三峡库区黏性泥沙在紊动剪切作用下的絮凝试验研究

采集三峡库区忠县黄花城河段黏性泥沙进行紊动剪切作用下的絮凝试验研究。试验装置主要包括沉降柱、絮体分离室和絮体图像采集系统,试验中采用振动格栅产生近似均匀紊流场,并通过ADV（Acoustic Doppler Velocimetry）测量流速来校核流体剪切率和格栅振动频率的关系。试验结果表明:① 该黏性泥沙絮凝效果明显,絮体最大粒径D_f,95为73~126 μm、平均粒径D_f,50为18~33 μm,絮体粒径分布受紊动剪切率和泥沙浓度的影响较大;② 随着紊动剪切率的增大（从3.84 s-1至30.07 s-1）,D_f,95呈先增大后减小的趋势;当剪切率为19.94 s-1时,D_f,95达到最大值,大絮体（粒径大于96μm）的数量百分数也达到最大值;③ 相同紊动剪切率条件下,不同浓度（0.3~1.0 g/L）泥沙絮凝后的絮体粒径分布,基本符合"泥沙浓度越高,D_f,95越大"的趋势。     

水流和电解质对黏性泥沙絮凝沉降影响试验

为探索河口海岸地区水流和盐度共同作用对黏性泥沙絮凝沉降的影响,以泥沙浓度和絮团粒径为参数,采用自制的同轴旋转双筒产生运动水流和外加电解质的方法,研究6个水流强度（0 s-1、1.38 s-1、2.54 s-1、4.67 s-1、7.19 s-1、13.2 s-1和20.3 s-1）和3种电解质（NaCl、CaCl₂、AlCl₃）作用下的黏性泥沙絮凝沉降过程。试验结果表明:① 水流对黏性泥沙絮凝沉降的影响与其强度相关。低强度水流（水流强度小于4.67 s-1）表现为初期促进、中后期阻碍的规律;高强度水流则由于强水流剪切力和自上而下的紊动掺混作用始终起阻碍作用。② 电解质的存在将分别增强和减弱高、低强度水流所起作用;相同浓度下,当阳离子化合价从+1价变成+3价时,水流的影响作用更明显,尤其体现在稳定段。     

水力紊动条件对泥沙絮体分形结构的影响

在含沙量为85 kg/m3的悬浊液中投加阳型高分子聚合物,改变水力紊动条件:剪切速率(r)或速度梯度(G)与剪切时间(t),借助沉降技术、图像分析技术及分形特性定量表征参数“分维”探讨了架桥絮体结构的演变规律,得出分形结构达最佳状态时的水力紊动强度(Gt)值存在两个临界值:快速絮凝阶段和慢速絮凝阶段。实验发现,不同含沙量架桥絮体分形结构致密度最高时所需的最佳Gt值相近。含沙量越低,r或G值应降低,t值增加,分维值降低。另外,相同含沙量无机混凝剂絮体与高分子架桥絮体分形结构达最佳时,前者所需Gt值高,对应的G值低,t需延长,絮体平均质量分维(D₃)值高,但絮体结构脆弱。     

AlCl3对细颗粒泥沙絮凝沉降的影响

铝类絮凝剂对细颗粒泥沙絮凝沉降有重要作用,常应用于浑水澄清、农业污水处理等研究中。在AlCl₃浓度为0～1.7mmol/L,泥沙浓度为10g/L时,用吸管法研究了AlCl₃对细颗粒泥沙絮凝沉降的影响,结果表明:在液面下同一深度,泥沙浓度随时间呈指数衰减;悬液经多次搅拌后再沉降,其沉速减缓;当AlCl₃浓度为0.9～1.7mmol/L时,出现明显的清浑水交界面,交界面随时间等速下降,平均沉速为4.756cm/min,对应的絮团平均粒径为0.0315mm;土娄土絮凝临界粒径为0.027mm。     

三峡库区泥沙絮凝临界条件现场测量

三峡库区絮凝现象是细颗粒泥沙淤积的重要原因,泥沙絮凝临界条件对三峡库区泥沙淤积规律和模拟具有重要意义。在三峡库区忠县和奉节河段开展泥沙絮凝的现场测量,基于声学多普勒流速仪（Acoustic Doppler Velocimeter,ADV）和泥沙采样测得同步的瞬时流速和含沙量,通过泥沙扩散理论反算现场泥沙沉速及絮团粒径,得到了三峡库区泥沙絮凝度及其与粒径、流速和含沙量的关系。结果表明:库区细颗粒泥沙发生絮凝,且多为中轻度絮凝,重度絮凝较少;库区泥沙絮凝的临界粒径约为0.018 mm,临界流速约为0.7 m/s,临界含沙量约为0.8 kg/m3。研究结果可为三峡库区泥沙的运动规律以及泥沙淤积模拟等提供一定的理论支撑。     

明渠收缩过渡段流速分布及紊动特性试验

受地形、地质等条件影响,明渠收缩过渡段在输水工程中十分常见,过渡段长度过短,会导致水面波动,水体紊动加剧。为研究明渠不同长度过渡段内纵向时均流速及紊动强度的分布规律,通过室内模型试验,利用二维电磁流速仪ACM2-RS测量了渠道内沿程中垂线不同深度处瞬时流速。试验结果表明:收缩段内,纵向时均流速沿程增加,紊动强度沿程降低,遵循涡旋的拉伸机制和线性扭曲理论;受二次流影响,最大流速位于水面以下,且最大流速的位置随二次流作用的增强而降低;不同长度过渡段对下游纵向流速分布和紊动强度影响不同,过渡段越短,下游水流紊动越强,但非渠底附近紊动强度沿垂向先减后增的规律不变。     

水流紊动对泥沙絮凝的影响

主要研究水流紊动对泥沙絮凝的影响。认为水处理方面的絮凝动力学理论可用于研究泥沙絮凝问题。根据试验实测资料及国外有关试验结果研究表明,在紊动状态下,泥沙絮凝存在两个阶段,每个阶段中紊动对泥沙絮凝的影响也有所不同。     

深部开采上覆岩层采动裂隙网络演化的分形特征研究

借助相似模拟材料模型试验,模拟了在深部开采条件下上覆岩层采动岩体裂隙分布状态,运用分形几何理论研究了采动岩体裂隙网络分形维数随开采宽度、采场矿山压力、岩层沉降的动态演化规律,并分析了断层对采动岩体裂隙网络分布演化的影响以及采动岩体裂隙网络在三带的分布特征。结果表明：随开采宽度增加,采动岩体裂隙网络分形维数呈现总体增大趋势,在断层影响下表现出降维特点;分形维数与超前工作面压力和岩层沉降均具有非线性关系;三带采动岩体裂隙网络均具自相似性,冒落带、裂隙带、弯曲带分形维数比为1.082 3:1.139 4:1。     

基于尺寸效应的粗粒土单颗粒破碎试验及数值模拟

在外荷载等因素作用下,粗粒土易发生颗粒破碎。对泥岩和砂岩颗粒进行了一系列的单颗粒破碎试验,基于尺寸效应和颗粒破碎分形模型,研究了单颗粒破碎强度、破碎能量及Weibull模量等与分形维数间的关系。利用PFC3D对单颗粒破碎过程进行分析,并与试验数据对比,验证了数值程序的可靠性;随后扩展到大颗粒粒径,分析了其单破碎强度及破碎能量。结果表明：在同类试验条件下,不同材料所得的分形维数是不同的;不同粒径砂岩的破碎程度均大于泥岩;单颗粒破碎强度具有明显的尺寸效应;单颗粒破碎强度与破碎能量均可通过分形维数与颗粒粒径预测得出;修正后的Weibull模量也可通过分形维数得出;数值模拟结果与试验结果及预测结果基本一致;大颗粒粒径单颗粒破碎强度模拟结果与预测结果基本一致,破碎能量稍有差异,需进一步试验验证。研究成果可为获取大粒径粗粒土的单颗粒强度与变形特性提供参考。     

海啸波作用下泥沙运动——Ⅱ.床沙组成变化分析

在波浪水槽实验的基础上,对海啸波作用下的床沙组成变化规律开展研究。实验采用1/10~1/20的组合坡度,选取N波作为入射波。实验对波高进行采集,对波浪的上爬、回落和水跃过程进行拍摄记录,对每个波作用后的地形进行测量,并对初始和最终的床面顶层泥沙进行采样筛分。实验结果表明,N波作用下泥沙在离岸区水跃发生区域堆积,淤积沙坝泥沙粒径呈粗化趋势。同时采用规则波和非规则波进行对比,波浪作用后形成岸滩也为沙坝剖面,淤积沙坝泥沙粒径呈细化趋势,结果均遵循Çelikoğlu提出的泥沙运动的基本规律,细颗粒泥沙会在强烈的紊动作用下从床面中被筛选出来,并被搬运到低紊动地区,此过程造成了剧烈紊动区泥沙的粗化。     

Enhancing PIV image and fractal descriptor for velocity and shear stresses propagation around a circular pier

In this study,the fractal dimensions of velocity fluctuations and the Reynolds shear stresses propagation for flow around a circular bridge pier are presented.In the study reported herein,the fractal dimension of velocity fluctuations(u′,v′,w′) and the Reynolds shear stresses(u′v′ and u′w′) of flow around a bridge pier were computed using a Fractal Interpolation Function(FIF) algorithm.The velocity fluctuations of flow along a horizontal plane above the bed were measured using Acoustic Doppler Velocity meter(ADV)and Particle Image Velocimetry(P1V).The PIV is a powerful technique which enables us to attain high resolution spatial and temporal information of turbulent flow using instantaneous time snapshots.In this study,PIV was used for detection of high resolution fractal scaling around a bridge pier.The results showed that the fractal dimension of flow fluctuated significantly in the longitudinal and transverse directions in the vicinity of the pier.It was also found that the fractal dimension of velocity fluctuations and shear stresses increased rapidly at vicinity of pier at downstream whereas it remained approximately unchanged far downstream of the pier.The higher value of fractal dimension was found at a distance equal to one times of the pier diameter in the back of the pier.Furthermore,the average fractal dimension for the streamwise and transverse velocity fluctuations decreased from the centreline to the side wall of the flume.Finally,the results from ADV measurement were consistent with the result from PIV,therefore,the ADV enables to detect turbulent characteristics of flow around a circular bridge pier.     

Flocculation Potential of Estuarine Particles: The Importance of Environmental Factors and of the Spatial and Seasonal Variability of Suspended Particulate Matter

Estuarine systems are complex environments where seasonal and spatial variations occur in concentrations of suspended particulate matter, in primary constituents, and in organic matter content. This study investigated in the laboratory the flocculation potential of estuarine-suspended particulate matter throughout the year in order to better identify the controlling factors and their hierarchy. Kinetic experiments were performed in the lab with a “video in lab” device, based on a jar test technique, using suspended sediments sampled every 2 months over a 14-month period at three stations in the Seine estuary (France). These sampling stations are representative of (1) the upper estuary, dominated by freshwater, and (2) the middle estuary, characterized by a strong salinity gradient and the presence of an estuarine turbidity maximum. Experiments were performed at a constant low turbulent shear stress characteristic of slack water periods (i.e., a Kolmogorov microscale >1,000 μm). Flocculation processes were estimated using three parameters: flocculation efficiency, flocculation speed, and flocculation time. Results showed that the flocculation that occurred at the three stations was mainly influenced by the concentration of the suspended particulate matter: maximum floc size was observed for concentrations above 0.1 g l⁻¹ while no flocculation was observed for concentrations below 0.004 g l⁻¹. Diatom blooms strongly enhanced flocculation speed and, to a lesser extent, flocculation efficiency. During this period, the maximum flocculation speed of 6 μm min⁻¹ corresponded to a flocculation time of less than 20 min. Salinity did not appear to automatically enhance flocculation, which depended on the constituents of suspended sediments and on the content and concentration of organic matter. Examination of the variability of 2D fractal dimension during flocculation experiments revealed restructuring of flocs during aggregation. This was observed as a rapid decrease in the floc fractal dimension from 2 to 1.4 during the first minutes of the flocculation stage, followed by a slight increase up to 1.8. Deflocculation experiments enabled determination of the influence of turbulent structures on flocculation processes and confirmed that turbulent intensity is one of the main determining factors of maximum floc size.     

流态化多级速度梯度混凝反应对絮体的保护作用

多级速度梯度的建立理论上可为絮体的成长创造更理想的环境。目前对流化床混凝工艺的研究多是基于单级速度梯度开展的。以粒径为800 μm 和1 200 μm的树脂颗粒为固相,建立多级速度梯度流化床混凝装置,探讨絮体的成长与形态特征。研究结果表明：在单级速度梯度流化床混凝装置中,当以1 200 μm树脂颗粒为固相颗粒、混凝时间为50.3 s时,絮体发生破碎,混凝效率较混凝时间为41.8 s时降低3%;相同初始填充高度的多级速度梯度条件下,絮体尺寸随着混凝时间的延长而逐渐增加,由5.7 μm成长至70.0~75.0 μm,同时混凝效率也较单级速度梯度下提高了5%~10%。絮体之间的碰撞为絮体成长的主要模式。     

泥沙影响流速分布规律的试验研究

挟沙水流中泥沙颗粒的存在将影响水流的紊动结构,并进一步影响水流流速分布。采用超声流速仪MicroADV测量挟沙水流的时均流速沿垂线分布,分析了在不同水力条件、不同泥沙条件(包括泥沙浓度及颗粒粒径)下泥沙与水流相互作用对流速沿垂线分布的影响,在此基础上,考虑到现有流速分布公式在实际河道水流流速沿垂线分布中的应用,提出新的指数型流速分布公式形式;并根据实验资料,初步检验了该公式的精度,同时分析了指数型流速公式中系数k和指数m随泥沙浓度s、粒径d以及水力条件的变化规律。结果表明:系数k随泥沙浓度的增加而增大,同时水力条件以及泥沙颗粒粒径同样也影响着k的变化;而指数m随粒径d的增大而减小,随泥沙浓度s的增加而增大。     

粗糙透水床面明渠水流的垂线流速分布

为了进一步揭示粗糙透水床面明渠水流运动特性,针对垂线流速分布研究存在的问题,根据边界层理论,推导了含有摩阻流速、理论床面流速和原点位移等3个参数的修正对数公式;通过水槽试验,运用激光多普勒测速仪,分别对用直径1 cm玻璃珠构成的粗糙不透水和透水床面明渠水流的垂线流速分布进行了测量。结果表明:推导的修正对数公式与实测符合很好;相同水流条件下,透水床面的摩阻流速要大于不透水床面,各自的阻力系数保持基本不变;理论床面流速是主流平均流速的0.35~0.45倍,且床面相对流速随着雷诺数的增大而略有减小。     

基于遥感和GIS的新疆绿洲城市扩展时空动态变化分析

以新疆16座城市为研究对象, 运用多时相卫星遥感资料, 利用遥感和GIS技术提取城市的空间特征信息, 并通过城市扩展强度、扩展速率以及城市空间形态紧凑度和分形维数等指标定量分析了1990-2010年以来新疆城市扩展时空动态变化的过程和特征. 结果表明: 新疆城市的空间分布由其独特的自然环境和绿洲经济所决定, 许多城市的发展依托于绿洲, 城镇的形成具有"亲水性"的特点, 由于新疆地域辽阔, 交通干线附近往往形成城镇相对集中的城市带或城市群. 南北疆城市之间在扩展速度及强度上存在较明显的差异, 位于北疆天山北坡经济带上的城市大多属于扩展速度相对较快、扩展强度相对较大的扩张类型, 而南疆城市的扩展速度则相对较慢、扩展强度也相对较小.通过对城市紧凑度和分维数变化的分析发现, 新疆城市平均紧凑度呈下降趋势, 而分形维数呈增长的趋势, 说明整体上新疆城市空间结构有趋于松散化的趋势, 城市的空间结构不够合理, 有待改善.     

宽窄相间河道水流紊动特性试验研究

为了探索宽窄相间河道的水流紊动特性,以西南地区宝兴河上游宽窄相间河段为研究对象,基于室内概化模型试验,采用多普勒声学流速仪(ADV)测量了室内模型典型断面上的三维瞬时流速,分析典型断面上的纵向时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果显示:宽窄相间水槽中,扩散段边壁的紊动强度大于中心区域的紊动强度,最大值位于0.2倍水深处;扩散段两侧坡脚处紊动能最大;侧壁区的平面和立面雷诺切应力最大值出现在扩散段内,中心区域最大雷诺切应力位于两槽间的中间断面处;扩散段内水流紊乱,两侧出现旋涡和涡脱,易造成侧壁侵蚀加强,引起河道拓宽。深入分析了宽窄相间河道水流的紊动特性,可为山区河流治理和自然灾害防治提供参考。     

宽窄相间河道水流紊动特性试验研究

为了探索宽窄相间河道的水流紊动特性，以西南地区宝兴河上游宽窄相间河段为研究对象，基于室内概化模型试验，采用多普勒声学流速仪（ADV）测量了室内模型典型断面上的三维瞬时流速，分析典型断面上的纵向时均流速、紊动强度、雷诺切应力和紊动能的分布规律。试验结果显示：宽窄相间水槽中，扩散段边壁的紊动强度大于中心区域的紊动强度，最大值位于0.2倍水深处；扩散段两侧坡脚处紊动能最大；侧壁区的平面和立面雷诺切应力最大值出现在扩散段内，中心区域最大雷诺切应力位于两槽间的中间断面处；扩散段内水流紊乱，两侧出现旋涡和涡脱，易造成侧壁侵蚀加强，引起河道拓宽。深入分析了宽窄相间河道水流的紊动特性，可为山区河流治理和自然灾害防治提供参考。