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1、泥沙研究2015年l2月JournalofSedimentResearch第6期文章編號(hào)：0468-155X(2015)06-0040-06均勻泥沙相對(duì)暴露度的試驗(yàn)研究周雙，張根廣，王新雷，邢茹(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100)摘要：以楊奉廣建立的相對(duì)暴露度概念為基礎(chǔ)，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置，測(cè)量了均勻玻璃球的暴露角和河卵石的絕對(duì)暴露度，分析計(jì)算了其相對(duì)暴露度及其分布規(guī)律。結(jié)果表明，玻璃球相對(duì)暴露度取值范圍介于0～0．5之間，暴露角呈正態(tài)分布，相對(duì)暴露度呈偏正態(tài)分布；在此基礎(chǔ)上，利用實(shí)測(cè)資料對(duì)暴露角正態(tài)分布公式
2、中的系數(shù)進(jìn)行了率定，通過(guò)暴露角和相對(duì)暴露度概率密度函數(shù)轉(zhuǎn)換，給出了相對(duì)暴露度概率密度函數(shù)；河卵石相對(duì)暴露度取值范圍也介于0～0．5之間，相對(duì)暴露度呈偏正態(tài)分布，與本文公式的分布曲線不完全重合，說(shuō)明河卵石復(fù)雜外形、粒徑和形心的不同對(duì)其相對(duì)暴露度概率密度分布曲線的影響較大。關(guān)鍵詞：均勻沙；相對(duì)暴露度；偏正態(tài)分布中圖分類號(hào)：TV149．2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10．16239／j．cnki．0468一l55X．2015．06．007泥沙相對(duì)暴露度反映了泥沙在床面上的相對(duì)位置，就其分布而言，具有較大的隨機(jī)性。相對(duì)暴露度的大小，直接決定著床面上泥
3、沙顆粒所受到的作用力和起動(dòng)力矩大小，最終決定著泥沙能否起動(dòng)，因此，泥沙相對(duì)暴露度的研究在泥沙起動(dòng)研究中具有重要的意義。愛(ài)因斯坦¨在進(jìn)行非均勻沙推移質(zhì)輸沙率的研究時(shí)，提出了隱蔽度系數(shù)的概念；韓其為首次提出了泥沙顆粒相對(duì)暴露度概念，并從理論上給出了其取值范圍及分布規(guī)律；Paintal在研究均勻沙顆粒在床面上位置時(shí)，提出了新的暴露度概念。近些年來(lái)，暴露度的研究取得了一些進(jìn)展，如孟震、楊文俊對(duì)二維、三維泥沙顆粒的相對(duì)隱蔽度(與相對(duì)暴露度表達(dá)同一含義)進(jìn)行初步分析，提出了基于相對(duì)隱蔽度的寬級(jí)配非均勻沙中“大顆?！?、“中顆?！?、“小顆粒”的概念；何
4、文社、劉興年等I9在對(duì)暴露度與等效粒徑的研究基礎(chǔ)上，將其引入到不同底坡的均勻沙起動(dòng)研究中；白玉川¨首創(chuàng)了雙向暴露度的提法，同時(shí)考慮了縱向暴露度和橫向暴露度對(duì)泥沙起動(dòng)的影響；楊奉廣等¨采用程年生¨的顆粒間距分布概率密度公式，利用泥沙顆粒隱蔽度與顆粒間距之間的函數(shù)關(guān)系，推導(dǎo)出相對(duì)暴露度的概率分布公式。相對(duì)暴露度的研究主要著重于兩個(gè)方面：1)相對(duì)暴露度的取值范圍。孟震、楊文俊在韓其為1廳均勻分布的基礎(chǔ)上提出取值范圍是0．067(÷一)～0．5；楊奉廣認(rèn)為取值范圍是0～0．5；2)斗相對(duì)暴露度的分布規(guī)律。不同學(xué)者提出不同觀點(diǎn)，如均勻分布、反余弦
5、分布和偏正態(tài)分布等。孟震、楊文俊在韓其為假定的相對(duì)暴露度△符合均勻分布的基礎(chǔ)上，得到的概率密度函數(shù)為收稿日期：2014—05—04基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279170)作者簡(jiǎn)介：周雙(1989一)，男，內(nèi)蒙通遼人，博士研究生，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E—mail：839298039@qq．corn通訊作者：張根廣。E—mail：zgg64@163．com40△)=南‘÷一<÷)0(其他)式中△=，D為顆粒直徑；△為絕對(duì)暴露度，即床面上所研究顆粒的最低點(diǎn)到與下游顆粒接觸點(diǎn)之19的垂向距離。孟震、楊文俊基于暴露角0符合均
6、勻分布假定，提出相對(duì)暴露度△符合反余弦分布，得到的概率密度函數(shù)為f(a)南一)<△，<吉(2)楊奉廣等¨提出的相對(duì)暴露度△概率密度函數(shù)為f(a，)：1．928×—一×—————————丁(3)1+_=4{[△一(△)][0．4+(1一—二；)]}√1+0．4‘2,／a一(△)雖然該公式不是基于正態(tài)分布通用形式的基礎(chǔ)上得到的，但公式圖形顯示和偏正態(tài)分布類似，因此，一些學(xué)者認(rèn)為，楊奉廣等提出的相對(duì)暴露度△符合偏正態(tài)分布。鑒于目前對(duì)相對(duì)暴露度取值范圍及其分布規(guī)律存在認(rèn)識(shí)上差異，以及對(duì)暴露度的研究均建立在圓球的基礎(chǔ)上，而圓球與泥沙外形還存在較大
7、差異，為分析比較圓球與天然河卵石相對(duì)暴露度及其分布規(guī)律的差異，本文以韓其為建立的相對(duì)暴露度概念為基礎(chǔ)，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置，選取直徑20mm的玻璃球2000顆和粒徑接近20mm的天然河卵石1000顆作為試驗(yàn)材料。河卵石的選取是在標(biāo)準(zhǔn)篩徑15mm和20mm篩選基礎(chǔ)上，再通過(guò)人工挑選三軸尺寸基本接近20mm的河卵石。考慮到玻璃球直徑大小均勻一致，采用測(cè)量暴露角的方法計(jì)算其相對(duì)暴露度；天然河卵石因外形、粒徑和形心不完全一致，采用直接量測(cè)其絕對(duì)暴露度方法計(jì)算其相對(duì)暴露度。通過(guò)分析計(jì)算實(shí)測(cè)資料認(rèn)為，玻璃球相對(duì)暴露度取值范圍介于0～0．5之間，暴
8、露角符合正態(tài)分布，相對(duì)暴露度符合偏正態(tài)分布，利用實(shí)測(cè)資料對(duì)暴露角正態(tài)分布公式中的系數(shù)進(jìn)行了率定，通過(guò)暴露角和相對(duì)暴露度概率密度函數(shù)轉(zhuǎn)換，得到了相對(duì)暴露度偏正態(tài)分布概率密度函數(shù)；河卵石相對(duì)暴露度取值范圍也介于
