高含沙水流的运动方式和特点

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：考虑流态的不同和水流类型的差异，高含沙水流一般存在伪一相流、高含沙紊流型两相流、层移质运动和粘性泥石流等不同运动形式。粘性泥石流为非牛顿体流动，其显著特征是发生“铺床”现象和间歇性的阵流。

随着流速大小的不同，高含沙水流具有层流和紊流两种流态。考虑流态的不同和水流类型的差异，高含沙水流一般存在伪一相流 (中性悬浮质运动)、高含沙紊流型两相流、层移质运动和粘性泥石流等不同运动形式(钱宁，1989;Wan和Wang，1994)。

1.伪一相流

当粘性细颗粒含量超过一定限度时，水流具有宾汉体的性质，存在宾汉极限剪切力。在这样的水流中，粘性细颗粒泥沙形成一定的结构，可以支持部分泥沙颗粒悬浮在水体中而不沉降，形成中性悬浮质。当全部泥沙颗粒都成为中性悬浮质时，泥沙与周围水体不存在相对运动，水流成为粘性及容重不同于清水的另一种均质悬浮液，称作伪一相流。伪一相流具有层流和紊流两种流态。由于宾汉极限剪切力的存在，流动中通常具有不存在相对运动的“流核”。层流流速分布可以从宾汉体的流变方程直接建立，紊流流速分布遵循通常的对数率。黄土高原地区的泥流就属于伪一相流。

2.高含沙紊流性两相流

一般高含沙水流属于紊流性两相流。其中，水和中性悬浮质混合而成的浆液组成液相，与液相存在相对运动(如自由沉降)的推移质和悬移质组成固相。泥沙悬移质依靠水流紊动来支持。随着含沙量的提高，水流紊动强度逐渐减弱，含沙量垂线分布的不均匀程度在低含沙量时随着流速的增加而迅速减小，在高含沙量时随垂线平均含沙量的增大而降低。紊流性两相流的浑水流速分布比清水时流速分布更不均匀，影响流速分布的因素主要有浑水密度梯度、升力效应和颗粒碰撞。在自然界中，稀性泥石流也属于这一类型，但维持运动的能量有相当大的一部分来自泥沙本身的势能。

3.层移质运动

在泥沙浓度很大，水流紊动受到遏制，高含沙紊流两相流中的泥沙悬移运动消失，全部泥沙将以层移的形式运动，即层移质运动。层移质运动中不存在尺度大于颗粒的紊动漩涡，宏观上显示层流特征，固体颗粒在空间上接近均匀分布。细观上固体颗粒在小范围内随机脉动，相邻颗粒碰撞，产生离散力以维持颗粒垂向分布。颗粒与颗粒、颗粒和水体之间始终存在着相对运动。作为离散力和重力的平衡结果，时均流速的垂向分布介于挟沙水流和清水层流之间。层移质运动是高含沙水流的一种独特运动形式。在自然界中，高浓度的水石流属于这种类型，但只有在极陡的比降下才能形成。

4.粘性泥石流

粘性泥石流由粘土、沙和砾石组成，是一种以粗颗粒层移及中性悬浮质为主的泥沙运动。其中水和中性悬浮质凝聚成为一个粘稠的整体，组成不同于水的液相，以相同的速度向前运动。粗大的颗粒在河床上断断续续地跳越滚动前进。粘性泥石流为非牛顿体流动，其显著特征是发生“铺床”现象和间歇性的阵流。由于流速快，惯性大，在流经弯道处凹岸有显著的超高现象。由于细颗粒对层移运动所起的减阻作用，粘性泥石流可以在较小的比降下形成。粘性泥石流与层移质运动的区别在于前者还含有大量的粘性颗粒，后者是指无粘粗颗粒的层移运动，粘性泥石流中存在层移质运动。

高含沙水流的运动方式和特点

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