卵石起动流速研究.docx

1、长江科学院陇垠JournalofYangtzeRiverSciuntihcResearchInstituteVol.13No.2Jun.996©第13卷第2欺）996三6月卵石起动流速研究韩其为何明民V王崇浩中国水利永电科学研究院）归摘要以卵石河床为例，阐述了非均勾沙起动流速的确定。分析了卵石形状（扁度）对起动流速的影响，介绍了u非均匀卵石起动雄律的野外试验结果及其与理论的对比，引用长江卵石运动的实际资料检验了分组起动流速公式，这些均表明作者提出的理论的正确。最后对已有的几个分组流速公式进行了讨论.关键词返沙运也卵,些动配速野外试验璧分析（3）（4）1卵石形状对实际起动流速的影响由于

2、卵石起动时推移质以颗粒计的输沙率很低，某个卵石是否起动，与它的形状有很大关系，现在用扁度来近似描述颗粒的形状。此处Jb、，为卵石的长、中、短轴长度.此式最早由我们于I960年引进七与文献口中的涉恰为相反的表达。根据I9601961年我们对川江、金沙江1546颗卵石的大最测量得到如下关系性y=期D人E+人5+17=3此处。为卵石平均粒径。现在我们设卵石的短轴与床面垂直.长轴与中轴各有一半的机会垂直于水流，于是按照滚动时力矩平衡条件得PJ.,+P,Ly=GLr（5）式中：PK为水流正面推力；P,为水流升力，G为泥沙在水中的重力、L、,L八匚分别为其力曾。考虑到上述卵石位置，则（5）式为与t皿。*&

3、amp;+令V，由/VubZ424*5-睥3/#（6）式中为推力作用面积；于必为上举力作用面积；*及8"为巳，P,的力管；兮为重力力臂，。及月为待定系数；V心为在所研究情况下的瞬时起动流速。将（2）,<3）,（4）,（5）式代入（6）式，得皿=2十g.T-号X、2aA+*网*K2"齐3件+B3）=f（A）3q（7）为了不致使公式过份复杂，也有意将床面位置'及卵石扁度人的影响分开，所以在推导公式（7）时,并未考虑'的影响。现在将上式与不考虐扁度的瞬时起动流速公式3*=甲3、=¥（'）%：（8）比较知，前者考虑了A,后者考噬了'的

4、影响：就（8）式对,求甲平均值，并消去位置影响，有整=甲5、如引入床面位置的平均影响，式（7）变为收倚日IW：1995-12U国家自次科学基金委员会和中国长江三峡工程汗发总公司联合资助的国家自然科学基金重大映目。V长江科学欧.妖委水文处川江卵石调查，1961年，2韩其为.川江卵石附在与堆积特征调查.推咨质泥沙浏我枝术文件汇编，198气C12)<15；V号=f（E,或=时<1）3、，9）而对于泥沙在床面位置的一般情况,应有VAt>=5右'）人。沁4。）（10）由（10）式可见,对于形状变化较大且处在床面不同位置的卵石.其瞬时起动流食决定于“，A.IX当A=1时，即对于球

5、体，（10）式应转化为（8）式.此时要求£（义）=/Q=1V2a+2当设a=B时.由上式可求出«=/?=0-4a见此值符合一般的概念是合理的。则人+"5+78+0.2A2L3J）卵石的形状除影响以瞬时底流速表示的起动流速外，还影响底部水流时均速度Vft与垂线平均流速V之间的换算，我们曾给出的换算公式，为yo73（7373/_373,S3'73。-我娉）式中V为垂线平均流速。的数中为哗E.哗）用=&5（知由（#）由=6.5（新打矿（八+厂也）由“（夸）（性匕D向考虑到上式右边第一对括号内的值随H/。变化范围很大而第二对括号中的值较稳定，可以将其指数看

6、成常数。注意到当H=530m,。=0.030.15m时，指数在*六间变化，可近似地取为则上式为娉K引严3从而（】2）式变为送H+尸仙2卵石起动状态野外试验及对理论的检验我们曾于1965年在四川岷江五通桥茫溪河进行了卵石起动的野外水槽试验'L试验的床面是用卵石干砌的较为固定床面。试验的卵石预先按相近的粒径当量粒径）及相近的扁度人挑选出若干组，近20组）.每组10颗.每颗卵石编上号.并用一定藐色涂上标志。放水前将每组卵石排列床面上，使其在床面的暴露度基本相等.并记录其原始位置。放水时逐步加大流量至所需要的流速，在加大流量过程中不允许该组的试验卵石起动。水流览定后开始由两人同时观测.观测的时

7、间为3（Jmin，在这个时期内如一组10颗卵石中恰有24颗移动则算为起动状态，记录其水深、流速作为起动时的值。在表1中列出的17组资料均是当时的试验结果现在先确定试验时以颗粒计的输沙率和以质量计的输沙率。试验中各参数的平均值为击=014<m）7）=0.056（m）,0.829人”1=1-31«=.74<m/s）.欧=6.5（夸）"洛=8.0。据这些值及其它条件.我们有：在床面1/上面积上泥沙颗粒数件=罕些=36.4<颗/m）。此处取刚起44动时单步滚动距离L=4D,在30min内10颗中起动3颗的条件下以颗粒计的输沙率=0.006。7（颗/sm）。而以质量

8、计的输沙率为。=言。0勺”=1-48g/Cs-m>0注意到资料的平-均瓦=1.74,则对应的相对输沙率为1=金=。*73八。"这是均匀沙的相对输沙率，哲时并未考虑义等的影响，其与*的关系由理论结果中的夸=1给出气现在研究相当于I的水流速度，即起动流速。由于试验卵石每组10颗的粒径都是均匀的，并且在其床面的位置也是相同的。因此.对试验卵石来说是均匀沙，但是从它们在床面的位置'又不属于均匀沙。为了方便起见，我们可以按均匀沙输沙长江科学院.四川五通桥，茫溪河野外水槽卵石试脸报告.1965年“:韩其为，何明民，卵石及宽级配泥沙起动流速中国水利水电科学研究院，1995。第2物就其

9、为等卵石起动水速研究19表1野外水槽卵石起动强度试验及验证原始料人，2A=77g）3“计算起动流速sD/jnIr?1LJ/m-LIifnV7ni,s1A/m式（22）式23）0.0330.131.191.20.019311.221.331.131-160.Otl0.131.191.20.01510.7361.021.19.061.090.060.121.101.30.01380.1530.8451.81.10.130-(1830.131.191.30-01030.2480.7032-121.08.110.0330.161.33110.01500.9101.151.331.371-110.043

10、0.JoU.131-232.20.01210.5630.9131-521.271.300.055L192.20.00780.2840.7361.721.151-19U.075U.131-192-30.00750.2000.6632.011-211.280.0120.121-171-50.01580.7521.031.501.191.21n.0540.131.191.50.niis0.4370.8371.701.01.130.0650.131.191.10.0110.3510.77«1.«71.091-120.0880.161.321.60.D0870-1980.6612.1

11、8J.ll1.170.0110.161-412.80.0180.5750.9211.19.-101.130-0540.16ESI3.70.00510.2000.6631-701.301.310-0650.171.44.2('.00160.1120.604l-«71.381.120.U70.)61.282.90.00550.1550.6191.961.261.290.0520.111.192.70-00760.2920.7391-671.211.27平均值0.0560.110.8291.71率理论曲线来考虑，但是要研究其床面位置不同的影响。由于均匀沙§=k对于床面位置

12、是通过对a积分来反映的。而我们试验中'是固定的.因此，首先要消除'的平均影响为简化起见,注意到u*=）叫。所以我们考虑一个新的因子技。=辆、|此。为为&）在均匀沙条件下的平均值，为0.916.设以M“和#表示已考虑'不同影响的平均参数，则有:此处I=表;京即是已经消除'的平均影响的关系例如按资料项中的劳=1时的集=0.319七，=0.296X0一5和j=0.346尤姿=1.182%10-5,转换成消除，的影响后相应的关系分别为座=。.2924=。271X10一5和4=0.317。=1.083X10一5。而试验中的平均值I=0.573XIO-',则

13、转换为0.525X10-'现在利用这新的关系,插补与义对应的务。七=°仲8X】0一此处/,<A）和妣'）作为确定起动标准入,只能取我们试验的平均值钦）=0.829,7；0=1.27。由丈"”在转换后的4乒关系上查出与£=0.299.从而得到起动底速"=0.299X例（18）利用式14）将其换算成平均流速为S理膏七?"+中。.海“3=0.O8O2/（A）vo（19）其中（20）从表2看出/M）近似于尸土，从而（19）式变为V*=0.0802皆”例油°（21）表2/以）村”A1.01.11.52.02.53.0405

14、.0/”）1.001.061.261.451.601.72L902.03A'*-451.00】.O41.201.371.511.64L872-06勺韩其为、何期民，卵石及宽级配泥沙起动源速.中国水利水电科学研究院,】995.1996住表3非均勾卵石起动流速验证站名Dz/n)W/mV/m*s'1D159euo/m,s>'准均勾沙法非均勺秒法3"mW0.01«12.41.300.9016.30.990.9511.120.2861.210-02712.91.151.3516.3L210-8291-520.2731.11宜(1.03613.41.601

15、.8016.11.-100.7711.610.2681.650.01613.91.802.3016.41.580.7311.760.2651.810.U5514.52.JO1.3815.61.730.8212.060.2731.9?0.06515.02.201.6215.61.880.7912.150.2692.110.07415.52.101.8515.72.000.7652.230.2682.26昌0.0816.U2.602.1015-72.130.7432.300.2662.380.09316.52.802.3215.82.210.7292.390.2652.510.10217.03.0

16、02.5515.82.350.7152.160.2612.630.11117.53.202.7715.92.150.7022.510.2632-750.0666.02.200.7313.91.891.0212.190.2892.03寸0.1G08.92M0b1113.92.330.8792.630.2792-120.13112.62.6。1.4614.32.670.8112.870.2722.78滩0.16117.22-801.8214.72.890.7693.030.2683.050.18U19.62.902.0011.93.120.7493.230.2663-310.02215.01.60

17、0.3715.01.09-121.700.2991.31万0.07320.22.001.2215.41.990.8882.520.2712.23县0.12125.92.102.0715.92.590.7432.810.2662.940.15029.92.662.5016.02-840-7183.020.2643.21任计算中中用前述平均值的=8.。，则V*=0.6422”伊练（22）根据此式计算的起动流速如表1。从表1看出，按照（22）式计算的起动流速与实测值符合很好，17组资料中误差在士10%±13.6%的有2点，在±5%±10%的有4点，V±5%的有

18、11点。这说明了三点：第一.按胯”来考虑它对时均起动速度的影响是正确的；第二，以）来反映床面位彼对起动流速的影响也是合适的，第三，上述验证明确地肯定了我们对泥沙起动时的机理理解是正确的，对有关参数的理论分析和表达公式也是符合实际的，以致能使从实泌起动强度推出的相对输沙率标准与实测结果完全一致。需要强调的是，如果不从无因次输沙率出发决定起动标准，而从起动概率分析，则更直接。事实上对于单位床面，相对起动颗数为1上述试验中=30X60=1800（s）.而n,iu上“=W=37焉况=2.62（s）,从而'=0.000437“如为均匀沙，则这样一个起动概率相当于铮=。319,与前述炽=0.299

19、颇为接近，两者相差仅6.7%,也能满足起动流速研究的需要。其实退一步讲，我们还可直接根据试验结果选取经验的字作为标准，来计算起动流速；为使计30算与实测值符合得更好，可选用/次；丁=0.0823,即=0.6S9史纯（23）按此式计算的皿亦列入表1，可见其与实泌的误差较之（22）式更小一些，仅一点误差达一11.4%,其余均在土7%±8%以下。由于式22）与式23）两者只差2.6%,远小于试验时观测数据的精度，故挑选哪一个意义不大。所以我们还是推荐式（22）,以表明我们的起动模式是正确的。3卵石起动流速野外资料检验在文献2中,我们已按室内水槽试验标准璀y=0.219X对应的言芬=0.43

20、3验证了窦国仁、唐存本、华国祥整理的试验结果（包括卵石起动流速试验结果），说明我们的公式与卵石也是符合的。此处再引用一些卵石野外测验资料，对起动流速公式进行检验。这些资料是根据长江寸滩水文站1966年,万县水文站1973年.宜昌水文站1973年的各次卵石测验中断面最大的一颗卵石及相应的平均水深、平均流速组成的。根据这些资料，通过实测点的中间绘出平均关系曲线，最后得到V,H,的数据，如表3所示。根据我们另一篇文章的研究。.对于卵石起动流速如按非均勾沙低输沙率曲线，其起动标准为4=弑人初=。3丁1。也3,4对于分组起动流速的讨论从而|侥,0.3X10-fi(24)(25)此处为F、的反函数。根据表

21、3的括及=0.3XIO。我们可以从资料©的低输沙率关系查出我们利用已有的几个分组起动流速公式口-们及文献2的公式计算了分组起动流速与平均粒径起动流速的比值，於与令的关系如表4所示。各家的公式转换如下：秦荣昱公式=您4-1.91D/5V77V2.91谢鉴衡公式S匕j=/%w0,878<30)从而得到起动流速为耶格阿扎洛夫公式o.q(26)U"=邙=0.268按此式计算的V,列于表3,非均勾沙法”栏内。其中1.28也(19#)(32)。从该栏可看出，（26）式还列出了（25）式的给出的V与实测值是符合的.除3点误差在土15%±22.5%外,5点在士10%土15%

22、.其余9点均在±10%以下。在同一表中还列出了准均勾沙法，即类似于前节分析卵石试验结果，按照均匀沙低输沙率曲线选取标准，但是要另外考虑火'）的影响。具体算法为0-9&归"=0,。927甲她。张启卫公式E决=（针/1+。7林泰造公式fl.OO也8也（珍）本文第（26）式此处对应于Vk,i=0.268(27)离=0.317(28)(29)4=0.240X10*而歹是由%确定的平均值.从表3看出，按这种方法计算的卵石起动流速与实测值也基本符合.但比起非均匀沙法要差一些。此处只是做对比研究，并不推荐它，Z5a(33)(34)75)K此处K决定于l./=0.3X10*

23、时的珍;，它与夸有当#=0.25,K=1.08;劳g=1.00A?=1.00<*=3、关,由资料勺查出：=0.50,K=L039；35)K=0.929；夸=1。尽管各家公式都反映了对于细颗粒其起动流速大干同样粒径均匀沙的起动流速.而对粗颗粒则相反。但是从表4中仍可看出，一般是粗颗粒起动流速仍大干细的。其次各式的数据大小差别不是实质K=0.787,山韩其为.何明民.卵石及宽很配泥沙起动放速中国水利水电科学研究院1995,韩其为何明民.论泥沙起动标准研究中国水利水电科学研究院1995.表4相对分组起动流速比较Di五相对分组起动波速乒秦荣昱公式谢签衡公式张启卫公式耶格阿札浩夫公式林泰造公式本文

24、第(26)式0.250.861.340.7120.9451.000.6580.500.9100.9880.8100.9211.000.8111.001.001.00.001.ooL001.003.001.301.29.421.261.131.3810.002.021.972.】41.77.501.79性的.但是，有的公式反映出芸VI的细颗粒，其起动流速与ZX.的差别不大，甚W相同，这是否说明此时对细颗粒的分选作用很弱。这一点如果存在，也是有条件的，特别是床沙级配的条件。从张启卫公式和我们的公式看，则仍反映r细颗粒在起动时依然有一定分选，看来，这一点还需进一步澄清。而在资料"讨论起动流

25、速分选时已有所涉及，那儿指出卵石起动时分选是很强烈的。参考文献1VitoA.Vanoni,SedimentationEngineering»ASCE.19752韩其为.泥沙起动规律及起动流速.泥沙研究.1982(2)：11263秦荣昱.不均匀沙的起动流速.泥沙研究，】980年复刊号4谢鉴衡,陈缓儿非均匀沙起动规律初探,武汉水利电力学院学报，1988(3)5EgiazaroffIV.CalculationofNonuniformSedimentConcentrationJ.ofHyd-Div,Proc,ASCE、<>Hy.1.July19656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(第一卷)，19927HayashTSOzahiandIchibashiT.StudyonBedLoadTransportofSedimentMixtu