长兴岛非均匀粉沙原状土起动流速特性研究.pdf

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1、第3O卷第12期水电能源科学Vo1．30NO．122012年12月WaterResourcesandPowerDec．2012文章编号：1000—7709(2012)12—0061—04长兴岛非均匀粉沙原状土起动流速特性研究王向予，杨校礼，吴龙华，王印(河海大学水利水电学院，江苏南京210098)摘要：为确定长兴岛非均匀沙起动临界条件，对河流断面设计和岸坡稳定分析提供数据支撑。基于均匀沙起动的基本原理，采用最大起动等效粒径，推导出非均匀沙起动公式的微观构架，利用原状土起动流速试验，以泥沙的少量起动为起动

2、标准，确定了泥沙起动的断面平均起动流速及公式中常量系数。并与已有公式做了比较，分析了差别及产生的原因。关键词：非均匀沙；泥沙起动；原状土试验；少量起动；指数流速分布；隐暴效应中图分类号：TV142文献标志码：A泥沙起动条件是研究泥沙输运、河道稳定、水的力。非均匀沙的起动情况相当复杂，较细泥沙流运动阻力、河道粗化的基础。对河道来说，在输受较粗泥沙的掩护而难于起动，其起动时的水流水或行洪过程中，往往伴随着床面的冲刷，使河底强度较均匀沙的相应强度大；相反，非均匀沙中较出现许多凹凸不平的冲坑，原本平顺的水流局部

3、粗泥沙暴露于床面而易于起动，所受推移力较均强度增大，产生漩涡，对河道输水、航运、行洪等产匀沙的相应粒径大，起动时的水流强度较均匀沙生了安全隐患。对此，所提出的无粘性沙起动流的相应强度小。速公式已超过100种]，尽管可较方便地得出一1-2非均匀沙起动的微观结构些具有普遍规律性的数据，但由于各公式采用的在非均匀沙起动试验中，发现当大于某粒径起动标准和试验沙样不同，分析所得的公式存在的泥沙起动时，小于其粒径的泥沙也均由静止逐形式上的差异，成果适用范围小，且对粉质非均匀步转变为运动状态，泥沙起动中各粒径级之间仅

4、沙采用原状土起动流速测定的试验很少。现行规是起动概率不同，确定起动最大粒径便可描述非范虽有许多土体不冲流速的数据可查_2]，但均停均匀沙的起动。受床面颗粒之间相互隐暴作用的留在局部、经验的范畴，实际应用中仍需进行实地影响]，较小颗粒在床面的作用效果比实际粒径调查和现场修正，增大了重复劳动。鉴此，本文结要大，因此床面起动泥沙的粒径应用等效粒径替合上海市长兴岛一期河道整治工程，利用室内变代。在水流条件一定时，床面上起动泥沙颗粒的坡水槽，采用原状土起动流速试验的方法，推导出等效粒径相等，其等效粒径为：长兴岛地

5、区泥沙起动流速公式，力图从理论上对di*一d(1+￡)／d(1)非均匀泥沙的冲刷机理做出较科学的解释。式中，d为非均匀沙中第i级泥沙颗粒的粒径；d为非均匀沙的中值粒径；e为相对隐暴度系数，1泥沙起动理论取值范围为0～1，当e趋近于0时，粒径趋于中值粒径，与实际粒径相等]。1．1非均匀沙的起动机理确定了泥沙的等效粒径后，既可通过微观受目前，泥沙的起动条件用起动流速、起动拖拽力推导非均匀泥沙起动公式的基本构架(图力、起动功率表示，在工程实践中多采用水流垂线1)]。其中作用于河床表面泥沙颗粒上的力有泥平均流速

6、来表示。泥沙颗粒起动的主动力问题，沙颗粒水下重力G、水平向的水流拖拽力Fo、竖目前观点各异_3]，但均可得出泥沙冲刷的性质主直向的水流上举力F】、水平向的泥沙粘滞力N要取决于水流参数和泥沙的物理力学性质，水流分别为：的性质决定主动力，床面材料的性质决定抗冲刷G—a】7cdi*。(一)，)／3(2)收稿日期：2012—04—16，修回日期：2012-06—06基金项目：国家自然科学基金资助项目(51179057)作者简介：王向予(1987一)，男，硕士研究生，研究方向为水工水力学，E-mail：wangX

7、iangyuxp@163．com·62·水电能源科学2．1试验目的和内容根据上海市长兴岛一期整治工程，为规划及疏浚河道，准确计算河道断面的过流能力，避免在河道流速较大情况下河底床面淤积或大面积冲刷对岸坡稳定造成不利影响。为了更精准地求出起动流速的临界值，对长兴岛一期15条河共设32组取样点，其中河床底中心线20组、坡脚6组、岸图1非均匀沙受力分析坡6组。河床底中心线样本分别取河底、距河底Fig．1Non-unifOm1sedimentforcediagram0．5m、距河底1．0m三层样本；坡脚和岸坡取

8、河F。：=：兀￡士尝厶g(3)底、距离河底0．5m二层样本，进行室内水槽原状土试验。取样点布置见图2。F～Cy㈤南环河一z．—、：潘石港N一7cr／4(5)式中，n、n、n。均为形状系数；y为干土的重度；y为水的重度；』D为水的密度，、C分别为．z、Y向的阻力系数；。为水流流速；r为泥沙土样的抗剪强度。1．3非均匀沙起动流速公式构架推导假设沙粒采取滚动形式起动，以沙粒的交界点为转动中心，则起动临界条件下的滚动平衡方程为：图2上海市长兴岛河道