三元流作用下斜坡上散粒体泥沙起动条件探讨.pdf

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1、泥沙研究2014年6月JournalofSedimentResearch第3期三元流作用下斜坡上散粒体泥沙起动条件探讨马子普，张根广，高改玉，田贵智(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100)摘要：泥沙起动规律的研究在理论分析上和实际应用中均具有重大意义。通过对斜坡上单颗粒散粒体泥沙进行三维受力分析，从理论上建立了包含有相对速度及脉动速度的泥沙颗粒滑动起动模型，直接量化了相对速度及脉动速度对单颗粒泥沙起动的影响，进而得到了斜坡上泥沙颗粒滑动起动条件及跃移条件。讨论了不同主流方向条件下相对速度及脉动速度的大小，得到了泥沙加速度公式，直观地反映

2、了泥沙颗粒运动速度与加速度的相互影响、相互制约的关系。关键词：散粒体泥沙；三元流；滑动起动；加速度中图分类号：TV142．1文献标识码：A文章编号：0468—155X(20l4)03．0036—06在一定的水流条件下，床面上泥沙静平衡状态遭到破坏，由静止变为运动状态，此时对应的水流条件称为泥沙起动条件。泥沙起动问题是泥沙运动理论中最基本的问题之一¨，同样的，在河流泥沙中及水利水电工程中，也经常涉及到泥沙起动的问题，如水库变动回水区冲淤、闸坝下游河床河岸的冲刷变形、渠道稳定性以及室内河工模型试验、数值模型计算等，因此，对泥沙起动速度和起动规律的研究不仅具有重

3、要的理论意义，而且还具有重大的实际意义。目前，泥沙起动模型的建立，一般是通过泥沙颗粒受力分析，建立泥沙滑动起动方程与滚动起动方程，进而得到起动条件。国内多数学者采用起动流速来表示表征泥沙的临界起动条件，由于所考虑的影响泥沙起动因素有所不同，以及对问题的处理方法存在差异，不同起动流速的具体表达形式有很大差别。如孟震等。考虑泥沙颗粒的相对隐蔽度，黄才安考虑泥沙的起动概率，李文萍等考虑泥沙颗粒形状对起动的影响，并建立了各自的泥沙起动流速公式。聂锐华等采用传统的等效粒径法，王协康等¨则应用非线性尖点突变理论来研究泥沙的起动流速。王涛等¨通过比较研究不同起动流速公式

4、的起动系数建立了变系数的起动流速公式，郭志学得到了以公切角表征的非均匀沙起动流速，杨具瑞等得到了泥沙附加作用力的表达式后进而得到了非均匀沙起动流速公式。同时，有的学者也采用切应力来表征泥沙的临界起动条件。在这些泥沙起动模型中，水流一般是作为一维来考虑的，而很少考虑水流的三维特性，这与实际河流水流泥沙运动情况不完全相符，这主要受制于目前的观测手段及研究水平。在实际水流泥沙运动中，不仅水流泥沙运动是三维的，而且水流与泥沙二者的运动速度也是不同步的，速度大小及方向均存在着差异，例如，在研究推移质颗粒跃移时，泥沙颗粒的速度常被当作二维或维来考虑，但是水流的流速仍然

5、被当作一维来考虑。¨。因此，为建立与实际情况相吻合的泥沙起动模型，本文中的水流、泥沙运动均以三维考虑，且水流运动与泥沙运动在速度大小和方向上均存在着差异。考虑到水流的瞬时速度是由时均速度与脉动速度两部分组成，故在泥沙起动模型中引入了脉动速收稿日期：2013-o6-24基金项目：国家自然科学基金项目(51279170)作者简介：马子普(1988一)，男，河南辉县人，研究生，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail：ma．zi．pu@163．eom通迅作者：张根广。E-mail：zgg64@163．tom36度，有利于直观地认识脉动速度对泥沙起动的影响。建

6、立以斜坡上泥沙颗粒质心0点为坐标原点的直角坐标系，根据牛顿第二定律，可得到、z三个方向的合力计算公式，以此建立斜坡上泥沙颗粒滑动起动模型，并对其进行分析讨论。1三维空间泥沙颗粒受力分析设存在一倾角为的斜坡。斜坡上的颗粒将受到来自任意方向水流的作用。建立以颗粒质心O点为坐标原点的直角坐标系。根据右手定则，选取平行斜坡方向向下为轴正方向，垂直于斜坡向上为Y轴正方向，垂直于、Y轴且指向读者的方向为z轴正方向，见图1。假设拖曳力、上举力均作用于质心O上。作用在泥沙颗粒上的水流瞬时速度为图1斜坡上三维直角坐标系示意图=+-I-M(1)Fig．1Sketchof3DC

7、artesiancoordinate泥沙颗粒的瞬时速度为systemOilslope=M"4-+(2)，：其中一一J=“+(3a)=(3b)yy+u；M=／Z(3c)：+M：泥沙颗粒相对于水流的速度为=+，，+(4)其中H=／1,一u(5a)／,t=一u(5b)H=：一：(5c)式中，，：分别为水流在三个方向的分速度；：分别为泥沙颗粒在三个方向的分速度；／一／'x，，分别为水流在三个方向的时均流速；“：，u：，分别为水流在三个方向的脉动速度；，为泥沙颗粒相对于水流的速度在三个方向的分量。为了将泥沙颗粒的起动与水流的脉动联系起来，本文类比洪大林和唐存本所采用

8、的受力表达形式。上举力由两部分组成，一部分是由泥沙与水流的相对速度