水流作用下的泥沙起动规律分析

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：由于切应力τ=，因而由式可写出泥沙起动切应力公式如

10.1.1.1　泥沙颗粒受力分析

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。泥沙颗粒并不是球体，颗粒愈细偏离愈大，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

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。

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

式中:uΔ为作用于床面颗粒的瞬时流速;λx和λy分别为推力和上举力的阻力系数，其值除与颗粒形状有关外，还与由粒径形成的底部糙率高度有关，并与其成反比。依据试验资料可取

其中，αx和αy为系数，d*=10mm，d 的取值为

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，称为粘结力。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，颗粒间的间距就愈小，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，其压力传递不符合Basker定律，因而在两颗粒接触面积上受到上边水柱压力的作用，即附加静水压力。水柱对床面泥沙颗粒的附加静水压力Fδ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。

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和附加静水压力Fδ。

10.1.1.2　起动公式

床面泥沙颗粒的失稳条件为

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和附加静水压力Fδ。

10.1.1.2　起动公式

床面泥沙颗粒的失稳条件为

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。将前述各力代入式(10-8)，并将系数合并后可得瞬时起动流速uΔc为

式中:α1、α2、α3为综合系数。

根据试验资料可取α1=1.27，α2=3.6，α3ε=ε0。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。由试验资料可知，对于一般泥沙ε0=1.75cm3/s2，对于粘土最大可达17.5cm3/s2，对于电木粉ε0=0.15cm3/s2，对于塑料沙ε0=0.1cm3/s2。式中的薄膜水厚度参数δ=2.31×10-5cm (相当于770个水分子厚度)。