徐聞電廠附近泥沙起動(dòng)流速實(shí)驗(yàn)研究.docx

1、徐聞電廠附近泥沙起動(dòng)流速實(shí)驗(yàn)研究董志慧，劉瓊軼（珠江水利科學(xué)研究院，廣東廣州510611）摘要：通過對(duì)徐聞電廠附近現(xiàn)場沙樣淤積后進(jìn)行泥沙起動(dòng)流速實(shí)臉，研究起動(dòng)流速與淤積歷時(shí)、水深之間的關(guān)系，指出泥沙起動(dòng)流速隨著淤枳歷時(shí)、水深的增大而增大；井用3種常用公式進(jìn)行了對(duì)比分析，鼓后由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出現(xiàn)場泥沙起動(dòng)流速的經(jīng)驗(yàn)公式。關(guān)鍵詞：泥沙；沉積歷時(shí)；水深；起動(dòng)流速中圖分類號(hào):TV142文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1008-0112（2010）02-0009-03、收稿日期：2010-01-04；修回日期：2010-01-15作者簡介：螢志慧（I972-）,男，碩士.高級(jí)匚程師，主要從事水利工程及泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)研

2、究。引言擬建大型燃煤電廠位于由州半島南部的徐聞縣，其東南西臨海。由于該處具有典型的海岸地區(qū)特點(diǎn)，是水動(dòng)力和物質(zhì)交換過程相互作用較為活躍的地帶，也是受人類活動(dòng)影響顯著的地區(qū)。在這些相互作用的過程中，泥沙運(yùn)動(dòng)通常起著紐帶作用。因此，開展泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究十分必要。由于該處泥沙屬于細(xì)顆粒泥沙,其起動(dòng)流速主要取決于內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)、淤積環(huán)境及水流條件等因素。為此,本文對(duì)不同淤積歷時(shí)后的沙樣進(jìn)行水槽泥沙起動(dòng)流速實(shí)驗(yàn)，以研究泥沙起動(dòng)流速與淤積歷時(shí)、水深之間對(duì)應(yīng)變化的關(guān)系。1實(shí)驗(yàn)概況1.1實(shí)驗(yàn)沙樣實(shí)驗(yàn)?zāi)嗌沉Ｅ淝€見圖1.泥沙中值粒徑久。約為0.011mm,以粉沙和淤泥為主，屬于淤泥質(zhì)粉沙，其容重為2.65g/cm

3、3olooI.|11III!|11|90七80L、70-r4+40一-、或30I20fI。0IlliUlLLJ-J-l.J10.10.010.001粒徑/mrn圖1徐聞電廠泥沙粒配曲線1.2沙樣預(yù)處理將現(xiàn)場所采沙樣置于干凈的塑料盆中，加適M：水?dāng)嚢杈鶆颍o置24h后將盆內(nèi)析出清水去除，繼續(xù)攪拌均勻后將沙樣裝入試樣盒內(nèi)。然后將沙樣盒置于水深約30cm水池中進(jìn)行水下淤積，淤積ld、10d、20d、40d、60d及80d后分別取出進(jìn)行泥沙起動(dòng)流速實(shí)驗(yàn)。1.3實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)在改裝后的平坡矩形玻璃水槽中進(jìn)行，如圖2所示，水槽長度為30.00m,寬度為0.30m,高度為0.40m,槽底為大理石平面。實(shí)驗(yàn)水槽

4、為自循環(huán)式,用水為自來水。水槽的流雖由一個(gè)手動(dòng)閥門控制,通過量水堰讀取大小;水深由下游尾門控制.通過水尺量取深度;用LS-3C光電流速儀測量平均流速、溫度計(jì)測量實(shí)驗(yàn)水溫。為了便于觀測泥沙運(yùn)動(dòng)情況，在水槽中用磚、水泥及大理石壘出一個(gè)長0.10m、寬0.30m、高0.05m的凹槽，用于握放沙樣盒，以保證實(shí)驗(yàn)時(shí)盒內(nèi)沙樣與水槽底部平面齊平。為了避免水流撞擊槽墻而產(chǎn)生波浪，在觀測段前方設(shè)置2.50m長的過渡段，過渡段前沿做成楔形。觀測段后方設(shè)置1.50m長的過渡段，從而使水流在床面上呈現(xiàn)均勻紊流的性質(zhì)。1.4起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)本實(shí)驗(yàn)用水槽斷面中心線的平均流速（相當(dāng)于現(xiàn)場的垂線平均流速）率定，判別原樣沙的起動(dòng)條件，

5、采用定性標(biāo)準(zhǔn)判別泥沙是否起動(dòng)，即將部分床而有泥沙“少量動(dòng)”時(shí)的垂線平均流速定為泥沙臨界起動(dòng)流速。圖2泥沙起動(dòng)流速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意2實(shí)驗(yàn)成果分析2.1淤積歷時(shí)對(duì)泥沙起動(dòng)流速的影響從實(shí)驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表1和圖3可以看出，隨著淤積歷時(shí)的延長，實(shí)驗(yàn)沙樣起動(dòng)流速呈增大趨勢在起動(dòng)系列實(shí)羚中，對(duì)于同一水深，沉積Id的泥沙起動(dòng)流速最小.沉積80d的泥沙起動(dòng)流速最大，沉積1060(1的泥沙起動(dòng)流速介于兩者之間。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到，在實(shí)驗(yàn)水深為20cm時(shí)、沉積Id的泥沙起動(dòng)流速為67.6em/s,沉積80d的泥沙起動(dòng)流速為80.6cm/s,沉積1060d的泥沙起動(dòng)流速在74.278.5cm/s之間。由此看來，淤泥的起動(dòng)流速

6、與沉積時(shí)間密切相關(guān)。分析其原因，主要是在重力作用下，淤泥間的孔隙率降低,變得密實(shí),引起泥沙的干容甫變大,淤泥的粘結(jié)力增強(qiáng)，沉積后的泥沙會(huì)發(fā)生一定程度固結(jié)現(xiàn)象，且隨著沉積時(shí)間的延長，淤泥固結(jié)度會(huì)有所增高，從而導(dǎo)致淤泥的起動(dòng)流速有所變大。由于天然泥沙淤積歷時(shí)難以準(zhǔn)確確定，在實(shí)際應(yīng)用過程中，泥沙起動(dòng)流速與淤積歷時(shí)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表現(xiàn)為泥沙起動(dòng)流速與干容重之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.即泥沙起動(dòng)流速隨干容重增大而增大，其增加速率由泥沙性質(zhì)決定。參照前人的研究成果，粘性泥沙起動(dòng)流速公式為：V=0.28(y'/y)”嚴(yán)瞄式中，'為泥沙干容重；y'“為泥沙起始卜容重,河道粘性泥沙采用特賴斯克資料加

7、權(quán)計(jì)算,水庫淤積物采用漢姆勃里資料加權(quán)計(jì)算;S為粒徑小于0.005mm的粘性顆粒百分含量。由物理特性實(shí)驗(yàn)可知，沉積80<1的泥沙干容重為0.90kg/m通過公式計(jì)算泥沙起動(dòng)流速為94cni/s；由實(shí)測資料顯示，現(xiàn)場泥沙粒徑為0.005mm,含量:約為35%,泥沙起始干容重為1.01kg/m4以計(jì)算泥沙起動(dòng)流速為199cm/so2.2水深對(duì)泥沙起動(dòng)流速的影響由表1和圖3可知，泥沙起動(dòng)流速與水深呈正相關(guān)關(guān)系，且隨著水深的加大，泥沙起動(dòng)流速亦隨之增大。通過系列泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)，沉積(1的泥沙在水深為7.0cm時(shí)對(duì)應(yīng)的起動(dòng)流速為49.9cm/s.在水深為18.1cm時(shí)對(duì)應(yīng)的起動(dòng)流速為64.8cm/s

8、,在水深為29.2cm時(shí)對(duì)應(yīng)的起動(dòng)流速為76.7cm/s；沉積60d的泥沙在水深為1l-Ocm時(shí)對(duì)應(yīng)的起動(dòng)流速為66.Icm/s,在水深為18.0cm時(shí)對(duì)應(yīng)的起動(dòng)流速為76.lcm/s,在水深為30.8cm時(shí)對(duì)應(yīng)的起動(dòng)流速為88.3cm/s；沉積其它天數(shù)泥沙起動(dòng)流速與沉積Id和60d的類似。表1徐聞電廠附近泥沙起動(dòng)流速實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)沉積起動(dòng)流速沉枳沉積起動(dòng)流速水深水深起動(dòng)流速水深歷時(shí)歷時(shí)歷時(shí)/cm/(cm,$”)/cm/(cms-,)/cm/(cm,s"1)/d/d/d749.91()60.21166.19.955.21565.51876.1113.758.82020.873.160207

9、8.519.967.425.277.129.387.829.276.728.480.330.888.31057.510.763.820.881.7】8.969.115.767.421.882.710408020.270.420.975.123.585.328.478.32478.4注：實(shí)驗(yàn)水溫為26.8Y圖3不同沉積歷時(shí)泥沙在各水深下的泥沙起動(dòng)流速2.3實(shí)驗(yàn)成果與以往公式的比較對(duì)于新淤粘性上的起動(dòng)流速問題，竇國仁、張瑞瑾及沙玉清分別得出了適合不同大小顆粒的起動(dòng)規(guī)律，且3種常用公式計(jì)算出來的結(jié)果也相差不多。從實(shí)驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)圖4可以看出，沉積Id的泥沙在不同水深下的起動(dòng)流速與3家常用公式計(jì)算值比較接

10、近。而沉積10d至80d的泥沙起動(dòng)流速均大于常用公式計(jì)算值，且沉降歷時(shí)越長，實(shí)驗(yàn)值與常用計(jì)算值的差值越大;其中，沉積10(1相差最大值為7.7cm/s,沉積20d相差最大值為9.7cm/s,沉積40d相差最大值為10.Icm/s,沉積60d相差最大值為16.5cm/s,沉積80(1相差最大值為17.4cm/s。分析實(shí)驗(yàn)值與常用公式計(jì)算值差別的原因，主要有兩方而：-是常用公式針對(duì)新淤粘性土的起動(dòng)流速,其泥沙的密實(shí)度較低,干容重也較小，顆粒之間的粘結(jié)力亦不大，此時(shí)的泥沙起動(dòng)流速相對(duì)較小，比較容易起動(dòng);二是系列泥沙起動(dòng)流速實(shí)驗(yàn)采用沉積不同歷時(shí)的淤泥，沉積Id的泥沙密實(shí)度較低，比較接近新淤泥，故其起動(dòng)

11、流速較接近公式計(jì)算值；隨著沉積歷時(shí)的延K,泥沙的密實(shí)度有所增高，出現(xiàn)不同程度的固結(jié)現(xiàn)象，且沉積歷時(shí)越久,泥沙固結(jié)度就越高，泥沙越難起動(dòng),其起動(dòng)流速就越大，所以沉降歷時(shí)久的泥沙起動(dòng)流速與公式計(jì)算值出入較大。(£二爻說15M|<|Itt90080.0-實(shí)白S.0010.00150020.noIS.OOmoo35XX)00.00005.0025.0010.0015.0020.00水R/rmr«9)M%«y100005.00100025.0030.00J5.0020005.0010(X1”0020<K»gOQMI.OO30.00r.JSSS實(shí)9心*仁

12、.作王楠S0010.0015.0020.0025.003000水恤”5000實(shí)狩WIHf-步21.0021.5022.0022.5023.0023.5024.00水WH/rm圖4不同沉積歷時(shí)的泥沙起動(dòng)流速與常用公式比較(«蜓S3*（本文責(zé)任編輯羅容）2.4泥沙起動(dòng)流速經(jīng)驗(yàn)公式根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得出沉積Id的泥沙起動(dòng)流速經(jīng)驗(yàn)公式為：Uc=1.075x臚29式中上為泥沙起動(dòng)流速,m/s；為水深，mo圖5為本次提出泥沙起動(dòng)流速實(shí)驗(yàn)公式與其它3種常用公式的比較關(guān)系，總體來說，實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算值與3種常用公式基本一致，與常用公式最大值的絕對(duì)誤差在5cm/s以內(nèi)。由本次實(shí)驗(yàn)公式測算出現(xiàn)場原型水深對(duì)應(yīng)的泥沙起動(dòng)流速,2.00m水深下的泥沙起動(dòng)流速為1.31m/s,4.00m水深下的泥沙起動(dòng)流速為1.61m/s,6.00m水深下的泥沙起動(dòng)流速為1.81m/s,8.00m水深下的泥沙起動(dòng)流速為1.96m/s,l0.00m水深下的泥沙起動(dòng)流速為2.10m/S