粗細化過程中的非均勻沙起動流速.docx

1、泥沙研究2000年8月JournalofSedimentResearch第4期粗細化過程中的非均勻沙起動流速劉興年，曹叔尤，黃爾，彭清娥，李昌志（四川大學出速水力學國家重點實驗室，四川成郁610065）摘要：本文對處于淤交替（粗化細化）過程卜的寬級配非均勻沙起動特點進行了分析，文中首先探討了均勻沙起動流速的表達方式.然后引入非均勻沙暴露高度和泥沙粒徑的關系和研究成果，導出了寬級配非均勻沙分級起動流速的計算公式，通過實臆資料檢賞符合良好。關詞：起動流速；非均勻沙：粗化過程中圖分類號：TV142.1文獻標識碼：A文章編號：0468-155X（2000）04-0010-041前言長江上游天然河流中的

2、床沙組成均為寬級配非均勾泥沙，其輸移過程具有明顯的特點，許多學者在這一領域取得了進展。非均勻沙的起動問題，作為研究泥沙輸移、河渠穩(wěn)定設計、沖刷過程和模型設計等問題的基礎，是解決變動回水區(qū)泥沙問題必須面臨的基本問題。對于泥沙起動臨界條件的表達方式上，傳統(tǒng)上有兩種方法起動切力和起動流速，兩者既是統(tǒng)一的，也存在明顯的差異。起動切力具有明顯的、直接的物理意義，但實測時難以獲得準確的坡度資料和床面切力資料，因此在實際應用時相對困難一些。起動流速雖作為間接的起動因子.就以其天然河流中易于觀測（平均流速）而獨具優(yōu)勢，起動流速的表達方式得到更為廣泛的應用。均勻沙起動切力的研究以希爾茲的研究為經典。在非均勻沙的

3、起動切力研究中，以伊格扎洛夫（I.V.Egiazaroff）,格斯勒（J.Gessler）,彭凱和陳遠信等人的研究為代表。伊格扎洛夫以對數(shù)流速分布引入起動切力蔭蔽系數(shù)獲很非均勾沙起動切力。格斯勒以其研究粗化穩(wěn)定結構的臨界切力代表了非均勻沙起動切力研究的一個重要方面，具有廣泛的影響。彭凱、陳遠信在80年代中期引入非均勻沙起動標準，床面可動層和起動的動力過程概念，通過系統(tǒng)實驗論證，獲得了非均勻沙分級起動切力的表達方式一修正希爾茲曲線。起動流速表達方式以前蘇聯(lián)學者開創(chuàng)以來，我國的廣大學者在此領域獲得了大量的成果，如武漢水電大學、竇國仁、華國祥、唐存本5：等人的研究成果，引入了無粘和粘性沙的特點，建立

4、了適用于粗細泥沙的起動流速公式。在非均勻沙起動流速方面，則在80年代開始，以秦榮昱、陳媛兒和謝鑒衡、韓其為、冷魁二等人的研究為代表。從不同的角度探討了非均勻沙起動流速的特點。這些研究無疑為非均勻沙起動流速臨界條件的研究具有重要意義。然而，寬級配非均勻沙的起動極為復雜，特別是處于變動回水區(qū)沖淤交替過程中的非均勻床沙的起動更是具有特殊性，有許多問題有待進一步深入探討。作為天然河流（特別是沖淤交替頻繁的變動回水區(qū)）的床沙往往是處于粗化過程中，每一條河流由于其來水來沙條件的不同，床沙起動的補給條件不同，即使是同一條河流在枯水期和汛期，汛前和汛后，洪峰前和峰后，其床沙的位置特性也不盡相同。因而上述起動流

5、速公式還不能概括這些與粗化細化過程有關的起動流速特點。那么.如何刻畫各條河流，不同水流和床沙特性下非均勻沙起動流速的異同是非均勻沙起塑堡絲駐單篷點之一，尤其是在變動回水區(qū)更應考慮粗化過程對非均勻沙起動流速的影響特性。葺金項目：國家自然科學基金委員會和水利部聯(lián)合資助的國家由然科學基金重大項目（59890200）作者筒介：劉興年（1963）.男,四川大學副教授。102粗化對非均勻沙起動特性影響分析均勻床沙在一定的水流條件下，可能處于靜止、部分可動和全部可動狀況。非均勻沙某級粒徑的臨界可動條件不僅與水流條件有關，也與泥沙級配組成有關，還與床沙位置、粗化程度有密切的關系。各條河流的水沙過程和床沙組成不

6、同，致使其粗化狀態(tài)也不盡相同，因此臨界起動條件亦具有相異的特點，以一水槽試驗為例，把非均勻沙(寬級配)鋪在床面上，放入流氫Q的清水(流速為U),清水沖刷床面至達到粗化穩(wěn)定層形成，停水，然后再放入同一流晨Q的清水，則水槽中的床沙將會全部都不可動。再停水，可獲取床沙表層粗化層級配，按此級配重新配沙鋪在水槽中，并放入同樣水流，則部分細沙會被起動他移。這就反映出同樣水流條件和床沙級配下，由于床沙粗化程度(床沙位置特性)不同，而產生了起動流速不同。目前的臨界起動公式還不能概括上述現(xiàn)象。在水庫回水變動區(qū)往往由于沖淤交替進行而產生粗化程度經常變化。同樣，不同的河流，由于來水來沙條件各異.床沙的位置特性也不盡

7、相同。因此，粗化過程的床沙特性如何影響非均勻沙起動臨界流速條件應考慮。圖1床沙,度示意圖Sketchofthebedmaterialexposure3考慮床沙粗化及隱暴作用的起動流速通過水槽實驗和野外實測，獲得非均勻沙部分可動和全部可動條件下的暴露度和粒徑關系的資料。根據(jù)對這些資料的分析，床沙暴露度的定義如圖1所示。全部可動時e,=A(dA-d,)(1)其中部分可動時部分可動時II(2)f)d<d：-dA)d,d；dA=+Sdg91i1二湖%-0.024(/,-/)式中Z是粒徑為d,的顆粒的暴露高度；為i粒徑組所占床沙百分比；N、M分別為全部床沙的分級數(shù)和d,<d：的分級數(shù)；/八為

8、床沙代表粒徑；d；為床沙置調整的最大可動粒徑；A為床沙位置特征參數(shù)。A值越大，粗化程度越強，細顆粒泥沙受到的蔭蔽作用也越強。A是表征床沙位置關系和粗化狀態(tài)的重要特征參數(shù)。非均勻沙的起動流速，可在均勻沙起動流速的基礎上，引入粗細顆粒間相互影響的參數(shù)后獲得。對于均勻沙粗細顆粒的起動流速，分別有大量公式。華國祥于1965年提出了一種均勻沙起動流速計算方法。通過受力分析并采用指數(shù)流速公式，可得(3)(4)(3)(4)=土(HW序尹基房對于粗顆粒泥沙"、G和G,近似為常系數(shù)，因而有U,=Ki(H/d)仍必弓玲對于極細顆粒泥沙，華國祥的研究表明心占（H/把房亨；毛(5)1_10Z18由此可得代入

9、式（5）,有G.d/,-/.vJrgdUc=K】（H/d）'寸弓瓦K2一-yd/1/2(6)以上粗顆粒和細顆粒的起動流速表達式可統(tǒng)一表達為Uc=K】(H/dg%lgd(7)式中K|和K2為待定系數(shù)。若由實際資料適線，得K,=1.15,K2=10,則=1.15(H/d),/67ZiT21+10產du(8)dj=J,+A(cZA-di)(S/UW3蜩熨標肋圖2點繪了公式（8）和實驗資料的對比，說明起動流速公式（8）是可行的。和均勻沙相比較，細顆粒（d.<dA）位于平均床面之下4,要達到和均勻沙時同樣的起動，則d,（d,VdQ粒徑的顆粒的粒徑需要加大到di=ei-d,=A（dA-di）

10、1才能使其頂部達到平均床面，和均勻沙時有同等的起動條件，因此，非均勻床沙中細顆粒泥沙與均勻沙時相比的等效粒徑為(9)圖2式（8）與實驗資料的對比Comparisonbetweenformula（8）andexperimentdata對于粗顆粒泥沙（。,>心），位于平均床面以上4,要達到均勻沙時同樣的起動，則d,粒徑的顆粒需要減小至人（。,-心）=4+ASa-也），才能使其頂部位于平均床面上，和均勻沙時有同樣的臨界起動條件。而對于d,>d：的顆粒的等效粒徑.d：=+J；）o綜上所述，非均勻沙等效粒徑可表達為(10)(10)0+A（-di）d；=<、d.>d：I。,+A（c

11、Za-式）將等效粒徑d；代入均勻沙起動流速公式（8）,有UL.15(H/d；)】寸寧gd；1十10(11)式(11)就是考慮粗細顆粒間隱暴作用的非均勻沙分組起動流速公式。圖3為公式(10)和實測資料的對比。由圖3可知，計算值和實驗值吻合良好。4結論本文論述了處理沖淤變化情況下的粗細泥沙起動特性，表明泥沙起動不僅與水流強度、泥沙粒徑大小有關，還與床沙粗化細化程度有關。在引入非均勾沙暴露高度和10000.0000.0010.010.泥沙粒徑的關系和等效檢徑后，導出了寬級配非均勻沙分圖3等效牧徑驗證圈級起動流速的計算公式CheckoftheequivalentdiameterUCi=K(H/d；1/

12、2與實驗資料檢驗符合良好。參考文獻1 華國祥.泥沙的起動流速.成都工學院學報.1965(1).1-12頁.2 韓其為.何明民.泥沙起動規(guī)律及起動流速.科學出版社，1999年.3劉興年，陳遠信卵石河道寬級配椎移質輸移特性研究.第二屆全國泥沙基本理論學術討論會論文集，中國建材工業(yè)出版社，1995年4Yang,C.T.,SedimentTransport：Theoryandpractice,theMcGraw-Hillcompanies,!uc.,1996.5 張瑞瑾.謝鑒衡.王明甫等著.河流泥沙運動力學.水利水電出版社，1989.6 彭凱，陳遠信.非均勻沙起動流速.成都科技大學學報，1986.(5

13、).7 冷魅.王明甫.無粘性非均勻沙的起動規(guī)律探討.水力發(fā)電學報，1994,(2).CriticalVelocityofNon-uniformSedimentintheArmoringProcessLIUXiang-nian,CAOShu-you,HUANGEr,PENGQing-e,LIChang-zhi(SichuanUniversityStatekeyhydraulicLaboratoryofHighSpeedFlow9Chengdu,610065)Abstract:Inthispaper,theincipientmotioncharacteristicsofsedimentwithawidedistributionundertheconditionofarmoringprocessofbedmaterialarediscussed.Theformulaofcriticalvelocityisderived.Therelationshipofexposuredegreeandbedmaterialdiameterande