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高含沙水流

2020-04-09 21:01

含沙量高达每立方米几百千克以上的挟沙水流。在中国黄河中游的干支流和渭河等河流中,汛期洪水的含沙量都很高,最大含沙量有的达1 500~1 600 kg/m3。山区沟壑中的泥流、河口和近海的浮泥流和水力输送的细颗粒高浓度浆液等,皆属于高含沙水流。

高含沙水流中含有较多的细颗粒,它们与水中的离子结合会聚集成团并形成网状结构,使浑水的力学性质发生显著变化。这种高含沙水流属于非牛顿流体,其流层间切应力τ与切变率du/dy的关系,可以用宾汉流体的关系式τ=τB+η(du/dy)表示。式中,τB为宾汉极限切应力;η为刚度系数。

高含沙水流一般都是紊流,在含沙量极高时,可转变为层流。从紊流过渡为层流的临界雷诺数Rec≈2 000。式中,Re=4ρHV/η;ρ0为浑水的密度;H为水深;V为平均流速。当高含沙水流的流速较小时,紊动强度会显著减小,水流中的小尺度高频率涡体完全消失,但仍保留着大尺度低频率涡体。这样的紊流有称之为濡流的。在较小的河渠中,两种水流流态可以在同一河段内出现,主流区为紊流流态,而近边壁区已转变为层流流态。

高含沙水流作层流运动时,在河床床面以上流层间切应力τ>τB的高度范围内,其流速分布符合抛物线规律,在高度y≥H-τB/(ρ0gJ)的范围内,式中,J为水流的比降。因τ<τB,故流层间不可能有相对运动,而形成流核层整体向前流动。τB值愈大,则流核层愈明显。现有的试验表明,在紊动减弱的高含沙水流中,与层流情形一样,也会形成流核层,流核层以下的流动仍保持紊流流态。对于高强度的紊流来说,其流速分布虽与清水的类似,符合对数规律,但卡门常数比清水的要小。高含沙水流的阻力损失与一般水流的有所不同。层流区阻力系数(λm)的算式为λm=96/Rem,式中,Rem为有效雷诺数,Rem=4ρ0HV/μe;μe为有效黏滞性系数,μe=η+τBH/2V。从上式可以看出,虽然高含沙水流的阻力系数(λm)和清水的有类似形式,但在相同的V和H条件下,其值比清水层流的要大。紊流光滑区的阻力系数(λm)也大于清水水流的阻力系数;粗糙区的情况则相反,由于边壁会附着泥浆,以致减小壁面的糙度,使阻力系数反而比清水水流的略有减小。

高含沙水流的输沙特性与所挟泥沙的级配有密切关系。试验表明,有两种输沙的极端模式:①以细粉沙和黏土等细颗粒为主的一相均质高含沙水流。②以细沙以上粗颗粒为主的二相高含沙水流。一般情况下,高含沙水流中既含有大量细颗粒又含有少量的粗颗粒。中国黄河中游干支流和渭河的汛期洪水就是挟带有大量黄土和部分粉沙以上粗颗粒的高含沙水流,且随每场洪水来源地区的不同,泥沙的级配差异很大,故各次洪水的输沙性质有很大的差别。在高含沙水流中,泥沙的沉降速度大幅度降低。因此,高含沙水流有很大的挟沙能力。

高含沙水流挟带大量的泥沙,容易造成水库和河道淤积,给防洪和灌溉引水带来困难。反之,如正确利用高含沙水流的特性,进行引洪淤灌以及提高水库排沙效率等,又可成为有效的措施。

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