基于三维泥沙颗粒的相对隐蔽度初步分析.pdfVIP

泥 沙 研 究 2011年 6月 JournalofSedimentReseareh 第 3期 基于三维泥沙颗粒的相对隐蔽度初步分析 孟震 ，杨文俊 (长江科学院 水利 部江湖治理与防洪重点实验 室，湖北 武汉 430010) 摘要 ：绝对隐蔽度和相对隐蔽度是泥沙颗粒隐蔽度研究 中的两大派别 ，为理论分析方便 ，人们往往把泥沙概化 为二维 “圆饼”来研究对应的颗粒隐蔽度。本文以韩其为建立的相对隐蔽度理论为基础，提出了三维泥沙颗 粒相对隐蔽度 的概念 ，给 出了其在统计意义上 的计算式，最后对该式的物理意义进行了讨论。 关键词 ：隐蔽度 ；正偏态分布 ；非均匀沙 中图分类号 ：TV141 文献标识码 ：A 文章编号 ：0468—155X(2011)03—0017-06 1 引言 泥沙颗粒隐蔽度研究对泥沙的起动、输移等均有重要 意义。绝对隐蔽度和相对 隐蔽度是泥沙颗粒 隐蔽度研究中的两个方面 ，如韩其为，Paintal和刘兴年等学者分别研究了泥沙颗粒相对隐蔽度和绝对隐 蔽度…。受泥沙颗粒形状的不规则性 ，床面形态的瞬间变化以及实验量测手段 的限制等诸多因素的影 响，对泥沙颗粒隐蔽度的研究仍然存在很大的困难 。目前 的研究主要以概化物理图形进行理论分析为 主，将泥沙颗粒概化成为 “圆饼”状 (见图 1(a))来定义二维颗粒隐蔽度的概念 ，并在一定假设的基础上 (如隐蔽度呈均匀分布)取得了一定 的研究成果。然而 ，泥沙颗粒实际上多可概化为球体 ，那么泥沙颗 粒的二维 “圆饼”状概化与三维球状概化对泥沙颗粒 隐蔽度 的计算有何影 响?于此 ，本文在韩其为的 (二维)泥沙颗粒相对隐蔽度理论的基础上 ，研究了泥沙被概化为球状时的三维泥沙颗粒相对隐蔽度的 概念及其在统计意义上的计算式 ，并对该式进行了讨论 。 2 相对隐蔽度概念 理论上讲 ，泥沙颗粒隐蔽度研究 的前提条件是所研究表层泥沙颗粒在起动之前处于稳定状态 。著 把水流概化为一元流 ，那么所研究泥沙颗粒的侧 向不需要考虑受力 ，将泥沙颗粒概化为二维 “圆饼 ”状 (见图 1(a))是可行的。但是对于类似弯道环流的二元流来讲 ，由于水流流速在横 向有一定 的分量 ，此 时所研究泥沙颗粒的侧 向受力不容忽视，若依然把泥沙颗粒概化为二维 “圆饼”时 ，这就有悖于颗粒 隐 蔽度的研究条件。因为水流在横向任何波动将导致所研究泥沙在水流横向 “摇摆”或 “滚动”。为此 ，所 研究的表层泥沙颗粒被概化为三维球体较为合适 ，并且它至少需要三颗 “次表层”泥沙的同时 “支撑” (见图1(b))来维持它在起动前的稳定状态 。由于文献 [2]指 出 “泥沙颗粒滚动起动的拖拽力最小 ，跳 跃起动 的拖拽力最大 ，滑动起动 的拖拽力居 中”，本文认为在研究泥沙起动 时，表层泥沙颗粒首先 以滚 动方式向下游运动。当所研究的颗粒起动时，该颗粒会绕与下游颗粒 的交点 (见图 1(c))或者绕介 于与下游两个颗粒交点中间的一个 “虚拟点”．，(在球面上 ，见图 1(b))转动 。 收稿 日期 ：2010-10-11 基金项 目：国家重点基础研究发展计划 (973计划)资助课题 (2007CB714106)；国家 自然科学基金资助项 目 作者简介 ：孟震 (1985一)，男 ，河南商丘人 ，硕士研究生 ，从事水力学及河流动力学研究。 17 (口) ( c‘J 图 1 不同条件概化下的泥沙颗粒隐蔽度及 暴露度 图解 Fig．1 Hidden andexposuredegreeofsedimentparticlesunderdifferentgeneralized conditions 根据上述说明，三维泥沙颗粒隐蔽度可定义为床面上所研究颗粒 的最低点到与下游颗粒接触点或 者下游两个颗粒交点之间的一个 “虚拟点”之间沿床面的垂 向距离 (隐蔽长度)与所研究颗粒粒径的 比