正负坡上均匀散粒体泥沙起动流速的研究

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1、泥沙研究2016年10月JournalofSedimentＲesearch第5期文章编号:0468-155X(2016)05-0054-06正负坡上均匀散粒体泥沙起动流速的研究李林林，张根广，吴彰松，高远(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100)摘要:基于泥沙颗粒间相对暴露度及起动概率对泥沙起动的影响，引入附加质量力，采用泥沙滑动起动模型，推导出适用于正负坡条件下不同起动概率的泥沙起动底流速公式和垂线平均流速公式。在此基础上，引入泥沙颗粒形状修正系数。经实测资料验证，修正后的泥沙起动流速公式计算结果与实测

2、资料吻合良好，不仅适用于均匀泥沙起动，还可以适用于非均匀泥沙起动。与已有的起动流速公式相比，本文公式形式简单，计算精度较高，可以应用于天然河流条件下非均匀泥沙起动流速计算。关键词:正负坡;附加质量力;相对暴露度;起动流速中图分类号:TV142.1文献标识码:ADOI:10．16239/j．cnki．0468－155x．2016．05．009泥沙起动是泥沙运动理论以及河流动力学研究的基本问题之一，国内外学者一直有着深入的研究。泥沙起动在实际水利工程中应用广泛，例如泄水建筑物下游冲刷坑的冲刷、桥墩周围的冲刷、水库清淤、河床演变

3、、土石坝渗流稳定性等都与之有着密切的联系。泥沙起动的判别标准主要包括起动流速、起动切应力、起动功率等;起动模式有滚动和滑动两种，研究方法有力学方法、统计方法和两者结合的方法。［1］有关平坡上泥沙起动问题，钱宁、万兆惠考虑了床面粗化过程对泥沙起动的影响，研究了非均匀沙的［2］起动问题。窦国仁通过考虑瞬时作用流速，得到三种起动状态间的关系，克服了起动切应力和起动［3］流速间的不协调。冷魁在非均匀床沙暴露度变化规律的基础之上，对无黏性非均匀沙的起动规律进［4］行了研究，得到了非均匀沙起动流速的计算公式。张小峰、谢葆玲将概率论的相

4、关知识引入泥沙起［5］动的研究中，得到了考虑起动概率因素下的泥沙起动流速计算公式。孙志林运用概率论与力学相结合的方法，建立了起动颗粒的作用力臂与相对暴露度的关系式，得到了非均匀泥沙颗粒分级起动的流速［6］公式。刘兴年通过对宽级配非均匀沙的起动特点进行分析，引入非均匀沙暴露高度与泥沙粒径的关［7］系，得到了宽级配非均匀沙分级起动流速的计算公式。何文社等将泥沙颗粒在床面的相对暴露度和附加质量力引入推移质泥沙起动中，得到了无量纲化的起动切应力公式。有关坡面上泥沙起动问题，何［8］文社等考虑了床面均匀泥沙起动标准、起动概率及隐蔽度

5、，采用滚动模型推导出了正坡上的均匀沙［9－10］起动流速公式。谢立全、吴岩等考虑了渗透力对岸坡上泥沙颗粒起动的影响，得到了岸坡泥沙起［11］动流速公式。杨奉广、刘兴年等以泥沙颗粒的相对暴露度为基础，对均匀沙在陡坡上的起动机理进行了分析，得到了考虑均匀沙隐暴效应的起动概率表达式，进而推导出了陡坡上均匀沙起动流速公式。［12］吴岩、韩其为等考虑了重力在水流方向的分力和斜坡坡度对泥沙起动的影响，得到了斜坡上非均匀［13］沙分组起动流速公式。马子普、张根广等考虑了水流相对速度和水流脉动速度对单颗粒泥沙起动的收稿日期:2016－01

6、－30基金项目:国家自然科学基金项目(51279170)作者简介:李林林(1992－)，男，安徽宿州人，研究生，主要从事水工水力学方面的研究。E-mail:2535957581@qq．com通讯作者:张根广。E-mail:zgg64@163．com54影响，对斜坡上的单颗散粒体泥沙进行三维受力分析，得到了斜坡上泥沙颗粒滑动起动条件及跃移条［14］件。周双、张根广等以相对暴露度为基础，采用滚动起动模式，得到了考虑起动概率的正坡上均匀散粒体泥沙起动流速公式。基于上述研究进展，本文通过分析泥沙颗粒间相对暴露度和起动概率对泥沙起动

7、的影响，引入附加质量力，推导出了适用于平坡、正坡和负坡条件下泥沙起动流速的统一公式。1泥沙暴露角与相对暴露度泥沙颗粒暴露度反映了泥沙颗粒在床面上的相对位置，韩［15］其为据此定义了所研究泥沙颗粒最低点与下游颗粒接触点的竖向距离为泥沙颗粒暴露度Δ。在此基础上，周双、张根广［16］等用泥沙颗粒绝对暴露度Δ与直径D的比值定义相对暴露Δ图1泥沙颗粒暴露度及暴露角示意度，即Δ'=，并用所研究泥沙颗粒与下游接触颗粒的连心线DFig．1Exposuredegreeandexposure与竖直方向的夹角表示所研究泥沙颗粒的暴露角θ，如图1

8、angleofsedimentparticles所示。有关平坡上均匀泥沙颗粒暴露角与相对暴露度的取值范围和分布规律，学术界尚无定论，大多引用［15］［11］韩其为等的均匀分布假设。杨奉广等就相对暴露度的取值范围及概率分布规律进行过研究，得到相对暴露度的取值范围为［0，0.5］，分布规律服从偏正态分布，并