非均勻沙起動(dòng)規(guī)律研究

1、非均勻沙起動(dòng)規(guī)律研究非均勻沙起動(dòng)規(guī)律研究李榮李義天王迎春(武漢水利電力大學(xué))(吉林市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院)摘要非均勻沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律與均勻沙存有明顯的不同。本文從非均勻沙運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)出發(fā)，簡(jiǎn)要闡述了非均勻沙的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，利用滾動(dòng)平衡方程式建立了能反映非均勻沙粗化、細(xì)化過(guò)程和床沙受暴露、隱蔽作用的起動(dòng)流速公式，利用實(shí)測(cè)資料率定計(jì)算公式中的系數(shù)。與其它起動(dòng)流速公式相比，本文推導(dǎo)的起動(dòng)流速公式較好地反映了非均勻沙的起動(dòng)特性：較細(xì)的非均勻床沙較粒徑均勻的同粒

2、徑床沙難于起動(dòng)，而較粗的非均勻床沙較粒徑均勻的同粒徑床沙易于起動(dòng)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞非均勻沙起動(dòng)流速相對(duì)暴露度1引言一般情況下，天然河流中床沙均屬非均勻沙，對(duì)于山區(qū)寬級(jí)配卵石夾沙河床，非均勻性更強(qiáng)，揀選系數(shù)高達(dá)10左右。由于非均勻沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理的復(fù)雜性，以往眾多學(xué)者把主要精力集中在均勻沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理和輸沙特性的研究上，而暫時(shí)回避了泥沙的非均勻性，并取得了一些成果。但泥沙研究的最終歸宿應(yīng)是研究能反映天然泥沙特性的非均勻沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理和輸沙特性。在非均勻沙研

3、究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均進(jìn)行了一些研究。不同學(xué)者從各自的途徑，考慮不同影響因素，得到了不同的起動(dòng)流速公式。主要途徑有兩類(lèi)：一類(lèi)是基于力學(xué)角度推導(dǎo)出來(lái)的起動(dòng)流速公式，另一類(lèi)是基于隨機(jī)理論推導(dǎo)出來(lái)的公式。1.11.1基于力學(xué)角度推導(dǎo)出來(lái)的起動(dòng)流速公式基于力學(xué)角度推導(dǎo)出來(lái)的起動(dòng)流速公式秦榮昱從力學(xué)角度來(lái)建立和分析非均勻沙的起動(dòng)流速公式。秦在分析非均勻沙起動(dòng)力學(xué)特性時(shí)引進(jìn)了附加阻力R，并近似假定R與混合平均抗剪力τc成正比，即R=φτcαd2利用

4、滾動(dòng)平衡推導(dǎo)得起動(dòng)流速公式[1]。秦榮昱非均勻沙起動(dòng)流速公式用于均勻沙時(shí)與沙莫夫均勻沙起動(dòng)流速公式一致，公式引進(jìn)了附加力在一定程度上反映了床沙粗化、細(xì)化對(duì)非均勻沙起動(dòng)的影響。但對(duì)寬級(jí)配床沙而言，秦榮昱公式在計(jì)算粗顆粒泥沙時(shí)起動(dòng)流速較實(shí)測(cè)值大，而計(jì)算細(xì)顆粒時(shí)略偏小。分析其原因，主要是公式中對(duì)粗顆粒泥沙受暴露，細(xì)顆粒泥沙受隱蔽的特性未能體現(xiàn)完全。而顆粒的隱暴特性對(duì)非均勻沙的起動(dòng)影響較大。類(lèi)似于秦榮昱的思想，張啟衛(wèi)引進(jìn)了一個(gè)附加力R(ddm時(shí)

5、，R表現(xiàn)為附加動(dòng)力)，R表示為R=K(γsγ)d3dmdln(dmd)，利用力的平衡關(guān)系推導(dǎo)得非均勻沙的起動(dòng)流速公式［2］。張啟衛(wèi)公式在一定程度上考慮了粗細(xì)沙之間的隱暴作用，但在Kramer定義的泥沙起動(dòng)第三階段中，隨著細(xì)顆粒泥沙的沖刷外移，床沙中泥沙組成變粗，床沙粗化，可動(dòng)泥沙顆粒逐漸減少，這樣勢(shì)必會(huì)降低河道的輸沙能力(即發(fā)生粗化過(guò)程)；從另一方面講，如果河段上游來(lái)沙充分且組成較細(xì)，河床發(fā)生淤積，床沙組成逐漸變細(xì)，有利于提高河道的挾沙

6、能力(即發(fā)生細(xì)化過(guò)程)。故粗化、細(xì)化過(guò)程是天然河道沖淤交替的反映，同時(shí)反過(guò)來(lái)也影響河道的沖淤特性。由此可見(jiàn)：非均勻沙的起動(dòng)和輸沙過(guò)程是床沙粗化、細(xì)化的過(guò)程，具有不恒定的特性。2.3.3非均勻沙的隱暴特性非均勻沙的隱暴特性隨著水流強(qiáng)度的增加，床沙在水流作用下發(fā)生分選。細(xì)顆粒泥沙被沖刷外移，填充在粗顆粒泥沙的副流區(qū)，受到粗顆粒泥沙的阻擋和隱蔽，除受陣發(fā)性向上漩渦的作用而可能逸出隱蔽區(qū)外，細(xì)顆粒泥沙處于被保護(hù)，靜止不動(dòng)的狀態(tài)；與細(xì)顆粒相反，粗

7、顆粒泥沙隨著床沙分選而逐漸從床沙中“突現(xiàn)”出來(lái)，水流對(duì)粗顆粒泥沙的作用增強(qiáng)。3起動(dòng)公式的建立依據(jù)非均勻沙起動(dòng)機(jī)理，同均勻沙相比，非均勻沙除受水下有效重力(ω)，水流對(duì)泥沙的上舉力(FL)和正面推力(FD)外，還應(yīng)受到因床沙粗化、細(xì)化作用及隱暴作用所附加的力R(對(duì)粗顆粒來(lái)講，R是促進(jìn)粗沙運(yùn)動(dòng)的力，對(duì)細(xì)沙則是阻礙運(yùn)動(dòng)的力)。R不僅與床沙組成粗細(xì)，床沙的粗化、細(xì)化過(guò)程有關(guān)，更重要的應(yīng)反映床沙受隱暴的特性。從劉興年［9］定義的床沙暴露高度(如圖

8、1)出發(fā)，本文引入相對(duì)暴露度的概念，其定義為η=(dmd0)dm式中η為相對(duì)暴露度；dm為床沙平均粒徑；d0為其中任一組泥沙粒徑。由定義可知：均勻沙時(shí)η=0。粒徑大于床面平均粒徑的泥沙，其暴露度為正，受到暴露作用。相反，粒徑小于平均粒徑，則受到隱蔽作用。這種相對(duì)暴露度的定義，不僅反映了某一顆泥沙在床面上的位置，也反映了與該顆粒泥沙相鄰顆粒在床面上的位置。相鄰顆粒間的位置關(guān)系正好反映了非均勻沙大小顆粒間的相互作用關(guān)系，因而反映了非均勻沙顆