波流作用下泥沙起動實驗的教學實踐

鐘桂輝，劉曙光，沈 超，張 慶

（同濟大學土木工程學院水利工程系，上海 200092）

波流作用下泥沙起動實驗的教學實踐

鐘桂輝，劉曙光，沈 超，張 慶

（同濟大學土木工程學院水利工程系，上海 200092）

為了加強學生對泥沙起動相關理論的學習和理解，特設計出適用于本科教學的“波流作用下泥沙起動實驗”。通過觀察泥沙起動現(xiàn)象、測量泥沙起動流速、分析對比實驗數(shù)據(jù)，使學生全面掌握波流作用下泥沙的起動、床面變形和泥沙輸移問題。該實驗的教學應用，有效激發(fā)了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生嚴謹?shù)目蒲凶黠L，提高了學生分析問題和解決問題的能力。

實驗教學實踐；波流作用；泥沙運動；起動流速

泥沙起動和泥沙輸移規(guī)律的研究與港口工程、水運工程的整治和建設戚戚相關，泥沙運動規(guī)律在航道整治、水庫排沙、河床整治、河口海岸的開發(fā)、橋梁沖刷、水環(huán)境保護以及水土保持等方面有著重要的實踐和應用價值。由于影響泥沙起動的因素十分復雜，實驗數(shù)據(jù)也存在著一定的離散性，國內外學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問題［1－3］，但對于波浪作用下的泥沙起動問題，不同學者所采用的起動標準和各自驗證資料不同，目前仍沒有一個公認的泥沙起動標準，導致公式在形式和計算結果上相差較大［4］。設計出行之有效的“波浪和水流作用下的泥沙起動實驗”，可鞏固和驗證學生所學的專業(yè)基礎理論，并可將學術研究的前沿問題通過實驗來展現(xiàn)和探討，培養(yǎng)學生的學習興趣和探索創(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，到一定條件時開始運動，這種現(xiàn)象稱為泥沙起動，由于水流的脈動性、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，泥沙起動條件具有一定隨機性，表現(xiàn)為即使是均勻沙也不會同時進入起動狀態(tài)。但從統(tǒng)計角度看，泥沙起動條件仍然具有確定性。實際泥沙起動實驗中，克雷默（H.Kramer）［1］曾將泥沙起動程度劃分為無泥沙起動、輕微起動、中等強度泥沙起動和普遍起動4個階段。相應泥沙起動時的臨界水流條件稱為泥沙起動條件，可用起動流速、起動拖曳力和起動功率等指標來表征。

1992年版的《泥沙手冊》［2］列出了9家頗具代表性的泥沙起動流速公式，分別是張瑞瑾公式、唐存本公式、楊志達公式、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仁公式。前3個考慮了泥沙顆粒間的黏結力，而后6個沒有考慮。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，其余采用的是對數(shù)形式。為使泥沙起動的判別能有某種定量的標準，許多學者作過嘗試，竇國仁［5］建議以瞬時底速u0來作為衡量泥沙起動的水力指標。根據(jù)他的分析，瞬時底速u0的概率密度分布為：

當u0取不同值時，相應的起動概率P對應克雷默提出的3種推移質運動狀態(tài)，分別為：

個別起動

少量起動

大量起動

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

如果采用對數(shù)形式的流速分布，有崗恰洛夫公式：

式中：Uc為臨界起動流速（起動條件下的垂線平均流速）。

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

研究波浪作用下的泥沙起動，主要有3種方法：

（1）力的平衡法。認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、黏結力、附加靜水壓力的作用，當泥沙顆粒剛剛開始運動時，作用在沙粒上的合力和合力矩為零［9－10］。這樣泥沙的起動速度就能從力的平衡方程解得。

（2）利用實驗數(shù)據(jù)來推導泥沙起動的經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式 .這種方法的主要缺點是沒有普遍性。

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

波浪作用下泥沙起動的表示方法有2種：起動流速（也有化為起動角頻率表示的）和起動切應力。與水流作用差別在于：波浪作用的起動流速用臨底處波動水質點的最大水平速度來表示，臨界起動切應力采用波浪理論中的計算床面最大切應力的方法來表示。

2 實驗設計

2.1 實驗裝置及設備

實驗在波流水槽［14］中進行，水槽長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個三維流速（ADV），2個旋槳式流速儀，2個浪高儀，分別測量流速、波高和周期（見圖1）。實驗水深h＝0.20m。

2.2 實驗內容

（1）模型和設備的布置。實驗前讓學生參與模型的布置，熟悉儀器設備的使用方法，掌握操作要領，鍛煉學生的動手能力。

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

（3）規(guī)則波作用下的泥沙起動。啟動波流水槽造波系統(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，觀察泥沙運動、床面變形及泥沙輸移狀態(tài)。當表層沙約有15%的泥沙均勻擺動時，測量此時臨底處最大水平速度；測量表層沙約有85%來回運動時的最大水平速度為全面起動流速。繼續(xù)加大波高，觀察到沙粒運動劇烈，形成沙坑、沙紋時泥沙顆粒的運動狀態(tài)。

（4）不規(guī)則波作用下的泥沙起動。啟動波流水槽造波系統(tǒng)，生成不規(guī)則波。實驗選擇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，觀察泥沙運動情況，測量泥沙起動流速和全面起動流速。對不規(guī)則波采用的起動標準［10］：較細沙（D＜0.5mm）起動時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 實驗數(shù)據(jù)及分析

水流作用下及波浪作用下的泥沙起動公式有數(shù)十上百個，對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理之前，要求學生對泥沙起動公式進行梳理，選擇個人認為比較合適的泥沙起動公式進行實驗數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)的對比分析。要求在實驗報告中寫清實驗過程直觀現(xiàn)象的觀察和分析、實驗的原始數(shù)據(jù)、理論公式的依據(jù)、實驗數(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

根據(jù)實驗內容，測量3種情況（臨界起動、全面起動、沙紋形成時）的斷面平均流速。取3個測點，各測3次，得出3種情況下測點平均流速值（見表1）。

表1 3種情況下斷面平均流速 m·s－1

表2 實驗計算希爾茲相關參數(shù)

將實驗結果點匯在希爾茲曲線上（見圖2），發(fā)現(xiàn)實驗結果與理論有一定差距，主要原因有2點：一是判斷泥沙是否屬于臨界起動狀態(tài)主要是靠肉眼觀察，具有一定的主觀隨意性；二是測量儀器有誤差。

圖2 實驗結果與希爾茲曲線的對比

3.2 規(guī)則波及不規(guī)則波條件下的泥沙起動

根據(jù)實驗內容，測量臨界起動、全面起動、沙紋形成時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時波高

4 結束語

通過波流作用下泥沙起動實驗的設計和教學，能將泥沙起動和泥沙輸移理論與實驗教學有機地融為—體，既鞏固了學生的專業(yè)基礎知識，又提高了學生的實驗動手能力。同時，該實驗教學中配置了比較先進的實驗設備——三維點流速儀，開闊了學生的視野，提高了學生對實驗的學習興趣，對提高學生的綜合素質和能力有極大的促進作用。

（References）

［1］王昌杰.河流動力學［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］中國水利學會泥沙專業(yè)委員會.泥沙手冊；M］.北京：中國環(huán)境科學出版社，1992.

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［4］張向東，曹廣學.波浪作用下的泥沙問題研究進展［J］.合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2009，32（12）：1900－1903.

［5］竇國仁.論泥沙起動流速［J］.水利學報，1960（4）：44－60.

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［10］竇國仁，竇希萍，李提來.波浪作用下泥沙的起動規(guī)律［J］.中國科學：E輯，2001，31（6）：566－573.

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［15］Komar P D K，Miller M C.Sediment threshold Under Oscillatory Wave Proc［C］.14th Conf Costal Eng，756－775.

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教改項目（0200104271）；同濟大學實驗教改項目（0200104267）；同濟大學精品實驗項目（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驗室管理、水利工程、城市及流域的防洪研究

E－mail：04098＠#edu.cn

劉曙光（1962—），男，江蘇，教授，博士生導師，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＠#edu.cn