泥沙起动规律初探

1、67泥沙起动规律初探何文社, 方 铎曹叔尤李昌志郭志学(四川大学 高速水力学国家重点实验室 四川 成都 610065摘要:非均匀沙运动规律与均匀沙明显不同故从非均匀沙起动的特点出发阐述了其运动机理采用滚动起动模式通过对附加质量力的概念及表达式和相对暴露度参数的引入推得了非均匀沙起动公式并用实测资料进行了验证同其它学者们的公式相比较为合理作为特例得到了均匀沙的起动公式该系数包含了其它公式说明本文公式基本能反映非均匀沙的起动特性关键词:起动公式非均匀沙附加质量力相对暴露度中图分类号:TV142 文献标识码:A 文章编号:0468-155X(200205-0067-041 前言天然河道中的泥沙多为非

2、均匀沙研究非均匀沙的运动规律对于多沙河流的河道演变与整治水库上下游河床的堆积和冲刷河口海岸的开发排灌渠系的设计以及水土保持等都有着重要意义泥沙的起动条件是泥沙运动力学研究中基本问题之一非均匀沙起动是一种非恒定的随机过程与均匀沙相比非均匀沙起动的影响因素要复杂的多研究非均匀沙起动应考虑泥沙的形态及受力情况颗粒在床面上的位置床沙组成泥沙颗粒的暴露度及水流条件的变化等关键是要搞清这些因素在非均匀沙 起动机理中的作用和起动标准以求得非均匀沙起动时的起动流速或临界切应力目前有关推移质泥沙起动规律问题国内外已有许多研究尽管各家公式基本上都通过了理论分析及实测资料的验证但公式在形式及计算结果上相差较大使人们

3、在使用选择时增加了一定困难这主要是对泥沙起动的机理还不完全清楚对泥沙起动标准等问题的认识上还有一定分歧故不同的学者采用研究方法各异如就起动模式而言有滚动及滑动等就采用的原理而言有力学方法和统计分析方法或者两者兼顾从受力角度来看有只考虑两种力的也有考虑七八种作用力的 1在表达成果时有起动流速表达式 临界切应力表达式或其他统计特征表达式等2 泥沙起动机理非均匀沙的起动是一种非恒定的随机过程非均匀沙大小颗粒的受力是不同的起动时的临界条件也是不同的研究非均匀沙的起动应考虑泥沙颗粒的形态及受力情况颗粒在床面的位置床沙组成颗粒的相对暴露度及水流变化等因素而泥沙颗粒的起动主要受水力条件及泥沙因素的影响 在水

4、力条件一定时对非粘性沙的某一颗粒起动来说属于经典力学问题只要F或 M 0泥沙颗粒便可起动其关键问题是颗粒上受哪些力的作用?其大小如何计算研究者一般仅考虑颗粒拖曳力上举力及水下重力这三种基本力也有忽略上举力的 2除此之外还有考虑Basset力床面碰撞力粒间离散力渗透压力离心力垂向运动阻力接触点的反力及附加阻力等有些学者3认为应考虑附加力且 附加力对泥沙颗粒相对较粗者为动力 对相对较细泥沙颗粒则是阻力此观点值得商榷作者认为对光滑床面上的单个颗粒来说只考虑三种基本力而天然河床或沙质粗糙床面及动床实验模型泥沙颗粒起动时均较光滑床面上的单个颗粒困难因而必须考虑由此而引起的附加力在前人的基础上作者认为还应

5、考虑以下影响河床表面颗粒相对暴露度的影响并将其引入起动公式泥沙颗 收稿日期2001-05-30 作者简介何文社(1966-男兰州铁道学院副教授四川大学博士生基金项目国家自然科学基金和水利部联合资助重大项目(59890200及九五课题资助(95-5-468 粒的相互作用是通过附加质量力表现出来的此附加力对河床表面稳定的泥沙颗粒均为阻力且其值随粒径大小及级配而变为此提出了确定附加阻力的表达式3 泥沙颗粒起动受力分析及起动模式3.1 起动受力分析泥沙颗粒起动时所受的力一般有水流拖曳力FD上举力FL 及水下重力W其表达式分别为222b iD D D u d C F = (1222b iL L L u

6、d C F = (23 (i S W d W = (3式中 D L W 分别为与水流拖曳力上举力及水下重力相应的面积系数C D C L 为拖曳力及上举力系数u b 为水流作用在床面沙粒上的流速 s分别为沙颗粒及水的容重为水密度 除考虑上述作用力外还须考虑由于非均匀沙颗粒的组成及相对暴露度产生的附加质量力F M( ( ( (33maxminimi s M i j ij id d s M M d d d d d d f d d d F =(4 式中dmax d min d m 分别为床沙级配中的最大 最小及平均粒径M 为与附加质量力相应的面积系数 为与相对暴露度有关的系数取值范围为01d i 为所

7、研究的颗粒d i 为与所研究颗粒相邻的下游泥沙颗粒f(dj 为河 床表面混合物以重量计的颗粒分布函数 3.2 起动模式泥沙颗粒的运动随水流运动强度的变化及泥沙粒径的容重形状和暴露度的不同可以呈现各种不同的运动形式惠遇甲等 4通过对颗粒各种运动形式所占百分数随相对水流强度变化的资料统计分析认 为在低水流强度范围内颗粒运动将以流动为主 在0.08时滚动占了整个推移质运动的80%以上故研究非粘性泥沙的起动采用滚动模式可得颗粒di 绕某支点滚动的平衡方程F D L D +FL L L =WLW +FM L M (5式中L D L L L W L M 分别为F D F L W F M 的力臂 将(1(2

8、(3(4式代如(5式整理得( (2L L L D D D imM M W W i s bL C L C d d L L d u + 64 非均匀沙起动公式 4.1 无因次切应力起动公式 底速与切应力的关系一般可表示为5 673. 3*=u u b (7 式中 为水流切应力 为系数一般取=3.73 将(7式代入(6式 并令W = M L M =LW 化简可得69(1( (im i S d d A d += (8式中2(2L L L D D D WW L C L C L A += 为综合影响系数须经实测资料率定为与相对暴露有关的参数整理彭凯7 刘兴年8文献 6中所采用的试验资料经曲线拟合可得参数A

9、为0.023为 0.59则(8式可表示为59. 01(023. 0 (i m iS d d d +=(9对均匀沙 若 1 则其临界无因次起动切应力c 4.2 起动流速公式 采用指数流速公式将底速61(1dy V m m u b += (10换算为断面平均流速V取y=d90 处的流速可导出起动流速公式为6190( 1(d h d d B gd V i m i S C += (11式中B=6.52A=42.3A将上面曲线拟合的结果A经转换为B后代入式(11近似得6190( 1(d h d d gd V i m i S C += (12此式较均匀沙多了附加质量力项 (dm /di 一项该项表明床沙表

10、面组成及相对暴露度对起动粒径的影响 对天然均匀沙其起动流速公式为6131h kd V C = (13 式中k为系数其表达式为+=0. 4k (14 起动公式 如李荣等公式 3的系数k=3.91沙莫夫公式 10的系数k=4.6 秦荣昱公式9的系数k=4.90 武汉水院公式10的系数k=5.39 吴宪生公式11 的系数k=5.42唐造造公式 12 由作者整理回归分析所得的相对暴露度0.59代入得均匀沙起动流速公式为61310. 5h d V C = (155 流速公式的验证采用唐造造13的床沙部分可动试验结果用本文公式及陈媛儿和谢鉴衡 14 李荣和李义天等3及 吴宪生11的非均匀沙起动流速公式进行

11、比较结果列于表1由表可以看出陈媛儿和谢鉴衡及李荣等公式比实测值明显偏小可知本文提出的公式是合理的6 结论70 (1影响泥沙起动的主要因素是水力条件及泥沙本身的容重级配及其相对暴露度等 (2在水力条件不变的情况下泥沙起动随床沙组成及相对暴露度的变化而变化故研究泥沙起动必须考虑泥沙颗粒在床面的相对暴露度及床沙组成和变化即使对均匀沙也应考虑相对暴露度变化的影响否则将会导致错误的结论表1 非均匀沙起动流速实测与公式计算对比Table1 Comparison of the incipient velocity for non-uniform sediment between the calculated

12、 by different formulas and measured in flume起动流速(cm/s组次 起动粒径(mm 实测 式(12 陈媛儿等 李荣等 吴宪生 NC1-0 NC1-1 NC1-2 NC1-3 NC1-4 4.67 4.67 4.98 5.77 6.1647.9 43.1 48.2 54.4 58.743.6 43.9 47.1 50.0 52.631.4 31.9 33.2 34.5 36.931.1 33.5 35.3 36.1 38.451.4 53.7 55.5 58.1 61.1 (3对非均匀沙除考虑拖曳力上举力和水下重力外还应考虑由于颗粒大小之间的相互影响而

13、产生的附加质量力 验算表明作者提出的附加质量力的概念及其表达式是合理的 (4推导了非均匀沙起动公式并采用实测资料进行了验证(5非均匀沙中较粗泥沙颗粒同均匀沙中同粒径沙相比容易起动较细颗粒恰好相反(6由于起动条件随水流条件床面形态泥沙颗粒相对暴露度的变化而异且不同的学者对起动的认识感官评价及实测方法不同因而结果会产生一定的偏差故应对起动建立统一的具有可操作性的标准参考文献 1 胡春宏惠遇甲.明渠挟沙水流运动的力学和统计分析M .北京科学出版社 1995 pp.193-202.2 3 李荣李义天王迎春.非均匀沙起动规律研究J .泥沙研究1999 (1 27-32. 4 惠遇甲胡春宏.水流中颗粒跃移的运动特征 J.水利学报1991(12 59-64.5 潘庆NFDA1.三峡工程泥沙问题研究 M .中国水利水电出版社 北京 1999年 pp.20-27. 6 韩其为何明民.泥沙起动规律及起动流速 M .北京科学出版社 1999 年. ,1984年.8 刘兴年.非均匀沙推移质输沙率及其粗化稳定D .成都科技大学硕士论文 1986年. 9秦荣昱王崇浩.河流推移质运动理论及应用M.北京 中国铁道出版社1