水利工程論文-粗細(xì)化過程中的非均勻沙起動(dòng)流速.doc

水利工程論文-粗細(xì)化過程中的非均勻沙起動(dòng)流速摘要：本文對(duì)處于淤交替（粗化細(xì)化）過程下的寬級(jí)配非均勻沙起動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，文中首先探討了均勻沙起動(dòng)流速的表達(dá)方式，然后引入非均勻沙暴露高度和泥沙粒徑的關(guān)系和研究成果，導(dǎo)出了寬級(jí)配非均勻沙分級(jí)起動(dòng)流速的計(jì)算公式，通過實(shí)驗(yàn)資料檢驗(yàn)符合良好。關(guān)鍵詞：起動(dòng)流速非均勻沙粗化過程1前言長江上游天然河流中的床沙組成均為寬級(jí)配非均勻泥沙，其輸移過程具有明顯的特點(diǎn)，許多學(xué)者在這一領(lǐng)域取得了進(jìn)展。非均勻沙的起動(dòng)問題，作為研究泥沙輸移、河渠穩(wěn)定設(shè)計(jì)、沖刷過程和模型設(shè)計(jì)等問題的基礎(chǔ)，是解決變動(dòng)回水區(qū)泥沙問題必須面臨的基本問題。對(duì)于泥沙起動(dòng)臨界條件的表達(dá)方式上，傳統(tǒng)上有兩種方法起動(dòng)切力和起動(dòng)流速，兩者既是統(tǒng)一的，也存在明顯的差異。起動(dòng)切力具有明顯的、直接的物理意義，但實(shí)測(cè)時(shí)難以獲得準(zhǔn)確的坡度資料和床面切力資料，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)相對(duì)困難一些。起動(dòng)流速雖作為間接的起動(dòng)因子，就以其天然河流中易于觀測(cè)（平均流速）而獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，起動(dòng)流速的表達(dá)方式得到更為廣泛的應(yīng)用。均勻沙起動(dòng)切力的研究以希爾茲的研究為經(jīng)典。在非均勻沙的起動(dòng)切力研究中，以伊格扎洛夫（I.V.Egiazaroff），格斯勒(J.Gessler)，彭凱和陳遠(yuǎn)信6等人的研究為代表。伊格扎洛夫以對(duì)數(shù)流速分布引入起動(dòng)切力蔭蔽系數(shù)獲得非均勻沙起動(dòng)切力。格斯勒以其研究粗化穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的臨界切力代表了非均勻沙起動(dòng)切力研究的一個(gè)重要方面，具有廣泛的影響。彭凱、陳遠(yuǎn)信6在80年代中期引入非均勻沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，床面可動(dòng)層和起動(dòng)的動(dòng)力過程概念，通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)論證，獲得了非均勻沙分級(jí)起動(dòng)切力的表達(dá)方式修正希爾茲曲線。起動(dòng)流速表達(dá)方式以前蘇聯(lián)學(xué)者開創(chuàng)以來，我國的廣大學(xué)者在此領(lǐng)域獲得了大量的成果，如武漢水電大學(xué)、竇國仁、華國祥1、唐存本2，5等人的研究成果，引入了無粘和粘性沙的特點(diǎn)，建立了適用于粗細(xì)泥沙的起動(dòng)流速公式。在非均勻沙起動(dòng)流速方面，則在80年代開始，以秦榮昱、陳媛兒和謝鑒衡、韓其為、冷魁2，7等人的研究為代表。從不同的角度探討了非均勻沙起動(dòng)流速的特點(diǎn)。這些研究無疑為非均勻沙起動(dòng)流速臨界條件的研究具有重要意義。然而，寬級(jí)配非均勻沙的起動(dòng)極為復(fù)雜，特別是處于變動(dòng)回水區(qū)沖淤交替過程中的非均勻床沙的起動(dòng)更是具有特殊性，有許多問題有待進(jìn)一步深入探討。作為天然河流（特別是沖淤交替頻繁的變動(dòng)回水區(qū)）的床沙往往是處于粗化過程中，每一條河流由于其來水來沙條件的不同，床沙起動(dòng)的補(bǔ)給條件不同，即使是同一條河流在枯水期和汛期，汛前和汛后，洪峰前和峰后，其床沙的位置特性也不盡相同。因而上述起動(dòng)流速公式還不能概括這些與粗化細(xì)化過程有關(guān)的起動(dòng)流速特點(diǎn)。那么，如何刻畫各條河流，不同水流和床沙特性下非均勻沙起動(dòng)流速的異同是非均勻沙起動(dòng)流速問題研究的重點(diǎn)之一，尤其是在變動(dòng)回水區(qū)更應(yīng)考慮粗化過程對(duì)非均勻沙起動(dòng)流速的影響特性。2粗化對(duì)非均勻沙起動(dòng)特性影響分析均勻床沙在一定的水流條件下，可能處于靜止、部分可動(dòng)和全部可動(dòng)狀況。非均勻沙某級(jí)粒徑的臨界可動(dòng)條件不僅與水流條件有關(guān)，也與泥沙級(jí)配組成有關(guān)，還與床沙位置、粗化程度有密切的關(guān)系。各條河流的水沙過程和床沙組成不同，致使其粗化狀態(tài)也不盡相同，因此臨界起動(dòng)條件亦具有相異的特點(diǎn)，以一水槽試驗(yàn)為例，把非均勻沙（寬級(jí)配）鋪在床面上，放入流量Q的清水（流速為U），清水沖刷床面至達(dá)到粗化穩(wěn)定層形成，停水，然后再放入同一流量Q的清水，則水槽中的床沙將會(huì)全部都不可動(dòng)。再停水，可獲取床沙表層粗化層級(jí)配，按此級(jí)配重新配沙鋪在水槽中，并放入同樣水流，則部分細(xì)沙會(huì)被起動(dòng)他移。這就反映出同樣水流條件和床沙級(jí)配下，由于床沙粗化程度（床沙位置特性）不同，而產(chǎn)生了起動(dòng)流速不同。目前的臨界起動(dòng)公式還不能概括上述現(xiàn)象。在水庫回水變動(dòng)區(qū)往往由于沖淤交替進(jìn)行而產(chǎn)生粗化程度經(jīng)常變化。同樣，不同的河流，由于來水來沙條件各異，床沙的位置特性也不盡相同。因此，粗化過程的床沙特性如何影響非均勻沙起動(dòng)臨界流速條件應(yīng)考慮。圖1床沙暴露度示意圖Sketchofthebedmaterialexposure3考慮床沙粗化及隱暴作用的起動(dòng)流速通過水槽實(shí)驗(yàn)和野外實(shí)測(cè)3，獲得非均勻沙部分可動(dòng)和全部可動(dòng)條件下的暴露度和粒徑關(guān)系的資料。根據(jù)對(duì)這些資料的分析，床沙暴露度的定義如圖1所示。全部可動(dòng)時(shí)iA(dA-di)(1)其中部分可動(dòng)時(shí)(2)d*cHJ/0.024(s-)式中i是粒徑為di的顆粒的暴露高度；Pi為i粒徑組所占床沙百分比；N、M分別為全部床沙的分級(jí)數(shù)和did*c的分級(jí)數(shù)；dA為床沙代表粒徑；d*c為床沙置調(diào)整的最大可動(dòng)粒徑；A為床沙位置特征參數(shù)。A值越大，粗化程度越強(qiáng)，細(xì)顆粒泥沙受到的蔭蔽作用也越強(qiáng)。A是表征床沙位置關(guān)系和粗化狀態(tài)的重要特征參數(shù)。非均勻沙的起動(dòng)流速，可在均勻沙起動(dòng)流速的基礎(chǔ)上，引入粗細(xì)顆粒間相互影響的參數(shù)后獲得。對(duì)于均勻沙粗細(xì)顆粒的起動(dòng)流速，分別有大量公式。華國祥1于1965年提出了一種均勻沙起動(dòng)流速計(jì)算方法。通過受力分析并采用指數(shù)流速公式，可得(3)對(duì)于粗顆粒泥沙，f、Cd和CL近似為常系數(shù)，因而有(4)對(duì)于極細(xì)顆粒泥沙，華國祥的研究表明(5)由此可得代入式(5)，有(6)以上粗顆粒和細(xì)顆粒的起動(dòng)流速表達(dá)式可統(tǒng)一表達(dá)為(7)式中K1和K2為待定系數(shù)。若由實(shí)際資料適線，得K11.15，K210，則(8)圖2點(diǎn)繪了公式(8)和實(shí)驗(yàn)資料的對(duì)比，說明起動(dòng)流速公式(8)是可行的。和均勻沙相比較，細(xì)顆粒(didA)位于平均床面之下i，要達(dá)到和均勻沙時(shí)同樣的起動(dòng)，則di(didA)，位于平均床面以上i，要達(dá)到均勻沙時(shí)同樣的起動(dòng)，則di粒徑的顆粒需要減小至di-A(di-dA)di+A(dA-di)，才能使其頂部位于平均床面上，和均勻沙時(shí)有同樣的臨界起動(dòng)條件。而對(duì)于did*c的顆粒的等效粒徑，d*idiA(dA-d*c)。綜上所述，非均勻沙等效粒徑可表達(dá)為圖2式(8)與實(shí)驗(yàn)資料的對(duì)比Comparisonbetweenformula(8)andexperimentdata(10)將等效粒徑d*i代入均勻沙起動(dòng)流速公式(8)，有(11)Checkoftheequivalentdiameter式(11)就是考慮粗細(xì)顆粒間隱暴作用的非均勻沙分組起動(dòng)流速公式。圖3為公式(10)和實(shí)測(cè)資料的對(duì)比。由圖可知，計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值吻合良好。結(jié)論本文論述了處理沖淤變化情況下的粗細(xì)泥沙起動(dòng)特性，表明泥沙起動(dòng)不僅與水流強(qiáng)度、泥沙粒徑大小有關(guān)，還與床沙粗化細(xì)化程度有關(guān)。在引入非均勻沙暴露高度和泥沙粒徑的關(guān)系和等效粒徑后，導(dǎo)出了寬級(jí)配非均勻沙分級(jí)起動(dòng)流速的計(jì)算公式圖3等效粒徑驗(yàn)證圖與實(shí)驗(yàn)資料檢驗(yàn)符合良好。參考文獻(xiàn)1華國祥。泥沙的起動(dòng)流速。成都工學(xué)院學(xué)報(bào),1965(1).1-12頁。2韓其為,何明民。泥沙起動(dòng)規(guī)律及起動(dòng)流速?？茖W(xué)出版社,1999年。3劉興年,陳遠(yuǎn)信。卵石河道寬級(jí)配推移質(zhì)輸移特性研究。第二屆全國泥沙基本理論學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集,中國建材工業(yè)出版社,1995年。4Yang,C.T.,SedimentTransport:Theoryandp