黃河中游高含沙水流的流變特性

黃河中游高含沙水流的流變特性

黃河的沙子含量是世界的冠層。黃河的泥沙主要來自中游多沙粗沙區(qū)。高含沙水流能使水庫淤廢、河道堵塞、產(chǎn)生“漿河”,這些都是人們所熟知的。但高含沙水流卻又可產(chǎn)生“揭河底”使河床沖刷,加大輸沙能力,使泥沙長距離輸送、渠道不淤。對于高含沙水流的這一特異現(xiàn)象,用一般挾沙水流的理論都難以解釋。因為,它們不屬同一種流型,即使是同一種流型的高含沙水流,其流變特性和流變參數(shù)受不同因素的影響也是復(fù)雜的。因此,進(jìn)行流型區(qū)分、確定流變參數(shù)、分析流變特性,對認(rèn)識高含沙水流運(yùn)行機(jī)理和形成規(guī)律乃是有效的方法。在目前情況下進(jìn)行此項實驗研究工作,不僅可以解決生產(chǎn)上提出的一些實際問題,也可以為進(jìn)一步的理論分析積累資料。隨著西部大開發(fā)的深入及區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對黃河治理開發(fā)也提出了新的要求,因此,此項工作也是非常必要的。1情況介紹1.1含沙量大、顆粒粗黃河中游的多沙粗沙區(qū)土質(zhì)松散,夏季多暴雨,加之植被較差,水土流失嚴(yán)重,使得一些支流經(jīng)常出現(xiàn)含沙量大于1000kg/m3的高含沙洪水,如窟野河溫家川1958年7月10日實測最大含沙量達(dá)1700kg/m3。含沙量大、顆粒粗是黃河中游特別是河～龍區(qū)間河流的顯著特點。如烏蘭木倫河的王道恒塔站一次峰頂沙樣的顆粒分析,大于0.5mm的泥沙占88%,最大粒徑為1.0～2.0mm;礦物成分為石英、長石、云母、綠泥石等組成,這些礦物成份組成的泥沙比重可達(dá)2.78g/cm3,超過常用泥沙密度2.65g/cm3的5%。在30個實驗站中,最大含沙量超過900kg/m3的24站,占86%。泥沙中值粒徑大于0.04mm的約占65%。黃河中游的產(chǎn)沙粒徑自南向北逐漸變粗,如大寧站平均中值粒徑為0.0305mm、黃甫站為0.06mm,而烏蘭木倫河的王道恒塔則粗到0.2mm以上,說明試驗資料大部分取源于黃河中游的多沙粗沙區(qū)。1.2非牛頓體的流變參數(shù)通常把流體切應(yīng)力和切變速率之間的變化規(guī)律稱為流體的流變特性。切應(yīng)力和切變速率之間的關(guān)系符合牛頓定律的流體稱為牛頓體,其流變方程為:τ=μdudy(1)τ=μdudy(1)式中:τ、dudydudy——分別為y處的切應(yīng)力和切變速率,μ——粘滯系數(shù)。這種流體的流變曲線為通過零點的一條直線。切應(yīng)力與切變速率之間的關(guān)系不符合牛頓定律的稱為非牛頓體。在水沙懸浮液中常見的有:賓漢體和偽塑性體。由管流總流量方程Q=∫R0πud(r2)Q=∫0Rπud(r2)經(jīng)分部積分和整理得到適用于任何性質(zhì)流體的關(guān)系式。Q=∫τw0πR3τ2f(τ)/τ3wdτQ=∫0τwπR3τ2f(τ)/τw3dτ根據(jù)牛頓內(nèi)磨擦定理,代入dudr=?f(τ)?f(τ)=τμQ=∫τw0πR3τ3wτ2τμdτ=πR3τ3w∫τw0τ3μdτ=πR3τw4μ(2)dudr=-f(τ)?f(τ)=τμQ=∫0τwπR3τw3τ2τμdτ=πR3τw3∫0τwτ3μdτ=πR3τw4μ(2)因管道平均流速V=QπR2=Rτw4μV=QπR2=Rτw4μ,(管內(nèi)半徑R與直徑D之間有關(guān)系R=D2)R=D2),則τw=μ8VDτw=μ8VD。由此可見,對于牛頓流體,在層流中只要知道管壁切應(yīng)力(τw),管徑及管中平均流速,就可得到牛頓流變參數(shù)。同樣由管流總流量方程,還可得到偽塑性的流變方程和賓漢體流變方程。1.3流速的變化由上可知,只要測驗管壁切應(yīng)力τw及管中平均流速就可點繪流變曲線確定流體的類型及相應(yīng)的流變參數(shù)。測定流變參數(shù)的儀器很多,本實驗主要采用黃委會水科院研制的加壓式毛細(xì)豎管流變儀。1.4不同等級含沙量渾水的預(yù)處理80年代初曾先后在黃河中游25條河30個站點取樣試驗。取樣方法為:含沙量超過300kg/m3以上的洪峰,在峰頂、峰腰各取一次混合,澄清曬干后配置成不同等級含沙量的渾水進(jìn)行試驗。試驗時先用天然試樣進(jìn)行,然后用同一試樣配制成不同等級的含沙量試樣進(jìn)行試驗,對所有試驗資料都進(jìn)行了初步整編。2流量特征和流量參數(shù)2.1臨界含沙量的區(qū)域差異渾水在含沙量比較低時為牛頓體,粘滯系數(shù)隨含沙量的升高而增大,如果含沙量增加到一定的程度時,渾水則由牛頓體轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥ｎD體。試驗結(jié)果表明,黃河中游多沙粗沙河流高含沙水流一般為賓漢體,在個別泥沙比較粗的測站也出現(xiàn)過具有極限切變力的膨脹體。對非牛頓流體的含沙水流一般定義為高含沙水流。從牛頓體轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢體的臨界含沙量在地區(qū)分布上變化比較大。從17個站τwo(τwo為管壁起始切應(yīng)力)接近于零時(τwo≤0.02)的臨界含沙量可以看出:無定河以南在含沙量低于100kg/m3,三川河、佳蘆河以北含沙量低于500kg/m3的渾水大都屬于牛頓體。也就是說,低于此含沙量的渾水在該地區(qū)形不成高含沙水流。由以上資料還可以看出,這個臨界含沙量不單單是泥沙粒徑的函數(shù),在泥沙粒徑相近的條件下,北部河流的臨界含沙量遠(yuǎn)大于南部。這一方面是因為泥沙的中值粒徑不能很好地反映顆粒級配情況,另一方面可能是因為從南向北泥沙的礦物成份、表面積、顆粒形狀以及水質(zhì)等不同的緣故。2.2bsv的關(guān)系賓漢體的主要流變參數(shù)是極限切應(yīng)力τb和剛度系數(shù)η。度系數(shù)Z。渾水中的細(xì)顆粒泥沙由于物理化學(xué)作用的結(jié)果產(chǎn)生絮凝團(tuán),當(dāng)絮凝團(tuán)不斷增多互相聯(lián)接起來形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。渾水開始流動克服這網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的力即極限切應(yīng)力。影響極限切應(yīng)力的主要因素有含沙量,泥沙的顆粒級配和細(xì)泥(d<0.01mm)的含量以及水質(zhì)。秦安、甘谷、武山、青陽岔等站τb與Sv(體積比含沙量)的關(guān)系可以看出τb隨含沙量增加而增大;并從緩變區(qū)(τb隨Sv變化緩慢)過渡到急變區(qū)(τb隨Sv變化急劇),而且受粒徑的影響比較明顯。τb與Sv在雙對數(shù)坐標(biāo)中為曲線,急變區(qū)和緩變區(qū)若近似地簡化為兩條直線,即可以得到兩直線交點處的含沙量和τb。從涇河巴家嘴、姚新莊、慶陽、賈橋、涇川五個站和渭河南河川、天水、甘谷、秦安、武山五個站的τb～Sv關(guān)系,可以得到:涇河區(qū)由緩變區(qū)過渡到急變區(qū)的含沙量為675kg/m3,渭河區(qū)為486kg/m3。這說明,進(jìn)入急變區(qū)的含沙量渭河較涇河小,或者說同等含沙量渭河先于涇河進(jìn)入急變區(qū)。點繪各站τb～Sv的關(guān)系,點群較散亂,粒徑與地區(qū)的影響也不太明顯,如果分為四個區(qū)域,即可得到四組較好的τb～Sv關(guān)系線,并且可以用半對數(shù)公式來表示,即τb=eASv-B×10-3,不同地區(qū)的系數(shù)列表1。從表1中可看出,各區(qū)在折線的前段,A值隨區(qū)域變化而遞減。A值大者,說明同等含沙量先進(jìn)入急變區(qū)(如前所述)。折線的后段,A值較接近,這說明進(jìn)入急變區(qū)(即含沙量超過某一濃度后),A值在各區(qū)的變化是不大的。2.3高含沙水流細(xì)顆粒泥沙含量與含沙量的關(guān)系低τb區(qū)水流,即開始改變流變性質(zhì)時的水流。細(xì)顆粒(d<0.01mm)泥沙含量的多少,對渾水流型的改變有著很大的影響。把0<τb≤0.02(g/cm2)時的水流定為開始改變流變性質(zhì)的水流(見圖1),點繪了中游部分站τb與含沙量及細(xì)顆粒泥沙含量的關(guān)系,可看出高含沙水流時,含沙量與細(xì)顆粒泥沙含量呈反比關(guān)系,它清楚地表示,渾水水流在改變流變性質(zhì)時,細(xì)顆粒泥沙含量愈大,進(jìn)入高含沙水流時的含沙量就愈小;反之,當(dāng)含沙量愈大,改變流型時要求細(xì)顆粒泥沙含量相應(yīng)就愈小。如細(xì)顆粒泥沙含量占30%時,含沙量為250kg/m3的水流即為高含水流,細(xì)顆粒泥沙含量占15%時,含沙量為580kg/m3的水流才為高含沙水流。圖2為皇甫川τb～Sv(%)關(guān)系,曲線回歸方程為τb=3.68(48.26-Sv)-2.034,可以看出當(dāng)含沙濃度等于48.26(%)時,τb趨于無窮大,此時的含沙量達(dá)到極限。3不同顆粒級配的混合沙過程諾斯克依對于不均勻混合沙的剛度系數(shù)提出關(guān)系式:K=1+0.14∑i=1n(Δρi/d1/2i)(4)Κ=1+0.14∑i=1n(Δρi/di1/2)(4)進(jìn)一步考慮了顆粒大小及組成這個因素。費(fèi)祥俊1981年用十一種不同顆粒級配的混合沙進(jìn)行試驗,認(rèn)為公式(3)中K值不是常數(shù),在其試驗的范圍內(nèi),K值隨著渾水體積濃度的增加而減少,當(dāng)渾水體積濃度很大時,K值減少越來越慢終于保持不變,此時的含沙濃度即為相應(yīng)顆粒級配的極限濃度。根據(jù)各站的實驗結(jié)果,按公式(3)計算各站不同濃度下的值,所得結(jié)果和費(fèi)祥俊的基本一致,在相同含沙量的條件下,d50愈大則K值愈小,在泥沙顆粒級配固定的條件下,K值隨Sv的增大而減小,最終趨近一個固定值。同時還可以看出,不同濃度、粒徑的渾水,其K值趨近常數(shù)時的含沙量也不同,顆粒級配愈粗,趨近常數(shù)的K值越大,反之亦然。4天然試樣與天然試樣的點群關(guān)系由于來水來沙的地區(qū)不同,其渾水的流變特性一般也不相同,一次洪水中取得的試樣配制成的不同含沙量與天然形成的含沙量明顯有著顆粒級配組成的差異和水質(zhì)的不同,如用配制試樣代替天然試樣對水流的流變特性將會產(chǎn)生多大影響呢?為驗證所取資料的代表性,分別點繪了蒲河姚新莊、黃甫川黃甫站天然試樣與自來水配制試樣τb～Sv、ηγ～Sv關(guān)系,從兩站的τb～Sv關(guān)系來看,點群關(guān)系較好,自來水配制試樣的點子全落在天然試樣點群之中。從ηγ～Sv的關(guān)系來看,姚新莊站的配制試樣點子亦落在天然試樣之中,黃甫站的配制試樣在Sv較低時點群趨勢稍有偏離。通過以上資料對比可以說明,雖然水質(zhì)、顆粒級配等因素的差別對渾水流變參數(shù)有一定的影響,但在同一河流中反映并不明顯,也就是說,用自來水配制的試樣與同一河流中的天然試樣作流變試驗差異并不大,因此可認(rèn)為,配制試樣可以近似地代