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(dòng)的異同，探究壓力管道及水深因素對(duì)黏性泥沙起動(dòng)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(dòng)底部作用流速公式，但泥沙起動(dòng)時(shí)底部流速較難測(cè)得，一般在實(shí)際生產(chǎn)和研究中用斷面平均流速或起動(dòng)切應(yīng)力作為研究指標(biāo)。通過(guò)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(duì)黏性泥沙的起動(dòng)影響不顯著，阻礙黏性泥沙起動(dòng)的主要因素為管道壓力，在后期，黏性泥沙黏結(jié)力增強(qiáng)，對(duì)其起動(dòng)的影響增大。

【關(guān)鍵詞】管道壓力；水深；黏性泥沙起動(dòng)；影響；分析

1、前言

黏性泥沙在明渠中起動(dòng)主要取決于床面附近的水流情況，在實(shí)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(dòng)條件也相應(yīng)變化。而在壓力管道中，黏性泥沙的起動(dòng)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?dòng)的重要因素。從力學(xué)角度出發(fā)，無(wú)論是天然河流、明渠試驗(yàn)還是管道試驗(yàn)中，影響?zhàn)ば阅嗌称饎?dòng)的直接原因是床面切應(yīng)力。為更加直觀地研究黏性泥沙在明渠與管道中起動(dòng)的異同，除了分析泥沙本身性質(zhì)因素外，還需對(duì)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(duì)黏性泥沙起動(dòng)影響研究

有研究人員曾在泥沙研究室的管道內(nèi)進(jìn)行淤泥起動(dòng)試驗(yàn)，讓淤積在較大壓力下起動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)模擬天然大水深條件下淤泥的起動(dòng)。通過(guò)對(duì)安裝在實(shí)驗(yàn)段兩端的精密壓力表的觀測(cè)，得到作用在試驗(yàn)觀測(cè)段淤泥上水壓力讀數(shù)。實(shí)驗(yàn)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(yàn)的起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)是以床面淤泥全斷面沖為準(zhǔn)，共進(jìn)行了75組試驗(yàn)。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(dòng)流速和起動(dòng)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(tuán)起動(dòng)的阻力力矩增大，起動(dòng)需要更強(qiáng)的水流條件。在3種泥沙相對(duì)干密度不變的情況下，管道中壓力水頭項(xiàng)和起動(dòng)流速的平方、起動(dòng)切應(yīng)力成線性關(guān)系。從宏觀角度了解壓力項(xiàng)與起動(dòng)流速、起動(dòng)切應(yīng)力之間的關(guān)系后，為進(jìn)一步驗(yàn)證其結(jié)果，以微團(tuán)受力情況為基礎(chǔ)，從管流底部流速出發(fā)，推導(dǎo)出起動(dòng)時(shí)斷面平均流速公式和起動(dòng)切應(yīng)力公式并進(jìn)行參數(shù)擬合。

3、明渠水深對(duì)黏性泥沙起動(dòng)流速的影響

從前人明渠水深對(duì)黏性泥沙起動(dòng)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(dòng)的一個(gè)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(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)初步探索水深對(duì)黏性泥沙的影響，結(jié)合明渠流黏性泥沙起動(dòng)底部作用流速公式，繼續(xù)推導(dǎo)斷面平均起動(dòng)流速公式與起動(dòng)切應(yīng)力公式。有研究人員曾在可調(diào)坡度明渠水槽里進(jìn)行黏性細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)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(dòng)除與本身相對(duì)干密度有關(guān)，還有相對(duì)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(dòng)流速增加，隨著相對(duì)水深增大，黏性泥沙的起動(dòng)流速減小。為進(jìn)一步探究明渠水深與相對(duì)水深對(duì)黏性泥沙起動(dòng)的影響，以下將通過(guò)推導(dǎo)黏性泥沙在明渠中的起動(dòng)流速公式和起動(dòng)切應(yīng)力公式并進(jìn)行擬合。對(duì)于明渠流下黏性泥沙起動(dòng)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(diǎn)，借助水槽試驗(yàn)，探求符合實(shí)際流速分布特點(diǎn)的明槽流速垂線分布律與橫向分布律，通過(guò)建立準(zhǔn)確的流速分布公式及相應(yīng)參數(shù)的確定方法，為精確計(jì)量明槽流量提供理論計(jì)算依據(jù)。在明渠流量量測(cè)時(shí)，通常采用1/7指數(shù)分布律與對(duì)數(shù)分布律。由于公式形式自身的缺陷及邊壁的影響，實(shí)際垂向流速分布與對(duì)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(shí)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(wú)量綱相對(duì)流速u(mài)/U與相對(duì)水深y/H，通過(guò)擬合分析表明，各垂線的這兩個(gè)無(wú)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(yǔ)

研究管道壓力以及明渠中水深對(duì)黏性泥沙起動(dòng)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(guò)理論分析，將有壓管道中的流速分布引入，確定了起動(dòng)作用流速與斷面平均流速，即實(shí)測(cè)起動(dòng)流速之間的關(guān)系，推導(dǎo)出起動(dòng)流速公式與起動(dòng)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(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)黏性泥沙起動(dòng)流速即起動(dòng)切應(yīng)力公式進(jìn)行擬合。得到管流起動(dòng)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(dòng)底部作用流速與斷面平均流速的關(guān)系，推導(dǎo)出起動(dòng)流速公式和起動(dòng)切應(yīng)力公式，進(jìn)行公式擬合。在明渠流條件下，黏性泥沙的起動(dòng)流速與相對(duì)水深、水深、黏性泥沙相對(duì)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(dòng)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(duì)黏性泥沙的起動(dòng)影響較小，主要受到管道水壓力阻礙黏性泥沙起動(dòng)，在后期，黏性泥沙相對(duì)干密度增加，黏結(jié)力增強(qiáng)，對(duì)其起動(dòng)的影響增大。在明渠中，大水深條件下，相對(duì)水深很小，其變化不是影響?zhàn)ば阅嗌称饎?dòng)的主要原因，然而在明渠水槽中試驗(yàn)室，相對(duì)水深對(duì)黏性泥沙起動(dòng)的影響表現(xiàn)較為顯著。在明渠中，起動(dòng)流速和起動(dòng)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(tuán)所受薄膜水附加壓力，使得黏性泥沙的起動(dòng)需要更強(qiáng)的水流條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢(qián)寧，萬(wàn)兆惠.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.