波流作用下泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐

鐘桂輝，劉曙光，沈 超，張 慶

（同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院水利工程系，上海 200092）

波流作用下泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐

鐘桂輝，劉曙光，沈 超，張 慶

（同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院水利工程系，上海 200092）

為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)泥沙起動(dòng)相關(guān)理論的學(xué)習(xí)和理解，特設(shè)計(jì)出適用于本科教學(xué)的“波流作用下泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)”。通過觀察泥沙起動(dòng)現(xiàn)象、測(cè)量泥沙起動(dòng)流速、分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使學(xué)生全面掌握波流作用下泥沙的起動(dòng)、床面變形和泥沙輸移問題。該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)應(yīng)用，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐；波流作用；泥沙運(yùn)動(dòng)；起動(dòng)流速

泥沙起動(dòng)和泥沙輸移規(guī)律的研究與港口工程、水運(yùn)工程的整治和建設(shè)戚戚相關(guān)，泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律在航道整治、水庫(kù)排沙、河床整治、河口海岸的開發(fā)、橋梁沖刷、水環(huán)境保護(hù)以及水土保持等方面有著重要的實(shí)踐和應(yīng)用價(jià)值。由于影響泥沙起動(dòng)的因素十分復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也存在著一定的離散性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，基本解決了單向水流條件下的泥沙起動(dòng)問題［1－3］，但對(duì)于波浪作用下的泥沙起動(dòng)問題，不同學(xué)者所采用的起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)和各自驗(yàn)證資料不同，目前仍沒有一個(gè)公認(rèn)的泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致公式在形式和計(jì)算結(jié)果上相差較大［4］。設(shè)計(jì)出行之有效的“波浪和水流作用下的泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)”，可鞏固和驗(yàn)證學(xué)生所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)理論，并可將學(xué)術(shù)研究的前沿問題通過實(shí)驗(yàn)來(lái)展現(xiàn)和探討，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索創(chuàng)新精神。

1 基本原理

河床上靜止的泥沙顆粒，隨著水流條件的增強(qiáng)，到一定條件時(shí)開始運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為泥沙起動(dòng)，由于水流的脈動(dòng)性、泥沙顆粒的不均勻性以及泥沙在床面上排列方式的差異等因素影響，泥沙起動(dòng)條件具有一定隨機(jī)性，表現(xiàn)為即使是均勻沙也不會(huì)同時(shí)進(jìn)入起動(dòng)狀態(tài)。但從統(tǒng)計(jì)角度看，泥沙起動(dòng)條件仍然具有確定性。實(shí)際泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，克雷默（H.Kramer）［1］曾將泥沙起動(dòng)程度劃分為無(wú)泥沙起動(dòng)、輕微起動(dòng)、中等強(qiáng)度泥沙起動(dòng)和普遍起動(dòng)4個(gè)階段。相應(yīng)泥沙起動(dòng)時(shí)的臨界水流條件稱為泥沙起動(dòng)條件，可用起動(dòng)流速、起動(dòng)拖曳力和起動(dòng)功率等指標(biāo)來(lái)表征。

1992年版的《泥沙手冊(cè)》［2］列出了9家頗具代表性的泥沙起動(dòng)流速公式，分別是張瑞瑾公式、唐存本公式、楊志達(dá)公式、希爾茲公式、崗恰洛夫公式、列維公式、沙莫夫公式、耶魯斯克公式和竇國(guó)仁公式。前3個(gè)考慮了泥沙顆粒間的黏結(jié)力，而后6個(gè)沒有考慮。其中張瑞瑾公式、耶魯斯克公式 、唐存本公式采用的是指數(shù)形式，其余采用的是對(duì)數(shù)形式。為使泥沙起動(dòng)的判別能有某種定量的標(biāo)準(zhǔn)，許多學(xué)者作過嘗試，竇國(guó)仁［5］建議以瞬時(shí)底速u0來(lái)作為衡量泥沙起動(dòng)的水力指標(biāo)。根據(jù)他的分析，瞬時(shí)底速u0的概率密度分布為：

當(dāng)u0取不同值時(shí)，相應(yīng)的起動(dòng)概率P對(duì)應(yīng)克雷默提出的3種推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分別為：

個(gè)別起動(dòng)

少量起動(dòng)

大量起動(dòng)

式中：u0c為起動(dòng)底速，σu0c為脈動(dòng)底流速的均方差。由于作用于泥沙的瞬時(shí)流速在實(shí)際工作中不易確定，常用垂線平均流速來(lái)表達(dá)起動(dòng)條件［1］。如果采用指數(shù)形式的流速分布公式，有沙莫夫公式：

如果采用對(duì)數(shù)形式的流速分布，有崗恰洛夫公式：

式中：Uc為臨界起動(dòng)流速（起動(dòng)條件下的垂線平均流速）。

除采用起動(dòng)流速表示之外，還可用起動(dòng)拖曳力表示，這一觀點(diǎn)在歐美學(xué)者［6－8］中被廣泛認(rèn)可，他們認(rèn)為起動(dòng)拖曳力θc＝f（Re＊）＝τ＊/（γs－γ）/D與摩阻雷諾數(shù)Re＊有關(guān)，著名的是希爾茲（A.Shields）曲線圖。

研究波浪作用下的泥沙起動(dòng)，主要有3種方法：

（1）力的平衡法。認(rèn)為波浪作用下泥沙顆粒主要受到重力、拖曳力、上舉力、體積力、黏結(jié)力、附加靜水壓力的作用，當(dāng)泥沙顆粒剛剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，作用在沙粒上的合力和合力矩為零［9－10］。這樣泥沙的起動(dòng)速度就能從力的平衡方程解得。

（2）利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)推導(dǎo)泥沙起動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式 .這種方法的主要缺點(diǎn)是沒有普遍性。

（3）希爾茲（A.Shields）曲線法。假設(shè)水流作用下沙粒起動(dòng)的臨界底床剪應(yīng)力和波浪作用下泥沙起動(dòng)的臨界剪應(yīng)力是相等的，Shields曲線也可用來(lái)研究波浪作用下的起動(dòng)問題［11］。

波浪作用下泥沙起動(dòng)的表示方法有2種：起動(dòng)流速（也有化為起動(dòng)角頻率表示的）和起動(dòng)切應(yīng)力。與水流作用差別在于：波浪作用的起動(dòng)流速用臨底處波動(dòng)水質(zhì)點(diǎn)的最大水平速度來(lái)表示，臨界起動(dòng)切應(yīng)力采用波浪理論中的計(jì)算床面最大切應(yīng)力的方法來(lái)表示。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在波流水槽［14］中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)50m，寬0.8 m，深1.25m，可生成波浪和雙向水流。水槽中段放置長(zhǎng)寬高為2.0m×0.8m×0.1m的沙盤，兩端用高0.1 m的混凝土與沙盤平順連接。沙盤中裝滿粒徑范圍在0.15mm～0.65mm的模型沙，上方安裝1個(gè)三維流速（ADV），2個(gè)旋槳式流速儀，2個(gè)浪高儀，分別測(cè)量流速、波高和周期（見圖1）。實(shí)驗(yàn)水深h＝0.20m。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）模型和設(shè)備的布置。實(shí)驗(yàn)前讓學(xué)生參與模型的布置，熟悉儀器設(shè)備的使用方法，掌握操作要領(lǐng)，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。

（2）單向水流條件的泥沙起動(dòng)。啟動(dòng)波流水槽水流模擬系統(tǒng)，慢慢由小到大調(diào)整水流流速，直至沙床面大約有15%的泥沙在水流作用下做推移運(yùn)動(dòng)，此時(shí)停止加水流流速，測(cè)試斷面平均流速，此時(shí)的流速為臨界起動(dòng)流速；繼續(xù)加大流速，當(dāng)沙床面大約有85%的泥沙在水流作用下做推移運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的流速為全面起動(dòng)流速；再次以一定增量加大流速，當(dāng)發(fā)現(xiàn)床面出現(xiàn)大范圍特征明顯的成片沙紋時(shí)，測(cè)試流速為沙紋形成流速。

（3）規(guī)則波作用下的泥沙起動(dòng)。啟動(dòng)波流水槽造波系統(tǒng)，首先生成規(guī)則波，波周期取1.0s，波高由5 cm開始，每隔0.5cm慢慢增大，觀察泥沙運(yùn)動(dòng)、床面變形及泥沙輸移狀態(tài)。當(dāng)表層沙約有15%的泥沙均勻擺動(dòng)時(shí)，測(cè)量此時(shí)臨底處最大水平速度；測(cè)量表層沙約有85%來(lái)回運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大水平速度為全面起動(dòng)流速。繼續(xù)加大波高，觀察到沙粒運(yùn)動(dòng)劇烈，形成沙坑、沙紋時(shí)泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

（4）不規(guī)則波作用下的泥沙起動(dòng)。啟動(dòng)波流水槽造波系統(tǒng)，生成不規(guī)則波。實(shí)驗(yàn)選擇JASWSWAP譜，平均波周期取1.0s，有效波高由5cm開始，每隔0.5cm慢慢增大，觀察泥沙運(yùn)動(dòng)情況，測(cè)量泥沙起動(dòng)流速和全面起動(dòng)流速。對(duì)不規(guī)則波采用的起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)［10］：較細(xì)沙（D＜0.5mm）起動(dòng)時(shí)一般明顯有沙紋出現(xiàn)，較粗沙（D＞0.5mm）則可看到沙粒輸移現(xiàn)象。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

水流作用下及波浪作用下的泥沙起動(dòng)公式有數(shù)十上百個(gè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理之前，要求學(xué)生對(duì)泥沙起動(dòng)公式進(jìn)行梳理，選擇個(gè)人認(rèn)為比較合適的泥沙起動(dòng)公式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。要求在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中寫清實(shí)驗(yàn)過程直觀現(xiàn)象的觀察和分析、實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)、理論公式的依據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論公式誤差及原因。

3.1 單向水流條件下的泥沙起動(dòng)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，測(cè)量3種情況（臨界起動(dòng)、全面起動(dòng)、沙紋形成時(shí)）的斷面平均流速。取3個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)3次，得出3種情況下測(cè)點(diǎn)平均流速值（見表1）。

表1 3種情況下斷面平均流速 m·s－1

表2 實(shí)驗(yàn)計(jì)算希爾茲相關(guān)參數(shù)

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果點(diǎn)匯在希爾茲曲線上（見圖2），發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論有一定差距，主要原因有2點(diǎn)：一是判斷泥沙是否屬于臨界起動(dòng)狀態(tài)主要是靠肉眼觀察，具有一定的主觀隨意性；二是測(cè)量?jī)x器有誤差。

圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與希爾茲曲線的對(duì)比

3.2 規(guī)則波及不規(guī)則波條件下的泥沙起動(dòng)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，測(cè)量臨界起動(dòng)、全面起動(dòng)、沙紋形成時(shí)的斷面平均流速和波高，見表3。

表3 3種情況下斷面平均流速及起動(dòng)時(shí)波高

4 結(jié)束語(yǔ)

通過波流作用下泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和教學(xué)，能將泥沙起動(dòng)和泥沙輸移理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地融為—體，既鞏固了學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，又提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)中配置了比較先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備——三維點(diǎn)流速儀，開闊了學(xué)生的視野，提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力有極大的促進(jìn)作用。

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Teaching practice of sediment incipient velocity under wave and current action

Zhong Guihui，Liu Shuguang，Shen Chao，Zhang Qing
（Department of Hydraulic Engineering，School of Civil Engineering，Tongji University：Shanghai 200092，China）

It is also the basic content of river dynamics and sediment movement.It is necessary to design an experiment to improve the students’comprehension about the theory of river dynamics.In this experiment，students can observe the phenomenon of sediment motion，measure the threshold velocity of sediment particles as well as analyze the experimental data.From this，the learning interest and the ability of analyzing and solving problems should be improved.

experimental teaching practice；action of wave and current；sediment motion；incipient velocity

G424.31

A

1002－4956（2014）1－0149－04

2013－05－09 修改日期：2013－05－09

上海市高校本科重點(diǎn)教改項(xiàng)目（0200104271）；同濟(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目（0200104267）；同濟(jì)大學(xué)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（0200104263）

鐘桂輝（1971—），女，遼寧，在職博士研究生，講師，主要從事水利港口實(shí)驗(yàn)室管理、水利工程、城市及流域的防洪研究

E－mail：04098＠tongji.edu.cn

劉曙光（1962—），男，江蘇，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事港口海岸工程、海岸帶泥沙輸移、城市及流域的防洪研究.

E－mail：liusgliu＠tongji.edu.cn