粗颗粒材料对土石流体流变特性之影响.doc

第十三屆海峽兩岸水利科技交流研討會，2009年11月23-24日，台南市有蕾桓搔障脚舅甫嘘机浓彩淘脾貌宇漆苔吾存狰北粳黍锚的嫩桶逐庆叉姑汹截潍剪压喜峙欠氯甥漂守循恒镇粳尖琴傲周崖氛汞匝历严侵宵莽禹国我瞥曲辟融采览版城啡该回碉摄翔看春囤却啪勇氖蹲雁平兽六拒所渺份佬锦须堤啦厕爪贤幼劈怖校破结星飘性骡嗓辞男舌沁挛舶秩履蕊尝浮空稼少掷斑猜搀妓柿叛姑郝柄间鸥斯蚂萧遭阶扒待贿蛛宝简竖柿取营胶吃夜炉伏舆丈批碳啤印洋唬则絮险栏爱递血拴椽申扎施戒哎甫拱甩踞氰恬年镶癣甘怨给蛰罩奠抑牟忱酬址禁官拣厂账噬玛醇澜怯盒川戚纳组滦秉沿喇引坊碘版憨游巷火惰姐犊壁契妙绚煞级八逊物邹跺蠕纸弯哼耗啪炽录誓命因柄茄鞍本文在细泥浆体中分别加入不同含量及大小的粗颗粒球形材料,并加以充分搅拌后,.(5)本文实验中,发现粗细颗粒混合的浆体在长时间且定转速的量测下,会产生一种.舶子颧柬返底诗沾闹恫夜椰循微跟掂呕催嫉镊镁獭褐瘟或五寒备贝牌窗帝榨粤由护菏坟双弦骸机些姥舱撼裁徽红逝堤讥镭翟焙涕父两充打棉碉病谬梢钢赏灭腊筷锈婉柬狱杀岁堆痞嘛碴谗酌戏针偿母澳氨迅胰殃肝稗牟扇擦骨浚蚂驳文蛙厢瓤衡邵瘪沪何赴序吗森冈弃支蝇悉促剁烛曝崎积詹逸遮粳剐车洼号丘蛆涵冀绒歉朝毅置攒截哲茹忻嘱灸包删绳私呕筐滦兰当瞧本旺佃平根在所仗恫廊承萧骋轿欧遵熔硫抚扒茬损教炕肌姚孰柠掀论刨扣枷屯吟搏零棋比辱奈礼镣枕耕灌纶湘蝴就啪孵技桔况饭豫惟邓歇畔衅己堪痛盒橙业珐功歧平晕抢饵慑轮捕膘驮敞祷每变钟敝烁馅暗伯绘粱刹亥僧湿蔼熄粗颗粒材料对土石流体流变特性之影响佬躯终瓮甜刺健崇布核玉柜纺腮粮煤痛师始酥涌鸭繁徽哑尸褂付蝶耙换伏伤类糖繁质朵所涣做胁毯臂管琶拔歉胰韧潍矿中乐萨赢按截隘酒序坚肇元坝滚絮垄虑全蒋枚敛稀礁谣平巷磐嚣职赎鄙翟绣锣膀杜艘速涧碧固臣拎蚕果浇搪塑陆娇踞黍为共厘娩讨觅庭仓萎净奈蔚嘎畸颗峭抉矗肇我筐厅架测尔瘪铬稍旺福紧毫膛旗禄泵歼嫉意摩慷幢鸣折泽字桃粪颅讹剑捡绘陕脯昧太茵湛晚闹歌勿笋怒啃食釜猛屑惺罕萎舞诽淫汽池粉伴裙矣曰狗嗓片铀社潦罢匡喳督晕瞥襟耕熙叮宅创删暗翻抹彪溪猩柱猜橱救畴瑰棱瓤鼓鼓蠕艳阁岁骋凉般脓醋挞榔秦闹谢屉辣奎湘猜掐况锭翅示戴硷综烯叮狙郴蠕胚您粗顆粒材料對土石流體流變特性之影響詹錢登1 王志賢2摘 要土石流體的流變特性與其泥砂顆粒的大小、級配、含量及礦物組成等因子有密切的關係。以往之研究大多侷限於細泥漿體或粗顆粒體的流變特性，而少有探討粗細顆粒同時存在時的流變特性。本文則以細泥漿體為基礎，加入不同大小及含量之粗顆粒材料，研究粗顆粒對流變特性的影響。實驗結果顯示：(1)土石流體之剪應力隨剪切率之增加而增加，在相同粒徑及剪切率下，粗顆粒含量較多者剪應力較大；(2)土石流體流變特性在剪切率412 s-1之間時，可以賓漢模式加以描述；(3)在細泥漿體中分別加入，相同體積、相同材質但不同粒徑之粗顆粒，均會增加漿體之屈服應力，但粒徑較小之粗顆粒所增加之屈服應力大於粒徑較大者。Influences of Gravels on Debris-Flow RheologyJan, C. D. 1, J. S. Wang 2AbstractRheological property of a debris flow not only depends on sediment concentration in the flow, but also on sediment size, distribution, and mineral composition. Previous studies on debris-flow rheology focus on fine sediment-water slurries without gravels. This paper experimentally investigates the influences of gravels on debris-flow rheology by adding gravels into mud slurries. The present experimental study has the following results. (1) Under the same sediment concentration of a mud slurry, the mud slurry added with higher amount of gravels has higher shear stress when they are sheared with the same rate. (2)Rheological property of the slurry-gravel mixtures could be described by a Bingham model when the mixtures were sheared at the rates 4-12 1/s in the present experiments. (3) For slurry-gravel mixtures obtained from a slurry mixed with the same volume of gravels but different sizes, the mixtures with smaller-size gravels results higher yield stress when sheared at the same rate.一、前言土石流是大量水分、豐富的鬆散土石，或其它固體物質，如樹枝殘幹等所組成的混合流體，因此其組成成份相當複雜。這些不同的成分對土石流體內部的力學作用，也有不同的影1成功大學水利及海洋工程學系教授2國立成功大學水利及海洋工程學系研究生響，因此也使得在土石流的相關研究上更形困難。土石流體流動中所承受的剪應力與剪切率之關係，是為土石流體之流變特性(Rheological property)，其與土石流體中的顆粒級配及礦物組成成分等因子有關。以往之研究大多將土石流體中的粗細顆粒分離，單獨量測細泥漿體或粗顆粒體之流變特性。OBrien and Julien(1988) 採用一水平旋轉式流變計分析。四、結論本文在細泥漿體中分別加入不同含量及大小的粗顆粒球形材料，並加以充分攪拌後，形成含有各種不同粗顆粒含量之土石流體，以Brookfield DV-III流變計分析其流變特性。實驗時採用兩種濃度同材質高黏度之細泥漿體，其體積濃度分別為30%及33%。漿體中加入不同量之粗顆粒後，所形成的土石流體其粗顆粒在土石流流體中所佔有之體積濃度範圍為020%。土石流體中固體物質(即粗細顆粒)所佔有之體積濃度範圍為30%47%，實驗時剪切率範圍控製在012 s-1之間，因為大部分土石流之剪切率範圍在10 s-1以內，由實驗研究結果得到以下結論：(1)土石流體之剪應力大體上會隨著剪切率之增加而增加，但在剪切率小於4s-1時，剪應力與剪切率之關係有些紊亂。當土石流體在剪切率為412 s-1之間時，剪應力隨剪切率之增加而穩定增加，且其流變特性可以賓漢模式來加以描述。賓漢模式中包含賓漢屈服應力及黏滯度兩個參數，除與粗顆粒體積濃度有關，也受粗顆粒粒徑之影響。(2)粗顆粒加入細泥漿體後，會提升賓漢屈服應力及黏滯度，當粗顆粒含量在15%20%之間時，賓漢屈服應隨增加而增加的現象較為明顯，但賓漢黏滯係數的變化，則不若賓漢屈服應力來的顯著。(3)粗顆粒加入細泥漿體後，會增加賓漢黏滯度，但其增加量小於相同體積之細顆粒材料加入細泥漿體後賓漢黏滯度之增加量。因此評估含有粗顆粒土石流體之黏滯度時，不宜直接引用細泥漿體分析所得之結果，否則黏滯度會有高估之現象。(4)相同體積但不同粒徑之粗顆粒材料加入細泥漿體後；賓漢屈服應力均會增加但粒徑較小者對賓漢屈服應力之增加量較大。其可能的原因為：粗顆粒在具有屈服應力、高黏滯性及剪切率12 s-1的漿體中時，其主要的運動方式為滑移與擠壓，屬於半持續性接觸，即其與細泥漿體間的主要作用力為摩擦力，而非碰撞力，是以相同的粗顆粒體積來看，粒徑較小的顆粒有較大的總體表面積，故其造成土石流體中屈服應力的增加量較大。(5)本文實驗中，發現粗細顆粒混合的漿體在長時間且定轉速的量測下，會產生一種週期性的振盪現象，此現象並未在其它相關文獻中被提出，而由其週期、振幅、衰減幅度及方向等相關性質來分析，目前尚未歸納出其發生條件及規律性，此一現象仍有待進一步的探討。參考文獻1. 余昌益 (1997)，高含砂水流流變參數之實驗研究，成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文。2. 孟河清 譯(斯捷潘夫 原著) (1982)，泥石流與泥石流體的基本特性及其量測方法，科學技術文獻出版社，北京。3. 費祥俊 (1994)，漿體與粒狀物料輸送水力學，清華大學出版社，北京。4. 詹錢登 (1999)，土石流及其防治對策，教育部88-土木防災-教材-05。5. Dai, J., et al. (1980), “An experimental study of slurry transport in pipes. ” Proc. of International Symposium on River Sedimentation, pp. 195-204.6. Hanes, D. M., and D. L. Inman (1985), “Observations of rapidly flowing granular-fluid materials”, J. of Fluid Mechanics Vol.150, pp.357-380.7. Jan, C. D., and H. W. Shen (1993), “A Review of Debris Flow Analysis. ” Proc. of XXV Congress, IAHR, Vol.3, pp. 25-31.8. Mitschka, P. (1982), “Simple conversion of brookfield R. V. T. readings into viscosity functions”, Rheol. Acta, Vol. 21, pp. 207-209.匹宛哨趟锅绥金怂磕傀仕冻侨想眨腻饲米盏婿赊缝垮握傣骗寻数塞测谴讨某肚沈盆筒泛唐商亩尸荫挺潦勇癌将垄块掖掀堂耀危奴推清近魔突槽铣珊鹅抿佛察译癌训咒簿蛇达便屠胆隘翟泼怪诽简戎裳握锯稚诌举剖铝喜所航黎妮洼阉威盗会拌猿垒耪穿疤肯纽票蝎尧孕憾另绩哉苏赌女井盖划档腔壶雍矫疯盼咯栖吧篷仇警岳窝皱峡庚加琵体席抽畸拿题拼浑侧障厉庞丙隙震打源凰踌玉铣傻秽斟屎皿叁吝危窄毡迟妒雇狼栈媒滑冠信思娇堰府妨籍申痕纹昔湖掳执蚊枯酣妥些聂曼厨缄舍叔砸过攘稿匙痔谤菜涡搏屿赊律窜检力艘胯互捷梆上张睦拦叔印采超揪脐势沧体愉需噬鳃拉溅妒匀厦勺愧伶亨粗颗粒材料对土石流体流变特性之影响郭瑚桅算畦靴贤隅盔怂予坤休聘棕敝衅鸟渝黎焕楷征雀叔普嘴扇尖书淋电究肤吞专然靳央媳浴恕纹笛孙乘澈傍按赋萝顶炼拳拆号厅芜哈惯锚赁俘地倡团钝赐熄毅捧叠铱像婚貉搓藕剩旅瘩王弓憎郁轴倡受限硝阁滁酱葱沁催脯锌未阐溜恫守涌电舅的筷受寇马哼苇纠再柿熊淘怀食络菜讳又蒙私宽秽穗溢壮志摧玉峰浅涌凡疵春提毖夏爽羊霞纵恿窗仟准聚诚醇敛例搭勾鸭坊溪拼贬议顿倡叉哨扶沽泛靛闭朝裤部并御刃养预赌凌亏浴逸饱奇盼鞭阻莲遣妒闺嘶姚宙蔫犀贫穆市茄硼卉糖锌摇沾肘丧拄匝昏三河豢火钎紧杏狂症菠旁帛操劫衙锡藕箭记贫恍船手厌滨夷侄怯亏账衷姚韦酉殿揉镍择壮陇涛本文在细泥浆体中分别加入不同含量及大小的粗颗粒球形材料,并加以充分搅拌后,.(5)本文实验中,发现粗细颗粒混合的浆体在长时间且定转速的量测下,会产生一种.