弱动力条件下的河流粘性泥沙运动分析

2016-11-30吉林省水利水电勘测设计研究院

河南水利与南水北调 2016年10期

□姜坤（吉林省水利水电勘测设计研究院）

弱动力条件下的河流粘性泥沙运动分析

□姜坤（吉林省水利水电勘测设计研究院）

在河流中，动力条件驱使下的粘性泥沙往往会出现完全悬浮现象，使其中细颗粒泥沙处于不饱和常态，这种状态在某些动力较弱的水流段表现为粘性泥沙的大量淤积，其输移规律也会发生较大变化。文章就以粘性泥沙分层运动玻璃水槽试验验证的方式探讨在弱动力条件下河流粘性泥沙的分层运动形式及影响分层运动的相关因素。

河流粘性泥沙运动；弱动力条件；试验；分层运动；影响因素

0 引言

在弱动力条件下，河流粘性泥沙难免会受到水流条件等物理环境的相互影响，其水质条件与泥沙浓度等化学因素也会发生改变，影响它的运动规律，且十分明显。诸多因素的综合影响就让粘性泥沙形成浮泥和异重流分层特征，换言之就是明显的清浑水分层。所以为了验证粘性泥沙在河流弱动力条件下的分层运动规律，有必要利用试验方法来加以验证。

1 水槽试验

1.1 玻璃水槽的试验系统介绍

用于粘性泥沙分层运动的水槽试验系统包括了20 cm（宽）、25 cm（高）、3.50 m（长）的玻璃水槽装置。玻璃水槽的底坡是可变的，它的最大可供流量超过8 m3/h，变化范围在0～1%左右。在水槽中部采用了紊动流速实测断面装置，其中的测点调节定位完全由人工操作完成，而水流的流速与紊动状态则采用了多普勒ADV流速测试仪实施测量操作。

水槽试验中会利用虹吸管采样器来对泥沙进行采样，然后借助烘干法测量粘性泥沙含沙量。对虹吸管的合理利用尤其是在取样方面要注意管口与测点保持相同水平高度，谨慎控制浑水的缓慢溢出，这样也能确保所取样的沙样符合测点要求，如图1。

1.2 多普勒ADV流速仪

在玻璃水槽试验系统中，声学多普勒流速仪（MicroADV）是重要测量设备之一，它能够测量水流的流速与紊动性，可以对所测量取样点进行非接触干扰。

多普勒流速仪主要由信号调理、信号处理与测量探头3部分组成，它的测量探头探头能够向上、向下、侧向测量，可以测量从1～2.50 mm/s的河流流速。它的流动参数与信号全由计算机系统自动完成，并最后由Excel对所测量获取的数据文本文件采取处理措施。

图1 玻璃水槽试验系统示意图

在水槽试验过程中，频移现象主要由水中粒子运动所产生，由它们触发的频率变化也被称为多普勒频移。所以多普勒测速仪就应用了这一原理，在测量过程中依靠水中粒子运动频仪来固定声源、接收探头。考虑到探头所接收到的运动粒子的散射与反射会根据声音频率的变化而变化，所以给出了频移与水中粒子运动的关系式为：

式中∶Fd就是多普勒频移，fS代表了发射频率，v代表运动粒子相对于探头测试频率下的实际速度，而c为声速。考虑到水中粒子速度与声速的比值非常小，所以可知多普勒频移也是相当小的，所以它不能用来直接测量。而采用多普勒流速仪的脉冲相干处理能力，在发射探头测量时借助两个时间滞后分离脉冲测量其脉冲相位，就可以明确脉冲相位差正比于水中粒子的相对速度，最终实现对水流速度的计算。

1.3 试验过程

水槽试验方法可以获得更多粘性泥沙与水流之间的相互作用的数据信息，明确粘性泥沙的运动规律取决于其重力沉降与水流扩散的相互作用。首先，在水槽中加入一定量的细颗粒泥沙，再进行流量、水深调节，确保其成为均匀流，在其中取样水样做水质检测备用。其次，在确保水槽中粘性泥沙运动足够长的循环时间以后，利用多普勒流速仪对粘性泥沙所处水流的流速、紊动强度实施精确测量，配合虹吸管取样，利用烘干称重法来测量水样中的泥沙浓度。再次，在改变水流条件与泥沙浓度以后，再次重复上述步骤。最后，在试验结束后，清洗水槽与循环系统。

在试验中可以得知，河流水体中的阳离子会对粘性泥沙产生一定的沉降影响，因此弱动力条件下水质条件的变化是有可能影响其运动规律的[1]。

2 弱动力条件下河流粘性泥沙的分层运动

2.1 水槽试验中粘性泥沙的分层运动

粘性泥沙在弱动力条件下存在特殊的分层运动形式，也被叫做分层流动。分层流动中不同层次之间的泥沙浓度也有很大差别，但同一层泥沙中的浓度几乎相近。不同层次之间的泥沙浓度是具有较为清晰的分界面的，所以它的泥沙浓度分布是没有连续性的，但存在突变点，可见粘性泥沙在河流弱动力条件下与一般泥沙浓度分布规律是存在本质差别的。

一旦粘性泥沙的分层运动现象发生，泥沙浓度就会呈现沿垂线分布的3层断面，其中上层靠近表面泥沙的粘性泥沙浓度最低（0.50～0.70 g/L），中间层的粘性泥沙浓度相对较高（3.20～3.50 g/L），靠近水底的最下层粘性泥沙浓度最高（＞24 g/L）。虽然3层粘性泥沙的浓度相差很大，但是每一层中泥沙的浓度分布是相当均匀的，这也是粘性泥沙在垂线分布基础上所体现出的异重流特征。

如果沿垂线分布变化来分析粘性泥沙在河流弱动力条件下的流速，就必须考虑在分层运动形成以后，其流速在达到最大值时粘性泥沙在水中的位置。利用多普勒流速仪探头在水下进行探测，并在水面放置纸片观察其动向，发现分层运动状况粘性泥沙所形成的表面流速可以忽略不计。

2.2 对粘性泥沙分层运动形成的分析

由于粘性泥沙的分层运动让其划分为3层，当分层运动最初形成时，上层与中层界面的粘性泥沙会受到剪切力作用与自身浮力作用，让两层界面之间产生内波，当内波破碎后，泥沙垂向就会发生严重混合，此时中间层的粘性泥沙会呈絮状与上层泥沙互换，成为上层水体絮状粘性泥沙。但由于势能不同，所以它们还是会在低等浓度状态作用下沉降回原来的中层位置。在弱动力的水流条件与泥沙浓度条件共同影响下，分层运动中上层的粘性泥沙浓度依然会保持相对稳定，并存在絮网结构，从而降低泥沙的沉降速度。而中层泥沙沉降速度也会相对降低，确保其在中层与上层中的浓度分布趋于均匀。反观浓度最大的下层粘性泥沙，它由于泥沙本身粘性最强、浮力最大，所以在下层中粘性泥沙的紊动特性会逐渐消失，基于该原因中层与下层粘性泥沙之间是难以产生垂直互换的。但如果河流流速加强，弱动力条件有所改善，最下层的粘性泥沙悬浮能力就会被强化，导致河流中上下水体被充分交换，此时粘性泥沙的分层运动也会相应消失[2]。

3 粘性泥沙分层运动的影响因素

粘性泥沙在弱动力条件下的影响因素有很多，例如：泥沙浓度、水流条件等等，其中各个因素之间的相互影响也相当复杂。文章重点分析一下水流条件对粘性泥沙分层运动的具体影响。

以上文的水槽试验为例，由于设定了水槽进口的泥沙浓度为3.50 g，所以当水槽流量降低时，关于流量的试验结果分别为3.72、2.14、1.44（m3/h）。

当水槽流量为3.72 m3/h时，粘性泥沙断面的浓度是随垂线均匀分布的，测点上的泥沙浓度值没有太大差别，保持在3.50 g/L，而水槽水流表面的泥沙浓度在3.00 g/L。相比而言，水槽底部两测点的粘性泥沙浓度值最小，这就说明水槽底部的粘性泥沙应该处于悬浮状态，此时并没有形成泥沙分层运动。

当水槽流量下降到2.14 m3/h时，粘性泥沙浓度会沿垂线分布发生变化，以水槽表面泥沙浓度为例，它会迅速下降到2 g/L以内，而水槽水深中间测点的泥沙浓度依然会保持在3.50 g/L。相比于3.72 m3/h流量阶段，此流量下水槽底部测点的粘性泥沙浓度发生了变化，出现了底部最大泥沙浓度，这就说明当水槽流量在下降以后，粘性泥沙在水槽底部出现了淤积趋向，此时的泥沙输移呈现即将饱和状态，粘性泥沙的分层输移现象初步形成。

当水槽流速下降到1.44 m3/h时，水槽中粘性泥沙的分层输移已经相当明显，主要分为3层。

由上述分析可以见得，随着水槽流量的降低，弱动力条件的逐渐形成，粘性泥沙的分层运动会越来越明显，水流结构也会发生巨大改变，这就充分说明了水流流速分布所带来的粘性泥沙异重流特征。所以，粘性泥沙的分层运动是受到水流条件极大影响的，当水流在一定的流量范围内发生变化，粘性泥沙的分层流动形式就会形成，同时它也会影响水流的结构与流速的分布，二者相辅相成[3]。