1、人民長江YangtzeRiver文童編號：1001-4179(2016)16-0092-03細顆粒原狀土起動流速試驗研究周娘微，鳥洪安'2,昧火可心，刻誠容,玉歧郵1,2（1.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京210098；2.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇南景210098）摘要：為了得到更為客觀科學的泥沙基本活動規律，利用有壓矩形管進行了結顆粒泥沙起動試臉。試驗結果表明，管內水壓力對細顆粒泥沙的起動有重要影響，水壓力越大，管中泥沙起動斷而平均流速和起動切應力越大。根據有壓矩形管的水流分布特牲和水壓特點，將矩形管中水流轉換為普通明渠水流，轉換得到的明渠中泥沙起動垂線

2、平均流速與試驗矩形管中泥沙起動斷面平均流速基本相同，驗證了利用有壓矩形管進行細顆粒泥沙起動流速試驗的可行性和代表性。在試檢矩形管與實際明渠的泥沙起動流速轉換過程中，并未考慮不同水柱高度下曼寧槌率系數的變化，這方面還有待進一步研完。收fll日期：20I6-04-21.基金項目：國家自然科學基金資助項目（51509080）作者簡介：周雅.男，碩士研完生.研究方向為波浪與建筑物相互作用。E-mail：867652593關鍵詞：矩形管；泥沙起動；如顆粒；原狀上中圖法分類號：TV149文獻標志碼：A1研究背景隨著我國海岸帶資源的不斷開發，越來越多的工程在施工過程中遇到與細顆粒泥沙起動特性有關的問題。以往

3、對泥沙基本運動規律進行試驗研究時，采用的試驗裝置主要是普通明渠水槽和環形水槽，'2,o細顆粒泥沙往往帶有黏性，臨界起動條件很強，普通明渠水槽和環形水槽中無法達到試驗所需的起動流速和起動切應力，因此部分專家學者設計了有壓矩形管來進行細顆粒泥沙的起動試驗。時連強以2004年4月在工程位置處取得的一個30m沉積物柱狀樣為例，運用矩形管研究了黃河三角洲潮灘原狀沉積物臨界起動切應力與含水率、中值粒徑等物理指標之間的關系；張強根據矩形管中試驗資料，結合力學特性確定了影響人工填筑黏性土起動沖刷的主要因素，根據試驗結果分析人工填筑黏性土起動切應力與各影響因素之間的對應關系，并提出了量綱和諧的起動切應力

4、公式41；蔣磊選加通過篩分和沉降分選處理得到的黏性泥沙在矩形管中進行起動試驗，發現黏性泥沙往往以成團的方式起動，且黏性泥沙成團運動服從于一般泥沙的狀態轉移規律。DOI：10.16232/ki.1001-4179.2016.16.020綜合前人研究成果可以看出，在矩形管中進行試驗可以滿足細顆粒泥沙的起動流速要求旦便于設置沙樣，但要對矩形管中試驗資料進行分析，就必須要先解決矩形管中試臆結果的代表性問題，而這方面的研究目前還很少。因此本文利用矩形管進行細顆粒原狀土起動特性試驗，分析了矩形管中實測泥沙起動斷面平均流速與實際明渠中泥沙起動垂線平均流速的轉換規律。2試驗方法本文試驗沙樣取自晉江河口，根據采

5、樣的級配表，可確定沙樣的物質組成以細顆粒沉積物（粉沙）為主,泥沙非均勻性強，級配較寬，具體粒徑分布的特征值見表lo11試驗沙樣粒徑分布特征值mm組次"io奴YZK-10.0030.0330.244YZK-20.0020.0280.149YZK-30.0030.0200.125矩形管試驗段長2m,截面尺寸為15cmx3cm.取土器外徑為10cm,沙樣筒上、下游各布置一個測壓試驗泥沙起動標準為沙樣表面中心處泥沙少量運動且剝離位置明顯增加。試驗時為防止突然來流造成沖刷，先加水至水流充滿整個試驗段且流態穩定，再頂推沙樣使其表面暴露于矩形管底面，調節試驗段前后兩個閥門，記錄在不同水壓力下試驗沙

6、樣達到起動標準時矩形管中的流雖及上、下游測壓管水頭如、奴，則可得到矩形管中泥沙起動斷面平均流速：優=(1)式中M為截面面積,m%起動切應力：re=yRS-h2)/L(2)式中，丁為水的重度，N/m。R為矩形管水力半徑，m；為兩測壓管間距，m。3矩形管與實際明渠中水流轉換規律矩形管道中雷諾數：Re=Ud/v(3)式中，為管道斷面平均流速，m/s；dh為當最直徑，dh=4R,m；u為水的運動黏滯性系數,m2/so由式(3)計算得本文試驗條件下的Re為1.5x109x10",在4x10s2X106范圍內，因此試驗矩形管中水流流態為紊流。J.Niknradse對矩形管的流速分布進行研究小刀，

7、提出對充分發展的紊流，矩形管內任一截面上沿流動方向的分布如圖2所示。在壁面上，.。=0；在中心線上，=J.,達最大值。洪大林采用粒子圖像測速系統對矩形管道流速分布進行了測得到其垂線流速分布結果如圖3所示，并根據對數流速分布公式計算了摩阻流速。圖3實測矩形管中流速分布由水力學基本理論可知，明渠紊流符合對數流速分布，因此本文將矩形管沿高度方向中心線切分為上下對稱的兩半，則下半部分的流速分布均與明渠水流相近，下半部分的平均流速即為矩形管中的斷面平均流速。本文試驗裝置測壓管從矩形管試驗段底部伸出，測壓管中水柱高度為如。可以設想，矩形管中下半部分為水深為D/2(D為矩形管高度)，大氣壓為(叫-D/2)的

8、明渠水流；而若在明渠水槽中進行試驗時，大氣壓為0,因而本文的目的是將水深為D/2,大氣壓為(-。/2)的明渠水流轉變為水深為'，大氣壓為0的明渠水流。作用于管道壁面的切應力r與摩阻流速u.之間的關系：t=yRJ=pu(4)式中，P為水的密度，kg/m>J為水面比降，本文中取泥沙起動時水面比降/=(站f)/L°由謝才公式可得到明渠水流垂線平均流速uu=C何=Cu./g(5)式中，。為謝才系數,C=上R機m。1%；幾為曼寧糙率n系數，本文試驗選用晉江河口沙樣相對較細/值取為0.02,無量綱;R為明渠水力半徑，對于寬淺的河口地區，比約等于水深，本文計算中取為根據河流動力學可知

9、，土質相同的情況下，試驗室條件下起動摩阻流速與天然條件下起動摩阻流速一致。洪大林通過同時在矩形管和明渠水槽中進行試驗，也驗證了在流速較小的情況下，管道中起動摩阻流速與明渠中起動摩阻流速近似相等。因此由式(4).(5)可計算得出，不同水柱高度下相應的明渠中本文原狀土起動時的垂線平均流速虬o4試驗結果分析表2所有沙樣試驗結果組次W7W%/(m»')(、/)m("»$-')VZK-10.9552.260.0482.350.8768.280.9892.410.0493.350.9593.061.0352.620.0514.351.044-0.821.095

10、2.890.0545.251.132-3.38YZK-20.5960.930.0312.350.5625.720.7861.590.0403.350.7781.040.9252.130.0464.350.942-1.890.9832.380.0495.251.027-4.52YZK-31.1413.110.0562.351.0279.991.4214.580.0683.351.3236.921.4955.020.0714.351.4453.541.7816.840.0835.251.7412.23ii：rr為起動切應力".c為起動摩阻浪逢，七為明渠中泥沙起動壘錢U-u平均浪速。相時誤

11、差公式E=''x100%。七從表2中可以看出，隨著水柱高度的增大,試驗沙樣的起動切應力和矩形管中泥沙起動斷面平均流速也增大。表明水壓力對細顆粒泥沙的起動有重要影響，且起動條件與水壓力成正相關。對于試驗沙樣，不同水柱高度下矩形管中泥沙起動斷面平均流速與通過本文上述轉換規律計算所得的實際明渠中泥沙起動垂線平均流速基本相同，相對誤差在10%以內。表明對于明渠中某一水深下的泥沙，可通過將該處泥沙取樣并在矩形管中相同水柱高度條件下進行試驗得到其起動切應力和起動流速。這里還應指出：本文計算不同水柱高度下謝才系數時曼寧糙率系數n均取為0.02,但前人研究表明水深對幾值也會產生一定的影響。何建

12、京通過在光滑壁水槽中進行均勻流試驗提出對一段確定的明渠'"，糙率系數隨水深的增加而減小；H.W.Shen例舉的混凝土護面渠道中的實測數據卻表明水深的增加會引起M值的增大:因此明渠糙率系數不僅表征壁面粗糙程度，還受水深等水力要素的影響，是一個綜合水力摩阻系數，關于這方面的規律仍有待進一步研究。5結論(1) 本文選用晉江河口的細顆粒原狀土在有壓矩形管中進行了泥沙起動試驗，試捻結果表明水壓力對細顆粒泥沙的起動有重要影響，且起動條件與水壓力成正相關。(2) 試驗矩形管中水流流態為素流，流速分布為上、下對稱的對數流速分布。基于此本文將矩形管沿高度方向中心線切分為上下對稱的兩半，認為下半

13、部分的流速分布與明渠水流相近，試驗測壓管中水柱高度即為相應的明渠水深。通過謝才公式計算得到相應的明渠中泥沙起動垂線平均流速并與試驗矩形管中泥沙起動斷面平均流速進行對比，發現兩者結果基本一致，表明矩形管中進行細顆粒泥沙起動特性試驗可行，管中水柱高度等于明渠水深時，矩形管中泥沙起祁實測斷面平均流速即可代表實際明渠中泥沙起動垂線平均流速。(3) 本文運用謝才公式計算不同水柱高度下明渠中垂線平均流速時曼寧糙率系數n均取為0.02,前人研究表明水深對n值有一定的影響，但這一影響目前尚難以定量估計，關于這方面的規律仍有待今后的進一步研究。參考文獻：(1RavensTM,GschwendPM.Flumeme

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15、13,46(1):6-9.6 NikuradseJ.UntersuchungUberdieGesehwindigkeitsverteilunginturbulentenStromungenJ.EonchungAufDemGebietDesInge-nieurweaensA,1926,281：1-44.7NikuradneJ.GeselzmaigkeitenderturbulentenSlromunginglattenRohren(Nachtrag)J.ForachungAufDemGebietDesIngenieur-wesensA,1933,4(1)：44-44.81洪大律，坍國斌，中欲，等

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17、機容量最大、轉輪直徑也最大的3葉片燈泡貫流式機組。2015年4月，在瑞士洛桑聯邦理工學院水力機械實駛室的中立試驗臺上完成了對模型的驗收試驗。該驗收試驗的成功，標志著東芝公司和東芝水電在對燈泡式水輪機的研發方面又上了個新的臺階，也為將來承接更大容量的燈泡式水輪機設計方面的合同奠定了良好的基礎。參考文獻：11EC60193；1999Hydraulicturbines,Moragepump*andpump-turbines-Modelacceptancete»t8(S.2 GB/T15613-2008水掄機、營能泵和水泵水輪機模型臉收試膾S.(3) 鄧玉章.漆桑水力機徒試食室介紹東方電氣評

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20、rchLaboratory,ToshibaHydroPower(Hangzhou)Co.,Lid.,Hangzhou310020,China)Abstract：InordertoexaminethehydrauliccharactersofmodelturbineofTugutangHydropowerStation9themodelacceptancetestwascarriedoutonPF1rigofEPFLinLausannetSwiss.Thetestincludedtheefficiencytoutputvcavitation9pressurefluctuation9runaway

21、,Winter-kennedyindexandaxialhydraulicthrusttestetc.ThetestresultsshowedthatlhemodelturbinedevelopedbyToshibahadmetorexceededtheguaranteevalueofcontract.Themodelacceptanceteststandard,laboratoryforhydraulicmachinesofEPFLandnoticeintheacceptancetestareintroduced.Itcangiveareferenceformode)testandmodel

22、acceptancetestofhydraulicturbines.Keywords:modelacceptancetest;independentlestrigcombinederror；bulbturbine；TugutangHydropowerStation(上接第94頁)ExperimentalstudyonincipientvelocityofundisturbedfineparticlesoilZHOUYa'*2,MAHongjiao1*2,CHENDake*2,LIUChengrui12,WANGYana'2(1.CollegeofHarbor,Coastalan

23、dOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China；2.KeyIxiboraloryofCoastalDisasterandDefenceofMinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)Abstract:Theincipientmotionoffinesedimentistestedinapressuredrectangularpipewithdifferentwaterhead.Theresultsshowthatthewaterpressuregreatlyinfluenceslheincipientmotionoffinesedi