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水流作用下泥沙起动实验报告第一章实验说明1.1实验目的本实验为配合河流动力学中水流作用下泥沙起动部分的教学而设置。
通过实验希望达到以下目的：1.学习在水槽中通过测量流速推算床面摩阻流速和表观糙率的方法；学习水流作用下泥沙起动条件的测定方法，通过实际观察泥沙的起动过程，加深对泥沙起动现象的感性认识；2.通过实验仪器的操作，学会用螺旋流速仪测试流速的基本方法，提高动手能力；3.结合泥沙起动相关理论的学习，加深对泥沙起动理论的理解；4.提高数据整理、分析和实验报告的编写能力。
1.2实验要求1．实验之前，预习泥沙起动的相关理论，包括Shields 理论、窦国仁公式及武水公式。
2．实验过程中仔细观察泥沙起动情况，特别注意床面泥沙运动特征随水流强度变化而变化的情况。
3．认真完成实验过程的每个环节，包括水流速度、水深、水温的数据采集等。
4．认真编写实验报告，客观、真实地记录实验过程的主要步骤，清晰表达所观测的数据，注意尽量使用图表等表达实验结果，并将观测结果与相关理论结果进行对比，最后对所取得的结果进行分析和评价1.3实验设备装置实验所需仪器和设备包括自循环波流实验水槽、沙盘、螺旋流速仪、温度计、钢尺、沙样等。
1.4实验原理1、泥沙起动标准河底泥沙在水流条件较弱时处于静止状态。
随着水流强度的增强，泥沙将出现一个由静止状态转为运动状态的突变过程，称为泥沙起动，而相应泥沙起动时的临界水流条件称为泥沙起动条件，可用垂向平均流速、床面摩阻流速或床面剪应力等指标来表征。
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的影响，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）曾将泥沙起动程度划分为轻微起动、中等强度泥沙起动和普遍起动三个标准。
轻微起动时，床面只有屈指可数的沙粒开始起动；中等强度泥沙起动是指进入起动状态的泥沙颗粒数量难以计数；而普遍起动是指全部泥沙都进入起动状态，并伴随有床面变形。
水流作用下泥沙起动实验报告第一章实验说明1.1实验目的本实验为配合河流动力学中水流作用下泥沙起动部分的教学而设置。
通过实验希望达到以下目的：1.学习在水槽中通过测量流速推算床面摩阻流速和表观糙率的方法；学习水流作用下泥沙起动条件的测定方法，通过实际观察泥沙的起动过程，加深对泥沙起动现象的感性认识；2.通过实验仪器的操作，学会用螺旋流速仪测试流速的基本方法，提高动手能力；3.结合泥沙起动相关理论的学习，加深对泥沙起动理论的理解；4.提高数据整理、分析和实验报告的编写能力。
1.2实验要求1．实验之前，预习泥沙起动的相关理论，包括Shields 理论、窦国仁公式及武水公式。
2．实验过程中仔细观察泥沙起动情况，特别注意床面泥沙运动特征随水流强度变化而变化的情况。
3．认真完成实验过程的每个环节，包括水流速度、水深、水温的数据采集等。
4．认真编写实验报告，客观、真实地记录实验过程的主要步骤，清晰表达所观测的数据，注意尽量使用图表等表达实验结果，并将观测结果与相关理论结果进行对比，最后对所取得的结果进行分析和评价1.3实验设备装置实验所需仪器和设备包括自循环波流实验水槽、沙盘、螺旋流速仪、温度计、钢尺、沙样等。
1.4实验原理1、泥沙起动标准河底泥沙在水流条件较弱时处于静止状态。
随着水流强度的增强，泥沙将出现一个由静止状态转为运动状态的突变过程，称为泥沙起动，而相应泥沙起动时的临界水流条件称为泥沙起动条件，可用垂向平均流速、床面摩阻流速或床面剪应力等指标来表征。
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的影响，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）曾将泥沙起动程度划分为轻微起动、中等强度泥沙起动和普遍起动三个标准。
轻微起动时，床面只有屈指可数的沙粒开始起动；中等强度泥沙起动是指进入起动状态的泥沙颗粒数量难以计数；而普遍起动是指全部泥沙都进入起动状态，并伴随有床面变形。
实验三不同粒径泥沙起动流速1 实验目的了解在一定坡度下，不同粒径泥沙的起动流速，为探讨水土流失规律、制定水土保持措施规划和设计提供理论依据。
2 实验材料准备及沙粒粒径组的粒径值计算将从野外采取的沙粒手工拣去石块，用标准土壤筛筛选得到一定粒径范围的分级沙粒，粒径组分别为1.00～2.00 mm、0.50～1.00 mm、0.25～0.50 mm、0.10～0.25 mm和0.074～0.10 mm计5个粒径组，筛分后每个粒径组的泥沙重量至少为5.0 kg。
当泥沙只有一个粒径组时,常采用沙粒的几何平均值作为其平均粒径值，沙粒几何平均值的计算式如下:D i＝√D u·D b式中: D I——某一粒径组的粒径平均值;D u——某一粒径组的粒径上限值;D b——某一粒径组的粒径下限值。
以上制备的每一粒径组的几何平均值如下表所示。
实验用沙粒的几何粒径值(mm)3 实验仪器及用品3.1 可变坡度泥沙起动流速实验装置一套，主体设备包括一个长2.0m、宽0.2m冲蚀槽和一个设置在其上方的溢流式可调节流量恒水位供水水箱（图3.1）。
3.2 普通秒表一块。
3.3 红、篮液体指示剂各400 ml。
3.4 测坡仪一个。
3.5 记录本、铅笔、橡皮、小刀、计算器等文具用品适量。
3.6 Y250型毕托管4套。
4 实验原理泥沙在水流冲击下的起动流速受到多种因素的影响，主要有泥沙的几何形状、泥沙粒径大小、地面坡度、泥沙所处边壁条件的粗糙状况、水流流量大小和其流速的高低等。
本实验为简化影响条件，选用特定形状的沙粒（花岗岩风化沙粒）和特定的边壁糙率条件（糙率为0.0020），通过改变沙粒粒径、地面坡度、水流流量和流速来探讨不同粒径沙粒在特定边壁条件和不同地面坡度下的起动流速。
5 地面坡度设计和沙粒起动的判别标准5.1 地面坡度设计地面坡度设计为5°、10°、15°、20°、25°和30°6种。
河床泥沙起动流速公式修正及可靠性验证闫红杰;史雅君;周萍;李欢【摘要】在河床泥沙起动的瞬间,颗粒与水相互作用,具有相同的速度.所以在研究泥沙起动流速的时候既要考虑水体对河床泥沙的影响,又要考虑河床泥沙对水体的影响.通过探寻河床有效切应力与水体流速梯度的关系;并考虑河床泥沙内部渗流作用对泥沙起动流速的影响推导出新的均匀泥沙起动流速公式.将此公式与实验资料及前人推导公式进行对比,结果表明本公式的计算精度符合工程应用标准,能弥补采用经典流速分布公式研究泥沙起动流速时的不足;并能较好地应用于组成成分为粗粉土、沙与砾石的泥沙研究中.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2018(018)017【总页数】5页(P297-301)【关键词】河床泥沙;有效切应力;渗流;起动流速【作者】闫红杰;史雅君;周萍;李欢【作者单位】中南大学能源科学与工程学院,长沙410083;中南大学能源科学与工程学院,长沙410083;中南大学能源科学与工程学院,长沙410083;中南大学冶金与环境学院,长沙410083;长沙环境保护职业技术学院,长沙410004【正文语种】中文【中图分类】TV142在河床演变、航道回淤、泥沙污染沉积治理等工程领域中河床泥沙起动的研究是不可忽视的基础性研究。
19世纪末，Du Boys在研究泥沙运动时，考虑泥沙在起动的瞬间会受到一个临界拖曳力的作用，从而提出一个基于静摩擦力原理的简单拖曳力理论。
自此之后，Einstein 等[1]基于统计理论对泥沙运动时的拖曳力进行了无量纲的分析与研究。
Bagnold[2]采用物理学的基本概念，利用总机械能守恒的原理，建立了推移质运动公式。
Rouse根据Shields及他人的试验资料绘测出著名的Shields曲线并推导出泥沙起动的拖曳力公式。
此公式曾一度被欧美工程师用作判别泥沙初始运动的唯一准则[3]。
不过，基于流场和剪切力场之间的关系，更多的学者则是通过研究流速来判定泥沙的起动。
第四节河流泥沙的运动一、推移质运动推移质的运动来源于床面泥沙的起动。
当床面泥沙起动达到一定程度后，床面会出现起伏不平的沙波，而沙波运动又往往是推移质运动的主要形式。
因此，在介绍推移质运动时，往往需要涉及到河床泥沙的起动、起动流速及沙波运动的相关概念。
1.泥沙的起动流速设想床面为泥沙组成且具有一定厚度，在这种水槽中施放水流，使水流的速度由小到大逐渐增加，直到使床面泥沙(床沙)由静止转入运动，这种现象称为泥沙的起动。
泥沙颗粒由静止状态变为运动状态的临界水流条件，称为泥沙的起动条件。
泥沙的起动条件常用起动流速Uc表示，它相当于床面泥沙开始起动时的水流平均流速U。
对于天然沙，其起动流速常由下式计算：U c = 4.66131hd（3-3）式中，d为泥沙粒径；h为水深。
适用范围：d>0.15~0.2mm。
泥沙的起动流速是关系到河床冲刷状态的重要判据，因此，对它的研究具有重要的理论与实践意义。
例如，在研究坝下游河床冲刷时，首先需计算河床泥沙的起动流速。
当河道实际水流流速U超过床沙的起动流速Uc时，就可判定，河床就会被冲刷；反之，河床就不会发生冲刷。
河床在冲刷过程中，水深随之增加，流速降低，当发展到水流条件不足以使床面泥沙继续起动时，冲刷便会自动停止。
再如，组成河床的泥沙粗细不均时，则细的颗粒被水流优先冲走，粗的颗粒留下来逐渐形成一层抗冲覆盖层，冲刷逐渐停止下来。
河床冲刷前的高程与冲刷终止后的高程之差，即为河床的冲刷深度。
下面举例说明泥沙起动流速公式的具体实际应用方法及其意义。
算例：已知某水库下游河段河床沙质组成，河宽B=200m, 过水面积A=500m2，床沙平均粒径d=5.5mm, 问当水库下泄流量Q=500m3/s时,河床会否发生冲刷？可能冲深多少？解：（1）判断河床会否发生冲刷？V = Q/A = 500/500 = 1.0 m/sH = 500/200 = 2.5 m由沙莫夫公式Vc= 4.6d1/3H1/6 = 4.6×（5.5×10-3）1/3×2.51/6= 0.946 m/s∵ V > Vc，∴河床会发生冲刷。
第五章泥沙的起动与推移运动水流强度达到某一临界值时，静止于河床表面的泥沙颗粒就会开始运动。
确定此时的水动力条件就可得到临界起动条件，如临界起动剪切应力、临界起动流速等。
临界起动条件取值的大小与给定的河床泥沙颗粒级配有关。
水流强度超过临界起动条件后，较粗的泥沙颗粒会沿床面滑动、滚动或跃移，统称推移质运动。
泥沙颗粒的临界起动条件和推移运动机理可以采用经典力学的方法进行研究。
5 .1 研究泥沙起动的方法泥沙的临界起动问题是河流动力学研究的重要组成部分，早在二百多年前就有许多学者对这一问题进行了深入研究。
20世纪30年代，通过试验得到了泥沙临界起动情况下，边界切应力与颗粒特性的Shields曲线。
近年来，研究工作的重点是工程实际中经常遇到的非均匀沙、粘性颗粘和海底淤积物起动等问题。
5 .1 .1起动现象的描述一颗静止于床面上的泥沙，所受的力主要包括水流促使其起动的力和床面阻止其运动的F和力。
当二者平衡时，泥沙颗粒将处于临界起动状态。
先假定水流的怍用力只有水平分量d F,则泥沙颗粒在其水下重力W 、水流作用力和床面反力的综合作用下，因其所垂直分量L处的位置不同而可能发生滑动、滚动或跃移，示意如图4-l。
从上述三种最简单的例子中已可以看到天然河流中泥沙起动的复杂性。
对河床表面任一指定位置的颗粒，其大小、形状和与其他颗粒的相对位置都是随机的。
另一方面在天然河流中，水流都具有脉动的性质既其作用在床面上某一指定位置上颗粒的力也完全是随机的。
由于这些原因，研究床面上某一指定位置的泥沙颗粒的起动，会遇到双重的随机性。
因此有人认为对这一问题的研究没有实际的意义，如Lavelle和Mofjeld(1987)分析了大量前人有关起动问题的资料后得出：在任一水流条件下，都不存在所谓的临界起动条件。
又如Einstein的整个输沙理论中就没有用到起动的概念。
尽管如此，从学科发展的理论体系和生产实践的应用来看，研究泥沙的临界起动条件都有重要意义，所以它至今仍是本学科的热点研究课题，从研究方法上可以分成两个方同：一是分析大量泥沙颗粒临界起动的综合情况，认为在某一水流和床面条件下，可以从统计的角度来确定泥沙的临界起动条件。
第四节河流泥沙的运动一、推移质运动推移质的运动来源于床面泥沙的起动。
当床面泥沙起动达到一定程度后，床面会出现起伏不平的沙波，而沙波运动又往往是推移质运动的主要形式。
因此，在介绍推移质运动时，往往需要涉及到河床泥沙的起动、起动流速及沙波运动的相关概念。
1.泥沙的起动流速设想床面为泥沙组成且具有一定厚度，在这种水槽中施放水流，使水流的速度由小到大逐渐增加，直到使床面泥沙(床沙)由静止转入运动，这种现象称为泥沙的起动。
泥沙颗粒由静止状态变为运动状态的临界水流条件，称为泥沙的起动条件。
泥沙的起动条件常用起动流速Uc表示，它相当于床面泥沙开始起动时的水流平均流速U。
对于天然沙，其起动流速常由下式计算：U c = 4.66131hd（3-3）式中，d为泥沙粒径；h为水深。
适用范围：d>0.15~0.2mm。
泥沙的起动流速是关系到河床冲刷状态的重要判据，因此，对它的研究具有重要的理论与实践意义。
例如，在研究坝下游河床冲刷时，首先需计算河床泥沙的起动流速。
当河道实际水流流速U超过床沙的起动流速Uc时，就可判定，河床就会被冲刷；反之，河床就不会发生冲刷。
河床在冲刷过程中，水深随之增加，流速降低，当发展到水流条件不足以使床面泥沙继续起动时，冲刷便会自动停止。
再如，组成河床的泥沙粗细不均时，则细的颗粒被水流优先冲走，粗的颗粒留下来逐渐形成一层抗冲覆盖层，冲刷逐渐停止下来。
河床冲刷前的高程与冲刷终止后的高程之差，即为河床的冲刷深度。
下面举例说明泥沙起动流速公式的具体实际应用方法及其意义。
算例：已知某水库下游河段河床沙质组成，河宽B=200m, 过水面积A=500m2，床沙平均粒径d=5.5mm, 问当水库下泄流量Q=500m3/s时,河床会否发生冲刷？可能冲深多少？解：（1）判断河床会否发生冲刷？V = Q/A = 500/500 = 1.0 m/sH = 500/200 = 2.5 m由沙莫夫公式Vc= 4.6d1/3H1/6 = 4.6×（5.5×10-3）1/3×2.51/6= 0.946 m/s∵ V > Vc，∴河床会发生冲刷。
