黏性非均匀沙的冲刷.pdf

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1、泥沙研究2011年6月JournalofSedimentResearch第3期黏性非均匀沙的冲刷孙志林，张种超，黄赛花，梁旭(1．浙江大学水利与海洋科学系，浙江杭州310058；2．杭州市市区河道监管中心，浙江杭州310008)摘要：黏性非均匀沙起动和冲刷研究对于河口海岸工程的设计和安全具有重要的意义。在作者从概率论和力学角度所提出的黏性非均匀沙起动摩阻流速公式的基础上，建立起黏性非均匀沙的起动流速和冲刷率公式。在钱塘江河口河床获取2个钻孔共28个岩芯，进行起动和冲刷水槽试验。起动流速公式计算值与沙样起动试验数据符合良好，表明该公式能较好反应黏性非均匀沙的起动现象。进而根据冲刷试

2、验资料确定了冲刷率公式的指数和冲刷常数，发现未充分固结的淤泥冲刷率与相对剩余切应力的二次方成正比，而圊结已久的淤泥冲刷率与相对剩余切应力呈线性关系，冲刷常数分别为(2～3．5)x10。m／s和(1—2)×10～m／s，两者差一个数量级。关键词：黏性非均匀沙；水槽试验；冲刷率；起动中图分类号：TV142文献标识码：A文章编号：0468—155X(2011)03-0044-051前言河床自然冲刷是指在自然水流条件特别是极端水流作用下造成河床底部普遍冲刷的现象，主要由泥沙的自身性质和水流条件决定，且一般与工程无直接关联。由于冲刷是泥沙起动后的一系列运动，在考虑泥沙的冲刷问题时，必然要考

3、虑到泥沙起动。迄今为止，针对泥沙起动现象的研究多以黏性均匀沙和无黏性非均匀沙为主，Einstein和Gessler在不涉及颗粒排列随机性的情况下率先导出粗颗粒均匀沙的起动概率和不动概率表达式，Paintal起动概率公式进一步用4个变量处理颗粒排列的随机性，Kuhnle和Wilcock研究了无黏性混合沙的起动切应力。由于泥沙物理性质的差异以及各处河口水流条件的特殊性，至今对黏性非均匀泥沙的研究甚少，孙志林基于概率论和力学原理推出了黏性非均匀沙的起动摩阻流速。对于冲刷问题，Partheniades提出了均匀分布的底床冲刷率公式，但对于公式中具体参数的确定还存在着一定的争论。本文采用理

4、论分析和试验研究的方法，通过钱塘江钻孔岩芯的起动和冲刷试验，提出黏性非均匀沙的起动流速公式和冲刷率公式。’2起动与冲刷率公式的建立2．1起动公式河床泥沙的起动涉及一系列具有随机性的力学和几何因子，作用在河床表面单粒泥沙上的力包括推移力、上举力、水下重力和黏性力，推移力和上举力是促使泥沙起动的力，而水下重力和黏性力是阻碍泥沙起动的力。目前，黏性力尚无成熟的表达式，作者’根据因次分析和交叉石英试验得到黏性力表达式为收稿日期：2009-11．16基金项目：国家科技重大专项课题(2009ZX07424—001)；国家自然科学基金项目(40776007)作者简介：孙志林(1956一)，男，

5、博士，教授，主要从事水沙动力学和数值模拟研究。通讯作者：黄赛花，E-mail：ivyhuang21@163．12om44Fo．o4023层h+ho㈩在此基础上，采用概率论与力学结合的方法，推导出了黏性非均匀沙的起动概率公式，进而获得起动摩阻流速公式一o-D[P／D+o．。6(＼，))，(h+Dh0)8(2)式中D为非均匀沙第k粒级平均粒径，D为非均匀沙的中值粒径；P和P分别为泥沙和水的密度，g为重力加速度；h为实际作用水深；^。：3．：sm，为与分子引力有关的附加作用水头；P为沙样干密度；P。为稳定干密度，可取P=1．6t／m。。取无因次谢才系数c。=6．069(^／K)。，采用

6、指数流速分布公式将摩阻流速换算为垂线平均流速。由于本文所选用的泥沙粒径处于4Ixm到70p,m之间，黏性力是阻碍泥沙起动的主要因素，重力项所占的比重约为千分之几，与黏性力项相比可以忽略不计，故对起动公式进行简化后可得2o-。7(㈩式中K为糙率参数，当D<0．5mm时，糙率参数K=0．5mm，当D>0．5ram时，糙率参数K：D。2．2冲刷率公式对河El河床的冲刷程度进行估算，需要知道黏性非均匀沙的冲刷率，即单位面积床面上单位时间内的冲刷厚度。研究表明，黏性泥沙冲刷率除受制于床面切应力和泥沙临界起动切应力外，还与沉积物的物化特性和密实程度有密切的联系。床面冲刷率与相对剩余切应力成指

7、数关系，即E：叫一·)(4)式中为床面切应力；7．为临界起动切应力；肘是有量纲的冲刷常数，单位为m／s，随泥沙类型和各种物化特性而变化；一1表示相对剩余切应力；指数l取值与泥沙的性质相关。由切应力与摩阻流速u。的二次方成线性关系，即7"bpu1．丁p2式(4)可转化为M(一-)㈥采用指数流速分布，将摩阻流速与起动摩阻流速之比替换为垂线平均流速与起动流速之比。选用作者在前文得出的黏性非均匀沙的起动公式(3)，代人式(5)有=({毒一)：[：毛薪～]c6，式(6)为黏性非均匀沙的冲刷