粗細(xì)化過程中的非均勻沙起動(dòng)流速.docx

1、泥沙研究2000年8月JournalofSedimentResearch第4期粗細(xì)化過程中的非均勻沙起動(dòng)流速劉興年，曹叔尤，黃爾，彭清娥，李昌志（四川大學(xué)出速水力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成郁610065）摘要：本文對(duì)處于淤交替（粗化細(xì)化）過程卜的寬級(jí)配非均勻沙起動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，文中首先探討了均勻沙起動(dòng)流速的表達(dá)方式.然后引入非均勻沙暴露高度和泥沙粒徑的關(guān)系和研究成果，導(dǎo)出了寬級(jí)配非均勻沙分級(jí)起動(dòng)流速的計(jì)算公式，通過實(shí)臆資料檢賞符合良好。關(guān)詞：起動(dòng)流速；非均勻沙：粗化過程中圖分類號(hào)：TV142.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0468-155X（2000）04-0010-041前言長(zhǎng)江上游天然河流中的

2、床沙組成均為寬級(jí)配非均勾泥沙，其輸移過程具有明顯的特點(diǎn)，許多學(xué)者在這一領(lǐng)域取得了進(jìn)展。非均勻沙的起動(dòng)問題，作為研究泥沙輸移、河渠穩(wěn)定設(shè)計(jì)、沖刷過程和模型設(shè)計(jì)等問題的基礎(chǔ)，是解決變動(dòng)回水區(qū)泥沙問題必須面臨的基本問題。對(duì)于泥沙起動(dòng)臨界條件的表達(dá)方式上，傳統(tǒng)上有兩種方法起動(dòng)切力和起動(dòng)流速，兩者既是統(tǒng)一的，也存在明顯的差異。起動(dòng)切力具有明顯的、直接的物理意義，但實(shí)測(cè)時(shí)難以獲得準(zhǔn)確的坡度資料和床面切力資料，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)相對(duì)困難一些。起動(dòng)流速雖作為間接的起動(dòng)因子.就以其天然河流中易于觀測(cè)（平均流速）而獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，起動(dòng)流速的表達(dá)方式得到更為廣泛的應(yīng)用。均勻沙起動(dòng)切力的研究以希爾茲的研究為經(jīng)典。在非均勻沙的

3、起動(dòng)切力研究中，以伊格扎洛夫（I.V.Egiazaroff）,格斯勒（J.Gessler）,彭凱和陳遠(yuǎn)信等人的研究為代表。伊格扎洛夫以對(duì)數(shù)流速分布引入起動(dòng)切力蔭蔽系數(shù)獲很非均勾沙起動(dòng)切力。格斯勒以其研究粗化穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的臨界切力代表了非均勻沙起動(dòng)切力研究的一個(gè)重要方面，具有廣泛的影響。彭凱、陳遠(yuǎn)信在80年代中期引入非均勻沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，床面可動(dòng)層和起動(dòng)的動(dòng)力過程概念，通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)論證，獲得了非均勻沙分級(jí)起動(dòng)切力的表達(dá)方式一修正希爾茲曲線。起動(dòng)流速表達(dá)方式以前蘇聯(lián)學(xué)者開創(chuàng)以來，我國(guó)的廣大學(xué)者在此領(lǐng)域獲得了大量的成果，如武漢水電大學(xué)、竇國(guó)仁、華國(guó)祥、唐存本5：等人的研究成果，引入了無粘和粘性沙的特點(diǎn)，建立

4、了適用于粗細(xì)泥沙的起動(dòng)流速公式。在非均勻沙起動(dòng)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(dòng)流速的特點(diǎn)。這些研究無疑為非均勻沙起動(dòng)流速臨界條件的研究具有重要意義。然而，寬級(jí)配非均勻沙的起動(dòng)極為復(fù)雜，特別是處于變動(dòng)回水區(qū)沖淤交替過程中的非均勻床沙的起動(dòng)更是具有特殊性，有許多問題有待進(jìn)一步深入探討。作為天然河流（特別是沖淤交替頻繁的變動(dòng)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(dòng)的補(bǔ)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(dòng)流

5、速公式還不能概括這些與粗化細(xì)化過程有關(guān)的起動(dòng)流速特點(diǎn)。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(dòng)流速的異同是非均勻沙起塑堡絲駐單篷點(diǎn)之一，尤其是在變動(dòng)回水區(qū)更應(yīng)考慮粗化過程對(duì)非均勻沙起動(dòng)流速的影響特性。葺金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和水利部聯(lián)合資助的國(guó)家由然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（59890200）作者筒介：劉興年（1963）.男,四川大學(xué)副教授。102粗化對(duì)非均勻沙起動(dòng)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(dòng)和全部可動(dòng)狀況。非均勻沙某級(jí)粒徑的臨界可動(dòng)條件不僅與水流條件有關(guān)，也與泥沙級(jí)配組成有關(guān)，還與床沙位置、粗化程度有密切的關(guān)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(dòng)條件亦具有相異的特點(diǎn)，以一水槽試驗(yàn)為例，把非均勻沙(寬級(jí)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(dá)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(huì)全部都不可動(dòng)。再停水，可獲取床沙表層粗化層級(jí)配，按此級(jí)配重新配沙鋪在水槽中，并放入同樣水流，則部分細(xì)沙會(huì)被起動(dòng)他移。這就反映出同樣水流條件和床沙級(jí)配下，由于床沙粗化程度(床沙位置特性)不同，而產(chǎn)生了起動(dòng)流速不同。目前的臨界起動(dòng)公式還不能概括上述現(xiàn)象。在水庫(kù)回水變動(dòng)區(qū)往往由于沖淤交替進(jìn)行而產(chǎn)生粗化程度經(jīng)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(dòng)臨界流速條件應(yīng)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(dòng)流速通過水槽實(shí)驗(yàn)和野外實(shí)測(cè)，獲得非均勻沙部分可動(dòng)和全部可動(dòng)條件下的暴露度和粒徑關(guān)系的資料。根據(jù)對(duì)這些資料的分析，床沙暴露度的定義如圖1所示。全部可動(dòng)時(shí)e,=A(dA-d,)(1)其中部分可動(dòng)時(shí)部分可動(dòng)時(shí)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(jí)數(shù)和d,<d：的分級(jí)數(shù)；/八為

8、床沙代表粒徑；d；為床沙置調(diào)整的最大可動(dòng)粒徑；A為床沙位置特征參數(shù)。A值越大，粗化程度越強(qiáng)，細(xì)顆粒泥沙受到的蔭蔽作用也越強(qiáng)。A是表征床沙位置關(guān)系和粗化狀態(tài)的重要特征參數(shù)。非均勻沙的起動(dòng)流速，可在均勻沙起動(dòng)流速的基礎(chǔ)上，引入粗細(xì)顆粒間相互影響的參數(shù)后獲得。對(duì)于均勻沙粗細(xì)顆粒的起動(dòng)流速，分別有大量公式。華國(guó)祥于1965年提出了一種均勻沙起動(dòng)流速計(jì)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(duì)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(duì)于極細(xì)顆粒泥沙，華國(guó)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(xì)顆粒的起動(dòng)流速表達(dá)式可統(tǒng)一表達(dá)為Uc=K】(H/dg%lgd(7)式中K|和K2為待定系數(shù)。若由實(shí)際資料適線，得K,=1.15,K2=10,則=1.15(H/d),/67ZiT21+10產(chǎn)du(8)dj=J,+A(cZA-di)(S/UW3蜩熨標(biāo)肋圖2點(diǎn)繪了公式（8）和實(shí)驗(yàn)資料的對(duì)比，說明起動(dòng)流速公式（8）是可行的。和均勻沙相比較，細(xì)顆粒（d.<dA）位于平均床面之下4,要達(dá)到和均勻沙時(shí)同樣的起動(dòng)，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(dá)到平均床面，和均勻沙時(shí)有同等的起動(dòng)條件，因此，非均勻床沙中細(xì)顆粒泥沙與均勻沙時(shí)相比的等效粒徑為(9)圖2式（8）與實(shí)驗(yàn)資料的對(duì)比Comparisonbetweenformula（8）andexperimentdata對(duì)于粗顆粒泥沙（。,>心），位于平均床面以上4,要達(dá)到均勻沙時(shí)同樣的起動(dòng)，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(shí)有同樣的臨界起動(dòng)條件。而對(duì)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(dá)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(dòng)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(xì)顆粒間隱暴作用的非均勻沙分組起動(dòng)流速公式。圖3為公式(10)和實(shí)測(cè)資料的對(duì)比。由圖3可知，計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值吻合良好。4結(jié)論本文論述了處理沖淤變化情況下的粗細(xì)泥沙起動(dòng)特性，表明泥沙起動(dòng)不僅與水流強(qiáng)度、泥沙粒徑大小有關(guān)，還與床沙粗化細(xì)化程度有關(guān)。在引入非均勾沙暴露高度和10000.0000.0010.010.泥沙粒徑的關(guān)系和等效檢徑后，導(dǎo)出了寬級(jí)配非均勻沙分圖3等效牧徑驗(yàn)證圈級(jí)起動(dòng)流速的計(jì)算公式CheckoftheequivalentdiameterUCi=K(H/d；1/

12、2與實(shí)驗(yàn)資料檢驗(yàn)符合良好。參考文獻(xiàn)1 華國(guó)祥.泥沙的起動(dòng)流速.成都工學(xué)院學(xué)報(bào).1965(1).1-12頁(yè).2 韓其為.何明民.泥沙起動(dòng)規(guī)律及起動(dòng)流速.科學(xué)出版社，1999年.3劉興年，陳遠(yuǎn)信卵石河道寬級(jí)配椎移質(zhì)輸移特性研究.第二屆全國(guó)泥沙基本理論學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，中國(guó)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(yùn)動(dòng)力學(xué).水利水電出版社，1989.6 彭凱，陳遠(yuǎn)信.非均勻沙起動(dòng)流速.成都科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1986.(5

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