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挟沙水流泥沙颗粒悬浮规律的试验研究

周家俞  
【摘要】:挟沙水流的运动规律是泥沙运动力学中基本问题之一。在挟沙水流中,泥沙颗粒在水流的作用下起动、悬浮、输移,同时又对水流产生影响。水流与泥沙颗粒之间是相互制约、相互影响的。在自然界河流中,泥沙主要以悬移质的形式输移,而悬移质泥沙悬浮输移与颗粒大小有着密切的联系。从力学角度上讲,悬移质泥沙受水流紊动扩散而悬浮,受重力作用而沉降,所以颗粒的悬浮输移主要取决于水流的紊动特性。水流能够悬浮起的泥沙颗粒大小与水流紊动作用有着直接联系,水流紊动强度强弱决定泥沙颗粒大小,而泥沙颗粒大小也反作用于水流强度。因此,研究泥沙颗粒运动对深入认识挟沙水流运动输移的内在机理,推动泥沙理论的不断发展具有重要的意义。 本文采用理论分析结合室内试验的方法,对泥沙影响挟沙水流流速分布的规律、悬移质泥沙颗粒的悬浮特性及其影响因素作了较系统的研究。试验中,采用美国Sontek公司生产的声学多普勒流速仪MicroADV测量计算瞬时流速、紊动强度等。 由于泥沙颗粒与水流结构之间的相互影响以及不同水流条件下这种相互影响的复杂变化,清水和挟沙水流的流速分布不同。在分析现有流速分布公式结构的基础上,指出目前指数流速分布公式中的不足,并依据水槽试验资料对挟沙水流指数型流速分布公式进行了分析。同时对指数流速分布公式中的指数和系数随泥沙粒径、泥沙浓度的变化进行了分析,结果表明:在相同或相近的水流强度下,指数流速分布公式中系数随泥沙浓度的增加而增大;在水流强度、泥沙浓度相当的情况下,指数随粒径的增大而减小;相同或相近的水流强度下,指数随泥沙浓度的增加而增大。 泥沙粒径与泥沙浓度沿垂线分布均呈现出上小下大、上稀下浓的规律。采用泥沙中值粒径代表泥沙级配的粗细,通过试验分析了泥沙粒径、浓度、水流强度等因素对悬移质泥沙粒径沿垂线的分布的影响规律进行了研究。结果发现:在一定的水流条件下,泥沙颗粒较粗时,泥沙中值粒径沿垂线(自床面向上至水面)呈递减规律;泥沙颗粒较细时,递减规律不明显。在水流强度和泥沙颗粒粗细相同的条件下,泥沙浓度越大,相同水深位置的泥沙颗粒组成相对较粗;而在相同的泥沙浓度和泥沙颗粒粗细情况下,水流条件越强,相同水深位置的泥沙颗粒中值粒径越大,紊动强度也是如此。 对泥沙中值粒径和水流紊动强度沿垂线分布之间的内在联系进行了探索,发现两者沿垂线分布有一定的相似性,即从总体上来说,无论是泥沙颗粒中值粒径还是


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