黄河中游高含沙水流的流变特性

黄河中游高含沙水流的流变特性

黄河的沙子含量是世界的冠层。黄河的泥沙主要来自中游多沙粗沙区。高含沙水流能使水库淤废、河道堵塞、产生“浆河”,这些都是人们所熟知的。但高含沙水流却又可产生“揭河底”使河床冲刷,加大输沙能力,使泥沙长距离输送、渠道不淤。对于高含沙水流的这一特异现象,用一般挟沙水流的理论都难以解释。因为,它们不属同一种流型,即使是同一种流型的高含沙水流,其流变特性和流变参数受不同因素的影响也是复杂的。因此,进行流型区分、确定流变参数、分析流变特性,对认识高含沙水流运行机理和形成规律乃是有效的方法。在目前情况下进行此项实验研究工作,不仅可以解决生产上提出的一些实际问题,也可以为进一步的理论分析积累资料。随着西部大开发的深入及区域社会经济的发展,对黄河治理开发也提出了新的要求,因此,此项工作也是非常必要的。1情况介绍1.1含沙量大、颗粒粗黄河中游的多沙粗沙区土质松散,夏季多暴雨,加之植被较差,水土流失严重,使得一些支流经常出现含沙量大于1000kg/m3的高含沙洪水,如窟野河温家川1958年7月10日实测最大含沙量达1700kg/m3。含沙量大、颗粒粗是黄河中游特别是河～龙区间河流的显著特点。如乌兰木伦河的王道恒塔站一次峰顶沙样的颗粒分析,大于0.5mm的泥沙占88%,最大粒径为1.0～2.0mm;矿物成分为石英、长石、云母、绿泥石等组成,这些矿物成份组成的泥沙比重可达2.78g/cm3,超过常用泥沙密度2.65g/cm3的5%。在30个实验站中,最大含沙量超过900kg/m3的24站,占86%。泥沙中值粒径大于0.04mm的约占65%。黄河中游的产沙粒径自南向北逐渐变粗,如大宁站平均中值粒径为0.0305mm、黄甫站为0.06mm,而乌兰木伦河的王道恒塔则粗到0.2mm以上,说明试验资料大部分取源于黄河中游的多沙粗沙区。1.2非牛顿体的流变参数通常把流体切应力和切变速率之间的变化规律称为流体的流变特性。切应力和切变速率之间的关系符合牛顿定律的流体称为牛顿体,其流变方程为:τ=μdudy(1)τ=μdudy(1)式中:τ、dudydudy——分别为y处的切应力和切变速率,μ——粘滞系数。这种流体的流变曲线为通过零点的一条直线。切应力与切变速率之间的关系不符合牛顿定律的称为非牛顿体。在水沙悬浮液中常见的有:宾汉体和伪塑性体。由管流总流量方程Q=∫R0πud(r2)Q=∫0Rπud(r2)经分部积分和整理得到适用于任何性质流体的关系式。Q=∫τw0πR3τ2f(τ)/τ3wdτQ=∫0τwπR3τ2f(τ)/τw3dτ根据牛顿内磨擦定理,代入dudr=−f(τ)‚f(τ)=τμQ=∫τw0πR3τ3wτ2τμdτ=πR3τ3w∫τw0τ3μdτ=πR3τw4μ(2)dudr=-f(τ)‚f(τ)=τμQ=∫0τwπR3τw3τ2τμdτ=πR3τw3∫0τwτ3μdτ=πR3τw4μ(2)因管道平均流速V=QπR2=Rτw4μV=QπR2=Rτw4μ,(管内半径R与直径D之间有关系R=D2)R=D2),则τw=μ8VDτw=μ8VD。由此可见,对于牛顿流体,在层流中只要知道管壁切应力(τw),管径及管中平均流速,就可得到牛顿流变参数。同样由管流总流量方程,还可得到伪塑性的流变方程和宾汉体流变方程。1.3流速的变化由上可知,只要测验管壁切应力τw及管中平均流速就可点绘流变曲线确定流体的类型及相应的流变参数。测定流变参数的仪器很多,本实验主要采用黄委会水科院研制的加压式毛细竖管流变仪。1.4不同等级含沙量浑水的预处理80年代初曾先后在黄河中游25条河30个站点取样试验。取样方法为:含沙量超过300kg/m3以上的洪峰,在峰顶、峰腰各取一次混合,澄清晒干后配置成不同等级含沙量的浑水进行试验。试验时先用天然试样进行,然后用同一试样配制成不同等级的含沙量试样进行试验,对所有试验资料都进行了初步整编。2流量特征和流量参数2.1临界含沙量的区域差异浑水在含沙量比较低时为牛顿体,粘滞系数随含沙量的升高而增大,如果含沙量增加到一定的程度时,浑水则由牛顿体转变为非牛顿体。试验结果表明,黄河中游多沙粗沙河流高含沙水流一般为宾汉体,在个别泥沙比较粗的测站也出现过具有极限切变力的膨胀体。对非牛顿流体的含沙水流一般定义为高含沙水流。从牛顿体转变为宾汉体的临界含沙量在地区分布上变化比较大。从17个站τwo(τwo为管壁起始切应力)接近于零时(τwo≤0.02)的临界含沙量可以看出:无定河以南在含沙量低于100kg/m3,三川河、佳芦河以北含沙量低于500kg/m3的浑水大都属于牛顿体。也就是说,低于此含沙量的浑水在该地区形不成高含沙水流。由以上资料还可以看出,这个临界含沙量不单单是泥沙粒径的函数,在泥沙粒径相近的条件下,北部河流的临界含沙量远大于南部。这一方面是因为泥沙的中值粒径不能很好地反映颗粒级配情况,另一方面可能是因为从南向北泥沙的矿物成份、表面积、颗粒形状以及水质等不同的缘故。2.2bsv的关系宾汉体的主要流变参数是极限切应力τb和刚度系数η。度系数Z。浑水中的细颗粒泥沙由于物理化学作用的结果产生絮凝团,当絮凝团不断增多互相联接起来形成网状结构。浑水开始流动克服这网状结构所产生的力即极限切应力。影响极限切应力的主要因素有含沙量,泥沙的颗粒级配和细泥(d<0.01mm)的含量以及水质。秦安、甘谷、武山、青阳岔等站τb与Sv(体积比含沙量)的关系可以看出τb随含沙量增加而增大;并从缓变区(τb随Sv变化缓慢)过渡到急变区(τb随Sv变化急剧),而且受粒径的影响比较明显。τb与Sv在双对数坐标中为曲线,急变区和缓变区若近似地简化为两条直线,即可以得到两直线交点处的含沙量和τb。从泾河巴家嘴、姚新庄、庆阳、贾桥、泾川五个站和渭河南河川、天水、甘谷、秦安、武山五个站的τb～Sv关系,可以得到:泾河区由缓变区过渡到急变区的含沙量为675kg/m3,渭河区为486kg/m3。这说明,进入急变区的含沙量渭河较泾河小,或者说同等含沙量渭河先于泾河进入急变区。点绘各站τb～Sv的关系,点群较散乱,粒径与地区的影响也不太明显,如果分为四个区域,即可得到四组较好的τb～Sv关系线,并且可以用半对数公式来表示,即τb=eASv-B×10-3,不同地区的系数列表1。从表1中可看出,各区在折线的前段,A值随区域变化而递减。A值大者,说明同等含沙量先进入急变区(如前所述)。折线的后段,A值较接近,这说明进入急变区(即含沙量超过某一浓度后),A值在各区的变化是不大的。2.3高含沙水流细颗粒泥沙含量与含沙量的关系低τb区水流,即开始改变流变性质时的水流。细颗粒(d<0.01mm)泥沙含量的多少,对浑水流型的改变有着很大的影响。把0<τb≤0.02(g/cm2)时的水流定为开始改变流变性质的水流(见图1),点绘了中游部分站τb与含沙量及细颗粒泥沙含量的关系,可看出高含沙水流时,含沙量与细颗粒泥沙含量呈反比关系,它清楚地表示,浑水水流在改变流变性质时,细颗粒泥沙含量愈大,进入高含沙水流时的含沙量就愈小;反之,当含沙量愈大,改变流型时要求细颗粒泥沙含量相应就愈小。如细颗粒泥沙含量占30%时,含沙量为250kg/m3的水流即为高含水流,细颗粒泥沙含量占15%时,含沙量为580kg/m3的水流才为高含沙水流。图2为皇甫川τb～Sv(%)关系,曲线回归方程为τb=3.68(48.26-Sv)-2.034,可以看出当含沙浓度等于48.26(%)时,τb趋于无穷大,此时的含沙量达到极限。3不同颗粒级配的混合沙过程诺斯克依对于不均匀混合沙的刚度系数提出关系式:K=1+0.14∑i=1n(Δρi/d1/2i)(4)Κ=1+0.14∑i=1n(Δρi/di1/2)(4)进一步考虑了颗粒大小及组成这个因素。费祥俊1981年用十一种不同颗粒级配的混合沙进行试验,认为公式(3)中K值不是常数,在其试验的范围内,K值随着浑水体积浓度的增加而减少,当浑水体积浓度很大时,K值减少越来越慢终于保持不变,此时的含沙浓度即为相应颗粒级配的极限浓度。根据各站的实验结果,按公式(3)计算各站不同浓度下的值,所得结果和费祥俊的基本一致,在相同含沙量的条件下,d50愈大则K值愈小,在泥沙颗粒级配固定的条件下,K值随Sv的增大而减小,最终趋近一个固定值。同时还可以看出,不同浓度、粒径的浑水,其K值趋近常数时的含沙量也不同,颗粒级配愈粗,趋近常数的K值越大,反之亦然。4天然试样与天然试样的点群关系由于来水来沙的地区不同,其浑水的流变特性一般也不相同,一次洪水中取得的试样配制成的不同含沙量与天然形成的含沙量明显有着颗粒级配组成的差异和水质的不同,如用配制试样代替天然试样对水流的流变特性将会产生多大影响呢?为验证所取资料的代表性,分别点绘了蒲河姚新庄、黄甫川黄甫站天然试样与自来水配制试样τb～Sv、ηγ～Sv关系,从两站的τb～Sv关系来看,点群关系较好,自来水配制试样的点子全落在天然试样点群之中。从ηγ～Sv的关系来看,姚新庄站的配制试样点子亦落在天然试样之中,黄甫站的配制试样在Sv较低时点群趋势稍有偏离。通过以上资料对比可以说明,虽然水质、颗粒级配等因素的差别对浑水流变参数有一定的影响,但在同一河流中反映并不明显,也就是说,用自来水配制的试样与同一河流中的天然试样作流变试验差异并不大,因此可认为,配制试样可以近似地代