泥沙颗粒水下休止角与内摩擦角差异化初步探索.pdf

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1、泥沙研究2012年8月JournalofSedimentResearch第4期泥沙颗粒水下休止角与内摩擦角差异化初步探索孟震，杨文俊(长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室，湖北武汉430010)摘要：根据目前的泥沙起动及水下休止角的相关研究，得出滑动起动与滚动起动模型的矛盾，进而对泥沙界广泛认同的泥沙颗粒水下休止角在数值上等于泥沙颗粒水下内摩擦角提出质疑。本文分别进行了泥沙颗粒水下休止角与内摩擦角的物理试验。试验表明：作为散粒体，泥沙颗粒的水下休止角在数值上小于泥沙颗粒水下内摩擦角。关键词：泥沙起

2、动；休止角；内摩擦角；可动层；相对隐蔽度中图分类号：TV141文献标识码：A文章编号：0468．155X(2012)04-0076—051引言在水流强度不太大时，床面表层泥沙颗粒一般以滚动或滑动两种运动方式起动，当水流强度较大时，较小泥沙颗粒可以以跳跃方式起动。在长江科学院进行的溃坝模型试验中，非常扁平形状泥沙，往往是象滑翔机一样在水中漂移，有的也会呈现出旋转漂移运动形式。相关研究表明：“在充分紊流区，运动的泥沙中，滚动的泥沙占59％，滑动占38％，跳跃则占3％”。文献[2]推求了基于三维泥沙颗粒相对

3、隐蔽度的底坡上散体均匀沙近底作用起动流速公式2————————————立————===二=：；二——g(L1l)CDO／D，(1一叩。)+C￡Ot￡~／(，7一叼)P其中为所研究颗粒D的近底作用流速，田为颗粒D的相对隐蔽度[31，0是河床坡度，k为水流推力力臂系数。把CD=0．4、C=0．1、k￡=0．53、OtD：7／4、OtL=7r／4、=7r／6，u6=7．49u。，取均匀沙相对隐蔽度期望=0．214，取平坡0=0，一并代入(1)式，可得到散体均匀沙无因次起动切应力0n，，2==0．0469该值

4、正是梅叶一彼特的试验结论(0．047)。＼T一，人们普遍认为泥沙颗粒水下休止角的正切值为泥沙颗粒水下内摩擦系数，即泥沙颗粒水下休止角与内摩擦角相等。若采用滑动起动模型，如图1所示，可以建立滑动起动平衡方程，即所研究泥沙受沿床面方向的合力F与泥沙水下摩擦阻力F，相等，如下式CD。D+(y一y)D3sin=『(一7)D3COS0一CL~Lo1fan(2)可以解得收稿日期：2011-05-23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(51

5、079008)；湖北省自然科学基金(2010CDB00201)作者简介：孟震(1985一)，男，河南商丘人，硕士研究生，从事水力学及河流动力学研究。E-mail：edison9981@gmail．corn762：fI1』(3)这里tamp为泥沙水下内摩擦系数，泥沙界普遍认为为所研究泥沙颗粒的水下休止角。同样地，取C=0．4、C=0．1、D=~r／4、a=rr／4、=-rr／6，“6=7．49u。，0：0代入式(3)，经计算得0=pM2(tan~pf)一(y一)D≈—1—6——．——8—3——(——1—

6、——+———t—a——n—q——~—／——4__)(4)当令0=0．0469时，可以反算出散体沙颗粒水下休止角为44．52。，当然，这个角度是平均意义上的。图1不同底坡上散体沙滑动模型水F受力分析Fig．1Analysisofunderwaterforcesoneohesionlesssedimentparticlesondifferentbedslopes文献[5]表明：当D>’1mill时，泥沙颗粒的密实程度与薄膜水无关，只取决于该颗粒的磨光程度，而颗粒的密实度往往影响着泥沙颗粒水下休止角。散体沙

7、颗粒水下休止角的发散程度小于粘性沙，许多学者认为可以忽略粘性的散体沙粒径大于lmill。金腊华和张红武的散体均匀重质沙水下休止角试验数据变化介于29．3。～42．3。。同样地，密尼奥(C．Migniot)的室内试验得出粒径为1～10ram的砂和小砾石的水下休止角变化也介于31。～40。。大量数据表明，泥沙颗粒水下休止角试验数据均小于44．52。。仔细推敲，此时不得不重新考虑一件泥沙界最基本的观点：作为散粒体，泥沙颗粒的水下休止角在数值上是否等于泥沙颗粒的水下内摩擦角?原因如下：(1)当研究平坡床面上泥

8、沙起动时，颗粒水下内摩擦系数仅仅反映的是床面上“表层泥沙”与“次表层泥沙”之间的摩擦关系，“次表层”泥沙不存在沿斜面的重力分量。(2)泥沙颗粒水下休止角不仅反映泥沙堆积体“表层泥沙”与“次表层泥沙”的摩擦关系，更反映了堆积体内部骨架的稳定关系。即：“表层”泥沙之下一定厚度的颗粒存在沿斜面的重力分量，泥沙颗粒水下休止角所需要的条件更为苛刻，数值上应该小于内摩擦角。而传统观点认为：静水中的泥沙，由于颗粒问摩擦力的作用，可以使泥沙坡形成一定的倾斜面而不塌落，此