正負坡上均勻散粒體泥沙起動流速的研究

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1、泥沙研究2016年10月JournalofSedimentＲesearch第5期文章編號:0468-155X(2016)05-0054-06正負坡上均勻散粒體泥沙起動流速的研究李林林，張根廣，吳彰松，高遠(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100)摘要:基于泥沙顆粒間相對暴露度及起動概率對泥沙起動的影響，引入附加質(zhì)量力，采用泥沙滑動起動模型，推導(dǎo)出適用于正負坡條件下不同起動概率的泥沙起動底流速公式和垂線平均流速公式。在此基礎(chǔ)上，引入泥沙顆粒形狀修正系數(shù)。經(jīng)實測資料驗證，修正后的泥沙起動流速公式計算結(jié)果與實測

2、資料吻合良好，不僅適用于均勻泥沙起動，還可以適用于非均勻泥沙起動。與已有的起動流速公式相比，本文公式形式簡單，計算精度較高，可以應(yīng)用于天然河流條件下非均勻泥沙起動流速計算。關(guān)鍵詞:正負坡;附加質(zhì)量力;相對暴露度;起動流速中圖分類號:TV142.1文獻標識碼:ADOI:10．16239/j．cnki．0468－155x．2016．05．009泥沙起動是泥沙運動理論以及河流動力學(xué)研究的基本問題之一，國內(nèi)外學(xué)者一直有著深入的研究。泥沙起動在實際水利工程中應(yīng)用廣泛，例如泄水建筑物下游沖刷坑的沖刷、橋墩周圍的沖刷、水庫清淤、河床演變

3、、土石壩滲流穩(wěn)定性等都與之有著密切的聯(lián)系。泥沙起動的判別標準主要包括起動流速、起動切應(yīng)力、起動功率等;起動模式有滾動和滑動兩種，研究方法有力學(xué)方法、統(tǒng)計方法和兩者結(jié)合的方法。［1］有關(guān)平坡上泥沙起動問題，錢寧、萬兆惠考慮了床面粗化過程對泥沙起動的影響，研究了非均勻沙的［2］起動問題。竇國仁通過考慮瞬時作用流速，得到三種起動狀態(tài)間的關(guān)系，克服了起動切應(yīng)力和起動［3］流速間的不協(xié)調(diào)。冷魁在非均勻床沙暴露度變化規(guī)律的基礎(chǔ)之上，對無黏性非均勻沙的起動規(guī)律進［4］行了研究，得到了非均勻沙起動流速的計算公式。張小峰、謝葆玲將概率論的相

4、關(guān)知識引入泥沙起［5］動的研究中，得到了考慮起動概率因素下的泥沙起動流速計算公式。孫志林運用概率論與力學(xué)相結(jié)合的方法，建立了起動顆粒的作用力臂與相對暴露度的關(guān)系式，得到了非均勻泥沙顆粒分級起動的流速［6］公式。劉興年通過對寬級配非均勻沙的起動特點進行分析，引入非均勻沙暴露高度與泥沙粒徑的關(guān)［7］系，得到了寬級配非均勻沙分級起動流速的計算公式。何文社等將泥沙顆粒在床面的相對暴露度和附加質(zhì)量力引入推移質(zhì)泥沙起動中，得到了無量綱化的起動切應(yīng)力公式。有關(guān)坡面上泥沙起動問題，何［8］文社等考慮了床面均勻泥沙起動標準、起動概率及隱蔽度

5、，采用滾動模型推導(dǎo)出了正坡上的均勻沙［9－10］起動流速公式。謝立全、吳巖等考慮了滲透力對岸坡上泥沙顆粒起動的影響，得到了岸坡泥沙起［11］動流速公式。楊奉廣、劉興年等以泥沙顆粒的相對暴露度為基礎(chǔ)，對均勻沙在陡坡上的起動機理進行了分析，得到了考慮均勻沙隱暴效應(yīng)的起動概率表達式，進而推導(dǎo)出了陡坡上均勻沙起動流速公式。［12］吳巖、韓其為等考慮了重力在水流方向的分力和斜坡坡度對泥沙起動的影響，得到了斜坡上非均勻［13］沙分組起動流速公式。馬子普、張根廣等考慮了水流相對速度和水流脈動速度對單顆粒泥沙起動的收稿日期:2016－01

6、－30基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(51279170)作者簡介:李林林(1992－)，男，安徽宿州人，研究生，主要從事水工水力學(xué)方面的研究。E-mail:2535957581@qq．com通訊作者:張根廣。E-mail:zgg64@163．com54影響，對斜坡上的單顆散粒體泥沙進行三維受力分析，得到了斜坡上泥沙顆?；瑒悠饎訔l件及躍移條［14］件。周雙、張根廣等以相對暴露度為基礎(chǔ)，采用滾動起動模式，得到了考慮起動概率的正坡上均勻散粒體泥沙起動流速公式?；谏鲜鲅芯窟M展，本文通過分析泥沙顆粒間相對暴露度和起動概率對泥沙起動

7、的影響，引入附加質(zhì)量力，推導(dǎo)出了適用于平坡、正坡和負坡條件下泥沙起動流速的統(tǒng)一公式。1泥沙暴露角與相對暴露度泥沙顆粒暴露度反映了泥沙顆粒在床面上的相對位置，韓［15］其為據(jù)此定義了所研究泥沙顆粒最低點與下游顆粒接觸點的豎向距離為泥沙顆粒暴露度Δ。在此基礎(chǔ)上，周雙、張根廣［16］等用泥沙顆粒絕對暴露度Δ與直徑D的比值定義相對暴露Δ圖1泥沙顆粒暴露度及暴露角示意度，即Δ'=，并用所研究泥沙顆粒與下游接觸顆粒的連心線DFig．1Exposuredegreeandexposure與豎直方向的夾角表示所研究泥沙顆粒的暴露角θ，如圖1

8、angleofsedimentparticles所示。有關(guān)平坡上均勻泥沙顆粒暴露角與相對暴露度的取值范圍和分布規(guī)律，學(xué)術(shù)界尚無定論，大多引用［15］［11］韓其為等的均勻分布假設(shè)。楊奉廣等就相對暴露度的取值范圍及概率分布規(guī)律進行過研究，得到相對暴露度的取值范圍為［0，0.5］，分布規(guī)律服從偏正態(tài)分布，并