[发明专利]基于成团起动机理的粘性泥沙床面起动切应力计算方法

说明书

本发明公开了一种基于成团起动机理的粘性泥沙床面起动切应力计算方法，包括以下步骤：1)获取粘性泥沙床面分散颗粒的代表粒径d；2)确定粘性泥沙床面团聚体的表观密度ρ_a和干密度ρ_da；3)确定粘性泥沙床面团聚体分形维数D_f；4)计算粘性泥沙床面团聚体的代表尺寸d_a；5)确定粘性泥沙床面团聚体临界Shields函数θ_cr0；6)确定粘性泥沙的粘性系数A；7)计算粘性泥沙床面起动切应力τ_cr。相比于现有常见粘性泥沙床面起动切应力，本发明公开了床面起动切应力计算方法能够更合理地反应粘性泥沙以团聚体形式起动的物理机制，且适用性更广。

技术领域

本发明涉及一种基于成团起动机理的粘性泥沙床面起动切应力计算方法，具体地涉及一种根据粘性泥沙床面基本物理性质确定其冲刷阈值的计算方法，属于泥沙动力学技术领域。

背景技术

在湖泊、河流和海洋中，当水流引起的床面切应力超过床面泥沙的起动切应力(或称为临界冲刷切应力)时，就会发生泥沙冲刷。泥沙冲刷对涉水工程的安全、水下地形地貌演变以及水质水环境有着重要影响。因此，准确计算床面泥沙的起动切应力尤为重要。

粘性泥沙是指基本颗粒粒径小于63微米的泥沙，广泛分布于湖泊、大江大河的中下游以及淤泥质海岸环境中。粘性泥沙基本颗粒较小，比表面积较大，颗粒表面的电化学作用十分活跃，由电化学作用引起的粘着力在泥沙冲刷行为中扮演重要的作用。由于粘性力的存在，粘性泥沙基本颗粒往往形成大小不一的团聚体(絮团)。在低流速下，粘性泥沙往往以团聚体的形式冲刷。

目前，有关粘性泥沙起动切应力的研究主要分为两类。一类直接将泥沙起动切应力与泥沙的物理力学特性(如表观密度、干密度、内聚力、塑性和屈服强度等)相联系，通过物理实验建立经验公式。另一类试图量化粘性力，通过受力分析构建粘性泥沙的起动切应力；这一类的公式有唐存本公式、韩其为公式、窦国仁公式等。第一类研究回避探讨细颗粒间复杂的粘着力和粘性泥沙的起动机制，公式往往具有较强的经验性。第二类研究试图从理论上构建更符合物理机制的起动切应力公式。然而，第二类的大多数研究均基于单颗粒起动假设，与粘性泥沙以成团起动的事实不符。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于成团起动机理的粘性泥沙床面起动切应力计算方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于成团起动机理的粘性泥沙床面起动切应力计算方法，包括如下步骤，

1)获取粘性泥沙床面分散颗粒的代表粒径d；

2)确定粘性泥沙床面团聚体的表观密度ρ_a和干密度ρ_da；

3)确定粘性泥沙床面团聚体分形维数D_f；

4)计算粘性泥沙床面团聚体的代表尺寸d_a，计算公式为：

式中：ρ_s为粘性泥沙床面分散颗粒的密度；

5)确定粘性泥沙床面团聚体临界Shields函数θ_cr0，该函数在数值上等于粒径为d_a，颗粒密度为ρ_a的无粘性泥沙的临界Shields数；

6)确定粘性泥沙的粘性系数A；

7)计算粘性泥沙床面的起动切应力τ_cr，计算公式为：

式中：ρ_w为水的密度。