沙纹形态特征与水流强度的关系研究.pdf

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1、第44卷第5期人民长江V01．44．NO．52013年3月YangtzeRiverMar．，2013文章编号：1001—4179(2013)05—0061—05沙纹形态特征与水流强度的关系研究张向东，唐立模，杨军，厉凯(1．宁波市水利工程质量与安全监督站，浙江宁波315016；2．河海大学水利水电学院，江苏南京2100983．上海勘测设计研究院，上海200434)摘要：为了研究沙纹形成的本质原因，通过室内水槽实验的研究方式，重点研究了沙纹的二维几何特征形态与水流强度的关系。通过实验分析以及数值拟合，得到在一定水流和沙粒粒径的条件下，存在一个优势沙纹的分布区间，

2、且沙纹的波高、波长也与水流强度存在一定的关系。研究认为，无量纲化后的波高、波长值与水流强度Fr无直接的函数关系，而与Re。存在指数关系关键词：波高；波长；优势沙纹；水流强度中图法分类号：TV142文献标志码：A20世纪60、70年代，国外的研究者对沙波形态特用下的泥沙运动问题进行了大量的研究，但对沙征进行了大量的研究，认为，沙波的“几何形态”并不纹与单向水流强度的相关作用研究成果较少。取决于水深，而是取决于5个特征参数：即流体密度国外的研究成果中，以M．S．Yalin以及S．Colle—p、流体运动粘滞系数、剪切流速+(水流底部的剪切man等人的研究成果最具有

3、代表性。但M．S．Yalin的力r)、沙粒的粒径D以及泥沙颗粒容重。M．S．Yalin拟合公式明显偏复杂；而S．Colleman等一系列公式主等对上述的5个特征参数(p，，11，D，)进行量纲分要是研究了沙纹形态与沙粒粒径的关系。从理论上析¨“，获得两个无量纲参数：(yD。／p)、讲，沙波发展的初期(沙纹阶段)，沙纹形态出现时所尺e．(u+D／v)，并拟合出一系列公式。S．Coleman定对应的水流强度较小，泥沙运动强度并不太大，运动形义了一种在缓流条件下，沙纹和沙垄之前出现的一种式以推移质为主。这时床面形态与床面时均剪切力和床面形态即小沙纹(wavelet)

4、；他们认为床面形态(沙．紊动作用之间的综合作用，对沙纹的发展起主导作用。垄或沙纹)都是从小沙纹发展而来的。对于明渠在沙粒雷诺数Re直接反映床沙颗粒高度与水流粘性层流条件下的波长情况，s．E．Coleman等通过石英砂底层厚度的相对关系，同时对促使床沙运动的水流作和轻质沙实验，回归拟合后给出了小沙纹波长为沙粒用力与阻止床沙颗粒运动的粘滞力的比值也是一种间粒径的函数。Zhou．D等认为，小沙纹现象的形成，接衡量，因此沙粒雷诺数尺e是一个重要的决定沙纹一个可能的原因是，被间隔的初始床面在流动区域受运动的无量纲力学参数，适于代表水流流动特征。因到一个较大的能量输移，使

5、沙纹床面快速成长，并在局此，本文着重通过试验研究分析沙粒雷诺数与沙纹几部具备床面的主要特征。w．B．Rauen在渐变宽度何形态特征参数的关系。的水槽中进行了实验，通过分析认为，小沙纹的高1试验条件度符合对数正态分布，并且小沙纹的高度临界值约为7mm。近些年，国内由于港口工业的发展，对波浪作试验的量水设备采用直角三角形薄壁堰。对于流收稿日期：2012—08—30基金项目：国家自然基金资助项目(50909036)；水文水资源及水利工程科学国家重点实验室基本科研业务费自主研究项目(201158572)作者简介：张向东，男，工程师，主要从事泥沙运动力学等方面的研究工作

6、。E—mail：317990830@qq．corn附00O00第5期张向东，等：沙纹形态特征与水流强度的关系研究63加∞00．_【vⅥ∞．0●．HvW0_10vWvW0．暑躺岍．．．．．国．．．1穹。>∞n‘8VVVVVVVVV：EⅦ、nⅦⅥv，、W∞∞vW0∞9波长L／cm0．w∞∞曲且VViVWVWWw／d瓣wⅥ兰OOOOO波长cm加∞O波高H／cm(b)Fr=0．25(b)Fr=0．25：．．．．国．．．VVVVVVⅥw苎＼HⅦ、抖波长L／CI(c)Fr=O34波高H／cm__‘．．．．0VVVVVV翌雹wⅥWW9波高H／cm图5波长分布频率图4波高分布

7、频率3结果分析将频率图中该水流条件下出现频率最大的沙纹参数读出，无量纲化就得到所有水流条件下沙纹详细的3．1沙纹形态特征参数与弗汝德数数据，见表2。可定义出现频率最高沙纹为“优势沙通常可认为，水流的强度参数，即弗汝德数n反纹”。映了断面上惯性力与重力的比值，n值决定水流流本次试验条件下沙纹波高和波长频率分布图分别态，也是决定沙纹的形成、发展的重要力学参数。以下见图6和图7，背水面波长分布见图8。试验表明，在着重研究沙纹形态特征参数与水流强度n的关系。水流Fr<0．53条件下出现频率最高的沙纹，其波高从图9，10看出，沙纹特征参数H／D。和L／D。与范围为1．0

8、—1．5cm，波长范围为12～15cm