泥沙絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的試驗研究綜述.pdf

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1、泥沙研究2016年2月JournalofSedimentResearch第1期文章編號：0468—155X(2016)01·0076-05泥沙絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的試驗研究綜述張乃予，周晶晶，王捷(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098)摘要：承接《泥沙研究》2015(5)黏性泥沙絮團(tuán)強度的試驗綜述，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)與絮團(tuán)強度密切相關(guān)，是動水條件下表現(xiàn)出的絮團(tuán)強度的微觀解釋。絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，即絮團(tuán)內(nèi)部鏈接鍵的數(shù)量、強度和鏈接方式?？偨Y(jié)了以往絮凝試驗研究中對于絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的量化描述以及相應(yīng)研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞：絮凝；絮團(tuán)強度；試驗研究中圖分類號：TV141．2文獻(xiàn)

2、標(biāo)識碼：ADOI：10．16239／j．cnki．0468—155x．2016．01．014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，黏性細(xì)顆粒泥沙的同向絮凝沉降特性與攔門沙形成于發(fā)育機理密切相關(guān)。泥沙絮團(tuán)的沉降與絮團(tuán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系已引起學(xué)者的廣泛關(guān)注，大量研究建立了絮團(tuán)沉降速度與絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的關(guān)系’。承接前文黏性泥沙絮團(tuán)強度的試驗綜述]，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)與絮團(tuán)強度關(guān)系密切，是絮團(tuán)內(nèi)部鏈接鍵的數(shù)量、強度和搭接方式的體現(xiàn)，是動水條件下表現(xiàn)出的絮團(tuán)強度的微觀解釋。本文將從絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的角度對目前動水絮凝試驗觀測分析的研究成果

3、進(jìn)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(tuán)結(jié)構(gòu)絮團(tuán)尺寸是絮團(tuán)強度在恒定剪切率下的宏觀體現(xiàn)，從微觀角度解釋，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，即絮團(tuán)內(nèi)部鏈接鍵搭數(shù)量、強度和鏈接方式，直接關(guān)系著絮團(tuán)強度’。絮團(tuán)結(jié)構(gòu)是由發(fā)生絮凝的初始顆粒的組成(礦物成分、有機物種類及含量)、顆粒表面電化學(xué)效應(yīng)所決定，絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的變化是不同時刻，絮團(tuán)本身性質(zhì)與周圍水動力以及水化學(xué)條件相互作用的結(jié)果。同時絮團(tuán)結(jié)構(gòu)與絮團(tuán)沉速和有效密度密切相關(guān)。PetraBubakova等人通過測量絮團(tuán)尺寸、絮團(tuán)數(shù)量和絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的變化來分析判斷絮團(tuán)在形成過程中所處的階段以及絮團(tuán)的破裂模式。M．Soo

4、s也指出將絮團(tuán)強度和絮團(tuán)結(jié)構(gòu)在不同水流條件下隨時間變化的量化表示對認(rèn)識絮凝形成、破碎以及再形成的機理十分重要。但是目前從絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的角度解釋絮團(tuán)強度的研究較多的是僅僅基于絮團(tuán)的分形結(jié)構(gòu)，并不十分全面，因此很有必要開展進(jìn)一步研究。1．1絮團(tuán)尺寸絮團(tuán)形狀和絮團(tuán)尺寸的不同是絮團(tuán)結(jié)構(gòu)差異最直觀的表現(xiàn)。Selomulya等人發(fā)現(xiàn)絮團(tuán)尺寸的變化伴隨著絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的變化，絮團(tuán)尺寸的減小對應(yīng)絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的密實。自然界中的絮團(tuán)形狀是不規(guī)則的，看似無規(guī)律可循，但實際上不同的絮團(tuán)形狀與絮團(tuán)形成過程中所收稿日期：2015—05—15基金項目：基礎(chǔ)研究計劃一青年基金項目(BK2

5、0150818)；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：zhangnaiyu

6、e@163．corn通訊作者：周晶晶。E—mail：zjj@hhu．edu．cn76受到的水動力條件的關(guān)系極為密切。Wells＆Goldberg發(fā)現(xiàn)細(xì)長的、鏈狀的大絮團(tuán)多是在低剪切環(huán)境下產(chǎn)生的，在深海水域中較為常見；Lick等人¨町在試驗中拍攝的2D圖像中發(fā)現(xiàn)新月形(erescent。shape

7、d)絮團(tuán)是在差速沉降的環(huán)境下產(chǎn)生的；VanLeussen¨¨在河口地區(qū)高剪切率的環(huán)境下出現(xiàn)的多是球狀的小絮團(tuán)。Maggi¨探討引起該差異的原因，發(fā)現(xiàn)相較于流過絮團(tuán)內(nèi)部的流體，絮團(tuán)周圍的流體環(huán)境通過改變絮團(tuán)表面糙度以增加拖曳力來影響絮凝，是主要影響因素。絮團(tuán)尺寸是重要的絮團(tuán)特征參數(shù)，但在定義絮團(tuán)尺寸的方法上仍存在一些爭議，比如是用直線長度、直徑還是長度尺度來定義絮團(tuán)尺寸，對此目前并無明確規(guī)范。由于這些定義絮團(tuán)尺寸的參數(shù)是通過將形狀不規(guī)則的絮團(tuán)理想化為圓形或球形后換算獲得，Maggi發(fā)現(xiàn)用這樣獲得的這些絮團(tuán)尺寸參數(shù)并不能計算得出有效的分形維數(shù)，無

8、法反映絮團(tuán)準(zhǔn)確的分形特征，因此需要參數(shù)對直接獲得的絮團(tuán)尺寸參數(shù)修正在應(yīng)用到分形維數(shù)的計算中。1．2絮團(tuán)分形結(jié)構(gòu)絮團(tuán)尺寸雖然直觀，但并不能確切表示絮團(tuán)結(jié)構(gòu)。由于絮團(tuán)內(nèi)部密實度的差異，很有可能具有相同尺寸的絮團(tuán)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不同，因此尋求其他參數(shù)來表示絮團(tuán)結(jié)構(gòu)是十分必要的，目前廣泛認(rèn)為絮團(tuán)具有分形結(jié)構(gòu)，這是因為分形理論的引入使得絮團(tuán)的有效密度，孑L隙率和沉降速度都得以計算。分形維數(shù)是衡量分型特征的最重要參數(shù)。質(zhì)量與絮團(tuán)特征尺寸f‘之間的關(guān)系可以表示為：M，OCZ，d是容量維數(shù)，也稱Hausdrof—Besicovitch維數(shù)，表示組成絮團(tuán)的顆粒是

9、如何填充這個絮團(tuán)所占據(jù)的歐幾里得空間，由于絮團(tuán)的疏松多孔的結(jié)構(gòu)特性，容量維數(shù)d的值受絮團(tuán)孔隙率的影響。Winterwerp14]通過絮團(tuán)在水體中的沉降速度估算容量維