徐闻电厂附近泥沙起动流速实验研究.docx

1、徐闻电厂附近泥沙起动流速实验研究董志慧，刘琼轶（珠江水利科学研究院，广东广州510611）摘要：通过对徐闻电厂附近现场沙样淤积后进行泥沙起动流速实脸，研究起动流速与淤积历时、水深之间的关系，指出泥沙起动流速随着淤枳历时、水深的增大而增大；井用3种常用公式进行了对比分析，鼓后由实验数据提出现场泥沙起动流速的经验公式。关键词：泥沙；沉积历时；水深；起动流速中图分类号:TV142文献标识码：B文章编号：1008-0112（2010）02-0009-03、收稿日期：2010-01-04；修回日期：2010-01-15作者简介：萤志慧（I972-）,男，硕士.高级匚程师，主要从事水利工程及泥沙运动力学研

2、究。引言拟建大型燃煤电厂位于由州半岛南部的徐闻县，其东南西临海。由于该处具有典型的海岸地区特点，是水动力和物质交换过程相互作用较为活跃的地带，也是受人类活动影响显著的地区。在这些相互作用的过程中，泥沙运动通常起着纽带作用。因此，开展泥沙运动规律研究十分必要。由于该处泥沙属于细颗粒泥沙,其起动流速主要取决于内部组成结构、淤积环境及水流条件等因素。为此,本文对不同淤积历时后的沙样进行水槽泥沙起动流速实验，以研究泥沙起动流速与淤积历时、水深之间对应变化的关系。1实验概况1.1实验沙样实验泥沙粒配曲线见图1.泥沙中值粒径久。约为0.011mm,以粉沙和淤泥为主，属于淤泥质粉沙，其容重为2.65g/cm

3、3olooI.|11III!|11|90七80L、70-r4+40一-、或30I20fI。0IlliUlLLJ-J-l.J10.10.010.001粒径/mrn图1徐闻电厂泥沙粒配曲线1.2沙样预处理将现场所采沙样置于干净的塑料盆中，加适M：水搅拌均匀，静置24h后将盆内析出清水去除，继续搅拌均匀后将沙样装入试样盒内。然后将沙样盒置于水深约30cm水池中进行水下淤积，淤积ld、10d、20d、40d、60d及80d后分别取出进行泥沙起动流速实验。1.3实验装置实验在改装后的平坡矩形玻璃水槽中进行，如图2所示，水槽长度为30.00m,宽度为0.30m,高度为0.40m,槽底为大理石平面。实验水槽

4、为自循环式,用水为自来水。水槽的流虽由一个手动阀门控制,通过量水堰读取大小;水深由下游尾门控制.通过水尺量取深度;用LS-3C光电流速仪测量平均流速、温度计测量实验水温。为了便于观测泥沙运动情况，在水槽中用砖、水泥及大理石垒出一个长0.10m、宽0.30m、高0.05m的凹槽，用于握放沙样盒，以保证实验时盒内沙样与水槽底部平面齐平。为了避免水流撞击槽墙而产生波浪，在观测段前方设置2.50m长的过渡段，过渡段前沿做成楔形。观测段后方设置1.50m长的过渡段，从而使水流在床面上呈现均匀紊流的性质。1.4起动标准本实验用水槽断面中心线的平均流速（相当于现场的垂线平均流速）率定，判别原样沙的起动条件，

5、采用定性标准判别泥沙是否起动，即将部分床而有泥沙“少量动”时的垂线平均流速定为泥沙临界起动流速。图2泥沙起动流速实验系统示意2实验成果分析2.1淤积历时对泥沙起动流速的影响从实验成果统计表1和图3可以看出，随着淤积历时的延长，实验沙样起动流速呈增大趋势在起动系列实羚中，对于同一水深，沉积Id的泥沙起动流速最小.沉积80d的泥沙起动流速最大，沉积1060(1的泥沙起动流速介于两者之间。从实验结果可以得到，在实验水深为20cm时、沉积Id的泥沙起动流速为67.6em/s,沉积80d的泥沙起动流速为80.6cm/s,沉积1060d的泥沙起动流速在74.278.5cm/s之间。由此看来，淤泥的起动流速

6、与沉积时间密切相关。分析其原因，主要是在重力作用下，淤泥间的孔隙率降低,变得密实,引起泥沙的干容甫变大,淤泥的粘结力增强，沉积后的泥沙会发生一定程度固结现象，且随着沉积时间的延长，淤泥固结度会有所增高，从而导致淤泥的起动流速有所变大。由于天然泥沙淤积历时难以准确确定，在实际应用过程中，泥沙起动流速与淤积历时之间的对应关系，表现为泥沙起动流速与干容重之间的对应关系.即泥沙起动流速随干容重增大而增大，其增加速率由泥沙性质决定。参照前人的研究成果，粘性泥沙起动流速公式为：V=0.28(y'/y)”严瞄式中，'为泥沙干容重；y'“为泥沙起始卜容重,河道粘性泥沙采用特赖斯克资料加

7、权计算,水库淤积物采用汉姆勃里资料加权计算;S为粒径小于0.005mm的粘性颗粒百分含量。由物理特性实验可知，沉积80<1的泥沙干容重为0.90kg/m通过公式计算泥沙起动流速为94cni/s；由实测资料显示，现场泥沙粒径为0.005mm,含量:约为35%,泥沙起始干容重为1.01kg/m4以计算泥沙起动流速为199cm/so2.2水深对泥沙起动流速的影响由表1和图3可知，泥沙起动流速与水深呈正相关关系，且随着水深的加大，泥沙起动流速亦随之增大。通过系列泥沙起动实验，沉积(1的泥沙在水深为7.0cm时对应的起动流速为49.9cm/s.在水深为18.1cm时对应的起动流速为64.8cm/s

8、,在水深为29.2cm时对应的起动流速为76.7cm/s；沉积60d的泥沙在水深为1l-Ocm时对应的起动流速为66.Icm/s,在水深为18.0cm时对应的起动流速为76.lcm/s,在水深为30.8cm时对应的起动流速为88.3cm/s；沉积其它天数泥沙起动流速与沉积Id和60d的类似。表1徐闻电厂附近泥沙起动流速实验统计沉积起动流速沉枳沉积起动流速水深水深起动流速水深历时历时历时/cm/(cm,$”)/cm/(cms-,)/cm/(cm,s"1)/d/d/d749.91()60.21166.19.955.21565.51876.1113.758.82020.873.160207

9、8.519.967.425.277.129.387.829.276.728.480.330.888.31057.510.763.820.881.7】8.969.115.767.421.882.710408020.270.420.975.123.585.328.478.32478.4注：实验水温为26.8Y图3不同沉积历时泥沙在各水深下的泥沙起动流速2.3实验成果与以往公式的比较对于新淤粘性上的起动流速问题，窦国仁、张瑞瑾及沙玉清分别得出了适合不同大小颗粒的起动规律，且3种常用公式计算出来的结果也相差不多。从实验成果统计图4可以看出，沉积Id的泥沙在不同水深下的起动流速与3家常用公式计算值比较接

10、近。而沉积10d至80d的泥沙起动流速均大于常用公式计算值，且沉降历时越长，实验值与常用计算值的差值越大;其中，沉积10(1相差最大值为7.7cm/s,沉积20d相差最大值为9.7cm/s,沉积40d相差最大值为10.Icm/s,沉积60d相差最大值为16.5cm/s,沉积80(1相差最大值为17.4cm/s。分析实验值与常用公式计算值差别的原因，主要有两方而：-是常用公式针对新淤粘性土的起动流速,其泥沙的密实度较低,干容重也较小，颗粒之间的粘结力亦不大，此时的泥沙起动流速相对较小，比较容易起动;二是系列泥沙起动流速实验采用沉积不同历时的淤泥，沉积Id的泥沙密实度较低，比较接近新淤泥，故其起动

11、流速较接近公式计算值；随着沉积历时的延K,泥沙的密实度有所增高，出现不同程度的固结现象，且沉积历时越久,泥沙固结度就越高，泥沙越难起动,其起动流速就越大，所以沉降历时久的泥沙起动流速与公式计算值出入较大。(£二爻说15M|<|Itt90080.0-实白S.0010.00150020.noIS.OOmoo35XX)00.00005.0025.0010.0015.0020.00水R/rmr«9)M%«y100005.00100025.0030.00J5.0020005.0010(X1”0020<K»gOQMI.OO30.00r.JSSS实9心*仁

12、.作王楠S0010.0015.0020.0025.003000水恤”5000实狩WIHf-步21.0021.5022.0022.5023.0023.5024.00水WH/rm图4不同沉积历时的泥沙起动流速与常用公式比较(«蜓S3*（本文责任编辑罗容）2.4泥沙起动流速经验公式根据实验数据，统计得出沉积Id的泥沙起动流速经验公式为：Uc=1.075x胪29式中上为泥沙起动流速,m/s；为水深，mo图5为本次提出泥沙起动流速实验公式与其它3种常用公式的比较关系，总体来说，实验公式计算值与3种常用公式基本一致，与常用公式最大值的绝对误差在5cm/s以内。由本次实验公式测算出现场原型水深对应的泥沙起动流速,2.00m水深下的泥沙起动流速为1.31m/s,4.00m水深下的泥沙起动流速为1.61m/s,6.00m水深下的泥沙起动流速为1.81m/s,8.00m水深下的泥沙起动流速为1.96m/s,l0.00m水深下的泥沙起动流速为2.10m/S