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泥沙起动流速研究现状分析

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王琤浩

摘要：该文通过回顾泥沙起动的随机性、运动判别标准、以及泥沙颗粒在河床面的受力分析研究，简要综述了粗颗粒散体泥沙、均匀沙散粒体及细颗粒粘性泥沙、非均匀沙、砾石和卵石以及斜坡上泥沙起动流速的一些主流研究成果，并将最近的一些研究成果与经典研究进行对比。虽然泥沙起动流速研究由国外学者奠基，但在后续的理论体系完善中我国学者也进行了较为深入的研究工作并得到许多实用的经验和半经验公式。粗颗粒散体泥沙的起动流速、均匀沙散粒体及细颗粒粘性泥沙的起动流速研究较为透彻，非均匀沙和砾石和卵石的起动机理，以及斜坡上的泥沙起动流速仍有很大发展空间，对于规律性较为不明显的起动流速研究将会成为今后研究的热点方向。

关键词：泥沙研究起动流速判别标准现状分析

：TV142：A：1674-098X（2014）09（c）-0032-05

泥沙学科的建立最早源于19世纪末期法国的DuBoys第一次提出推移质运动的拖曳力理论。在泥沙学科的后续发展之中，Einstein[1-3]、Bagnold[4-7]以及Englund[8，9]等人通过实验和理论计算的方法奠定了泥沙学科的基础。现代泥沙研究的基础理论包括泥沙运动力学基本理论和河流过程原理及调整规律研究两方面，由于泥沙研究的挟沙水流是固液两相流，因此，固液两相流理论是研究泥沙运动的基础[10]。我国的一些学者如张瑞瑾[11]、沙玉清[12，13]、唐存本[14]等通过研究国内外的泥沙学研究进展，掌握国外先进技术，并结合国内河流开发与治理的具体实际，使我国在理论研究上达到了国际领先水平。

泥沙起动问题起源于19世纪[15]，其后的一个多世纪间，国内外许多学者对泥沙起动问题，特别是对细颗粒泥沙和轻质沙的起动问题进行了大量的研究，也取得了较为丰富的资料。静止在床面上的泥沙，随着水流强度的逐渐增加，开始由静止状态进入运动状态，这种现象就称为泥沙的起动，相应的临界水流条件即为泥沙的起动条件[16]。泥沙的起动条件可以用起动流速或者起动拖曳力来表示。该文通过总结国内外的一些对泥沙起动流速的研究成果，对现有泥沙起动流速研究进行了一定程度的总结，并加以分析得到结论。

1泥沙起动的判别标准及泥沙颗粒受力分析

1.1泥沙起动的随机性

泥沙起动具有一定的随机性，这是由天然河流中的泥沙颗粒形状、粒径和所处的床面位置等差异，以及水流的作用力又具有随机性质所共同决定的[17]。河床表面由无数形状、粒径不同的泥沙颗粒组成。对于均匀沙而言，即便是粒径相同，但颗粒形状以及在群体中的位置是随机的，而水流本身又具有脉动性质[18]。因此，在同一时刻河床各处泥沙颗粒的受力不会相同；而在同一地点不同时刻的泥沙颗粒的受力也不相同。如果是非均匀沙，情况就更为复杂，因为粒径也变成了随机变量，起动的随机性就更强了[19]。所以，当着眼于一颗特定泥沙的起动时，由于流速脉动，起动具有随机性。当着眼于特定床面上的群体泥沙的起动时，则除流速脉动之外，还受泥沙颗粒形状、粒径及在群体中的位置的影响，起动就更具有随机性了。

1.2泥沙起动的判别标准

泥沙起动条件指的是随着水流强度的增加，床面的泥沙开始由静止状态进入运动的临界状态时所需要具备的水力学条件。国内外现有的泥沙起动标的判别标准主要可以分为定性与定量两大类。

在定性标准中，被实验室水槽试验广泛采用的是将部分床面有很少量的泥沙在运动规定为起动标准。这种标准来源于著名的克雷默在1935年提出的接近起动临界条件的三种运动强度的定性定义[20，21]。

（1）弱动（个别起动）。在床面上有屈指可数的细颗粒泥沙处于运动状态。

（2）中动（少量起动）。床面各处的中等大小的泥沙颗粒运动强度已经无法计数，但尚未产生床面形态的变化，也不会产生可以感知到的输沙量。

（3）普动（大量起动）。各种大小的沙粒均已投入运动，并持续地普及床面各处，引起床面形态的变化，并产生可以感知到的输沙量。

由于该定性标准难以明确，因此观测本身具有随机性。

对于泥沙起动流速的定量判别标准，很多学者从不同角度进行了相关的研究[22-24]。

泥沙起动具有很大的随机性，因此窦国仁[15，25-27]在分析泥沙起动的判别标准中引入了概率理论。他只考虑水流的脉动作用。忽略床沙粗细及其位置对起动流速的影响，通过概率计算得出相对应于克雷默三种运动强度的起动概率，分别为个别起动的0.00135，少量起动的0.0228和大量起动的0.1585。

亚林[28，29]在1972年提出了颗粒数标准：

（1）

其中，为在时间内从河床面积A范围内冲刷外移的泥沙颗粒数，为水的密度，为泥沙的容重，为水的容重，为泥沙颗粒粒径。为了使各种粒径的泥沙有一个统一的运动强度标准，在进行两种比重相同而粒径相差10倍的起动试验时，粒径较大