泥沙起动判别标准

6.2　泥沙起动判别标准

对泥沙起动的研究长期以来积累了大量成果，但是其中有一个基础性问题——泥沙起动的标准，目前尚未完全解决。事实上，由于泥沙起动的随机性，即使对均匀沙也不存在要动都动、要不动都不动的情形；对于非均匀沙，情况更加复杂。在以往的研究中，对泥沙起动提出了一些判断标准，但各家试验资料之间，实验室资料与野外资料之间，以及公式与实测点据之间，常常存在较大的偏离。这中间除了泥沙运动所固有的复杂特性外，一个重要的原因是起动标准不一致。

现有的起动标准大体上可分为定性及定量2类。在定性标准中，最为著名的当推Kramer在1935年提出的标准^[139]，他针对非均匀沙，把床沙运动分为4个阶段，即无泥沙运动、弱动、中动及普动。但定性标准主观性强，操作中随意性大，实用性受到了限制，因而一些学者从不同角度对定量标准进行了研究。

6.2.1　细颗粒泥沙的起动标准

1）概率标准

以窦国仁为代表提出了起动概率标准^[140]。他在分析中考虑了水流的脉动，提出了与Kramer 3种床沙起动状态相应的概率，即个别起动、少量起动及大量起动，其相应的起动概率分别为0.001 35，0.022 7及0.159。故可以取某一相应的起动概率作为判断泥沙起动的标准。

2）颗粒数标准

Yalin（1977年）将式（6.1）作为泥沙起动标准^[47]：

式中　ε——泥沙起动强度；

　A——面积；

　m——河床面积A范围内冲刷输移的泥沙颗粒数；

　ρ——水流密度；

　γ_s——泥沙的容重；

　γ——水的容重；

　D——泥沙粒径；

　t——时间。

对于各种粒径的泥沙应该取统一的运动强度。因而，在进行2种容重相同，粒径相差10倍的起动试验时，为使2组试验取相同的泥沙起动强度ε值，粒径较粗的那一组试验的m/At必须较粒径较细的一组小10^5/2。Yalin标准要求视野较宽，时间较长。

3）输沙率标准

美国水道试验站曾规定以推移质输沙率达到14 cm³/（m·min）作为起动标准^[69]；韩其为、何明民等的标准内涵与此相似，他们对水槽、野外沙质及粗颗粒河床分别采用不同的无因次输沙率参数来作为起动标准^[142]。

Taylor（1971年）提出了一种输沙率标准^[141]，他在平坦沙质床面的水槽中做了一些定量试验，得到泥沙在起动阶段的无因次输沙率资料，经分析取无因次输沙率为起动标准。

式中　q_s——单宽输沙率；

　u_*——摩阻流速；

　D——粒径。

Parker（1982年）定义无量纲输沙率作为非均匀沙的起动标准^[143]：

式中　——第i组泥沙的无量纲输沙率；

　P_i——第i组泥沙百分率；

　q_si——第i组泥沙的单宽输沙率；ρ_s——泥沙的容重。

该方法现在欧美比较流行，Kuhnle（1994年）通过泥沙含沙量与输出电压成正比的关系，采用此标准测出各组泥沙的起动无量纲输沙率^[144]。

4）可动层法

Bagnold认为，当水流强度和泥沙起动临界水流强度相等时，床面可动层为1.4D，其中D为泥沙起动粒径^[147]。彭凯等提出的可动层标准为1.2D^[146]。

6.2.2　卵砾石泥沙的起动标准

韩其为（1984年）^[69]研究了长江寸滩、万县、宜昌3站的野外资料以及数十家室内资料，确定了室内、野外以及非均匀沙的起动标准分别为：

式中　V_c——起动流速；

　ω——泥沙沉速；

　ω_i——第i组泥沙沉速；

　ψ_i——第i组泥沙水流参数；

　F_b——函数，可在韩其为的制表中查出；

　D_mean——平均粒径。

冷魁（1993年）以个别起动状态作为泥沙起动的临界条件，据此提出了均匀沙和非均匀沙以个别颗粒数计的判别标准^[69]。

6.2.3　起动标准的确定

1）讨论

泥沙起动标准的确定要有科学性，符合泥沙运动规律，同时也要符合测验习惯，符合工程泥沙研究的需要。

对于细颗粒泥沙，现在可以做到相对定量的判断。Kuhnle（1994年）测得输沙率很小的情况，采用式（6.3）作为判断泥沙起动标准可以达到一定的精度^[144]。尽管这样，在具体试验时操作控制非常困难，如调节流量时，不可能刚好让泥沙起动后的无量纲输沙率在0.002。所以对于泥沙起动的标准在量化时，用一个范围表示更为合适。

由于对粗颗粒起动的研究较少，其判别标准还处于摸索阶段。韩其为根据长江的野外资料和实验室资料确定的判别标准，由于颗粒在紊流情况下的沉降速度可以确定，按照式（6.4）～式（6.6），其起动标准更像是起动流速的确定。

2）粗颗粒起动判别试验

由于粗颗粒起动的标准很难判断，通过以下试验分析粗颗粒起动的判断原则。

试验在图5.1所示的变坡水槽内进行，试验段长1.0 m，宽1.0 m。试验粒径为30～50 mm（D₅₀＝40 mm）。水槽坡度为1.8%，上下游分别固化相同粒径的颗粒，以保证进口段、试验段、出口段的糙率一致，如图6.1所示。冲刷前，首先铺制试验段粗颗粒（随机），然后用玻璃板压实，局部调整到每个粗颗粒接触到玻璃板。选取3级流量，采取没有补给条件下的泥沙起动试验，具体参数及结果见表6.1。该表粒径按照D＝4.0 cm的球体计算。颗粒沉降速度按照冈恰洛夫公式计算。

图6.1　卵石起动示意图

第1组流量为0.10 m³/s，流速为1.20 m/s，水流稳定10 min后，发现2颗粗颗粒起动，少量嵌在河床上的颗粒在水流作用下不断摇动。由于泥沙起动的随机性和水流的脉动性，未观察到已经起动的2颗泥沙的具体位置，估计该泥沙颗粒处于有利于起动的位置。

第2组流量为0.13 m³/s，流速为1.44 m/s，水流稳定10 min后，发现10颗粗颗粒起动，共观察到6颗处于嵌在前后粗颗粒之间的粗颗粒起动。起动的粗颗粒接触床面运行5～20 cm后停顿下来，属于推移质中的接触质。

表6.1　粗颗粒起动历时过程及结果

注：表中输沙率单位为kg/（m·s）；输沙率①表示按式（6.2）计算的输沙率；输沙率②表示按式（6.3）计算的输沙率。

第3组流量为0.25 m³/s，流速为1.79 m/s，水流稳定10 min后，发现53颗粗颗粒起动。只要泥沙颗粒起动后，大部分颗粒翻滚运动到出口段尾部，个别颗粒“飞行”在水中，且运行一段距离后落入床面，再运行到出口段，属于推移质中的跃移质运动。尽管本组的流量较大，但粗颗粒起动也不是普遍性的。

3）粗颗粒起动判别标准

从以上分析认为，第2组可作为粗颗粒起动的标准，其理由如下：

①第1组的泥沙颗粒数量太少，其起动的泥沙颗粒主要与其处于有利位置有关。

②第3组的泥沙颗粒数量较多。其泥沙运动特性属于推移质中的跃移质，对比按式（6.2）、式（6.3）计算的输沙率，其值偏大。

③第2组的泥沙颗粒在有“嵌套”作用下仍然起动，按式（6.2）和式（6.3）计算的无量纲输沙率系数分别与Tayor（1971年），Parker（1982年）的输沙标准相当，其起动后的泥沙属于接触质，符合对泥沙起动的一般含意。

粗颗粒泥沙起动判别不能完全量化，应该从颗粒所处的位置、起动后的运动形式以及大致的数量范围去判断。故认为粗颗粒泥沙起动的判断标准为：受到“嵌套”作用的粗颗粒泥沙，起动后的运动形式属于接触质运动，用Taylor（1971年）提出的无量纲单宽输沙率起动标准作为判别标准，对于3.5～40 mm是可行的。

在做1.5 mm的起动试验过程中，通过三角堰不断增加试验流量来观察泥沙是否起动。由于试验比降较大，在很小的试验流量，只需增加0.5 L/s试验流量就能起动。所以在本次具体试验过程中，1.5 mm的泥沙采取是否大量起动作为起动标准。由于试验流量精度的限制，对1.5 mm起动试验作成功的只有2组（J＝0.49%，1.0%）。