點(diǎn)源滲流作用下泥沙起動(dòng)試驗(yàn)研究

劉 亮,何建新,侯 杰,楊力行

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,新疆烏魯木齊830052)

點(diǎn)源滲流力作用下河床泥沙起動(dòng)流速的變化規(guī)律,是人工線源滲透力與水流拖曳力共同作用導(dǎo)致輸送泥沙的關(guān)鍵。錢寧、竇國(guó)仁等[1-3]對(duì)非人工滲流下泥沙起動(dòng)流速規(guī)律進(jìn)行過大量研究;謝立全等[4]對(duì)滲流作用下的岸坡泥沙起動(dòng)條件通過數(shù)模分析,指出岸坡滲流溢出面附近泥沙更容易起動(dòng)。何建新等[5]進(jìn)行人工線源液化起動(dòng)泥沙試驗(yàn),觀測(cè)到了滲透劈裂破壞的液化橫斷面是定向可控的、角度極小的楔形斷面。本文從水動(dòng)力學(xué)和滲流力學(xué)的角度出發(fā),通過自行設(shè)計(jì)的滲流力作用下泥沙起動(dòng)流速試驗(yàn)裝置,定量研究點(diǎn)源滲流力作用下,泥沙起動(dòng)流速變化規(guī)律,為人工線源滲流力起動(dòng)泥沙和輸送泥沙提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置與泥沙的選擇

1.1 試驗(yàn)裝置

整個(gè)試驗(yàn)裝置(圖1,專利號(hào):ZL 2010 2 0101560.3)由透明的有機(jī)玻璃材料制成,這樣便于觀察試驗(yàn)現(xiàn)象。裝置由落水槽、沖刷槽、試樣管、閘門、閘前水位控制箱、溢流裝置、加壓罐及循環(huán)泵等部分組成。通過溢流裝置使閘前水位保持恒定,利用閘門開度控制沖刷槽內(nèi)的水流流速,同時(shí)通過加壓罐人工加壓使試樣管中土體液化,根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)原理測(cè)出沖刷槽泥沙起動(dòng)時(shí)刻的水舌拋射距離,利用自由落體運(yùn)動(dòng)公式得到泥沙起動(dòng)流速。同時(shí)采用測(cè)針測(cè)出泥沙起動(dòng)時(shí)刻的沖刷槽中的水深,繼而得出水流流速,取得平行數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 滲流作用下泥沙起動(dòng)試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 模型沙的選擇

試驗(yàn)?zāi)嗌巢捎? mm～5 mm的天然沙,Gs=2.69,本次試驗(yàn)主要以均勻沙為研究對(duì)象,為減小粒徑的分散程度對(duì)起動(dòng)流速的影響,把天然沙分成不同的粒(徑)組,將泥沙緩慢倒入試樣槽水中沉積固結(jié),由于泥沙的滲透系數(shù)大,固結(jié)排水的速度較快,試驗(yàn)中還可將滲水管打開加快泥沙的排水固結(jié)速度,固結(jié)時(shí)間1 h,然后逐漸增加滲透壓力,觀察其起動(dòng)流速的變化。

1.3 泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

一般水槽試驗(yàn)中泥沙是否起動(dòng)是通過目測(cè)確定的,目測(cè)的兩個(gè)現(xiàn)象可以大體反映起動(dòng)強(qiáng)弱的程度,一是給定面積上經(jīng)過一定時(shí)間起動(dòng)的顆粒數(shù),另一種是以顆粒數(shù)來判定起動(dòng)強(qiáng)弱。根據(jù)張瑞瑾的研究[6],泥沙的起動(dòng)判別標(biāo)準(zhǔn)可以分為弱動(dòng)、中動(dòng)和普動(dòng),本次試驗(yàn)采用個(gè)別弱動(dòng)為判定標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過選用不同粒徑的均勻天然沙,在不同的滲透水頭下,進(jìn)行試驗(yàn),其試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 天然沙起動(dòng)流速試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)H=0時(shí),表示無滲透力下的起動(dòng)流速,與國(guó)內(nèi)外泥沙起動(dòng)流速[6]相比較,點(diǎn)據(jù)稍微偏低一點(diǎn),因?yàn)樵瓉淼膱D試驗(yàn)水深h=15 cm,而本次試驗(yàn)水深僅僅在h=0.44 cm～0.93 cm以內(nèi),所以起動(dòng)流速必然稍微偏低一點(diǎn)。因此,本次試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可靠的。

3 分 析

3.1 起動(dòng)流速與粒徑的關(guān)系

起動(dòng)流速與粒徑的關(guān)系曲線見圖2。從圖2中看出滲透水頭H達(dá)到14 cm,滲透力J達(dá)到6.86后,起動(dòng)流速V可以下降50%以上。

3.2 起動(dòng)流速與滲透力的關(guān)系

起動(dòng)流速與滲透力的關(guān)系曲線見圖3。從圖3中看出在相同的滲透力下,粒徑越大,起動(dòng)流速下降的絕對(duì)值幅度越大。

圖2 起動(dòng)流速與粒徑的關(guān)系曲線

圖3 起動(dòng)流速與滲透力的關(guān)系曲線

3.3 人工滲透條件下泥沙起動(dòng)流速與等效密度關(guān)系

泥沙起動(dòng)流速公式與國(guó)內(nèi)外實(shí)測(cè)資料對(duì)比后,發(fā)現(xiàn):沙玉清公式偏高,竇國(guó)仁公式偏低,張瑞瑾公式居中,接近實(shí)測(cè)值平均情況。對(duì)于散體均勻沙,張瑞瑾公式為:

公式(1)表明:固定h、d后,起動(dòng)流速將隨著 γs下降而下降。

因此,當(dāng)觀測(cè)到人工埋管加壓滲透條件下的起動(dòng)流速U′C之后,可以從公式(1)反求出滲透條件下的泥沙等效密度 γ′s,例如:水深 h=0.15 m,粒徑 d=1 mm=0.001 m,無埋管加壓滲透時(shí),泥沙密度 γs=2.69,按公式(1)算得起動(dòng)流速UC=0.34m/s;

埋管加壓滲透后,因?yàn)闈B透力方向垂直向上,泥沙部分失重,γs下降,起動(dòng)流速將會(huì)隨著下降,例如,起動(dòng)流速下降變成U′C=0.27 m/s,則可以利用公式(1)反求出人工加壓滲透條件下的泥沙等效密度γ′s=2.1,即在垂直向上滲透力作用條件下泥沙產(chǎn)生了部分失重,等效密度必然要相對(duì)下降。

例如,當(dāng)h=0.15 m,d=1 mm時(shí),假設(shè)不同的流速下降%值,可以用公式(1)反求得到相應(yīng)的等效密度值和下降值%:

當(dāng)粒徑d增大為10 mm、100 mm后,雖然流速、等效密度的絕對(duì)值完全各不相同,但是它們的流速下降%和等效密度下降%的對(duì)應(yīng)關(guān)系卻與上述d=1 mm的計(jì)算結(jié)果完全相同。因此,等效密度的下降百分比僅僅與流速的下降百分比有關(guān),而與泥沙粒徑大小無關(guān)。

表1中滲透水頭從0增大到14 cm時(shí),流速下降達(dá)到33%～56%,從上述對(duì)應(yīng)關(guān)系推導(dǎo)等效密度的下降,可以達(dá)到35%～50%,在滲透力作用下,河床泥沙產(chǎn)生部分失重,因此,導(dǎo)致泥沙起動(dòng)流速的大幅度下降。為節(jié)水輸送泥沙提供了嶄新的技術(shù)途徑。

4 結(jié) 論

(1)滲透力作用下泥沙起動(dòng)流速試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)是科學(xué)的,觀測(cè)數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的。

(2)滲透水頭達(dá)到14 cm,滲透力達(dá)到6.86后,起動(dòng)流速可以下降50%以上。

(3)在相同的滲透力下,粒徑越大,起動(dòng)流速下降的絕對(duì)值幅度越大。

(4)滲透力作用下,泥沙起動(dòng)流速大幅下降的原理,是滲透力使泥沙顆粒產(chǎn)生部分失重,導(dǎo)致等效密度下降,最終使泥沙起動(dòng)流速下降。

(5)為人工線源液化起動(dòng)泥沙試驗(yàn)中觀測(cè)到的滲透劈裂破壞的楔形液化橫斷面中,其斷面輸送泥沙的能力問題,提供了可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

5 應(yīng)用前景

將加壓線源液化深層起動(dòng)泥沙原理應(yīng)用到淤積河道內(nèi),在河道中泓線順?biāo)鞣较蛏盥褚桓鶋毫B管,通過人工加壓使泥沙產(chǎn)生液化,在滲透水流的作用下減小泥沙起動(dòng)流速,從而使起動(dòng)泥沙的效率更高,將該技術(shù)應(yīng)用于窄深式河槽、水庫(kù)庫(kù)區(qū)、河口和港口、湖泊的清淤,將有利于河道主槽下降、阻斷淤積和防止河道游蕩。該原理還可用在水庫(kù)清淤和沉沙池的定期清洗中,保證水庫(kù)和沉沙池正常工作的條件下,可以達(dá)到高效節(jié)水清淤目的。

[1]錢 寧,萬兆惠.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1983:229-256.

[2]竇國(guó)仁.論泥沙起動(dòng)流速[J].水利學(xué)報(bào),1960,(4):22-31.

[3]竇國(guó)仁.再論泥沙起動(dòng)流速[J].泥沙研究,1999,(6):1-9.

[4]謝立全,于玉貞.滲流作用下的岸坡泥沙起動(dòng)條件[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,46(9):1534-1537.

[5]何建新,侯 杰,劉 亮,等.人工線源液化起動(dòng)泥沙試驗(yàn)研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,(4):110-112.

[6]張瑞瑾,謝鑒衡,王明甫,等.河流泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)[M].武漢:水利水電出版社,1988:83-89.