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泥 沙 研 究 年 月 第 期 粘性细颗粒泥沙絮团发育与絮网发育 临界判据的初步研究 朱中凡 杨铁笙 赵 明 梁朝皇 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 北京 摘要 单颗粒沉降 絮团发育沉降 絮网压缩沉降是粘性细颗粒泥沙悬浮体系絮凝发育的三种不同相态 其中 关于从絮团发育沉降转变到絮网压缩沉降这一临界状态的研究比较少见 本文从特征絮团的角度出发 考虑 形成絮网的临界状态分别得出了静水 动水不同条件下区分絮团发育与絮网发育的临界判据 其分析结果与 试验观察定性的一致 关键词 絮团 絮网 临界判据 中图分类号 文献标识码 文章编号 引言 在一定的物理 化学条件下 表面带有电荷的粘性细颗粒泥沙在由布朗运动 水流剪切作用 差异沉 降作用引起的接触 碰撞中会相互粘结形成大小各异的絮团或构成类凝胶网络结构 絮网 这一过程称 为絮凝 其中因絮网结构类似于凝胶 故形成絮网的动力学过程也可称为凝胶化过程 单颗粒 絮团 絮 网是粘性细颗粒泥沙絮凝发育的三个层次 这三个层次的动力学特性各不相同 有各自的机理和计算方 式 因此在悬浮体系的絮凝研究过程中往往需要首先判断其所处的层次 絮凝相态的划分 我们把上述三个层次定义为絮凝发育的三个相态 单颗粒相态 絮团发育相态 絮网发育相态 影 响絮凝发育的因素归纳起来有 基本颗粒粒径 初始泥沙浓度 体积比 电解质浓度 阳离子化 合价 水温 水流剪切强度 静水中不存在 等 目前的研究工作着重于其中一个或两个因素的改 变对絮凝发育产生的影响 这些因素概括起来有三类 一类是抑制絮凝发育的因素 包括粒径 泥 沙质量密度 等 它们的增大使得悬浮体系更易向单独重力沉降方向发展 第二类是促进絮凝发育的 因素 如泥沙浓度 电解质浓度 阳离子化合价 等 它们的增加使得悬浮体系朝颗粒聚集方向发 展 并使絮网整体沉降速率变缓 第三类是既促进又抑制絮凝发育的因素 如水温 水流剪切强度 的增加一方面增加颗粒碰撞的频率 使得絮凝发育加剧 另一方面又使得那些结构脆弱的大絮团破 裂 抑制了絮凝的进一步发育 的增加一方面加剧了颗粒的布朗运动 使得颗粒碰撞频率加大 另一方 面又使得颗粒扩散双电层厚度加大 颗粒间排斥力增加 不利于颗粒的碰撞粘结 于是便可设想正是这 几类因素的相对变化使得悬浮体系絮凝发育呈现出不同的相态 图 所示的是泥沙悬浮体系的相态转 变图 若第一类因素极强与第二类因素极弱 体系处于单颗粒重力沉降状态 区 例如无粘性细颗粒 泥沙 粗沙和卵石在无盐水体内的单颗粒沉降 反之 第一类因素极弱 第二类因素极强 体系可能进入 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金资助课题 作者简介 朱中凡 男 湖北荆州人 硕士 主要从事细颗粒泥沙絮凝方面的研究 絮网发育状态 区 如河口 航道上的浮泥 拦门沙 等 同时两种极限状态之间还存在广大的过渡状态 即以絮团的形成 沉降为主的絮团发育状态 区 在不同的相态区 絮凝引起的泥沙颗粒动力学特性完 全不同 其计算方式也各不一样 对于 区单颗粒沉 降 更多的是采用考虑颗粒间相互影响的 公式 对于 区内絮团发育及沉降的时空过程 采用的方法 一般是考虑絮团结构和破裂及重力沉降的完整 方程 而对于 区的絮网发育及沉降 其沉速远远小于絮团沉速 可能的研究途径是粘弹性 图 泥沙悬浮体系的相态转变图 理论或借助土动力学中的次固结理论等 对应悬 浮体系在 区到 区和 区到 区之间的过渡 应该 存在相应的临界判据 但是对于悬浮体系相态的判 断 目前尚缺乏系统的认识和可行的方法 对于从 区到 区的转变 已有一些研究 主要以泥沙粒径 或含盐度等作为絮凝发生的临界判断条件 常见的做法还是利用粘性细颗粒泥沙的粒径作为判断絮 凝现象的准则 只是临界粒径的大小还并未取得一致 对于判断 区到 区的转变即絮网形成 相应的 工作较少 费