横向槽沟内粘性泥沙冲刷特征试验研究

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1、横向槽沟内粘性泥沙冲刷特征试验研究//.paper.edu.cn-1-横向槽沟内粘性泥沙冲刷特征试验研究1邹伟凯，蒋磊，吕平武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉（430072）摘要：本文针对横轴环流运动的流速特征，通过有压管道试验研究了粘性泥沙在具有固定竖直边壁的槽沟内的冲刷特征。试验结果表明，在一定的水流和泥沙条件下，槽沟内的非均匀流，尤其是向下与反向水流，造成槽沟下边壁附近冲刷较强，整个床面冲刷纵断面上凸。同时，本文还就槽沟下边壁前出现的局部凹陷区的变化规律进行了分析。关键词：横轴环流，粘性泥沙，冲刷中图分

2、类号：TV143文献标识码：A0.前言天然河道中，因受水流摩擦力和离心力的作用，存在各种环流结构。按其环绕轴分，有纵轴环流（如弯道环流）、横轴环流（如槽沟流）、竖轴环流（如回流）、斜轴环流等[1]。本文重点分析研究河道床面的横轴环流。谈广鸣[2]、夏军强[3]对槽沟内的横轴环流进行了定床槽沟试验研究，分析了环流区域的范围和整个槽沟内的流速分布特征，指出环流强度随来流Fr数的增大而加大；尤其是当槽沟边坡为直角时，实测最大反向流速可达整个垂线平均流速的90%。由于横轴环流区的近底水流存在反向流速，并且粘性泥沙的特性表现在，作为

3、松散颗粒悬移质运动时流动性很强，而淤积粘结成团后抗冲性也很强，该区水流的这种特殊的流速特征会影响到底层粘性泥沙的起动、冲刷与输移。因此，需要通过试验对这种影响的表现进行系统的分析，这对于因河道流量变化，尤其是丰水期大流量剧烈变化带来的挖槽施工质量的控制问题，具有一定的现实意义。本文以一定淤积历时的粘性泥沙在具有竖直边壁的槽沟内进行的冲刷试验为基础，分析槽沟内粘性泥沙床面纵断面冲刷特征，并探讨了水流和泥沙条件变化对床面冲刷纵断面影响。1.试验研究装置与方法由于粘性泥沙淤积后具有较强的抗冲性[4]，研究冲刷时，需要较大的水流流

4、速。为此，试验在封闭矩形有机玻璃管道中进行，装置如图1所示。依据洪大林[5]、Roberts[6]的研究：封闭有压水槽的水力特性的试验结果可以代表开敞无压水槽的试验结果。矩形管道断面尺寸为3cm×12cm，长度为2m,流量由电磁流量计读出,水泵设计最大流量为1153/mh。土样放置在距进口1.2m处，使用顶土装置，装入制备好的沙样。试验泥沙主要有两种，分别为黄河花园口淤泥和长江细颗粒泥沙。对两种泥沙筛分、混合后共得试验沙样四组。试验沙样级配曲线见图2，特征值见表1。将试验沙样置于干净的塑料盆中，加适量水搅拌均匀，静置1天后

5、将盆内析出清水去除，继续搅拌均匀后将淤积物装入与试样筒内。把试样盒置于水池中进行水下淤积固结，1、34、60天后分别取样进行冲刷试验。试验中，土样筒下边壁固定，不可冲，以粘性泥沙的起动流速为基准，逐步提高流量，1本课题受到高等学校博士学科点专项科研基金（编号：20050486007）、国家重点基础研究项目（编号：2003CB415200）的资助//.paper.edu.cn-2-下边壁前自动形成横向沟槽。为了防止初期冲刷造成较大的测量误差，泥沙试样顶面与管道底面平齐。测量15s后冲刷冲刷纵断面的特征尺度，在冲刷尺度变化剧烈

6、的情况下，可以适当调整流量变幅，获取较为密集的数据点。本试验对淤积34d的四组泥沙进行冲刷试验，每组选择六种流速条件，获得24组试验资料。流量计出水进水水泵阀门土样筒顶土装置图1矩形管道试验系统示意图02550751000.00010.0010.010.11粒径（mm)小于某粒径百分比（％）A组B组7>

7、8％D组A组、B组2:1的质量比混合而成0.03815％注：粒径单位为mm；粘性含量是指粒径在0.005以下的颗粒含量[7]。//.paper.edu.cn-3-2.环流形成的冲刷形态试验中，取定管道清水来流量，满足各组起动条件，即123max(,,,)crcrcrUUUU≥L，对各组泥沙试样进行冲刷，得到一系列相似的纵断面冲刷形态。测量土样筒边壁泥沙试样各处的冲刷深度，作为泥沙纵断面冲刷形态的估计。图3为选取典型两组冲刷断面形态（附B组环流表现示意图）：A组淤积1d，与B组淤积60d的泥沙试样。冲刷时间T取15s，清水来

8、流量取263/mh，矩形管道平均流速U为2m/s。图3横轴环流形成的纵断面冲刷形态从纵断面冲刷形态可以看出，冲刷纵断面上凸，土样筒下边壁前，向下凹陷的局部冲刷区显得较前部的一般冲刷为强。尤其是新淤沙洋A，凹陷区的冲刷极为明显。而从试验观察可知，该凹陷区存在之后，随时保持泥沙表面与管道地面平齐，该区就不会