非均勻沙起動規(guī)律研究

1、非均勻沙起動規(guī)律研究非均勻沙起動規(guī)律研究李榮李義天王迎春(武漢水利電力大學)(吉林市水利水電勘測設計院)摘要非均勻沙運動規(guī)律與均勻沙存有明顯的不同。本文從非均勻沙運動特點出發(fā)，簡要闡述了非均勻沙的運動機理，利用滾動平衡方程式建立了能反映非均勻沙粗化、細化過程和床沙受暴露、隱蔽作用的起動流速公式，利用實測資料率定計算公式中的系數(shù)。與其它起動流速公式相比，本文推導的起動流速公式較好地反映了非均勻沙的起動特性：較細的非均勻床沙較粒徑均勻的同粒

2、徑床沙難于起動，而較粗的非均勻床沙較粒徑均勻的同粒徑床沙易于起動。關鍵詞關鍵詞非均勻沙起動流速相對暴露度1引言一般情況下，天然河流中床沙均屬非均勻沙，對于山區(qū)寬級配卵石夾沙河床，非均勻性更強，揀選系數(shù)高達10左右。由于非均勻沙運動機理的復雜性，以往眾多學者把主要精力集中在均勻沙運動機理和輸沙特性的研究上，而暫時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是研究能反映天然泥沙特性的非均勻沙運動機理和輸沙特性。在非均勻沙研

3、究方面，國內(nèi)外學者均進行了一些研究。不同學者從各自的途徑，考慮不同影響因素，得到了不同的起動流速公式。主要途徑有兩類：一類是基于力學角度推導出來的起動流速公式，另一類是基于隨機理論推導出來的公式。1.11.1基于力學角度推導出來的起動流速公式基于力學角度推導出來的起動流速公式秦榮昱從力學角度來建立和分析非均勻沙的起動流速公式。秦在分析非均勻沙起動力學特性時引進了附加阻力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、滾動平衡推導得起動流速公式[1]。秦榮昱非均勻沙起動流速公式用于均勻沙時與沙莫夫均勻沙起動流速公式一致，公式引進了附加力在一定程度上反映了床沙粗化、細化對非均勻沙起動的影響。但對寬級配床沙而言，秦榮昱公式在計算粗顆粒泥沙時起動流速較實測值大，而計算細顆粒時略偏小。分析其原因，主要是公式中對粗顆粒泥沙受暴露，細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非均勻沙的起動影響較大。類似于秦榮昱的思想，張啟衛(wèi)引進了一個附加力R(ddm時

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

6、能力(即發(fā)生細化過程)。故粗化、細化過程是天然河道沖淤交替的反映，同時反過來也影響河道的沖淤特性。由此可見：非均勻沙的起動和輸沙過程是床沙粗化、細化的過程，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度的增加，床沙在水流作用下發(fā)生分選。細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，細顆粒泥沙處于被保護，靜止不動的狀態(tài)；與細顆粒相反，粗

7、顆粒泥沙隨著床沙分選而逐漸從床沙中“突現(xiàn)”出來，水流對粗顆粒泥沙的作用增強。3起動公式的建立依據(jù)非均勻沙起動機理，同均勻沙相比，非均勻沙除受水下有效重力(ω)，水流對泥沙的上舉力(FL)和正面推力(FD)外，還應受到因床沙粗化、細化作用及隱暴作用所附加的力R(對粗顆粒來講，R是促進粗沙運動的力，對細沙則是阻礙運動的力)。R不僅與床沙組成粗細，床沙的粗化、細化過程有關，更重要的應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)，本文引入相對暴露度的概念，其定義為η=(dmd0)dm式中η為相對暴露度；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系正好反映了非均勻沙大小顆粒間的相互作用關系，因而反映了非均勻沙顆