黏性泥沙流变特性及其临界起动的研究

以天津大港淤泥质粉沙为研究对象,系统研究了其物理特性和临界起动性质。对密度范围在1.141~1.470g/cm3的黏性泥沙进行流变试验,确定其流变参数。结果表明:天津大港黏性泥沙有明显的屈服应力,适合用宾汉塑性体模型描述,且宾汉屈服应力和黏度系数均为泥沙密度的指数函数。长水槽中波浪作用下黏性泥沙起动试验以泥沙少量起动为标准,波浪底部临界切应力随黏性泥沙密度增大而增大,即不同于非黏性泥沙,黏性泥沙的起动主要与其密度有关,而非泥沙粒径。波浪作用下的黏性泥沙起动可以用延伸Shields曲线描述。根据实验结果拟合出临界起动切应力和宾汉屈服应力之间的关系式。     

黏性细泥沙起动的探讨

从水流动力和黏性泥沙的组成及结构等方面分析了影响黏性细泥沙起动的因素,研究了起动模式和起动机理,肯定了薄膜水附加下压力的概念,揭示了黏性细泥沙土体起动时抗剪但不抗拉。引入临界水深的概念,很好解释了黏性单颗粒泥沙和成团泥沙起动时的分界点,最后系统总结了黏性细泥沙起动研究现状,并对今后研究方法提出建议。     

均匀无黏性单颗粒泥沙起动切应力的探讨

为了进一步揭示泥沙起动切应力的变化规律,引出隐蔽角的概念。结合前人提出的暴露角概念,考虑了泥沙颗粒与其上、下游支撑颗粒的相对位置对泥沙颗粒起动的影响,推导出新的泥沙起动无因次起动切应力公式;得出了无因次临界起动切应力随泥沙颗粒位置及起动标准的变化关系,重新确定了泥沙颗粒起动最难和最易时的位置关系,计算出了单颗粒泥沙在弱动、中动及普动标准下的起动切应力变化范围分别为1. 16×10^-4～0. 039 4、1. 69×10^-4～0. 057 8及2. 58×10^-4～0. 088 1。与其他学者的研究成果相比,得到的成果涵盖了大部分学者的取值范围。     

斜坡泥沙的起动概率及起动切应力

在概率论与数理统计知识的基础上,引入附加质量力,采用滑动起动模型得到了正负坡上泥沙起动概率的计算公式,并将起动概率引入到泥沙起动的研究中,进而推导出了起动标准为中动时的无量纲起动切应力公式。实测资料验证表明,该公式计算结果与实测值符合较好,计算精度较高,能够应用于天然河流斜坡泥沙起动流速及切应力的计算。     

固结状态下黏性泥沙起动规律试验研究

固结状态下黏性泥沙的起动规律与非黏性泥沙不同,利用封闭矩形管道试验装置开展了固结状态下黏性泥沙起动试验,分析了不同固结状态对黏性泥沙临界起动切应力的影响。试验结果表明,在不同固结状态下,黏性泥沙起动时床面会出现"不连续"和"连续"的过程,可将起动状态分为少量动和大量动两种临界起动标准;固结程度对起动切应力的影响可分为两个阶段,一是固结初期干容重变化较快,对起动切应力影响不大,二是固结后期干容重变化较慢,但对切应力影响很大;粒径越细,固结程度对起动切应力的影响程度越大,固结更不利于泥沙起动。     

泥沙起动概率与起动流速

根据概率理论，得到床面上泥沙瞬时起动力矩的概率分布为正态分布，建立了单颗泥沙起动概率与床面上处于起动临界条件的颗粒百分数之间的关系式，得到计入起动概率因素的泥沙起动流速计算式。     

潮间带泥沙起动切应力现场测量装置

为了准确获得泥沙起动参数,减小对原状土的扰动,研制了一种潮间带泥沙起动切应力现场测量装置,利用Fluent软件模拟了装置内部流场与底部切应力,确定了在底部产生均匀切应力时的内外筒最佳转速比,建立了转速与底部切应力之间的关系,探讨了装置的最佳转速比受装置尺寸的影响。结果表明,该装置的内圆筒、外圆筒、剪力环三者同向转动时可以产生较大的底部切应力。以内圆筒半径310 mm、外圆筒半径410 mm、工作水深260 mm为例,如不设置剪力环且内外圆筒同向转动,装置最佳转速比为3∶1,此时底部切应力在距离轴心0.33～0.38 m范围内最为均匀;如设置剪力环且内圆筒、外圆筒、剪力环同向转动,装置最佳转速比为3∶1∶3,此时底部切应力在距离轴心0.33～0.40 m范围内最为均匀。底部切应力与外圆筒转速之间符合二次函数关系。     

鄱阳湖黏性细颗粒泥沙絮凝特性研究

黏性细颗粒泥沙是鄱阳湖悬浮物的主要组成部分,其絮凝作用对鄱阳湖泥沙冲淤及湖床演变具有明显影响。采用鄱阳湖湖区泥沙的现场样品,通过室内泥沙静水沉降试验对鄱阳湖黏性细颗粒泥沙的絮凝特性进行了分析。研究结果表明,鄱阳湖黏性细颗粒泥沙絮凝临界粒径为0.028 mm;黏性细颗粒泥沙沉降过程包括分选沉降、絮凝沉降和絮凝平衡三个阶段,含沙量越大,絮凝沉降加速阶段持续时间越长。含沙量对絮凝沉速的影响存在临界现象。含沙量0～3 kg/m³范围内絮凝沉速随含沙量增加而增加,而3～5 kg/m³含沙量时对絮凝沉速的影响已不明显。     

人工填筑黏性土起动冲刷特性试验

为了研究人工填筑黏性土起动和冲刷特性,采用资料分析和试验相结合的方法,研究人工填筑黏性土的起动冲刷特性。根据试验资料,结合力学特性确定影响人工填筑黏性土起动冲刷的主要因素;根据试验结果分析人工填筑黏性土起动切应力、冲刷率分别与各自的影响因素之间的对应关系,提出了量纲和谐的起动切应力和冲刷率的公式,运用多元线性回归方法确定了公式中的系数和指数,并分析比较了人工填筑黏性土和黏性泥沙起动和冲刷特性。结果表明:人工填筑黏性土的黏结力比自然淤积固结的黏性泥沙大得多,较难起动和冲刷,需要较大的水流切应力;干密度对自然淤积黏性泥沙冲刷率影响比对人工填筑黏性土要大。     

泥沙不同起动模式的起动概率对比分析

基于颗粒间相对暴露度的分布规律,确定了河床近底水流流速有效作用点高度yb和近底时均流速。在此基础上,分别比较了滚动模式、滑动模式和跃移模式下泥沙临界起动平衡条件,推导出了三种起动模式下的起动概率。经分析发现:在床面泥沙颗粒处于相对暴露度均值为0.16状态下及同样的水流条件下,泥沙滑动模式和滚动模式起动概率处于同一量级,滑动模式更容易起动,跃移模式最难起动;当水流强度较小时,泥沙颗粒以滚动(间或滑动)模式起动为主,反之,以跃移模式起动为主。     

泥沙起动流速的随机分析

泥沙起动流速是河流泥沙动力学基本概念之一,对泥沙运动及河床冲淤变形研究有着重要意义.天然河流中的泥沙运动多处在紊流状态下,其影响因素极其复杂,具有显著的随机性.本文在总结前人研究成果的基础上,从流体力学层面论述了以作用于泥沙颗粒上的局部流速表示泥沙起动流速的合理性,进一步拓展分析,指出了以往公式的不足,给出了以局部点流速表示的包括散粒体与粘性颗粒在内的全沙起动流速公式,继而与各家公式作了对比;基于随机理论,给出了泥沙普遍动、少量动、个别动的判据,并将均值流速概率化,扩展了泥沙颗粒起动的范围与认知.     

小浪底库区深层淤积泥沙物理特性分析

针对传统取样技术无法获取库区深层淤积泥沙的问题,采用低扰动柱状深层取样设备在小浪底库区典型断面开展了现场取样试验,获取了主河槽深层淤积泥沙样品并进行了样品土工试验。结果表明:所有取样断面深层淤积泥沙的中数粒径均大于表层淤积泥沙的;同一断面位置沿深度方向,颗粒组成的变化并不是连续的;各典型断面主槽粗沙含量沿水流方向逐渐递减。     

长江泥沙起动流速资料分析

本文根据长江实测泥沙资料和葛洲坝枢纽工程泥沙问题研究和实践经验,分析了长江推移质泥沙和粘性细颗粒泥沙的起动条件,提出了卵石和沙质推移质泥沙的起动经验公式。并用长江实测泥沙资料对三峡工程采用的起动流速公式进行了验证。     

黏性泥沙絮凝研究现状与进展

黏性泥沙絮凝机理研究对河口、水库、航道淤积治理及水环境保护具有重要意义.总结了泥沙絮凝研究中数值模拟、现场观测、室内试验等手段的试验装置和方法,阐述了紊动剪切率、盐度、悬沙浓度、有机质等因素作用下的泥沙絮凝研究成果.分析认为,在三维絮团结构观测、高浓度水体絮凝试验装置、多因素影响的泥沙絮凝,以及水流紊动与絮团特性对应关...     

泥沙起动过程中床面切应力与含沙量关系的试验研究

以长江口细颗粒泥沙为样本进行环形水槽起动试验,给出了三组不同中值粒径泥沙的起动流速和临界起动应力,同时用湍动能法(TKE)估算不同含沙量水体的床面切应力,给出了泥沙起动过程中床面切应力与含沙量之间的关系。床面切应力随着含沙量的增加而增加,当含沙量达到某一浓度后,床面切应力增长缓慢,随着含沙量的再增加,床面切应力再次迅速增高,而不同中值粒径的泥沙,增长速度并不一致,说明泥沙对床面切应力的影响并不仅仅表现在含沙量上,粒径大小也是影响床面切应力的重要因子之一。     

黏性泥沙絮凝研究综述与展望

絮凝是黏性泥沙最重要的特性之一,也一直是泥沙基本理论和运动规律研究的重点和难点课题,对絮凝过程与机制的研究是理解、模拟和预测黏性泥沙及其携带物质输运规律的关键.总结了黏性泥沙絮凝机制、絮团特性和影响絮凝因素方面的研究成果与进展,并分析提出了现有研究的不足,主要有三方面:对黏性泥沙生物絮凝过程与作用机理的精细化研究薄弱;...     

黄河流域黏性泥沙群体沉速计算分析

针对黄河流域由黏性矿物组成的黏性泥沙群体沉降特征展开研究。基于泥沙颗粒受力分析和能量守恒定律,以处于稳态的泥沙颗粒为参照物,构建了泥沙颗粒水沙界面能量耗散物理图形;建立了考虑挟沙水流运动黏性系数和紊动黏性系数的泥沙群体沉速显式表达式,并采用黄河流域典型黏性泥沙红色砒砂岩颗粒开展了泥沙群体沉速试验研究。结果表明：红色砒砂岩组成的含沙水体中泥沙群体沉速整体随含沙量增大而减小并逐渐趋于定值;当垂向平均含沙量为0.34～0.45 kg/m³时,泥沙群体沉速表现为随含沙量的增加而增大。采用试验数据对建立的公式进行验证,公式能较合理地表达水流黏性和尾流分离对泥沙颗粒沉降阻力的影响。研究结果可为黄河流域黏性泥沙淤积和输移规律研究提供参考。     

关于泥沙的起动问题

泥沙起动的临界条件是表征泥沙特性的重要参数,进行过广泛的研究.本文在简要阐述泥沙起动研究的基础上,对研究泥沙起动存在的问题,例如希尔兹曲线能否概括不同液流的开动切力现象,提出讨论,特别对不正确的分析方法,进行比较详细地分析,希望从中吸取教训,促进泥沙研究工作的开展.     

泥沙起动流速随机特征的初步分析

采用理论分析和Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ 随机模拟两种方法，以泥沙所在位置为参数，分析河床松散排列单颗泥沙起动流速的随机特征。结果表明，随试验次数增加，统计分布函数趋于理论分布，开始收敛很快，逐渐变缓。６００ 次试验，误差下降到１ ％ ；４８００ 次可降到０－０４ ％ 。６０００ 次试验中，约６０ ％ 的点据落在以平均起动流速为中心，±１８ ％ 的范围内。因为起动流速存在较大的随机性，应将其看成一个有较大范围的参数，而非一个确定的值。本文显示了在泥沙运动基本规律分析中，随机模拟方法具有一定使用价值。