臨界起動流速研究綜述

張強

摘要：基于目前對于臨界起動流速的研究成果，總結(jié)顆粒臨界起動流速研究方法以及近些年來所取得的進展，認為今后的研究可以側(cè)重于改進判定臨界起動狀態(tài)的標準以及探尋顆粒起動更一般的規(guī)律以便為工程實際提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：臨界起動流速；接觸沖刷

中圖分類號：TV142 文獻標識碼： A

一、概述：

水資源作為一種清潔的可持續(xù)利用的資源，其開發(fā)利用也進入到了新的階段。三峽工程是中國，也是世界上最大的水利樞紐工程，它具有防洪、發(fā)電、航運等綜合效益。年平均發(fā)電量846.8億千瓦時。 與此同時，三峽庫區(qū)上游泥沙淤積問題也引起了廣泛的關(guān)注，而各港口，河口以及航道等地方存在大量淤泥質(zhì)黏土。研究顆粒的臨界起動流速可以為解決泥沙淤積問題提供科學(xué)指導(dǎo)，具有顯著的工程經(jīng)濟效益。

二、主要研究內(nèi)容：

臨界起動流速的研究最早是針對沙、礫石等可忽略粘性的較粗顆粒進行的[1]。隨著研究的深入，臨界起動流速的研究已經(jīng)涵蓋了無粘性均勻沙，粘性泥沙，淤泥質(zhì)粘土，礫卵石，主要研究顆粒的臨界起動流速與顆粒粒徑，密度等的關(guān)系，結(jié)合試驗所得的結(jié)果來確定臨界起動流速的計算公式并取得了一定的研究成果。

三、研究進展：

1.泥石流方向的應(yīng)用：

泥石流作為一種廣泛分布于世界各國一些具有特殊地形、地貌狀況地區(qū)的自然災(zāi)害。具有流速大，突然爆發(fā)破壞性強的特點。在我國泥石流溝主要是分布在四川、云南、甘肅等地。5.12汶川大地震發(fā)生之后形成的典型的后發(fā)型地震泥石流。

張惠惠等[2]2在5.12汶川大地震發(fā)生之后形成的典型的后發(fā)型地震泥石流分析當中，重點研究了泥石流形成的臨界起動流速。結(jié)合地震泥石流本身的特點，選取了五組不同的坡度，一組均勻沙和另一組非均勻沙，試驗并記錄了各個情況下形成泥石流時的水流流量和水深。結(jié)果表明臨界起動流速和顆粒中值粒徑正相關(guān)，與坡度負相關(guān)，并且顆粒的不均勻系數(shù)越大，臨界起動流速越大。

2.沖淤計算中的應(yīng)用：

黃河在中國古代稱為大河，是中國僅次于長江的第二長河，也是世界第五長河流。在中國歷史上，黃河及沿岸流域給人類文明帶來了巨大的影響，是中華民族最主要的發(fā)源地，中國人稱其為“母親河”。隨著對黃河的開發(fā)利用，興建了諸如葛洲壩水利樞紐以及小浪底水利樞紐等。與此同時，對應(yīng)產(chǎn)生的問題也暴露出來。水庫中的細顆粒泥沙隨著時間的推移，大部分會逐漸沉積下來，泥沙堆積到水庫后，會對水庫運用方式和效益發(fā)揮產(chǎn)生重要影響。對于粘性泥沙淤積后的起動流速研究也就具有重大的工程實際意義。

呂平[3]等通過在自行設(shè)計研制的矩形斷面有機玻璃管道進行泥沙起動試驗，研究了粘性泥沙的起動情況與泥沙的干容重淤積時間以及粘性顆粒含量的關(guān)系。試驗的結(jié)果表明，影響粘性泥沙臨界起動情況的主要因素是泥沙的干容重以及粘性顆粒的含量，并且臨界起動流速與泥沙的干容重以及粘性顆粒含量均呈正相關(guān)關(guān)系。

3.模糊數(shù)學(xué)在研究起動流速上的應(yīng)用

顆粒的臨界起動流速受到多方面因素的影響，例如顆粒本身的形狀、大小以及水流流速等都會對顆粒的起動情況有很大的影響，因此，泥沙的起動具有一定的隨機性。

鐘亮[4]等在由確定性方法所建立的起動流速公式基礎(chǔ)上，利用滑動平衡模式，綜合考慮水流紊動的影響建立了坡岸均勻沙水平起動時的起動流速公式。對比實測流速資料，公式計算結(jié)果與實測流速比較吻合。在處理時，將無粘性均勻沙的形狀假定為標準的圓球體，這與實際情況有一定的出入。

四.存在的問題以及展望：

隨著對顆粒臨界起動流速不斷深入的研究，取得了較大的進展，很多學(xué)者都提出了顆粒臨界起動流速計算公式，但在實際工程應(yīng)用上的效果并不理想。究其原因，其一：對顆粒起動的狀態(tài)判斷都是通過肉眼觀察，一定程度上具有主觀性。其二：顆粒在水流的作用下，起動情況收到多方面因素的影響，比如顆粒自身的形狀、大小、河床表面的坡度以及顆粒間的作用形式等等相關(guān)。

在今后的研究當中，可以將顆粒起動狀態(tài)的判斷準則明確化，提出一個切實可行的判斷準則。并且由于顆粒的起動受到多方面因素的影響，具有一定的隨機性，為此，可以適當增加試驗的數(shù)量，結(jié)果更能反映出顆粒臨界起動規(guī)律。

參 考 文 獻

[1] 何文社、方鐸、劉興年、李昌志.礫卵石起動臨界條件[J]，四川水力發(fā)電，2003， 22（1） ：64-65.

[2] 張惠惠、余斌、張健楠.洪水起動泥石流溝床物質(zhì)形成泥石流的試驗[J]，桂林理工大學(xué)學(xué)報，2013，33（3）：443—448

[3] 呂平、談廣鳴、王軍 粘性泥沙淤后起動流速試驗研究[J]， 中國農(nóng)村水利水電，2008，2：56—58

[4] 鐘亮，許光祥 基于模糊理論的無黏性均勻沙起動流速研究[J]，人民黃河，2007，29（11）：31—33