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c成正比，即R=cd2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，R表现为附加动力)，R表示为R=K(s-)d3dm/dln(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时表现为动力，反之表现为附加阻力。而1在任何情况下，R只可能是阻碍泥沙运动的力。文献2中附加力R在ddm时表现为附加动力，d0.70)的非均匀沙，公式(10)的实用性有待进一步的检验。参考文献1 秦荣昱。不均匀沙的起动规律。泥沙研究，1980(复刊号).2 张启卫。非均匀沙起动流速。全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文集，1992，11.3 陈媛儿，谢鉴衡。非均匀沙起动规律初探。武汉水利电力学院院报，1988(3).4 Egiazaroff, i.v., Calculation of Nonuniform Sediment Concentration, J.H.D.ASCE,V.91,No. Hy4,July,1965.5 Hagashi, T.S., Qzaki and T.Ichibashi, Study on Bed Load Transport of Sediment Mixture, Proc. 24th. Jap.Conference on Hydraulics, 1980.6 孙志林。非均匀沙输移的随机理论。武汉水利电力大学博士论文，1996年。7 秦荣昱，王崇浩。河流推移质运动理论及应用。中国铁道出版社，1996.8 Kramer, H., Sand Mixtures and Sand movement in Fluvial Models. Trans. ASCE, Vol.100,1935.9 刘兴年等。卵石河