非均匀沙分组起动流速.docx

1、第43卷第II期2010年11月天津大学学报JournalofTianjinUniversityVbl.43No.11Nov.2010非均匀沙分组起动流速马菲'，韩其为"，李大鸣I(1.天津大学建筑工程学院婪港口与海洋工程教育部重点实验室.天津300072；2.中国水利水电科学研究院，北京100044)摘要：从近底水流结构和泥沙颗检位置的随机性两方面研究非均匀沙起动的2个关键问题,提出遮掩度的概念钿化了颗粒受力.运用概率论与力学相结合的方法，采用滚动模式建立了非均匀泥沙的起动公式.通过试验资料验证的结果表明，计算值与实验资料符合较好.关键词：非均匀沙；近底水流结构；暴露度；起

2、动概率中图分类号：TV142.1文献标志码：A文章编号：0493-2137(2010)11-0977-04IncipientVelocityofIndividualFractionsofNon-UniformSedimentMAFei1,HANQi-wei1,2,LIDa-ming1(1.KeyLaboratoryofHarborandOceanEngineeringMinistryofEducation,SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.ChinaInstituteofWaterResources

3、andHydropowerResearch,Beijing100044.China)Abstract：Inordertostudytheprincipleofsedimentincipient,bottomflowstructureandtherandompositionofnon-unifbrmsedimentonthebedarethetwocrucialproblemsthatshouldbeanalyzed.Theconceptofcoverdistributionwasproposedtomakethemechanicsanalysisofparticleprecise.Basedo

4、nthemethodofprobabilitytheorycombinedwithmechanics,formulaefbrcalculatingtheincipientvelocityofnon-unifbrmsedimentwereestablishedbytherollingmodel.Theresultsshowthatthevalidityofthefbnnulaisverifiedbyexperimentaldata.Keywords:non-unifbrmsediment；bottomflowstructure；exposuredegree；incipientprobabilit

5、y收稿日期：2010-03-18；修回日期：2010-07-02.基金项目：水利部公益性行业科研专项基金资助项目(200801006).作者简介：马菲(1983).男，博士研究生，佃fd_0357.通讯作者：李大鸣，lidaming.非均匀泥沙起动是泥沙基本理论的一个重要内容,是河渠稳定设计、解决变动回水区泥沙、冲刷过程和模型设计等问题的基础,所以研究非均匀沙的起动问题非常重要.由于问题本身的复杂性，虽然近年来从不同的角度出发，对非均匀沙运动规律进行了大最的研究，但对其研究一直很不充分.在非均匀沙中，由于大小颗粒间的隐蔽作用，使得颗粒受力异常复杂，如何正确考虑隐蔽作用的影响是研究非均匀沙起动规

6、律的关键.分析目前成果n句可知，要想从理论上比较全面而准确地研究非均匀沙起动，必须要同时考虑2个方面的因素：粗细颗粒的作用流速存在差异.由于近底水流结构形式的复杂性,在近底处由于颗粒大小及分布的不均匀，流速结构受到破坏，使得粗细颗粒的作用流速存在差异网.但是在以往各种处理方法中，都没有考虑不同泥沙颗粒的实际作用流速，所有床沙粒径，统一以平均床面以上某一高度的平均流速代替，这是不能真正反映泥沙起动实质的.床面颗粒位置的随机性.这一点通过暴露度的分析反映在起动颗粒的作用力臂上.为此，笔者拟从水流结构和颗粒床面位置的影响出发，分析其在泥沙起动中的作用.1暴露度分析以统计理论得到的暴露度公式以韩其为的

7、公式为代表.根据韩其为的分析,任意泥沙颗粒在床而的位置是随机的.如图1所示，可以用研究颗粒最低点b至下一颗粒接触点6/之间的垂直距离，来表征颗粒在床面的位置,并且定义d为床面上泥沙颗粒的暴露度.由于泥沙颗粒在床面的位置也是随机的，很自然地可以取表征颗粒在床面位置的随机变量暴露度为均匀分布.图1泥沙颗粒在床面的位置Fig.lLocationofparticlesonbedsurface根据韩其为等的分析，对于非均匀沙，相对暴露度定义为4'=叫式中：为/组泥沙粒径；4为/组泥沙暴露度.2遮掩度的概念铺有泥沙的床面与固定床面不同,其水流一般都处于粗糙紊流区，即使对于均匀沙而言，由于颗粒的随机

8、排列，不同暴露度的颗粒所受的作用流速也是不同的，而非均匀沙由于粒径不一更加剧了这种作用流速的差异.此时流速垂线分布、颗粒所处位置以及颗粒上游颗粒位置这些因素都将影响作用流速.以往计算水平推力多采用如下计算式式中：孔为水平推力；q为水平推力系数；订为平均作用流速.如果不考虑上游颗粒影响也就是单颗粒的情况，作用流速一般由对数流速分布或指数流速分布得到，也可直接由动力流速求出，作用点一般取离床面高程为O.5D-1D(D为平均粒径)，日.随着作用点变化，水平推力系数也随之变化，这时如果对于所有的颗粒都采用同一高度的作用点和作用力系数则是不准确的.所以实际情况是必须考虑上游颗粒的遮掩作用，这里简化处理，

9、用上游颗粒最低点d至起动颗粒接触点c之间的竖直距离来表征颗粒受遮掩的程度，这里定义P为遮掩度，相对遮掩度定义为广=也(2)式中匕为/组泥沙遮掩度.3起动流速公式流速分布公式选取能反映河底糙度对近底流速分布及平均流速影响的对数流速分布公式，即兰=2.5In30.2三u.kt式中：“为摩阻流速;x为考虑黏性底层影响的修正系数，对于所研究的无黏性颗粒泥沙,x可取为1;农用于非均匀床沙时应为床面颗粒平均凸起高度，这里取为万.考虑到泥沙颗粒量级一般较小，其对水流结构的影响应发生在有限范围内,并且注意到当颗粒离开床面距离yN(1.21.5)D以后，上举力消失，这里取在泥沙颗粒以上y=2D范围内流速分布为抛

10、物线，因为万相对水深很小,通过简单计算比较，抛物线流速分布具有足够精度.由y=2D时，=10.25.的边界条件可以求得=7.25./Zy2D(4)Nd图1中做简化处理，用直线MNL代替曲线作用流速对起动支点积分，得到水平推力矩M&,即(7.25)2“：济0方+比)式中：用为起动颗粒暴露在水流中的高度，H,=虫;xh为从直线MNL某一点做垂线到MP的距离；4§+y为起动颗粒对下游颗粒的力臂.为简化起见，在不影响结果的前提下，上举力力矩可表示为M=A/d/4重力力臂为孝皿一才)颗粒水下重力为G=(P"_p)gnD”6(8)对于非黏性沙采用滚动平衡理论,起动颗粒满足方程心

11、+切-6'=0（9）将式（5）式（8）代入式（9）得到起动摩阻流速，即匀沙理论上可以由颗粒床面分布求得,这里通(14)式中"和分别为泥沙及水的密度.从式（10）町以看出床沙组成、遮掩度、暴露度及起动颗粒粒径等对起动摩阻流速的影响.因为瞬时纵向底速服从正态分布,可认为此时起动概率月=0.5,参考窦国仁的做法，以泥沙少危动时起动概率为0.0228作为起动标准，此时w.=+（2x0.37）.b=1.74）而垂线平均流速U与摩阻流速之间有JJ4>lgU=6.5b（旦）D,（12）式中H为水深.将式（10）和式（11）代入式（12）,得到水流垂线平均流速3736（印吟吟）招现（1

12、3）4非均匀沙起动流速公式的验证采用文献7中在武汉大学的非均匀沙分级起动试验资料对式（13）进行验证.试验中采用若干种下限固定在0.05mm上限变动于2512mm日.级配连续的长江天然沙.流段变化于3.8840.99L/s,水深H为4.415.2cm,比降J为0.04%2.0%,对于非均过数值拟合得到，即粉。4"图2显示了函数。的试验与计算结果，可以看出，试验数据的点都落在了计算结果的附近旦趋势与计算结果一致，拟合效果较好.表1列出了本文起动流速公式与文献|7|起动流速公式以及试验资料的结果.DJD图2函数。的试验与计算结果对比Fig.2Comparisonof<pbetwee

13、nexperimentandcalculation表1非均匀沙起动流速实测值与计算值对比Tab.lComparisonofnon-uniformsedimentincipientvelocitybetweenexperimentandcalculation组号H/cmD,/mm万/mm16.6000.5500.73628.6000.9500.736314.1002.2500.73644.4000.3650.86556.0000.5500.865613.2003.2500.86576.7000.675).0058)1.8002.2501.00594.60003651.256106.6000.67

14、51.256116.0000.9503.137128.1001.7503.137139.3002.2503.1371411.1003.2503.1371512.4004.0003.1371613.7005.0003.137J/%U/ms)UJ(ms')UJ(ms')0.0400.2280.2020.2070.0400.2750.2460.2500.0400.3410.3370.3410.0500.2040.1750.1790.0500.2120.2030.2070.0500.3830.3780.3810.0500.2260.2210.2250.0500.3380.3430.34

15、20.0500.1940.1790.1860.0500.2320.2250.2300.1500.3010.2620.2710.1500.3650.3290.3350.15003920.3590.3670.1500.4460.4070.4170.1500.4780.4420.4480.1500.5230.4810.483组号H/cmD,/mmD/mmJ/%U/(ms*')l/J(m,S'*)W(ms'*)175.8003.2502.2960.2000.3810.3670.371187.9006.0002.2960.2000.4660.4560.457198.0001.75

16、02.0080.1000.3210.3140.3222011.4003.2502.0080.1000.3700.4010.3992112.1004.0002.0080.1000.4250.4320.430表中：U为实验值；Uc为本文的起动流速计算值；*为文献7计算值.可以看出：在不同水深、比降以及粒径的条件下，本文的起动流速计算值与试验值都很接近，说明给定水流条件和泥沙级配,本文公式可以很好地预测起动流速.同时与文献7计算结果比较，可以看出本文的公式具有更高的精度.5结论(1) 引入颗粒遮掩度和暴露度，充分考虑了作用流速和颗粒位置的随机性，反映了微观上的粗细颗粒相互影响和粗细颗粒对水流结构的影

17、响，采用滚动模式建立了非均匀沙的起动流速公式.(2) 以往对于非均匀沙的相互影响，一般直接采用各种系数(如隐蔽系数)来修正，但是系数的引入缺乏理论基础，本文从简化物理图形出发，从理论上简明推导了能反映非均匀泥沙起动特性的泥沙粒径指标4制.(3) 利用颗粒的滚动平衡,确立了起动摩阻流速，说明起动切应力和起动流速是可以统一的.参考文献：1CaoZhixian.ExplicitformulationoftheshieldsdiagramforincipientmotionofsedimentJ.JournalofHydraulicEngineering,ASCE,2006,132(10)：1097-

18、1099.2GdgOsM.EffectofshapeonincipientmotionoflargesolitaryparticlesJ.JournalofHydraulicEngineering.4SCE,2005,】31(l)：38-45.3JWuFuchun.RollingandliftingprobabilitiesfbrsedimententrainmentJ.JournalofHydraulicEngineering,ASCE,2003,1294NickAM.ComparisonofmethodsfbrpredictingincipientmotionfbrsandbedsJ.JournalofHydraulicEngineering,彳SCE.2004,130(7)：616-621.5 杨律广，曹叔尤，刘兴年，等.非均匀沙分级起动流速研究IJJ.四川大学学报：工程科学版，2008,40(5):51-57.YangFengguang,CaoShuyou,LiuXingnian,etal.Studyonincipientvelocityofindividualfractionsofnon-uniform