呂楚岫, 許國(guó)輝??, 任宇鵬, 陳昌昀, 許興北

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 2.中國(guó)海洋大學(xué)山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

研究簡(jiǎn)報(bào)

不同含沙量渾水體流變特性試驗(yàn)研究?

呂楚岫1,2, 許國(guó)輝1,2??, 任宇鵬1,2, 陳昌昀1,2, 許興北1,2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100； 2.中國(guó)海洋大學(xué)山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

海底構(gòu)筑物會(huì)被運(yùn)動(dòng)的渾水流沖擊破壞，渾水流的運(yùn)動(dòng)能力受到渾水體流變特征的影響。由此需要關(guān)注渾水體流變特征發(fā)生變化的含沙量界限。本文采用流變儀試驗(yàn)和水槽試驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)不同含沙量的渾水體進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，淡水介質(zhì)情況下牛頓流體和賓漢流體的過(guò)渡界限含沙量范圍在340～400g/L；牛頓流體、賓漢流體、及其過(guò)渡界限流體的運(yùn)動(dòng)宏觀特征不同，流速有差異。通過(guò)對(duì)渾水體中顆粒分布的分析，認(rèn)為顆粒表面的結(jié)合水膜對(duì)流變特性幾乎沒(méi)有影響，以顆粒為固壁的水流邊界層厚度可能對(duì)渾水體流變特性有影響，而顆粒之間形成的孔隙造成的毛細(xì)作用是影響不同含沙量渾水體流變特性的重要因素。

渾水體；流變；過(guò)渡界限含沙量；流變儀試驗(yàn)；水槽試驗(yàn)

近年，在海洋建筑物的建設(shè)和使用中，發(fā)生了多次海底通信電纜遭到破壞的事件[1]。多年的現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室研究成果證明，這些事件很多是由于水下含沙渾水體，包括濁流、碎屑流等的運(yùn)動(dòng)造成的[1]。如1929年Grand Banks發(fā)生了7.2級(jí)地震引發(fā)了海底滑坡和濁流，沿途切斷12條電纜[2]，2006年屏東大地震后濁流沿高屏峽谷進(jìn)入馬尼拉海溝沿途切斷多條通訊電纜[3],2009年的莫拉克濁流導(dǎo)致臺(tái)灣西南外海多條通訊電纜遭到破壞的事件[4]。在河口、海底峽谷、水庫(kù)中，由于粘土懸浮于水體中而形成渾水，渾水具有明顯的異重流特征，能攜帶泥沙流動(dòng)很遠(yuǎn)距離[5]。研究水下含沙渾水體的運(yùn)動(dòng)對(duì)海底結(jié)構(gòu)物的安全設(shè)計(jì)很重要，而水下渾水體的含沙量不同，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也不同[6]。水下含沙渾水體運(yùn)動(dòng)的距離，決定其中泥沙最終的沉積位置，而計(jì)算其動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)過(guò)程,需要清楚渾水體的流變特征，對(duì)此Elverh?i等人進(jìn)行過(guò)總結(jié)[7]。

物體在受力過(guò)程中產(chǎn)生變形且存在與時(shí)間有關(guān)的變形性質(zhì)即為流變[8]。流變學(xué)從一開(kāi)始就是作為一門實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展起來(lái)的，因此實(shí)驗(yàn)是研究流變學(xué)的主要方法之一。目前，國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)利用不同流變儀對(duì)懸浮液、油體、灌漿材料等流體的流變性研究[9-12]。其中張凱等人利用Brookfield流變儀對(duì)勝利油田不同油區(qū)的稠油在不同溫度與剪切速率下的流變特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并討論了采用賓漢、冪律及廣義賓漢本構(gòu)方程在稠油的非牛頓流變特性的適用性[13]。研究牛頓流體和非牛頓流體的流變學(xué)特性，有助于研究者建立起流體本構(gòu)方程，對(duì)利用數(shù)學(xué)來(lái)描繪流體的運(yùn)動(dòng)具有重要意義[14]。

流變學(xué)研究的是流體和固體形態(tài)物質(zhì)的流動(dòng)和變形特征，即剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間的關(guān)系，流變特征是流體的基本特征，所有流體在流變學(xué)上可分為牛頓流體和非牛頓流體兩大類[15]，Shanmugam經(jīng)過(guò)對(duì)1950—1990年發(fā)表的關(guān)于水下含沙流體含沙量的測(cè)試值進(jìn)行總結(jié)，給出牛頓流體和非牛頓流體的界限體積含沙量值一般為20%～25%[16]。

除此之外，F(xiàn)elix等人在2005年進(jìn)行了濁流速度與含沙量的結(jié)合測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)在同一測(cè)量高度的速度與含沙量的變化相似性進(jìn)行了描述，結(jié)果顯示變化相似性取決于流體的含沙量和測(cè)量位置[6]，Hale等人2013年在新西蘭poverty海灣海底進(jìn)行的水體含沙量和海底物質(zhì)運(yùn)移的觀測(cè)，懸沙數(shù)據(jù)表明沉積物運(yùn)移主要是由波浪掀沙形成的渾水體運(yùn)動(dòng)引起的[17]?？偨Y(jié)前人做過(guò)的關(guān)于不同含沙量流體流變特性的成果，未有對(duì)不同含沙量渾水體的流變特性進(jìn)行區(qū)分的批量試驗(yàn)證據(jù)，所以本文從粘土含量對(duì)渾水體流變特性影響的角度，用流變儀進(jìn)行淡水中含有不同量的高嶺土的含沙渾水體流變特性試驗(yàn)，分析其流變特性。同時(shí)利用水槽流動(dòng)試驗(yàn)觀察其在宏觀上的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

1 試驗(yàn)方法

為了探究渾水體流變特征發(fā)生變化的界限，首先開(kāi)展不同含沙量渾水體的流變儀測(cè)試試驗(yàn)，得到牛頓流體和賓漢流體間的含沙量臨界范圍。再?gòu)呐ｎD流體、賓漢流體、過(guò)渡界限流體中各選擇一個(gè)代表樣品，進(jìn)行水槽流動(dòng)觀測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)三種流態(tài)的對(duì)比，對(duì)流變?cè)囼?yàn)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1.1 試驗(yàn)儀器與樣品

在流變測(cè)試中使用的儀器是由美國(guó)Brookfield工程試驗(yàn)室公司生產(chǎn)的R/S+流變儀。測(cè)試時(shí)所用轉(zhuǎn)子為同軸轉(zhuǎn)子，型號(hào)MK3-CC40-DIN。在水槽流動(dòng)觀測(cè)試驗(yàn)中，試驗(yàn)用的水槽尺寸為長(zhǎng)50cm，寬25cm，高20cm。水槽一端高出1.5cm，底部是傾斜角度為1.72°的斜坡；在水槽底部較高一側(cè)的3cm處設(shè)置一釋放渾水流體的閘門，1L渾水在渾水槽中的高度為14.3cm；渾水釋放前在水槽中放水淹沒(méi)整個(gè)底坡，水面高度與閘門出流口底部一致。水槽結(jié)構(gòu)布局與尺寸如圖1。

圖1 水槽結(jié)構(gòu)布局與尺寸

本次試驗(yàn)用土為高嶺土，平均粒徑為3.7μm，屬黏粒。試驗(yàn)中，取不同質(zhì)量的黏土放入水中攪拌均勻，配制成不同含沙量的渾水用于流變及水槽流動(dòng)測(cè)試。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 流變?cè)囼?yàn)

(1)取不同質(zhì)量高嶺土，配制成含沙量為280～550g/L的泥漿樣品。一共進(jìn)行了16個(gè)(280、290、300、310、320、340、360、380、400、420、440、480、500、520、540、550，單位g/L)不同含量的高嶺土流體流變測(cè)試，每個(gè)含沙量平行測(cè)試三組樣。配制過(guò)程中先加入水再加入高嶺土，以減少水土混合時(shí)高嶺土顆粒的溢出。

(2)將配制好的樣品攪拌均勻后，進(jìn)行試驗(yàn)土樣的流變測(cè)試。本試驗(yàn)采用等剪切率測(cè)試程序(剪切率為定值，即不同含沙量樣品試驗(yàn)時(shí)，相同時(shí)刻轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度一致)。設(shè)置測(cè)試時(shí)間為300s，間隔測(cè)數(shù)時(shí)間為4s，測(cè)試點(diǎn)共75個(gè)。無(wú)溫度控制。

(3)整個(gè)測(cè)試程序運(yùn)行完成后，樣品的流變測(cè)試結(jié)果將顯示在窗口中，包括黏度隨剪切率的變化曲線與剪切力隨剪切率的變化曲線。

1.2.2 水槽流動(dòng)試驗(yàn) 根據(jù)流變?cè)囼?yàn)的結(jié)果，在水槽流動(dòng)試驗(yàn)中，取不同質(zhì)量高嶺土，配制成體積為1L的三種狀態(tài)不同的流體，含沙量分別為100g/L(代表牛頓流體)、360g/L(代表過(guò)渡界限流體)、500g/L(代表賓漢流體)。攪拌均勻后，分別依次快速倒入水槽一端的渾水槽中，抽開(kāi)閘門擋板釋放泥漿，泥漿迅速在水下沿坡(1.72°)流動(dòng)，使用錄像機(jī)錄制其運(yùn)動(dòng)過(guò)程。本試驗(yàn)中視頻錄制幀率為30幀/s，通過(guò)記錄每一次渾水流動(dòng)相同距離的幀數(shù)，換算流動(dòng)的時(shí)間，用距離/時(shí)間求出渾水流動(dòng)的平均速度。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 流變?cè)囼?yàn)結(jié)果

在所做的16個(gè)樣品的流變儀測(cè)試試驗(yàn)中，繪制剪切力—剪切率和粘度—剪切率的關(guān)系特征曲線，較低含沙量的5個(gè)樣品(280～320g/L)的關(guān)系特征曲線表現(xiàn)一致(見(jiàn)圖2，A)，含沙量中等的4個(gè)樣品(340～400g/L)的關(guān)系特征曲線表現(xiàn)一致(見(jiàn)圖2，B、C)，含沙量較高的7個(gè)樣品(420～550g/L)的關(guān)系特征曲線表現(xiàn)一致(見(jiàn)圖2D)。

從圖2中可以看出，隨剪切速率的增大，流體的剪切力呈線性增長(zhǎng)，且含沙量越高，剪切力增長(zhǎng)的速度越快。隨剪切率增大，流體黏度值總體呈下降的趨勢(shì)。結(jié)合表1分析可以看出，在此試驗(yàn)中含沙量低于340g/L時(shí)，黏度變化范圍比較小，黏度值趨向于一條平行于x軸的直線；含沙量高于340g/L時(shí)，黏度曲線形態(tài)明顯發(fā)生改變，黏度變化范圍增大。

2.1.1黏度與剪切速率的變化關(guān)系 將不同含沙量流體在相同剪切率下的黏度值進(jìn)行比較(見(jiàn)圖3)，相同剪切率下，含沙量越低，黏度越小。隨剪切率的增大，各含沙量流體的黏度差越來(lái)越小，黏度值越來(lái)越接近。當(dāng)流體含沙量低于360g/L時(shí)，黏度開(kāi)始時(shí)為0，隨剪切率增加，黏度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在剪切率大于60L/s時(shí)趨于平緩；當(dāng)流體含沙量大于380g/L，小于420g/L時(shí)，黏度值隨剪切率變化范圍小，趨勢(shì)平緩；當(dāng)流體含沙量大于420g/L時(shí)，黏度隨剪切率增加而降低，流體含沙量越大，黏度值降低的幅度越大。

圖2 流變?cè)囼?yàn)結(jié)果圖

含沙量范圍/g·L-1Sedimentconcentration20～100s黏度變化均值k20～100sviscositychangemean相鄰含沙量段(200為界)k的差值k’sDifferentvalueinadjacentsedimentconcentrationrange300～3200．00540．0002320～3400．00560．0008340～3600．00640．0008360～3800．00720．0011380～4000．0083

圖3 不同含沙量渾水體的黏度隨剪切率變化圖

2.1.2 剪切力與剪切率的變化關(guān)系 圖4表示在20、40、60、80、100s時(shí)，不同含沙量渾水體的剪切率所對(duì)應(yīng)的剪切力值。在等剪切率情況下，剪切力隨含沙量增加而變大，同一含沙量的剪切力隨剪切率(轉(zhuǎn)速)增加呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)剪切率小于20L/s時(shí)，含沙量小于400g/L的渾水體剪切力為0。

圖4 不同含沙量渾水體的剪切力隨剪切率變化圖

2.1.3 初始剪切力與含沙量的變化關(guān)系 將初始剪切力隨含沙量的變化關(guān)系繪制成圖5，可以看出，初始剪切力隨含沙量增加而增長(zhǎng)。當(dāng)含沙量低于360g/L時(shí)，初始剪切力線性增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢，當(dāng)含沙量高于360g/L時(shí)，初始剪切力增長(zhǎng)速度增快。

圖5 初始剪切力隨含沙量的變化圖

通過(guò)分析圖2、3、4、5，可以給出渾水體由于含沙量不同，其流變特性將發(fā)生變化；明顯變化的臨界值范圍在340～400g/L。

對(duì)照典型牛頓流體、賓漢流體的黏度-剪切率和剪切力-剪切率的關(guān)系曲線，可以判斷出在所做的16個(gè)樣品的流變儀測(cè)試試驗(yàn)中，較低含沙量的5個(gè)樣品(280～320g/L)表現(xiàn)為牛頓流體特征，含沙量中等的4個(gè)樣品(340～400g/L)不具備典型牛頓流體和典型賓漢流體的特征，為界限過(guò)渡流體，含沙量較高的7個(gè)樣品(420～550g/L)表現(xiàn)為典型賓漢流體特征。因此本文試驗(yàn)給出含沙量值低于340g/L時(shí)，渾水體屬于牛頓流體；當(dāng)含沙量值高于400g/L時(shí)，渾水體屬于賓漢流體；340～400g/L為牛頓流體與賓漢流體的分界含沙量范圍。

2.2 水槽流動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

為了觀測(cè)以上三種不同性質(zhì)的渾水流體在流動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)移狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)(用流速說(shuō)明)，進(jìn)行了三個(gè)代表含沙量(分別為100、360、500g/L)的水槽流動(dòng)試驗(yàn)。根據(jù)前面開(kāi)展的流變儀試驗(yàn)，含沙量為100g/L應(yīng)該表現(xiàn)出更為明顯的牛頓流體特征，因此選用了此含沙量開(kāi)展試驗(yàn)。

2.2.1 渾水體的宏觀運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)

(1)含沙量100g/L渾水體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖6所示，正視與側(cè)視的5個(gè)圖分別是閘門打開(kāi)后0.33、0.63、0.73、0.83、0.97s時(shí)刻的流態(tài)圖。流體出流時(shí)與水快速且強(qiáng)烈混合，形成較厚的頭部，流態(tài)基本穩(wěn)定的時(shí)間約為0.4s。由于含沙量較低，頭部形態(tài)并不保持穩(wěn)定，流體中的顆粒凝聚力較小，表層流體顆粒運(yùn)動(dòng)速度明顯比底層快，肉眼觀察到流體周圍水體渾濁度較高。通過(guò)計(jì)算，流體頭部表層運(yùn)動(dòng)到距閘門32cm處用時(shí)0.83s,平均速度為38.313cm/s，流體頭部底層運(yùn)動(dòng)至距閘門32cm處用時(shí)0.93s,平均速度為34.194cm/s。

圖6 100g/L渾水體流動(dòng)記錄圖

(2)含沙量360g/L渾水體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖7所示，正視與側(cè)視的5個(gè)圖分別是閘門打開(kāi)后0.33、0.63、0.73、0.83、0.97s時(shí)刻的流態(tài)圖。流體出流時(shí)與水快速且強(qiáng)烈混合，形成較厚的頭部，流態(tài)基本穩(wěn)定的時(shí)間約為0.27s。在流動(dòng)過(guò)程中，有輕微的滑水現(xiàn)象。且頭部形態(tài)很穩(wěn)定，流體中的顆粒凝聚力比較強(qiáng)，肉眼觀察到流體周圍水體渾濁度低。通過(guò)計(jì)算，流體頭部運(yùn)動(dòng)到距閘門32cm處用時(shí)1s,平均速度為31.8cm/s。

(3)含沙量500g/L渾水體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖8所示，正視與側(cè)視的5個(gè)圖分別是閘門打開(kāi)后0.1、0.2、0.27、0.33、0.47s時(shí)刻的流態(tài)圖。流體出流時(shí)與水快速且強(qiáng)烈混合，形成較厚的頭部，流態(tài)基本穩(wěn)定的時(shí)間約為0.23s。在流動(dòng)過(guò)程中，滑水現(xiàn)象更加明顯，且頭部形態(tài)比較穩(wěn)定，流體中的顆粒凝聚力中等，肉眼觀察到流體周圍水體渾濁度低。通過(guò)計(jì)算，流體頭部表層運(yùn)動(dòng)到距閘門32cm處用時(shí)0.57s,平均速度為55.789cm/s；流體頭部底層運(yùn)動(dòng)到距閘門32cm處用時(shí)0.63s，平均速度為50.476cm/s。

2.2.2 三種狀態(tài)流體的對(duì)比 三組含沙量渾水體流動(dòng)對(duì)比見(jiàn)表2。500g/L渾水流體即賓漢流體的流動(dòng)速度最快，且表層與底層速度差最大，流體下方有一層水層始終包圍其頭部，滑水現(xiàn)象十分明顯。100g/L的牛頓流體速度比賓漢流體形成的渾水流速度小，顆粒擴(kuò)散明顯，滑水現(xiàn)象不明顯。360g/L的過(guò)渡態(tài)流體形成的渾水流速度最小，可以明顯看出黏土顆粒幾乎沒(méi)有松散分離，擴(kuò)展過(guò)程呈整體向前推進(jìn)，有輕微滑水現(xiàn)象。

圖7 360g/L渾水體流動(dòng)記錄圖

圖8 500g/L渾水體流動(dòng)記錄圖

含沙量/g·L-1Sedimentconcentration流體形成穩(wěn)定形態(tài)所需時(shí)間t/sTimeforfluidforming流體底層至32cm處平均速度v1/cm·s-1Bottomfluidvelocityat32cm流體表層至32cm處平均速度v2/cm·s-1Surfacefluidvelocityat32cm1000．4034．1938．313600．2731．8031．805000．2350．4855．79

本試驗(yàn)水槽材質(zhì)為光滑玻璃，采用平面光滑水流流動(dòng)來(lái)反映流體狀態(tài)，根據(jù)流體力學(xué)中層流邊界層厚度計(jì)算可知壁面邊界的影響尺寸達(dá)不到mm量級(jí)，水槽邊壁在測(cè)試區(qū)的影響可以不計(jì)。由本水槽渾水流動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果給出，同樣試驗(yàn)條件下,渾水流體運(yùn)動(dòng)速度是:過(guò)渡界限流體<牛頓流體(含沙量低)<賓漢流體(含沙量高)。分析影響流速的主要原因是黏粒含量不同導(dǎo)致的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同。高含沙量的渾水體黏聚性強(qiáng)，流出后在底部水體上易于形成滑水現(xiàn)象，從而有最大流速；含沙量低的渾水體自身流動(dòng)性和擴(kuò)散性均很強(qiáng)，也有較大的流動(dòng)速度；過(guò)渡界限狀態(tài)的流體，含沙量較大，黏度也較大，呈整體運(yùn)動(dòng)，滑水現(xiàn)象不明顯，與坡底摩擦力大，從而流動(dòng)速度減小。

3 討論

對(duì)于含沙渾水，隨著其中黏粒含量的增加，渾水體由牛頓流體變?yōu)榉桥ｎD流體，渾水體的黏性增強(qiáng)。分析其性質(zhì)變化機(jī)制，可能的原因有三個(gè)方面：其一為黏粒含量多時(shí)，黏粒外面的結(jié)合水膜被多個(gè)黏粒共用，增強(qiáng)了水體中黏粒之間的連接性；其二為黏粒與水由于密度不同會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于黏粒增多，某個(gè)黏粒與水相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的流動(dòng)邊界層會(huì)影響其他黏粒的運(yùn)動(dòng)，相互之間作用力發(fā)生變化；其三為黏粒增多后，黏粒與黏粒之間形成的孔隙變小，孔隙表現(xiàn)出毛細(xì)作用，孔隙間的水具有明顯的表面張力作用而使黏粒連接。下面從渾水體的微觀狀態(tài)來(lái)分析其性質(zhì)變化的原因。

3.1含沙渾水的微觀狀態(tài)簡(jiǎn)化模型

本次試驗(yàn)用土為高嶺土，平均粒徑為3.7μm，顆粒密度為2.70×103kg/m3。高嶺土的結(jié)合方式有多種，包括片狀、棒狀等[18]，為了探究顆粒之間的距離關(guān)系問(wèn)題，將黏土顆粒簡(jiǎn)化為球體，小球直徑為d=3.7μm，體積V=2.65×10μm3，質(zhì)量m=6.89×10-11g。黏土顆粒在水中時(shí)會(huì)形成結(jié)合水膜，根據(jù)已有研究者給出的黏土顆粒結(jié)合水膜厚度[19,20]，本文選用結(jié)合水膜厚度為0.2μm。

假設(shè)渾水體中顆粒是均勻分布的，其立體排列方式應(yīng)該是以顆粒為節(jié)點(diǎn)的立方錐體。繼續(xù)簡(jiǎn)化為二維平面情況，渾水中黏土顆粒的排列方式為等邊三角形。

在二維平面中渾水中黏土顆粒為等邊三角形分布的模式下，渾水中黏土含量為100、360、500g/L時(shí)，其1L渾水中黏土顆粒總數(shù)分別為1.397×1012、5.019×1012、6.981×1012個(gè)，顆粒間平均距離分別為28.16、9.66、8.19μm。三種黏土含量的渾水中顆粒分布情況如圖9所示。

圖9 不同含沙量渾水中黏土顆粒分布圖

3.2 結(jié)合水膜對(duì)渾水體流變特性的影響

分析含沙渾水由于黏粒含量的增加而導(dǎo)致粘性增強(qiáng)的第一個(gè)原因，是黏粒外面形成的結(jié)合水膜被多個(gè)黏粒共用而造成。本次試驗(yàn)所用高嶺土，顆粒表面吸附水層厚度選擇較大的0.2μm這一數(shù)據(jù)，從圖9給出的顆粒分布模式圖中可以看出，即使500g/L的含沙渾水，其顆粒外的結(jié)合水膜厚度也遠(yuǎn)小于顆粒之間的距離，沒(méi)有結(jié)合水膜被顆粒共用的問(wèn)題，因此可以認(rèn)為粘粒外面的結(jié)合水膜沒(méi)有對(duì)含沙渾水的流變特性產(chǎn)生影響。

3.3 粘粒與水相對(duì)運(yùn)動(dòng)的邊界層影響

據(jù)近期Jose等人所做的研究，層流狀態(tài)的牛頓流體流經(jīng)平板上的半球形障礙物(h=1mm)時(shí)的邊界層厚度約為0.5mm，障礙物高度與邊界層厚度比為2∶1[21]。類比于此實(shí)驗(yàn)結(jié)果，假設(shè)本研究中水流經(jīng)過(guò)黏粒時(shí)會(huì)形成更厚的邊界層，障礙物高度與邊界層厚度比為1∶1，由于粘土顆粒半徑r=1.85μm，把本文中的邊界層厚度定為1.85μm。顆粒間距離關(guān)系如圖10?？梢钥闯?，含沙量越高的渾水體，黏粒邊界層之間的距離越近。在水槽流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中含沙量最高為500g/L，相鄰兩顆粒邊界層此時(shí)沒(méi)有相交，但間隔距離已經(jīng)很小。由此我們推斷，黏粒與水相對(duì)運(yùn)動(dòng)的邊界層可能會(huì)對(duì)不同含沙量渾水體的流變特性造成影響，但不是決定性因素。

圖10 不同含沙量顆粒邊界層分布圖

3.4 顆粒間孔隙的毛細(xì)作用影響

為了探討顆粒間可能產(chǎn)生的毛細(xì)作用及其對(duì)顆粒間粘聚作用的影響，本文引入當(dāng)量孔徑de的概念。當(dāng)量孔徑是指顆粒所圍孔隙的代表面積等效為圓的情況下的等效圓的直徑。在本文中考慮二維平面模型情況下，當(dāng)量粒徑表達(dá)的模式如圖11所示。粘土顆粒以等邊三角形排列，過(guò)各顆粒圓的圓心畫一大圓，大圓面積減去各個(gè)顆粒圓被大圓所圍的面積之和，即為顆粒所圍孔隙的代表面積。由定義的當(dāng)量孔徑定義可以給出，當(dāng)量孔徑越大，顆粒所圍孔隙的毛細(xì)作用就越小。

圖11 含沙渾水體顆粒分布圖

α為大圓內(nèi)所切顆粒圓圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角。

隨渾水體含沙量從高到低，當(dāng)量孔徑由小到大，顆粒分布由緊密到松散。對(duì)流變儀試驗(yàn)的含沙量渾水體中粘土顆粒組成的當(dāng)量孔徑進(jìn)行計(jì)算，所得數(shù)據(jù)與測(cè)試得到的初始剪切力和粘度關(guān)系作圖得到圖12和13。

圖12 初始剪切力隨當(dāng)量孔徑de變化圖

圖13 100s時(shí)粘度值隨當(dāng)量孔徑de變化圖

圖12中，含沙量340g/L為初始剪切力變化的分界值，當(dāng)渾水體含沙量高于340g/L時(shí)，初始剪切力隨當(dāng)量孔徑de變化幅度大，當(dāng)含沙量低于340g/L時(shí)，初始剪切力隨當(dāng)量孔徑變化幅度小。圖13中，100s的粘度值隨當(dāng)量孔徑變化規(guī)律與圖12的相同。

本文構(gòu)造的當(dāng)量粒徑的概念，是為探討顆粒間可能產(chǎn)生的毛細(xì)作用及其對(duì)顆粒間粘聚作用的影響。從封閉的毛管作用來(lái)說(shuō)，直徑為1cm時(shí)毛細(xì)作用已很明顯，但是對(duì)于非封閉的顆粒組成的孔隙來(lái)說(shuō)，應(yīng)該具有更小的孔隙直徑才能夠有明顯的毛細(xì)作用。在前面探討渾水體粘性形成的分析中，粘土顆粒外面的結(jié)合水膜視為沒(méi)有影響，粘粒與水相對(duì)運(yùn)動(dòng)的邊界層可能具有影響(分析得到即使含沙量為500g/L，相鄰兩顆粒邊界層也沒(méi)有相交)。因此，通過(guò)構(gòu)造顆?？紫兜漠?dāng)量粒徑，比較毛管作用，認(rèn)為顆粒之間形成的孔隙造成的毛細(xì)作用應(yīng)該是較高含沙量渾水體粘聚作用形成的重要原因。由定義的當(dāng)量粒徑和測(cè)試得到的渾水體初始剪切力、粘度之間的變化關(guān)系，認(rèn)為含沙量為340g/L作為渾水體粘性的變化界限，此時(shí)對(duì)應(yīng)的當(dāng)量粒徑為10.63μm。

Packman等人在2004年通過(guò)對(duì)渾水流中控制沉積物運(yùn)移和沉積的物理化學(xué)過(guò)程作用的研究，得出渾水流的行為與水體鹽度值有關(guān)[23]。Shanmugam經(jīng)過(guò)對(duì)1950—1990s發(fā)表的關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)的海底渾水體含沙量的測(cè)試值進(jìn)行總結(jié)，海水中牛頓流體和非牛頓流體的邊界體積含沙量值一般為20%(520g/L)～25%(600g/L)[16]。本文得出的結(jié)果與之有一定差異，流變特性界限值在340～400g/L，是在淡水情況下得出的。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)不同含沙量渾水體的流變?cè)囼?yàn)及水槽試驗(yàn)，給出了黏性土在水中含量不同的情況下其流變特性，同時(shí)，對(duì)不同含沙量渾水體的流動(dòng)的宏觀表現(xiàn)進(jìn)行了描述。在試驗(yàn)的含沙量為100～550g/L范圍內(nèi)的含沙渾水體，分析得出以下結(jié)果：(1)渾水體由于含沙量不同，其流變特性也不同。含沙量值低于340g/L時(shí)，渾水體屬于牛頓流體；當(dāng)含沙量值高于400g/L時(shí)，渾水體屬于賓漢流體；340～400g/L為牛頓流體與賓漢流體的分界含沙量范圍。

(2)不同含沙量渾水體的流動(dòng)表現(xiàn)不同。由于滑水和流體黏性效應(yīng)的綜合影響，試驗(yàn)情況下，含沙量高的非牛頓流體在清水中因?yàn)樾纬苫魉僮羁?，含沙量低的牛頓流體的流速比較慢，處于含沙量臨界值范圍內(nèi)的流體流速最慢。

(3)在假設(shè)粘土顆粒為球狀體的情況下，分析了結(jié)合水膜、邊界層和毛細(xì)作用三個(gè)方面對(duì)含沙渾水體流變特性的影響。顆粒表面的結(jié)合水膜對(duì)渾水體的流變特性幾乎沒(méi)有影響；黏粒與水相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)形成的邊界層可能會(huì)對(duì)渾水體的流變特性造成一定影響；高含沙量渾水體中，顆粒組合形成的孔隙造成的毛細(xì)作用，使水中分散的黏粒間產(chǎn)生連接作用，是影響不同含沙量渾水體流變特性的重要因素。

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責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Experimental Study on the Rheological Properties of Turbid Water in Different Concentrations

LV Chu-Xiu1, 2, XU Guo-Hui1, 2, REN Yu-Peng1, 2, CHEN Chang-Yun1, 2, XU Xing-Bei1, 2

(1.The Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China； 2.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The destruction of the submarine structures is quite often caused by the turbid water movement whilst rheological properties being the essence of turbid water movement ability. Thus we need to do the research about the sediment concentration limits in the changing rheological characteristics of turbid water. Rheometer test and flume experiment was adopted in this research to study the rheological properties of turbid water with different concentrations. The result shows that the transition boundaries of concentration between Newtonian fluid and Bingham fluid are 340～400g/L in fresh water. Macroscopic characteristics of motion and fluid velocity vary accordingly in different fluid type. Through the analysis of particle distribution in turbid water, it is considered that the absorbed water layer of clay particles has no effect on the rheological properties of turbid water wand the flow boundary layer thickness is likely attributable to its rheological properties. The capillary action caused by intergranular pores between particles has been proved to be an important factor attributable to the variation of rheological properties of turbid water with different concentrations.

turbid water; rheological; concentration at transition boundaries; rheometer test; flume test

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41076021)；國(guó)家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201005005-6)資助 Supported by the Project of National Natural Science Foundation of China(41076021);Scientific Research for Marine Public Welfare Industry of State Oceanic Administration(201005005-6)

2015-08-20；

2015-10-11

呂楚岫(1990-)，女，碩士生。E-mail: 328193035@qq.com

?? 通訊作者：E-mail: xuguohui@ouc.edu.cn

P597

A

1672-5174(2017)01-043-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20150270

呂楚岫, 許國(guó)輝, 任宇鵬， 等. 不同含沙量渾水體流變特性試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 47(1): 43-51.

LV Chu-Xiu, XU Guo-Hui, REN Yu-Peng， et al. Experimental study on the rheological properties of turbid water in different concentrations[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(1): 43-51.