粘性泥石流掺气减阻作用初探.doc

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1、粘性泥石流掺气减阻作用初探摘要：根据野外泥石流观测资料，分析了泥石流掺气与降粘减阻现象，建立了泥石流掺气量与流速的经验公式，并根据泥浆掺气降粘减阻的试验，揭示了泥石流掺气降粘减阻机理，提出了泥石流屈服应力与气体含量及固体浓度的经验公式。本文对解释泥石流减阻，预估泥石流流变特性有重要意义。关键词：泥石流掺气减阻1前言　　流体减阻问题自从Toms[1]，Kramer[2]先后发现高分子稀溶液或弹性材料护面都能实现粘性减阻以来，已经近半个世纪了，由于工业生产中到处都存在粘性流体，而减阻技术又直接为节约能源、提高效率服务，因而倍受重视。近年来减阻研究取得了长足发展，在国际上已召开多次有关‘减阻’学

2、术会议，减阻已发展成一门专门独立学科。除航空、航海外，管道输送中开展了大量减阻研究，以及在石油管道中除加热降粘减阻外，还开展了磁减阻、水环减阻[3]等，而高浓度高粘度固液两相流体减阻，近年来也进行了一定的实验研究。例如在煤的液化技术中，在水煤浆中加入有机添加剂减阻或掺气减阻[4]；在封闭式采矿中对高浓度全尾矿砂边壁加水减阻[5]等等。但对于含有粗颗粒，甚至块石的组成更复杂的泥石流，这种自然形成的固液两相流减阻现象研究的较少。　　泥石流作为一种高浓度的固、液混合的流变体，由于它暴发突然、来势凶猛、破坏力强，严重地影响着山区的建设和经济发展。为了更好地解决泥石流灾害防治实践中提出的问题，近半个

3、世纪，对泥石流流变机理进行了大量实验研究。对泥石流流变特性有了进一步认识。实验发现粘性泥石流龙头高速流动时可掺入一定量的气体，掺气后作为固、液、气混合流变体，来探讨其中的气体对流变特性的影响，还很少进行研究。本文主要介绍粘性泥石流掺气减阻现场观测的结果及减阻机理。2粘性泥石流的流变特性及减阻现象　　高浓度粘性泥石流由于受介质和粗颗粒的碰撞及粘性摩擦力的控制和制约，固体物质体积浓度大，致使它的流变特征、水力结构特征要比高含沙水流复杂得多。根据蒋家沟泥石流的观测试验资料可知，见表1。粘性泥石流在浓度基本一样时，它们的平均屈服应力却有很大的差异，例如高粘性泥石流流体的屈服应力是亚粘性泥石流流体的

4、屈服应力的7.2倍。根据屈服应力定性的把泥石流分为高粘性、粘性和亚粘性三类，其分类依据是以有效屈服率(τBt/τB0)，即泥石流体的屈服应力值(τBt)与其浆体屈服应力值(τ19B0)之比来进行分类的。高粘性泥石流屈服应力值是其浆体屈服应力值的3倍左右(=3.09)，而亚粘性泥石流体的屈服应力为对应浆体的0.77倍(<1)。亚粘性泥石流浆体介质的屈服应力却小于高粘性泥石流浆体介质达18.94Pa，研究其原因，其中一个相当重要的因素是亚粘性泥石流中含有一定量的气体。而气体对泥石流和其对应浆体的屈服应力τB都有一定的影响，产生降粘、减阻作用。据观测，气体含量与泥石流运动速度有关。表1云南

5、东川蒋家沟泥石流及对应泥浆屈服应力与浓度关系表RelationofdebrisflowyieldstressandconcentrationatJiangjiaGully泥石流对应泥浆类别平均浓度CV(%)平均屈服应力τBt(Pa)平均浓度CV(%)平均屈服应力19τB0(Pa)=τBtτB0高粘性67.8132.140.942.773.09粘性63.237.140.335.91.03亚粘性62.118.439.21923.830.77　　注：表中统计数据均为观测试验分类后的平均值，样本数各为5个　　另外对表1统计样本，还进行了其它运动要素观测资料分析，见表2。从表2看出，亚粘性泥石流的

6、平均流量、流速等各运动要素都处于最高值，其有效雷诺数是高粘性泥石流的2.5倍。表2云南东川蒋家沟泥石流流动要素统计表StatisticsofmovementessentialfactorfordebrisflowatJiangjiaGully类别平均浓度CV(%)平均流深H(m)平均流宽B(m)平均流速V(m/s)19平均流量Q(m3/s)平均雷诺数Rem高粘67.81.4431.717.9310.8727.55粘性63.20.7735.06.5140.9322.79亚粘1962.11.8338.919.76633.369.57　　泥石流如采用明渠的有效雷诺数[6]公式计算Rem=ρm×V

7、×4H/η(1+τBt/2η·V)(1)则粘性泥石流(样本中)的有效雷诺数(Rem)一般都低于120。3泥石流体中气体含量的观测分析19　　泥石流是砂石、土、水和挟裹气泡的固、液、气混合流变体，不仅在野外泥石流高速运动时可以观测到龙头紊动时土、石、水、气混掺现象，而且在室内沉降筒中也观测到泥石流沉积时气泡的释放现象。但气泡在泥石流体中的含量，气泡的存在对泥石流运动的影响，还很少进行量测分析研究。笔者[7]首次于1997年