细颗粒原状土起动流速试验研究.docx

1、人民长江YangtzeRiver文童编号：1001-4179(2016)16-0092-03细颗粒原状土起动流速试验研究周娘微，鸟洪安'2,昧火可心，刻诚容,玉歧邮1,2（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098；2.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南景210098）摘要：为了得到更为客观科学的泥沙基本活动规律，利用有压矩形管进行了结颗粒泥沙起动试脸。试验结果表明，管内水压力对细颗粒泥沙的起动有重要影响，水压力越大，管中泥沙起动断而平均流速和起动切应力越大。根据有压矩形管的水流分布特牲和水压特点，将矩形管中水流转换为普通明渠水流，转换得到的明渠中泥沙起动垂线

2、平均流速与试验矩形管中泥沙起动断面平均流速基本相同，验证了利用有压矩形管进行细颗粒泥沙起动流速试验的可行性和代表性。在试检矩形管与实际明渠的泥沙起动流速转换过程中，并未考虑不同水柱高度下曼宁槌率系数的变化，这方面还有待进一步研完。收fll日期：20I6-04-21.基金项目：国家自然科学基金资助项目（51509080）作者简介：周雅.男，硕士研完生.研究方向为波浪与建筑物相互作用。E-mail：867652593关键词：矩形管；泥沙起动；如颗粒；原状上中图法分类号：TV149文献标志码：A1研究背景随着我国海岸带资源的不断开发，越来越多的工程在施工过程中遇到与细颗粒泥沙起动特性有关的问题。以往

3、对泥沙基本运动规律进行试验研究时，采用的试验装置主要是普通明渠水槽和环形水槽，'2,o细颗粒泥沙往往带有黏性，临界起动条件很强，普通明渠水槽和环形水槽中无法达到试验所需的起动流速和起动切应力，因此部分专家学者设计了有压矩形管来进行细颗粒泥沙的起动试验。时连强以2004年4月在工程位置处取得的一个30m沉积物柱状样为例，运用矩形管研究了黄河三角洲潮滩原状沉积物临界起动切应力与含水率、中值粒径等物理指标之间的关系；张强根据矩形管中试验资料，结合力学特性确定了影响人工填筑黏性土起动冲刷的主要因素，根据试验结果分析人工填筑黏性土起动切应力与各影响因素之间的对应关系，并提出了量纲和谐的起动切应力

4、公式41；蒋磊选加通过筛分和沉降分选处理得到的黏性泥沙在矩形管中进行起动试验，发现黏性泥沙往往以成团的方式起动，且黏性泥沙成团运动服从于一般泥沙的状态转移规律。DOI：10.16232/ki.1001-4179.2016.16.020综合前人研究成果可以看出，在矩形管中进行试验可以满足细颗粒泥沙的起动流速要求旦便于设置沙样，但要对矩形管中试验资料进行分析，就必须要先解决矩形管中试臆结果的代表性问题，而这方面的研究目前还很少。因此本文利用矩形管进行细颗粒原状土起动特性试验，分析了矩形管中实测泥沙起动断面平均流速与实际明渠中泥沙起动垂线平均流速的转换规律。2试验方法本文试验沙样取自晋江河口，根据采

5、样的级配表，可确定沙样的物质组成以细颗粒沉积物（粉沙）为主,泥沙非均匀性强，级配较宽，具体粒径分布的特征值见表lo11试验沙样粒径分布特征值mm组次"io奴YZK-10.0030.0330.244YZK-20.0020.0280.149YZK-30.0030.0200.125矩形管试验段长2m,截面尺寸为15cmx3cm.取土器外径为10cm,沙样筒上、下游各布置一个测压试验泥沙起动标准为沙样表面中心处泥沙少量运动且剥离位置明显增加。试验时为防止突然来流造成冲刷，先加水至水流充满整个试验段且流态稳定，再顶推沙样使其表面暴露于矩形管底面，调节试验段前后两个阀门，记录在不同水压力下试验沙

6、样达到起动标准时矩形管中的流虽及上、下游测压管水头如、奴，则可得到矩形管中泥沙起动断面平均流速：优=(1)式中M为截面面积,m%起动切应力：re=yRS-h2)/L(2)式中，丁为水的重度，N/m。R为矩形管水力半径，m；为两测压管间距，m。3矩形管与实际明渠中水流转换规律矩形管道中雷诺数：Re=Ud/v(3)式中，为管道断面平均流速，m/s；dh为当最直径，dh=4R,m；u为水的运动黏滞性系数,m2/so由式(3)计算得本文试验条件下的Re为1.5x109x10",在4x10s2X106范围内，因此试验矩形管中水流流态为紊流。J.Niknradse对矩形管的流速分布进行研究小刀，

7、提出对充分发展的紊流，矩形管内任一截面上沿流动方向的分布如图2所示。在壁面上，.。=0；在中心线上，=J.,达最大值。洪大林采用粒子图像测速系统对矩形管道流速分布进行了测得到其垂线流速分布结果如图3所示，并根据对数流速分布公式计算了摩阻流速。图3实测矩形管中流速分布由水力学基本理论可知，明渠紊流符合对数流速分布，因此本文将矩形管沿高度方向中心线切分为上下对称的两半，则下半部分的流速分布均与明渠水流相近，下半部分的平均流速即为矩形管中的断面平均流速。本文试验装置测压管从矩形管试验段底部伸出，测压管中水柱高度为如。可以设想，矩形管中下半部分为水深为D/2(D为矩形管高度)，大气压为(叫-D/2)的

8、明渠水流；而若在明渠水槽中进行试验时，大气压为0,因而本文的目的是将水深为D/2,大气压为(-。/2)的明渠水流转变为水深为'，大气压为0的明渠水流。作用于管道壁面的切应力r与摩阻流速u.之间的关系：t=yRJ=pu(4)式中，P为水的密度，kg/m>J为水面比降，本文中取泥沙起动时水面比降/=(站f)/L°由谢才公式可得到明渠水流垂线平均流速uu=C何=Cu./g(5)式中，。为谢才系数,C=上R机m。1%；几为曼宁糙率n系数，本文试验选用晋江河口沙样相对较细/值取为0.02,无量纲;R为明渠水力半径，对于宽浅的河口地区，比约等于水深，本文计算中取为根据河流动力学可知

9、，土质相同的情况下，试验室条件下起动摩阻流速与天然条件下起动摩阻流速一致。洪大林通过同时在矩形管和明渠水槽中进行试验，也验证了在流速较小的情况下，管道中起动摩阻流速与明渠中起动摩阻流速近似相等。因此由式(4).(5)可计算得出，不同水柱高度下相应的明渠中本文原状土起动时的垂线平均流速虬o4试验结果分析表2所有沙样试验结果组次W7W%/(m»')(、/)m("»$-')VZK-10.9552.260.0482.350.8768.280.9892.410.0493.350.9593.061.0352.620.0514.351.044-0.821.095

10、2.890.0545.251.132-3.38YZK-20.5960.930.0312.350.5625.720.7861.590.0403.350.7781.040.9252.130.0464.350.942-1.890.9832.380.0495.251.027-4.52YZK-31.1413.110.0562.351.0279.991.4214.580.0683.351.3236.921.4955.020.0714.351.4453.541.7816.840.0835.251.7412.23ii：rr为起动切应力".c为起动摩阻浪逢，七为明渠中泥沙起动垒钱U-u平均浪速。相时误

11、差公式E=''x100%。七从表2中可以看出，随着水柱高度的增大,试验沙样的起动切应力和矩形管中泥沙起动断面平均流速也增大。表明水压力对细颗粒泥沙的起动有重要影响，且起动条件与水压力成正相关。对于试验沙样，不同水柱高度下矩形管中泥沙起动断面平均流速与通过本文上述转换规律计算所得的实际明渠中泥沙起动垂线平均流速基本相同，相对误差在10%以内。表明对于明渠中某一水深下的泥沙，可通过将该处泥沙取样并在矩形管中相同水柱高度条件下进行试验得到其起动切应力和起动流速。这里还应指出：本文计算不同水柱高度下谢才系数时曼宁糙率系数n均取为0.02,但前人研究表明水深对几值也会产生一定的影响。何建

12、京通过在光滑壁水槽中进行均匀流试验提出对一段确定的明渠'"，糙率系数随水深的增加而减小；H.W.Shen例举的混凝土护面渠道中的实测数据却表明水深的增加会引起M值的增大:因此明渠糙率系数不仅表征壁面粗糙程度，还受水深等水力要素的影响，是一个综合水力摩阻系数，关于这方面的规律仍有待进一步研究。5结论(1) 本文选用晋江河口的细颗粒原状土在有压矩形管中进行了泥沙起动试验，试捻结果表明水压力对细颗粒泥沙的起动有重要影响，且起动条件与水压力成正相关。(2) 试验矩形管中水流流态为素流，流速分布为上、下对称的对数流速分布。基于此本文将矩形管沿高度方向中心线切分为上下对称的两半，认为下半

13、部分的流速分布与明渠水流相近，试验测压管中水柱高度即为相应的明渠水深。通过谢才公式计算得到相应的明渠中泥沙起动垂线平均流速并与试验矩形管中泥沙起动断面平均流速进行对比，发现两者结果基本一致，表明矩形管中进行细颗粒泥沙起动特性试验可行，管中水柱高度等于明渠水深时，矩形管中泥沙起祁实测断面平均流速即可代表实际明渠中泥沙起动垂线平均流速。(3) 本文运用谢才公式计算不同水柱高度下明渠中垂线平均流速时曼宁糙率系数n均取为0.02,前人研究表明水深对n值有一定的影响，但这一影响目前尚难以定量估计，关于这方面的规律仍有待今后的进一步研究。参考文献：(1RavensTM,GschwendPM.Flumeme

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15、13,46(1):6-9.6 NikuradseJ.UntersuchungUberdieGesehwindigkeitsverteilunginturbulentenStromungenJ.EonchungAufDemGebietDesInge-nieurweaensA,1926,281：1-44.7NikuradneJ.GeselzmaigkeitenderturbulentenSlromunginglattenRohren(Nachtrag)J.ForachungAufDemGebietDesIngenieur-wesensA,1933,4(1)：44-44.81洪大律，坍国斌，中欲，等

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17、机容量最大、转轮直径也最大的3叶片灯泡贯流式机组。2015年4月，在瑞士洛桑联邦理工学院水力机械实驶室的中立试验台上完成了对模型的验收试验。该验收试验的成功，标志着东芝公司和东芝水电在对灯泡式水轮机的研发方面又上了个新的台阶，也为将来承接更大容量的灯泡式水轮机设计方面的合同奠定了良好的基础。参考文献：11EC60193；1999Hydraulicturbines,Moragepump*andpump-turbines-Modelacceptancete»t8(S.2 GB/T15613-2008水抡机、营能泵和水泵水轮机模型脸收试脍S.(3) 邓玉章.漆桑水力机徒试食室介绍东方电气评

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19、及分析方法J.中国水能及电气化.2012(11):61-64.(10)卢池，陈梁年，媳丹.空化系数对灯泡式水伦机力轴柱影响的试登研完【C中国动力工棋学会水轮机穹北姿员会第十九次中国水电设备学术讨论会论文集.哈尔演：黑龙江科学技术出版社,2013:394-398.U李广府，卢池.妮丹.基于模型试检的灯泡式水伦机轴向水推力研中国农村水利水电，2014(12)：176-179.(蜻林：赵秋云)ModelacceptancetestforTugutangHydropowerStationonXiangjiangRiverLUChi,CHENLiangnian(HydraulicMachineResea

20、rchLaboratory,ToshibaHydroPower(Hangzhou)Co.,Lid.,Hangzhou310020,China)Abstract：InordertoexaminethehydrauliccharactersofmodelturbineofTugutangHydropowerStation9themodelacceptancetestwascarriedoutonPF1rigofEPFLinLausannetSwiss.Thetestincludedtheefficiencytoutputvcavitation9pressurefluctuation9runaway

21、,Winter-kennedyindexandaxialhydraulicthrusttestetc.ThetestresultsshowedthatlhemodelturbinedevelopedbyToshibahadmetorexceededtheguaranteevalueofcontract.Themodelacceptanceteststandard,laboratoryforhydraulicmachinesofEPFLandnoticeintheacceptancetestareintroduced.Itcangiveareferenceformode)testandmodel

22、acceptancetestofhydraulicturbines.Keywords:modelacceptancetest;independentlestrigcombinederror；bulbturbine；TugutangHydropowerStation(上接第94页)ExperimentalstudyonincipientvelocityofundisturbedfineparticlesoilZHOUYa'*2,MAHongjiao1*2,CHENDake*2,LIUChengrui12,WANGYana'2(1.CollegeofHarbor,Coastalan

23、dOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China；2.KeyIxiboraloryofCoastalDisasterandDefenceofMinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)Abstract:Theincipientmotionoffinesedimentistestedinapressuredrectangularpipewithdifferentwaterhead.Theresultsshowthatthewaterpressuregreatlyinfluenceslheincipientmotionoffinesedi