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
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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(τB0)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 云南东川蒋家沟泥石流及对应泥浆屈服应力与浓度关系表
Relation of debris flow yield stress and concentration at Jiangjia Gully
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泥石流 |
对应泥浆 | |||
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类别 |
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平均浓度 |
平均屈服应力 |
平均浓度 |
平均屈服应力 |
=τBt\τB0 |
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高粘性 |
67.8 |
132.1 |
40.9 |
42.77 |
3.09 |
|
粘性 |
63.2 |
37.1 |
40.3 |
35.9 |
1.03 |
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亚粘性 |
62.1 |
18.4 |
39.2 |
23.83 |
0.77 |
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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
Statistics of movement essential factor for debris flow at Jiangjia Gully
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类别 |
平均浓度 |
平均流深 |
平均流宽 |
平均流速 |
平均流量 |
平均雷诺数 |
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高粘 |
67.8 |
1.44 |
31.71 |
7.9 |
310.87 |
27.55 |
|
粘性 |
63.2 |
0.77 |
35.0 |
6.5 |
140.93 |
22.79 |
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亚粘 |
62.1 |
1.83 |
38.91 |
9.76 |
633.3 |
69.57 |
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泥石流如采用明渠的有效雷诺数[6]公式计算
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Rem=ρm×V×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
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年在云南蒋家沟的野外观测时发现泥石流体气体含量对其容重影响。1997年7月24日和7月25日，云南蒋家沟连续发生了两场泥石流，样品外观很稠，但测出来的容重并不高。以7月24日为例，该场泥石流共经历了2小时33分钟，实测样品5个，容重最高实测值为2.217t/m3，最低实测值为1.466t/m3。据蒋家沟多年观测资料，泥石流的最高容重通常可达到2.25t/m3～2.27t/m3(极值为2.373t/m3)。因此，将现场采到的样品搅拌，摇晃后，发现有大量气泡排放出来，气泡排放后再测定取样桶内的泥深和容重，发现泥深变小而容重明显变高。1997年7月24日刚采集到的样品测得容重为2.176t/m3，经过5分钟摇晃后，再测得容重为2.263t/m3(测定数值为3～4次的平均值)。在摇晃时，发现有气泡释放的现象，这充分说明该样品容重变化是由于含有气体造成的。当天还观测到另一个奇异的现象。对面查箐沟口扇形地与蒋家沟交汇口处有一股泉水，从扇底浸露出来。通常在一阵粘性泥石流过去后的短暂时间内，高浓度泥石体可将浸露的泉水严实地覆盖在下面。该现象说明7月24日泥石流体中的空气孔隙较多，清水容易从下面渗上来。在7月25日下午暴发泥石流时，又对样品进行了观测测试。共采集到4组泥石流龙头强烈扰动的容重样品，测得的龙头样品容重为2.16～2.2t/m3左右(γmg)，然后将测得的样品释放气体后再测第二次容重值(γm)。把实测成果，列于表3，表3中同时列出了该样品的相应的运动要素。根据含气泥石流容重(γmg)和排气后泥石流的容重可推出泥石流中气体体积浓度计算公式。假定泥石流体内气体、固体、水体积为Vg、VS、Vw；泥石流体重量为W。则气体体积浓度计算公式推导如下
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CVg=Vg/VS+Vw+Vg=W/γmg-W/γm/Wγmg=1-γmg/γm |
(2) |
表3 云南东川蒋家沟泥石流现场实验观测气体含量
Field data of air concentration in debris flow observed at Jiangjia Gully
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含气 |
排气 |
排气后浓度 |
流速 |
泥深 |
泥宽 |
气体浓度 |
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2.176 |
2.263 |
74.3 |
10 |
1.0 |
30 |
3.84 |
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2.163 |
2.211 |
71.2 |
8.0 |
1.4 |
30 |
2.17 |
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2.207 |
2.229 |
72.3 |
6.9 |
1.1 |
30 |
1.0 |
|
2.172 |
2.192 |
70.2 |
5.89 |
0.6 |
30 |
0.9 |
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计算的含气浓度也列于表3。从表3看出，泥石流中气体含量主要决定于泥石流流速。这主要是泥石流龙头高速运动，卷入大量气体。点绘流速和气体含量的关系，则得到图1的关系。从图1看出，泥石流中气体含量CVg与泥石流流速V成正比规律还是明显的。可用下式计算
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表3观测数据及点绘的图1显示，泥石流气体含量与泥石流的流速成正比。亚粘性泥石流体中泥石流体的屈服应力之所以小于对应浆体的屈服应力，是因为亚粘性泥石流体中颗粒之间的有效孔隙较大，亚粘性泥石流体的紧密率(CVt/CVw)为1.63，小于粘性和高粘性泥石流体的紧密率(1.85～2.44)。或者还可采用另一种参数来反映，亚粘性泥石流的自由孔隙率(Fr)为0.143，大于粘性和高粘性泥石流的自由孔隙率(0.135，0.086)。上述CVt、CVw、VM分别代表泥石流体的固体体积浓度、流体体积浓度。
4 泥石流掺气减阻机理初探
4.1 泥浆宾汉体掺气减阻
从以上的叙述看出泥石流掺气减阻现象，其减阻规律，减阻的机理可借鉴其它方面的研究成果。例如水煤浆掺气降粘减阻试验发现，水煤浆在受剪切时，微小气泡象滚轴一样流动变形，大大地降低了水煤浆抗剪切能力，在同一水煤浆中，在一定范围内气泡含量越多降粘越显著，在气体含量一样时气泡越细微，分布越均匀降粘效果越显著，对于不同水煤浆，粘度越高的降粘减阻越明显[4]。对于该问题邹履泰[8]曾利用莱因河泥浆进行实验，泥浆为宾汉体，掺入空气作流变试验时发现，在一定范围内随着掺气量的增大，τB与η呈指数减小，对于不同固体体积浓度其减小的趋势不同。1995年对于该问题进行了试验研究。试验用的泥浆呈宾汉体，先作不加气的试验，进而再加不同气量进行试验，共进行了45个测次，每次测试用3种浓度每一种浓度用5种不同加气量，分析选用不加气泥浆，含气量较小范围泥浆的试验资料列于表4［9］。由表4看出，在浓度CV相同时，不加气时流变参数τB0、η呈最大值。随着掺气量的增加，流变参数τB0、η减小。根据表4的试验资料，进行相关分析，则τB0与CVg的相关关系分别为
表4 不同泥浆加气降粘试验成果
Experimental result for different increase air concentration to viscosity reduction
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浓度 |
含气量 |
τB0 |
η |
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| |||
|
43 |
0 |
36 |
0.186 |
|
43 |
5 |
33.6 |
0.184 |
|
43 |
10 |
27.3 |
0.218 |
|
48.5 |
0 |
60 |
2.06 |
|
48.5 |
5 |
59 |
1.98 |
|
48.5 |
10 |
42 |
1.375 |
|
55.7 |
0 |
550 |
4.2 |
|
55.7 |
5 |
363 |
4.3 |
|
55.7 |
10 |
268 |
2.8 |
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| |||
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CV=0时……τB0=224204CV10.67 |
(4) |
根据回归的(4)式，其经验关系式中的系数A与指数B的变化规律，它随着泥浆中气体含量的增大而呈递减趋势。将A、B参数与CVg相关回归得
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A=21477CVg-0.34 |
(5) |
把上式(5)代入式(4)中变成单因子相关关系统一在一个经验关系式中，则为
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τB0=21477CVg-0.34exp[8.251CVg-0.037lnCV] |
(6) |
该统计样本尽管每组样品的试验测次只有3个，但降粘减阻规律明显。公式较好地反映了亚粘性泥石流高速流动流中空气含量对屈服应力的减阻作用；较客观地解释了在亚粘性泥石流中，由于空气增多，流体的屈服应力(τB0)随之减小，阻力系数减小，使流动速度加快;也较好地解释了表1中泥石流浆体的组成中细颗粒含量差异不大，而屈服应力却相差1倍之多的原因。
4.2 泥石流流体掺气减阻初探
利用经验关系式(3)对1983年在蒋家沟观测到的亚粘性泥石流的流速，进行泥石流体中气体含量CVg推算，并利用泥石流固体体积浓度和其浆体固体体积浓度的相关性，进一步计算泥石流浆体中气体体积浓度(CVg)。然后，将计算得到的泥石流浆体的体积浓度(CV)和气体体积浓度(CVg)分别代入式(6)，计算值亦列入表5，计算得到的数值τ′B0明显地低于实际观测试验值(τB0)。究其原因：主要是式(6)的经验公式是泥浆宾汉体试验数据的相关公式，而蒋家沟泥石流浆体是由含有20%～30%的粘性颗粒(0.05mm)和沙组成的泥沙浆体，故当应用于泥石流浆体时应对式(6)进行修正，即粘性颗粒对泥石流浆体屈服应力的影响修正为
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τ″B0=14.86P0.05[21477CVg-0.34]exp[8.251CVg-0.037lnCV] |
(7) |
表5 云南东川蒋家沟泥石流浆体不同气体含量流变参数试验值与计算值对照
Comparison of computed value and experimental value of rheological parameter for debris flow with different air concentration at Jiangjia Gully
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| ||||||||
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CVt |
CVf |
V(m/s) |
CVgt |
CVgf |
τB0(Pa) |
τ′B0(Pa) |
τ″B0(Pa) |
γ0 |
|
| ||||||||
|
0.520 |
0.40 |
12.80 |
0.06334 |
0.0487 |
33.50 |
12.807 |
37.28 |
-0.1128 |
|
0.570 |
0.387 |
11.0 |
0.04794 |
0.0366 |
34.00 |
9.531 |
34.50 |
-0.0147 |
|
0.617 |
0.386 |
9.34 |
0.03373 |
0.0211 |
22.70 |
9.217 |
25.44 |
-0.1207 |
|
0.694 |
0.401 |
7.73 |
0.01995 |
0.0115 |
38.80 |
13.463 |
30.99 |
+0.2013 |
|
0.710 |
0.424 |
8.95 |
0.0304 |
0.0184 |
53.50 |
22.805 |
52.04 |
+0.0273 |
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| ||||||||
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式中τ″B0为泥石流浆体屈服应力，P0.05为小于0.05mm颗粒所占重量比，CVg为气体体积浓度，CV为泥石流浆体固体体积浓度。用式(6)式(7)计算的τ′B0、τ″B0值与实测τB0数据都列入表5中，为了更清晰地表示式(6)及式(7)的计算精度，把计算值与实测值绘在图2中，从图2看出，采用式(7)计算泥石流体掺气降粘后屈服应力值精度较高。其相对误差平均仅为-0.039。气体对高浓度泥石流的减阻作用，不仅合理地解释了亚粘性泥石流的高速运动，而且为高浓度固体物料水力输送等减阻提供了理论依据。 5 结论 |
本文初步探讨泥石流体的掺气量及对泥石流减阻降粘的影响，可得到以下结论：
1.通过云南石家沟现场泥石流采样样本分析，由于泥石流粘度大，气体不易溢出。因而在研究泥石流特性时，必须考虑气体含量的影响。资料分析发现，泥石流流速愈快掺气含量愈多，进而建立了掺气量与泥石流流速之间经验关系式。
2.利用泥浆掺气流变实验资料及蒋家沟泥石流观测资料，初步建立了泥石流体屈服应力与沙石含量及掺气量的经验关系式，通过验证具有较高精度。
3.泥石流掺气量对其流变特性影响的研究，解释了天然情况下，在沙石含量及组成相近甚至相同时，不同的气体含量形成的高粘性、粘性、亚粘性泥石流现象。
4.由于泥石流现场观测困难，再加缺乏对泥石流掺气影响的认识及相关资料，本文分析研究难免局限性，谨供进一步深入研究泥石流减阻及运动规律参考。
参 考 文 献
[1] Solutions through Straight Tubes at Large Reynolds Numbers， Proc. Lst Int. Rheol.Cong.1948.
[2] Kramer M. O. Boundary Layer Stabilization by Distributed Damping. J.Amer. Soc. nav.Eng.，Vol.27，1960.
[3] 屠大燕等。液环同心输送的流动分析。油气储运，1984.6.
[4] 韩文亮。 高浓度水煤浆掺气减阻的试验研究。水煤浆研究集，1987年7月。
[5] 韩文亮，任裕民。关于全尾砂充填料减阻问题研究。泥沙研究，1990，(6).
[6] 田治宗，钱意颖。黄河高含沙水流紊动状态下流变参数的研究。第四届全国泥石流学术讨论会集。甘肃科技出版社，1994. 262-274.
[7] 王裕宜，邹仁元等。气体对高浓度粘性泥石流减阻作用的初步研究。自然灾害学报，Vol.7(3).178-183.
[8] Zhou L T Fliessverhalten Von Nicht Newtonschen Gemischen Mit and Ohue Luftzugabe. 3R International. 1987，267-270.
[9] 邹履泰。固液气各相含量对泥石流流变特性的影响。泥石流观测与研究。成都：科学出版社，1996. 11-15.