细颗粒泥沙在紊动水体中沉降特性的试验研究

Flocculating settling of fine sediment in turbulent flows is one basic scientific problem in sediment transporttheory, and it is also a commonly encountered issue in river engineering. Thus, there is an urgent need of the study on flocculation and settling of fine sediment in turbulent water regarding theoretical research and engineering applications..A large-scale settling cylinder is designed with a unique horizontal vibration structure to produce flow turbulence and at the same time avoides the effects of vertical inertia force. The settling sediment will be sampled in the Three Gorges reservoir, and the non-flocculation experiment will be carried out using purified sediment and distilled water to provide reliable comparison data. The implantable micro-camera system and fiber transmitted sheet laser source are used to measure the internal velocity field of turbulent water and the configuration of the floc. The high-precision differential pressure sensor is used to measure the density of the water layer. Sediment concentration distribution and its variation with time are calculated, and the group settling velocity can be obtained. Experiments will be carried out to reveal the physical mechanism of the influence of various factors on the fine sediment settling in turbulent water, to analyze the flocculation and settling characteristics, and to derive an expression of the settling of fine sediment through dimensional analysis and multiple regression analysis..The research results have great application value, and can be directly applied to sediment calculation and river regulation of the Three Gorges reservoir.

细颗粒泥沙在紊动水体中的絮凝沉降特性是泥沙运动力学的基础科学问题，也是河流工程泥沙研究中普遍面临的难题；理论研究和工程应用都亟需紊动条件下细颗粒泥沙絮凝沉降的研究成果。.本项目以试验为基础，采用大型沉降筒和独特的水平振动结构设计，只产生水体紊动而避免产生影响泥沙沉降的附加垂向惯性力；在三峡库区采集沙样，采用净化沙样和蒸馏水进行严格意义的非絮凝沉降试验，得出可靠的对比资料；采用植入式的微型摄像系统和光纤传导的激光片光源，测量紊动水团的内部流速场和絮团的形态特征；差压式高精度传感器测量各水层的密度，进而计算各层的含沙浓度分布及随时间的变化过程，据此得出泥沙的群体沉降速度。通过试验研究揭示紊动水体中各因素影响细颗粒泥沙沉降的物理机制，分析细颗粒泥沙的絮凝沉降特性，通过量纲分析和多元回归得出絮凝沉速表达式。.研究成果可直接应用于三峡水库泥沙冲淤及河道整治的计算模拟，具有重要的应用价值。

泥沙颗粒的沉降是泥沙问题研究的基础，如河道泥沙及污染物输移、水库港口泥沙淤积等，特别是计算水流悬移质挟沙能力及浓度垂线分布时，都依赖于泥沙颗粒的沉速。三峡工程运行初期，忠县河段局部淤积厚度达47m，床沙中值粒径约为0.01mm，而以往多将此类泥沙作为冲泄质不考虑沉降。工程实践中沉速的计算一般都采用静水沉速，而自然条件下水体存在紊动，细颗粒泥沙易受紊动干扰，较静水沉降存在很大差异。. 本研究围绕细颗粒泥沙在动水中的沉降特性，主要开展了系统研发、室内试验、以及现场测量研究等工作。取得的成果如下：. （1）建立了大尺度横向振动格栅紊流试验和沉降观测系统。沉降试验系统采用2.5m高玻璃沉降筒，内置4片振动格栅高2.1m、宽0.75m，按10cm间隔布置直径为8cm的圆孔，采用独特设计的横向振动。根据不同浓度浑水的透光及反射性不同，标定图像灰度和浓度的关系，连续采集泥沙沉降图像转化为泥沙浓度，通过质量守恒计算沉速。对于泥沙絮团，根据灰度值的差异判断絮团的大小，采用PTV粒子追踪技术测量絮团沉速。建立了含沙量和声波强度的反演公式，利用ADV现场测量瞬时流速和含沙量，根据泥沙扩散方程计算泥沙现场沉速。. （2）获取了横向振动格栅紊流特性。实施大范围紊流场测量，发现其紊动特性包括雷诺应力、时间尺度、长度尺度和能谱等，与传统的垂向振动格栅紊流一致，其优点在于纵向和垂向的紊动强度之比与天然明渠更为接近，且格栅横向振动消除了在重力方向的惯性影响。本系统提供了范围更大的紊流空间，为后续泥沙沉降的试验研究提供了便利和支撑。. （3）初步得到了细颗粒泥沙的动水絮凝沉降特性。通过室内试验和现场测量研究，得到了水流紊动对细颗粒泥沙絮凝的影响，絮凝沉速随着流速的增加先增大后减小，其机理是弱紊动促进絮凝导致沉速变大，紊动强度超过一定程度后絮凝结构被破坏，颗粒的沉速逐渐接近Stokes沉速。对于三峡库区现场，沉速先随着流速的增加而增加，流速超过0.6 m/s后沉速逐渐降低。. 本研究研发的试验和观测系统，为泥沙运动力学相关学科的基础研究提供了设备支撑；得到的细颗粒泥沙沉降特性等成果，对泥沙运动力学的发展有重要的科学价值，对三峡水库等大型水利工程泥沙冲淤规律的认识、泥沙模型的开发及航道整治维护等也具有广泛的工程指导意义。