泥沙起动流速的统一公式张红武.pdf

水 利 学 报 2012年12月 SHUILI XUEBAO 第43卷 第12期 文章编号：0559-9350（2012）12-1387-10 泥沙起动流速的统一公式 张红武 （清华大学 水利水电工程系 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084） 摘要：在分析前人泥沙起动流速公式的基础上，通过理论探讨给出了泥沙颗粒间黏结力与水深引起的附加下压力 的表达形式，在进行底部和平均流速换算时引入了张红武基于掺长模型与涡团模式建立的流速分布公式，遂基于 黏结力与水深引起的下压力对泥沙起动具有同等重要的影响，以及天然河流泥沙运动的特征值，确定了公式的待 定系数。从理论上建立的泥沙起动流速统一公式，不仅可概括粗细沙，而且能反映河床摩阻、含沙量及水温对泥 沙起动的影响，并可适用于轻质沙。 关键词：泥沙；起动流速；河床摩阻；统一公式 中图分类号：TV142 文献标识码：A 泥沙起动规律研究是泥沙基本理论的重要内容，长期以来，许多学者对泥沙起动规律及起动流 ［1］ 速计算方法进行了深入的研究。在机理揭示、规律表述和计算公式方面均取得了相当进展 。但由于 问题的复杂性，即使均匀沙起动流速的计算公式，至今也没有较好地解决，现有公式尚存在这样和 那样的不足之处。为此，本文在前人泥沙起动流速公式研究成果基础上，进行新的探讨，试图建立 一个更为科学合理的起动流速公式。 1 泥沙起动流速公式现状评述 1.1 现有公式简况 20世纪30年代前后，H.Rouse根据A.Shields及其他人的试验资料点绘出Shields ［1］ 曲线，这一成果以及泥沙起动的拖拽力公式被欧美国家的工程师广泛用作泥沙初始运动的准则 。 Shields曲线较合理地考虑了泥沙起动状态受近壁层流层的隐蔽作用，但我国学者多认为该曲线同生 ［2］ ［3］ 产实际中经常遇到的黏性细颗粒起动情况不符合 。笔者曾指出 ：Shields曲线选取的纵横坐标存在 一定的问题，表面上看有些规律，而实际上，横坐标即使是变化了数百倍，纵坐标也只变化了几 倍。不仅相同横坐标下的点群分散幅度较大，而且原曲线走向也有一定的人为性，尤其当沙粒雷诺 数大于200后，曲线并没有按照实际点群分布确定走向，沙粒雷诺数小于1后的曲线走向又同P.A. Mantz所搜集的细颗粒资料存在较大偏差，显然Shields曲线的实用价值是有局限的。 鉴于流速场和剪力场之间存在着一定关系，更多学者为便于实用，不关心泥沙的起动拖曳力而 ［2，4］ 热衷于推求起动流速 。例如，在动力平衡方程式中着重考虑水流作用力与泥沙重力对起动的影 响，再以小于某粒径的泥沙占沙样重量百分比90%的粒径D 的若干倍代表河床粗糙高度（可称为河 90 ［1］ 床糙度），前苏联学者岗恰洛夫1962年给出了如下粗颗粒泥沙起动流速公式 ： Vc 8.8h =1.06lg （1） D γ -γs 90