粗细化过程中的非均匀沙起动流速

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1、粗细化过程中的非均匀沙起动流速摘要：本文对处于淤交替（粗化细化）过程下的宽级配非均匀沙起动特点进行了分析，文中首先探讨了均匀沙起动流速的表达方式，然后引入非均匀沙暴露高度和泥沙粒径的关系和研究成果，导出了宽级配非均匀沙分级起动流速的计算公式，通过实验资料检验符合良好。关键词：起动流速非均匀沙粗化过程1前言　　长江上游天然河流中的床沙组成均为宽级配非均匀泥沙，其输移过程具有明显的特点，许多学者在这一领域取得了进展。　　非均匀沙的起动问题，作为研究泥沙输移、河渠稳定设计、冲刷过程和模型设计等问题的基础，是解决变动回水区泥沙问题必须面临的基本问

2、题。　　对于泥沙起动临界条件的表达方式上，传统上有两种方法——起动切力和起动流速，两者既是统一的，也存在明显的差异。起动切力具有明显的、直接的物理意义，但实测时难以获得准确的坡度资料和床面切力资料，因此在实际应用时相对困难一些。起动流速虽作为间接的起动因子，就以其天然河流中易于观测（平均流速）而独具优势，起动流速的表达方式得到更为广泛的应用。均匀沙起动切力的研究以希尔兹的研究为经典。在非均匀沙的起动切力研究中，以伊格扎洛夫（I.V.Egiazaroff），格斯勒(J.Gessler)，彭凯和陈远信[6]等人的研究为代表。伊格扎洛夫以对数流

3、速分布引入起动切力荫蔽系数获得非均匀沙起动切力。格斯勒以其研究粗化稳定结构的临界切力代表了非均匀沙起动切力研究的一个重要方面，具有广泛的影响。彭凯、陈远信[6]在80年代中期引入非均匀沙起动标准，床面可动层和起动的动力过程概念，通过系统实验论证，获得了非均匀沙分级起动切力的表达方式——修正希尔兹曲线。起动流速表达方式以前苏联学者开创以来，我国的广大学者在此领域获得了大量的成果，如武汉水电大学、窦国仁、华国祥[1]、唐存本[2，5]等人的研究成果，引入了无粘和粘性沙的特点，建立了适用于粗细泥沙的起动流速公式。在非均匀沙起动流速方面，则在80

4、年代开始，以秦荣昱、陈媛儿和谢鉴衡、韩其为、冷魁[2，7]等人的研究为代表。从不同的角度探讨了非均匀沙起动流速的特点。这些研究无疑为非均匀沙起动流速临界条件的研究具有重要意义。然而，宽级配非均匀沙的起动极为复杂，特别是处于变动回水区冲淤交替过程中的非均匀床沙的起动更是具有特殊性，有许多问题有待进一步深入探讨。作为天然河流（特别是冲淤交替频繁的变动回水区）的床沙往往是处于粗化过程中，每一条河流由于其来水来沙条件的不同，床沙起动的补给条件不同，即使是同一条河流在枯水期和汛期，汛前和汛后，洪峰前和峰后，其床沙的位置特性也不尽相同。因而上述起动流

5、速公式还不能概括这些与粗化细化过程有关的起动流速特点。那么，如何刻画各条河流，不同水流和床沙特性下非均匀沙起动流速的异同是非均匀沙起动流速问题研究的重点之一，尤其是在变动回水区更应考虑粗化过程对非均匀沙起动流速的影响特性。2粗化对非均匀沙起动特性影响分析　　均匀床沙在一定的水流条件下，可能处于静止、部分可动和全部可动状况。非均匀沙某级粒径的临界可动条件不仅与水流条件有关，也与泥沙级配组成有关，还与床沙位置、粗化程度有密切的关系。各条河流的水沙过程和床沙组成不同，致使其粗化状态也不尽相同，因此临界起动条件亦具有相异的特点，以一水槽试验为例，

6、把非均匀沙（宽级配）铺在床面上，放入流量Q的清水（流速为U），清水冲刷床面至达到粗化稳定层形成，停水，然后再放入同一流量Q的清水，则水槽中的床沙将会全部都不可动。再停水，可获取床沙表层粗化层级配，按此级配重新配沙铺在水槽中，并放入同样水流，则部分细沙会被起动他移。这就反映出同样水流条件和床沙级配下，由于床沙粗化程度（床沙位置特性）不同，而产生了起动流速不同。目前的临界起动公式还不能概括上述现象。　　在水库回水变动区往往由于冲淤交替进行而产生粗化程度经常变化。同样，不同的河流，由于来水来沙条件各异，床沙的位置特性也不尽相同。因此，粗化过程的

7、床沙特性如何影响非均匀沙起动临界流速条件应考虑。图1床沙暴露度示意图Sketchofthebedmaterialexposure3考虑床沙粗化及隐暴作用的起动流速　　通过水槽实验和野外实测[3]，获得非均匀沙部分可动和全部可动条件下的暴露度和粒径关系的资料。根据对这些资料的分析，床沙暴露度的定义如图1所示。　　全部可动时i＝A(dA-di)(1)其中部分可动时(2)d*c＝γHJ/0.024(γs-γ)式中i是粒径为di的颗粒的暴露高度；ΔPi为i粒径组所占床沙百分比；N、M分别为全部床沙的分级数和di<d*c的分级数；dA为床沙代

8、表粒径；d*c为床沙置调整的最大可动粒径；A为床沙位置特征参数。　　A值越大，粗化程度越强，细颗粒泥沙受到的荫蔽作用也越强。A是表征床沙位置关系和粗化状态的重要特征参数。　　非均匀沙的起动流速