管道壓力與水深對黏性泥沙起動影響分析

李針龍 孫海瑞

【摘要】本文為更深入地研究黏性泥沙在明渠與管道中起動的異同，探究壓力管道及水深因素對黏性泥沙起動的影響，從受力分析的角度出發(fā)推導(dǎo)出了黏性泥沙起動底部作用流速公式，但泥沙起動時底部流速較難測得，一般在實際生產(chǎn)和研究中用斷面平均流速或起動切應(yīng)力作為研究指標。通過分析發(fā)現(xiàn)在有壓管道中，在泥沙淤積固結(jié)初期，黏結(jié)力對黏性泥沙的起動影響不顯著，阻礙黏性泥沙起動的主要因素為管道壓力，在后期，黏性泥沙黏結(jié)力增強，對其起動的影響增大。

【關(guān)鍵詞】管道壓力；水深；黏性泥沙起動；影響；分析

1、前言

黏性泥沙在明渠中起動主要取決于床面附近的水流情況，在實際的河流中，天然河床總是處于不斷的變化發(fā)展之中，表現(xiàn)為淤積和沖刷。水深不同，黏性泥沙的起動條件也相應(yīng)變化。而在壓力管道中，黏性泥沙的起動與管道中的水流條件息息相關(guān)，管道中的壓力是影響?zhàn)ば阅嗌称饎拥闹匾蛩?。從力學(xué)角度出發(fā)，無論是天然河流、明渠試驗還是管道試驗中，影響?zhàn)ば阅嗌称饎拥闹苯釉蚴谴裁媲袘?yīng)力。為更加直觀地研究黏性泥沙在明渠與管道中起動的異同，除了分析泥沙本身性質(zhì)因素外，還需對壓力管道壁面壓力與明渠水深做深入研究。

2、管道中壓力對黏性泥沙起動影響研究

有研究人員曾在泥沙研究室的管道內(nèi)進行淤泥起動試驗，讓淤積在較大壓力下起動，從而實現(xiàn)模擬天然大水深條件下淤泥的起動。通過對安裝在實驗段兩端的精密壓力表的觀測，得到作用在試驗觀測段淤泥上水壓力讀數(shù)。實驗材料為天然沙，共有3種淤泥，即杭州灣淤泥、黃河花園淤泥以及二者的混合泥沙，黏性顆粒含量分別為32%、41.1%和42%。試驗的起動標準是以床面淤泥全斷面沖為準，共進行了75組試驗。3種淤泥試樣自身密度變化不大，，隨著管道壓力的增大，起動流速和起動切應(yīng)力都有相應(yīng)的增加，原因是管道壓力增大，使得微團起動的阻力力矩增大，起動需要更強的水流條件。在3種泥沙相對干密度不變的情況下，管道中壓力水頭項和起動流速的平方、起動切應(yīng)力成線性關(guān)系。從宏觀角度了解壓力項與起動流速、起動切應(yīng)力之間的關(guān)系后，為進一步驗證其結(jié)果，以微團受力情況為基礎(chǔ)，從管流底部流速出發(fā)，推導(dǎo)出起動時斷面平均流速公式和起動切應(yīng)力公式并進行參數(shù)擬合。

3、明渠水深對黏性泥沙起動流速的影響

從前人明渠水深對黏性泥沙起動影響探究可知，與水深相關(guān)的薄膜水附加壓力是黏性泥沙起動的一個主要阻力，在明渠大水深條件下，薄膜水附加壓力更為顯著。本節(jié)將從試驗數(shù)據(jù)出發(fā)初步探索水深對黏性泥沙的影響，結(jié)合明渠流黏性泥沙起動底部作用流速公式，繼續(xù)推導(dǎo)斷面平均起動流速公式與起動切應(yīng)力公式。有研究人員曾在可調(diào)坡度明渠水槽里進行黏性細顆粒泥沙的起動試驗。試驗沙樣采用上海港杭州灣深水航道試挖槽回淤后的淤泥，中值粒徑d50=0.0104mm，粒徑小于0.005m的黏性泥沙含量約占35%。淤泥沉積半年后密度為1.6g/cm3，穩(wěn)定密度為1.66g/cm3。天然河道與明渠水槽中黏性泥沙的起動除與本身相對干密度有關(guān)，還有相對水深和水深有著密切的關(guān)系，隨著水深的增加，黏性泥沙的起動流速增加，隨著相對水深增大，黏性泥沙的起動流速減小。為進一步探究明渠水深與相對水深對黏性泥沙起動的影響，以下將通過推導(dǎo)黏性泥沙在明渠中的起動流速公式和起動切應(yīng)力公式并進行擬合。對于明渠流下黏性泥沙起動的情況，采用明渠流條件下的流速分布情況。相關(guān)研究人員研究了矩形斷面明渠中水流垂向及橫向流速分布的特點，借助水槽試驗，探求符合實際流速分布特點的明槽流速垂線分布律與橫向分布律，通過建立準確的流速分布公式及相應(yīng)參數(shù)的確定方法，為精確計量明槽流量提供理論計算依據(jù)。在明渠流量量測時，通常采用1/7指數(shù)分布律與對數(shù)分布律。由于公式形式自身的缺陷及邊壁的影響，實際垂向流速分布與對數(shù)擬合曲線相比較，中心區(qū)的相關(guān)系數(shù)均在0.85左右，而邊壁附近相關(guān)系數(shù)一般在0.5左右甚至更小。實際明渠流速的最大值應(yīng)該在水面以下（約0.8H處），流速的垂線分布更接近于二次函數(shù)曲線的特征。引入無量綱相對流速u/U與相對水深y/H，通過擬合分析表明，各垂線的這兩個無量綱因子之間的相關(guān)曲線具有很好的相似性。

4、結(jié)束語

研究管道壓力以及明渠中水深對黏性泥沙起動的影響，利用公式推導(dǎo)結(jié)合公式擬合，得出相關(guān)結(jié)論。通過理論分析，將有壓管道中的流速分布引入，確定了起動作用流速與斷面平均流速，即實測起動流速之間的關(guān)系，推導(dǎo)出起動流速公式與起動切應(yīng)力公式，利用壓力管道模擬大水深條件下黏性泥沙起動試驗數(shù)據(jù)，對黏性泥沙起動流速即起動切應(yīng)力公式進行擬合。得到管流起動切應(yīng)力的平方與管道壓力成正比。引入明渠流斷面流速分布，確定了明渠流起動底部作用流速與斷面平均流速的關(guān)系，推導(dǎo)出起動流速公式和起動切應(yīng)力公式，進行公式擬合。在明渠流條件下，黏性泥沙的起動流速與相對水深、水深、黏性泥沙相對干密度有關(guān)。推導(dǎo)出的公式與理論存在的公式形式相近。有壓管道中，黏性泥沙起動與管道壓力和黏結(jié)力密切相關(guān)，在淤積固結(jié)初期，黏結(jié)力較小，對黏性泥沙的起動影響較小，主要受到管道水壓力阻礙黏性泥沙起動，在后期，黏性泥沙相對干密度增加，黏結(jié)力增強，對其起動的影響增大。在明渠中，大水深條件下，相對水深很小，其變化不是影響?zhàn)ば阅嗌称饎拥闹饕?，然而在明渠水槽中試驗室，相對水深對黏性泥沙起動的影響表現(xiàn)較為顯著。在明渠中，起動流速和起動切應(yīng)力隨水深的增大而增大，原因是水深的增大改變了微團所受薄膜水附加壓力，使得黏性泥沙的起動需要更強的水流條件。

參考文獻：

[1]錢寧，萬兆惠.泥沙運動力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2013.