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1、泥沙沉降速度分析港航103奚惠燕201010413085 摘要:在大量参考文献基础上，对泥沙沉降速度及其影响因素进行了综述，讨论了自由沉降和群体沉降速度的计算公式，并将它们统一起来。分析表明，计算沉速的公式虽然不少，但不是精度不够，就是结构繁琐。从实用观点来看, 张瑞瑾公式可以同时满足各流区的要求，是表达泥沙沉速的可用公式。为使沉 降速度公式更加完善，有关泥沙沉降速度的试验研究仍有待丁进一步加强。 关键词：泥沙；沉降速度；影响因素；计算公式 1单颗粒泥沙沉速泥沙颗粒在静水中下沉时，它的运动状态与沙粒雷诺数 Re=Wod/v有关， 此处心活水的运动粘度，d及Wo分别为单颗粒泥沙的粒径与沉速。当沙
2、粒$ 诺数Re < 0.5时，泥沙颗粒基本上沿铅垂线下沉，附近的水几乎不发生紊乱现 象，这时的运动届丁层流状态，浑液面沉速符合均匀沉降的特点。当沙粒雷诺 数Re> 1000时，泥沙颗粒脱离铅垂线以极大的紊动状态下沉，附近的水产生强 烈的绕动和涡动，这时的运动届丁紊流状态，浑液面沉速符合压缩沉降的特 点。当沙粒雷诺数0.5< Re <1000时，泥沙颗粒的下沉处丁过渡状态，浑液面沉 速符合过渡沉降变化的特点。表达单颗粒泥沙沉降速度的公式是张瑞瑾从过渡区的动力平衡方程式出发而导 出的：%=1( + C2 - gd - ri()式中y s为泥沙容重，C为活水容重，c1及c2是
3、按实测资料确定 的无因次系数。参照各家资料，用C1 = 131 95, C2 = 1109 代入(1) 式可得I七一 Y ,V%二 (11 95+ L 09 d- 13 95 (2)NaYa经实测资料的验证表明，式(2)可以同时满足层流区、紊流区及过渡区的 要求。也就是说，式(2)是表达泥沙沉降速度的通用公式。这是因为：由层流 状态到紊流状态的过渡不是突然完成，而是逐渐完成的。由式（2）可以看出： 如温度不变，当粒径增大时，届丁滞性阻力作用的影响会逐渐减小，并当粒径 d趋丁临界值后，滞性因素的作用可以忽略不计，这时只有紊动阻力的因素起 着决定作用。当粒径d减小时，两种阻力的作用关系与上述情况正
4、好相反。从 而乂可得到简化的层流及紊流沉速公式：g （X039匕 咯f层流区）3。二 L 044 Q 上L 上gdf 紊流区）（4）如果用C1 = 6, C2 = 2/ 3 代入式（1） 可得到鲁比沉速公式，它适用丁 细颗粒泥沙（此时公式的形式实际为Stokes的球体沉速公式），而用丁粗颗 粒泥沙时，所得沉速明显偏小。2泥沙群体沉速高浓度下粘性泥沙的沉降届丁群体沉降的性质。关丁群体沉降的沉速公式的研究，从机理上大致可以分为两类。一种是以Micliaels 和Bolger为代表采用修订过的Richardson型公式。Richardson曾从量纲分析入手，根据高浓度 的沉降阻力类似渗流阻力的物理图
5、案出发，成功地导得无粘性泥沙高含沙浓度 对沉速影响的公式：式中w表示体积含沙浓度为Sv时的群体泥沙沉速；m为指数，据Richardson等 人的试验研究，在层流区，m取值为4165;郭慕孙等人则认为m为4191;而钱 宁等人在试验中发现m并非常数，而与雷诺数有关，且随着雷诺数的提高而减 少，最小时为2125;王兆印等人的试验表明，m为710 71 5。由此可见，m值 变化很大,使得式（5）的应用受到很大的限制。此外，该式的结构形式也存在着缺点。当Sv = 1时，X才达到零,而事实 上不不可能达到1,因为当泥沙浓度接近其极限含沙浓度 Svm = 014 0164时, 颗粒与颗粒已经直接接触，此时
6、沉速已经为零。这说明浓度越大,群体沉降速 度越大。而Richardson通过一个修正系数B（由粘性泥沙种类和结构所决定） 来弥补式（5）形式上的不足，所得公式为：另一类以钱意颖、迟耀瑜为代表，把群体沉速与活水中单个颗粒的沉速加以对 比，认为后者的减小主要是由丁容重（浮力）、粘度（阻力）和对流（阻力） 改变的结果：式中丫 m为浑水容重；11 m为浑水的动力粘度。影响因素：影响泥沙沉速的因素很多，如含沙量大到一定程度之后，沉速计算公式必 须考虑含沙量的影响。这种影响与泥沙粒径的粗细关系甚大;而对丁 d < 0101mm的细颗粒泥沙而言,水质对泥沙沉速的影响是不容忽视的。 在此范围内，含 沙量对沉速的影响，是和水质对沉速的影响结合在一起而通过絮凝起作用的。 由此可见，絮凝作用也是影响泥沙沉速的重要因素。结语泥沙沉速是泥沙的一个十分重要的特性。在许多情况下，它反映了泥沙在与 水流相互作用时对机械运动的抗拒能力。组成河床的泥沙沉速越大，则泥沙沉降的趋势也越强。尽管泥沙沉速有这样重要的意义 ，但是关丁泥沙沉速的试验 研究工作仍然进行得不够充分。计算沉速的公式虽然不少，但不是精度不够，就 是计算繁琐。从实用观点来看，张瑞瑾公式可以同时满足各流区的要求，是表 达泥沙沉速的可用公式。