管道壓力與水深對黏性泥沙起動影響分析

李針龍 孫海瑞

【摘要】本文為更深入地研究黏性泥沙在明渠與管道中起動的異同，探究壓力管道及水深因素對黏性泥沙起動的影響，從受力分析的角度出發推導出了黏性泥沙起動底部作用流速公式，但泥沙起動時底部流速較難測得，一般在實際生產和研究中用斷面平均流速或起動切應力作為研究指標。通過分析發現在有壓管道中，在泥沙淤積固結初期，黏結力對黏性泥沙的起動影響不顯著，阻礙黏性泥沙起動的主要因素為管道壓力，在后期，黏性泥沙黏結力增強，對其起動的影響增大。

【關鍵詞】管道壓力；水深；黏性泥沙起動；影響；分析

1、前言

黏性泥沙在明渠中起動主要取決于床面附近的水流情況，在實際的河流中，天然河床總是處于不斷的變化發展之中，表現為淤積和沖刷。水深不同，黏性泥沙的起動條件也相應變化。而在壓力管道中，黏性泥沙的起動與管道中的水流條件息息相關，管道中的壓力是影響黏性泥沙起動的重要因素。從力學角度出發，無論是天然河流、明渠試驗還是管道試驗中，影響黏性泥沙起動的直接原因是床面切應力。為更加直觀地研究黏性泥沙在明渠與管道中起動的異同，除了分析泥沙本身性質因素外，還需對壓力管道壁面壓力與明渠水深做深入研究。

2、管道中壓力對黏性泥沙起動影響研究

有研究人員曾在泥沙研究室的管道內進行淤泥起動試驗，讓淤積在較大壓力下起動，從而實現模擬天然大水深條件下淤泥的起動。通過對安裝在實驗段兩端的精密壓力表的觀測，得到作用在試驗觀測段淤泥上水壓力讀數。實驗材料為天然沙，共有3種淤泥，即杭州灣淤泥、黃河花園淤泥以及二者的混合泥沙，黏性顆粒含量分別為32%、41.1%和42%。試驗的起動標準是以床面淤泥全斷面沖為準，共進行了75組試驗。3種淤泥試樣自身密度變化不大，，隨著管道壓力的增大，起動流速和起動切應力都有相應的增加，原因是管道壓力增大，使得微團起動的阻力力矩增大，起動需要更強的水流條件。在3種泥沙相對干密度不變的情況下，管道中壓力水頭項和起動流速的平方、起動切應力成線性關系。從宏觀角度了解壓力項與起動流速、起動切應力之間的關系后，為進一步驗證其結果，以微團受力情況為基礎，從管流底部流速出發，推導出起動時斷面平均流速公式和起動切應力公式并進行參數擬合。

3、明渠水深對黏性泥沙起動流速的影響

從前人明渠水深對黏性泥沙起動影響探究可知，與水深相關的薄膜水附加壓力是黏性泥沙起動的一個主要阻力，在明渠大水深條件下，薄膜水附加壓力更為顯著。本節將從試驗數據出發初步探索水深對黏性泥沙的影響，結合明渠流黏性泥沙起動底部作用流速公式，繼續推導斷面平均起動流速公式與起動切應力公式。有研究人員曾在可調坡度明渠水槽里進行黏性細顆粒泥沙的起動試驗。試驗沙樣采用上海港杭州灣深水航道試挖槽回淤后的淤泥，中值粒徑d50=0.0104mm，粒徑小于0.005m的黏性泥沙含量約占35%。淤泥沉積半年后密度為1.6g/cm3，穩定密度為1.66g/cm3。天然河道與明渠水槽中黏性泥沙的起動除與本身相對干密度有關，還有相對水深和水深有著密切的關系，隨著水深的增加，黏性泥沙的起動流速增加，隨著相對水深增大，黏性泥沙的起動流速減小。為進一步探究明渠水深與相對水深對黏性泥沙起動的影響，以下將通過推導黏性泥沙在明渠中的起動流速公式和起動切應力公式并進行擬合。對于明渠流下黏性泥沙起動的情況，采用明渠流條件下的流速分布情況。相關研究人員研究了矩形斷面明渠中水流垂向及橫向流速分布的特點，借助水槽試驗，探求符合實際流速分布特點的明槽流速垂線分布律與橫向分布律，通過建立準確的流速分布公式及相應參數的確定方法，為精確計量明槽流量提供理論計算依據。在明渠流量量測時，通常采用1/7指數分布律與對數分布律。由于公式形式自身的缺陷及邊壁的影響，實際垂向流速分布與對數擬合曲線相比較，中心區的相關系數均在0.85左右，而邊壁附近相關系數一般在0.5左右甚至更小。實際明渠流速的最大值應該在水面以下（約0.8H處），流速的垂線分布更接近于二次函數曲線的特征。引入無量綱相對流速u/U與相對水深y/H，通過擬合分析表明，各垂線的這兩個無量綱因子之間的相關曲線具有很好的相似性。

4、結束語

研究管道壓力以及明渠中水深對黏性泥沙起動的影響，利用公式推導結合公式擬合，得出相關結論。通過理論分析，將有壓管道中的流速分布引入，確定了起動作用流速與斷面平均流速，即實測起動流速之間的關系，推導出起動流速公式與起動切應力公式，利用壓力管道模擬大水深條件下黏性泥沙起動試驗數據，對黏性泥沙起動流速即起動切應力公式進行擬合。得到管流起動切應力的平方與管道壓力成正比。引入明渠流斷面流速分布，確定了明渠流起動底部作用流速與斷面平均流速的關系，推導出起動流速公式和起動切應力公式，進行公式擬合。在明渠流條件下，黏性泥沙的起動流速與相對水深、水深、黏性泥沙相對干密度有關。推導出的公式與理論存在的公式形式相近。有壓管道中，黏性泥沙起動與管道壓力和黏結力密切相關，在淤積固結初期，黏結力較小，對黏性泥沙的起動影響較小，主要受到管道水壓力阻礙黏性泥沙起動，在后期，黏性泥沙相對干密度增加，黏結力增強，對其起動的影響增大。在明渠中，大水深條件下，相對水深很小，其變化不是影響黏性泥沙起動的主要原因，然而在明渠水槽中試驗室，相對水深對黏性泥沙起動的影響表現較為顯著。在明渠中，起動流速和起動切應力隨水深的增大而增大，原因是水深的增大改變了微團所受薄膜水附加壓力，使得黏性泥沙的起動需要更強的水流條件。

參考文獻：

[1]錢寧，萬兆惠.泥沙運動力學[M].北京：科學出版社，2013.