泥沙颗粒相对隐蔽度理论分析及其应用.pdf

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1、第28卷第10期长江科学院院报V01．28No．102011年10月JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteOct．2011文章编号：1001—5485(2011)10—0017—09泥沙颗粒相对隐蔽度理论分析及其应用杨文俊。孟震(长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉430010)摘要：泥沙颗粒相对隐蔽度对泥沙的起动、输移等研究均有重要意义。简要阐述了作者近年来在相对隐蔽度理论分析及其应用方面的部分成果，包括：基于不同维度的相对隐蔽度及隐蔽度的分布规律；基于隐蔽度分析的底坡、岸坡及床面上

2、泥沙起动流速；基于隐蔽度分析的宽级配非均匀沙起动特性Shields带状曲线成因分析以及基于隐蔽度分析的泥沙颗粒水下内摩擦角试验等相关研究，最后对泥沙颗粒相对隐蔽度的实验研究提出了展望。关键词：相对隐蔽度；泥沙起动；底坡；岸坡；Shields曲线；水下内摩擦角中图分类号：TV141；TV142文献标识码：A1概述在研究泥沙起动流速时，需要考虑颗粒在床面位置的高低或是否暴露于床面之上，这就出现一个fb问题，如何定义平均床面(基准面)。为回避这个难图1不同概化条件下的均匀沙颗粒隐蔽度计算图解题，1965年，长江科学院在四川五通桥茫溪河野外Fig．1Calcu

3、lationdiagramforhiddendegreeof水槽试验中，韩其为等研究人员提出用(绝对)暴露uniformsedimentunderdiferentgeneralizedconditions度△来表示所研究颗粒在床面的位置(图1(a))。2011年长江科学院提出了三维泥沙颗粒相对隐蔽它直接反映了颗粒滚动时力臂的大小，而这个力臂度概念j。即床面上所研究颗粒的最低点到与下恰好反映了所研究颗粒滚动起动的临界条件和滚动游颗粒接触点或者下游2个颗粒交点之间的一个速度，还反映了颗粒起跳时的碰撞效果。△愈小表“虚拟点”之间沿床面的垂向距离(隐蔽长度)与

4、所示暴露愈充分，在实际应用中，常用△=A／D来表研究颗粒粒径的比值，记为叼，同时可定义=1一叼示，即为(二维)相对暴露度¨。自Einstein(1950)为相对暴露度。不仅如此，2011年长江科学院又提提出用隐蔽系数概念之后，隐蔽度、暴露度和隐暴度出并解决了受床面坡度影响下的泥沙相对隐蔽度最等名称相继出现，其实它们都是表达同一含义。为小值的问题_3J，即非均匀沙隐蔽度的最小值不是从从物理概念上理解方便，本文尝试对以上名称做一0算起，而是至少从(1一cos0)／2算起，其中为床个统一：①暴露度为床面泥沙颗粒在水中的裸露程面坡度，只当=0时，相对隐蔽度的最

5、小值才可能度；②隐蔽度为由于受其他颗粒的影响，所研究颗粒取0。下面就基于不同维度的相对隐蔽度、隐蔽度不能完全暴露在水中的程度。不难推断泥沙颗粒的的分布规律等相关研究进行简要阐述。暴露度大，则其隐蔽度就小，更易起动；反之，若其暴露度较小，则其隐蔽度就大，更难以起动。2相对隐蔽度研究近5O年来，无论是在河流泥沙起动还是在风沙起动研究中，泥沙颗粒相对隐蔽度的应用得到很大2．1均匀沙相对隐蔽度发展。但是为研究方便，我国大多研究者都将泥沙如图1(a)所示，D为所研究颗粒直径，O为该颗颗粒概化为二维“圆饼”模型研究颗粒隐蔽度，即二粒的球心，E为该颗粒沿床面垂向的最

6、低点，为与维泥沙颗粒相对隐蔽度。然而泥沙颗粒实际上多可下游颗粒的交点，B为该颗粒与下游颗粒的交点概化为球体，为研究泥沙颗粒的二维“圆饼”状与在OE线上的垂足，0和0为下游颗粒的球心，0为三维球状概化对泥沙颗粒隐蔽度的计算有何影响，线O0与线OE之间的夹角。根据二维泥沙颗粒隐收稿日期：2011—07—05作者简介：杨文俊(1966一)，男，湖北应城人，教授级高级工程师，从事水力学及河流动力学研究，(电话)027．82826353(电子信箱)yangwj66@hotmail．corn。18长江科学院院报2011丘蔽度的定义，可以得出均匀沙隐蔽度叼的计算式为

7、在[6，丌／2]也有可能符合均匀分布”这一论点。：堕：：由于颗粒排列是随机的，不同的排列对应不同的角J2OE2D2。u(、1‘)／度，若假定角度0对应的区间上符合均匀分布，即0不难论证0[丌／6，2]，由此推得表层泥沙田的的密度函数为取值区间是[1／2一√3／4，1／2]。f—一："IT<0<'iT，如图1(b)所示，O是O沿河床垂向在3颗“次-厂()：{【号。一耵6z(3)表层”泥沙球心O，O，O。所构成平面上的投影，其它。与线OO平行，其余符号含义与图1(a)相同。运用概率论不难求出隐蔽度叼的密度函数，即根据三维泥沙颗粒隐蔽度概念，同样可由式(1)

8、得r311出均匀沙隐蔽度田，并不难论证0[arcsin(／3)，，()：，，(叼)：{【叼>一