基于高速攝像技術的推移質床面沙條帶結構試驗研究

王 浩，范潔鈴，鐘 強，陳 槐，陳 銘，彭國平

（1.福州大學 土木工程學院，福建 福州 350116；2．中國農業大學 水利與土木工程學院，北京 100083；3.南京水利水電科學研究院，江蘇 南京 210029）

1 研究背景

推移質運動是水沙相互作用的結果，泥沙顆粒沖刷輸移過程中會造成河床沖淤演變、河岸變形、海岸后退等實際工程問題[1]。中低強度水流條件下，大尺度的紊流相干結構顯著，將對泥沙顆粒運動產生很大影響，如圖1所示的床面沙帶狀結構，同時泥沙顆粒運動過程所形成的床面形態也將對水流結構產生反饋作用。推移質運動與紊流結構之間的相互作用規律也一直是國內外學者重點關注和研究的對象[2-3]。

圖1 明渠試驗順直沙條帶結構

很多學者通過試驗和野外觀測[4-7]均發現河床床面受紊流相干結構影響，會形成沿水流方向順直的沙條帶結構，并開始對紊流相干結構和推移質運動及其相互作用關系開展研究。Kline 等[8]首先通過氫氣泡示蹤法，開創性的發現近壁區黏性底層中存在相互間隔的高低速條帶結構和猝發現象，拉開了人們對紊流相干結構研究的序幕。水沙兩相運動過程中沙顆粒受水流相干結構的猝發事件影響，能夠形成穩定的沙粒條帶結構[9]。基于紊流相干結構，Gyr 等[10]指出在壁面光滑和粗糙條件下，水流中均存在發夾渦及發夾渦群對泥沙顆粒運動影響。Colombini 等[11]觀測到沙槽和沙脊越靠近水槽中部越明顯，越靠近水槽邊壁越不明顯。王殿常[12]利用圖像處理方法開展明渠紊流近壁區稀疏沙帶狀結構性質的研究，指出沙帶狀結構的形成與紊流大尺度結構有關。……