水压力对细颗粒泥沙起动流速影响的试验研究.docx

1、泥沙研究1990年12月JournalofSedimentResearch第4期水压力对细颗粒泥沙起动逸速影响的试验研究.万兆惠用天应何青(求料水电科学研究院)提要本文对现有起动流速公式的结构进行了分析，指出水深是通过水压力来影晌起动流速的作若在一个水压力可以调节的专用设务上用三种泥W进行了试验结果表明：对较粗的散说体湿沙，水压力对起动流速没有影响.因此现有的公式需要修正.对枯性细颗粒泥沙，随着水压力的增大，起动流速明显增大.起动流速增大的程度介于现有二个公式计食值之何.具体规律有待进一罗研究.一、前言泥沙颗粒的起动流速是泥沙运动力学中的一卜基本问题，也是生产实鹿中经常涉及的实际问题.诸如水库

2、及河道的冲淤计算，渠道及动床泥沙模型的设计等都涉及到泥沙颗粒起动流速的确定问题，关于这个问题，国内外许多学者.做过大量工作，取得了不少研究成果，同时也掌握了大最实测资料作为验证的依据目前对松散的粗颗粒的起动条件已经取得了比较一致的认识，但涉及细颗粒以及与之有关的粘着力的问题，则目前的认识还有待深化，特别是大多数验证资料都是在试验室小水深条件下得出的结果，缺乏大水深条件下的资料，因而，开展这方面的研究是很有必要的.目前国内常用的细颗粒泥沙在新淤条件下的起动流速公式有：宴国仁公式：0.32】n(n-)(芸3gd+0.199”方，)”(1)其中)、曾分别为泥沙和水的容重：h为水深；d为泥沙粒径；6=

3、0.213:10_cm,e1=2.56cm,/s,d0.5mm时，k.d；d<0.5mm时，ku0.5mm；公式中量纲是合谐的.武汉水院公式：U<S=(j)*H(17.6-d+0.000000605)(2)式中符号的定义同前，但/I和d的单位均为m,的单位为m/s.表1给出了利用两个公式分别求得0.065mm及0.004mm两种泥沙在不同水深下的起动流速值.由表1可以看出，小水深下，两个公式求得的值基本接近，但当水深较大时，由窦*参加本研究的还有苏晓波、袁玉拜同志.国仁公式求得的值远大于由武汉水院公式求得的值，而且两者的差别随水深的加大和泥沙粒径的减小而加大.对于0.004mm的泥

4、沙，当水深为10m时，两者相差近一倍.为了弄清引起计算结果差别的原因，我们对公式（1）,（2）作进一步分析.公式中括号前面（廿）"'，0321n（Ll土一）反映的是底部流速与断面平均流速的关系，在同一泥沙，同一水深条件下两值基本接近：括号内的第一项反映重力的作用，与水深无关，武汉水院公式中，括号内第2项0.000000605当料、窦国仁公式中的0、19（ih84-£k'd均与水深有关所以，两式在大水深下计算结果的差别必然是由这两项的差别所引起.因此，有必要对此项的物理意义作深入分析，这就必须从细颗粒泥沙在水体中的受力情况分析入手、表1由式（1）、（2）计算的

5、起动流速的比较n径mm水深cm起动流速的计算值（cm/6）粒径mm水深cm起动流速的计算值（cm/8）宴顷仁公式武汉水院公式宴回仁公武武汉水院公式1023.625.31089.389.65032.132.150123.3114.510038.736.7100150.4129、10.06550073.451.20.004500292.0188.86008耻154.1609319.5200.180。92、459.2800369.922Q.910001R3.963.91000410.5240.2二、床面细颗粒泥沙的受力情况一般说来，松散的泥沙颗粒在水体中所受的力有有效重力（重力减去浮力）、拖曳力、上

6、举力，对这些力的作用，目前的认识比较一致，对细,颗粒泥沙，除以上儿种力外，还存在着颗粒之间的粘结力，对粘结力的数匿和大小，各家的认识不尽相同.（一）龚国仁的卒虑窦国仁采用交叉石英丝试验，通过变更石英丝所受的静水压力，证实了压力水头对粘结力的影响.最后又考虑了颗粒表面与粘结水之间存在的分子引力对粘结力的影响，得出粘结力的表达式,可="五三如+9三48（3）通过动力平衡方程，最后得到起动流速的表达式（1）（二）武汉水院的考虑张瑞瑾通过研究指出细颗粒泥沙粒之间的粘结力是由存在于颗粒之间的吸着水和薄膜水不传递静水压力而引起的.经过分析，作者提出了粘结力N的表达式；N=cmP（上）"

7、+Q式中。、s、此等均为常数，利用平衡方程，最后得到式（2）.由上可知，公式（1）、（2）中括号内第2项反映的是粘结力（及分子力）的影响，而且都是通过水深，以水压力的形式反映出来的.所以，此项所表示的就是水压力对起动流速所产生的影响.用此，水深除了引起公式中反映流速分布的项（括号前面的一项）的变化外，便是通过影响水压力来影响起动流速的，我们只要弄清水压力对起动流速的影响，也就知道了水深对起动流速的影响.三、试验概况大水深对细颗粒的起动流速到底有多大的影响？这是我们所要回答的主要问题.但是，要想在试验室内建造一个能提供10m水深，并能清楚地观测床面泥沙运动情况的水槽儿乎是不可能的.所幸根据上节的

8、分析我们知道，大水深下引起式（1）,（2）计算结果差别的主要原因是水压力的作用.因此，如果我们能建造一种设备，其中可以造成很大压力或很小的压力（即压力可以有较大的变幅），即使设备尺寸不大，也可以用来研究水压力（也就是水深）对起动流速的影响.基于这种考虑，我们设计了一套矩形断面管路系统.试验设备详见图1.通过高出试验段约lim的平水塔提供稳定的流量和压力，流量用安装在试验段前的园形管路上的超声流信计测信，并用置于出口的量水堰校正；试验段长约4m,断面高0.162m,宽0.10m.在试验段中部有约长1.00m的透明有机玻璃观测段，用来观测泥沙运动情况.在观测段底部设有长0.6m,深0.02m,宽0

9、.085m的矩形槽，用来铺设试验沙样.观测段的具体形式参见图1中的局部放大图.图1管路布置图1.平水塔；2.90.20米管路；3.90.20米阀口：4.断变段；5.平秘段；6.XS8SR;7.平。段，8.断变段；9.80.15米管路；10.11.R水堰；12.R水池；13.阀门；14.流量计在观测段的侧壁上，设有一测压孔，用胶皮管与测压计相连，用来测髭试验段的水压力值.试验中分别量测了三种沙样的起动流速.沙样经过仔细的分选，其特性列于表2,1./）60=0.15的均匀沙2.0-0.065的均匀沙3.花园口泥不加分敞剂4.花回口能加分故剂1./）60=0.15的均匀沙2.0-0.065的均匀沙3

10、.花园口泥不加分敞剂4.花回口能加分故剂试验开始前，先在底部槽内铺好沙样,然来流造成的冲刷，先将试验段充满清水,度的不同组合，可以获得不同的水压力和断面问平均流速.放水后，记录流量计，量水堰，羞压计读数和床面泥沙运动情试验开始前，先在底部槽内铺好沙样,然来流造成的冲刷，先将试验段充满清水,度的不同组合，可以获得不同的水压力和断面问平均流速.放水后，记录流量计，量水堰，羞压计读数和床面泥沙运动情并与周围有机玻璃床面保持齐平.为防止夹然后放水试验，依据试验段前后两个阀门开表2试验用沙的待性况.（一）散粒泥沙的起动情况对敦径为0.15mm和。.065mm的泥沙，由于颗粒之间的粘性很小，因而，在萼来.

11、源(mm)各注I黄河花园口2黄河花园口3珠窝水库0.150.0650.004分于之间介于D.O6mmo.Q7mrn之间蒸?S水加分散刑，用比第计测床面上，颗粒以散粒体形式存在.随着试验段流量（即断面平均流速）的增大，床面泥沙颗粒经过不动、少最动，普遍动，大量动到扬动儿个阶段，这一过程随流量变化而缓慢发展.（二）粘土的起动对D=0.004mm的粘土，由于其粒径很小，床面上的泥沙颗粒不再以分散形式存在.由于粘结力的作用，颗粒相互搭接，成为一个整体，它的起动具有完全不同于松散颗粒的特点，与压密的粉煤灰的起动形式十分相似试验开始，在流晨较小时，表面上有极少的一部分颗粒缓慢运动，随着时间的延续，表面上没

12、有与泥面连成一片的费个颗粒全部被冲出试验段.这时，即使再增大流量，泥面上也无泥沙颗粒运动，.当流量'达到一定的程度后，泥面出现一条条很细的冲泻，同时也出现一些小的冲坑，开始，冲沟、冲坑很小；随若流最的增大，冲沟、冲坑不断增大，当流量超过一定值后，冲坑迅速增大，旋即整个泥面被冲起，破坏.需要特别指出的是，粘土类颗粒的起动具有很大的随机性，冲刷往往从泥面的某些薄弱处（由于铺设不均匀引起）开始.另外，局部扰动也很容易诱发床面的破坏，如果给床面某处一扰动，即使未达到冲刷流速，也会引起床面的大量冲刷,四、试验结果l. D=0.J5mm和0.065mm的散位泥沙刈于粒径为0.15mm和o.06mn

13、】的泥沙，试验结果分别列于表3和表4中.起动状客水氏力iu水柱）流浊（cm/s）10.629.428.?U通功6.531.130.70.632.03D=o.15mm的泥沙的起动流速实濯值为了更直观地分析水压力对起动流速的影响，我们把D=0.065mm泥沙的试验结果以V。P的形式点绘于图3.由图可见，同一起动状态下的点据分布于一条水平线两侧，说明水压力对起动流速没有影响.2. D=0.004mm的粘土试验结果列于表6和图4中.由图4可以清楚地看出，同一起动状态的起动流速有随水压力的增大而增大的趋势.表4D=o.065mm的泥沙的起动流速实刘值起动状态水压力（m水柱）流速（em/8）起动状杰水压力

14、（m水柱）流速9.277.284.0513.401.1610.294.2512.300.358.604.8013.200.809.206.8513.2。1.008.40普科动6.9513.203.109.007.2613.203.209.007.8013.50少酸动5.208.208.5013.205.508.509.0512.B06.309.000.1015.506.4010.200.3。?5.406.8010.204.2516.307<1010.30大量动6.3016.207.157.208.0514.509.20J0.208.2016.409.4010.408.8016.50表5计

15、算的起动流速值mm)ai力（cm水柱）焦动流速计算值（cm/。粒轻(mm)压力（cm水柱）起动流速计算慎（cm/s）窦国仁公式武汉水陇公式寞国仁公式武汉水院公式10f25.0327.081020.1623.505028.1727.495021.8923.7610031.6727.9910023.8723.970.06520037.7028.980.15020027.4024.4850051.7331.7450035.9735.90B0062.7034.2880042.8827.28100069.0535.88100046.9228.15表6。«0.004mm的粘土的起动流速宾测值起动

16、状态水压（四水柱，流速<cm/sj起动状去水出sm水祥旅速(cm./E1.1025.U1.0569.81.3526.01.9571.0开始出现冲刷痕迹）1.754.3528.530.0大量动（开始人冲刷，2.933.6576.078.36.3038.04.5088.67.5151.58.50122.59.0067.0zn心）也r-o-°o图3水压力对起动流速的影响（D=0.065mm）五、讨论如前所述，公式（1）、（2）等号右边大括号前边的因子（等广、0.321a（11去）反映的是底部流速与断面平均流速的关系.在本试验断面和泥沙粒径固定的条件下应为常数.大括号内第一项反映了重力

17、（即颗粒的水下重量）对阻止泥沙颗粒运动的作用，该项与水深或水压力大小无关.大括号内第二项反映了粘着力对阻止泥沙颗粒运动的作用，该项随水压力加大而加大.如按公式计算，对于D=0.065mm的泥沙颗粒，固定水深（计算时取为管道断面高的一半）下的起动流速（亦即两项之和乘一常数）随水压力的变化如表5所示,也即随着水压力的增大，计算的起动流速明显增加.这一点是与图3的试验结果不一致的.从粘着力的物理成因考虑，也只有薄膜水起重要作用的颗粒小于0.030.02mm的泥沙颗粒才能产生粘结力.而这是与试验结果一致的.按照窦国仁公式（1）,当水深达到10m时，即使是D=0.5mm的泥沙，大括号内第一项和第二项的数

18、值大致相当，也就是粘着力的作用和重力的作用大体相当.这样一个结果似乎与薄膜水和粘着力的概念不一致.对于D=0.004mm的更细颗粒，试验中显示出起动流速随水压力增大而增大的明显趋势.这是与公式计算的总趋势是一致的.只是窦国仁公式和武汉水院公式都是明巢水流的起动流速公式，而我们的试验是在管道中进行的，所以试验结果无法与上述公式的计算值直接进行比较.但我们可以设法进行相对的比较.以武汉水院的起动流速公式为例：U=（-j）°U（1.7677d+0.000000605%土F）%前面已经指出，（h/d）。*为考虑流速分布的修正项，如果把管道沿中心切为对称的上下两半，可以认为管道上下两半的流速分

19、布均与水深为H/2（H为管道断面高）的明渠水流相近.那么，这就可以用H/2代替（中的瓦我们的所有试验都是在同一讶道中进行的，H/2是个固定值.大括号中第二项中的R则为水压力所对应的水柱高，可由差压计的读数换算得出.这样便可以算得不同水压力P条件下的起动流速.对于窦国仁公式，也可以用类似的方法算得不同水压力P条件下的起动流速.实测资料中有P=l.05m水柱时的起动流速数据U（P）,可以用作相对比较的起始点.用如下参数：,U（P+P）-U（P）八=U（P）反映水压力增大ZP以后起动流速增大的相对程度.式中U（P+ZP）是压力增大到P+ZP以后的起动流速.实测的和用两个公式计算的人值列如表7.表7D

20、=0.004nrm的泥沙实测和计算的八值JP（m水柱）武水公式甘算值窦国仁公式计算值im水枕）实浏值武水公式廿算值窦国仁公式计算值00002.600.1220.1110.4220.900.0J70.0400.1643.450.2680.1450.5341.900.0890.0800.3217.450.7550.2930.931)由表可见：实测的A值介于两个公式的计算值之间.窦国仁公式计算得出的起动流速增大程度较实测为大，武汉水院计算得出的起动流速增大程度较实澳为小.这里还应指出；试验用管道断面窄深，两壁会对水流产生一定的影响.而这一除响目前尚难加以定量估计.这也是在作出以上分析时应加以考虑的.

21、六、结论通过个水压力可以调节的专用设施，用三种泥沙进行试验的结果，可以得出以下认识.1.对于D=0.15mm和D=0.065mm的泥沙，水压力的变化不会引起起动流速的变化.而根据现有的公式计算，起动流速会因水压力增大而增大.2. 对于D=0.D04mm的泥沙，随着水压力的增大，起动流速明显增大.起动流速增大的程度介于现有二个公式的计算值之间.3. 以上情况表明：对于细颗粒泥沙的起动问题，还需做更多的工作.特别是大水深（或压力）下的起动条件更应着重研究.参考文献1安国仁，论泥沙起动流速.水利学报，I960年第四期.2武汉水利电力学院，河流动力学.中国工业出版社.1980年.C3万兆惠、朱天成等，干贮灰辖水竖井的泥沙水力孕试验研究报告.水利水电科学研究院，1988年4月.商通海域有个“百暮大三角&qu