黏性泥沙絮團強度的試驗研究綜述.pdf

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1、泥沙研究2015年10月JournalofSedimentResearch第5期文章編號：0468-155X(2015)05-0075-06黏性泥沙絮團強度的試驗研究綜述張乃予，周晶晶，王捷(河海大學(xué)港I：1海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098)摘要：絮凝是河口地區(qū)水沙交換過程中極為重要的一環(huán)，動水絮凝過程可概括為：顆粒碰撞一有效碰撞黏結(jié)一絮團重構(gòu)一絮團破裂一絮團再形成，最終絮團達到動態(tài)平衡狀態(tài)，這是絮團強度在紊動剪切作用下的結(jié)果。從絮團強度的試驗研究角度回顧了國內(nèi)外研究進展，此方面研究多圍

2、繞絮凝的影響因素與絮團強度的特征參數(shù)之間的定性規(guī)律、經(jīng)驗或半經(jīng)驗定量關(guān)系的角度展開，采用不同的觀測裝置、設(shè)備和技術(shù)，以期對絮凝動力學(xué)得到更為深入的認識。關(guān)鍵詞：絮凝；絮團強度；試驗研究中圖分類號：TV141．2文獻標(biāo)識碼：BDOI：10．16239／i．cnki．0468—155x．2015．05．013在河口海岸地區(qū)，由于徑流、潮流以及鹽水入侵的影響，黏性泥沙顆粒同向絮凝強烈?，大量現(xiàn)場觀測證實河口地區(qū)絮團的尺寸分布與沉降特性對不同的紊動剪切強度十分敏感I4，絮團的形成、重構(gòu)、破裂與再形成是絮

3、團強度與水流紊動剪切強度相互制衡的結(jié)果，同時紊動剪切作用貫穿于絮團形成與破裂的所有過程。目前，相關(guān)研究大多集中于污水處理和膠體化學(xué)領(lǐng)域，不同于泥沙運動學(xué)，污水處理領(lǐng)域關(guān)注不同類型絮凝劑以及高分子聚合物對絮凝的影響，其目的在于污水處理沉降池處理步驟中如何快速有效地分離懸浮顆?！涌诤０赌嗌承跄I(lǐng)域中對泥沙絮團強度的認識仍存在許多不足，本文將從絮團強度的角度對目前動水絮凝試驗觀測分析的研究成果進行回顧，包括試驗中的裝置、設(shè)備和技術(shù)的總結(jié)和對比。1絮團發(fā)育絮團的發(fā)育是一個十分復(fù)雜的動態(tài)演變過程，可

4、以概括為以下五個基本過程：顆粒碰撞一有效碰撞黏結(jié)一絮團重構(gòu)一絮團破裂一絮團再形成；其間的影響因素通常包含三類：物質(zhì)成分(礦物成分、粒徑、含沙濃度、顆粒表面電荷)、介質(zhì)條件(電解質(zhì)陽離子濃度及離子種類、溫度、黏度、pH值)和水動力條件(流態(tài)、流速、持續(xù)時間、施加作用力形式等)。1．1顆粒碰撞水動力條件是影響顆粒碰撞的主要因素，不同的水動力條件引起的顆粒碰撞機制不同，分為布朗運動、不等速沉降以及紊動剪切作用等3種，布朗運動引起異向絮凝，水流剪切作用引起同向絮凝。。。顆粒碰撞率Ⅳf(粒徑級為i和粒徑級

5、為的顆粒在單位體積單位時間內(nèi)的碰撞次數(shù))可以寫成Ⅳ=收稿日期：2015—05—15基金項目：基礎(chǔ)研究計劃一青年基金項目(BK20150818)；國家自然科學(xué)基金面上項目(51179067)；教育部博士點新教師基金項目(20110094120020)作者簡介：張乃予(1990一)，女，吉林省吉林市人，碩士研究生，主要從事河口海岸泥沙方面研究。E-mail：zhangnaiyule@163．com通訊作者：周晶晶。E—mail：zjj@hhu．edu．cn75JBnnf，盧f表示碰撞頻率方程(col

6、lision~equencyfunction)，這3種機制作用下盧的計算方法最先根據(jù)Smoluchowski方程提出，后由Ives?修正。對于河口海岸地區(qū)的泥沙絮凝現(xiàn)象，許多學(xué)者¨認為布朗運動的效應(yīng)是可以忽略的。tolzen—bach等人¨通過對前人數(shù)據(jù)分析和試驗研究發(fā)現(xiàn)多個小而密實的絮團碰撞黏結(jié)成較大的、結(jié)構(gòu)疏松的絮團的概率很小，原因是小絮團在運動過程中遇到較大的絮團的時候，將偏離原有的運動軌跡從而避免發(fā)生碰撞黏結(jié)。因此作者認為差速沉降對河口海岸泥沙絮凝的影響并沒有之前的研究中提到的那么明顯，

7、而且很多情況下這種機制并未產(chǎn)生實質(zhì)作用。綜上我們發(fā)現(xiàn)，對河口海岸環(huán)境下的泥沙絮凝現(xiàn)象，布朗運動和差速沉降的作用并不十分顯著，紊動剪切作用才是導(dǎo)致黏性細顆粒泥沙絮凝差異的關(guān)鍵和研究重點。研究表明，不斷增加的水流剪切率對絮團的影響規(guī)律為：絮團粒徑先迅速增大繼而開始呈現(xiàn)減小的趨勢。Dyer163認為這是因為較低剪切率作用時絮團的形成是主體趨勢，而在較高的剪切率作用時，絮團的破裂逐漸成為主導(dǎo)趨勢。一般地，凝聚作用使絮團尺寸增大而密實度降低，形成疏松多孔的較大絮團結(jié)構(gòu)，而破裂作用減小絮團尺寸增大絮團的密實

8、度。1．2顆粒有效碰撞黏結(jié)研究發(fā)現(xiàn)，泥沙顆粒發(fā)生碰撞后僅有部分黏結(jié)形成絮團Ⅲ，0’Melia提出有效碰撞率在10到10之間。黏性細顆粒泥沙的黏結(jié)與顆粒的電化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，目前對懸浮顆粒的碰撞率已有較充分認識。DLVO理論從能量的角度提出了勢壘的概念，對膠體顆粒碰撞后黏結(jié)成絮團的現(xiàn)象進行定性的解釋，但缺少相應(yīng)的定量探討，TenBrinke根據(jù)VanLeussen14]導(dǎo)出的考慮碰撞效率的絮團發(fā)育公式，基于實測資料得出0．03～0．23。2絮團強度在恒定剪切條件下，絮凝初期，絮團迅速發(fā)育：不斷碰撞