細顆粒泥沙絮凝沉降試驗用直床直床直床設計

細顆粒泥沙絮凝沉降試驗用直床直床直床設計

長江河口的懸浮沉積物不僅體積很大，而且顆粒也非常詳細。經(jīng)過多年的測試，結果，超過32m的沉積物達到90%以上，平均平均直徑僅為8.6m。更重要的是，這部分沉積物的表面負荷超過了總沉積物的92%。在堿性楔形活動范圍內(nèi)，當海水充滿陽離子時，會發(fā)生沉淀，從而穩(wěn)定沉淀。由于條件的限制，以往的細粘土沉淀試驗通常采用單向或雙向環(huán)水槽。在最初的美國研究機構中，環(huán)水槽的占地面積小，試驗水、沙和鹽的使用小。為了實現(xiàn)穩(wěn)定沉降，學習時間間隔變長，即通過無限延長試驗時間來實現(xiàn)。換句話說，時間尺度轉化為長度測量的功能，砂、砂、礫石模的作用并不是同時生成穩(wěn)定輸沙。然而，對于環(huán)形水槽，尤其是環(huán)形水槽，最大的問題是徑向副流的影響，水流結構與均勻流之間存在一定的差異。在某種程度上，雙環(huán)形水槽可以消除上述影響，但調(diào)整過程中的程序非常復雜，而且很難樣品。為了研究不同水溫和不同速度條件下河流河口細粘土沉降的特性，并克服環(huán)形井的上述不足，作者開發(fā)了一種返回直形井。從46.2m長、0.2m寬、0.4m高的7個直槽和0.4m半徑的6個半圓連接，全長39.3m，開發(fā)了一套鹽沙裝置和供水控制系統(tǒng)，以滿足試驗要求。1加沙鹽水系統(tǒng)試驗設計折返式水槽結構總圖見圖1～3,水槽的照片見圖4,它由六部分組成,即供水回水系統(tǒng)、進水段、出水段以及加沙加鹽系統(tǒng),水槽設計試驗流速為6、15、30、40cm/s.1.1回水段設置供水系統(tǒng)使用設在泵房的4臺水泵(1臺40kW、3臺30kW)、平水塔(6.0m水頭,穩(wěn)定流總溢流量為202m3/h)及分別接引40cm和45cm兩根配水管組成,供水槽試驗用水.回水系統(tǒng)由原設在試驗廳地下、尺度為1.5m×0.8m×0.5m回水槽連接地下水庫組成,承接回水段出水.根據(jù)原配水管的設置,進口段設有上下兩個水池,承接供水系統(tǒng)的入流量,經(jīng)下水池(長1.0m,寬1.0m、高1.5m)穩(wěn)壓后進入長為3m、寬0.20m、高0.76m的進口段,進口段中設有跌水、穩(wěn)壓板、逆坡等消能裝置,并設有矩形薄壁堰,根據(jù)堰上水頭控制試驗進口流量.矩形薄壁堰設置為自由出流,對于無側收縮的流量常用下式計算:Q=m0B2g??√H32Q=m0B2gΗ32.(1)式中:H為堰上水頭,m0為包含行近流速影響在內(nèi)的薄壁堰流量系數(shù),m0可用雷?？?Robock)的經(jīng)驗公式計算,m0=0.4034+0.0534Hα+11610?4.5,m0=0.4034+0.0534Ηα+11610-4.5,當α=0.40m時其結果如表1所示.1.2平板玻璃板內(nèi)流態(tài)設計試驗段由長46.2m,寬0.20m,高0.76m的7道直槽和直徑為0.40m的6個半圓形彎道組成.總長度為339.3m.邊壁和底板均由5mm厚的平板玻璃構成,接縫處用玻璃膠黏結.水槽中的水流運動是在重力作用下形成的,根據(jù)水槽幾何特性、槽首入流及槽末出流條件,可有均勻流及非均勻流兩種流態(tài).明渠恒定均勻流是本水槽結構設計的基本依據(jù),也是水槽試驗的基礎,只有在正坡、棱柱體、糙率不變的長直明渠中才能產(chǎn)生均勻流,本水槽設計時,充分考慮了這些條件.1.2.1槽內(nèi)斷化設計根據(jù)本次試驗要求,上限流量Q=0.03m3/s(v=0.6m/s),而試驗常用流量約在0.0025～0.0200m3/s(v=0.05～0.40m/s),故設計底坡時取設計流量Q=0.015m3/s(v=0.30m/s),槽中水深h0=0.25m、底寬b=0.20m進行設計.根據(jù)已知h0及b值求出斷面要素:過水斷面面積為A0=bh0=0.05m2;(2)濕周為x0=b+2h0=0.7m;(3)水力半徑為R0=A0/x0=0.07m;(4)選擇n=0.01,則謝才系數(shù)為C0=1nR160=64.2m12/sC0=1nR160=64.2m12/s.(5)根據(jù)設計條件計算出的理論底坡為i=Q2/(C2002A2002R0)=0.0003.(6)1.2.2局部東南角驗算由折返式直水槽結構可知,當水流經(jīng)過連接兩直槽的彎道部位時,將會產(chǎn)生局部水頭損失,損失與流速平方成正比,考慮到安徽大通至入海口的長江河口天然坡度為0.0004,施工時實際底坡定為0.0004,即每道水槽首尾高度差為2cm,全槽首尾高度差為14cm.1.2.3匝道排水效果分析當水流通過連接直槽的彎道時,因離心力作用,凹岸水位高,凸岸水位低,形成橫向面坡度,即彎道斷面兩邊產(chǎn)生水位差Δh,并引起橫向環(huán)流,Δh和v2成正比,故當試驗流速較高時,彎道影響更為顯著.由圖5可見,當水流以0.2～0.3m/s速度從1道直槽經(jīng)過彎道進入2道時,2道水槽中距彎道末端50cm和20cm處測出的流速垂線分布發(fā)生了明顯的變形.如果用導流裝置把彎道隔成均勻的m個彎道,從凸岸向凹岸方向第n個窄彎道左右岸水位差Δhn為Δhn=vˉ2g[R0mb+(n?12)]?1Δhn=vˉ2g[R0mb+(n-12)]-1.(7)由式(7)可知,彎道處隔成窄道的個數(shù)m越多,各窄道左右岸水位差就越小.據(jù)此,本槽彎道采用厚0.6mm,高0.5m不銹鋼導流板把彎道分割成3個窄彎道,其水流情況如圖5所示.由圖可見,當水流以導流前同等流速從1道經(jīng)彎道進入2道直槽時,2道水槽中距彎道末端50cm及20cm處測點垂線流速分布與1道水槽同距測點處極為相似,明顯地減小了橫向環(huán)流的作用,基本上消除了彎道對水流結構的影響.1.2.4升降機構設計工作段的末端,安置一下方具有銳緣薄壁的閘門,它與槽壁配合緊密,用一專門的升降機構(見圖4)控制閘門的起閉,從而改變閘門的開啟高度,達到調(diào)節(jié)試驗水深的目的.升降機構用直流伺服電機控制、并配有專門的控制系統(tǒng).1.3最大流量設計在處理工藝法上的比降閘門以下尺度為高0.76m、寬0.2m的出水段,其比降略大于試驗段,出口處為低于地面以下約0.8m的水池.在率定流量時,用以存放量水容器.1.4系統(tǒng)的組成及原理加沙和加鹽系統(tǒng)分別為兩個獨立的系統(tǒng),它們是各由置于地面容積為1m3玻璃水池以及置于距地面以上約2m高處,容積為0.4m3塑料桶、水泵、進水管、出水管、閥門及溢流管等組成,見圖1.系統(tǒng)采用潛水泵自循環(huán)系統(tǒng)以解決泥漿池泥沙的均勻懸浮問題,用精密閥門控制加入泥漿的流量,并利用光電測沙儀直接監(jiān)測進口段的起始含沙量,鹽度的控制則用精密閥門加流量計,以控制加入鹽水的流量.1.5溫度對系統(tǒng).由于水槽總長度L有339.3m,試驗流量達0.02m3/s,對水槽水溫進行人為控制投資較大,所以不同水溫下的試驗采取在不同季節(jié)的環(huán)境溫度下進行.2實驗設計及觀測點布置為了解試驗段水流結構,從以下幾方面進行實驗觀測:測定縱比降、測定試驗段沿程流速分布及穩(wěn)定性試驗等.水深、流速觀測點分布斷面如圖2所示.2.1過流和過流流量根據(jù)矩形明渠均勻流計算公式的一般關系:Q=f(i,n,A,h0).(8)式中共有4個變量,其中i、n、A已由水槽結構所定,當h0即正常水深由試驗條件給定時(h0=0.25m),據(jù)式(8),Q是唯一的.該流量即為均勻流流量,可由調(diào)試確定.方法是對每一施放的入流量,經(jīng)若干時間穩(wěn)定后,開啟尾門高度,調(diào)節(jié)水深,當各測深點上的水深穩(wěn)定且沿程不變均為0.25m時,所對應的入流量即為均勻流流量Q.Q可根據(jù)量水堰上的測針讀數(shù)查圖求得,經(jīng)反復試驗,本水槽均勻流流量約為0.015m3/s,與其對應的垂線平均流速約為0.30m/s.此時,各測深點上水面連線即為縱比降(圖5中的×……×線).由圖6可見,水槽底坡線Ji與水面線Jp相互平行,即它們的坡度相等,這是明渠均勻流的一個重要標志.2.2均方差和流速沿程分布入流量按經(jīng)率定的均勻流流量(Q=0.015m3/s)施放,調(diào)節(jié)尾門開啟高度,沿程水深控制在試驗水深h0=0.25m,待水流穩(wěn)定后,用旋槳式光電流速儀測定流速,測流斷面及測點的布設如圖2所示,采用六點法(0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)測量,受流速儀探頭尺寸的影響,表層和底層流速為水面下1cm處、槽底以上1cm處的流速,為減少流速儀測量誤差,每測點測兩次,取其平均值,其典型結果如圖7所示,其誤差如表2所示.由表2可知當略去近彎道處1-1、8-8斷面上的測流資料后,各層流速平均誤差e為0.82cm/s,均方差σ為1.12cm/s.計算結果表明,槽中流速沿程變化甚微,流速沿程分布符合明渠均勻流特征.以上調(diào)試證明,試驗段水流基本上可以認為是均勻流.根據(jù)本次試驗要求,要進行不同流速條件(0.06、0.16、0.30、0.40cm/s)下的動水沉降試驗,因此試驗流量應隨試驗流速的不同而改變,由式(8)知,當水槽的i、n、A及h0一定時,相應的均勻流流量Q是唯一的,上述調(diào)試也表明,與本水槽實際底坡4/10000相應的均勻流流量為0.015m3/s(v=0.30m/s).根據(jù)試驗的要求,當水槽的n、A及h0一定,試驗流量改變時,底坡亦應作相應的調(diào)整,槽內(nèi)才能產(chǎn)生相應的均勻流.這點對于變坡水槽來說,是容易做到的,但對于具有定底坡的本水槽來說有一定難度.為在定底坡水槽不同流量條件下,使水流基本達到均勻流狀態(tài),筆者采取在閘門前構筑臨時潛壩,并假定壩頂和試驗段首部槽底之連線以下水位作死水處理,達到改變坡度的目的.當試驗流速分別為12cm/s和9cm/s時,從試驗段首部槽底至潛壩高差分別為2cm和5cm,相應比降分別為0.6/10000和1.5/10000,測得的縱比降見圖6,沿程流速分布見圖8,由圖可知,除40cm/s組流速沿程變化略大外,其余三組流速沿程變化甚小,水流基本上符合均勻流狀態(tài).40cm/s這一組流速有明顯的沿程增加的特點,這主要是由于本水槽不是變坡水槽,設計4/10000的底坡最佳的流速大約在30cm/s左右,在流速較小時可采用閘門前筑潛壩的方式;而流速大時,為增加試驗段流速在水槽前段必定會產(chǎn)生涌水使水位抬高,從而使前段流速變小,在水槽后段,由于水位降低,流速增加,結果造成如圖8所示分布(40cm/s組).2.3不同日期進行試驗穩(wěn)定性試驗是在同一次試驗中不同時刻測定各點流速,以及在不同日期進行試驗,測定各點流速,并進行比較,結果如表3.由表可知,在同樣試驗條件下,不同時間所測得的流速相對變化量小于6%,它表明該水槽重現(xiàn)性好,穩(wěn)定性高.3定底坡培育細顆粒泥沙動水沉速試驗(1)具有定底坡的折返式直水槽構思新穎,水流基本符合均勻流特性,且具有占地面積小、長度長、重現(xiàn)性好、穩(wěn)定性高等特點,它可作為研究細顆粒泥沙沉降、輸移、啟動等有效的實驗設備.(2)在正常水深h0=0.25m時,本水槽相應的設計流量為0.016m3/s.當試驗流量大于或小于設計流量時,如h0維持不變,則底坡應作相應調(diào)整,水槽內(nèi)的水流才能形成均勻流.本試驗在低流速時,經(jīng)采取閘前構筑潛壩措施后,水流條件基本符合試驗要求.但流速較高時(40cm/s),仍會出現(xiàn)沿程流速增加的趨勢,這是定底坡水槽所決定的.(3)折返式水槽連接相鄰直水槽的彎道段具有彎道特性,在彎道處設置了導流板等措施,明顯減小了橫向環(huán)流的作用,使近彎道處的水流結構大為改善,但彎道引起水