含沙浓度对沉速的影响分析

水体中如果同时存在许多泥沙颗粒（即有一定的含沙浓度），则对任何一颗泥沙来说，其他颗粒的存在将对它的沉降产生影响，一般来说，可以分为四种情况来考虑，即非粘性粗颗粒泥沙的群体沉速；粘性颗粒泥沙的群体沉速；粗颗粒泥沙在粘性颗粒浆液中的沉速；非均匀颗粒混合沙的群体沉速。

（一）非粘性均匀粗颗粒泥沙的群体沉速

低含沙量的情况：Cunningham、Uchida、蔡树棠等不同研究者对低含沙量下颗粒的沉降规律进行了研究，得到形式大致相同的沉速公式为

式中：k为常数，数值在0.7～2.2之间。

高含沙量的情况：Richardson和Zaki提出了如下表达式

式中：m是经验指数，必须通过试验来确定。Richardson和Zaki提出m值在2.39～4.65之间。实验表明，m值随颗粒雷诺数的增大而减少，即在含沙量不变的情况下，颗粒间的水动力因子影响随着颗粒周围流场由层流过渡到紊流而逐渐减弱。当然也可解释为在体积含沙量不变的情况下，颗粒粒径越大，颗粒个数就越少，距离就越大，互相的影响也越小。另外，m值较大的试验结果一般是用细颗粒取得的，细颗粒引起流体粘性的增大可能是得到较大的m值的原因之一。

对于沉速在Stokes范围内的细颗粒，万兆惠推导得到

用森一し竹相对粘滞系数公式

代入前式得

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若采用费祥俊（1983）相对粘滞系数公式，则有

式中：Sv、SvM分别是固体的体积比浓度和极限浓度。

（二）粘性细颗粒泥沙的群体沉速

在我国某些河流上，D＜0.01mm的细颗粒含量较大。因此，认清这类泥沙的沉降规律，对于这类河流的河床变形预测、河流阻力计算和河工模型研究有极大意义。这方面的研究还有待进一步开展，目前的认识还是不充分的。由前文介绍的细颗粒泥沙物理化学性质可知，粘性细颗粒（D＜0.01mm）有一些特殊的性质，在水中能够形成絮团。当颗粒浓度较低时，絮团之间互不相连，单个絮团的沉速大于细颗粒个体的沉速。浓度进一步增加后，絮团之间互相联成絮网结构，泥沙沉速将大幅度降低，形成一个整体缓慢的下沉，在水体顶部呈现一个不断下降的清、浑水交界面。粘性颗粒泥沙群体沉速随浓度的变化如图1-17。

图1-17　粘性细颗粒泥沙的群体沉速

对于这种现象，目前的研究还局限于试验和经验、半经验分析，所得到的关系式还不能把图1-17所示的两个阶段统一表达出来。

（三）粒径和含盐度对絮团形成及沉速的影响

据研究，泥沙颗粒的粒径大于0.03mm时，其絮凝作用不显著。当其粒径在0.01～0.03mm之间时，絮凝作用也比较微弱。所以可以取发生絮凝作用的上限粒径为0.01mm。淤泥质泥沙在粒径不同的情况下，所形成絮团的平均沉速是比较稳定的，均在0.15～0.6mm/s之间。

水中含盐逐渐增加时，一方面增大水的容重和粘性，从而减小颗粒的沉速；另一方面又会促使细颗粒泥沙絮凝成团，增加泥沙絮团颗粒的沉速。对淤泥质泥沙的试验表明，含沙量在1～10.0kg/m3范围内时，泥沙的沉速在含盐度0～4.0‰范围内迅速上升达到一个稳定值（0.4～0.5mm/s）。含沙量越小，泥沙平均沉速随含盐度上升就越缓慢，达到稳定沉速所需的含盐度就越大。

（四）水流紊动对絮团形成及沉速的影响（Owen 1971）

一般情况下单个颗粒的沉速受水体紊动的影响较小，但絮团的沉速受紊动的影响较为显著。Owen认为，紊动对絮团沉速的影响是两方面的。①絮凝现象的产生源于颗粒的互相碰撞，而紊动的存在增加了颗粒互相碰撞的机会，也必然会增强絮凝作用。②无规则的紊动涡旋将使流体局部剪切作用大大增强，如果絮团内颗粒之间的联结力不足以抵抗紊动的剪切作用时，就会引起絮团的破碎。因此，中等强度的紊动（如海湾内小潮的情况下），既能增加颗粒互相碰撞的机会，剪切作用又没有大到能引起絮团的破碎，因而将促进絮凝，使得相同含沙量下的沉速较大。③强烈的紊动（如海湾内大潮的情况下），颗粒互相碰撞的机会虽然也大大增加，但剪切作用也大到能引起絮团的破碎，所以综合来看不利于絮凝的形成，这样相同含沙量下的沉速就较小。