CN104056711B - 细颗粒泥沙分级方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细颗粒泥沙分级装置及方法，细颗粒泥沙分级装置自上而下依次包括相互套接的加沙筒(4)、沉降过渡筒(3)、泥沙分级筒(2)和底座(1)，泥沙分级筒(2)由上筒(5)和下筒(6)组成，上筒(5)接近顶部的位置和下筒(6)中部以下的位置均设置控制阀，加沙筒(4)底部设旋转开关，旋转开关上布置棒体(9)。所述细颗粒泥沙分级方法通过开合控制阀可分离某粒径段泥沙颗粒。该装置结构简单，清理方便，适于沙样的批量处理，分级精度高，灵活性好，可分离细颗粒范围内2～62μm任意粒径段泥沙颗粒，该方法易于操作，适用性强。若装置足够长，还可分离更大范围内62～2000μm任意粒径段泥沙颗粒，所分离泥沙粒径类型均为沉降粒径，避免了两种粒径类型之间的转换。

Description

细颗粒泥沙分级方法

技术领域

本发明属于细颗粒泥沙粒径分级领域，涉及细颗粒泥沙分级装置及方法，具体涉及利用不同粒径泥沙在静水中沉降速度不同的原理，对细颗粒泥沙进行粒径分级的装置及方法。

背景技术

悬移质泥沙理化及运动特性是河流动力学研究的核心问题之一。悬移质是泥沙输移的主要部分，且大多为细颗粒泥沙；同时泥沙粒径越细，对河流污染物的吸附解吸能力越强，因而对河流泥沙中细颗粒泥沙理化特性及运动规律的研究变得尤为重要，有必要提出一种高效且可对泥沙进行批量处理的细颗粒泥沙分级方法。

目前实验室和现场试验主要采用以下方法进行泥沙分级：

传统泥沙分级通常采用筛分法。此法主要适用于非粘性粗颗粒泥沙分级，尽管湿筛法解决了细黏粒板结问题，但过小的筛孔极易被细颗粒泥沙堵塞，无法对细颗粒泥沙进行分级操作。

滤膜配合真空泵进行极细颗粒泥沙分级，通过真空泵对细颗粒泥沙悬浊液抽滤。滤膜易堵塞，故浊液浓度不宜过高且需频繁更换滤膜，分级成本较高，一般用于水沙分离，无法直接获得某粒径段泥沙，需反复操作

自然沉降法用于沉速相差较大且易产生分层的两粒径段泥沙进行分级，待两粒径段泥沙分层后，倾倒上层悬沙，此法加沙样时会使沙粒产生初速度，倾倒悬沙时对下层沉沙扰动大，不易控制，分离精度很低，无法直接获得某粒径段泥沙，需反复操作。

离心机法利用高速转动产生的离心力加速极细泥沙颗粒的沉降，针对2μm以下泥沙颗粒分级提出，适用范围窄，受离心机体积限制，一次性处理沙样少，无法进行实验室沙样批量处理，且无法直接获得某粒径段泥沙，需反复操作。

水淘洗法(D.E.Walling and J.C.Woodward，1993)是悬液通过一系列粗细不同的直管，利用相同流量下不同直径的直管流速不同对泥沙进行分选，对泥沙浓 度要求很高(0.1g～0.5g/L)，泥沙浓度稍高便会影响分选结果，泥沙浓度过大会导致水流输运能力不足而产生泥沙沉降，同时泥沙会在直管上部区域聚集需反复冲洗才能进入下一直管，适用范围窄，分级效率低。

发明内容

本发明提供了一种细颗粒泥沙分级装置及方法，解决了现有技术中如下的技术问题：细筛筛孔和滤膜孔易堵塞；受滤膜面积、水淘洗法适用的泥沙浓度以及离心管体积所限，无法对沙样进行批量处理；自然沉降法中沙样直接倾入量筒，泥沙沉降有初速；且现有分级方法均无法直接获得某粒径段泥沙，操作反复。

为了解决上述技术问题，本发明可以通过以下技术方案实现：

提供一种细颗粒泥沙分级装置，其自上而下依次包括加沙筒、沉降过渡筒、泥沙分级筒和底座，泥沙分级筒由上筒和下筒组成，上筒和下筒分设上控制阀和下控制阀，上控制阀设置在上筒的接近顶部的位置，下控制阀设置在下筒中部以下的位置，加沙筒底部设旋转开关，旋转开关上布置棒体。

如上所述的细颗粒泥沙分级装置，加沙筒、沉降过渡筒、上筒、下筒和底座之间相互耦合套接或者通过内外螺纹固定。

如上所述的细颗粒泥沙分级装置，在上筒与下筒之间加设沉距加长筒。

如上所述的细颗粒泥沙分级装置，沉距加长筒与上筒和下筒之间相互耦合套接或者通过内外螺纹固定。

基于上述细颗粒泥沙分级装置进行泥沙分级的方法，包括如下步骤：

1)打开所有控制阀，注水至加沙筒底部以上1-2mm，关闭加沙筒底部旋转开关；

2)将泥沙溶液注入加沙筒，打开旋转开关，经t₁时间关闭上控制阀，经t₂时间关闭下控制阀，则泥沙分级筒中泥沙颗粒粒径d为：

d₁≤d≤d₂；

$d_1=\sqrt{\frac{L_H}{t_1}\·\frac{1800{\mathrm{\ρ}}_{w}v}{g({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w)}}$

$d_2=\sqrt{\frac{L_H+L_F}{t_2}\·\frac{1800{\mathrm{\ρ}}_{w}v}{g({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w)}}$

式中L_H——过渡筒有效长度，cm；L_F——泥沙分级筒有效长度，cm；

d₁——泥沙分级粒径段下限粒径，μm；d₂——泥沙分级粒径段上限粒径，μm。

3)将泥沙分级筒中泥沙溶液烘干分散，即获取d₁～d₂粒径段泥沙。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该细颗粒泥沙分级装置，结构简单，易于加工生产，无需使用细筛或滤膜，不存在筛孔和滤膜孔易堵塞的问题，清理方便，而且各部分之间可拆卸，便于清理干净，各次处理之间相互无影响；适于沙样的批量处理，可通过增大圆筒直径来增大一次实验的处理沙量；分离精度高，沙样无初速沉降，上下控制阀可精确控制沉降时间，外界干扰降到最低；灵活性好，实际操作过程中，对于固定筒长的分级装置可通过加减沉距加长筒来改变筒长，实现不同的分级要求；适用性强，可以进行细颗粒范围内(2～62μm)任意粒径段泥沙的分级，若本装置足够长，也可以分离62μm≤d≤2000μm之间的泥沙颗粒，所获粒径类型均为沉降粒径，可避免较大粒径范围内两种粒径类型之间的转换。利用该装置进行细颗粒泥沙分级的方法，操作简单，只需控制两个控制阀，即可进行所需粒径段泥沙的分级。

附图说明

图1为本发明的细颗粒泥沙分级装置的结构示意图；

图2为增加沉距加长筒本发明的细颗粒泥沙分级装置的结构示意图；

图3为泥沙分级筒构造分解示意图；

图4为底座构造示意图；

图5为上控制阀或下控制阀的示意图；

图6为加沙筒结构示意图；

图7为吸管法测得的沙样级配曲线。

其中1-底座；2-泥沙分级筒；3-沉降过渡筒；4-加沙筒；5-上筒；6-下筒；7a-上控制阀；7b-下控制阀；8-沉距加长筒；9-棒体。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，一种细颗粒泥沙分级装置，自上而下依次包括加沙筒4、沉降过渡筒3、泥沙分级筒2和底座1；泥沙分级筒2由上筒5和下筒6组成，上筒5和下筒6上分设上控制阀7a和下控制阀7b，上控制阀7a设置在上筒5的接近 顶部的位置，下控制阀7b设置在下筒6中部以下的位置，加沙筒4底部设旋转开关，旋转开关上布置棒体9，为了操作方便，将棒体9的长度设置超过加沙筒4的开口面，其中加沙筒4、沉降过渡筒3、上筒5、下筒6和底座1之间相互耦合套接或者通过内外螺纹固定。

在一个实施例中，加沙筒4底部外径小于沉降过渡筒3顶部内径，保证加沙筒4可以套接于沉降过渡筒3内，上筒5底部的内径等于或略大于下筒6上部外径，下筒6底部内径等于或略大于底座1顶部外径，使下筒6套接于上筒5内，同时套接在底座1外，底座1构造示意图见图4。

所述的泥沙分级筒2为泥沙分级装置的主体结构(见图3)，通过控制上控制阀7a和下控制阀7b(见图5)的关闭时间，实现不同粒径段泥沙的分级。

所述的沉降过渡筒3下方套接泥沙分级筒2和加沙筒4，目的是用于下限粒径泥沙颗粒与更小粒径泥沙的分离，使各粒径段泥沙初步分离，便于泥沙在泥沙分级筒中的进一步分级。所述的加沙筒4(见图6)，用于沙样的无初速加入，实际操作时注水至加沙筒4底部以上2mm左右，再关闭底部阀门，保证沙样无初速沉降。

在实际操作过程中，如图2所示，可通过在上筒5、下筒6之间增加沉距加长筒8来改变细颗粒泥沙分级装置的筒长，实现不同的分级要求，筒长越长分级精度越高，增强装置灵活性。当在泥沙分级筒2的上筒5与下筒6之间加设沉距加长筒8时，沉距加长筒8与上筒5和下筒6之间相互耦合套接或者通过内外螺纹固定。在一个实施例中，沉距加长筒8套接在上筒5内，下筒6套接于沉距加长筒8内，同时套接在底座1外。

在具体实施例中，首先依据所需分离的粒径范围，选取适宜的有效长度为L_H的过渡筒，和适宜的有效长度分别为L_F上和L_F下的泥沙分级筒上筒和下筒，若已有筒长无法满足分级要求，可通过增加沉距加长筒来调整筒长。

过渡筒和泥沙分级筒选定后，使用选定的装置进行细颗粒泥沙分级的方法包括以下步骤：

1)将细颗粒泥沙进行分散并制成悬浊液，打开所有控制阀，保持整个装置连通，从加沙筒4中往整个泥沙分级装置中注水至加沙筒底部以上1-2mm，关闭加沙筒底部旋转开关；

2)将分散处理过的待分级泥沙浊液注入加沙筒4，打开加沙筒4底部旋转开关，开始计时，经过时间t₁关闭泥沙分级筒上控制阀7a，经过时间t₂关闭泥沙分级筒下控制阀7b，此时泥沙分级筒中泥沙粒径范围为d₁≤d≤d₂；其中：d为泥沙粒径，d₁—泥沙分级粒径段下限粒径，μm；d₂—泥沙分级粒径段上限粒径，μm；

3)取出泥沙分级筒，沉清后抽去上层清水，进行水沙分离，将分离出的泥沙颗粒烘干分散，即得d₁～d₂粒径段泥沙。

本发明基于泥沙颗粒在静水中所受到的重力和水体介质的浮力及各种外加阻力在瞬间能达到平衡而发生匀速沉降、且不同粒径沉降速度不同。当所分粒径小于0.062mm时，按照《河流泥沙颗粒分析规程》选用司托克斯沉速公式推算泥沙颗粒的沉降粒径，计算公式如下：

$\mathrm{\ω}=\frac{g}{1800}\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w}{{\mathrm{\ρ}}_w}\right)\frac{D^2}{v}$

式中，ω——沉降速度，cm/s；D——沉降粒径，mm；

ρ_s——泥沙密度，g/cm³；ρ_w——清水密度，g/cm³；

g——重力加速度，cm/s²；ν——水的运动黏滞系数cm²/s。

通过公式推导可得：

$t=\frac{1800{\mathrm{\ρ}}_w\mathrm{vL}}{g({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w)D^2}$

《河流泥沙颗粒分析规程》中沉降法分析泥沙级配时规定的泥沙浓度范围为0.05％～2.0％，初始加沙浓度视装置大小而定，以保证泥沙在沉降过程中整体浓度始终保持在0.05％～2.0％之间，且分级的泥沙粒径越小，初始加沙浓度选定需越低，以减少泥沙浓度对分级精度的影响。

所述的对应于上下控制阀的关闭时间t₁(s)、t₂(s)的泥沙分级粒径段d₁≤d≤d₂计算公式如下：

$d_1=\sqrt{\frac{L_H}{t_1}\·\frac{1800{\mathrm{\ρ}}_{w}v}{g({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w)}}$

$d_2=\sqrt{\frac{L_H+L_F}{t_2}\·\frac{1800{\mathrm{\ρ}}_{w}v}{g({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w)}}$

式中L_H——沉降过渡筒有效长度，cm；L_F——泥沙分级筒有效长度，cm；

d₁——泥沙分级粒径段下限粒径，μm；d₂——泥沙分级粒径段上限粒径，μm。

为便于管长范围的确定，通常情况下可取g为9.8m/s²，ρ_w为1000kg/m³，ρ_s为2650kg/m³，ν为0.01004cm²/s(20℃)进行初步计算，则泥沙沉降速度ω(cm/s)为：

ω＝89.83×10^-6d²

故L_H＝89.83×10^-6t₁d₁ ²，则L_H由d₁和t_上决定；L_F＝89.83×10^-6t₂d₂ ²-L_H，则L_F由d₂、t_下和L_H共同决定。筒长设计时，需根据具体分级粒径范围和所需时间进行计算，具体时间取值范围可根据如下所述进行设计，具体操作过程中可根据需要适当调整：

将d划分为31μm＜d≤62μm、8μm≤d≤31μm和2μm＜d＜8μm三个粒径段，三个粒径段泥沙的沉降时间特性不同。为使分级时间控制在一定范围内，较细颗粒径泥沙分级时间不宜过长，较粗粒径泥沙分级时间不宜过短，当设计的d₁或者d₂落在以下粒径范围内时，相应的L_H和L_F取值范围如下所示：

对于31μm＜d≤62μm，泥沙沉速很快，为保证分级时间不过短，管长不过长，故1min≤t≤30min；

对于8μm≤d≤31μm，泥沙沉速较快，为保证分级时间不过短或者过长，

故2min≤t≤60min；

对于2μm＜d＜8μm，泥沙沉速很慢，为保证分级时间不过长，管长不过短，故1h≤t≤8h。

相同沉降时间内，目标分级粒径段泥沙下限粒径和上限粒径对应的沉降距离L₁和L₂的关系：

$L_2=L_1\frac{{d_2}^2}{{d_1}^2}$

由于河流泥沙颗粒分析粒径级采用Φ分级法划分(2^Φ)，d₂＝2d₁，即L₂＝4L₁，若使L_F＝3L_H，则t₁＝t₂，可同时关闭泥沙分级筒上下控制阀，实现对泥沙分级筒和沉降过渡筒长度的优化设计，提高分级效率。

由上述描述可知，如果本装置足够长，也可分离62μm≤d≤2000μm之间的泥沙颗粒，相应的沉速利用沙玉清公式计算。

已有研究表明现有沉降法测得的样品粒径较之用筛分法测得的结果明显偏大，62μm≤d≤2000μm粒径段泥沙通常采用筛分法进行粒径分级，其泥沙粒径类型为筛分粒径，而62μm以下泥沙级配测量通常采用沉降法，其泥沙粒径类型为沉降粒径，这两种原理不同的颗分方法所测出的粒径数据需要加以换算才能采用，但目前有关筛分粒径与沉降粒径转换关系的研究结果并不一致。因此本方法提出了一种适用范围更广的泥沙分级方法，分离出来的泥沙粒径类型均为沉降粒径，可避免较大粒径范围内两种粒径类型之间的转换。

实施例1

以获取8～16μm粒径段泥沙为例，进行泥沙粒径分级装置使用说明，具体实施步骤为：

1)若已有固定筒长的沉降过渡筒、上筒和下筒，沉降过渡筒有效长度L_H＝5cm，上筒和下筒的有效长度分别为L_F上＝L_F下＝15cm，则泥沙分级筒的有效长度L_F＝30cm，由计算公式得到泥沙分级筒上控制阀和下控制阀的关闭时间t₁＝14.5min，t₂＝25.4min，若为提高效率，考虑当L_F＝3L_H时可同时关闭泥沙分级筒上下控制阀，可在过渡筒上加设有效长度L_C为5cm的沉距加长筒，此时新的沉降过渡筒有效筒长L_H＝10cm，分级时间为29min，在2～60min范围内，符合要求；

2)打开所有控制阀，保持整个装置连通，从加沙筒中往整个泥沙分级装置中注水至加沙筒底部以上1-2mm，关闭加沙筒底部旋转开关；

3)将待分级泥沙溶液配成浓度为0.8％的泥沙浊液，进行分散处理，将处理过的待分级泥沙浊液注入加沙筒，打开加沙筒底部旋转开关，开始计时，29min后关闭泥沙分级筒上下控制阀，此时泥沙分级筒中泥沙粒径范围为8μm≤d≤16μm；

4)取出泥沙分级筒，沉清后抽去上层清水，进行水沙分离，将分离出的泥沙颗粒烘干分散，即得8～16μm粒径段泥沙。

用吸管法对所得粒径段泥沙进行级配测量，得到8～16μm粒径段泥沙质量占总量的83.67％，沙样级配曲线如图7所示。

本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种细颗粒泥沙分级方法，所采用的细颗粒泥沙分级装置自上而下依次包括加沙筒(4)、沉降过渡筒(3)、泥沙分级筒(2)和底座(1)，泥沙分级筒(2)包含上筒(5)和下筒(6)，加沙筒(4)、沉降过渡筒(3)、上筒(5)、下筒(6)和底座(1)之间相互耦合套接或者通过内外螺纹固定，上筒(5)接近顶部的位置设置控制阀(7a)，下筒(6)中部以下的位置设置控制阀(7b)，加沙筒(4)底部设旋转开关，旋转开关上布置棒体(9)，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)打开所有控制阀，注水至加沙筒(4)底部以上1-2mm，关闭加沙筒(4)底部的旋转开关；

2)将泥沙悬浊液注入加沙筒(4)，打开旋转开关，经t₁时间关闭上控制阀(7a)，经t₂时间关闭下控制阀(7b)，则泥沙分级筒(2)中泥沙颗粒粒径d为：

d₁≤d≤d₂；

$d_1=\sqrt{\frac{L_H}{t_1}\·\frac{1800{\mathrm{\ρ}}_{w}v}{g({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w)}}$

$d_2=\sqrt{\frac{L_H+L_F}{t_2}\·\frac{1800{\mathrm{\ρ}}_{w}v}{g({\mathrm{\ρ}}_s-{\mathrm{\ρ}}_w)}}$

式中L_H——沉降过渡筒(3)有效长度，cm；L_F——泥沙分级筒(2)有效长度，cm；d₁——泥沙分级粒径段下限粒径，μm；d₂——泥沙分级粒径段上限粒径，μm；

3)将泥沙分级筒(2)中泥沙溶液烘干分散，即获取d₁～d₂粒径段泥沙。