管道压力与水深对黏性泥沙起动影响分析

李针龙 孙海瑞

【摘要】本文为更深入地研究黏性泥沙在明渠与管道中起动的异同，探究压力管道及水深因素对黏性泥沙起动的影响，从受力分析的角度出发推导出了黏性泥沙起动底部作用流速公式，但泥沙起动时底部流速较难测得，一般在实际生产和研究中用断面平均流速或起动切应力作为研究指标。通过分析发现在有压管道中，在泥沙淤积固结初期，黏结力对黏性泥沙的起动影响不显著，阻碍黏性泥沙起动的主要因素为管道压力，在后期，黏性泥沙黏结力增强，对其起动的影响增大。

【关键词】管道压力；水深；黏性泥沙起动；影响；分析

1、前言

黏性泥沙在明渠中起动主要取决于床面附近的水流情况，在实际的河流中，天然河床总是处于不断的变化发展之中，表现为淤积和冲刷。水深不同，黏性泥沙的起动条件也相应变化。而在压力管道中，黏性泥沙的起动与管道中的水流条件息息相关，管道中的压力是影响黏性泥沙起动的重要因素。从力学角度出发，无论是天然河流、明渠试验还是管道试验中，影响黏性泥沙起动的直接原因是床面切应力。为更加直观地研究黏性泥沙在明渠与管道中起动的异同，除了分析泥沙本身性质因素外，还需对压力管道壁面压力与明渠水深做深入研究。

2、管道中压力对黏性泥沙起动影响研究

有研究人员曾在泥沙研究室的管道内进行淤泥起动试验，让淤积在较大压力下起动，从而实现模拟天然大水深条件下淤泥的起动。通过对安装在实验段两端的精密压力表的观测，得到作用在试验观测段淤泥上水压力读数。实验材料为天然沙，共有3种淤泥，即杭州湾淤泥、黄河花园淤泥以及二者的混合泥沙，黏性颗粒含量分别为32%、41.1%和42%。试验的起动标准是以床面淤泥全断面冲为准，共进行了75组试验。3种淤泥试样自身密度变化不大，，随着管道压力的增大，起动流速和起动切应力都有相应的增加，原因是管道压力增大，使得微团起动的阻力力矩增大，起动需要更强的水流条件。在3种泥沙相对干密度不变的情况下，管道中压力水头项和起动流速的平方、起动切应力成线性关系。从宏观角度了解压力项与起动流速、起动切应力之间的关系后，为进一步验证其结果，以微团受力情况为基础，从管流底部流速出发，推导出起动时断面平均流速公式和起动切应力公式并进行参数拟合。

3、明渠水深对黏性泥沙起动流速的影响

从前人明渠水深对黏性泥沙起动影响探究可知，与水深相关的薄膜水附加压力是黏性泥沙起动的一个主要阻力，在明渠大水深条件下，薄膜水附加压力更为显著。本节将从试验数据出发初步探索水深对黏性泥沙的影响，结合明渠流黏性泥沙起动底部作用流速公式，继续推导断面平均起动流速公式与起动切应力公式。有研究人员曾在可调坡度明渠水槽里进行黏性细颗粒泥沙的起动试验。试验沙样采用上海港杭州湾深水航道试挖槽回淤后的淤泥，中值粒径d50=0.0104mm，粒径小于0.005m的黏性泥沙含量约占35%。淤泥沉积半年后密度为1.6g/cm3，稳定密度为1.66g/cm3。天然河道与明渠水槽中黏性泥沙的起动除与本身相对干密度有关，还有相对水深和水深有着密切的关系，随着水深的增加，黏性泥沙的起动流速增加，随着相对水深增大，黏性泥沙的起动流速减小。为进一步探究明渠水深与相对水深对黏性泥沙起动的影响，以下将通过推导黏性泥沙在明渠中的起动流速公式和起动切应力公式并进行拟合。对于明渠流下黏性泥沙起动的情况，采用明渠流条件下的流速分布情况。相关研究人员研究了矩形断面明渠中水流垂向及横向流速分布的特点，借助水槽试验，探求符合实际流速分布特点的明槽流速垂线分布律与横向分布律，通过建立准确的流速分布公式及相应参数的确定方法，为精确计量明槽流量提供理论计算依据。在明渠流量量测时，通常采用1/7指数分布律與对数分布律。由于公式形式自身的缺陷及边壁的影响，实际垂向流速分布与对数拟合曲线相比较，中心区的相关系数均在0.85左右，而边壁附近相关系数一般在0.5左右甚至更小。实际明渠流速的最大值应该在水面以下（约0.8H处），流速的垂线分布更接近于二次函数曲线的特征。引入无量纲相对流速u/U与相对水深y/H，通过拟合分析表明，各垂线的这两个无量纲因子之间的相关曲线具有很好的相似性。

4、结束语

研究管道压力以及明渠中水深对黏性泥沙起动的影响，利用公式推导结合公式拟合，得出相关结论。通过理论分析，将有压管道中的流速分布引入，确定了起动作用流速与断面平均流速，即实测起动流速之间的关系，推导出起动流速公式与起动切应力公式，利用压力管道模拟大水深条件下黏性泥沙起动试验数据，对黏性泥沙起动流速即起动切应力公式进行拟合。得到管流起动切应力的平方与管道压力成正比。引入明渠流断面流速分布，确定了明渠流起动底部作用流速与断面平均流速的关系，推导出起动流速公式和起动切应力公式，进行公式拟合。在明渠流条件下，黏性泥沙的起动流速与相对水深、水深、黏性泥沙相对干密度有关。推导出的公式与理论存在的公式形式相近。有压管道中，黏性泥沙起动与管道压力和黏结力密切相关，在淤积固结初期，黏结力较小，对黏性泥沙的起动影响较小，主要受到管道水压力阻碍黏性泥沙起动，在后期，黏性泥沙相对干密度增加，黏结力增强，对其起动的影响增大。在明渠中，大水深条件下，相对水深很小，其变化不是影响黏性泥沙起动的主要原因，然而在明渠水槽中试验室，相对水深对黏性泥沙起动的影响表现较为显著。在明渠中，起动流速和起动切应力随水深的增大而增大，原因是水深的增大改变了微团所受薄膜水附加压力，使得黏性泥沙的起动需要更强的水流条件。

参考文献：

[1]钱宁，万兆惠.泥沙运动力学[M].北京：科学出版社，2013.