在明渠中,起動流速和起動切應(yīng)力隨水深的增大而增大,原因是水深的增大改變了微團所受薄膜水附加壓力,使得黏性泥沙的起動需要更強的水流條件。
參考文獻:
[1]錢寧,萬兆惠.泥沙運動力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2013.