沙样的代表粒径，常以粒径曲线上查到的百分数，作为粒径d的脚标，来表示粒径的特征。例如d95、d65、d50等，表示小于该粒径的泥沙在沙样中总重量各占95%、65%、50%。沉速是反映泥沙运动和河床冲淤可能性的重要参数。......
2023-11-20
泥沙起动的关键因素-桥涵水文学
【摘要】：河床上的泥沙在水流作用下，由静止状态转变为运动状态，这种现象称为泥沙的起动。图6-2泥沙颗粒处的垂线流速分布图6-3泥沙颗粒的受力状态我国的桥墩局部冲刷计算中，采用了张瑞瑾导出的起动流速公式。图中曲线表明，这个最小值的右侧，粒径增大时起动流速也随之增大，而最小值的左侧，粒径减小时起动流速反而增大，这是因为大颗粒泥沙的起动流速，主要由克服重力来决定，而细颗粒泥沙的起动流速，主要由克服分子粘结力来决定。
河床上的泥沙在水流作用下，由静止状态转变为运动状态，这种现象称为泥沙的起动。它是河流泥沙由静止到运动的临界状态，此时的临界水流条件，称为泥沙的起动条件。泥沙运动和河床变形都始于床面泥沙的起动，泥沙的起动条件是一个很重要的问题。
泥沙颗粒的起动，是推动颗粒运动的水流作用力和抗拒颗粒运动的阻力之间失去平衡的结果。
图6-2表示泥沙颗粒处的垂线流速分布和推动泥沙颗粒运动的床面作用流速ud；由于接近床面的水流受到泥沙颗粒的阻挡，正对泥沙颗粒的作用流速ud，在颗粒的迎水面产生向前的冲压力；同时，泥沙颗粒附近的水流形成绕流，在颗粒的顶面流速加快、压力减小，与底面产生压力差而形成向上的负压力；在颗粒的背水面，由于绕流旋涡的作用，又使颗粒表面产生了向前的负压力；在泥沙颗粒的下面，由于水流被阻挡，而产生向上和向前的表面压力。泥沙颗粒表面上的这些动水压力，将合成向前的推移力Px和上举力Pz，构成了驱使泥沙颗粒运动的水流作用力。另一方面，泥沙颗粒还受重力G和颗粒间摩擦力F的作用，对细颗粒还有颗粒间的粘结力，这些力又构成了抗拒泥沙颗粒运动的阻力，如图6-3所示。泥沙颗粒起动的临界条件，是推动颗粒运动的各力对支点O的力矩之和等于抗拒颗粒运动的各力对支点O的力矩之和。
各国研究者采用了不同的分析途径和表达方式，依据各自的实验数据，建立了很多表示泥沙起动条件的关系式。目前表达泥沙起动时临界水流条件的方式，一般有两种：①以泥沙起动时水流的床面作用流速（称为起动流速）来表达，为了便于实用，通常采用水流的垂线平均流速v0代替作用流速来表示起动流速，有时也采用水流的断面平均流速来表示；②以泥沙起动时的床面切应力（称为起动拖曳力）来表达。上述两种方式，都是为了表达泥沙的起动条件，并且可以互相转化，但它们代表着不同的研究途径，反映了不同的指导思想。目前，两种表达方式都在进行研究，虽然各有利弊，但存在不同看法。
图6-2 泥沙颗粒处的垂线流速分布
图6-3 泥沙颗粒的受力状态
我国的桥墩局部冲刷计算中，采用了张瑞瑾导出的起动流速公式。该公式的系数和指数是以窦国仁整理的各家资料做基础，加上从长江的实测记录以及原武汉水利电力大学关于轻质卵石试验记录整理出来的资料确定的；使用的资料包括了范围较宽的各种粒径的资料，不但适用于粘性细颗粒，对于粗细颗粒的散粒体泥沙，也能适用。其公式为
式中 v0——起动流速，m/s；
h——水深，m；
d——粒径，mm。(www.chuimin.cn)
沙玉清根据泥沙颗粒起动时，推动力与阻力相等的条件，建立了起动流速公式（6-4）
式中 v0——起动流速，m/s；
h——水深，m；
d——粒径，mm；
ε——孔隙率，自然淤积孔隙率约为0.4。
式（6-3）和式（6-4）括号中的第一项反映重力的作用，第二项反映分子力的作用；对于大颗粒泥沙第一项的数值为主，对于细颗粒泥沙则第二项为主。
令水深为1m，以式（6-3）和式（6-4）分别绘制起动流速与粒径的关系曲线（图6-4），两条曲线的形状基本相同，在d=0.13～0.17mm处，起动流速都有个最小值。图中曲线表明，这个最小值的右侧，粒径增大时起动流速也随之增大，而最小值的左侧，粒径减小时起动流速反而增大，这是因为大颗粒泥沙的起动流速，主要由克服重力来决定，而细颗粒泥沙的起动流速，主要由克服分子粘结力来决定。估算泥沙的起动流速时，若d≥2mm，括号中的第二项（粘结力的作用）可以忽略不计，若d≤0.02mm，括号中的第一项（重力的作用）则可忽略不计。
图6-4 起动流速与粒径的关系曲线
1—张瑞瑾公式（h=1.0m）；2—沙玉清公式（h=1.0m，ε=0.4）
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2023-11-20
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