水利工程論文-粘性泥石流摻氣減阻作用初探摘要：根據野外泥石流觀測資料，分析了泥石流摻氣與降粘減阻現象，建立了泥石流摻氣量與流速的經驗公式，并根據泥漿摻氣降粘減阻的試驗，揭示了泥石流摻氣降粘減阻機理，提出了泥石流屈服應力與氣體含量及固體濃度的經驗公式。本文對解釋泥石流減阻，預估泥石流流變特性有重要意義。關鍵詞：泥石流摻氣減阻1前言流體減阻問題自從Toms1，Kramer2先后發現高分子稀溶液或彈性材料護面都能實現粘性減阻以來，已經近半個世紀了，由于工業生產中到處都存在粘性流體，而減阻技術又直接為節約能源、提高效率服務，因而倍受重視。近年來減阻研究取得了長足發展，在國際上已召開多次有關減阻學術會議，減阻已發展成一門專門獨立學科。除航空、航海外，管道輸送中開展了大量減阻研究，以及在石油管道中除加熱降粘減阻外，還開展了磁減阻、水環減阻3等，而高濃度高粘度固液兩相流體減阻，近年來也進行了一定的實驗研究。例如在煤的液化技術中，在水煤漿中加入有機添加劑減阻或摻氣減阻4；在封閉式采礦中對高濃度全尾礦砂邊壁加水減阻5等等。但對于含有粗顆粒，甚至塊石的組成更復雜的泥石流，這種自然形成的固液兩相流減阻現象研究的較少。泥石流作為一種高濃度的固、液混合的流變體，由于它暴發突然、來勢兇猛、破壞力強，嚴重地影響著山區的建設和經濟發展。為了更好地解決泥石流災害防治實踐中提出的問題，近半個世紀，對泥石流流變機理進行了大量實驗研究。對泥石流流變特性有了進一步認識。實驗發現粘性泥石流龍頭高速流動時可摻入一定量的氣體，摻氣后作為固、液、氣混合流變體，來探討其中的氣體對流變特性的影響，還很少進行研究。本文主要介紹粘性泥石流摻氣減阻現場觀測的結果及減阻機理。2粘性泥石流的流變特性及減阻現象高濃度粘性泥石流由于受介質和粗顆粒的碰撞及粘性摩擦力的控制和制約，固體物質體積濃度大，致使它的流變特征、水力結構特征要比高含沙水流復雜得多。根據蔣家溝泥石流的觀測試驗資料可知，見表1。粘性泥石流在濃度基本一樣時，它們的平均屈服應力卻有很大的差異，例如高粘性泥石流流體的屈服應力是亞粘性泥石流流體的屈服應力的7.2倍。根據屈服應力定性的把泥石流分為高粘性、粘性和亞粘性三類，其分類依據是以有效屈服率(Bt/B0)，即泥石流體的屈服應力值(Bt)與其漿體屈服應力值(B0)之比來進行分類的。高粘性泥石流屈服應力值是其漿體屈服應力值的3倍左右(=3.09)，而亞粘性泥石流體的屈服應力為對應漿體的0.77倍(5.4m/s)(3)表3觀測數據及點繪的圖1顯示，泥石流氣體含量與泥石流的流速成正比。亞粘性泥石流體中泥石流體的屈服應力之所以小于對應漿體的屈服應力，是因為亞粘性泥石流體中顆粒之間的有效孔隙較大，亞粘性泥石流體的結構緊密率(CVt/CVw)為1.63，小于粘性和高粘性泥石流體的結構緊密率(1.852.44)。或者還可采用另一種參數來反映，亞粘性泥石流的自由孔隙率(Fr)為0.143，大于粘性和高粘性泥石流的自由孔隙率(0.135，0.086)。上述CVt、CVw、VM分別代表泥石流體的固體體積濃度、流體體積濃度。4泥石流摻氣減阻機理初探4.1泥漿賓漢體摻氣減阻從以上的敘述看出泥石流摻氣減阻現象，其減阻規律，減阻的機理可借鑒其它方面的研究成果。例如水煤漿摻氣降粘減阻試驗發現，水煤漿在受剪切時，微小氣泡象滾軸一樣流動變形，大大地降低了水煤漿抗剪切能力，在同一水煤漿中，在一定范圍內氣泡含量越多降粘越顯著，在氣體含量一樣時氣泡越細微，分布越均勻降粘效果越顯著，對于不同水煤漿，粘度越高的降粘減阻越明顯4。對于該問題鄒履泰8曾利用萊因河泥漿進行實驗，泥漿為賓漢體，摻入空氣作流變試驗時發現，在一定范圍內隨著摻氣量的增大，B與呈指數減小，對于不同固體體積濃度其減小的趨勢不同。1995年對于該問題進行了試驗研究。試驗用的泥漿呈賓漢體，先作不加氣的試驗，進而再加不同氣量進行試驗，共進行了45個測次，每次測試用3種濃度每一種濃度用5種不同加氣量，分析選用不加氣泥漿，含氣量較小范圍泥漿的試驗資料列于表49。由表4看出，在濃度CV相同時，不加氣時流變參數B0、呈最大值。隨著摻氣量的增加，流變參數B0、減小。根據表4的試驗資料，進行相關分析,則B0與CVg的相關關系分別為表4不同泥漿加氣降粘試驗成果Experimentalresultfordifferentincreaseairconcentrationtoviscosityreduction濃度CV(%)含氣量CVg(%)B0(Pa)(PaS)430360.18643533.60.184431027.30.21848.50602.0648.55591.9848.510421.37555.705504.255.753634.355.7102682.8CV=0時B0=224204CV10.67當CV=5%時B0=70640CV9.79(4)CV=10%時B0=41299CV8.94(4)式，其經驗關系式中的系數A與指數B的變化規律，它隨著泥漿中氣體含量的增大而呈遞減趨勢。將A、B參數與CVg相關回歸得A=21477CVg-0.34B=8.251CVg-0.037(5)把上式(5)代入式(4)中變成單因子相關關系統一在一個經驗關系式中，則為B0=21477CVg-0.34exp8.251CVg-0.037lnCV(6)該統計樣本盡管每組樣品的試驗測次只有3個，但降粘減阻規律明顯。公式較好地反映了亞粘性泥石流高速流動流中空氣含量對屈服應力的減阻作用；較客觀地解釋了在亞粘性泥石流中，由于空氣增多，流體的屈服應力(B0)隨之減小，阻力系數減小，使流動速度加快；也較好地解釋了表1中泥石流漿體的組成中細顆粒含量差異不大，而屈服應力卻相差1倍之多的原因。4.2泥石流流體摻氣減阻初探利用經驗關系式(3)對1983年在蔣家溝觀測到的亞粘性泥石流的流速，進行泥石流體中氣體含量CVg推算，并利用泥石流固體體積濃度和其漿體固體體積濃度的相關性，進一步計算泥石流漿體中氣體體積濃度(CVg)。然后，將計算得到的泥石流漿體的體積濃度(CV)和氣體體積濃度(CVg)分別代入式(6)，計算值亦列入表5，計算得到的數值B0明顯地低于實際觀測試驗值(B0)。究其原因：主要是式(6)的經驗公式是泥漿賓漢體試驗數據的相關公式，而蔣家溝泥石流漿體是由含有20%30%的粘性顆粒(0.05mm)和沙組成的泥沙漿體，故當應用于泥石流漿體時應對式(6)進行修正，即粘性顆粒對泥石流漿體屈服應力的影響修正為B0=14.86P0.0521477CVg-0.34exp8.251CVg-0.037lnCV(7)表5云南東川蔣家溝泥石流漿體不同氣體含量流變參數試驗值與計算值對照ComparisonofcomputedvalueandexperimentalvalueofrheologicalparameterfordebrisflowwithdifferentairconcentrationatJiangjiaGullyCVtCVfV(m/s)CVgtCVgfB0(Pa)B0(Pa)B0(Pa)00.5200.4012.800.063340.048733.5012.80737.28-0.11280.5700.38711.00.047940.036634.009.5313