1、vii*»、頑feqvipcum水利學(xué)報19強(qiáng)年ISHUILIXLEBAO細(xì)顆粒塑料沙的群體沉速及起動流速試驗(yàn)研究陳椎琥、王光謙'詹秀玲九/提要g本文冊充了細(xì)啊忙塑料沙的推體沉速，攵起動流速認(rèn)為望料沙有可能保證各粒徑級的沉降和起的與入然懸移質(zhì)泥沙相似.彳山、¥人關(guān)鍵詞掣枇、附無速，耍年速.迎相似.麻擎速隴f、刖M在河工模型試驗(yàn)中根據(jù)相似準(zhǔn)則、股均妥迷擇輕質(zhì)沙作為模擬懸移質(zhì)的模型沙，目前常用的模型沙材料白煤粉，電木粉、塑料沙等.其中前兩種材料價格適中，加工方便，可粉碎成各種粒徑，但這兩種材料的細(xì)顆粒沙,起動流速偏大，特別是在粒徑小于0.1mm后，其粘性和凝聚力都相當(dāng)大

2、，凝聚力的大小隨水下沉積時間的增加而增加，相應(yīng)的起動流速也大幅度增加，與天然沙的起動是否相似已引起爭議r23.墊料沙（學(xué)名苯乙烯二乙烯苯，系制造離子交換柑脂的中間產(chǎn)品，比重1.053）在市場能提供的粒徑范圍內(nèi)0,27mm）.經(jīng)試做其起動流速和原型要求較易相似,已被多家試驗(yàn)單位采用但是大型水庫壩區(qū)的模型試驗(yàn)往往需要模擬相當(dāng)細(xì)的懸移質(zhì)泥沙，而塑料沙能否粉碎，粉碎成細(xì)鞭粒后其起動流速如何變化，能否仍與原型保持相似.這關(guān)系著包括長江魂大壩R泥沙模型試驗(yàn)在內(nèi)的一些模型選沙能否成功的問題，為此我們進(jìn)行了一系列細(xì)顆粒塑料沙的群體沉速和起動流速試驗(yàn).二、塑料沙的物理性能粉碎塑料沙是相當(dāng)國唯的，國外采用液氛冷凍

3、下超低溫粉碎法、成本昂貴，現(xiàn)采用在常溫下粉碎的國產(chǎn)膠體磨法.用置換法測得塑料沙的比函為1.053,干容5：0.656,顯微照像顯示外觀不規(guī)則，4*<|-W934fvHI81IM.與天然泥沙外型相似.試驗(yàn)選用的兒組沙樣級配見表1.君I各組望料沙的融粒級配<J(mml<0008<0.020<0040<0.0X0<0.100<0.180<0.280<0400mm)4IP%>1.654.0610.*15.T8253749.73969499一309933013524.U34.745H.OO83,4ICO0120GECj.M16723234

4、48.48554679.?O98.3999,4199.460.081DiPU7.20245047.5084)0lOd.OO0.04三、塑料沙的沉速“'犢T圖i沉降試常示意粉碎后的塑料沙顆粒很細(xì).且級配下均，如果用常規(guī)方法做沉降試驗(yàn)，則單顆粒沉降時用肉眼兒乎無法觀測，作群體沉降也不易觀測且因顆粒粒徑不均勻很難測出其平均沉速.我們采用沉降簡做一定濃度塑料沙群體沉降的試驗(yàn)方法，即將同一組.塑料沙配成3種濃度的渾水，分放隹3卜沉降筒中充分?jǐn)嚢杈鶆颍Ｖ箶嚢韬蠹撮_始記時，并同步量測筒底淤沙的厚度（見圖1）,可認(rèn)為每一小層淤沙的平均沉速應(yīng)等于平均沉降距離L./2除以對應(yīng)的沉降歷時小這樣可W下式計算

5、不同時刻"時塑料沙的沉速將測得的各組塑料沙的",關(guān)系示于圖2.由圖可見，同一組沙在試驗(yàn)所取用的含沙濃度范圍內(nèi)其匕一飽關(guān)系很好.可見在低濃度群體沉降條件下，沉速基本上不受含沙濃度的影響.CfiXWMIS-JSj/re1msI-IrttlS-lkf/®'?00*1.smtMI5>5an»；.I甲均guowae，圖2塑料沙群體近速試臉結(jié)果在沉降全部結(jié)束后.量測筒底淤沙總厚度漢并以5/2處計算出的以做為與這一組沙樣的中值粒徑相應(yīng)的沉速.電此可用Slokes公式算出該組泥沙的中值粒徑計算出的中值粒徑與離心顆分儀測定的中值粒徑相當(dāng)一致，如表2所示；可認(rèn)

6、為塑料沙在試驗(yàn)粒徑和低濃度范圍內(nèi)(522kg/n?洪沉降基本上仍遵循Stokes公式，這是因?yàn)榇藭r體積比含沙量小于2%.根據(jù)麥克諾恩及林秉南的分析，當(dāng)體積比含沙量在0.35-2.25%以內(nèi)時，仍可用低含沙量條件下的沉速公式.、特別是對沉速比天然沙小的輕質(zhì)塑料沙，顆粒間的相互影響也較小，所以在低濃度條件下仍采用Stokes公式計算其沉速是可行的.&2兩組塑料沙的沉降試驗(yàn)實(shí)測粒徑imm)中徑沮速cm/s)計算粒徑mm)B期0.0810.0140.078Cifl00410.00480.040四、起動流速試驗(yàn)(一) 試驗(yàn)設(shè)備及方法起動流速試驗(yàn)在寬0.3m,中進(jìn)行,成驗(yàn)時槽底平鋪5cm厚的塑料沙

7、，調(diào)整槽底坡度，使水槽中水流成均勻流狀態(tài)運(yùn)動.在不同水深條件下測得泥沙起動時斷面的垂線流速分布.起動狀態(tài)定為：第一，少量起動.即斷面上有10%左右的顆粒呈極細(xì)的縷狀運(yùn)動；第二，全面起動，即床面上有70%左右的顆粒成準(zhǔn)層狀運(yùn)動.各次試驗(yàn)的水深在3.512cm,水溫變化在11一18C之間.(二) it驗(yàn)成果將各粒徑組塑料沙起動流速試驗(yàn)的成果點(diǎn)繪于雙對數(shù)紙上,如圖3.可看出塑料沙的起動流速和水深的關(guān)系規(guī)律明顯，由圖3可得出以下認(rèn)識：高0.4m,長17m的活動玻璃水槽>OB6AftttlR«WtX91l«d-OI35mrar,»l052全裁朝動vls.nshL少M(fèi)功

8、V°-3873H'、d-O.MlrwD>/-1052468220Hc«>CS：ltW»Wt>l9JM0)d004IrniD，/"1.052.一全J起動、'-635H'少，祝動V.-45IH17*>ss全aha動Lssih“(1)塑料沙的起動流速隨水深的增加而增圖3墨料沙起動流速試驗(yàn)成染大，并與水深H的1/6次方成正比.在各種起動情況下起動流速外與水深打的關(guān)系可分別用表3所列公式表示.3起動流速關(guān)系匯總祖刻中值皆役起動狀會少訪起動全血起功A0.135仁=堀7由*，產(chǎn)5.OO5H，B1(,=4107/4七=53

9、加bC0.0X1礦u=5.5l/''D0.041°=4.91h'*匕產(chǎn)6.35H*(2)在試驗(yàn)研究的塑料沙粒徑范圍內(nèi)、起動流速隨粒徑的減小而增大、即隨粒徑的減小而變得越來越不容易起動、這與細(xì)顆粒天然沙的性質(zhì)是一致的、其原因不僅是由于近壁層流層的隱蔽作用、而且在很大程度上是受細(xì)顆粒泥沙之間的粘結(jié)力的影響，問圖4考慮顆航間粘性后所得到的起動流速與牧祥間的關(guān)系圖4考慮顆航間粘性后所得到的起動流速與牧祥間的關(guān)系題的關(guān)鍵是細(xì)塑料沙的粘結(jié)力與天然泥沙是否相似.(三)關(guān)于天然沙的起動流速對天然細(xì)顆粒泥沙的起動問題、竇國仁、武漢水利電力學(xué)院、唐存本及沙玉清等都進(jìn)行過研究，各自

10、得出了適合不同顆粒的統(tǒng)一起動流速公式，圖4為當(dāng)水深15cm,y4=2.65g/cm?條件下各家公式的比較.由圖可看出，對于細(xì)顆粒泥沙這些公式的計算結(jié)果相當(dāng)一致、即無論采用什么樣的粘結(jié)力表達(dá)形式、其描述的細(xì)顆粒間的粘結(jié)力對起動流速的影響都相當(dāng)準(zhǔn)確.本文試用武漢水院的公式(3)來計算細(xì)顆粒天然泥沙的起動流速；計算結(jié)果即棗4所示.%=(夸廣T17.6D+0.00000060571.(3)友4天然細(xì)顆粒泥沙的起動流速單位：IH/S水深(ml00100.0250.0500.10-0.250.501.0()1015230.92450.551<).4830.5280.637202.05313090.9

11、450.6750.5820.6050.753(四)關(guān)于塑料沙的起動流速相似問題擬將塑料沙用于三峽工程壩區(qū)泥沙模型試驗(yàn)，模型幾何比尺2產(chǎn)九=】80,由重力相似導(dǎo)出九=13.41,沉降相似為扁=0.65.由此算出由相似條件要求的模型沙起動流速，并與水槽試驗(yàn)實(shí)測的塑料沙起動流速同繪于圖5、圖中還繪出了o=O.24mm的一組塑料沙的起動流速：匕=3.41才6.這是早期清華大學(xué)在同水槽中試驗(yàn)的成果.由圖5可看出，在模型試驗(yàn)將要研究的主要粒徑范圍內(nèi)(d=0.041T).24mm),我們所選用的粉碎的塑料沙的起動流速基本上勺原型沙相似.細(xì)顆粒塑料沙較恰j天然細(xì)泥沙的粘結(jié)力作用，即隨看粒徑連漸變細(xì)其起動流速亦

12、世淋增加.it聽加的打勢與天然細(xì)泥沙的增加趨勢大體一致.如夸慮重，作用和祜結(jié)仰M屈U煩杓;皆恤J的影響、可將塑料沙的起動流速與粒涇的蓋系可立如11、"£的式.修廣J號云-式中K為包括粘結(jié)力作用在內(nèi)的系彩，以試驗(yàn)資料同IH可點(diǎn)K=1.95og：。一()】7ogD4-0.72,(5)式中D為顆粒直徑.以mm計.適用i:D<0.25mm的細(xì)我袍M沙.川上逑陽'：<i,D<0.25mm的細(xì)顆粒塑料沙的起動流速.料代D(mm】料代D(mm】U5您求塑料汁起前成改1尹測室$擊迷M1崩藻R這就是說，選用比重為1.05左右的塑料沙,有可能配制出與原惜懸移質(zhì)淮沙柘倒

13、.的級配.而且級配中各粒徑的泥沙可以與原型對應(yīng)粒徑組的泥沙其沉降和起動都同時H1似，即在相似的水流運(yùn)動條件F,塑料沙可較好地叟演和預(yù)報天燃河道中的對沙沖:的和河床演變.和僅僅模擬單一特征粒鈴泥沙的起動相似的設(shè)計相比、堤高-劣.五、結(jié)論(1) 粉碎后的細(xì)塑料沙在低濃度(522kg/奇條件卜其群體沉速基木MSloke、公式.(2) 細(xì)塑料沙的起動流速受重力和粘結(jié)力兩種作用力的影響，經(jīng)試驗(yàn)其起動流逸祈用式(4),(5)計算.經(jīng)與細(xì)天然沙起動流速對比，和時應(yīng)粒徑級泥沙起動流速肉能較好的保持相似,使泥沙模型選沙設(shè)計中起動相似程度明顯提高.(3) 由于塑料沙的沉降和起動均能與天然泥沙相似、故可同時模妝天然

14、泥沙沖融相似，是一種較好的模型材料.(下轉(zhuǎn)第10研能普資訊hup:/<'Abstract«Basedon(hephysicalmodelsdescribingtheevaporation-transpirationonSPACandthewater-thermalconditionsofsoil,thehumidity-temperatureequationofthecanopyreflectingthecoupledrelationbetweentheevaporation-transpirationfromthefoliageandthewater-thermalc

15、onditionsofthesoilisdeduced.Acouplediterationmethodthatcanbeusedtoquantitativelydepictthecoupledrelationandtosolvetheevaporation-transpirationfromthefoliageand(hewater-thermalregimeofthesoilsimultaneouslyisdeveloped.Thereliabilityofthismethodisverifiedbyexperimentalresult.KeywordsSPACsystem,evaporat

16、ionandtranspiration,watermovementandheattransfer,thecouplediterationmethod.(匕攙第28頁)參考文獻(xiàn)府仁寺.盧永清，陳稚聰，巖質(zhì)沙的起動流速.泥沙研究，1993年第1期.:、：T興華善.輕質(zhì)沙的基本物理性能.七五"國家重點(diǎn)科技攻關(guān)三峽工程泥沙和航運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)，消華大學(xué)水電系1990年10月錢'克萬兆惠,泥沙運(yùn)動學(xué)科學(xué)出版社.1986年.(4."E技仙等,長江葛洲壩樞紐回水變動區(qū)泥沙問題的模型試驗(yàn)研究.清華大學(xué)水利系1980年.ExperimentalstudyofsettlingvelocityandincipientvelocityoffineplasticparticlesChenZhicongWangGuangqianZhanXiuling(TstnghuuUniver1AbstractTheexperimentalstudyresultsofsettlingvelocityandincipientvelocityoffineplasticparticlesar