塑料模型沙起動(dòng)流速試驗(yàn)研究.docx

1、第38卷第I期2012年3月江西水利科技JIANGXIHYDRAUIJCSCIENCE&TECHNOLOGYDOI：10.3969/j.issn.1004-4701.2012.01.05塑料模型沙起動(dòng)流速試驗(yàn)研究黃志文，魯博文,耶年華(江西省水利科學(xué)研究院，江西南昌330029)摘要：通過水槽試驗(yàn)進(jìn)行了塑料沙的起動(dòng)流速試駛，以5組泥沙為例，推導(dǎo)出沙粒在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下塑料沙的起動(dòng)流速公式，并與3種常用模型沙起動(dòng)流速公式計(jì)算值比較,建議對(duì)輕質(zhì)模型沙起動(dòng)流速估算時(shí)，采用塑料沙起動(dòng)流速計(jì)算公式.關(guān)鍵詞：水槽試稔；模型：起動(dòng)流速；塑料沙中圖分類號(hào)：TV142M文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004-4

2、701(2012)01-0016-04模型沙起動(dòng)流速是模型設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一，而起動(dòng)流速試驗(yàn)是開展動(dòng)床模型試驗(yàn)的前期預(yù)備試驗(yàn)之一。為了鄱陽(yáng)湖實(shí)體模型選沙前期研究，江西省水利科學(xué)研究院對(duì)浙江省富陽(yáng)加工的黃色塑料沙(其%=1.15t/m3,yo=O.6t/m3)進(jìn)行了起動(dòng)流速試驗(yàn)。采用的沙樣總共有5組非均勻沙，即心分別為0.063、0.12、0.21、0.28、0.41mmo1試驗(yàn)設(shè)備本試驗(yàn)是在江西省水利科學(xué)研究院水工模型大廳固定玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行的。水槽長(zhǎng)25m、寬50cm,高50cm。試驗(yàn)所用水槽如圖1所示叫圖1試驗(yàn)水槽平面布置圖水槽有效觀測(cè)段長(zhǎng)度2m,觀測(cè)泥沙起動(dòng)情況；試驗(yàn)段上下安裝有2個(gè)測(cè)針，

3、測(cè)讀水位。由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵通過循環(huán)系統(tǒng)為水槽供應(yīng)試驗(yàn)用水，采用矩形堰控制流量:。為了穩(wěn)定進(jìn)入水槽水流的流態(tài)，在水槽進(jìn)口設(shè)有Im長(zhǎng)的消能段。在玻璃水槽的尾部采用轉(zhuǎn)向尾門調(diào)整水位。流速測(cè)量采用江西省水利科學(xué)研究院自制的懸槳收稿日期：2012-02-01作者簡(jiǎn)介：黃志文(1979-),男，碩士，工程師.流速儀測(cè)定，其可以測(cè)量的流速范圍：3120cm/s,模型沙運(yùn)動(dòng)情形用攝像機(jī)進(jìn)行錄像。2試驗(yàn)步驟試驗(yàn)前將模型沙浸泡過57d后充分?jǐn)嚢瑁缓笃戒佊谀Ｐ蜕澈?，再在水槽尾端注入清水，?dāng)水而高于床面0.5-1.0cm時(shí)，將沙盒慢慢放入水槽試驗(yàn)，如果沙面出現(xiàn)凹凸變形，則輕輕將模型沙拍實(shí)、刮平，試驗(yàn)用水為自來(lái)水。

4、試驗(yàn)時(shí)，將尾門或流量調(diào)整到接近顆粒起動(dòng)條件時(shí)，再微調(diào)尾門或流量，調(diào)節(jié)水位的同時(shí)觀察模型沙的起動(dòng)情況。待水面穩(wěn)定后，再判斷泥沙運(yùn)動(dòng)情況。當(dāng)泥沙在某一水深達(dá)到相應(yīng)的起動(dòng)狀態(tài)時(shí)，讀出相應(yīng)的水位，施測(cè)流速。測(cè)速斷面設(shè)在試驗(yàn)段中間，布設(shè)3條垂線，每一垂線采用3點(diǎn)（0.2h、0.6h、0.8h,h為某一水深值）法測(cè)速，斷面平均流速按一般水文方法計(jì)算。每組同一粒徑的泥沙各種起動(dòng)狀態(tài)，均做6個(gè)水深（5.5、10.5、15.5.20.5.25.5、30.5cm）。3起動(dòng)流速判別標(biāo)準(zhǔn)泥沙的起動(dòng)流速視沙粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為個(gè)別動(dòng)、少極動(dòng)、大最動(dòng)、揚(yáng)動(dòng)等4個(gè)階段觀測(cè)。個(gè)別動(dòng)狀態(tài)：槽中縱向床面上有可數(shù)的顆粒開始做斷斷續(xù)續(xù)的

5、移動(dòng)，經(jīng)過仔細(xì)尋找才能發(fā)現(xiàn)。少址動(dòng)狀態(tài)：縱向床面上約有20%的泥沙在起動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以聯(lián)系觀測(cè)到，床面上單位面積內(nèi)移動(dòng)的顆粒是可數(shù)的。大雖動(dòng)狀態(tài)：床面顆粒幾乎全部起動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度和連續(xù)性均比少量動(dòng)增強(qiáng)，約占表層的80%,床面上單位面積內(nèi)移動(dòng)的顆粒不可數(shù)。揚(yáng)動(dòng)狀態(tài)：床面上的大最顆粒呈帶狀形式運(yùn)動(dòng)，帶狀不停的向左右兩邊擺動(dòng)，且有部分模型沙被揚(yáng)起，升至水流中，隨水流長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)，呈煙霧或渾濁狀。4起動(dòng)流速試驗(yàn)成果試驗(yàn)中主要觀測(cè)水槽進(jìn)口16m處沙盒內(nèi)泥沙顆粒的起動(dòng)情況。本次試驗(yàn)選用了5組顆粒級(jí)配，其心分別為0.063、0.12、0.21、0.28和0.41mm。通過試驗(yàn)實(shí)測(cè)，獲得的起動(dòng)流速試驗(yàn)數(shù)據(jù)（以

6、-知為0.063,0.12,0.28mm為例）見表13。個(gè)別動(dòng)少景動(dòng)大1ft動(dòng)35302591113起動(dòng)流速/cm-8-'圖3dbO.Dmm的塑料模型沙的關(guān)系55O5O5«33221.圖2必戶0.063mm的塑料模型沙Vh的關(guān)系個(gè)別動(dòng)少量動(dòng)大景動(dòng)揚(yáng)動(dòng)111315起動(dòng)流速/cm-s'*17圖4d妒0.28mm的塑料模型沙Vh的關(guān)系小休n/cm個(gè)別動(dòng)少量動(dòng)大量動(dòng)揚(yáng)動(dòng)5.55.787.448.8210.8110.56.838.389.9111.7415.57.629.1410.7712.8820.58.159.8311.5413.7425.58.6110.2412.0914

7、.3730.59.1210.6512.5315.18流速Vo表1d5o=O.O63mm泥沙的起動(dòng)流速cm/s將數(shù)據(jù)計(jì)算分析整理后點(diǎn)繪出輕質(zhì)辨料沙的起動(dòng)流速（個(gè)別動(dòng)、少量動(dòng)、大量動(dòng)、揚(yáng)動(dòng)）與水深力的關(guān)系曲線，見圖24。表2（1=0.12mm泥沙的起動(dòng)流速cm/s水深h/cm流速Vo個(gè)別動(dòng)少量動(dòng)大量:動(dòng)揚(yáng)動(dòng)5.56.578.249.8711.4510.57.468.9010.8012.3615.58.129.6711.4413.2820.58.5310.3612.0813.9625.58.7910.9912.8214.7830.59.1211.3613.4715.42表3d5o=0.28mm泥沙的

8、起動(dòng)流速cm/s水深h/cm流速Vo個(gè)別動(dòng)少址動(dòng)大依動(dòng)揚(yáng)動(dòng)5.57.519.4711.5413.4210.58.1510.6012.7814.5815.58.7711.1513.5515.4620.59.4511.9614.1216.1625.59.8712.5614.7316.8730.510.5413.3315.4417.765起動(dòng)流速公式的推導(dǎo)5.1起動(dòng)流速公式的推導(dǎo)圖2至圖4為塑料合成沙各粒徑組起動(dòng)流速與水深關(guān)系。我們可以看出，各狀態(tài)的起動(dòng)流速均隨水深增大而增大。起動(dòng)流速與水深之間的變化規(guī)律仍然符合經(jīng)驗(yàn)公式I后司號(hào)二（yj所示的指數(shù)關(guān)系（式中K.值與模型沙的粒徑有關(guān)）。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，

9、塑料沙起動(dòng)流速變化規(guī)律比較明顯，粒徑越大起動(dòng)流速越大。由于K”值為一變化值,用上式難以準(zhǔn)確反映塑料沙的起動(dòng)流速。目前各家起動(dòng)流速公式主要以天然沙的起動(dòng)流速資料為基礎(chǔ)，在水深0.15m下對(duì)天然沙的起動(dòng)流速擬合較好，但是隨著水深增大，各家公式計(jì)算值差異較大。利用這些公式估算模型沙的起動(dòng)流速時(shí)，估算值與試驗(yàn)值也有一定的差異，特別是細(xì)顆粒模型沙。由于采用竇國(guó)仁公式和沙玉清公式計(jì)算模型沙起動(dòng)流速時(shí)需確定模型沙的粘滯系數(shù)$比較困難。因此，我們?cè)趶埲痂饎?dòng)流速公式基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有的水槽試驗(yàn)實(shí)測(cè)的起動(dòng)流速資料進(jìn)行塑料合成沙起動(dòng)流速公式的擬合。張瑞瑾起動(dòng)流速公式的形式為：婦務(wù)）g號(hào)心腎式中和«4為待定

10、系數(shù).根據(jù)天然沙、模型沙的起動(dòng)試驗(yàn)資料可知，起動(dòng)流速與、呈指數(shù)關(guān)系，指a數(shù)E的變化范圍為1/7-1/5,取1/7；對(duì)于以重力作用下為主的粗顆粒模型沙，試驗(yàn)值與張瑞瑾公式是吻合的，因此,。2取17.6,而a和久兩個(gè)系數(shù)則要根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行擬合。通過對(duì)塑料合成沙起動(dòng)流速試驗(yàn)資料的擬合求得起動(dòng)流速公式（1）中。3和值分別為0.000000029、0.888。塑料合成沙起動(dòng)流速公式為：0.1411/2U少量戶（為|7.6號(hào)J+0.00000029-j（2）圖5為塑料合成沙起動(dòng)流速計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比。從圖看出，塑料合成沙起動(dòng)流速計(jì)算值與試驗(yàn)值在對(duì)數(shù)坐標(biāo)45。線上，兩者是基本吻合的。少量動(dòng)100.001

11、0.001.00110100實(shí)測(cè)起動(dòng)流速/cmL圖5塑料合成沙起動(dòng)流速實(shí)測(cè)值（少技動(dòng)）與計(jì)算值的對(duì)比5.2不同起動(dòng)狀態(tài)下的起動(dòng)流速試驗(yàn)資料表明，模型沙處于個(gè)別動(dòng)、少量動(dòng)、普遍動(dòng)和揚(yáng)動(dòng)等狀態(tài)時(shí)的起動(dòng)流速變化規(guī)律是一致的，起動(dòng)流速與水深的對(duì)數(shù)關(guān)系線為一組平行線，起動(dòng)流速同樣可采用公式（1）形式進(jìn)行描述。模型沙起動(dòng)狀態(tài)分別為個(gè)別動(dòng)、少量動(dòng)、大量動(dòng)和揚(yáng)動(dòng)對(duì)應(yīng)的起動(dòng)流速具有一定的線性關(guān)系，一般表示為：U個(gè)別動(dòng)=Ki少量功U大m=KJJ少g+"場(chǎng)4=心U少童成+電式中,K*、K3為比例系數(shù)，通過試驗(yàn)資料率定回歸分析可得比例系數(shù)KKg分別為0.9947、1.0306、0.9274曲、&、&

12、amp;為截距，截距分別為-2.188、1.3095、4.5891,即t/個(gè)制動(dòng)=0.9947"少m必-2.188大動(dòng)=1.0306少隊(duì)+1.3095場(chǎng)幼=0.9274。少量玫+4.58916起動(dòng)流速試驗(yàn)值與各家公式計(jì)算對(duì)比根據(jù)塑料沙起動(dòng)流速計(jì)算公式(公式3淚、王延貴提出的模型沙計(jì)算公式(公式4沖和張瑞謹(jǐn)公式(公式5),分別計(jì)算出個(gè)模型沙起動(dòng)流速，與實(shí)測(cè)值比較。&=K(第S'與七gdnin0=K件)i17.6號(hào)匕d+0.000000275y,)0.1429J+0.000000605lOWi,0.720.5(4)(5)式中：&起動(dòng)流速；d一沙樣中值粒徑；>

13、,一沙樣密度；>一水比密度。計(jì)算結(jié)果表明，采用塑料沙起動(dòng)流速公式計(jì)算輕質(zhì)塑料沙時(shí)，計(jì)算結(jié)果和起動(dòng)流速試臆值比較接近，建議初步確定輕質(zhì)塑料沙起動(dòng)流速時(shí)采用公式(3)計(jì)算。7結(jié)語(yǔ)1) 起動(dòng)試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，塑料沙旦起動(dòng)后，主要運(yùn)動(dòng)形式是在床面上滑動(dòng)，而且是一個(gè)不連續(xù)的過程，間歇運(yùn)動(dòng)的周期取決于水流條件的強(qiáng)弱。嫩料沙的起動(dòng)流速隨水深的增大而增大；粒徑存在界限值，以此為界粒徑越大起動(dòng)流速越大，粒徑越細(xì)起動(dòng)流速有所增大。2) 由試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了塑料沙起動(dòng)流速經(jīng)驗(yàn)公式,并用3種常用公式進(jìn)行了比較，證明該公式具有良好的適用性。建議對(duì)塑料沙初步估算起動(dòng)流速時(shí)采用公式(3)。3) 模型沙起動(dòng)流速試驗(yàn)是模型動(dòng)床

14、選沙的關(guān)鍵，本論文主要是針對(duì)鄱陽(yáng)湖實(shí)體模型動(dòng)床試驗(yàn)選沙而進(jìn)行的，模型經(jīng)初步確定考慮選用輕質(zhì)塑料沙。本試驗(yàn)成果為后續(xù)鄱陽(yáng)湖實(shí)體模型選沙提供了依據(jù)。參考文獻(xiàn)：1 任艷粉.郭愚敏，劉愷，等.擬焦沙起動(dòng)流速試驗(yàn)研究J.人民黃河.2011,33(3):29-33.2 長(zhǎng)江科學(xué)院.長(zhǎng)江防洪模型利用此界銀行貸款項(xiàng)目實(shí)體模型選沙研究報(bào)告R.武漢：於江科學(xué)院,2004.3 陳俊杰，任艷份，郭慧敏，等.常用模型沙基本特性研究：M.鄭拙：黃河水利出版社,2009.4 王延貴，胡春宏，朱畢生.模型沙起動(dòng)流速公式的研究J.水利學(xué)報(bào),2007,38(5):518-523.5 汪明廓，孫貴州，鄭文燕.新型塑科合成沙物理和運(yùn)

15、動(dòng)特性試毀研究J.科技導(dǎo)報(bào),2007(1).L6J竇國(guó)仁.再論泥沙起動(dòng)流速J.泥沙研究,1999(6).StudyonincipientvelocityofsedimentinmodeltestHUANGZhi-wen,LUBo-wen>WUNian-hua(JiangxiProvincialInstituteofWaterSciences.Nanchang330029,China)Abstract：Incipientvelocitytestofplasticsandisresearchedbyflumeexperiments.Theincipientvelocityformulaisproposed»varingwiththestartingstatesofsediment.Itincludesthestatesofsinglesedimentgrainbeginningtomove»afewofsedimentstartingtomove,alotofsedimentsstartingtomoveandflappingplasticsand.Itisrecommendedthatlightweightmode)sedi