第四节 有压管流与明渠流对黏性泥沙起动影响分析[1]

如前所述，开敞水槽的水流条件较弱，一般不能满足黏性泥沙的起动冲刷条件要求，为了能产生较大的流速，试验装置采用封闭矩形管道。但管道内的流速分布，压强分布都与明渠流不同，为了探究矩形管道内的结果是否能适用于天然河道，拟在洪大林［15］压力试验分析的基础上，从理论分析结合对照试验验证的角度进行进一步研究。

一、理论分析

根据第三节黏性泥沙起动模式分析结果有：

则无论在有压管道情况下还是明渠流情况下，都可以根据前述受力分析建立的本构方程，取n=3.25^［30^，33^］，得到简化后的式（3-34）：

下面将有压管流与明渠流的水流条件代入上式分析。

有压管流的对数流速分布公式为［34］：

式中：U_y为距离床面y处的流速；U_*为摩阻流速；K_s为床面粗糙度；χ为校正系数。

假定U_d为y=K_s时的底部流速，则代入式（3-35）有：

将式（3-36）代入式（3-34）有：

同理，一般明渠流中的流速分布为［17］：

式中：κ为卡门常数（κ=0.4）；K_s为粗糙；U为明渠垂线平均流速，一般为0.4倍水深时流速；R为水力半径。

假定作用在黏性泥沙表面流速U_d=λU，其中λ为流速系数。代入式（3-38），则：

将式（3-30）代入式（3-38）有：

对比式（3-37）与式（3-39）可以看出，二者形式相似，只有流速系数项不同。由两式可以看出，不同水流条件下影响黏性泥沙起动的主要因素与微团粒径、微团容重和微团黏结力有关。一般微团为数量不等的黏性泥沙颗粒组成，故微团直径为一随机变量，目前还难以从理论上确定，但与泥沙颗粒直径及性质有一定的关系，因此可将式（3-37）与式（3-39）简化为与干容重有关的经验公式：

因此式（3-31）左边与式（3-33）第一项为流速系数项，虽与不同水流条件有关，但不是影响切应力计算结果的主要因素。故通过受力分析得出用有压管流代替明渠流得出黏性泥沙起动的结论是可以推广到明渠中的。

二、实验验证

为了检验矩形管道水槽试验结果的可靠性，选择几组黏性较差的粗颗粒泥沙分别在矩形水槽和明渠水槽中进行切应力试验，计算出切应力结果对比如表3-5所示。

从四组中值粒径不同的黏性泥沙的试验数据计算得出的切应力结果可以看出，水槽中相同粒径的散体粗颗粒泥沙的起动切应力与矩形水槽中结果符合较好，说明在封闭矩形管道中进行启动冲刷试验与一般明渠水槽中的试验结果是一致的。

同时，用经验公式来验证试验结果是否合理。唐存本［33］将重力、拖曳力、上举力及黏结力统一考虑，根据力的平衡方程式，推出了新淤黏性土的起动切应力公式：

将粒径与切应力的关系曲线绘制图3-21，同时将矩形水槽的试验结果计算出的切应力也绘出，从图3-21可以看出，起动切应力试验结果与经验公式结果符合较好。因此，用矩形管道试验代替明渠做起动试验，其结果可以适用于天然河道，进一步证明了黏性泥沙起动可用有压管道研究。