徐聞電廠附近泥沙起動流速實驗研究.docx

1、徐聞電廠附近泥沙起動流速實驗研究董志慧，劉瓊軼（珠江水利科學研究院，廣東廣州510611）摘要：通過對徐聞電廠附近現(xiàn)場沙樣淤積后進行泥沙起動流速實臉，研究起動流速與淤積歷時、水深之間的關系，指出泥沙起動流速隨著淤枳歷時、水深的增大而增大；井用3種常用公式進行了對比分析，鼓后由實驗數(shù)據(jù)提出現(xiàn)場泥沙起動流速的經(jīng)驗公式。關鍵詞：泥沙；沉積歷時；水深；起動流速中圖分類號:TV142文獻標識碼：B文章編號：1008-0112（2010）02-0009-03、收稿日期：2010-01-04；修回日期：2010-01-15作者簡介：螢志慧（I972-）,男，碩士.高級匚程師，主要從事水利工程及泥沙運動力學研

2、究。引言擬建大型燃煤電廠位于由州半島南部的徐聞縣，其東南西臨海。由于該處具有典型的海岸地區(qū)特點，是水動力和物質交換過程相互作用較為活躍的地帶，也是受人類活動影響顯著的地區(qū)。在這些相互作用的過程中，泥沙運動通常起著紐帶作用。因此，開展泥沙運動規(guī)律研究十分必要。由于該處泥沙屬于細顆粒泥沙,其起動流速主要取決于內部組成結構、淤積環(huán)境及水流條件等因素。為此,本文對不同淤積歷時后的沙樣進行水槽泥沙起動流速實驗，以研究泥沙起動流速與淤積歷時、水深之間對應變化的關系。1實驗概況1.1實驗沙樣實驗泥沙粒配曲線見圖1.泥沙中值粒徑久。約為0.011mm,以粉沙和淤泥為主，屬于淤泥質粉沙，其容重為2.65g/cm

3、3olooI.|11III!|11|90七80L、70-r4+40一-、或30I20fI。0IlliUlLLJ-J-l.J10.10.010.001粒徑/mrn圖1徐聞電廠泥沙粒配曲線1.2沙樣預處理將現(xiàn)場所采沙樣置于干凈的塑料盆中，加適M：水攪拌均勻，靜置24h后將盆內析出清水去除，繼續(xù)攪拌均勻后將沙樣裝入試樣盒內。然后將沙樣盒置于水深約30cm水池中進行水下淤積，淤積ld、10d、20d、40d、60d及80d后分別取出進行泥沙起動流速實驗。1.3實驗裝置實驗在改裝后的平坡矩形玻璃水槽中進行，如圖2所示，水槽長度為30.00m,寬度為0.30m,高度為0.40m,槽底為大理石平面。實驗水槽

4、為自循環(huán)式,用水為自來水。水槽的流雖由一個手動閥門控制,通過量水堰讀取大小;水深由下游尾門控制.通過水尺量取深度;用LS-3C光電流速儀測量平均流速、溫度計測量實驗水溫。為了便于觀測泥沙運動情況，在水槽中用磚、水泥及大理石壘出一個長0.10m、寬0.30m、高0.05m的凹槽，用于握放沙樣盒，以保證實驗時盒內沙樣與水槽底部平面齊平。為了避免水流撞擊槽墻而產(chǎn)生波浪，在觀測段前方設置2.50m長的過渡段，過渡段前沿做成楔形。觀測段后方設置1.50m長的過渡段，從而使水流在床面上呈現(xiàn)均勻紊流的性質。1.4起動標準本實驗用水槽斷面中心線的平均流速（相當于現(xiàn)場的垂線平均流速）率定，判別原樣沙的起動條件，

5、采用定性標準判別泥沙是否起動，即將部分床而有泥沙“少量動”時的垂線平均流速定為泥沙臨界起動流速。圖2泥沙起動流速實驗系統(tǒng)示意2實驗成果分析2.1淤積歷時對泥沙起動流速的影響從實驗成果統(tǒng)計表1和圖3可以看出，隨著淤積歷時的延長，實驗沙樣起動流速呈增大趨勢在起動系列實羚中，對于同一水深，沉積Id的泥沙起動流速最小.沉積80d的泥沙起動流速最大，沉積1060(1的泥沙起動流速介于兩者之間。從實驗結果可以得到，在實驗水深為20cm時、沉積Id的泥沙起動流速為67.6em/s,沉積80d的泥沙起動流速為80.6cm/s,沉積1060d的泥沙起動流速在74.278.5cm/s之間。由此看來，淤泥的起動流速

6、與沉積時間密切相關。分析其原因，主要是在重力作用下，淤泥間的孔隙率降低,變得密實,引起泥沙的干容甫變大,淤泥的粘結力增強，沉積后的泥沙會發(fā)生一定程度固結現(xiàn)象，且隨著沉積時間的延長，淤泥固結度會有所增高，從而導致淤泥的起動流速有所變大。由于天然泥沙淤積歷時難以準確確定，在實際應用過程中，泥沙起動流速與淤積歷時之間的對應關系，表現(xiàn)為泥沙起動流速與干容重之間的對應關系.即泥沙起動流速隨干容重增大而增大，其增加速率由泥沙性質決定。參照前人的研究成果，粘性泥沙起動流速公式為：V=0.28(y'/y)”嚴瞄式中，'為泥沙干容重；y'“為泥沙起始卜容重,河道粘性泥沙采用特賴斯克資料加

7、權計算,水庫淤積物采用漢姆勃里資料加權計算;S為粒徑小于0.005mm的粘性顆粒百分含量。由物理特性實驗可知，沉積80<1的泥沙干容重為0.90kg/m通過公式計算泥沙起動流速為94cni/s；由實測資料顯示，現(xiàn)場泥沙粒徑為0.005mm,含量:約為35%,泥沙起始干容重為1.01kg/m4以計算泥沙起動流速為199cm/so2.2水深對泥沙起動流速的影響由表1和圖3可知，泥沙起動流速與水深呈正相關關系，且隨著水深的加大，泥沙起動流速亦隨之增大。通過系列泥沙起動實驗，沉積(1的泥沙在水深為7.0cm時對應的起動流速為49.9cm/s.在水深為18.1cm時對應的起動流速為64.8cm/s

8、,在水深為29.2cm時對應的起動流速為76.7cm/s；沉積60d的泥沙在水深為1l-Ocm時對應的起動流速為66.Icm/s,在水深為18.0cm時對應的起動流速為76.lcm/s,在水深為30.8cm時對應的起動流速為88.3cm/s；沉積其它天數(shù)泥沙起動流速與沉積Id和60d的類似。表1徐聞電廠附近泥沙起動流速實驗統(tǒng)計沉積起動流速沉枳沉積起動流速水深水深起動流速水深歷時歷時歷時/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：實驗水溫為26.8Y圖3不同沉積歷時泥沙在各水深下的泥沙起動流速2.3實驗成果與以往公式的比較對于新淤粘性上的起動流速問題，竇國仁、張瑞瑾及沙玉清分別得出了適合不同大小顆粒的起動規(guī)律，且3種常用公式計算出來的結果也相差不多。從實驗成果統(tǒng)計圖4可以看出，沉積Id的泥沙在不同水深下的起動流速與3家常用公式計算值比較接

10、近。而沉積10d至80d的泥沙起動流速均大于常用公式計算值，且沉降歷時越長，實驗值與常用計算值的差值越大;其中，沉積10(1相差最大值為7.7cm/s,沉積20d相差最大值為9.7cm/s,沉積40d相差最大值為10.Icm/s,沉積60d相差最大值為16.5cm/s,沉積80(1相差最大值為17.4cm/s。分析實驗值與常用公式計算值差別的原因，主要有兩方而：-是常用公式針對新淤粘性土的起動流速,其泥沙的密實度較低,干容重也較小，顆粒之間的粘結力亦不大，此時的泥沙起動流速相對較小，比較容易起動;二是系列泥沙起動流速實驗采用沉積不同歷時的淤泥，沉積Id的泥沙密實度較低，比較接近新淤泥，故其起動

11、流速較接近公式計算值；隨著沉積歷時的延K,泥沙的密實度有所增高，出現(xiàn)不同程度的固結現(xiàn)象，且沉積歷時越久,泥沙固結度就越高，泥沙越難起動,其起動流速就越大，所以沉降歷時久的泥沙起動流速與公式計算值出入較大。(£二爻說15M|<|Itt90080.0-實白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實9心*仁

12、.作王楠S0010.0015.0020.0025.003000水恤”5000實狩WIHf-步21.0021.5022.0022.5023.0023.5024.00水WH/rm圖4不同沉積歷時的泥沙起動流速與常用公式比較(«蜓S3*（本文責任編輯羅容）2.4泥沙起動流速經(jīng)驗公式根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得出沉積Id的泥沙起動流速經(jīng)驗公式為：Uc=1.075x臚29式中上為泥沙起動流速,m/s；為水深，mo圖5為本次提出泥沙起動流速實驗公式與其它3種常用公式的比較關系，總體來說，實驗公式計算值與3種常用公式基本一致，與常用公式最大值的絕對誤差在5cm/s以內。由本次實驗公式測算出現(xiàn)場原型水深對應的泥沙起動流速,2.00m水深下的泥沙起動流速為1.31m/s,4.00m水深下的泥沙起動流速為1.61m/s,6.00m水深下的泥沙起動流速為1.81m/s,8.00m水深下的泥沙起動流速為1.96m/s,l0.00m水深下的泥沙起動流速為2.10m/S