均匀泥沙相对暴露度的试验研究.pdf

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1、泥沙研究2015年l2月JournalofSedimentResearch第6期文章编号：0468-155X(2015)06-0040-06均匀泥沙相对暴露度的试验研究周双，张根广，王新雷，邢茹(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100)摘要：以杨奉广建立的相对暴露度概念为基础，通过自行设计的试验装置，测量了均匀玻璃球的暴露角和河卵石的绝对暴露度，分析计算了其相对暴露度及其分布规律。结果表明，玻璃球相对暴露度取值范围介于0～0．5之间，暴露角呈正态分布，相对暴露度呈偏正态分布；在此基础上，利用实测资料对暴露角正态分布公式

2、中的系数进行了率定，通过暴露角和相对暴露度概率密度函数转换，给出了相对暴露度概率密度函数；河卵石相对暴露度取值范围也介于0～0．5之间，相对暴露度呈偏正态分布，与本文公式的分布曲线不完全重合，说明河卵石复杂外形、粒径和形心的不同对其相对暴露度概率密度分布曲线的影响较大。关键词：均匀沙；相对暴露度；偏正态分布中图分类号：TV149．2文献标识码：ADOI：10．16239／j．cnki．0468一l55X．2015．06．007泥沙相对暴露度反映了泥沙在床面上的相对位置，就其分布而言，具有较大的随机性。相对暴露度的大小，直接决定着床面上泥

3、沙颗粒所受到的作用力和起动力矩大小，最终决定着泥沙能否起动，因此，泥沙相对暴露度的研究在泥沙起动研究中具有重要的意义。爱因斯坦¨在进行非均匀沙推移质输沙率的研究时，提出了隐蔽度系数的概念；韩其为首次提出了泥沙颗粒相对暴露度概念，并从理论上给出了其取值范围及分布规律；Paintal在研究均匀沙颗粒在床面上位置时，提出了新的暴露度概念。近些年来，暴露度的研究取得了一些进展，如孟震、杨文俊对二维、三维泥沙颗粒的相对隐蔽度(与相对暴露度表达同一含义)进行初步分析，提出了基于相对隐蔽度的宽级配非均匀沙中“大颗粒”、“中颗粒”、“小颗粒”的概念；何

4、文社、刘兴年等I9在对暴露度与等效粒径的研究基础上，将其引入到不同底坡的均匀沙起动研究中；白玉川¨首创了双向暴露度的提法，同时考虑了纵向暴露度和横向暴露度对泥沙起动的影响；杨奉广等¨采用程年生¨的颗粒间距分布概率密度公式，利用泥沙颗粒隐蔽度与颗粒间距之间的函数关系，推导出相对暴露度的概率分布公式。相对暴露度的研究主要着重于两个方面：1)相对暴露度的取值范围。孟震、杨文俊在韩其为1厅均匀分布的基础上提出取值范围是0．067(÷一)～0．5；杨奉广认为取值范围是0～0．5；2)斗相对暴露度的分布规律。不同学者提出不同观点，如均匀分布、反余弦

5、分布和偏正态分布等。孟震、杨文俊在韩其为假定的相对暴露度△符合均匀分布的基础上，得到的概率密度函数为收稿日期：2014—05—04基金项目：国家自然科学基金项目(51279170)作者简介：周双(1989一)，男，内蒙通辽人，博士研究生，主要从事水力学及河流动力学研究。E—mail：839298039@qq．corn通讯作者：张根广。E—mail：zgg64@163．com40△)=南‘÷一<÷)0(其他)式中△=，D为颗粒直径；△为绝对暴露度，即床面上所研究颗粒的最低点到与下游颗粒接触点之19的垂向距离。孟震、杨文俊基于暴露角0符合均

6、匀分布假定，提出相对暴露度△符合反余弦分布，得到的概率密度函数为f(a)南一)<△，<吉(2)杨奉广等¨提出的相对暴露度△概率密度函数为f(a，)：1．928×—一×—————————丁(3)1+_=4{[△一(△)][0．4+(1一—二；)]}√1+0．4‘2,／a一(△)虽然该公式不是基于正态分布通用形式的基础上得到的，但公式图形显示和偏正态分布类似，因此，一些学者认为，杨奉广等提出的相对暴露度△符合偏正态分布。鉴于目前对相对暴露度取值范围及其分布规律存在认识上差异，以及对暴露度的研究均建立在圆球的基础上，而圆球与泥沙外形还存在较大

7、差异，为分析比较圆球与天然河卵石相对暴露度及其分布规律的差异，本文以韩其为建立的相对暴露度概念为基础，通过自行设计的试验装置，选取直径20mm的玻璃球2000颗和粒径接近20mm的天然河卵石1000颗作为试验材料。河卵石的选取是在标准筛径15mm和20mm筛选基础上，再通过人工挑选三轴尺寸基本接近20mm的河卵石。考虑到玻璃球直径大小均匀一致，采用测量暴露角的方法计算其相对暴露度；天然河卵石因外形、粒径和形心不完全一致，采用直接量测其绝对暴露度方法计算其相对暴露度。通过分析计算实测资料认为，玻璃球相对暴露度取值范围介于0～0．5之间，暴

8、露角符合正态分布，相对暴露度符合偏正态分布，利用实测资料对暴露角正态分布公式中的系数进行了率定，通过暴露角和相对暴露度概率密度函数转换，得到了相对暴露度偏正态分布概率密度函数；河卵石相对暴露度取值范围也介于