黏性原状土起动流速试验研究.pdf

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1、第43卷第2期人民长江Vo1．43．NO．22012年1月YangtzeRiverJan．，2012文章编号：1001—4179(2012)02—0039—04黏性原状土起动流速试验研究洪大林，缪国斌，申霞，谢瑞，娘昌辉(1．南京水利科学研究院，江苏南京210024；2．南水北调东线江苏水源有限责任公司，江苏南京210029)摘要：针对黏性原状土难以被水流起动、冲刷的特点，设计了专门的封闭矩形管道，使水流的平均流速完全满足黏性原状土起动、冲刷的要求。在水槽满足起动冲刷要求的前提下，采用粒子测速系统(PIV)对管道断面流

2、速分布进行了测量，分析论证了管道的阻力规律，并比较了有压管道与开敞水槽试验结果。分析结果认为，在水流流速不是太大时，有压管道的阻力规律符合对数律。在通过试验取得垂线流速分布的情况下，可以利用对数流速分布公式计算摩阻流速，进而计算边界水流切应力，再根据谢才公式，可将起应力换算成相应河道的起动冲刷切应力：关键词：黏性原状土起动；矩形管道；试验方法；摩阻流速中图法分类号：TVl4文献标志码：A以前人们在研究泥沙起动问题时，一般都在开敞矩形管道下方的圆柱形筒中，表层高出水槽表面1的明渠水槽中进行，与实际河道的自由表面是一致的，

3、mm，测量这1mm的土层被冲刷的历时，即可得到冲其流速分布也都符合相同的规律，因此实验室中获得刷率。这个试验并没有得出土壤冲刷率与原状土的成果，可以方便地将其外推至大水深的情况。但由土力学因子(土壤性质参数)之间的关系，而只是建立于开敞水槽水流强度较弱，一般不能满足黏性原状土了桥墩冲刷率与时间的关系。这似乎不能用来解决类起动冲刷试验的要求，较好的方法是采用可以产生较似的问题，但其方法是可以借鉴的，特别是其试验方大流速的封闭矩形管道，但这种方法本身也带来了一法。中科院力学所1998年也曾有类似的试验装置，些新的问题，如管

4、道内水流的流速分布问题，管道内压南科院对这类试验装置进行了大幅度改进，使水槽能力对起动冲刷的影响问题，管道水力摩阻的计算方法够取得较大的水流条件，满足各类土质抗冲能力试验问题等等。这些问题不解决，就无法对试验资料进行的要求。分析，也就得不到相应的结果。因此，本文在试验的基原状土起动试验装置见图1。试验前将土样布置础上，分析研究了矩形管道内的流速分布、压力的影在水槽底部的圆筒内，并与水槽底部保持齐平，土样的响、水力摩阻的计算方法等。下部是升降顶土装置。1试验方法为了能产生较大的流速，选择封闭的矩形管道进J蛙水行试验是比较

5、可行的方法，J．L．Briaud(2001)等在进行土壤冲刷试验前，使用了一种简称为EFA的装置，试验时将所取的土样(松散的或黏性原状土)放置在图1矩形管道示意(单位：m)收稿日期：2011一O8—1O基金项目：江苏省自然科学基金(BK2007733)作者简介：洪大林，男，教授级高级工程师，博士，主要从事水力学及河流动力学方面研究。E—mail：dlhong@nhri．cn40人民长江矩形管断面尺寸为3cm×15cm，有效段长度2

6、m的位置，在间的关系应满足普朗特一卡门方管紊流的通用摩阻律土样上游0．9m、下游0．4m各布置一测压管，测量上公式下游测压管水头差。管道平均流速最大可达12m／s。2．0log[UR4-Z]：一0．8(1)考虑到有压矩形管道内压力的存在，选择部分土样在矩形管和明渠水槽中平行进行试验，以论证有压式中，摩阻系数为A=，p为水的密度；为水的运管道压力的存在对起动的影响。DU明渠水槽长14m、宽50am，试验前在其底部制造动黏滞系数；U为方管平均流速；R为水力半径，R=一长10nl，底坡为5％0的斜坡，在试验观察段留置一直，A

7、为面积，A：。×b，。、b分别为矩形管道的高和径10am的圆坑，用于放置土样。试验中测量土样起宽，=2(a+b)为湿周。在摩阻系数确定的情况下，可动时的水深、流量、中垂线流速分布。利用公式A：计算得到切应力。2流速分布测量口UJ．Nikuradse曾对矩形管道的流速分布作过一些研究，对充分发展的紊流，矩形管内任一截面上沿流动方向的速度表现为：在壁面上，U：。=0；在中心线上，：^=u⋯，达最大值I4。由于J．Nikuradse并没有得到矩形管道中水流的阻力计算公式，因此尚需针对特定的矩形管道进行试山山＼腱m50m埔验测

8、量。图2流场测量示意根据封闭矩形管道的水流特点，选择采用粒子图像测速系统测量管道流速分布，并在此基础上分析其另外，由于矩形管中垂线实测流速分布符合对数水力特性。粒子图象测速系统工作原理为：激光器产生的光束经柱面镜散射后变成光片，平行照射伸§＼舱一：505O5流场内部的一个平面，位于该平面上的示踪粒子反射的光线经光学镜头聚焦后通过成