水流作用下泥沙起动实验报告

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。

显然，采用不同的主观标准，得到的泥沙
起动条件也会有一定差异。

一般采用中等强度起动标准建立起动公式者居多。

泥沙的起动条件参数可以通过多种方法获得。

如，可以通过将水流调试成严格的均匀流，再测定起动时的水深和水面比降，进而用如下公式计算出床面摩阻流速。

*u gRs = （1）
式中，u*为摩阻流速；g 重力加速度；R 水力半径；s 水面坡降。

2、流速的测量
测定水面坡降的方法需要精确调试均匀流，操作起来较烦琐。

可以通过测定流速垂向分布的方法来间接获得床面摩阻流速，原理如下。

假定水槽底面水平情况下水流速度垂向分布近似符合对数流速律。

* 5.75log 30.2u z u ⎛⎫= ⎪∆⎝
⎭ ( 2 ) 式中，s
k χ∆=，称为当量糙率。

方程（2）中含有两个未知数*u 和∆。

根据两个高度1z 和2z 上的实测流速1u 和2u ，通过联立方程可算出*u 和∆。

注意：
（1）严格地说，上述平底得到的水流运动并非真正的明渠均匀流，而是属于射流，因此，该方法是一种近似方法。

（2） 由于对数流速律仅在底部0.2h 范围的对数流速区
**
30500z u u νν<< 内遵循对数流速律，故在联立求解摩阻流速和当量糙率时，应尽量将测试点选在该范围内。

为了检验实测流速是否符合对数流速律，应将实测流速结果绘在对数坐标下进行检验（图1）。

图 1 对数坐标下的实测对数流速
（3）为了提高计算精度，除了保证所用实测流速点严格位于对数流速区**
30500z u u νν<<，还应进行多点测量，反算出多个摩阻流速和表观糙率后进行平均。

建议在对数流速区内至少设置五个流速测点。

断面平均流速可以采用五点流速测试法（图2），用五点流速加权平均计算平均流速的公式为
()0.00.20.60.8 1.0133210
U u u u u u =++++ （3） 式中,0.0u 、0.2u 、0.6u 、0.8u 和 1.0u 分别为水面、水深为0.2h 、0.6h 、0.8h
以及水底处的流速。

图 2 五点法测定平均流速测点位置示意图
3、观测结果的分析
泥沙的临界起动水流条件可以通过前人的理论成果算出，如Shields 理论、窦国仁公式和武水公式等。

由Shields 公式可计算临界摩阻流速*c u ，或泥沙临界起动床面切应力c τ ；由窦国仁公式或武水张瑞谨公式可计算临界断面平均流速c U 。

理论上，由泥沙起动
公式计算
得到的临界起动条件与实测临界起动条件应该一致。

请将自己实测的结果点绘到Shields 图上，亦可直接将实测结果与起动流速公式
结果进行对比，检验试验结果与前人结果的符合程度。

第二章实验操作步骤与实施
2.1实验步骤
1．认识并熟悉实验装置（包括螺旋流速仪、实验水槽等）。

2．将水槽调整到水平（或略倾斜），在水槽中放水到一定水深。

开动水泵，由小到大调节水槽流量。

3．观察泥沙起动现象，记录泥沙起动状态。

当观察到泥沙处于临界起动状态时，测定水流流速和水深。

注意每个测点流速数据应采集三次做平均，作为该点的流速实测结果。

4．关闭水泵，整理实验设备，实验完毕。

2.2测点选取及测量方法
在实验过程中，选取含沙段之前的断面进行流速测量：
1、在临界起动、全面起动和沙纹形成时三种状态下分别进行；
2、以上三种状态均选择五个不同水深测点进行，分别为0、0.2h、0.6h、0.8h、h；
3、每个水深测点进行三次测量，流速结果分析取用其平均值。

2.3 实验描述
1．水槽中实验水深调整至25cm，螺旋桨测速仪上下框距离
1cm。

在实验水深范围内，按要求取五个测点，则认为各测点流速分别为水深0，5cm，15cm，20cm和25cm处的流速。

2．实验现象：
（1）实验刚开始时，只有少数悬浮物质随着水流运动。

加水流流速，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，开始依次测定选定五个测点的流速，每个测点读取三个稳定流速数据，取平均值为该测点的流速值。

（2）第一轮流速测定完毕，继续加流速，适当加大一次的流速增值，直至沙床面大约有85%的大量泥沙在水流作用下做推移运动，此时再次停止加水流流速，开始第二轮流速测定。

（3）第二轮流速测定完毕，再次以一定增量加大流速，当发现床面局部开始出现不明显的沙纹时，减小每次的流速增量，直至沙床面出现大范围特征明显的成片沙纹时，不再加大流速，进行第三轮流速测定。

2.4实验结果
水深条件h=0.25m，泥沙粒径d=0.37mm。

三种状态下测速结果如下：
表1 临界起动下水流速度测量结果（单位：m/s）
表2 全面起动下水流速度测量结果（单位：m/s）
表3 沙纹形成时水流速度测量结果（单位：m/s）
第三章 实验结果分析处理
3.1结果计算处理 1．平均流速
取平均值后三种情况各测点速度取值列于下表：
表4 三种情况下测点平均流速（m/s ）
2．实验分析
（1）实验临界希尔兹参数
根据靠近底层两个点（即水底和0.8h 处，实测点z 取值分别为0.01m 和0.05cm ）流速，根据对数流速公式：
* 5.75log 30.2u z u ⎛
⎫= ⎪∆⎝
⎭
计算摩阻流速*u 和当量糙率∆。

然后可得到Shields 公式所需参数：
**
u d
R ν
=
*()s r r d
ττ=
-
其中，20*u τρ=。

将各计算参数结果列于下表：
表5 实验计算希尔兹相关参数
u*
log ∆
R* τ0
τ*
临界起动 0.012 -3.335 4.846 0.365 0.060 全面起动 0.012 -4.054 4.937 0.379 0.062 沙纹形成
0.018 -3.465
7.314
0.832 0.136
（2）检验试验结果与前人结果的符合程度
图4 试验结果与前人结果对比图
3.2 实验结论
由图4对比可以看出，实验得到的临界起动Shields参数与前人结果有一定的差距，造成此结果的可能原因主要有以下几条：
a)、由于测量仪器有误差，导致数据失真。

b)、由于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，故导致数据采集点的误差。