泥沙的起动.ppt

浅析泥沙起动 港航081 吴平 200810413012 概述 泥沙起动是泥沙运动理论中最基本的问题之一，也是研究工程泥沙问题时首先遇到的问题。早在19世纪就提出了泥沙起动的概念，20世纪初开始了系统的研究，至今仍在继续。 1. 作用于床面泥沙颗粒的力 对于较粗颗粒的泥沙，都是以单颗粒形式起动； 对于较细颗粒的泥沙，由于粘结力和水流脉动(“扫荡”)的影响，往往以数十个或数百个颗粒组成的群体形式起动，起动后仍以单颗粒形式在水流中运动。 自由沉降于床面上的颗粒群体，在其起动时所受到的各种作用力均较单颗粒时按相应倍数增大，因而在讨论力或力矩的平衡时仍可按单颗粒处理。虽然泥沙颗粒并不是球体，但仍可按球体处理，对其所引起的偏差可在确定经验系数时给予间接考虑。 泥沙颗粒所受的重力Fg为 水流对床面上泥沙颗粒的正面推力Fx和上举力Fy可分别表示为 阻力系数与颗粒形状有关，在一定粒径范围内与粒径成反比。现取 粘结力的大小，除与矿物性质等物理和化学因素有关外，还与颗粒大小有关。对于粒径分别为d1和d2的两个球体间的粘结力，从理论上可以得出其值与两个粒径乘积的平方根成正比。另一方面又与两个颗粒的间距成反比，即与颗粒密实程度有关。颗粒愈密实，颗粒间的间距就会小，从而粘结力也就愈大。试验资料表明，此粘结力Fc可表述为 式中αc为系数，γ0为床面泥沙干容重，γ0*为泥沙颗粒的稳定干容重；ε为粘结力参数，具有长度乘流速平方的量纲，其值与颗粒材料的物理化学性质有关。 　在泥沙颗粒周围有水膜环绕，其最贴近颗粒表面的薄膜水，是非自由水，具有某种固体性质，在两颗粒接触面积上受到上边水柱压力的作用。在研究泥沙起动问题时需要考虑水柱的压力。设两颗粒间承受水柱压力的厚度为2b，颗粒直径均为d，则承受水柱压力的面积ωk为πdb,b是薄膜水厚度和粒径的函数。试验表明，随着颗粒的减小，水柱压力的影响急剧增大，呈非线性关系，因此假定b值与薄膜水厚度的3/2次方成正比，与粒径的1/2次方成反比，即b=δ3/2d-1/2，其中δ为薄膜水厚度参数，具有长度量纲。水柱压力也与粘结力一样，都与床面颗粒密实程度有关，即与床面泥沙的干容重有关。因此水柱对床面泥沙颗粒的压力Fδ可表述为 2.泥沙起动公式 对于粗颗粒泥沙，粘结力和水柱压力很小，起动后仍在床面附近运动。对于细颗粒泥沙，因粘结力和水柱压力远远超过重力，起动后突然失去粘结力和水柱压力而悬浮。床面泥沙颗粒的失稳条件为 此式表明，泥沙的起动条件是瞬时流速等于或大于公式右边的数值。当时均流速尚小于公式右边数值时，只有在出现较大脉动流速的部位泥沙才能起动。虽然由于床面不是绝对平整，有些颗粒凸出床面，有些颗粒凹进床面，暴露度较大的颗粒更易起动，但对于床面整体来说，泥沙的起动还主要决定于瞬时流速的大小。 　泥沙的起动，一般可分为三种状态，即将动未动、少量动和普遍动。第一种状态是指床面泥沙除个别凸出颗粒可动外，基本不动，这时的脉动流速应为其最大值。脉动流速符合正态分布，其三倍的均方根值即为实际上可能出现的最大脉动流速，其发生机率仅为0.00135。第二种起动状态是指床面上的泥沙，时而这个部位起动，时而那个部位起动，经常能观察到有少量颗粒起动，这时的脉动流速可视为其二倍的均方根值，其发生频率为0.0228。在第三种起动状态下床面上各部位的泥沙并不是同时起动而是有先有后，但在一定观察时段内在床面上各部位均能看到泥沙颗粒的运动，这时的脉动流速可视为等于其均方根值，其发生机率已达0.159。 The end * * （1） 式中ρs和ρ为沙粒和水的密度，g为重力加速度，d为粒径，一般均指其中值粒径，即d=d50。 x (2) (3) 式中 λx和λy分别为推力和上举力的阻力系数，uΔ为作用于床面颗粒的瞬时流速。 (4) 其中αx和αy为系数，d=10mm, d′的取值为 (5) 　颗粒间存在着吸力 对于略大的颗粒，其吸力远小于颗粒的重力，从而表现为无粘性颗粒。 对于细小颗粒，此吸力远大于颗粒的重力，成为粘结力 。 (6) ＊ (7) 式中αω为系数。 　　上述表明，促使床面泥沙颗粒起动的力为水流作用力Fx和Fy，保持泥沙颗粒不动的力为重力Fg、粘结力Fc和水柱压力Fδ。 Fx l1+Fyl2≥Fgl3+Fcl4+ Fδl5 （8） 式中 l1、l2、l3、l4和l5为相应各力的力臂，其值均与粒径成正比。将前述各力代入(7)式并将系数合并后可得瞬时起动流速uΔc为 (9) 式中α1、α2、α3 为综合系数。根据试验资料可取α1=1.75,α2 =3.6, α3ε=ε0。这里ε0是综合粘结力参数，其值与颗粒的物理化学性质有关，对于粘土还与有机质含量及沉积环境等有关，变化范围较大。根据试验资料可知，对于一般泥沙ε0 =1.7