宽级配非均匀沙起动特性对比研究

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1、宽级配非均匀沙起动特性对比研究孟震杨文俊（长江科学院水利部江湖治理与防洪取点实验室，湖北武汉430010）摘要：针对宽级配非均匀沙的起动特性，人们从不同角度提出了附加力法、等效粒径法、力矩分析法等观点來解决宽级配非均匀沙的起动问题。本文客观地论述丫这些观点的优缺点，并阐述丫这些观点的物理意义，最后提出展望。关键词：泥沙起动；附加力；隐蔽度；等效粒径；力矩分析中图分类号：TV142文献标识码：A1引言1880年在里海东岸铁路的修筑中，人们曾采用“人造戈壁”的办法来防止地表风蚀，即在沙丘表血铺洒碎石

2、的办法来预防就地起沙。原因是较大碎石对较小沙粒具有很好的遮蔽作用，使得小颗粒泥沙的起动风速较同粒径均匀沙的增大了。同样水沙实验也表明：对于宽级配非均匀沙，较大颗粒的起动流速较同等粒径的均匀沙为小：较小颗粒的起动流速较等同粒径的均匀沙为大；中等颗粒泥沙的起动流速与同粒径的均匀沙的相当。针对宽级配非均匀沙的这个起动特性，人们逐步提出了相关的研究方法。如秦荣昱提出作为的附加阻力［1］，张启卫提出小颗粒所受的附加阻力和大颗粒所受的附加动力［1］，刘兴年提出以绝对暴露度表示的等效粒径［11，何文社提出以隐

3、蔽度系数为参数的等效粒径［2］。这些研宂方法确实在一定程度上解释了宽级配非均匀沙的起动特性。但是我们不能回避一个事实：上述学者的观点都是“引进”或“创造”一个附加量来解释宽级配非均匀沙的起动特性，但并不能从根源上证明它。幸运地是，韩其为在分析泥沙颗粒相对隐蔽度的基础上提出的力矩分析法（修正各力臂来分析力矩变化），较为合理地解决了这一难题。本文拟依次阐述附加力法、等效粒径法及力忾分析法，并分析这些观点的优缺点。根据笔者对力臂分析法的理解，探讨了附加力法和等效粒径法的物理意义，最后提出展望。需要指出

4、：笔者并非认为所选择的公式比其它学者的更为合理，碰巧是笔者比较熟悉它们。文屮所列的研究成果都极大的推动了泥沙起动研究的发展。对这些成果进行分析时，笔者力求客观，对于不完美之处，会列山原因。2附加力法2.1.秦荣星观点秦荣昱是我国在这一领域的开创者，他在分析自然粗化（有泥沙补给）和极限粗化（无泥沙补给）和H.Kramer的研宄成果后，认为当所研宄颗粒小于非均匀沙最大粒径£>max时，与单颗颗粒比较，颗粒的起动要多承受一个受泳沙组成自然粗化作用所引起的阻力，这个阻力还包括颗粒间的接触反力及摩擦力，称

5、之为附加阻力/?,，并给出了其计算式:1］:氏=恤吠nD^D^dD^^D；Km（7s-7）mDm（1）"min收稿日期：2011-07-01基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）资助课题（2007CB714106）;国家自然科学基金资助项目（51079008）湖北省自然科学基金：2010CDB00201作者简介：孟震（1985-）,男，河南商丘人，硕士研宂生，从事水力学及河流动力学研究。这里0为阻力修正系数，汉为面积系数，为待定系数，m为密实系数，/、、/分别为泥沙和水的容重。经过泥沙

6、起动平衡方程的建立，最后推导山泥沙起动流速公式，如下'U.=0.786SD.(2.5zn^+1)(—)"(2)ZAd9()这里，非均匀沙密实系数m是非均匀度Z7=D6Q/D1Q的非减函数。由于秦定义该附加力与泥沙水下重力方向相同，只不过是小颗粒所受的附加阻力较同粒径的均匀沙为大，大颗粒所受的附加阻力较同粒径的均匀沙为小。与同粒径均匀沙的起动条件相比，这的确很好地解释了宽级配非均匀沙的起动特性。但是为什么每颗泥沙都要受到相应附加阻力的作用以及不同粒径颗粒所受的附加阻力不同都缺乏严格的数学论证。同

7、样地，张启卫从另外一个角度研究了随颗粒粒径变化而引起附加力变化的问题。2.2张启卫观点张启卫考虑了宽级配非均匀沙的隐暴性，即大颗粒对小颗粒有遮掩作用，其本身也受暴露作用的影响。他创造性的提出所研宂泥沙颗粒受到全部粒径颗粒的总的附加阻力畀In(导)，(/),)必，(3)WWminiJ.JL/.JL/.L).很容易计算出：当时，代＜0,表现为大颗粒受一个额外的附加动力，起动流速较同粒径均匀沙容易起动；时，表现为小颗粒受一个额外的附加阻力，起动流速较同粒径均匀沙为大。这个处理手段的确解决宽级配非均匀沙

8、的起动特性。张经过整理大量资料，他率定出了非均匀沙分组起动流速公式m:u；=uuniform'l+0.07^1n(-^)(4)这里为粒径为的均匀沙起动流速公式。需要指出的是：对于级配特宽的非均匀沙如山区卵石夹沙河床上泥沙颗粒粒径大小相差上百倍13］。对于较小颗粒，如0;=7^/100可以计算山它的起动流速是同粒径均匀沙的5.765倍，对于特大颗粒，如1^=1000,。，可以计算出它的起动流速是同粒径均匀沙的0.977倍，这确实过于“放大”丫细小颗粒的起动流速和“缩小”了较大泥沙颗粒的起动流速。后