細(xì)顆粒原狀土起動(dòng)流速試驗(yàn)研究.docx

1、人民長江YangtzeRiver文童編號(hào)：1001-4179(2016)16-0092-03細(xì)顆粒原狀土起動(dòng)流速試驗(yàn)研究周娘微，鳥洪安'2,昧火可心，刻誠容,玉歧郵1,2（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；2.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南景210098）摘要：為了得到更為客觀科學(xué)的泥沙基本活動(dòng)規(guī)律，利用有壓矩形管進(jìn)行了結(jié)顆粒泥沙起動(dòng)試臉。試驗(yàn)結(jié)果表明，管內(nèi)水壓力對(duì)細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)有重要影響，水壓力越大，管中泥沙起動(dòng)斷而平均流速和起動(dòng)切應(yīng)力越大。根據(jù)有壓矩形管的水流分布特牲和水壓特點(diǎn)，將矩形管中水流轉(zhuǎn)換為普通明渠水流，轉(zhuǎn)換得到的明渠中泥沙起動(dòng)垂線

2、平均流速與試驗(yàn)矩形管中泥沙起動(dòng)斷面平均流速基本相同，驗(yàn)證了利用有壓矩形管進(jìn)行細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)流速試驗(yàn)的可行性和代表性。在試檢矩形管與實(shí)際明渠的泥沙起動(dòng)流速轉(zhuǎn)換過程中，并未考慮不同水柱高度下曼寧槌率系數(shù)的變化，這方面還有待進(jìn)一步研完。收fll日期：20I6-04-21.基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51509080）作者簡(jiǎn)介：周雅.男，碩士研完生.研究方向?yàn)椴ɡ伺c建筑物相互作用。E-mail：867652593關(guān)鍵詞：矩形管；泥沙起動(dòng)；如顆粒；原狀上中圖法分類號(hào)：TV149文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A1研究背景隨著我國海岸帶資源的不斷開發(fā)，越來越多的工程在施工過程中遇到與細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)特性有關(guān)的問題。以往

3、對(duì)泥沙基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)，采用的試驗(yàn)裝置主要是普通明渠水槽和環(huán)形水槽，'2,o細(xì)顆粒泥沙往往帶有黏性，臨界起動(dòng)條件很強(qiáng)，普通明渠水槽和環(huán)形水槽中無法達(dá)到試驗(yàn)所需的起動(dòng)流速和起動(dòng)切應(yīng)力，因此部分專家學(xué)者設(shè)計(jì)了有壓矩形管來進(jìn)行細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)試驗(yàn)。時(shí)連強(qiáng)以2004年4月在工程位置處取得的一個(gè)30m沉積物柱狀樣為例，運(yùn)用矩形管研究了黃河三角洲潮灘原狀沉積物臨界起動(dòng)切應(yīng)力與含水率、中值粒徑等物理指標(biāo)之間的關(guān)系；張強(qiáng)根據(jù)矩形管中試驗(yàn)資料，結(jié)合力學(xué)特性確定了影響人工填筑黏性土起動(dòng)沖刷的主要因素，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析人工填筑黏性土起動(dòng)切應(yīng)力與各影響因素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并提出了量綱和諧的起動(dòng)切應(yīng)力

4、公式41；蔣磊選加通過篩分和沉降分選處理得到的黏性泥沙在矩形管中進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)黏性泥沙往往以成團(tuán)的方式起動(dòng)，且黏性泥沙成團(tuán)運(yùn)動(dòng)服從于一般泥沙的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律。DOI：10.16232/ki.1001-4179.2016.16.020綜合前人研究成果可以看出，在矩形管中進(jìn)行試驗(yàn)可以滿足細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)流速要求旦便于設(shè)置沙樣，但要對(duì)矩形管中試驗(yàn)資料進(jìn)行分析，就必須要先解決矩形管中試臆結(jié)果的代表性問題，而這方面的研究目前還很少。因此本文利用矩形管進(jìn)行細(xì)顆粒原狀土起動(dòng)特性試驗(yàn)，分析了矩形管中實(shí)測(cè)泥沙起動(dòng)斷面平均流速與實(shí)際明渠中泥沙起動(dòng)垂線平均流速的轉(zhuǎn)換規(guī)律。2試驗(yàn)方法本文試驗(yàn)沙樣取自晉江河口，根據(jù)采

5、樣的級(jí)配表，可確定沙樣的物質(zhì)組成以細(xì)顆粒沉積物（粉沙）為主,泥沙非均勻性強(qiáng)，級(jí)配較寬，具體粒徑分布的特征值見表lo11試驗(yàn)沙樣粒徑分布特征值mm組次"io奴YZK-10.0030.0330.244YZK-20.0020.0280.149YZK-30.0030.0200.125矩形管試驗(yàn)段長2m,截面尺寸為15cmx3cm.取土器外徑為10cm,沙樣筒上、下游各布置一個(gè)測(cè)壓試驗(yàn)?zāi)嗌称饎?dòng)標(biāo)準(zhǔn)為沙樣表面中心處泥沙少量運(yùn)動(dòng)且剝離位置明顯增加。試驗(yàn)時(shí)為防止突然來流造成沖刷，先加水至水流充滿整個(gè)試驗(yàn)段且流態(tài)穩(wěn)定，再頂推沙樣使其表面暴露于矩形管底面，調(diào)節(jié)試驗(yàn)段前后兩個(gè)閥門，記錄在不同水壓力下試驗(yàn)沙

6、樣達(dá)到起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)矩形管中的流雖及上、下游測(cè)壓管水頭如、奴，則可得到矩形管中泥沙起動(dòng)斷面平均流速：優(yōu)=(1)式中M為截面面積,m%起動(dòng)切應(yīng)力：re=yRS-h2)/L(2)式中，丁為水的重度，N/m。R為矩形管水力半徑，m；為兩測(cè)壓管間距，m。3矩形管與實(shí)際明渠中水流轉(zhuǎn)換規(guī)律矩形管道中雷諾數(shù)：Re=Ud/v(3)式中，為管道斷面平均流速，m/s；dh為當(dāng)最直徑，dh=4R,m；u為水的運(yùn)動(dòng)黏滯性系數(shù),m2/so由式(3)計(jì)算得本文試驗(yàn)條件下的Re為1.5x109x10",在4x10s2X106范圍內(nèi)，因此試驗(yàn)矩形管中水流流態(tài)為紊流。J.Niknradse對(duì)矩形管的流速分布進(jìn)行研究小刀，

7、提出對(duì)充分發(fā)展的紊流，矩形管內(nèi)任一截面上沿流動(dòng)方向的分布如圖2所示。在壁面上，.。=0；在中心線上，=J.,達(dá)最大值。洪大林采用粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)對(duì)矩形管道流速分布進(jìn)行了測(cè)得到其垂線流速分布結(jié)果如圖3所示，并根據(jù)對(duì)數(shù)流速分布公式計(jì)算了摩阻流速。圖3實(shí)測(cè)矩形管中流速分布由水力學(xué)基本理論可知，明渠紊流符合對(duì)數(shù)流速分布，因此本文將矩形管沿高度方向中心線切分為上下對(duì)稱的兩半，則下半部分的流速分布均與明渠水流相近，下半部分的平均流速即為矩形管中的斷面平均流速。本文試驗(yàn)裝置測(cè)壓管從矩形管試驗(yàn)段底部伸出，測(cè)壓管中水柱高度為如?？梢栽O(shè)想，矩形管中下半部分為水深為D/2(D為矩形管高度)，大氣壓為(叫-D/2)的

8、明渠水流；而若在明渠水槽中進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，大氣壓為0,因而本文的目的是將水深為D/2,大氣壓為(-。/2)的明渠水流轉(zhuǎn)變?yōu)樗顬?#39;，大氣壓為0的明渠水流。作用于管道壁面的切應(yīng)力r與摩阻流速u.之間的關(guān)系：t=yRJ=pu(4)式中，P為水的密度，kg/m>J為水面比降，本文中取泥沙起動(dòng)時(shí)水面比降/=(站f)/L°由謝才公式可得到明渠水流垂線平均流速uu=C何=Cu./g(5)式中，。為謝才系數(shù),C=上R機(jī)m。1%；幾為曼寧糙率n系數(shù)，本文試驗(yàn)選用晉江河口沙樣相對(duì)較細(xì)/值取為0.02,無量綱;R為明渠水力半徑，對(duì)于寬淺的河口地區(qū)，比約等于水深，本文計(jì)算中取為根據(jù)河流動(dòng)力學(xué)可知

9、，土質(zhì)相同的情況下，試驗(yàn)室條件下起動(dòng)摩阻流速與天然條件下起動(dòng)摩阻流速一致。洪大林通過同時(shí)在矩形管和明渠水槽中進(jìn)行試驗(yàn)，也驗(yàn)證了在流速較小的情況下，管道中起動(dòng)摩阻流速與明渠中起動(dòng)摩阻流速近似相等。因此由式(4).(5)可計(jì)算得出，不同水柱高度下相應(yīng)的明渠中本文原狀土起動(dòng)時(shí)的垂線平均流速虬o4試驗(yàn)結(jié)果分析表2所有沙樣試驗(yàn)結(jié)果組次W7W%/(m»')(、/)m("»$-')VZK-10.9552.260.0482.350.8768.280.9892.410.0493.350.9593.061.0352.620.0514.351.044-0.821.095

10、2.890.0545.251.132-3.38YZK-20.5960.930.0312.350.5625.720.7861.590.0403.350.7781.040.9252.130.0464.350.942-1.890.9832.380.0495.251.027-4.52YZK-31.1413.110.0562.351.0279.991.4214.580.0683.351.3236.921.4955.020.0714.351.4453.541.7816.840.0835.251.7412.23ii：rr為起動(dòng)切應(yīng)力".c為起動(dòng)摩阻浪逢，七為明渠中泥沙起動(dòng)壘錢U-u平均浪速。相時(shí)誤

11、差公式E=''x100%。七從表2中可以看出，隨著水柱高度的增大,試驗(yàn)沙樣的起動(dòng)切應(yīng)力和矩形管中泥沙起動(dòng)斷面平均流速也增大。表明水壓力對(duì)細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)有重要影響，且起動(dòng)條件與水壓力成正相關(guān)。對(duì)于試驗(yàn)沙樣，不同水柱高度下矩形管中泥沙起動(dòng)斷面平均流速與通過本文上述轉(zhuǎn)換規(guī)律計(jì)算所得的實(shí)際明渠中泥沙起動(dòng)垂線平均流速基本相同，相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。表明對(duì)于明渠中某一水深下的泥沙，可通過將該處泥沙取樣并在矩形管中相同水柱高度條件下進(jìn)行試驗(yàn)得到其起動(dòng)切應(yīng)力和起動(dòng)流速。這里還應(yīng)指出：本文計(jì)算不同水柱高度下謝才系數(shù)時(shí)曼寧糙率系數(shù)n均取為0.02,但前人研究表明水深對(duì)幾值也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。何建

12、京通過在光滑壁水槽中進(jìn)行均勻流試驗(yàn)提出對(duì)一段確定的明渠'"，糙率系數(shù)隨水深的增加而減?。籋.W.Shen例舉的混凝土護(hù)面渠道中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)卻表明水深的增加會(huì)引起M值的增大:因此明渠糙率系數(shù)不僅表征壁面粗糙程度，還受水深等水力要素的影響，是一個(gè)綜合水力摩阻系數(shù)，關(guān)于這方面的規(guī)律仍有待進(jìn)一步研究。5結(jié)論(1) 本文選用晉江河口的細(xì)顆粒原狀土在有壓矩形管中進(jìn)行了泥沙起動(dòng)試驗(yàn)，試捻結(jié)果表明水壓力對(duì)細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)有重要影響，且起動(dòng)條件與水壓力成正相關(guān)。(2) 試驗(yàn)矩形管中水流流態(tài)為素流，流速分布為上、下對(duì)稱的對(duì)數(shù)流速分布?；诖吮疚膶⒕匦喂苎馗叨确较蛑行木€切分為上下對(duì)稱的兩半，認(rèn)為下半

13、部分的流速分布與明渠水流相近，試驗(yàn)測(cè)壓管中水柱高度即為相應(yīng)的明渠水深。通過謝才公式計(jì)算得到相應(yīng)的明渠中泥沙起動(dòng)垂線平均流速并與試驗(yàn)矩形管中泥沙起動(dòng)斷面平均流速進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果基本一致，表明矩形管中進(jìn)行細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)特性試驗(yàn)可行，管中水柱高度等于明渠水深時(shí)，矩形管中泥沙起祁實(shí)測(cè)斷面平均流速即可代表實(shí)際明渠中泥沙起動(dòng)垂線平均流速。(3) 本文運(yùn)用謝才公式計(jì)算不同水柱高度下明渠中垂線平均流速時(shí)曼寧糙率系數(shù)n均取為0.02,前人研究表明水深對(duì)n值有一定的影響，但這一影響目前尚難以定量估計(jì)，關(guān)于這方面的規(guī)律仍有待今后的進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)：(1RavensTM,GschwendPM.Flumeme

14、asurementsofsedimenterod-ibilityinBostonHarborfJ.JournalofHydraulicEngineering*1999,125(10)：998-1005.2 普叔尤，杜國粉.&性土沖淤的試驗(yàn)研完J.泥分研完，1986(4) ：73-82.3 時(shí)連強(qiáng).李九發(fā).應(yīng)銘，等.現(xiàn)代黃河三角洲潮潭成狀沉積物沖劇試4HJ.海洋工«,2006,24(1)：46-54.4 張強(qiáng)，王寅，陳春柏.人工琪筑獨(dú)姓上起動(dòng)沖例楠性試驗(yàn)J.水利水電科找進(jìn)展，2013,32(6)：75-78.5 牯姓泥沙成.團(tuán)起動(dòng)后狀態(tài)捋移貌掉試松J.武漢大孕學(xué)報(bào)：工學(xué)版，20

15、13,46(1):6-9.6 NikuradseJ.UntersuchungUberdieGesehwindigkeitsverteilunginturbulentenStromungenJ.EonchungAufDemGebietDesInge-nieurweaensA,1926,281：1-44.7NikuradneJ.GeselzmaigkeitenderturbulentenSlromunginglattenRohren(Nachtrag)J.ForachungAufDemGebietDesIngenieur-wesensA,1933,4(1)：44-44.81洪大律，坍國斌，中欲，等

16、.牯姓原狄主起動(dòng)浦速試監(jiān)研完J.人民長江，2012,43(2):39-42.9 張瑞瑾.河流動(dòng)力學(xué)M.北京：術(shù)利電力出版社，1988.10 何建京，王惠氏.流動(dòng)型態(tài)時(shí)曼寧槌率系效的影響研完J.水丈,2002,22(6):22-24.11 ShenHW.RiverMechanicsM.Colorado：FortCollins,1971.(埴輯：李慧)(下轉(zhuǎn)第98頁)改進(jìn)，其自動(dòng)化程度比較高。試驗(yàn)室的各設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、噪音低,試驗(yàn)臺(tái)周邊雖然設(shè)有不少的油管路，但是并沒有發(fā)現(xiàn)油霧、油污等現(xiàn)象。這些都源自于其不斷地實(shí)施升級(jí)改造以及其良好的日常維護(hù)保養(yǎng)工作，值得學(xué)習(xí)和推廣。土谷塘電站水輪發(fā)電機(jī)組是目前國內(nèi)單

17、機(jī)容量最大、轉(zhuǎn)輪直徑也最大的3葉片燈泡貫流式機(jī)組。2015年4月，在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院水力機(jī)械實(shí)駛室的中立試驗(yàn)臺(tái)上完成了對(duì)模型的驗(yàn)收試驗(yàn)。該驗(yàn)收試驗(yàn)的成功，標(biāo)志著東芝公司和東芝水電在對(duì)燈泡式水輪機(jī)的研發(fā)方面又上了個(gè)新的臺(tái)階，也為將來承接更大容量的燈泡式水輪機(jī)設(shè)計(jì)方面的合同奠定了良好的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：11EC60193；1999Hydraulicturbines,Moragepump*andpump-turbines-Modelacceptancete»t8(S.2 GB/T15613-2008水掄機(jī)、營能泵和水泵水輪機(jī)模型臉收試膾S.(3) 鄧玉章.漆桑水力機(jī)徒試食室介紹東方電氣評(píng)

18、論,2006(3)：53-57.4 王定華，楊在勝，去敏.步水水電站水論機(jī)模堊臉收試驗(yàn)J.人氏長江，2006(1)：6970.73.5 攀奸，許建新，趙英男.響水洞抽水言能電站水泵水輪機(jī)洛桑模型膾收試般J.大電機(jī)技術(shù),2011(3):50-53,57.6 盧池，陳果年，大竹典男.東芝水電水力機(jī)城通用試驗(yàn)臺(tái)的特J.大電機(jī)技術(shù).2012(4)：47-50.7 盧池，陳梁年，我盛平導(dǎo).水力機(jī)械模型試?yán)L臺(tái)的設(shè)計(jì)妍完J.西北水電，2012(SI)：13-16.8 盧池，陳渠年，媛.丹.燈泡式永倫機(jī)非協(xié)聯(lián)工況下空化柱能的試境研水電站機(jī)電技術(shù).2015(6)：4-6.9J攜丹，盧池.水輪機(jī)模型壓力豚動(dòng)的測(cè)試

19、及分析方法J.中國水能及電氣化.2012(11):61-64.(10)盧池，陳梁年，媳丹.空化系數(shù)對(duì)燈泡式水倫機(jī)力軸柱影響的試登研完【C中國動(dòng)力工棋學(xué)會(huì)水輪機(jī)穹北姿員會(huì)第十九次中國水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.哈爾演：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,2013:394-398.U李廣府，盧池.妮丹.基于模型試檢的燈泡式水倫機(jī)軸向水推力研中國農(nóng)村水利水電，2014(12)：176-179.(蜻林：趙秋云)ModelacceptancetestforTugutangHydropowerStationonXiangjiangRiverLUChi,CHENLiangnian(HydraulicMachineResea

20、rchLaboratory,ToshibaHydroPower(Hangzhou)Co.,Lid.,Hangzhou310020,China)Abstract：InordertoexaminethehydrauliccharactersofmodelturbineofTugutangHydropowerStation9themodelacceptancetestwascarriedoutonPF1rigofEPFLinLausannetSwiss.Thetestincludedtheefficiencytoutputvcavitation9pressurefluctuation9runaway

21、,Winter-kennedyindexandaxialhydraulicthrusttestetc.ThetestresultsshowedthatlhemodelturbinedevelopedbyToshibahadmetorexceededtheguaranteevalueofcontract.Themodelacceptanceteststandard,laboratoryforhydraulicmachinesofEPFLandnoticeintheacceptancetestareintroduced.Itcangiveareferenceformode)testandmodel

22、acceptancetestofhydraulicturbines.Keywords:modelacceptancetest;independentlestrigcombinederror；bulbturbine；TugutangHydropowerStation(上接第94頁)ExperimentalstudyonincipientvelocityofundisturbedfineparticlesoilZHOUYa'*2,MAHongjiao1*2,CHENDake*2,LIUChengrui12,WANGYana'2(1.CollegeofHarbor,Coastalan

23、dOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China；2.KeyIxiboraloryofCoastalDisasterandDefenceofMinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)Abstract:Theincipientmotionoffinesedimentistestedinapressuredrectangularpipewithdifferentwaterhead.Theresultsshowthatthewaterpressuregreatlyinfluenceslheincipientmotionoffinesedi