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1、第42卷第13期人民長江Vo1．42，No．132011年7月YangtzeRiverJuly，2011文章編號：1001—4179(2011)l3—0072一O4寬級配非均勻沙運(yùn)動特性研究王思瑩，段文剛，李利(長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，湖北武漢430010)摘要：為了探索泥沙在水力作用下的運(yùn)動規(guī)律，通過水槽試驗(yàn)，對均勻沙、連續(xù)和不連續(xù)寬級配非均勻沙的沙床發(fā)生起動和沖刷的運(yùn)動特性進(jìn)行了觀察和對比分析。將均勻沙的沙莫夫公式加以推廣，表征了非均勻沙各級運(yùn)動對應(yīng)的臨界流速與水深及各材料參數(shù)的關(guān)系，擬合得到了不同種類的沙床發(fā)生各級運(yùn)動對應(yīng)的臨界流速系數(shù)。計(jì)
2、算結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象的對比分析表明，與均勻沙相比，連續(xù)寬級配非均勻沙一旦發(fā)生起動，其顆粒運(yùn)動更容易加劇形成沖刷；而缺粒徑段的不連續(xù)寬級配非均勻沙，由于大顆粒的蔭蔽阻擋作用，沖刷較難形成。關(guān)鍵詞：泥沙運(yùn)動；非均勻；寬級配；臨界流速中圖法分類號：TV142文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A天然河道中水流對河床的沖刷，暴雨形成的泥石動公式。唐造造和方鐸指出非均勻泥沙的起動應(yīng)流的運(yùn)動，邊坡垮塌形成的堰塞湖的疏通等問題，都涉該同時考慮蔭蔽作用和脈動作用力的影響。買巨及到泥沙的運(yùn)動。當(dāng)前科研界對均勻沙運(yùn)動的研究已豁和王李平則在理論分析及前人試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，經(jīng)取得一定進(jìn)展。但由于山
3、區(qū)河流的床沙級配較從非均勻沙的起動條件及機(jī)理、挾沙率計(jì)算方法、懸移寬，組成成分復(fù)雜，粒徑分布不連續(xù)等原因，致使山區(qū)質(zhì)不平衡輸沙等方面分析了非均勻沙的運(yùn)動特性。河床沖刷和堰塞湖的疏通等問題涉及的泥沙運(yùn)動與均HaitaoXuetal從非均勻沙床受到的拖曳力和推舉力勻沙存在很大區(qū)別。所以，針對連續(xù)和不連續(xù)寬級配出發(fā)，建立了起動流速公式，并得出與相同大小的均勻非均勻沙的運(yùn)動特殊性，加強(qiáng)對其運(yùn)動規(guī)律和起動流沙相比，非均勻沙中的細(xì)顆粒更難起動，粗顆粒更容易速的研究，對自然河道的治理、山洪災(zāi)害的防治等都有起動的結(jié)論”?。相當(dāng)?shù)膬r(jià)值。總體來說，現(xiàn)階段已有的工作都
4、是從不同的受力現(xiàn)階段對非均勻泥沙的研究工作主要集中在對其或者力矩平衡模式出發(fā)，考慮不同因素對起動流速的起動流速和起動機(jī)理的研究等方面。陳嬡兒和謝鑒衡影響，針對非均勻沙的起動流速進(jìn)行了測量和計(jì)算，對從近底水流結(jié)構(gòu)及床面圓球繞流試驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，闡明非均勻沙的起動機(jī)理進(jìn)行了探討。但由于非均勻沙運(yùn)了非均勻沙起動機(jī)理的復(fù)雜性，建立了能反映非均勻動存在較大隨機(jī)性，泥沙的級配組成對其起動判別標(biāo)沙床暴露作用及蔭蔽作用的起動流速簡化計(jì)算公式，準(zhǔn)有較大影響，準(zhǔn)確的實(shí)測資料不易取得，現(xiàn)階段對非并通過試驗(yàn)和野外觀測資料確定了計(jì)算公式的系均勻泥沙起動的研究工作還沒有完滿一致
5、的結(jié)果，還數(shù)。韓其為和何明民通過引進(jìn)非均勻床沙綜合起需要科研工作者們的進(jìn)一步努力。另外，現(xiàn)實(shí)生活中動流速的概念，結(jié)合推移質(zhì)低輸沙率規(guī)律，給出了綜合的河床沖刷等問題不僅與泥沙的起動流速有關(guān)，還與流速的計(jì)算公式o。何文杜等則采用滾動起動模式，泥沙在不同水流運(yùn)動以及運(yùn)動的發(fā)展變化趨勢直接相引入附加質(zhì)量力和相對暴露度參數(shù)，推出了相應(yīng)的起關(guān)。為了研究非均勻沙在不同水流條件下的運(yùn)動特收稿13期：2011—04—18基金項(xiàng)目：“十一五”國家科技支撐計(jì)劃課題(2008DAB29B02，2009BAK56B03)作者簡介：王思瑩，女，工程師，主要從事樞紐與電站水力
6、學(xué)研究工作。E—mail：thing@ustc．edu第13期王思瑩，等：寬級配非均勻沙運(yùn)動特性研究73性，本文通過水槽試驗(yàn)，對4種不同級配組成的非均勻表1中非均勻沙的不均勻系數(shù)C和曲率系數(shù)C沙進(jìn)行了觀測，并基于均勻沙起動流速的沙莫夫公式的定義分別為：對非均勻沙發(fā)生各種運(yùn)動對應(yīng)的臨界流速進(jìn)行了表征，給出了臨界流速系數(shù)。通過與均勻沙的臨界流速象，c=系數(shù)對比，結(jié)合試驗(yàn)觀察結(jié)果，對連續(xù)和不連續(xù)寬級配從以上圖表中可以看出，3—6號配料的不均勻系非均勻沙的運(yùn)動特性進(jìn)行了分析研究。與前人關(guān)注點(diǎn)數(shù)都大于5，屬于非均勻沙。其中3號和4號的曲率不同的是，除了運(yùn)動
7、特性和起動流速系數(shù)的比較外，還系數(shù)大于1，為級配良好的非均勻沙。5號和6號缺失著重分析了不同級配的沙床發(fā)生運(yùn)動后發(fā)展趨勢的區(qū)某些粒徑段，材料的曲率系數(shù)小于1，為不連續(xù)寬級配別。非均勻沙。1試驗(yàn)布置和配料選擇試驗(yàn)在矩形平坡水槽中進(jìn)行。水槽長約15m，寬為0．5m，可達(dá)到的最大水深為0．6m。泥沙運(yùn)動的試驗(yàn)設(shè)置如圖1所示。沙床試驗(yàn)段鋪沙長度為1．8m，厚度0．1m。水位h由上下游水位測針測量的平均值確定，斷面平均流速采用流速儀測量。圖3非均勻沙配料的粒徑分布曲線試驗(yàn)中分別將1～6號配料作為床沙，比較了不同流量(40，65，80，100，120L／s)
8、和不同水深(10c瑚
