非均匀沙起动规律研究.doc

非均匀沙起动规律研究 李 荣 李义天 王迎春 (武汉水利电力大学) (吉林市水利水电勘测设计院) 摘 要 非均匀沙运动规律与均匀沙存有明显的不同。本文从非均匀沙运动特点出发，简要阐述了非均匀沙的运动机理，利用滚动平衡方程式建立了能反映非均匀沙粗化、细化过程和床沙受暴露、隐蔽作用的起动流速公式，利用实测资料率定计算公式中的系数。与其它起动流速公式相比，本文推导的起动流速公式较好地反映了非均匀沙的起动特性：较细的非均匀床沙较粒径均匀的同粒径床沙难于起动，而较粗的非均匀床沙较粒径均匀的同粒径床沙易于起动。 关键词 非均匀沙 起动流速 相对暴露度 1 引言 　　一般情况下，天然河流中床沙均属非均匀沙，对于山区宽级配卵石夹沙河床，非均匀性更强，拣选系数高达10左右。由于非均匀沙运动机理的复杂性，以往众多学者把主要精力集中在均匀沙运动机理和输沙特性的研究上，而暂时回避了泥沙的非均匀性，并取得了一些成果。但泥沙研究的最终归宿应是研究能反映天然泥沙特性的非均匀沙运动机理和输沙特性。在非均匀沙研究方面，国内外学者均进行了一些研究。不同学者从各自的途径，考虑不同影响因素，得到了不同的起动流速公式。主要途径有两类：一类是基于力学角度推导出来的起动流速公式，另一类是基于随机理论推导出来的公式。 1.1 基于力学角度推导出来的起动流速公式  秦荣昱从力学角度来建立和分析非均匀沙的起动流速公式。秦在分析非均匀沙起动力学特性时引进了附加阻力R，并近似假定R与混合平均抗剪力τc成正比，即R=φτcαd2利用滚动平衡推导得起动流速公式[1]。秦荣昱非均匀沙起动流速公式用于均匀沙时与沙莫夫均匀沙起动流速公式一致，公式引进了附加力在一定程度上反映了床沙粗化、细化对非均匀沙起动的影响。但对宽级配床沙而言，秦荣昱公式在计算粗颗粒泥沙时起动流速较实测值大，而计算细颗粒时略偏小。分析其原因，主要是公式中对粗颗粒泥沙受暴露，细颗粒泥沙受隐蔽的特性未能体现完全。而颗粒的隐暴特性对非均匀沙的起动影响较大。 类似于秦荣昱的思想，张启卫引进了一个附加力R(ddm时，表现为附加阻力，ddm时，R表现为附加动力)，R表示为R=K(γs-γ)d3dm/d·ln(dm/d)，利用力的平衡关系推导得非均匀沙的起动流速公式［2］。张启卫公式在一定程度上考虑了粗细沙之间的隐暴作用，但未能考虑床沙粗化细化过程对起动的影响，因而所得公式不能全面反映床沙调整过程中非均匀沙的起动规律。陈媛儿、谢鉴衡在研究非均匀沙起动规律时限于讨论粒配范围较宽的非均匀沙中不同粒径级的临界起动条件，不考虑床沙级配的调整，得到非均匀沙的起动流速公式［3］。但陈、谢公式中，当d=dm或ddm时，出现间断或负值，这不符合泥沙起动的规律，而且公式也只限于不考虑床沙组成变化，河床遭受到一定程度冲刷情况下的粗颗粒泥沙的起动。 　　另外，耶格阿扎罗夫［4］和林太造［5］从起动拖曳力出发研究非均匀沙的起动。但由公式可知，耶、林在推导非均匀沙起动时仍沿用了均匀沙的起动公式，只是略加修正，这也不可能全面反映非均匀沙的起动规律。 1.2 基于随机理论推导的起动公式 　　泥沙起动既应满足一定的力学规律，同时也是一种随机过程。在分析泥沙运动规律时，由于泥沙问题的复杂性，欲对每个随机变量都进行分析目前尚有一定困难。孙志林主要从对非均匀沙起动起决定作用的水流脉动和颗粒间的相互位置这两个随机变量出发，运用统计理论建立了反映非均匀沙起动特点的起动流速公式［6］。然而，我们不难发现，对水流脉动和颗粒间位置的研究其本质仍是对颗粒受力的分析研究，另外由于近底水流结构的复杂性及起动标准的不统一，想用随机理论来较好地解决非均匀沙起动问题目前仍存在相当大的难度。因此目前对非均匀沙的研究基于力学理论的居多。  由上面分析可知，秦荣昱公式的特点是引进了附加阻力项，该项表征床沙组成变化对起动粒径d0的影响，这就概括了克拉米提出的床沙颗粒从停止不动开始起动全部起动的整个过程的起动机理和物理意义。起动公式中通过dm，m,d90等的变化基本反映了床沙组成粗化、细化作用对起动粒径的影响。与其它公式相比，秦荣昱公式较好地反映了非均匀沙起动的阶段性和不恒定的特性。但秦荣昱公式在与实测资料的吻合程度上表现为粗颗粒泥沙起动流速较实测值偏大，细粒泥沙偏小的问题，反映了秦公式对泥沙受隐暴作用缺乏全面的考虑。本文在秦荣昱研究基础上，引进相对暴露度，试图对非均匀沙起动规律作进一步的探讨和完善。 2 非均匀沙运动机理 　　根据已有非均匀沙的研究成果［7］，非均匀沙与均匀沙在起动机理，运动特性等方面存在显著差异，这也是进一步研究非均匀沙的根本原因。非均匀沙与均匀沙相比有如下几个显著特点： 2.1 起动的阶段性 　　根据Kramer的观点［8］和各种试验资料，非均匀沙起动存在四个不同阶段