泥沙颗粒水下休止角与内摩擦角差异化初步探索.pdf

泥沙颗粒水下休止角与内摩擦角差异化初步探索.PDF泥沙研究
年月第期
泥沙颗粒水下休止角与内摩擦角差异化初步探索
孟震,杨文俊
长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室,湖北武汉
摘要:根据目前的泥沙起动及水下休止角的相关研究,得出滑动起动与滚动起动模型的矛盾,进而对泥沙界广
泛认同的泥沙颗粒水下休止角在数值上等于泥沙颗粒水下内摩擦角提出质疑。本文分别进行了泥沙颗粒水
下休止角与内摩擦角的物理试验。试验表明:作为散粒体,泥沙颗粒的水下休止角在数值上小于泥沙颗粒水
下内摩擦角。
关键词:泥沙起动;休止角;内摩擦角;可动层;相对隐蔽度
中图分类号: 文献标识码: 文章编号:.—
引言
在水流强度不太大时,床面表层泥沙颗粒一般以滚动或滑动两种运动方式起动,当水流强度较大
时,较小泥沙颗粒可以以跳跃方式起动。在长江科学院进行的溃坝模型试验中,非常扁平形状泥沙,往
往是象滑翔机一样在水中漂移,有的也会呈现出旋转漂移运动形式。相关研究表明:“在充分紊流
区,运动的泥沙中,滚动的泥沙占% ,滑动占% ,跳跃则占% ”。文献推求了基于三维泥沙颗
粒相对隐蔽度的底坡上散体均匀沙近底作用起动流速公式
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其中为所研究颗粒的近底作用流速,田为颗粒的相对隐蔽度,是河床坡度,为水流推力
力臂系数。把.、.、￡.、:/、/、/,.。,取均匀沙
相对隐蔽度期望. ,取平坡,一并代入式,可得到散体均匀沙无因次起动切应力
,,
.该值正是梅叶一彼特的试验结论.。
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人们普遍认为泥沙颗粒水下休止角的正切值为泥沙颗粒水下内摩擦系数,即泥沙颗粒水下休止角
与内摩擦角相等。若采用滑动起动模型,如图所示,可以建立滑动起动平衡方程,即所研究泥沙受
沿床面方向的合力与泥沙水下摩擦阻力,相等,如下式
。一『一一
可以解得
收稿日期:
基金项目:国家重点基础研究发展计划计划资助课题;国家自然科学基金资助项目;湖北省自
然科学基金
作者简介:孟震一,男,河南商丘人,硕士研究生,从事水力学及河流动力学研究。: .
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这里为泥沙水下内摩擦系数,泥沙界普遍认为为所研究泥沙颗粒的水下休止角。同样地,取
.、.、/、/、/,“.。,:代入式,经计算得

一一≈————.————————————————————/——
,可以反算出散体沙颗粒水下休止角为.。,当然,这个角度是平均意义上
的。
图不同底坡上散体沙滑动模型水受力分析
.
文献表明:当’时,泥沙颗粒的密实程度与薄膜水无关,只取决于该颗粒的磨光程度,而
颗粒的密实度往往影响着泥沙颗粒水下休止角。散体沙颗粒水下休止角的发散程度小于粘性沙,许多
学者认为可以忽略粘性的散体沙粒径大于。金腊华和张红武的散体均匀重质沙水下休止角
试验数据变化介于.。~.。。同样地,~ 的砂
和小砾石的水下休止角变化也介于。~。。大量数据表明,泥沙颗粒水下休止角试验数据均小于
.。。
仔细推敲,此时不得不重新考虑一件泥沙界最基本的观点:作为散粒体,泥沙颗粒的水下休止角在
数值上是否等于泥沙颗粒的水下内摩擦角原因如下