典型因素對泥沙特性影響的試驗研究

張宇卓　張根廣　安維宇　付志　史志鵬

摘要 泥沙顆粒在不同的濃度、顆粒大小以及絮凝劑的影響下，其絮凝結構以及沉降速度存在一定的差異，這些差異性對于研究泥沙特性來說具有重要的意義。為了直觀演示其差異性，自行設計了試驗，采用控制變量的方法，分為5組對比試驗。結果表明，上述3種因素對其絮凝結構以及沉降速度有顯著影響。

關鍵詞 絮凝劑；沉降速度；絮凝結構；泥沙

中圖分類號 S277.7 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-212-02

泥沙絮凝以及泥沙沉降對于研究泥沙特性來說具有重要的意義。筆者研究了典型因素對泥沙特性的影響，典型因素包括不同粒徑的泥沙、絮凝劑的組成成分以及泥沙顆粒的大小。不同的因素影響下，泥沙沉降速度以及絮凝情況不同。研究泥沙絮凝機理和沉降特性，對于海岸工程、航道輸運等具有重要意義[1]。泥沙絮凝機理是以膠體穩定性理論為基礎。由于泥沙顆粒表面的物理化學特性，海水中的鹽離子往往會吸附在泥沙顆粒表面，這會形成所謂的雙電層結構，顆粒間存在靜電排斥作用[2]。另一方面，膠體顆粒間存在的van der Waals 力，吸引顆粒相互靠近。這兩種作用力的

共同作用構成膠體穩定性的DLVO 理論[3]。黏性泥沙的絮

凝沉降對細顆粒泥沙構成的淤泥質河口海岸地形及環境演化有重要影響，而絮凝沉降本身又受到顆粒大小、泥沙濃度、絮凝劑濃度等多種因素的影響。對于處于不斷運動狀態的水體而言，顆粒大小、泥沙濃度是影響泥沙絮凝沉降的重要影響因素[4]。

1 試驗方法

為了顯示泥沙在多種因素的作用下沉降速度與絮凝的結果，以及為了試驗的真實與可靠性，筆者自行設計沉降量筒進行試驗。沉降量筒是由5個量筒為一組，分別為50、100、250、500、1 000 ml，一共有5組對比試驗。其具體試驗沙子與絮凝劑添加情況如表1所示，編號如表2所示。

首先利用電子天平稱量出所要試驗的泥沙細顆粒與粗顆粒的質量，將其放入攪拌量筒中充分攪拌后倒入不同量程的量筒中，量筒量程分別為50、100、250、500、1 000 ml，一共有5組對比試驗。待將其充分攪勻后開始計時，當量筒底部出現均勻沉淀后停止計時，記錄時間后可以得出泥沙的沉降速度。待將量筒靜置一段時間后，看到量筒底部出現均勻的絮凝結構后，用移液管將底部的均勻絮凝沉淀取出，放置在事先準備好并標號的培養皿與載玻片當中。重復上述步驟將不同濃度的泥沙攪拌，并令其充分沉淀，將沉淀全部取出后轉移到培養皿與載玻片上，待載玻片與培養皿中的水分完全蒸發后，便留下了泥沙絮凝結構，以便后續用顯微鏡對其結構進行觀察，分析其結構孔隙比等。

分析對比該次試驗與傳統的泥沙研究方法與過程，可知傳統方法對泥沙絮凝結構的研究并沒有更深層次地，更仔細地觀察到泥沙在不同的因素影響情況下形成的絮凝結構，也并沒有看到絮凝結構放大后的相互粘結的情況。該次試驗使用顯微鏡將其固結在載玻片上的絮凝結構進行觀察，可以清楚地看到泥沙形成的絮凝結構，并可以對其在不同條件下形成的絮凝結構進行直觀的對比與比較，還可對其放大后的絮凝結構進行拍照。后期通過對絮凝結構的圖片處理，可得出不同條件下的泥沙顆粒絮凝后的面積與孔隙面積之比，通過對比面積比可以直觀反映泥沙絮凝結構的組成情況。20倍顯微鏡下的泥沙絮凝孔隙比如表3所示。從表3可知，泥沙濃度、顆粒大小與絮凝劑的添加量3種因素對其泥沙絮凝后的孔隙比均有顯著影響，其孔隙比均在0.02～0.55之間。

2 結果與分析

2.1 泥沙濃度對泥沙沉降速度的影響 為了反映泥沙濃度對于泥沙沉降速度的影響，筆者選取了細顆粒泥沙作為研究對象。如表1和表2所示，筆者選取了編號為111～135的這15組試驗數據，這15組試驗數據按泥沙濃度的不同劃分為3組：11、12、13。在每一個組里面按量筒刻度及細土添加質量的不同設置了5組平行試驗，每個組里5組平行試驗細土的濃度均相同，而不同的組細土的濃度不同。在每個組的試驗中，筆者根據5組平行試驗量筒刻度及各平行試驗細土濃度一致的原則，給每組平行試驗所添加的細土的質量也不同。接著，筆者按照表1的各樣品的配量，配制好各個組的泥沙溶液。具體配制方法：稱取對應質量細土放到燒杯中，倒入一定量的去離子水進行攪拌，攪拌的過程中加入微量分散劑，以便細土顆粒在水溶液中能夠充分分散開來。然后將配制好的溶液倒入對應刻度的量筒中，攪拌均勻直至筒底不出現明顯的泥沙層時，停止攪拌，并用秒表計時，記錄量筒中泥沙從渾濁的溶液狀態到能明顯看到量筒底部出現泥沙層這段時間t。15組數據記錄完畢后，將各組之間的數據進行縱向比較，可知泥沙濃度確實對泥沙沉降速度有影響。在其他變量條件一致的情況下，泥沙濃度越大，泥沙沉降速度越小；泥沙濃度越小，泥沙沉降速度越大[5]。

2.2 顆粒大小對泥沙沉降速度的影響 為了反映顆粒大小對泥沙沉降速度的影響，筆者需引用絮凝劑，其作用是使其吸附泥沙顆粒，使反映現象更加明顯。如表1，在第三大組中，課題組加入了適量的粗顆粒，并加入了少量的絮凝劑。為了比較顆粒大小對沉降速度的影響，需控制單一的變量，在第二大組中也加入少量的絮凝劑，兩組中都加入絮凝劑故可單獨比較顆粒大小這一個變量因素。由其沉降速度的時間可知，在其他變量因素一致的條件下，顆粒越大，泥沙沉降速度越大；顆粒越小，泥沙沉降速度越小。

2.3 絮凝作用對泥沙沉降速度的影響 在探討絮凝作用是否對泥沙沉降速度有影響時，筆者也選取了細顆粒泥沙作為研究對象。如表1，第二大組與第一大組相比較，各組試驗除了加入細沙外，還加入了一定濃度的絮凝劑，并且同一平行組絮凝劑濃度一致，縱向各組，從上往下，絮凝劑濃度依次增大。具體各組式樣的配制方法大體上與上面提到的方法一致。通過對一、二大組各組試驗數據的縱向對比不難看出，絮凝劑確實對泥沙沉降速度有影響，有絮凝劑的二大組沉降速度明顯快于沒加絮凝劑的一大組，并且在二大組中，隨著絮凝劑濃度的增加，泥沙沉降的速度越來越快。由此可知，在其他變量因素一致的條件下，絮凝劑濃度越大，泥沙沉降速度越大。

3 結論

通過以上的試驗研究可知，泥沙濃度、顆粒大小以及絮凝劑的添加量確實對泥沙的沉降與絮凝結構有顯著的影響，具體可以總結為：

（1）在其他變量條件一致的情況下，泥沙濃度越大，泥沙沉降速度越小；泥沙濃度越小，泥沙沉降速度越大。

（2）在其他變量因素一致的條件下，顆粒越大，泥沙沉降速度越大；顆粒越小，泥沙沉降速度越小。

（3）在其他變量因素一致的條件下，絮凝劑濃度越大，泥沙沉降速度越大。

（4）泥沙在不同因素的作用下雖然沉降速度與絮凝結構不同，但是絮凝的孔隙比均在0.02～0.55之間。

參考文獻

[1] 王龍，李家春，周濟福.黏性泥沙絮凝沉降的數值研究[J].物理學報，2010，59（5）：3315-3323.

[2] 喬光全，張金鳳，張慶河，等.紊動對黏性泥沙絮凝沉降影響的試驗研究[J].天津大學學報，2014，47（9）：811-816.

[3] 葛雄，張根廣，顏婷，等.牛頓流體和非牛頓流體教學演示儀器的開發研究[J].現代科學儀器，2011（3）：31-33，39.

[4] 郭超，何青.長江中下游洪枯季泥沙絮凝研究[J].泥沙研究，2014（5）：59-64.

[5] 錢寧，萬兆惠.泥沙運動力學[M].北京：科學出版社，2003.