拟焦沙阻力特性及水流挟沙能力试验研究

第3 1卷第 l 1期2 o o 9年 l 1月

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河

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N0 v .. 2 o o 9

【水文 泥沙】

拟焦沙阻力特性及水流挟沙能力试验研究任艳粉，姚棣，李远发，郭慧敏，陈俊杰( 1 .黄河水利科学研究院，河南郑州4 5 0 0 o 3; 2 .河南黄河勘测设计研究院，河南郑州 4 5 0 o 0 3 )

摘关

要：为了确定实体模型中拟焦沙的有关相似条件，通过水槽试验对其阻力特性及水流挟沙能力进行了研究，结果表键词：水槽试验；阻力特性；水流挟沙力；拟焦沙文献标识码： A d o i: 1 0 . 3 9 6 9/ j . i s s n . 1 o o O一1 3 7 9 . 2 O o 9 . 1 1 . 0 l 9

明：拟焦沙的糙率为 0 . 0 1 2~ 0 . 0 l 9;含沙量小于 1 0 k g/ m时，水流抉沙力拟合公式计算值与实测值吻合较好。中图分类号：P 3 3 3

拟焦沙是由清华大学黄河研究中心同黄河水利科学研究院联合研发的一种新型模型沙材料，它是根据模型设计对容重及级配等方面的要求，采用容重小且热解效应强的焦煤为原料，首先通过水选降低原料灰分，然后脱水并粉碎成颗粒状，采取特殊工艺将煤粒部分脱去有机物及挥发分，经过脱硫、脱氮和脱灰等工序改变其化学键，进一步分选而成的。拟焦沙物理、化学性能比较稳定，容重为 1 . 7 0一1 . 9 O m 。 。

式中： n 为床面糙率；日为水深；日为水槽宽度； n为综合糙率； n为边壁糙率。姜国干分割法的公式为=

}[ ( 2+曰 ) n 一2:]曰} , 2

( 2 )

1 . 2系统率定模型沙阻力试验前，首先通过系统率定试验确定玻璃水槽边壁糙率，试验率定成果见表 1。表 l率定成果

笔者是在分析拟焦沙物理化学特性的基础上，通过水槽试

验重点研究了拟焦沙的阻力特性 (糙率)及水流挟沙能力等。试验在长 3 O m、高5 O c m、宽4 0 c m的固定水槽中进行，水槽有效观测段为 2 4 m。用光电旋桨流速仪测定流速，采用断面法计算平均流速。由直流电机驱动水泵通过自循环系统为水槽供水，电磁流量计控制流量。为了稳定进入水槽水流

的流态，在水槽的前面设有长 2 m的消浪栅。在 3、 7、 l l、 l 5、 1 9、 2 3 m及

2 7 m处安装固定测针实时测量水位，其余水位用活动测针测量。水槽尾部采用翻板闸门调整水位。

由表 1可以看出，水槽边壁糙率为 0 . 0 o 7 3~ 0 . o o 8 6,综合

1阻力特性试验不同水流强度引起河床床面形态变化，进而又产生了河床阻力的变化。冲积河流中，影响水流阻力的因素包括水流条件和边界条件。床面泥沙颗粒的大小及级配的非均匀性，直接决定河床表面的粗糙程度，是床面阻力中最重要的因素之一_ 2 J。 在河工模型试验中，要求模型既要满足重力相似条件，又要满足阻力相似条件，模型沙粗糙系数 n的大小反映了边界对液流的阻力作用，是模型设计的关键参数之一。

查阅有关文献，水槽边壁糙率最终选用 0 . 0 o 8 5。

1 . 3阻力试验及结果拟焦沙阻力试验采用的沙样级配曲线见图 1 (容重=

1 . 7 L/ m ,中值粒径 d 5 0=O . o 2 3 6 mm)。 试验前，在水槽底部铺设厚 5 c m左右的模型沙，坡降为l‰。从尾门处慢慢加入自来水，均匀地浸透沙样后，检查沙面

是否有凹凸不平之处，若有则进行修整，在修整过程中应保持坡度不变。按试验要求调整流量、水位，测量水面线。试验时，

1 . 1 阻力试验分析方法按照曼宁公式，通过测量床面及水面比降 _,来推算模型沙

测出水面坡降及床面坡降，计算出能坡。按照上述公式计算模型沙床面糙率，结果见表 2。收稿日期： 2 o 0 9一 O 2一 l 3

阻力。分别按照爱因斯坦糙率分割方法』、姜国干糙率分割方法对试验测得的综合糙率进行床面糙率及边壁糙率分割，得出床面模型沙的实际糙率。爱因斯坦分割法的公式为n: ! r ( 2月+B) 一2^ f n] B一 } , 3 ( 1 )

基金项目：国家自然科学基金委员会、水利部黄河水利委员会黄河联合研究基金资助项目( 5 0 3 3 9 0 2 O )。 作者简介：任艳粉 ( 1 9 8 0一),女，河南沁阳人，助理工程师，硕士，研究方向为水力学及河流泥沙E— ma i l:邮 9 8 O@1 2 6. c 0 m

第1 1期

任艳

粉等：拟焦沙阻力特性及水流挟沙能力试验研究

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式中： s。为水流挟沙力；为流速；为水深；∞为泥沙在浑水中的沉速；、 m为系数和指数。 式( 3 )形式简单、计算方便，但式中的、 m两参数较难确定，使用时要用实测资料进行检验。

2 . 2试验步骤及结果试验控制条件是水流满足均匀流且河床冲淤平衡，经多次反复观测试验，控制当水槽槽底出现轻微淤积时的水流含沙量粒径级， m

即为水流挟沙能力。在实际试验中，由于拟焦沙浑水太黑，根本无法观测，因此无法判断何时出现轻微淤积。试验时先以大流量挟带全部泥沙，“来多少排多少”,冲刷一定时间 ( 1 0~1 5 mi n ),使水槽内水流不断循环，然后控制一固定流量，调节尾门控制一固定水位，等到水流稳定以后，不断测量槽内含沙量，当

图 1拟焦沙级配曲线

表 2拟焦沙糙率试验结果

进出口的含沙量相等且不再变化时，即认为此时达到冲淤平衡。在控制段测量进出口水位和含沙量分布，沿垂线观测 4个测点 (相对水深为 0 . 2、 O . 4、 0 . 6和 O . 8 ),用比重瓶法测量含沙量。改变不同水位、流量及拟焦沙级配，进行不同组次的试验。

当达到冲淤平衡状态时，测量水面高程、流量 Q及进出口 垂线含沙量，然后计算水深^、平均含沙量 J s、流速和/ 。不断调节水槽水深及流量，重复以上试验，即可得到含沙量| s随/ g 连续变化的关系，见图2。

试验开始时，床面平整，加大流速后床面出现小沙浪，似小坎；再加大流速，沙纹增大，形成沙浪。沙波波长 f。=1 O~5 0 c m,波高^ = 0 . 7~ 3 . 8 c m。经过水槽试验资料分析，拟焦沙的糙率为 O . 0 l 2~ 0 . 0 1 9。

2拟焦沙挟沙力试验水流的挟沙力即为输沙平衡时水流对泥沙的运载能力。输沙平衡表现为总含沙量沿程不变，分组含沙量也沿程不变， 天然河流中这种严格的输沙平衡 (称为强平衡 )是很少存在的。 实际上，只要含沙量及其级配基本上沿程不变，就可以认为是输沙平衡。在拟焦沙挟沙力的水槽试验中，输沙平衡时即可认为测得的含沙量与挟沙力数值相等。

l o g ( v ,曲∞)

图 2含沙量 s与伽3

的关系

拟合的公式为 . s .=o . 1 6 3 7 ( _ _ )g, ∞

,相关系数为 0 . 7 5 6 1。

由图3可以看出：含沙量在 1 0 k g/ m以下时，挟沙力分布在 4 5。

线附近，说明含沙浓度低时实测值与计算值拟合较好。

对于绝大部分动床模型试验，水流挟沙相似是最重要的相似条件之一 J。按照这一相似条件 J,模型含沙量比尺 A必须等于水流挟沙力比尺 A .。确定动床模型含沙量比尺最简单的办法是选择符合原型和模型水流挟沙力实际的公式进行计算。~

岳●

由于原型水流挟沙能力能够通过分析天然资料得出，在模型中也可以测出模型的水流挟沙力，因此确定模型含沙量比尺相对可靠的办法是通过分别确定原型和模型水流挟沙力的途径来实现，即由 A s=A s+=s P/| s。 ( s 。为原型水流挟沙力， . s。为模型水流挟沙力 )确定含沙量比尺。

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撼:

2 . 1水流挟沙力公式水流挟沙力公式可以分为两大类：一类是作为一维问题处理，仅考虑全断面或全垂线的水流平均挟沙力；另一类是作为

实测挟沙力，( k g m。)< …… 此处隐藏：4485字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……