泥沙起动过程中床面切应力与含沙量关系的试验研究.pdf

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1、泥沙研究2016年2月JournalofSedimentResearch第1期文章编号：0468—155X(2016)O1-0063-05泥沙起动过程中床面切应力与含沙量关系的试验研究黄伟，刘亚坤，吴华林，万远扬(1．大连理工大学水利工程学院，辽宁大连I16024；2．上海河口海岸科学研究中心河口海岸交通行业重点实验室，上海201201)摘要：以长江口细颗粒泥沙为样本进行环形水槽起动试验，给出了三组不同中值粒径泥沙的起动流速和临界起动应力，同时用湍动能法(TKE)估算不同含沙量水体的床面切应力，给出了泥沙起动过

2、程中床面切应力与含沙量之间的关系。床面切应力随着含沙量的增加而增加，当含沙量达到某一浓度后，床面切应力增长缓慢，随着含沙量的再增加，床面切应力再次迅速增高，而不同中值粒径的泥沙，增长速度并不一致，说明泥沙对床面切应力的影响并不仅仅表现在含沙量上，粒径大小也是影响床面切应力的重要因子之一。关键词：含沙量；起动流速；床面切应力；环形水槽中图分类号：TV142．1文献标识码：ADOI：10．16239／j．cnki．0468—155x．2016．O1．O12细颗粒泥沙的动力过程，包括起动、侵蚀、沉降、絮凝等一直是科学

3、研究和工程实践的关键问题¨。床面切应力是控制细颗粒泥沙侵蚀、沉积和输移的重要参数之一，通常情况下，床面切应力是基于Karman．Prandtl模型通过垂向流速分布得到’，然而这种方法忽略了浊度的影响，之前的研究表明无论是模型试验、现场试验还是实地测量，在高浓度含沙水体中都会出现“减滞”作用，因此这种方法会高估床面切应力。很多学者也纷纷给出了不同的解释，包括密度梯度、黏性变化、含沙量变化滞后效应、紊流猝发减少、絮凝作用等等。因为各个机理并不是相互独立的，通常是共同作用或者相互影响，所以从机理上来说，对底部边界层动

4、力特性的描述以及含沙水体底部切应力的估算一直是尚未解决的科学难题¨。环形水槽是细颗粒泥沙室内研究以及现场试验研究的重要工具，可以模拟不同流速下不同含沙量水体的输移过程，相对于长直水槽主要有以下几个优点：环形水槽没有使用水泵，因此可以忽略进出口条件约束，不会打破悬浮絮凝沉积物和床面结构；可以模拟无限长水域；尺寸相对较小易于控制。本文考虑了含沙量的影响，采用长江口不同粒径的泥沙作为床面材料进行了一系列的环形水槽起动试验，给出了相应的起动流速和临界起动切应力，同时给出了泥沙起动前后以及起动过程中底部切应力与悬沙浓度之

5、间的关系，为更好的理解细颗粒泥沙动力特性提供了可靠的参考依据。1试验方法1．1床面材料试验床面泥沙取自长江口北槽三种不同粒径的泥沙，铺设在环形水槽底部的初始厚度均为2cm。试验用水也取自北槽现场采集海水，盐度为9％0，水温为15cI=，试验水深15cm。根据颗粒分析结果，按照泥沙粒径大小将样品重新划分为粗、中、细三类，三类样品的平均中值粒径分别为0．082mm、0．035mm收稿日期：2015—04—09基金项目：国家自然科学基金项目(51479022，51179021)作者简介：黄伟(1985一)，男，安徽六

6、安人，博士研究生，主要从事工程水力学、泥沙方面研究。E·mail：94364678@qq．corn通讯作者：刘亚坤。E-mail：liuyakun@dlut．edu．cn63(4)图5给出了三种泥沙样本在起动过程中底部切应力随含沙量变化的关系曲线，由拟合曲线可以看出，在较低含沙量的情况下，底部切应力随含沙量增长较快，当含沙量增长到一定程度之后，底部切应力的增长变缓，可以说在含沙量低于60kg／m时表现较为一致，当含沙量大约60kg／m之后，粗颗粒的底部切应力随着含沙量的增加比中颗粒增长要快。由于细颗粒在最大流速

7、级起动后的最大含沙量只有58kg／m，所以图中缺少细颗粒高含沙量的数据。(5)临界起动切应力也就是我们常说的临界起动拖曳力，经典起动拖曳力公式是希尔兹等人建立的希尔兹数与沙粒雷诺数之间的函数关系，即著名的Shields曲线fuD0=—=，(Re)=，(—)(4)s一，从Shields曲线中我们知道当沙粒雷诺数小于l0的时候，床沙粒径小于近壁层厚度，曲线上升，起动拖曳力增大，而本试验的床沙粒径都是小于0．1mm，沙粒雷诺数均小于10，所以粒径越小，起动切应力就越大，粒径越大，反而越容易起动。216OO8O6O4O

8、2OO^cuJI)／删会姐12{箍08日尽箍世椒11OO26284O0400204060801OOO20406O流J$／(cm／s1流速／(cngs)图2粗颗粒泥沙底部切应力与流速、含沙量之间关系图3中颗粒泥沙底部切应力与流速、含沙量之间关系Fig．2Relationshipamongbedshearstress，velocityandFig．3Relationshipamongbed