李甜甜

(安徽沃特水務(wù)科技有限公司，安徽 合肥 230000)

1 引言

1.1 選題背景與研究意義

一直以來,用實(shí)體模型的試驗(yàn)是處理水利工程問題的重要方法[1]。多年來,人們對河道、水庫、河口等方面進(jìn)行了很多的實(shí)體模型試驗(yàn)研討,在有關(guān)的模擬技術(shù)方面也取得了很大的進(jìn)步。

模型沙的性質(zhì)對模型實(shí)驗(yàn)的可信度和準(zhǔn)確度有著很重要的作用,在現(xiàn)實(shí)的工程試驗(yàn)中,因?yàn)槟嗌尺\(yùn)動很紊亂,需要采取模擬的對象截然不同,選用的模型沙也是多方面的,所以,各方面分析模型沙的特性是提升實(shí)體模型實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的重要方法。

隨著對模型沙實(shí)驗(yàn)的要求越來越高，保障模型沙和原型沙的運(yùn)動相似以及河床變形相似的因素，綜合思考原型沙的實(shí)踐條件、研究問題的本質(zhì)、模型幾何比尺等,來符合模型沙和原型沙在運(yùn)動方面的類似特征,選定模型沙材料和顆粒級配等[2]。因此,需要分析常用模型沙材料的性質(zhì)及其適用的場合。

1.2 國內(nèi)外的研究動態(tài)

1.2.1 粉煤灰的研究動態(tài)

粉煤灰作為火電廠排出的主要固體產(chǎn)物，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，粉煤灰慢慢成為現(xiàn)在排放量非常大的工業(yè)廢渣[3]，因此國內(nèi)外的很多專家學(xué)者開展了對粉煤灰的研究，對粉煤灰的組成成分和物理化學(xué)性質(zhì)等方面已經(jīng)研究出很多成果，使粉煤灰得到足夠的開發(fā)運(yùn)用，讓廢棄資源，變廢為寶。隨著人們對粉煤灰構(gòu)造和性質(zhì)上的了解一直加深，粉煤灰的運(yùn)用在以后的日子里會有更大的發(fā)展[4]。

1.2.2 模型沙沉降速度的研究

模型沙的沉速研究，在國內(nèi)外有很多專家進(jìn)行過研究，并取得重要成果，例如美國的Meyer Peter[5]研究了輕質(zhì)沙的運(yùn)移特性。吳華林[6]教授曾推導(dǎo)過均勻沙的沉速公式,在前人研究的基礎(chǔ)上，引入了黏度的概念。張耀哲[7]教授以物理運(yùn)動學(xué)分析為基礎(chǔ)，根據(jù)泥沙受力平衡和運(yùn)動特點(diǎn),模擬了均勻群體泥沙沉降過程中，通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析，驗(yàn)證了在層流區(qū)和紊流區(qū)的阻力系數(shù)和雷諾數(shù)Re的關(guān)系式,以此基礎(chǔ)上建立均勻泥沙群體沉速公式。

目前對非均勻泥沙的研究相對較少,韓文亮[8]教授研究了非均勻沙的沉降實(shí)驗(yàn)，通過錐形沉降筒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),利用數(shù)學(xué)模型統(tǒng)計分析而得到了非均勻沙的沉速公式，對于非均勻沙的研究還需更深的探討和研究。

1.2.3 粉煤灰模型沙的實(shí)驗(yàn)研究

泥沙模型應(yīng)正確復(fù)演原型河道演變特點(diǎn)和規(guī)律,模型沙的選擇是起關(guān)鍵作用的。長江科學(xué)院河流研究所曾通過室內(nèi)土力學(xué)試驗(yàn)、物理化學(xué)性能分析、玻璃水槽試驗(yàn)和泥沙模型驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)合理論分析等方法 ,對粉煤灰模型沙進(jìn)行了試驗(yàn)研究 ,取得了以下主要成果和結(jié)論：①采用光學(xué)顯微鏡和電鏡觀察成果分析了粉煤灰的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和理化特性 ,明確了d0.076 mm的粉煤灰分散性較好;②用定量數(shù)值對比了粉煤灰干重度及土力學(xué)特性變化規(guī)律與天然泥沙的差異,闡述了選用凝聚力較低的粉煤灰粒徑組作模型沙的機(jī)理;③粒徑為0.027～0.11 mm的粉煤灰模型沙的干重度和起動流速隨時間增加有限 ,不致引起模型沙明顯的板結(jié)和起動相似偏離;④南水北調(diào)中線穿黃泥沙模型驗(yàn)證試驗(yàn)表明 ,粉煤灰模型沙能夠較好地滿足模型試驗(yàn)要求 ,模型挾沙水流物理特性和運(yùn)動規(guī)律與原型相似。

1.3 研究內(nèi)容

本論文研究的模型沙是粉煤灰，通過實(shí)驗(yàn)計算粉煤灰的實(shí)驗(yàn)沉降速度，根據(jù)Rubey公式、Stokes公式、武水公式和統(tǒng)一公式計算理論沉速，然后對比分析實(shí)驗(yàn)沉速。

2 粉煤灰模型沙概述

2.1 模型沙的類型

常用的模型沙大約10余種：煤粉、粉煤灰、電木粉、核桃殼粉、木屑、滑石粉、塑料沙、塑料合成模型沙等，天然沙在一些模型中也得到了應(yīng)用[9]。塑料沙的顆粒呈珠狀，不具有親水性而導(dǎo)致形成的床面地形穩(wěn)定性差[10]。煤粉、電木粉特性穩(wěn)定，粒徑分布大，化學(xué)穩(wěn)定性較好,所以是比較好的模型沙,但也有缺點(diǎn)，比如容重比較大,若用于要求較細(xì)的模型沙會出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差。核桃殼粉由于不能大量生產(chǎn),所以在實(shí)驗(yàn)中不是經(jīng)常使用?；邸⒚夯乙?yàn)榛瘜W(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，顆粒的粒徑比較小,試驗(yàn)中也是很少使用。從目前已經(jīng)研究的實(shí)體模型實(shí)驗(yàn)來看電木粉, 塑料沙、木屑這三種模型沙得到的應(yīng)用最廣,因?yàn)樗鼈兊倪m用性強(qiáng),在不同類型的泥沙模型中都可以使用。

2.2 粉煤灰的性質(zhì)

2.2.1 物理性質(zhì)

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰。作為顆粒存在的粉煤灰礦物成分、形態(tài)以及顆粒大小都是不一樣的[11]。一般把粉煤灰的形狀分為珠狀顆粒和渣狀顆粒[12]：珠狀顆粒大多是不規(guī)則玻璃體，大部分是類似球體的顆粒組成的，有的顆?；瘜W(xué)成分有所不同，但外觀相同[13]。而渣狀顆粒有玻璃渣粒、鈍角顆粒、碎屑、炭粒以及粘聚顆粒。粉煤灰的質(zhì)量是否好也是因?yàn)檫@5種顆粒的不同組合形式形成的。

粉煤灰顆粒從微觀角度上，其表面比較粗糙，而且有很多的棱角和孔隙,一般是灰黑色[14],由于未燃盡碳分的存在,碳粒常以多孔顆粒的粉態(tài)存在,蓄水孔腔多,需水量大。細(xì)顆?；钚暂^高,而且顆粒越細(xì),活性越高。

2.2.2 化學(xué)性質(zhì)

粉煤灰是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰。粉煤灰中的主要氧化物一般是：二氧化硅、三氧化二鋁、氧化亞鐵、三氧化二鐵、氧化鈣、氧化鎂等。由于原煤的產(chǎn)地不同，以及原煤的品質(zhì)和火電廠燃燒的方式不同，產(chǎn)生了不同粒徑、不同的物理化學(xué)特性的粉煤灰，粉煤灰在潮濕的環(huán)境中極易發(fā)生化學(xué)變化,產(chǎn)生粘性,因而固結(jié)或板結(jié)嚴(yán)重?；钚暂^強(qiáng)粉煤灰遇水會發(fā)生水化反應(yīng),容易產(chǎn)生絮凝狀以及沉降后可能產(chǎn)生板結(jié)現(xiàn)象。

3 粉煤灰模型沙的粒徑篩選實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)概述

粉煤灰模型沙的篩選是測定粉煤灰中各種粒徑組所占的質(zhì)量比例，以分析清楚各組粒徑的分布情況，將粉煤灰的篩選結(jié)果，做出級配分析表，和粉煤灰粒徑累計頻率曲線，從而得出實(shí)驗(yàn)的粉煤灰的粒徑分布特征值。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

實(shí)驗(yàn)是在寬敞明亮不受陽光直接照射，不受震噪聲影響，干燥無浮塵，溫度和濕度比較穩(wěn)定適宜的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)時的室溫為22.5 ℃，空氣濕度為69%。得到的實(shí)驗(yàn)初始數(shù)據(jù)見表1。

表1 粉煤灰粒徑分布統(tǒng)計

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的初始數(shù)據(jù)，對不同粒徑范圍的粉煤灰進(jìn)行了分析，各組粒徑所占的比例見圖1所示。

圖1 粒徑頻率分布

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以看出實(shí)驗(yàn)所用的粉煤灰的粒徑分布，其中粒徑范圍在0.05～0.075 mm的粉煤灰占整個粉煤灰的比例最大，比例為26.7%，粒徑分布基本在大于0.05 mm，占了整個粉煤灰的94.9%，而粒徑小于0.05 mm的粉煤灰僅占5.1%。

粉煤灰的粒徑組顆粒級配分析見表2。

表2 粉煤灰篩分結(jié)果

根據(jù)粉煤灰的篩分結(jié)果，對表2的第五豎列(小于各篩孔的質(zhì)量百分比)繪制級配曲線見圖2。在圖2中，可讀出縱坐標(biāo)為50%的橫坐標(biāo)為0.092 mm(圖中紅色標(biāo)記點(diǎn))，即粉煤灰模型沙樣中中值粒徑D50=0.092 mm。

圖2 粒徑累積頻率曲線(級配曲線)

根據(jù)表2的第六豎列和第七豎列數(shù)據(jù)，采用前述的算術(shù)平均粒徑、幾何平均粒徑計算公式，可以計算該粉煤灰模型沙的算術(shù)平均粒徑Dm、幾何平均粒徑Dmg分別為：0.065 mm、0.153 mm。

4 粉煤灰模型沙的沉速實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)概述

對粉煤灰模型沙來說，沉降速度是很重要的水力性質(zhì)。限于實(shí)驗(yàn)室的條件，本次粉煤灰的沉速實(shí)驗(yàn)采用肉眼直接觀察的方法來觀測，通過秒表在記錄的位置計時，按照粉煤灰的粒徑分組做靜水沉降法實(shí)驗(yàn)，從而測算出沉速。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

4.2.1 實(shí)驗(yàn)沉速

實(shí)驗(yàn)時采用的純凈水的溫度為21.5 ℃。

試驗(yàn)中用秒表記錄了各組粒徑在到達(dá)沉降管中0 cm，60 cm，70 cm，80 cm刻度的時間，實(shí)驗(yàn)的初始數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 沉降時間統(tǒng)計

對實(shí)驗(yàn)的初始數(shù)據(jù)整理后算得各粒徑組的平均沉降速度，統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

表4 各組實(shí)驗(yàn)沉速統(tǒng)計

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)沉速統(tǒng)計，可以初步看出粉煤灰模型沙和自然沙有相似的沉降規(guī)律，粉煤灰的沉降速度是跟粒徑的變大而變增大。由于實(shí)驗(yàn)器材有限，不排除實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生誤差導(dǎo)致。

4.2.2 理論沉速

本次實(shí)驗(yàn)的粉煤灰模型沙粒徑均在0.15 mm及以下，可根據(jù)特定的公式直接算出理論沉降速度，下面是常用的Rubey公式、Stokes公式、武水公式和統(tǒng)一公式。

(1)Rubey公式：

(1)

(2)武水公式：

(2)

(3)Stokes公式：

(3)

(4)

(4)統(tǒng)一公式：

(5)

對實(shí)驗(yàn)的粉煤灰粒徑組取上下兩篩中徑(中值粒徑)，得到如下四組實(shí)驗(yàn)的粉煤灰粒徑代表各組粉煤灰粒徑組，分別是0.122 mm(0.15>Φ>0.10)，0.087 mm(0.10>Φ>0.075)，0.061 mm(0.075>Φ>0.05)，0.044 mm(0.05>Φ>0.038)，來求出各粒徑組的理論沉速。

對于D=0.061 mm的粉煤灰模型沙，Stokes公式計算的沉降速度理論值與Rubey公式和統(tǒng)一公式基本相同。

對于D=0.044 mm的粉煤灰模型沙，Stokes公式計算的沉降速度理論值與Rubey公式、武水公式和統(tǒng)一公式計算的理論沉速值大致都相同。

4.3 數(shù)據(jù)對比與分析

總結(jié)上述四組粉煤灰粒徑組中值粒徑的理論沉降速度，總結(jié)見表5。可看到統(tǒng)一公式和Rubey公式的理論沉速值差不多，武水公式的計算理論沉速值在各個粒徑組都要偏小一些，當(dāng)Re<0.1時,斯托克斯公式的沉降速度計算值與羅賓公式計算值大體相同。

表5 中值粒徑理論沉降統(tǒng)計

結(jié)合前述的粉煤灰沉速實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，由于中值粒徑計算的理論沉速與實(shí)驗(yàn)沉速相差較大，是由于實(shí)驗(yàn)中所測的時間均為最大粒徑沉降的時間，所以下面用上述同樣的計算方法，以每組粒徑范圍的最大粒徑為代表計算理論沉速，計算結(jié)果統(tǒng)計如表6所示。

表6 最大粒徑理論沉速對比

由表6可見，粉煤灰模型沙具有和自然沙類似的沉降規(guī)律，沉降速度都是跟著粒徑的大小而變化，但總體看來，粉煤灰模型沙的實(shí)驗(yàn)沉速普遍比單顆粒理論沉速大，更加證明了粉煤灰在水中的沉降不是以單顆粒的形式沉降的，而是以群體的形式沉降的，群體沉降相對復(fù)雜，影響因素包括：粉煤灰粒徑、濃度、水體質(zhì)量等方面，從實(shí)驗(yàn)得到的時間沉降速度統(tǒng)計，可以看出，當(dāng)粉煤灰粒徑較低時，相對沉速隨粒徑增大而增大，在粒徑達(dá)到一定值后，相對沉降速度反而跟粒徑變大而變小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象是由于細(xì)顆粉煤灰聚集成絮團(tuán)，加大了沉速。

5 結(jié)論

粉煤灰作為可利用能源，本文對粉煤灰進(jìn)行物理特性和運(yùn)動特性實(shí)驗(yàn)研究，參照前人對其它模型沙的特性研究，對粉煤灰的粒徑分布、沉速特點(diǎn)，得到如下結(jié)論。

(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到本實(shí)驗(yàn)所用的粉煤灰的粒徑分布，其中粒徑范圍在0.05～0.075 mm的粉煤灰占整個粉煤灰的比例最大，比例為26.7%，粒徑分布基本在大于0.05 mm，占了整個粉煤灰的94.9%，而粒徑小于0.05 mm的粉煤灰僅占5.1%。

(2)實(shí)驗(yàn)多用的粉煤灰模型沙的中值粒徑D5為0.092 mm。

粉煤灰模型沙和自然沙有相似的沉降規(guī)律，粉煤灰的沉降速度是跟著粒徑變大而變大，粉煤灰在水中下沉的過程中并非為單個顆粒沉降的，而是以群體的形式沉降的。