再论泥沙起动流速

本文是作者４０年来研究泥沙起动公式的小结。文中对颗粒间的粘结力，水的下压力和阻力等有关参数进行了修改。通过瞬时作用流速，明确了三种起动状态间的关系，消除了起动切应力和起动流速间的不协调。对导得的起动切应力公式和起动流速公式进行了较为全面的验证，说明公式较好地反映了粗，细颗粒泥沙和轻质沙的起动规律，为研究工程泥沙问题提供了实用公式。     

泥沙起动流速研究

从泥沙起动的特点出发，将瞬时作用流速、起动标准、泥沙颗粒在床面的相对暴露度及附加质量力等影响因素同时引入到推移质泥沙起动中，使分析泥沙起动时考虑的因素更加全面。采用经典力学与统计理论相结合的方法，得到了泥沙起动无量刚切应力公式。并对公式中的系数进行了数值计算。结果表明，该系数并非为一个常数，而是在一定的范围内，且随床面上颗粒的相对暴露度而变。同时，还得到了概括散粒体和粘性细颗粒泥沙的统一的均匀沙起动流速公式的上、下限。说明其系数也是在一个区间取值。 关键词：泥沙；临界切应力；起动流速     

淤泥的起动公式

根据粘性细泥沙絮凝的电化学理论，导出颗粒之间粘着力的表达式，建立了包括粗，细泥沙在内的统一的临界起动切应力和临界起动流速公式。该式与已有的公式和实测资料进行了比较，符合良好，能较好地描述淤泥不同沉积密度时起动条件的变化。应用建议的起动公式，只需用常规试验测定几项基本参数，便可预报在不同沉积密度时的临界起动切应力或临界起动流速。     

斜坡泥沙的起动概率及起动切应力

在概率论与数理统计知识的基础上,引入附加质量力,采用滑动起动模型得到了正负坡上泥沙起动概率的计算公式,并将起动概率引入到泥沙起动的研究中,进而推导出了起动标准为中动时的无量纲起动切应力公式。实测资料验证表明,该公式计算结果与实测值符合较好,计算精度较高,能够应用于天然河流斜坡泥沙起动流速及切应力的计算。     

泥沙颗粒相对隐蔽度在散体沙起动研究中的应用

运用泥沙隐蔽度的研究成果,结合泥沙起动的滚动模型,导出了以隐蔽度为参数的泥沙近底作用起动流速公式。通过对该式分别进行的极限分析和单调性分析,论述了散体沙起动的几个物理现象,论证了宽级配非均匀沙的起动特性。经过对泥沙颗粒隐蔽度分布特性及泥沙起动标准的分析,建立了泥沙颗粒隐蔽度与无因次起动切应力之间的数值关系。最后借鉴前人的研究成果,验证了本文公式的适用性。     

弯道岸坡上粗细泥沙统一起动流速公式

该文基于概率论与泥沙起动基本理论,考虑了起动概率、相对暴露度与细颗粒泥沙间黏结力和附加下压力对泥沙起动的影响,采用滑动起动模型,从理论上推导出了适用于弯道岸坡上粗、细泥沙颗粒起动的统一流速公式,完善了已有研究成果对泥沙起动概率考虑的不足。公式综合了弯道岸坡、顺直岸坡、正负坡及平坡等条件下粗细泥沙颗粒起动流速计算,可简化为各简单条件下泥沙起动流速公式。通过各简单条件下泥沙起动流速实测资料验证,该文公式与实测数据符合良好。     

泥沙起动标准和起动参数的关系研究

采用滚动起动模式,基于颗粒位置随机性和水流脉动特性,提出全概率泥沙起动的计算方法,推导出一个基于全概率理论的起动流速公式。实测资料验证表明,公式的适用性较好。在此基础上,建立了同一起动状态下,起动颗粒数、起动流速、起动切应力、输沙率与起动概率等起动参数之间的对应关系。     

基于三维泥沙颗粒相对隐蔽度的岸坡上散体均匀沙起动条件初步探讨

人们往往利用滑动起动模型来解决岸坡上的泥沙起动问题,而采用滚动模型来研究泥沙起动的成果却不多见,主要原因是坡面上泥沙颗粒的转动支点难以确立.为此,本文提出了对“虚拟力矩”的设想,运用三维泥沙颗粒相对隐蔽度的研究成果,建立了岸坡上散体均匀沙的滚动模型,推求了对应的近底作用起动流速公式.最后建立了无因次起动切应力与三维泥沙颗粒相对隐蔽度在不同起动标准下对应的数值关系,并进行了讨论.     

正负坡上均匀散粒体泥沙起动流速的研究

基于泥沙颗粒间相对暴露度及起动概率对泥沙起动的影响,引入附加质量力,采用泥沙滑动起动模型,推导出适用于正负坡条件下不同起动概率的泥沙起动底流速公式和垂线平均流速公式。在此基础上,引入泥沙颗粒形状修正系数。经实测资料验证,修正后的泥沙起动流速公式计算结果与实测资料吻合良好,不仅适用于均匀泥沙起动,还可以适用于非均匀泥沙起动。与已有的起动流速公式相比,本文公式形式简单,计算精度较高,可以应用于天然河流条件下非均匀泥沙起动流速计算。     

泥沙起动过程中床面切应力与含沙量关系的试验研究

以长江口细颗粒泥沙为样本进行环形水槽起动试验,给出了三组不同中值粒径泥沙的起动流速和临界起动应力,同时用湍动能法(TKE)估算不同含沙量水体的床面切应力,给出了泥沙起动过程中床面切应力与含沙量之间的关系。床面切应力随着含沙量的增加而增加,当含沙量达到某一浓度后,床面切应力增长缓慢,随着含沙量的再增加,床面切应力再次迅速增高,而不同中值粒径的泥沙,增长速度并不一致,说明泥沙对床面切应力的影响并不仅仅表现在含沙量上,粒径大小也是影响床面切应力的重要因子之一。     

细颗粒原状土起动流速试验研究

为了得到更为客观科学的泥沙基本活动规律,利用有压矩形管进行了细颗粒泥沙起动试验。试验结果表明,管内水压力对细颗粒泥沙的起动有重要影响,水压力越大,管中泥沙起动断面平均流速和起动切应力越大。根据有压矩形管的水流分布特性和水压特点,将矩形管中水流转换为普通明渠水流,转换得到的明渠中泥沙起动垂线平均流速与试验矩形管中泥沙起动断面平均流速基本相同,验证了利用有压矩形管进行细颗粒泥沙起动流速试验的可行性和代表性。在试验矩形管与实际明渠的泥沙起动流速转换过程中,并未考虑不同水柱高度下曼宁糙率系数的变化,这方面还有待进一步研究。     

徐闻电厂附近泥沙起动流速实验研究

通过对徐闻电厂附近现场沙样淤积后进行泥沙起动流速实验,研究起动流速与淤积历时、水深之间的关系,指出泥沙起动流速随着淤积历时、水深的增大而增大;并用3种常用公式进行了对比分析,最后由实验数据提出现场泥沙起动流速的经验公式。     

泥沙起动流速的统一公式

在分析前人泥沙起动流速公式的基础上,通过理论探讨给出了泥沙颗粒间黏结力与水深引起的附加下压力的表达形式,在进行底部和平均流速换算时引入了张红武基于掺长模型与涡团模式建立的流速分布公式,遂基于黏结力与水深引起的下压力对泥沙起动具有同等重要的影响,以及天然河流泥沙运动的特征值,确定了公式的待定系数。从理论上建立的泥沙起动流速统一公式,不仅可概括粗细沙,而且能反映河床摩阻、含沙量及水温对泥沙起动的影响,并可适用于轻质沙。     

人工填筑黏性土起动冲刷特性试验

为了研究人工填筑黏性土起动和冲刷特性,采用资料分析和试验相结合的方法,研究人工填筑黏性土的起动冲刷特性。根据试验资料,结合力学特性确定影响人工填筑黏性土起动冲刷的主要因素;根据试验结果分析人工填筑黏性土起动切应力、冲刷率分别与各自的影响因素之间的对应关系,提出了量纲和谐的起动切应力和冲刷率的公式,运用多元线性回归方法确定了公式中的系数和指数,并分析比较了人工填筑黏性土和黏性泥沙起动和冲刷特性。结果表明:人工填筑黏性土的黏结力比自然淤积固结的黏性泥沙大得多,较难起动和冲刷,需要较大的水流切应力;干密度对自然淤积黏性泥沙冲刷率影响比对人工填筑黏性土要大。     

河湾岸坡泥沙起动流速研究

通过对河湾岸坡上泥沙颗粒的受力分析,建立了相关的泥沙起动模式,从理论上推导出了对应的起动流速公式。与顺直河床的泥沙起动公式的比较表明,沙莫夫公式只是本文公式的特例。在概化的河湾岸坡水力学模型上,系统研究了不同弯道半径、水深、流量及岸坡坡度情况下泥沙的起动流速。通过验证比较表明,用本文所给公式计算的河湾岸坡泥沙起动流速与试验实测资料和前人的研究成果基本一致。     

甬江河口细颗粒泥沙起动流速研究

通过收集的甬江河口洪枯季细颗粒泥沙运动实测资料,基于垂线平均含沙量突变处对应的垂线平均流速作为该时刻泥沙起动流速的概念,统计获得不同水沙条件下的细颗粒泥沙起动流速数据;比较经典细颗粒泥沙起动流速公式对甬江河口泥沙的适用性,发现张瑞瑾、沙玉清、窦国仁经典公式的计算结果偏大,唐存本、张红武公式的计算结果偏小,窦国仁公式的计算精度最高。通过分析各公式出现误差的原因,引入泥沙水下容重对黏结力影响的修正项,对窦国仁公式进行修正,收集与甬江河口泥沙粒径范围接近的系列水深变化范围内包括粉沙质和淤泥质的细颗粒泥沙起动流速资料对修正公式进行验证,最终拟合得到可适用于大、小水深下的黏性细颗粒泥沙起动流速公式。     

沙波迎流面泥沙起动流速研究

利用概化沙波模型,研究了不同坡度、粒径及位置情况下的泥沙起动流速,根据实测数据指出沙波泥沙起动流速特征,并分析比较了与平坡起动的差别。通过对泥沙颗粒的受力分析,提出水流冲击力,并利用沙波垂线流速分布公式进行流速换算,建立了沙波泥沙起动流速计算公式。结果表明:在相同水流条件下,因沙波地形影响,迎流面泥沙起动流速值小于平坡;沙波不同位置处的泥沙起动流速非定值,随着水平位置而变化;坡度和粒径对再附点附近泥沙起动流速影响较小。通过验证比较表明,公式计算结果与实测资料基本一致,适用于描述沙波迎流面泥沙起动规律,可反映出沙波坡度和水平位置的影响。     

水压力对细颗粒泥沙起动流速影响的试验研究

本文对现有起动流速公式的结构进行了分析,指出水深是通过水压力来影响起动流速的。作者在一个水压力可以调节的专用设备上用三种泥沙进行了试验.结果表明:对较粗的散粒体泥沙,水压力对起动流速没有影响。因此现有的公式需要修正.对粘性细颗粒泥沙,随着水压力的增大,起动流速明显增大.起动流速增大的程度介于现有二个公式计算值之间.具体规律有待进一步研究.     

模型沙起动流速公式的研究

对现有泥沙起动公式的分析表明细颗粒泥沙起动流速大于试验值,本文利用大量的模型沙起动流速试验资料,对不同材质、粒径的各种模型沙,建立了起动流速的通用计算公式,该式与试验资料吻合良好。通过研究模型沙的起动状态与起动流速的变化规律,指出模型沙个别起动、少量动、普遍动对应的起动流速间具有线性关系,进而给出了模型沙不同状态的起动流速计算公式。     

不同底坡的均匀沙起动条件

在讨论了床面均匀沙颗粒起动标准、起动概率及隐暴度的基础上，采用泥沙滚动平衡模式推导了不同底坡的均匀沙起动条件，并给出了起动切应力计算式中参数的取值。经验证，由起动切应力转化为起动流速的计算结果与试验实测值较为吻合。