细颗粒泥沙絮凝沉降试验用直床直床直床设计

细颗粒泥沙絮凝沉降试验用直床直床直床设计

长江河口的悬浮沉积物不仅体积很大，而且颗粒也非常详细。经过多年的测试，结果，超过32m的沉积物达到90%以上，平均平均直径仅为8.6m。更重要的是，这部分沉积物的表面负荷超过了总沉积物的92%。在碱性楔形活动范围内，当海水充满阳离子时，会发生沉淀，从而稳定沉淀。由于条件的限制，以往的细粘土沉淀试验通常采用单向或双向环水槽。在最初的美国研究机构中，环水槽的占地面积小，试验水、沙和盐的使用小。为了实现稳定沉降，学习时间间隔变长，即通过无限延长试验时间来实现。换句话说，时间尺度转化为长度测量的功能，砂、砂、砾石模的作用并不是同时生成稳定输沙。然而，对于环形水槽，尤其是环形水槽，最大的问题是径向副流的影响，水流结构与均匀流之间存在一定的差异。在某种程度上，双环形水槽可以消除上述影响，但调整过程中的程序非常复杂，而且很难样品。为了研究不同水温和不同速度条件下河流河口细粘土沉降的特性，并克服环形井的上述不足，作者开发了一种返回直形井。从46.2m长、0.2m宽、0.4m高的7个直槽和0.4m半径的6个半圆连接，全长39.3m，开发了一套盐沙装置和供水控制系统，以满足试验要求。1加沙盐水系统试验设计折返式水槽结构总图见图1～3,水槽的照片见图4,它由六部分组成,即供水回水系统、进水段、出水段以及加沙加盐系统,水槽设计试验流速为6、15、30、40cm/s.1.1回水段设置供水系统使用设在泵房的4台水泵(1台40kW、3台30kW)、平水塔(6.0m水头,稳定流总溢流量为202m3/h)及分别接引40cm和45cm两根配水管组成,供水槽试验用水.回水系统由原设在试验厅地下、尺度为1.5m×0.8m×0.5m回水槽连接地下水库组成,承接回水段出水.根据原配水管的设置,进口段设有上下两个水池,承接供水系统的入流量,经下水池(长1.0m,宽1.0m、高1.5m)稳压后进入长为3m、宽0.20m、高0.76m的进口段,进口段中设有跌水、稳压板、逆坡等消能装置,并设有矩形薄壁堰,根据堰上水头控制试验进口流量.矩形薄壁堰设置为自由出流,对于无侧收缩的流量常用下式计算:Q=m0B2g−−√H32Q=m0B2gΗ32.(1)式中:H为堰上水头,m0为包含行近流速影响在内的薄壁堰流量系数,m0可用雷保克(Robock)的经验公式计算,m0=0.4034+0.0534Hα+11610−4.5,m0=0.4034+0.0534Ηα+11610-4.5,当α=0.40m时其结果如表1所示.1.2平板玻璃板内流态设计试验段由长46.2m,宽0.20m,高0.76m的7道直槽和直径为0.40m的6个半圆形弯道组成.总长度为339.3m.边壁和底板均由5mm厚的平板玻璃构成,接缝处用玻璃胶黏结.水槽中的水流运动是在重力作用下形成的,根据水槽几何特性、槽首入流及槽末出流条件,可有均匀流及非均匀流两种流态.明渠恒定均匀流是本水槽结构设计的基本依据,也是水槽试验的基础,只有在正坡、棱柱体、糙率不变的长直明渠中才能产生均匀流,本水槽设计时,充分考虑了这些条件.1.2.1槽内断化设计根据本次试验要求,上限流量Q=0.03m3/s(v=0.6m/s),而试验常用流量约在0.0025～0.0200m3/s(v=0.05～0.40m/s),故设计底坡时取设计流量Q=0.015m3/s(v=0.30m/s),槽中水深h0=0.25m、底宽b=0.20m进行设计.根据已知h0及b值求出断面要素:过水断面面积为A0=bh0=0.05m2;(2)湿周为x0=b+2h0=0.7m;(3)水力半径为R0=A0/x0=0.07m;(4)选择n=0.01,则谢才系数为C0=1nR160=64.2m12/sC0=1nR160=64.2m12/s.(5)根据设计条件计算出的理论底坡为i=Q2/(C2002A2002R0)=0.0003.(6)1.2.2局部东南角验算由折返式直水槽结构可知,当水流经过连接两直槽的弯道部位时,将会产生局部水头损失,损失与流速平方成正比,考虑到安徽大通至入海口的长江河口天然坡度为0.0004,施工时实际底坡定为0.0004,即每道水槽首尾高度差为2cm,全槽首尾高度差为14cm.1.2.3匝道排水效果分析当水流通过连接直槽的弯道时,因离心力作用,凹岸水位高,凸岸水位低,形成横向面坡度,即弯道断面两边产生水位差Δh,并引起横向环流,Δh和v2成正比,故当试验流速较高时,弯道影响更为显著.由图5可见,当水流以0.2～0.3m/s速度从1道直槽经过弯道进入2道时,2道水槽中距弯道末端50cm和20cm处测出的流速垂线分布发生了明显的变形.如果用导流装置把弯道隔成均匀的m个弯道,从凸岸向凹岸方向第n个窄弯道左右岸水位差Δhn为Δhn=v¯2g[R0mb+(n−12)]−1Δhn=v¯2g[R0mb+(n-12)]-1.(7)由式(7)可知,弯道处隔成窄道的个数m越多,各窄道左右岸水位差就越小.据此,本槽弯道采用厚0.6mm,高0.5m不锈钢导流板把弯道分割成3个窄弯道,其水流情况如图5所示.由图可见,当水流以导流前同等流速从1道经弯道进入2道直槽时,2道水槽中距弯道末端50cm及20cm处测点垂线流速分布与1道水槽同距测点处极为相似,明显地减小了横向环流的作用,基本上消除了弯道对水流结构的影响.1.2.4升降机构设计工作段的末端,安置一下方具有锐缘薄壁的闸门,它与槽壁配合紧密,用一专门的升降机构(见图4)控制闸门的起闭,从而改变闸门的开启高度,达到调节试验水深的目的.升降机构用直流伺服电机控制、并配有专门的控制系统.1.3最大流量设计在处理工艺法上的比降闸门以下尺度为高0.76m、宽0.2m的出水段,其比降略大于试验段,出口处为低于地面以下约0.8m的水池.在率定流量时,用以存放量水容器.1.4系统的组成及原理加沙和加盐系统分别为两个独立的系统,它们是各由置于地面容积为1m3玻璃水池以及置于距地面以上约2m高处,容积为0.4m3塑料桶、水泵、进水管、出水管、阀门及溢流管等组成,见图1.系统采用潜水泵自循环系统以解决泥浆池泥沙的均匀悬浮问题,用精密阀门控制加入泥浆的流量,并利用光电测沙仪直接监测进口段的起始含沙量,盐度的控制则用精密阀门加流量计,以控制加入盐水的流量.1.5温度对系统.由于水槽总长度L有339.3m,试验流量达0.02m3/s,对水槽水温进行人为控制投资较大,所以不同水温下的试验采取在不同季节的环境温度下进行.2实验设计及观测点布置为了解试验段水流结构,从以下几方面进行实验观测:测定纵比降、测定试验段沿程流速分布及稳定性试验等.水深、流速观测点分布断面如图2所示.2.1过流和过流流量根据矩形明渠均匀流计算公式的一般关系:Q=f(i,n,A,h0).(8)式中共有4个变量,其中i、n、A已由水槽结构所定,当h0即正常水深由试验条件给定时(h0=0.25m),据式(8),Q是唯一的.该流量即为均匀流流量,可由调试确定.方法是对每一施放的入流量,经若干时间稳定后,开启尾门高度,调节水深,当各测深点上的水深稳定且沿程不变均为0.25m时,所对应的入流量即为均匀流流量Q.Q可根据量水堰上的测针读数查图求得,经反复试验,本水槽均匀流流量约为0.015m3/s,与其对应的垂线平均流速约为0.30m/s.此时,各测深点上水面连线即为纵比降(图5中的×……×线).由图6可见,水槽底坡线Ji与水面线Jp相互平行,即它们的坡度相等,这是明渠均匀流的一个重要标志.2.2均方差和流速沿程分布入流量按经率定的均匀流流量(Q=0.015m3/s)施放,调节尾门开启高度,沿程水深控制在试验水深h0=0.25m,待水流稳定后,用旋桨式光电流速仪测定流速,测流断面及测点的布设如图2所示,采用六点法(0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)测量,受流速仪探头尺寸的影响,表层和底层流速为水面下1cm处、槽底以上1cm处的流速,为减少流速仪测量误差,每测点测两次,取其平均值,其典型结果如图7所示,其误差如表2所示.由表2可知当略去近弯道处1-1、8-8断面上的测流资料后,各层流速平均误差e为0.82cm/s,均方差σ为1.12cm/s.计算结果表明,槽中流速沿程变化甚微,流速沿程分布符合明渠均匀流特征.以上调试证明,试验段水流基本上可以认为是均匀流.根据本次试验要求,要进行不同流速条件(0.06、0.16、0.30、0.40cm/s)下的动水沉降试验,因此试验流量应随试验流速的不同而改变,由式(8)知,当水槽的i、n、A及h0一定时,相应的均匀流流量Q是唯一的,上述调试也表明,与本水槽实际底坡4/10000相应的均匀流流量为0.015m3/s(v=0.30m/s).根据试验的要求,当水槽的n、A及h0一定,试验流量改变时,底坡亦应作相应的调整,槽内才能产生相应的均匀流.这点对于变坡水槽来说,是容易做到的,但对于具有定底坡的本水槽来说有一定难度.为在定底坡水槽不同流量条件下,使水流基本达到均匀流状态,笔者采取在闸门前构筑临时潜坝,并假定坝顶和试验段首部槽底之连线以下水位作死水处理,达到改变坡度的目的.当试验流速分别为12cm/s和9cm/s时,从试验段首部槽底至潜坝高差分别为2cm和5cm,相应比降分别为0.6/10000和1.5/10000,测得的纵比降见图6,沿程流速分布见图8,由图可知,除40cm/s组流速沿程变化略大外,其余三组流速沿程变化甚小,水流基本上符合均匀流状态.40cm/s这一组流速有明显的沿程增加的特点,这主要是由于本水槽不是变坡水槽,设计4/10000的底坡最佳的流速大约在30cm/s左右,在流速较小时可采用闸门前筑潜坝的方式;而流速大时,为增加试验段流速在水槽前段必定会产生涌水使水位抬高,从而使前段流速变小,在水槽后段,由于水位降低,流速增加,结果造成如图8所示分布(40cm/s组).2.3不同日期进行试验稳定性试验是在同一次试验中不同时刻测定各点流速,以及在不同日期进行试验,测定各点流速,并进行比较,结果如表3.由表可知,在同样试验条件下,不同时间所测得的流速相对变化量小于6%,它表明该水槽重现性好,稳定性高.3定底坡培育细颗粒泥沙动水沉速试验(1)具有定底坡的折返式直水槽构思新颖,水流基本符合均匀流特性,且具有占地面积小、长度长、重现性好、稳定性高等特点,它可作为研究细颗粒泥沙沉降、输移、启动等有效的实验设备.(2)在正常水深h0=0.25m时,本水槽相应的设计流量为0.016m3/s.当试验流量大于或小于设计流量时,如h0维持不变,则底坡应作相应调整,水槽内的水流才能形成均匀流.本试验在低流速时,经采取闸前构筑潜坝措施后,水流条件基本符合试验要求.但流速较高时(40cm/s),仍会出现沿程流速增加的趋势,这是定底坡水槽所决定的.(3)折返式水槽连接相邻直水槽的弯道段具有弯道特性,在弯道处设置了导流板等措施,明显减小了横向环流的作用,使近弯道处的水流结构大为改善,但弯道引起水