摘要：修建水库是开发河流、综合利用水资源的一种重要方式。修建大坝后，库区河道水位抬高，流速降低，使卵石及一部分泥沙在库区内淤积。河床演变以泥沙运动为基础，为合理开发利用河流，就必须充分认识和掌握河流演变的客观规律。尽管国内外对床沙的起动、输沙、床面粗化、颗粒相对隐暴度等问题以及与水流条件之间的关系进行了大量的研究，但由于实验设备、测试方法以及机理的研究还存在不足，仍有进一步的研究空间。

关键词：非均匀沙；泥沙启动；隐暴度；床面粗化

1.概述

修建大库容、高水头的水库是开发河流、综合利用水资源的一种重要方式。修建大坝后，在大坝上游形成很长的水库区，使库区回水变动段下游内的滩险可全部淹没，水深增加，水位稳定性增加，航道条件大为改善。但由于蓄水，库区河道水位抬高，流速降低，使卵石及一部分泥沙在库区内淤积。一方面，使得水库有效库容减小，缩短了水库的使用寿命；另一方面，回水变动区卵石的堆积会影响通航，并引起水库“翘尾巴”现象的发生；同时，影响上游码头、取水口、支流河口及航运交通。为合理开发利用河流，就必须充分认识和掌握河流演变的客观规律，并对今后的发展趋势做出定性或定量的预测[1]。泥沙运动是河床演变的主要诱导因素，水流与河床的相互作用以泥沙运动为纽带，故河床演变以泥沙运动为基础。因此，研究泥沙的起动机理及运动规律是掌握河床演变规律的关键。

2.研究背景与意义

非均匀沙的起动和运动规律很复杂。从动力学观点看，河床冲淤是河段来水来沙及床面组成条件相互作用的结果。尽管国内外对床沙的起动、输沙、床面粗化、颗粒相对隐暴度等问题以及与水流条件之间的关系进行了大量的研究，但由于实验设备、测试方法以及对泥沙输移的机理的研究还存在一些不足，对床面组成特性对推移质运动的影响研究得还不很深入，对非均匀沙的起动条件仍有进一步的研究空间[2]。

（1）泥沙启动机理

泥沙的起动条件是指泥沙由静止状态转为运动状态的临界条件，是河流动力学和泥沙工程学领域的一个基本问题。若组成河床的泥沙很粗，实际的水流情况未达到足以使之起动的条件，就不会发生冲刷；或者河床由不均匀的泥沙和砾石组成，较细的能够起动，较粗的不能起动，则细的部分被冲走，粗的则留下来，逐渐形成一个覆盖层。这个覆盖层达到一定厚度后，足以保护下层的泥沙不再被冲走，冲刷便停止；或者河床的组成比较细，能够全部起动，则冲刷现象将迅速发生和发展。但当冲刷达到一定程度后，水深增加了，而流速降低了，水流条件不足以使泥沙继续起动，这时冲刷过程便会停止。要对上面所述的现象进行定性和定量的探讨，就必须对泥沙的起动条件及其运动规律有较清晰得认识。

以往这一领域的研究，多将均匀沙作为研究对象。目前，计算均匀沙起动的公式就有数十种之多，且公式均通过了实测资料的检验，但不同公式之间系数相差较大，有些学者将其归结为判断起动状态的不同，尚未达成共识。对非均匀沙，特别是对不均匀程度很大的宽级配非均匀沙，至今弄清楚其基本原理，因而非均匀沙启动一直成为泥沙理论研究领域的一项难点和前沿课题。自1753年Brahms提出泥沙起动流速与泥沙重量的1/6次方成正比的论断以来，不同学者相继进行了试验研究和理论分析，根据其所考虑的影响因素及试验资料，提出了形式各异的计算式。但由于问题本身的复杂性，所得结果尚未令人信服。泥沙起动条件很复杂，这是因为影响床面上泥沙颗粒起动因素的随机性较大。主要表现在以下几个方面：

1）作用在泥沙颗粒上力（或流速）的脉动性；

2）泥沙颗粒形状的多样性；

3）泥沙颗粒在床面上的排列及所处位置的随机性和复杂性；

4）床沙组成的非均匀性；

5）泥沙补给条件的不确定性等。

因此，要全面考虑以上影响因素的作用是十分困难的。迄今通过实验研究泥沙起动的过程中所采用的判别标准多为Kramer的方法（1935），对泥沙起动还没有得到定量标准，这使得通过试验得到的起动条件往往因人而异，造成较大误差，但是这种误差仅仅是对公式参数的影响，真正的困难在于对复杂的非均匀泥沙起动问题本质机理的探讨，获取符合实际的认识及相应的计算方法。

（2）床沙隐暴度

泥沙起动是考虑群体颗粒中的个体，与单个颗粒完全暴露在床面上的起动不同，群体中的泥沙颗粒起动需要考虑相邻颗粒的作用，对散粒体泥沙主要考虑颗粒间的隐暴作用。非均匀沙在其运动过程中，大小颗粒影响十分强烈。这种影响主要表现为粗细颗粒之间的隐暴作用。目前，对非均匀沙床面的水流结构、粗细颗粒的排列及床面位置等问题的认识还不很完善。泥沙颗粒间的隐暴作用是由于床面上颗粒的相互排列位置变化而产生的，可以通过附加作用力、隐暴系数或暴露度等方式加以体现。群体颗粒中具有一定隐暴度的颗粒与完全暴露的单颗粒区别在于另受一附加力作用。秦荣显认为附加阻力与床沙组成、自然粗化和颗粒位置有关，并假定附加阻力与混合沙平均抗剪力成比例。许多研究者认识到非均匀沙与均匀沙在受力、起动和输沙等方面的差别，从表面上来看引入了不同含义的隐暴系数，实际上多数研究者将其作为一个常数，这不尽合理。

由于隐暴作用在泥沙起动中的特殊地位，一个泥沙起动随机模型如果不能合理描述隐暴作用的随机特性，这一模型就不可能是完善的，甚至是不合理的。

（3）床面粗化

河床冲刷与粗化的研究在水利、水运及水电工程中有着重要的实际意义，是解决河床演变问题的关键之一。此问题之所以重要不仅是因为天然河流普遍地存在着粗化，而且还在于自然粗化程度高低，对水流输沙能力、动床水流阻力影响颇大，又直接影响着河床冲淤演变计算和水面线的准确计算。目前虽已有不少研究者对床沙粗化，从起动条件或起动概率的角度进行了研究，但问题还没有完全解决。在天然河道中，当河道水沙条件改变引起床面冲刷时都会出现粗化。这主要是因为冲刷过程中粗细沙粒投入运动的数量与床沙级配并不成比例。实际情况是起初细颗粒起动位移较多，久而久之，床沙组成逐渐变粗，起动颗粒越来越少，最终在床面上形成一较稳定的抗冲粗化层。因此，强化了河床的抗冲能力，制约了冲刷的进一步发展。床沙粗细化是预报坝下河床冲刷深度、挟沙能力和河相关系的关键。如今泥沙界普遍地认识到不均匀沙的起动输沙过程同时是床沙粗化过程。

非均匀沙在粗化过程中，表面床沙组成及颗粒所处的环境不断变化，具有非恒定性。非均匀沙颗粒的起动输沙条件不仅决定于水流强度，而且还决定于沙粒所处的环境及相对位置等，使得同样大小的颗粒在不同的床沙环境中，具有不同的起动流速或切应力。

不少学者在床沙粗化的研究中，用泥沙颗粒起动的临界条件或起动概率来反映粗化的进程，所得结果在某种程度上能计算极限冲刷或粗化层。然而，目前对粗化过程及暴露度探讨的较多，而给出合理、简明、且能反映粗化过程实质的表达式还较少。因此进一步开展对粗化过程及稳定粗化层等的研究，是十分必要的。值得指出的是，近年来由于计算机技术的迅速发展，数学模型己愈来愈显示出其强大的生命力，已经开发成功的一些泥沙数学模型，能够初步模拟涉及床沙组成、输沙率、河床变形等问题。

3解决办法

可以通过理论推导加物理模型试验的方法，针对不同的起动状态，探讨起动状态及起动标准。

在理论分析的基础上，建立水流脉动、床面泥沙颗粒的暴露度、非均匀沙组成特性等相关变量的泥沙启动数学方程，并将其与起动条件相联系。然后在起动临界条件确定的前提下，探讨推移质输沙率、推移质级配及粗化层级配等。再对一些参数的取值，进行理论分析、探讨和计算，给出系数的取值范围。最后，进行物理模型试验研究，采用水槽试验及收集到的野外资料对方法进行验证。

参考文献：

[1]何文社.非均匀沙运动特性研究[D].四川：四川大学，2002：1-3.

[2]马菲.泥沙颗粒运动规律及非线性分析[D].天津：天津大学，2012：9-12.