点源渗流作用下泥沙起动试验研究

刘 亮,何建新,侯 杰,杨力行

(新疆农业大学 水利与土木工程学院,新疆乌鲁木齐830052)

点源渗流力作用下河床泥沙起动流速的变化规律,是人工线源渗透力与水流拖曳力共同作用导致输送泥沙的关键。钱宁、窦国仁等[1-3]对非人工渗流下泥沙起动流速规律进行过大量研究;谢立全等[4]对渗流作用下的岸坡泥沙起动条件通过数模分析,指出岸坡渗流溢出面附近泥沙更容易起动。何建新等[5]进行人工线源液化起动泥沙试验,观测到了渗透劈裂破坏的液化横断面是定向可控的、角度极小的楔形断面。本文从水动力学和渗流力学的角度出发,通过自行设计的渗流力作用下泥沙起动流速试验装置,定量研究点源渗流力作用下,泥沙起动流速变化规律,为人工线源渗流力起动泥沙和输送泥沙提供可靠的试验数据和理论依据。

1 试验装置与泥沙的选择

1.1 试验装置

整个试验装置(图1,专利号:ZL 2010 2 0101560.3)由透明的有机玻璃材料制成,这样便于观察试验现象。装置由落水槽、冲刷槽、试样管、闸门、闸前水位控制箱、溢流装置、加压罐及循环泵等部分组成。通过溢流装置使闸前水位保持恒定,利用闸门开度控制冲刷槽内的水流流速,同时通过加压罐人工加压使试样管中土体液化,根据自由落体运动原理测出冲刷槽泥沙起动时刻的水舌抛射距离,利用自由落体运动公式得到泥沙起动流速。同时采用测针测出泥沙起动时刻的冲刷槽中的水深,继而得出水流流速,取得平行数据进行验证。

图1 渗流作用下泥沙起动试验装置示意图

1.2 模型沙的选择

试验泥沙采用1 mm～5 mm的天然沙,Gs=2.69,本次试验主要以均匀沙为研究对象,为减小粒径的分散程度对起动流速的影响,把天然沙分成不同的粒(径)组,将泥沙缓慢倒入试样槽水中沉积固结,由于泥沙的渗透系数大,固结排水的速度较快,试验中还可将渗水管打开加快泥沙的排水固结速度,固结时间1 h,然后逐渐增加渗透压力,观察其起动流速的变化。

1.3 泥沙起动标准

一般水槽试验中泥沙是否起动是通过目测确定的,目测的两个现象可以大体反映起动强弱的程度,一是给定面积上经过一定时间起动的颗粒数,另一种是以颗粒数来判定起动强弱。根据张瑞瑾的研究[6],泥沙的起动判别标准可以分为弱动、中动和普动,本次试验采用个别弱动为判定标准。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

通过选用不同粒径的均匀天然沙,在不同的渗透水头下,进行试验,其试验结果见表1。

表1 天然沙起动流速试验结果

当H=0时,表示无渗透力下的起动流速,与国内外泥沙起动流速[6]相比较,点据稍微偏低一点,因为原来的图试验水深h=15 cm,而本次试验水深仅仅在h=0.44 cm～0.93 cm以内,所以起动流速必然稍微偏低一点。因此,本次试验观测数据是准确可靠的。

3 分 析

3.1 起动流速与粒径的关系

起动流速与粒径的关系曲线见图2。从图2中看出渗透水头H达到14 cm,渗透力J达到6.86后,起动流速V可以下降50%以上。

3.2 起动流速与渗透力的关系

起动流速与渗透力的关系曲线见图3。从图3中看出在相同的渗透力下,粒径越大,起动流速下降的绝对值幅度越大。

图2 起动流速与粒径的关系曲线

图3 起动流速与渗透力的关系曲线

3.3 人工渗透条件下泥沙起动流速与等效密度关系

泥沙起动流速公式与国内外实测资料对比后,发现:沙玉清公式偏高,窦国仁公式偏低,张瑞瑾公式居中,接近实测值平均情况。对于散体均匀沙,张瑞瑾公式为:

公式(1)表明:固定h、d后,起动流速将随着 γs下降而下降。

因此,当观测到人工埋管加压渗透条件下的起动流速U′C之后,可以从公式(1)反求出渗透条件下的泥沙等效密度 γ′s,例如:水深 h=0.15 m,粒径 d=1 mm=0.001 m,无埋管加压渗透时,泥沙密度 γs=2.69,按公式(1)算得起动流速UC=0.34m/s;

埋管加压渗透后,因为渗透力方向垂直向上,泥沙部分失重,γs下降,起动流速将会随着下降,例如,起动流速下降变成U′C=0.27 m/s,则可以利用公式(1)反求出人工加压渗透条件下的泥沙等效密度γ′s=2.1,即在垂直向上渗透力作用条件下泥沙产生了部分失重,等效密度必然要相对下降。

例如,当h=0.15 m,d=1 mm时,假设不同的流速下降%值,可以用公式(1)反求得到相应的等效密度值和下降值%:

当粒径d增大为10 mm、100 mm后,虽然流速、等效密度的绝对值完全各不相同,但是它们的流速下降%和等效密度下降%的对应关系却与上述d=1 mm的计算结果完全相同。因此,等效密度的下降百分比仅仅与流速的下降百分比有关,而与泥沙粒径大小无关。

表1中渗透水头从0增大到14 cm时,流速下降达到33%～56%,从上述对应关系推导等效密度的下降,可以达到35%～50%,在渗透力作用下,河床泥沙产生部分失重,因此,导致泥沙起动流速的大幅度下降。为节水输送泥沙提供了崭新的技术途径。

4 结 论

(1)渗透力作用下泥沙起动流速试验装置设计是科学的,观测数据是准确的。

(2)渗透水头达到14 cm,渗透力达到6.86后,起动流速可以下降50%以上。

(3)在相同的渗透力下,粒径越大,起动流速下降的绝对值幅度越大。

(4)渗透力作用下,泥沙起动流速大幅下降的原理,是渗透力使泥沙颗粒产生部分失重,导致等效密度下降,最终使泥沙起动流速下降。

(5)为人工线源液化起动泥沙试验中观测到的渗透劈裂破坏的楔形液化横断面中,其断面输送泥沙的能力问题,提供了可靠的试验数据和理论依据。

5 应用前景

将加压线源液化深层起动泥沙原理应用到淤积河道内,在河道中泓线顺水流方向深埋一根压力渗管,通过人工加压使泥沙产生液化,在渗透水流的作用下减小泥沙起动流速,从而使起动泥沙的效率更高,将该技术应用于窄深式河槽、水库库区、河口和港口、湖泊的清淤,将有利于河道主槽下降、阻断淤积和防止河道游荡。该原理还可用在水库清淤和沉沙池的定期清洗中,保证水库和沉沙池正常工作的条件下,可以达到高效节水清淤目的。

[1]钱 宁,万兆惠.泥沙运动力学[M].北京:科学出版社,1983:229-256.

[2]窦国仁.论泥沙起动流速[J].水利学报,1960,(4):22-31.

[3]窦国仁.再论泥沙起动流速[J].泥沙研究,1999,(6):1-9.

[4]谢立全,于玉贞.渗流作用下的岸坡泥沙起动条件[J].清华大学学报(自然科学版),2006,46(9):1534-1537.

[5]何建新,侯 杰,刘 亮,等.人工线源液化起动泥沙试验研究[J].新疆农业大学学报,2007,(4):110-112.

[6]张瑞瑾,谢鉴衡,王明甫,等.河流泥沙运动力学[M].武汉:水利水电出版社,1988:83-89.