波流作用下泥沙起动实验的教学实践

钟桂辉，刘曙光，沈 超，张 庆

（同济大学土木工程学院水利工程系，上海 200092）

波流作用下泥沙起动实验的教学实践

钟桂辉，刘曙光，沈 超，张 庆

（同济大学土木工程学院水利工程系，上海 200092）

为了加强学生对泥沙起动相关理论的学习和理解，特设计出适用于本科教学的“波流作用下泥沙起动实验”。通过观察泥沙起动现象、测量泥沙起动流速、分析对比实验数据，使学生全面掌握波流作用下泥沙的起动、床面变形和泥沙输移问题。该实验的教学应用，有效激发了学生的学习兴趣，培养了学生严谨的科研作风，提高了学生分析问题和解决问题的能力。

实验教学实践；波流作用；泥沙运动；起动流速

泥沙起动和泥沙输移规律的研究与港口工程、水运工程的整治和建设戚戚相关，泥沙运动规律在航道整治、水库排沙、河床整治、河口海岸的开发、桥梁冲刷、水环境保护以及水土保持等方面有着重要的实践和应用价值。由于影响泥沙起动的因素十分复杂，实验数据也存在着一定的离散性，国内外学者做了大量的研究工作，基本解决了单向水流条件下的泥沙起动问题［1－3］，但对于波浪作用下的泥沙起动问题，不同学者所采用的起动标准和各自验证资料不同，目前仍没有一个公认的泥沙起动标准，导致公式在形式和计算结果上相差较大［4］。设计出行之有效的“波浪和水流作用下的泥沙起动实验”，可巩固和验证学生所学的专业基础理论，并可将学术研究的前沿问题通过实验来展现和探讨，培养学生的学习兴趣和探索创新精神。

1 基本原理

河床上静止的泥沙颗粒，随着水流条件的增强，到一定条件时开始运动，这种现象称为泥沙起动，由于水流的脉动性、泥沙颗粒的不均匀性以及泥沙在床面上排列方式的差异等因素影响，泥沙起动条件具有一定随机性，表现为即使是均匀沙也不会同时进入起动状态。但从统计角度看，泥沙起动条件仍然具有确定性。实际泥沙起动实验中，克雷默（H.Kramer）［1］曾将泥沙起动程度划分为无泥沙起动、轻微起动、中等强度泥沙起动和普遍起动4个阶段。相应泥沙起动时的临界水流条件称为泥沙起动条件，可用起动流速、起动拖曳力和起动功率等指标来表征。

1992年版的《泥沙手册》［2］列出了9家颇具代表性的泥沙起动流速公式，分别是张瑞瑾公式、唐存本公式、杨志达公式、希尔兹公式、岗恰洛夫公式、列维公式、沙莫夫公式、耶鲁斯克公式和窦国仁公式。前3个考虑了泥沙颗粒间的黏结力，而后6个没有考虑。其中张瑞瑾公式、耶鲁斯克公式 、唐存本公式采用的是指数形式，其余采用的是对数形式。为使泥沙起动的判别能有某种定量的标准，许多学者作过尝试，窦国仁［5］建议以瞬时底速u0来作为衡量泥沙起动的水力指标。根据他的分析，瞬时底速u0的概率密度分布为：

当u0取不同值时，相应的起动概率P对应克雷默提出的3种推移质运动状态，分别为：

个别起动

少量起动

大量起动

式中：u0c为起动底速，σu0c为脉动底流速的均方差。由于作用于泥沙的瞬时流速在实际工作中不易确定，常用垂线平均流速来表达起动条件［1］。如果采用指数形式的流速分布公式，有沙莫夫公式：

如果采用对数形式的流速分布，有岗恰洛夫公式：

式中：Uc为临界起动流速（起动条件下的垂线平均流速）。

除采用起动流速表示之外，还可用起动拖曳力表示，这一观点在欧美学者［6－8］中被广泛认可，他们认为起动拖曳力θc＝f（Re＊）＝τ＊/（γs－γ）/D与摩阻雷诺数Re＊有关，著名的是希尔兹（A.Shields）曲线图。

研究波浪作用下的泥沙起动，主要有3种方法：

（1）力的平衡法。认为波浪作用下泥沙颗粒主要受到重力、拖曳力、上举力、体积力、黏结力、附加静水压力的作用，当泥沙颗粒刚刚开始运动时，作用在沙粒上的合力和合力矩为零［9－10］。这样泥沙的起动速度就能从力的平衡方程解得。

（2）利用实验数据来推导泥沙起动的经验或半经验公式 .这种方法的主要缺点是没有普遍性。

（3）希尔兹（A.Shields）曲线法。假设水流作用下沙粒起动的临界底床剪应力和波浪作用下泥沙起动的临界剪应力是相等的，Shields曲线也可用来研究波浪作用下的起动问题［11］。

波浪作用下泥沙起动的表示方法有2种：起动流速（也有化为起动角频率表示的）和起动切应力。与水流作用差别在于：波浪作用的起动流速用临底处波动水质点的最大水平速度来表示，临界起动切应力采用波浪理论中的计算床面最大切应力的方法来表示。

2 实验设计

2.1 实验装置及设备

实验在波流水槽［14］中进行，水槽长50m，宽0.8 m，深1.25m，可生成波浪和双向水流。水槽中段放置长宽高为2.0m×0.8m×0.1m的沙盘，两端用高0.1 m的混凝土与沙盘平顺连接。沙盘中装满粒径范围在0.15mm～0.65mm的模型沙，上方安装1个三维流速（ADV），2个旋桨式流速仪，2个浪高仪，分别测量流速、波高和周期（见图1）。实验水深h＝0.20m。

2.2 实验内容

（1）模型和设备的布置。实验前让学生参与模型的布置，熟悉仪器设备的使用方法，掌握操作要领，锻炼学生的动手能力。

（2）单向水流条件的泥沙起动。启动波流水槽水流模拟系统，慢慢由小到大调整水流流速，直至沙床面大约有15%的泥沙在水流作用下做推移运动，此时停止加水流流速，测试断面平均流速，此时的流速为临界起动流速；继续加大流速，当沙床面大约有85%的泥沙在水流作用下做推移运动，此时的流速为全面起动流速；再次以一定增量加大流速，当发现床面出现大范围特征明显的成片沙纹时，测试流速为沙纹形成流速。

（3）规则波作用下的泥沙起动。启动波流水槽造波系统，首先生成规则波，波周期取1.0s，波高由5 cm开始，每隔0.5cm慢慢增大，观察泥沙运动、床面变形及泥沙输移状态。当表层沙约有15%的泥沙均匀摆动时，测量此时临底处最大水平速度；测量表层沙约有85%来回运动时的最大水平速度为全面起动流速。继续加大波高，观察到沙粒运动剧烈，形成沙坑、沙纹时泥沙颗粒的运动状态。

（4）不规则波作用下的泥沙起动。启动波流水槽造波系统，生成不规则波。实验选择JASWSWAP谱，平均波周期取1.0s，有效波高由5cm开始，每隔0.5cm慢慢增大，观察泥沙运动情况，测量泥沙起动流速和全面起动流速。对不规则波采用的起动标准［10］：较细沙（D＜0.5mm）起动时一般明显有沙纹出现，较粗沙（D＞0.5mm）则可看到沙粒输移现象。

3 实验数据及分析

水流作用下及波浪作用下的泥沙起动公式有数十上百个，对实验数据进行分析处理之前，要求学生对泥沙起动公式进行梳理，选择个人认为比较合适的泥沙起动公式进行实验数据和理论数据的对比分析。要求在实验报告中写清实验过程直观现象的观察和分析、实验的原始数据、理论公式的依据、实验数据与理论公式误差及原因。

3.1 单向水流条件下的泥沙起动

根据实验内容，测量3种情况（临界起动、全面起动、沙纹形成时）的断面平均流速。取3个测点，各测3次，得出3种情况下测点平均流速值（见表1）。

表1 3种情况下断面平均流速 m·s－1

表2 实验计算希尔兹相关参数

将实验结果点汇在希尔兹曲线上（见图2），发现实验结果与理论有一定差距，主要原因有2点：一是判断泥沙是否属于临界起动状态主要是靠肉眼观察，具有一定的主观随意性；二是测量仪器有误差。

图2 实验结果与希尔兹曲线的对比

3.2 规则波及不规则波条件下的泥沙起动

根据实验内容，测量临界起动、全面起动、沙纹形成时的断面平均流速和波高，见表3。

表3 3种情况下断面平均流速及起动时波高

4 结束语

通过波流作用下泥沙起动实验的设计和教学，能将泥沙起动和泥沙输移理论与实验教学有机地融为—体，既巩固了学生的专业基础知识，又提高了学生的实验动手能力。同时，该实验教学中配置了比较先进的实验设备——三维点流速仪，开阔了学生的视野，提高了学生对实验的学习兴趣，对提高学生的综合素质和能力有极大的促进作用。

（References）

［1］王昌杰.河流动力学［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］中国水利学会泥沙专业委员会.泥沙手册；M］.北京：中国环境科学出版社，1992.

［3］钱宁，万兆惠.泥沙运动力学［M］.北京：科学出版社，l993.

［4］张向东，曹广学.波浪作用下的泥沙问题研究进展［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32（12）：1900－1903.

［5］窦国仁.论泥沙起动流速［J］.水利学报，1960（4）：44－60.

［6］Buffington J M.The legend of A.F.Shields［J］.Journal of Hydraulic Engineering ASCE，1999，125（4）：376－387.

［7］Cao Z，Pender G，Meng J.Explicit Formulation of the Shields Diagram for Incipient Moting of Sediment［J］.Journal of Hydraulic Engineering ASCE，2006，132（10）：1097－1099.

［8］Yalin M，Karahan E.Inception of Sediment Transport［J］.Journal of Hydraulic Divisition ASCE，1979，105（11）：1433－1443.

［9］Eagleson P S，Dean R G，Peralta L A.The Mechanics of the Motion of Discrete Spherical bottom sediment Particle due to Shoaling Wave；R//Technical Memo，No.104.U S Army Corps of Engineers，Beach Erosion Board，1958.

［10］窦国仁，窦希萍，李提来.波浪作用下泥沙的起动规律［J］.中国科学：E辑，2001，31（6）：566－573.

［11］Madsen O S，Grant W D.Quantitative Description of Sediment Transport by Waves［C］.Proc 15th Coastal Eng ASCE，1976：1093－1112.

［12］顾家龙，鲁祥林.波浪作用下泥沙运动研究述评［J］.华水科技情报，1984（4）：1－13.

［13］Jonsson I G.Wave boundary layers and friction factors［C］.Proc 10th Conf Coastal Eng，1967：127－148.

［14］钟桂辉，刘曙光，匡翠萍.波流水槽模拟系统在本科教学中的应用［J］.实验技术与管理，2012，30（8）：40－43.

［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

上海市高校本科重点教改项目（0200104271）；同济大学实验教改项目（0200104267）；同济大学精品实验项目（0200104263）

钟桂辉（1971—），女，辽宁，在职博士研究生，讲师，主要从事水利港口实验室管理、水利工程、城市及流域的防洪研究

E－mail：04098＠tongji.edu.cn

刘曙光（1962—），男，江苏，教授，博士生导师，主要从事港口海岸工程、海岸带泥沙输移、城市及流域的防洪研究.

E－mail：liusgliu＠tongji.edu.cn