推移质滚动的机理及统计规律 Statistical analysis on motion characteristics of bedload rolling.pdfVIP

水 利 学 报 2014年10月 SHUILI XUEBAO 第45卷 第10期 文章编号：0559-9350（2014）10-1184-09 推移质滚动的机理及统计规律 1，2 2 1，2 徐海珏 ，沈 颖 ，白玉川 （1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072； 2. 天津大学 河流海岸工程泥沙研究所，天津 300072） 摘要：卵石推移质运动规律研究对山区河流开发利用意义重大。推移质颗粒一般是以滚动（间或滑动）、跃移等形 式运动的。在低水流强度范围内，颗粒运动形式以滚动为主；即使占推移质大部分的跃移颗粒，通常也并不是在 起动之后随即跃起，而往往需要先滚动一段距离。因此，有必要进行泥沙颗粒滚动机理研究。本文建立了粗颗粒 泥沙滚动力学模型，将滚动步划分为接触步和自由步，经计算得到脱离角、单步运动步长、平均滚动速度等表达 式；并采用爱因斯坦方法，修正了其公式中的单步步长和冲刷率，进而得到相应的推移质输沙率公式，并用实际 输沙率资料进行了验证。 关键词：粗颗粒；滚动；推移质输沙率 中图分类号：TV142 文献标识码：A doi ：10.13243/ki.slxb.2014.10.006 1 研究背景 我国西南地区有许多大型已建或待建的水利工程，在中国大西南的崇山峻岭之间，已初步形成 一个世界级的巨型水电站群落，这必将对我国经济发展、能源结构和生态环境等产生深远的影响。 这些水电站所在的山区河道存在着大量的宽级配卵石推移质运动，其对水利水电工程、航运工程和 水环境工程等具有重要的影响，如水库和电站取水口淤积、水库变动回水区泥沙运动、航道淤塞和 ［1］ 水资源生态环境等都会造成重大危害 。为了进一步合理开发、利用与治理山区河流，认识和掌握山 区河流卵石推移质的运动规律意义重大，以便于对河道的演化趋势进行定性或定量的预测。 根据泥沙运动形式及性质的不同，可将其分为推移质及悬移质。推移质又可分为接触质、跃移 质和层移质。推移质颗粒一般是以滚动（间或滑动）、跃移等形式运动的。在低水流强度范围内，颗 ［2］ 粒运动形式以滚动为主 ，在希尔兹数小于 0.08 时滚动占了整个推移质运动的 80% 以上；即使占推 ［3］ 移质大部分的跃移颗粒，通常也并不是在起动之后随即跃起，而往往需要先滚动一段距离 。 ［4］ 在泥沙起动研究方面，由于起动概率相同时，滚动时的临界条件最小 ，众多研究者通过滚动平 ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ 衡模式得到了泥沙临界起动流速，如韩其为 、窦国仁 、何文社 和杨奉广 等，其区别主要在于 流速沿垂线分布形式、拖曳力和上举力系数及力臂取值的不同。在颗粒的滚动运动研究方面， ［9］ Tsuchiya 对颗粒沿床面的滚动和跳跃作了力学及统计分析，认为颗粒从开始起动到跃移是以带滑动 的滚动形式进行的，并求出了滚速方程，计算了颗粒的跳跃高度，但其计算结果未能与试验资料很 ［10］ 好吻合。中川和辻木 对颗粒的滚动力学和统计特性做了较详细的分析，并且联系到平均休止时间 与平均单步距离进行了研究，但其为定量分析而做出的某些假定带有任意性，使得所得结果较粗 ［11］ 糙。韩其为等 采用概率论与力学相结合的办法，建立了单颗粒泥沙运动的较完整的随机模型，但 其在滚动颗粒运动方程求解过程中，为求得方程的解析解，作了一些假