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第 23 卷 第 6 期 水 利 水 电 科 技 进 展 2003 年 l2 月 非均匀沙分级起动切应力探讨 解 刚 ， 刘 兴年 ( 四川 大学 高速 水力 学 国家重点 实 验室 ， 四川 成 都610065 ) 摘 要 ： 在 考 虑 水流 条 件 、 床 沙组 成 的基 础 上 ， 通 过 对 泥 沙颗 粒 受 力 分 析 ， 建 立 了滚 动 平 衡 方 程 式 ， 得 出 非 均 匀沙分级 起 动 切应 力公 式 ． 在 建 立公 式 的过程 中考虑 了床 沙非 均 匀性 对起 动 的 影 响 ， 定 义 了附加 作 用 力 G ， 并将 其 引入 公 式 中 ． 通过 实验 数 据 的验 证表 明公 式 的计 算结 果 与 实验数 据 符合 良好 ． 关 键 词 ： 非 均 匀 沙 ； 起 动 切 应 力 ； 起 动 条 件 ； 泥 沙 中 图分 类 号 ： TV I42 文 献标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1006 — 7647 (2003 )06 — 0001— 03 在 水 流 的作 用 下 ， 泥 沙 开 始 从 静 止 状 态 进 入 运 动 的初 始 状 态 是 一 个 十 分 重 要 的 临 界 条 件 ， 称 之 为 起 动 条 件 ． 起 动 条 件 是 河 流 运 动 力 学 和 泥 沙 工 程 学 领域 的一 个 极 其 重 要 的 基 本 问题 ． 泥 沙 起 动 是 对 泥 沙输 移 、 河 道 演 变 与整 治 、 水 库 上 下 游 河 床 的堆 积 和 冲刷 、 河 岸 稳 定 、 河 床 粗 细 化 、 数 学 模 型 基 本 方 程 等 许多泥 沙研 究理论 和工程泥沙实际问题进行研究的 基 础 ． 因此 ， 泥 沙起 动 在 理 论 和 实 际 中有 着 十 分 重 要 的 意义 ． 但 由于 水 流条 件 和 床 沙 条 件 的 复 杂性 ， 泥 沙 起动也是泥沙理论研究 的一个难点 ． 1泥 沙起 动 研 究现 状 起动条件的判 别方法有三种 ， 即起 动切应力 、 起 动流速 和起 动功率 ， 三者是统一 的可 以相互转化 ． 起 动功率是一个较新 的概 念 ， 这方 面 的研 究 还不够 深 入 ， 实 际应 用 也 不 多 ． 目前 研 究 泥 沙 起 动 主要 考 虑 两 方面 的因素 ： 一方面是泥沙颗粒 的受力情况 ； 另一方 面是 泥 沙 颗 粒 处 于 床 面位 置 的 随机 性 和作 用 在 颗粒 上水流底速 的随机性 ． 基 于 以上两方面因素 ， 研究者 有的只从力学角度研 究 泥沙起 动 ， 有 的则将 这两方 面都加 以考虑 ． 由于非 均匀 沙的复杂性 ， 颗粒大小不 而且 相互影响 ， 许多研 究者 认 为非均 匀沙 颗粒 还 受 到 粗 细 颗 粒 间 的 隐 暴 作 用 ． 其 实 早 在 20 世 纪 50 年代 ， 爱 因斯坦就在 他 的推移 质输 沙率公 式 中首先 引入 隐暴 系数 来反 映 由 于粗 细颗粒 的影 响 细颗 粒所 受上举 力 的减少 ? ． 秦荣昱 等[2]认 为非均匀 沙 颗 粒 还 将 受 到一 个 附 加 作 用 力 R ， 并 假 定 与 床 面 的 平 均 抗 剪 力 成正 比 ． 方 红 卫 [3 2 提 出 了 包 含 暴 露度 一的 作 用 力 臂 形 式 ． 李 荣 _4J 认 为 非 均 匀 沙 的 附 加 作 用 力应 是 暴 露度 、 床 沙 组 成 沙粗细化因子( 紧密 系数 m) 等 的函数 ． 对 于暴 露度 ， 国 内外 有 很 多 提 法 ． 伊 格 扎 洛 夫认 为暴 露度 系数 因 床 沙 全 动 和 非 全 动 而 易 ． 国 外 具 有 代表性 的还有 Garde， Shen 和 Paintal 等 的研 究 ． 国内 的学者 中 ， 韩其为 等Is]认 为绝对 暴露度 是 上游颗粒 的最 低点 到 下游 相邻 颗 粒 的接触 点 之 间 的竖 直距 离 ， 而 相 对 暴 露度 则 取 绝 对 暴 露 度 对 下 游 颗 粒 粒 径 的 比值 ． 刘 兴 年 等 _6J 根 据 水 槽 实 验 和 野 外 实 测 资 料 提 出 了暴 露 度 和 各 级 粒 径 等 效 粒 径 ， 暴 露 高度 取 颗 粒顶点到平均床 面 的垂直距 离 ． 何文 社等L7 J认 为绝 对 暴 露度 应 为上 游 颗粒 的最 低 点 到下 游 相 邻 颗粒 的 最 高 点 的竖 直 距 离 ， 相 对 暴 露 度 则 取 绝 对 暴 露 度 对 下游 颗粒 粒 径 的 比值 ． 但 由于 暴 露 度 难 以测 量 ， 现 在 的很 多 公 式 所 引 用 的隐 暴 系 数 大 多 是 采 用 实 验 和 实 测 所 得 的起 动 切 应 力 或 起 动 流 速 反 过 来 确 定 的 ， 因 此并未能够真正在物理意义上将其代人公式 中． ( 以 d。 0， d6 0， dlo反 映 ) 、 床 2泥沙 起 动原 理 和f-'l ~ l'l 标 准 影 响泥 沙 起 动 的 因素 很 多 ， 其 中 主 要 的是 水 流 条件和泥沙条件 ． 现在考 虑群 体泥 沙颗粒 中的一颗 泥沙的起 动受力 情况 ． 假 定泥 沙颗粒 较粗且 为 圆球 形 ， 故泥沙颗粒所受 的粘 结力 和薄膜 水 的影响很 小 可 以 忽 略不 计 ． 泥 沙 主 要 受 到 水 下 重 力 和拖 曳 力 的作 用 ． 、 上 举 力 2 ‘ Fo ： C Dd _ iO U b- ( I ) 基金项 目： 国家 自然 科学基 金资 助项 目( 50279024) 作 者简 介 ： 解 刚( 1978一 ) ， 男 ， 河北 秦皇 岛人 ， 硕 士研究 生 ， 从 事水力 学及河 流动力 学研究