细颗粒塑料沙的群体沉速及起动流速试验研究.docx

1、vii*»、顽feqvipcum水利学报19强年ISHUILIXLEBAO细颗粒塑料沙的群体沉速及起动流速试验研究陈椎琥、王光谦'詹秀玲九/提要g本文册充了细啊忙塑料沙的推体沉速，攵起动流速认为望料沙有可能保证各粒径级的沉降和起的与入然悬移质泥沙相似.彳山、¥人关键词掣枇、附无速，耍年速.迎相似.麻擎速陇f、刖M在河工模型试验中根据相似准则、股均妥迷择轻质沙作为模拟悬移质的模型沙，目前常用的模型沙材料白煤粉，电木粉、塑料沙等.其中前两种材料价格适中，加工方便，可粉碎成各种粒径，但这两种材料的细颗粒沙,起动流速偏大，特别是在粒径小于0.1mm后，其粘性和凝聚力都相当大

2、，凝聚力的大小随水下沉积时间的增加而增加，相应的起动流速也大幅度增加，与天然沙的起动是否相似已引起争议r23.垫料沙（学名苯乙烯二乙烯苯，系制造离子交换柑脂的中间产品，比重1.053）在市场能提供的粒径范围内0,27mm）.经试做其起动流速和原型要求较易相似,已被多家试验单位采用但是大型水库坝区的模型试验往往需要模拟相当细的悬移质泥沙，而塑料沙能否粉碎，粉碎成细鞭粒后其起动流速如何变化，能否仍与原型保持相似.这关系着包括长江魂大坝R泥沙模型试验在内的一些模型选沙能否成功的问题，为此我们进行了一系列细颗粒塑料沙的群体沉速和起动流速试验.二、塑料沙的物理性能粉碎塑料沙是相当国唯的，国外采用液氛冷冻

3、下超低温粉碎法、成本昂贵，现采用在常温下粉碎的国产胶体磨法.用置换法测得塑料沙的比函为1.053,干容5：0.656,显微照像显示外观不规则，4*<|-W934fvHI81IM.与天然泥沙外型相似.试验选用的儿组沙样级配见表1.君I各组望料沙的融粒级配<J(mml<0008<0.020<0040<0.0X0<0.100<0.180<0.280<0400mm)4IP%>1.654.0610.*15.T8253749.73969499一309933013524.U34.745H.OO83,4ICO0120GECj.M16723234

4、48.48554679.?O98.3999,4199.460.081DiPU7.20245047.5084)0lOd.OO0.04三、塑料沙的沉速“'犊T图i沉降试常示意粉碎后的塑料沙颗粒很细.且级配下均，如果用常规方法做沉降试验，则单颗粒沉降时用肉眼儿乎无法观测，作群体沉降也不易观测且因颗粒粒径不均匀很难测出其平均沉速.我们采用沉降简做一定浓度塑料沙群体沉降的试验方法，即将同一组.塑料沙配成3种浓度的浑水，分放隹3卜沉降筒中充分搅拌均匀，停止搅拌后即开始记时，并同步量测筒底淤沙的厚度（见图1）,可认为每一小层淤沙的平均沉速应等于平均沉降距离L./2除以对应的沉降历时小这样可W下式计算

5、不同时刻"时塑料沙的沉速将测得的各组塑料沙的",关系示于图2.由图可见，同一组沙在试验所取用的含沙浓度范围内其匕一饱关系很好.可见在低浓度群体沉降条件下，沉速基本上不受含沙浓度的影响.CfiXWMIS-JSj/re1msI-IrttlS-lkf/®'?00*1.smtMI5>5an»；.I甲均guowae，图2塑料沙群体近速试脸结果在沉降全部结束后.量测筒底淤沙总厚度汉并以5/2处计算出的以做为与这一组沙样的中值粒径相应的沉速.电此可用Slokes公式算出该组泥沙的中值粒径计算出的中值粒径与离心颗分仪测定的中值粒径相当一致，如表2所示；可认

6、为塑料沙在试验粒径和低浓度范围内(522kg/n?洪沉降基本上仍遵循Stokes公式，这是因为此时体积比含沙量小于2%.根据麦克诺恩及林秉南的分析，当体积比含沙量在0.35-2.25%以内时，仍可用低含沙量条件下的沉速公式.、特别是对沉速比天然沙小的轻质塑料沙，颗粒间的相互影响也较小，所以在低浓度条件下仍采用Stokes公式计算其沉速是可行的.&2两组塑料沙的沉降试验实测粒径imm)中径沮速cm/s)计算粒径mm)B期0.0810.0140.078Cifl00410.00480.040四、起动流速试验(一) 试验设备及方法起动流速试验在宽0.3m,中进行,成验时槽底平铺5cm厚的塑料沙

7、，调整槽底坡度，使水槽中水流成均匀流状态运动.在不同水深条件下测得泥沙起动时断面的垂线流速分布.起动状态定为：第一，少量起动.即断面上有10%左右的颗粒呈极细的缕状运动；第二，全面起动，即床面上有70%左右的颗粒成准层状运动.各次试验的水深在3.512cm,水温变化在11一18C之间.(二) it验成果将各粒径组塑料沙起动流速试验的成果点绘于双对数纸上,如图3.可看出塑料沙的起动流速和水深的关系规律明显，由图3可得出以下认识：高0.4m,长17m的活动玻璃水槽>OB6AftttlR«WtX91l«d-OI35mrar,»l052全裁朝动vls.nshL少M功

8、V°-3873H'、d-O.MlrwD>/-1052468220Hc«>CS：ltW»Wt>l9JM0)d004IrniD，/"1.052.一全J起动、'-635H'少，祝动V.-45IH17*>ss全aha动Lssih“(1)塑料沙的起动流速随水深的增加而增图3墨料沙起动流速试验成染大，并与水深H的1/6次方成正比.在各种起动情况下起动流速外与水深打的关系可分别用表3所列公式表示.3起动流速关系汇总祖刻中值皆役起动状会少访起动全血起功A0.135仁=堀7由*，产5.OO5H，B1(,=4107/4七=53

9、加bC0.0X1矿u=5.5l/''D0.041°=4.91h'*匕产6.35H*(2)在试验研究的塑料沙粒径范围内、起动流速随粒径的减小而增大、即随粒径的减小而变得越来越不容易起动、这与细颗粒天然沙的性质是一致的、其原因不仅是由于近壁层流层的隐蔽作用、而且在很大程度上是受细颗粒泥沙之间的粘结力的影响，问图4考虑颗航间粘性后所得到的起动流速与牧祥间的关系图4考虑颗航间粘性后所得到的起动流速与牧祥间的关系题的关键是细塑料沙的粘结力与天然泥沙是否相似.(三)关于天然沙的起动流速对天然细颗粒泥沙的起动问题、窦国仁、武汉水利电力学院、唐存本及沙玉清等都进行过研究，各自

10、得出了适合不同颗粒的统一起动流速公式，图4为当水深15cm,y4=2.65g/cm?条件下各家公式的比较.由图可看出，对于细颗粒泥沙这些公式的计算结果相当一致、即无论采用什么样的粘结力表达形式、其描述的细颗粒间的粘结力对起动流速的影响都相当准确.本文试用武汉水院的公式(3)来计算细颗粒天然泥沙的起动流速；计算结果即枣4所示.%=(夸广T17.6D+0.00000060571.(3)友4天然细颗粒泥沙的起动流速单位：IH/S水深(ml00100.0250.0500.10-0.250.501.0()1015230.92450.551<).4830.5280.637202.05313090.9

11、450.6750.5820.6050.753(四)关于塑料沙的起动流速相似问题拟将塑料沙用于三峡工程坝区泥沙模型试验，模型几何比尺2产九=】80,由重力相似导出九=13.41,沉降相似为扁=0.65.由此算出由相似条件要求的模型沙起动流速，并与水槽试验实测的塑料沙起动流速同绘于图5、图中还绘出了o=O.24mm的一组塑料沙的起动流速：匕=3.41才6.这是早期清华大学在同水槽中试验的成果.由图5可看出，在模型试验将要研究的主要粒径范围内(d=0.041T).24mm),我们所选用的粉碎的塑料沙的起动流速基本上勺原型沙相似.细颗粒塑料沙较恰j天然细泥沙的粘结力作用，即随看粒径连渐变细其起动流速亦

12、世淋增加.it听加的打势与天然细泥沙的增加趋势大体一致.如夸虑重，作用和祜结仰M屈U烦杓;皆恤J的影响、可将塑料沙的起动流速与粒泾的盖系可立如11、"£的式.修广J号云-式中K为包括粘结力作用在内的系彩，以试验资料同IH可点K=1.95og：。一()】7ogD4-0.72,(5)式中D为颗粒直径.以mm计.适用i:D<0.25mm的细我袍M沙.川上逑阳'：<i,D<0.25mm的细颗粒塑料沙的起动流速.料代D(mm】料代D(mm】U5您求塑料汁起前成改1尹测室$击迷M1崩藻R这就是说，选用比重为1.05左右的塑料沙,有可能配制出与原惜悬移质淮沙柘倒

13、.的级配.而且级配中各粒径的泥沙可以与原型对应粒径组的泥沙其沉降和起动都同时H1似，即在相似的水流运动条件F,塑料沙可较好地叟演和预报天燃河道中的对沙冲:的和河床演变.和仅仅模拟单一特征粒铃泥沙的起动相似的设计相比、堤高-劣.五、结论(1) 粉碎后的细塑料沙在低浓度(522kg/奇条件卜其群体沉速基木MSloke、公式.(2) 细塑料沙的起动流速受重力和粘结力两种作用力的影响，经试验其起动流逸祈用式(4),(5)计算.经与细天然沙起动流速对比，和时应粒径级泥沙起动流速肉能较好的保持相似,使泥沙模型选沙设计中起动相似程度明显提高.(3) 由于塑料沙的沉降和起动均能与天然泥沙相似、故可同时模妆天然

14、泥沙冲融相似，是一种较好的模型材料.(下转第10研能普资讯hup:/<'Abstract«Basedon(hephysicalmodelsdescribingtheevaporation-transpirationonSPACandthewater-thermalconditionsofsoil,thehumidity-temperatureequationofthecanopyreflectingthecoupledrelationbetweentheevaporation-transpirationfromthefoliageandthewater-thermalc

15、onditionsofthesoilisdeduced.Acouplediterationmethodthatcanbeusedtoquantitativelydepictthecoupledrelationandtosolvetheevaporation-transpirationfromthefoliageand(hewater-thermalregimeofthesoilsimultaneouslyisdeveloped.Thereliabilityofthismethodisverifiedbyexperimentalresult.KeywordsSPACsystem,evaporat

16、ionandtranspiration,watermovementandheattransfer,thecouplediterationmethod.(匕搀第28页)参考文献府仁寺.卢永清，陈稚聪，岩质沙的起动流速.泥沙研究，1993年第1期.:、：T兴华善.轻质沙的基本物理性能.七五"国家重点科技攻关三峡工程泥沙和航运关键技术，消华大学水电系1990年10月钱'克万兆惠,泥沙运动学科学出版社.1986年.(4."E技仙等,长江葛洲坝枢纽回水变动区泥沙问题的模型试验研究.清华大学水利系1980年.ExperimentalstudyofsettlingvelocityandincipientvelocityoffineplasticparticlesChenZhicongWangGuangqianZhanXiuling(TstnghuuUniver1AbstractTheexperimentalstudyresultsofsettlingvelocityandincipientvelocityoffineplasticparticlesar