黃土和淤泥沙對(duì)鋼結(jié)晶物的懸移質(zhì)私流試驗(yàn)_第1頁(yè)
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黃土和淤泥沙對(duì)鋼結(jié)晶物的懸移質(zhì)私流試驗(yàn)

黃河沙和黃沙用于測(cè)試水流輸送的極沙量(即飽和含沙量)。這項(xiàng)試驗(yàn)始于1947年。中央水利實(shí)驗(yàn)局(現(xiàn)南京水科學(xué)研究院)于1947年提出了“黃土水流限制含沙量試驗(yàn)計(jì)劃”,并設(shè)計(jì)了鋼罐試驗(yàn)裝置。中華人民共和國(guó)成立后,南京水利實(shí)驗(yàn)于52年7月竣工。54年,進(jìn)行了一次飽和隨沙試驗(yàn)。1955年至1957年,進(jìn)行了四種類型的飽和隨沙試驗(yàn)。1958年,初步報(bào)告(油?。┟鞔_表示,由于水流懸浮沙和輸送沙的能力尚未得到很好的解決,因此將對(duì)其進(jìn)行修改和補(bǔ)充。這項(xiàng)工作的樣本組列了更詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),并保存了19卷技術(shù)文件,供研究人員使用。1裝置的試驗(yàn)過程本試驗(yàn)主要目的是探求細(xì)粒泥沙在一定條件下的懸沙含量.擬通過試驗(yàn)求得懸沙量關(guān)系式,并與天然測(cè)驗(yàn)資料作比較和檢驗(yàn),從而提供渠道設(shè)計(jì)以及河道輸沙量的估算.1954年所進(jìn)行的平均粒徑為0.03mm人工沙試驗(yàn),是考慮泥沙在一定水流條件下通過水槽發(fā)生淤積后所達(dá)到的飽和含量.所推求的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式中未考慮懸沙沉速、河底沙波、河底泥沙粒徑等參數(shù)的影響,并且,假定懸沙粒徑為常數(shù),因此,在1955年開始的試驗(yàn)中,對(duì)每次試驗(yàn)都做了比較詳細(xì)的觀測(cè)取樣,以更加全面地考慮各種影響因素.圖1為活動(dòng)鋼板水槽照片.試驗(yàn)在可調(diào)節(jié)坡度的鋼板水槽內(nèi)進(jìn)行,槽長(zhǎng)33m,寬1.25m,深0.5m,最大流量280L/s,蓄水池體積28.5m3,經(jīng)由直徑35cm的輸水管(長(zhǎng)約38m)和漸變段到達(dá)水槽,以閘門控制流量大小,未入水槽的流量直接經(jīng)回水管流入水池,攪混池中渾水.本試驗(yàn)所用沙樣資料見表1,粒徑級(jí)配曲線見圖2.按系統(tǒng)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn),每次試驗(yàn)先給定水面比降和流量,調(diào)至均勻水流并測(cè)定:含沙量、流速、水深、懸沙顆粒級(jí)配、槽底泥沙淤積比降及槽底泥沙顆粒級(jí)配等.試驗(yàn)流量分別為40,80,120,160,200和240L/s,水槽底坡則分別為1/1000(0.001),1/1200(0.000833),1/1500(0.000667),1/2000(0.0005),1/3000(0.000333)和1/4000(0.00025)數(shù)組.2槽底泥沙含沙量的測(cè)定試驗(yàn)前,先調(diào)整好水槽槽底比降,試驗(yàn)時(shí)控制水流為等速流.先使流量穩(wěn)定,然后減小水面比降,使之平行于底部比降,達(dá)到最近似的均勻流動(dòng).要達(dá)到飽和含沙量,須充分供給水流以泥沙.試驗(yàn)開始時(shí)槽底并無泥沙淤積,水流含沙量甚大,并令水面比降大于底坡比降,不久,泥沙逐漸發(fā)生淤積,經(jīng)逐步調(diào)整尾門,降低水面比降,最后形成一定的淤積比降,當(dāng)水中含沙量基本保持不變時(shí),即認(rèn)為已達(dá)到在一定條件下的飽和含沙量.試驗(yàn)時(shí)因難以估計(jì)淤積坡度是否與槽底坡度相同,因此,試驗(yàn)中不使淤積層厚度過大.4種沙樣的試驗(yàn)中測(cè)得淤積層厚度為幾毫米至1~2cm不等.淤積厚度較小時(shí),部分槽底可能沒有被淤沙所掩蓋.流量用Venturi流量計(jì)觀測(cè);水位在測(cè)針筒內(nèi)測(cè)讀,測(cè)壓孔與測(cè)針筒之間連以沉沙筒,使渾水不入測(cè)針筒,針筒內(nèi)的清水深度最后換算到渾水深度.由各斷面的水位計(jì)算得出水面比降.槽內(nèi)含沙量以虹吸管取出.取樣點(diǎn)的流速以畢托管施測(cè),取樣時(shí)令取樣點(diǎn)進(jìn)管流速與槽內(nèi)該點(diǎn)流速相同.槽內(nèi)的平均含沙量在水槽尾門下游回水槽跌水處舀取,放入率定好的500cm3的LeChatelier比重瓶,定出含沙量值.這樣取得的含沙量為cm=∫cudAQ(1)cm=∫cudAQ(1)式中:c為過水?dāng)嗝嫔弦稽c(diǎn)的含沙量;u為該點(diǎn)流速,A為斷面面積,Q為流量.在試驗(yàn)過程中算出平均含沙量cm,隨時(shí)判斷含沙量的變化趨勢(shì),含沙量至少維持2h內(nèi)不變,即為飽和含沙量.試驗(yàn)終止后,還將含沙量沙樣烘干測(cè)出平均含沙量值.用比重瓶計(jì)算含沙量值與烘干算出的含沙量值關(guān)系為c烘干法=c比重計(jì)法-0.03,其中的含沙量c為質(zhì)量百分?jǐn)?shù).試驗(yàn)結(jié)束后,關(guān)閉進(jìn)水流量,抬高尾門,槽中水位因少量漏水而緩慢降低,水中泥沙大部分淤在槽底,待水流完后,分別在6個(gè)斷面上測(cè)量6點(diǎn),每個(gè)斷面選3個(gè)波峰和3個(gè)波谷,求出斷面平均淤積厚度,再計(jì)算總的平均淤積厚度,并分別在槽底上下游3個(gè)斷面取3個(gè)底部沙樣,用作粒徑分析.泥沙粒徑主要用比重計(jì)法分析,有時(shí)亦用移液管法分析.每次試驗(yàn)作2個(gè)沙樣懸沙粒徑分析;泥沙粒徑的上限部分(如大于0.1mm),則用篩析法.對(duì)于含沙量垂線分布,一般在垂線上取10個(gè)水樣,最低一點(diǎn)位于槽底以上1cm,所取水樣,先用LeChatelier比重瓶定出含沙量,再用烘干法測(cè)出含沙量值.3內(nèi)水沙運(yùn)動(dòng)3.1單次泥沙運(yùn)動(dòng)渾水水流自下層水庫(kù)抽出流入輸沙管,經(jīng)漸變段垂直進(jìn)入水槽,故在水槽前段水流紊亂、洶涌,隨距離漸趨于平穩(wěn).觀察槽中挾帶泥沙的水流,其中漩渦內(nèi)外,因含沙不均勻,其水色不同(見圖3).漩渦自水下泛起,擴(kuò)大散開,形成朵朵沙云,沙云的擴(kuò)散速度與水流速度成正比.曾做如下觀察:在停水后,當(dāng)水流接近靜止時(shí),降低尾門,使有少量溢流,由于水流運(yùn)動(dòng)漩渦挾起底部淤沙,此種漩渦緩緩向上升起,帶起朵朵浮云,雙雙向前推進(jìn)并擴(kuò)大.此種渦環(huán)在一定水流條件下,以一定的速度連續(xù)不斷發(fā)生,水流加大時(shí),其過程也加快.圖3中顯示水流紊動(dòng)的漩渦現(xiàn)象是三維的.在槽邊壁兩側(cè),紊動(dòng)劇烈,可看出其影響范圍明顯.實(shí)測(cè)斷面含沙量分布顯示,邊壁的含沙量同中心線含沙量相差不大,槽底部分槽壁附近含沙量較中心線略小,而在水面附近,則槽邊含沙量較中心線水面線為大,此為槽邊壁的影響.斷面流速與含沙量等值線分布見圖4.水流中泥沙供應(yīng)充分,造成不同程度的淤積.觀測(cè)表明,槽兩側(cè)淤積較多,乃槽壁影響所致.淤積泥沙形成相當(dāng)規(guī)則的沙波(見圖5),圖中沙波高度分別為1.18cm和0.57cm.在邊壁外玻璃窗孔觀察沙波的運(yùn)動(dòng),底層泥沙顆粒在渾水中沿底部前移到沙波頂進(jìn)入低谷,其現(xiàn)象與一般討論沙波運(yùn)移過程的情況一致.3.2平均流速及關(guān)系施測(cè)槽內(nèi)3種試驗(yàn)用沙的渾水流速垂線分布見圖6.可見,渾水的流速分布基本上亦呈半對(duì)數(shù)分布.Prandtl根據(jù)明渠紊流剪力分析紊流流速分布為τ=ρl2(dudy)(2)τ=ρl2(dudy)(2)式中:ρ為清水密度;l為混合長(zhǎng)度;dudy為距底部某點(diǎn)的流速梯度.假設(shè)l與y成比例,水流底部剪力等于單位推移力,τ=τ0,因而可得du=1κ√τ0ρdyy(3)式中:κ由試驗(yàn)定出為0.4?u*=τ0ρ,積分上式得u=2.5√τ0ρlnyy0=2.5u*lnyy0(4)式中:y0為積分常數(shù).此式表明紊流中流速是距離y的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系.對(duì)于粗糙底部,常數(shù)y0依賴于糙度高度,即y0=mks,常數(shù)m近似等于1/30,因此式中:ks可用平均流速公式估算.根據(jù)Keulegan分析得平均流速關(guān)系式uu*=5.75log(30y0ks)(5)ˉuu*A=5.75logmRy0=A+5.75logRks(6)式中:ˉu為斷面平均流速;R為水力半徑;Keulegan分析Bazin資料得A=3.23~16.92,取平均值為6.25.曾試圖分析渾水流速分布是否類似于清水流速分布.利用平均流速分式ˉuu*=6.25+5.75logRks求取ks值.然后再求取下式uu*=AlogRks+B(7)利用試驗(yàn)資料求得的A和B值見表2.可見,A和B值變化很大,A值在15.5~49.5之間,B值在32.9至-1.5之間,而ks值在0.013至1.32之間.這說明渾水流速分布的流速梯度同清水流速都變化很大.曾點(diǎn)繪ks值與Manning系數(shù)n值的關(guān)系(見圖7),表明它們有很好的相關(guān)性.渾水流速分布公式中ks受到底部沙粒大小和沙波高度兩種因素的影響.這里需要說明的是0.13mm組中的少數(shù)測(cè)次,其Manning系數(shù)n計(jì)算值為0.009~0.010,這些測(cè)次的底部泥沙淤積均很薄,可能有部分槽底露出鋼板,其n值接近鋼板的n值(清水試驗(yàn)中鋼板的n值為0.010,Openchannelhydraulics中銅板表面的n值為0.009~0.013).關(guān)于渾水流速公式中A的變化,其值均大于Bazin清水資料的A值.初步分析A值似與懸沙d50有關(guān)(見圖8所示).為了解流速分布的相似性,將表2中10次觀測(cè)資料點(diǎn)繪uumax=A′logyks+B′得圖9.計(jì)算得A′和B′值見表3.可見,A′的變化范圍為0.11~0.21,B′值變化很小,其平均值為1.因此有u-umaxumax=A′lnyh(8)從圖9可看出大致區(qū)分3組分布線,左邊為0.03mm試驗(yàn)組,右邊為0.13mm組,中間為0.06mm組.從中可看出A′值與圖8相似,A′值與懸沙d50的關(guān)系見圖10.3.3含沙量垂線分布分析了人工沙含沙量垂線分布形狀,在施測(cè)的8次平均含沙量中,最小為2.11%,最大8.86%(表4).含沙量垂線分布基本符合Velikanov推導(dǎo)的關(guān)系式cc0=(1-η1+ηα)ωκ√ghJ(9)式中:c為測(cè)點(diǎn)含沙量;c0為底部含沙量;η為相對(duì)水深;α為相對(duì)糙率.同實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)比較表明,在水面附近,實(shí)測(cè)點(diǎn)常比理論值小(見圖11),式中的相對(duì)糙率值α隨Manning值變大而變大(見圖12).3.4人工沙級(jí)配中cb與u3/h值的關(guān)系在4種懸沙試驗(yàn)中,每次試驗(yàn)放水完畢后,施測(cè)槽底沙波高度.沙波高度與糙率有關(guān),點(diǎn)繪實(shí)測(cè)沙波相對(duì)高度Δ/h與Manningn值糙率系數(shù)的關(guān)系,圖13顯示它們之間的變化趨勢(shì).取距槽底1cm處的含沙量值為臨底層含沙量,觀察此值隨水流速度的變化趨勢(shì)(見圖14).可見,對(duì)于0.03mm組,黃土與人工沙兩組,cb隨u的增大而增大,對(duì)0.06mm和0.13mm兩組,則cb值均相應(yīng)較小.簡(jiǎn)單分析表明cb與u3成正比,故點(diǎn)繪cb~u3/h的關(guān)系(見圖15),由此看出cb的變化同u3/h值有近似關(guān)系,隨不同用沙級(jí)配(3種)集中在3組點(diǎn)群.3.5泥沙懸沙垂線分析試驗(yàn)中僅有少數(shù)0.03mm人工沙和0.13mm黃沙的測(cè)次,沿垂線取10個(gè)含沙量沙樣,進(jìn)行顆粒分析,求出垂線上顆粒粒徑的分布情況.從垂線d50的變化(見圖16)可以看出,對(duì)于圖16(a)0.03mm人工沙,12,26組次(Q=117.5L/s,u=34.8cm/s)其臨底層的d50值同槽底上淤沙粒徑D50值比較接近.其變化趨勢(shì),似具有連續(xù)性,而于圖16(b)黃沙組0.13mm的11,19組次(Q=80.5L/s,u=34.8cm/s),其d50在垂線上的變化,以及臨底層d50同淤沙D50相距甚遠(yuǎn).而圖16(c)中0.13mm的11,28組次(Q=161L/s,u=52cm/s),則由于水流流速大,即較圖16(b)中11,19組次的流速為大,能挾運(yùn)較粗泥沙,故其懸沙垂線分布d50值從水面以下逐漸增大,臨底處d50值接近底部淤沙D50值.4飽和含沙量公式采用4種沙樣的飽和懸沙量試驗(yàn),共進(jìn)行162次試驗(yàn).對(duì)每次試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)隨時(shí)檢驗(yàn).如果懸沙或淤沙粒徑級(jí)配的結(jié)果存在錯(cuò)誤,又如水沙運(yùn)動(dòng)不能保持恒定均勻,或水面比降與試驗(yàn)放水完畢后施測(cè)的槽底淤積比降相差較大,則不采用.經(jīng)篩選共得133次試驗(yàn)資料用以分析.4種沙樣的試驗(yàn)次數(shù),列于表5.試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表6~9.將每次試驗(yàn)的懸沙沙樣作顆粒級(jí)配分析,再計(jì)算在試驗(yàn)溫度時(shí)的沉速,按ωm=∫ωdp/∫dp=∫ωdp/P求平均沉速,其中p為粒徑分組百分?jǐn)?shù);ω為該分組的平均沉速.顆粒分布曲線系用比重計(jì)法和篩析法.有時(shí)兩種方法所得曲線并不銜接,此時(shí)計(jì)算的ω值僅采用比重計(jì)法所得曲線,故其精度受到一定限制.算出的平均ω值,大致相當(dāng)于d70至d75.從各組水面比降與底部比降數(shù)據(jù)可看出水流均勻程度,從d50和D50各值可看到不同沙樣粒徑的分選程度.在第1組和第2組黃土試驗(yàn)中,懸沙與底部泥沙粒徑兩者之間有俱漲俱落的關(guān)系,而第3種0.13mm組,懸沙粒徑變化似與底沙粒徑無關(guān)(圖17).在探求飽和含沙量關(guān)系式的過程中,首先采用統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析法求取飽和含沙量與各水力泥沙因子的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系.根據(jù)表中4種沙試驗(yàn)所得數(shù)據(jù),試求cw=kvaRbJcωd中的參數(shù)k,a,b,c和d得cw=kv0.75R0.67J1.2ω0.67.代入Manning公式,得cw=kn2.4v3.15ω0.67R0.67(10)上式同Veliknov公式相近.同樣,根據(jù)前人的懸沙運(yùn)動(dòng)理論,結(jié)合試驗(yàn)中所獲得的有關(guān)懸沙運(yùn)動(dòng)所顯示的物理現(xiàn)象,探求飽和含沙量的公式,如Velikanov根據(jù)他提出的重力理論,得關(guān)系式c=ku3ghω(11)點(diǎn)繪u3ghω與c的關(guān)系(見圖18).Barenblatt的理論分析可供實(shí)驗(yàn)資料分析的參考.Barenblatt根據(jù)Kormogorov關(guān)于水流脈動(dòng)能的平衡觀念,寫出脈動(dòng)能平衡方程.在不考慮底部影響的情況下有δgˉc′v′3+Q1ρ1+ˉv′1v′3dˉv1dx3=0(12)式中:第1項(xiàng)代表水流上舉懸浮質(zhì)所消耗的脈動(dòng)能,δ=ρ2-ρ1ρ1,ρ1為液體密度,ρ2為顆粒密度,c′為懸移質(zhì)含量相對(duì)體積的脈動(dòng)量,v′3為水流在縱向與垂直方向的脈動(dòng)速度;第2項(xiàng)代表脈動(dòng)能的耗損,Q1為脈動(dòng)能的耗損;第3項(xiàng)表示由平均運(yùn)動(dòng)的能量中取得的脈動(dòng)能流入,v′1,v′3分別為水流在縱向與垂直方向的脈動(dòng)速度,x3為垂直坐標(biāo).因此,在恒定均勻流含沙水流中懸浮質(zhì)的懸浮所消耗的脈動(dòng)能量,近似地等于水流平均運(yùn)動(dòng)能量中取得的脈動(dòng)能減去動(dòng)能的耗損.式(12)中第3項(xiàng),即水流中由于脈動(dòng)流速產(chǎn)生的剪力τ等于ρˉv′1v′3與平均流速梯度dˉv1dx3的乘積.質(zhì)量平衡方程和運(yùn)動(dòng)量方程分別為ˉc′v3=ωˉc(13)ˉv′1v′3=-v2*+cx3(14)式中:ω為顆粒沉速,v*為阻力速度.含沙量平衡方程,在擴(kuò)散理論的假設(shè)下,可推導(dǎo)出含沙量沿水深的分布曲線,而水流運(yùn)動(dòng)量方程,則可導(dǎo)出水流流速的垂向分布表達(dá)式.Minski在水槽中水流試驗(yàn),得ˉv′1v′3=-v2*(1-x3h),其中:h為水深.利用對(duì)數(shù)流速分布公式,可得dˉv*dx3=v*kx3.因此?有σgωˉc+Q1ρ1-v2*(1-x3h)v*kx3(15)Kormogorov用量綱分析,假定能量耗損為{Q1d1=Κb32Lb=12(v′12+v′22+v′32)(16)式中:v′1,v′2,v′3分別為縱向、橫向和垂向的脈動(dòng)速度.清水水流脈動(dòng)速度試驗(yàn)得b=v2*γ2(1-x3h)(17)式中:γ為常數(shù).泥沙顆粒脈動(dòng)速度的水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示有類似關(guān)系.Barenblatt理論分析獲得:水流中含沙顆粒的脈動(dòng)速度小于水流脈動(dòng)速度.前人在水槽中測(cè)量顆粒脈動(dòng)速度,得到與理論相同的結(jié)論.因此可得σgωˉc+ΚL[12(v′12+v′22+v′32)]32-v2*(1-x3h)v*k1x3=0σgωˉc+ΚL[v2*γ(1-x3h)]32-v3*(1-x3h)1k1x3=0如以上式中各項(xiàng)求沿水深積分的平均,可得c=fv3*ghω(18)式中:f為述水流底部邊界條件如邊壁阻力和底部泥沙運(yùn)動(dòng)的參數(shù).根據(jù)上兩種方法的分析獲知,飽和含沙量同無量綱參數(shù)(u2/gh)(u/ω)有關(guān)外,還與底部阻力和底部泥沙運(yùn)動(dòng)參數(shù)等因子有關(guān).試驗(yàn)中觀察到:含有一定大小級(jí)配的泥沙進(jìn)入水槽,大部分泥沙懸浮在水中前移,其中較大的泥沙不能在水中懸浮而沉淀于槽底,或沿底部縱向移動(dòng),在臨底層的泥沙含量較大;而粒徑較粗時(shí),沿底部運(yùn)動(dòng)的泥沙含量亦因床面剪力的增大而加大.含沙量垂線分布結(jié)果表明,輸沙量的大小取決于底層泥沙含量的大小,而實(shí)驗(yàn)測(cè)得的臨底層含沙量與(u2/gh)(u/ω)大致存在線性關(guān)系(圖14,15).此外,根據(jù)浮泥與鹽水介面波破碎泥沙起動(dòng)的實(shí)驗(yàn)和分析得τ=kc,而對(duì)細(xì)沙推移質(zhì)的起動(dòng)臨界推移力,則有τ=k(ρs-ρf)D,其中:ρs為顆粒粒徑D的密度;ρf為清水的密度;D為槽底上起動(dòng)的泥沙粒徑.點(diǎn)繪cw-(u3ghω)u*-0.3√gDgD)的關(guān)系如圖19,可見測(cè)點(diǎn)基本集中在一條線上,因(u*-0.3√gDgD)的量綱與u3ghω不一致,故將gD改為g23Dν13,使其量綱一致,可得cw=k(u3ghω)(u*-0.3√gDg23Dν-13)(19)式中:D為底部泥沙平均粒徑,以D50代表,u*=√gRbJ,Rb為去除槽壁影響的水力半徑,式中右邊采用CGS單位制,k=1/35,cm含沙量以質(zhì)量百分比計(jì).根據(jù)式(19)點(diǎn)給的關(guān)系式見圖20.圖20還包括由黃委水科所提供的人民勝利渠實(shí)測(cè)資料,選用其中測(cè)取過河床質(zhì)的資料進(jìn)行計(jì)算比較.測(cè)取床面泥沙的有18個(gè)點(diǎn),除4~5個(gè)點(diǎn)的偏差較大外,其余均與上式相符.所采用的人民勝利渠資料情況見表10.所得經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式(19)表明底部條件對(duì)飽和懸沙量的影響.考慮到底部淤沙粒徑包括糙率(沙波高度)和底沙運(yùn)動(dòng)的影響,亦即底部推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)對(duì)輸沙的影響,可表示為τ=ρu2*.底部顆粒運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度,主要受底部水流剪力的作用.因此,飽和含沙量的表達(dá)式,亦可用無量綱參數(shù)的下式表示:cw=k(u3ghω)(u2*gD50)(20)式中:u*=√ghJ?k=0.001,點(diǎn)給的關(guān)系見圖21,圖中點(diǎn)群的集中程度也較好.用4種沙樣進(jìn)行的活動(dòng)水槽飽和含沙量實(shí)驗(yàn)資料分析得式(20),表明在恒定均勻水流條件下的飽和含沙量值取決于懸沙的沉速、水流流速、水深、水力半徑,水面比降和底部淤沙粒徑等各參數(shù).5試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)4種沙樣試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,求得一個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,此關(guān)系式與Velikanov公式接近.采用Barenblatt-Komo

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