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1、Vol. 13 No. 3Sep. 196长江科学院阮报Journal of Yangtze River Scientific Research Institute非均匀沙起动机理及起动流速韩其为”明民一时/纹中国水制天画标痴F尧院,d匕克100044)摘 要首先指出所谓宽级配泥沙包括卵石等的起动流速必须按非均匀沙来研究。进而阐述了非均匀沙推移质 低输沙率规律,导出了其理论表达式，并进行了数值计算=根据这个低输沙率关系，只需要选定起动标准就能确 定起动流速，接着引进了非均匀床沙综合起动流速概念，给出了综合起动流速公式.并以实例说明其合理性。最 后讨论了非均匀沙处于起动状态时的分选情况。关键词呢
2、王均匀堆超动述速数值计算推移质0引言有的床沙非均匀程度很高.粒径范围广，常达 两个数量级.特别是卵石挟沙河床尤其如此。此时 的起动现象与均匀沙有很大差异，在研究起动流速 时也不能简单的用平均粒径万和中数粒径D”来代对宽级配泥沙，如何研究其起动流速，有- 个 认识过程。早期大都采用代表粒径，如平均粒径Z5 和中数粒役儿，来研究床沙整体起动情况。这种方 法仅能在-定条件下对整体起动近似反映.从确切 反映非均匀沙起动情况看，既要研究各组泥沙的不 同起动流速.即分组起动流速；同时也应研究表达 总体情况的综合起动流速。在分组起动流速研究方 面已有一些成果但是内在机理般阐述不 够，缺乏较好的理论基础，实用
3、上可靠性较逊。较 例外的是文献4通过水槽试验，对非均匀沙的复 杂性及起动机理做了较深入的分析.并给出了相应 的成果但是所有这些研究都没有和分组输沙率联 系起来，同时也没有确切的起动标准，此外有的甚 至得到了粗细颗粒同时起动的结论，而在非均匀沙 综合起动流速方面，除了早期的代表粒径法和本文 作者原来提出的综合起动流速概念区外，儿乎没有 丈献深入论及，似乎代表粒径已经能充分反映。其 实不然，首先单纯的分组起动流速无法反映整体情 况，为此必须引进综合起动流速的概念。其次在一播沙率.般条件卜从什么角度、如何引进是需要根据的， 如根据起动标准和当量输沙率等，而不能直观的设 想和推论G从上述认识出发，我们
4、专门对非均匀沙起动流 速作了深入研究，得到了不少成果。本文首先阐述 推移质非均匀沙低输沙率规律，介绍了其理论公 式.通过暴露度及床沙相对粒径考虑各组粒径分 组输沙率的差异。在此基础匕根据我们提出的非均.匀沙起动标准E,即可确定分组起动流速。接着论 述了综合起动流速概念.给出了相应的计算公式及 汁算方法，利用它以及和均匀沙相同的标准，便能 确定综合起动流速。最后分析了推移质级配与床沙 级配的差异，指出了沙质河床与卵石河床在起动状 态时推移质分选的作用。至于非均匀沙分组起动流 速结含卵石情况的专门研究，已在另文阐述。1推移质非均匀沙输沙率对于非均匀沙中第I组泥沙推移质单宽输沙 率,有式中：9措为非
5、均匀沙中第组粒径的分组输沙率； 尸顷为床沙组配；g=0.4为静密系数-L为泥沙颗 粒质量密度，C为第，组泥沙粒径Mm为起动概收稿日期、199601-15国家自帔科学基金委员会和中国R江三峡开发总公司联合资助的自然科学基金重大工程。率；，顼为泥沙起动后单步滚动距离；板，为颗粒与床 面接触的时间.对滚动颗粒即为单步滚动时间:为颗粒运动速度,总输沙率为is = Wq$j 板$ S P亍 对非均匀沙第/组泥沙的起动概率为1(3)_）+ 土* + Z2A 一 传110： 当底部纵向水流速度方差仃取为。37币时.注意至I （8）.（9）式.那么（7）式为L = 2.7（程亍一1）(11其中=3 (Q lV
6、27T身 一 (j)dF0)=巳皆 Q万E)至于分布函数FA）对于粗细不同的泥沙有不同区 分布茂。当公竺 = 7.46刀时，称以为粗颗粒“ 此处A = 0134。对于这种情况.其分布函数为为高斯积分。U 广.a（4）式中的乙为时均底部水流速度 Qo)=F（A）=g *)DD时,称D为中等颗粒, 它的分布密度为(8)以K AM强)(13：（A为其余的值）当D】D时.称以为细颗粒它的分布密度为4 y、一 y3G -y-gQ =其中匚、工=。4为正面推力系数：g为重力加速度3 y 为水的密度。至于&为， 组粒径泥沙在床面的相对 位置：刃即它的绝对位置 A（附图）.对其半径R的 比值。显然A的大小反映
7、 出其在床面掩藏的深度， 即液动的难易程度。A 般称为泥沙在床面的暴露 度，而它实际是表示在床 面的掩藏程度。它是一个7.64万的粗颗粒的影响,取瞬时滚动速度= vb显然决定于两个随机变量，即水流瞬时底速K 及泥沙在床面的位置现在考虑的条件 期望S3 =入K.wIK 心=洛以卬扁勺=咯-叽）=* 一时2.7畦）昔-1(17)对于DQ的细颗粒其中心）=焉 而g的无条件期望为(20)(21)扁-如 dF0)(22)+ Lim,E其中皿一叽(23)弋苛手（22）式还可化简-并写成互1+芸仔-虹27平（I、苛1於= S48在危0）(18)一 Ji*一 皿4）=宫是,普（24）现在求运动速度的数学期望，
8、我们忽略加速度将（4）、（24）式代入（1）式并改写成相对输沙率,10. 0000.2500. 5001.0001. 5003.0005 0007. 46。0. 1740, 69768E-16 0. 16315E-150. 44101E-15 0. 88283E-150. 28791E-14O 95668E-14 0. 78654E-130.61118E-110. 2310, 10653E-O9 0. 24308E-09 0. 63142E-09 0. 12008E-08 0. 37667E-08 0. 12165E-07 0. 50995E-070. 45642E-060, 2880.641
9、09E-07 0. U489E-06 0. 37026E-O6 0.67882E-06 0, 20601E-05 0. 60059E-05 0. 16080E-040. 60020E-040. 346D. 205O7E-O5 0. 46276E-05 0. 11820E-04 0. 21493E-04 0. 66626E-04 0. 1678OE- 03 0. 33076E-03(). 768U2E-O30.4040. 17152E-04 0. 38836E-04 0.99381E-O4 0. 18305E-03 0. 55189E-O3 0.11613E-020. 18840E-020. 3
10、3589E-D20 4330.37570E-04Q，85142E-04 0.21864E-03 0. 40766E-03 0. 11771E-020. 228 39E-02 0-34562E-O20 56387E-020. 5190. 19615E-03 0. 456 O2E-O3 0 12274E-02 0. 22926E-02 0.55983E-020. 897 30E-02 0. 11815E-010. 16268E-010. 5500. 31691E-03 0.731 96E-030. 19662E-02 0. 36322E-O2O. 83137E-O2O. 126 50E-01 0.
11、 16107E-D10. 21315E-01Q. 63132E-030. 141 62E-O2 0. 37458E-02 0.67427E-02 0. 13964E-01 0. 198 37E-01 0. 24209E-010. 30493E-010. 8000. 56529E-O2 0. 947 27E-02 0- 20421E-01 0.31556E-01 0. 48770E-01 0. 592 Q6E-01 0- 660 06E-010- 74949E-O1注：表中数字 0, 6?4 27E-O2 = 0.674 27 102.余类推。15U.（27（3C（3S那么I q， 2 尸（25
12、） 取爵为参数计算了函数战忠,冒）如表1所示. 从表中看出：（1）随着水流底速旦加大，输沙率增%加很快并且单愈小，输沙率增加速度愈大。对于 DiV.万=1，当=0, 174 增加至 1.000 时.i = K （r中的指数&从56、4减至3.9并旦开始减少 很快，后来逐渐减缓直至接近于大量推移时的方 次侦= 4）, （2）随着言加大，颗粒在床面的暴露度 减小，七小增加。对于一般泥沙起动范围，兰= 勿心UD0.288至W=0.55,那么= 中的大约 3心L）为L 5左右。（3）表中随;及W的变化符合推移 3福1 D质低输沙率的一般规律.也与一些研究者的结 果w.m在定性上完全致。关于表1中夸=i
13、为 均匀沙的情况.5 =风（站）已在文献中用一部W 01分实际资料进行了论证,说明尽管此时输沙率脉动 强烈，加之量少测量困难，但仍存在明显的规律， 并且与我们的理论公式一致。至于非均匀沙输沙 率目前还缺乏一定数量的可靠资料，难以深入验 证。但是我们曾对非均匀卵石起动时的有关特性专 门进行了试验研究申了较全面的资料并对本 文所述非均匀沙起动有关参数进行了检验.包括起 动时的输沙率，从而证实了我们提出的起动时理模 式正确囱，2非均匀沙综合起动流速我们曾提出非均匀沙起动标准为= U七 从而据（25）式，时均起动流速团心由vh * z A柘=E（万人Q（26）确定。考虑到正*、7与以垂线平均流速表示的起动方 速叽M的关系，那么上式为Kj = 0
