均勻泥沙縱向相對暴露度的試驗研究

陳家萱 張根廣 周雙

摘要：對泥沙縱向相對暴露度的概念進行了修正，通過自行設計的試驗裝置測量了均勻玻璃球的絕對縱向暴露度，分析計算了縱向相對暴露度及其分布規律。結果表明，玻璃球縱向相對暴露度可分為x、y，兩個分量，其中：x分量取值區間為1.0～4.5，服從指數分布；y分量的取值區間為-1.5～1.5，近似服從正態分布。分別給出了x、y分量的邊緣概率密度公式，并利用實測資料對式中的參數進行了率定，得到縱向相對暴露度的取值區間為一個3.5×3.0的面域，取值落在該面域內各點的概率可以利用給出的縱向相對暴露度邊緣概率密度公式計算得到。

關鍵詞：均勻泥沙；縱向相對暴露度；概率分布；試驗

泥沙相對暴露度反映了泥沙顆粒在床面上的相對位置，其大小直接決定著床面上泥沙顆粒所受到的作用力和起動力矩的大小，最終決定著泥沙能否起動。因此，泥沙相對暴露度的研究在泥沙起動研究中具有重要的意義。

Einstein H.A，在進行非均勻沙推移質輸沙率研究時，提出了隱蔽度系數的概念；韓其為首次提出了泥沙顆粒相對暴露度的概念，并從理論上給出了它的取值范圍及分布規律：Paintal A，S，在研究均勻泥沙顆粒在床面上的位置時提出了新的暴露度概念。近些年來，泥沙相對暴露度的研究取得了一些進展，如孟震等對二維、三維泥沙顆粒的相對隱蔽度（與相對暴露度含義相同）進行了分析，提出了基于相對隱蔽度的寬級配非均勻沙中“大顆粒”“中顆粒”“小顆粒”的概念；何文社等在泥沙相對暴露度與等效粒徑研究的基礎上，將相對暴露度引入到不同底坡的均勻泥沙起動研究中：白玉川等首創了雙向暴露度的提法，同時考慮了縱向暴露度和橫向暴露度對泥沙起動的影響：楊奉廣等采用CHENG N，S，等提出的顆粒間距分布概率密度公式，利用泥沙顆粒隱蔽度與顆粒間距之間的函數關系，推導出了相對暴露度的概率密度分布公式；黃廷杰等探討了泥沙暴露程度、床沙各分組泥沙粒徑及其質量比對泥沙起動的影響，并論述了非均勻泥沙起動中完全暴露、完全隱蔽和極限躍移3種泥沙的極限起動情況：幸韻等采用滾動模式對卵石起動進行了分析，建立了無量綱起動切應力與水流脈動系數、絕對隱蔽度、中軸比長軸及短軸比中軸的關系。

鑒于目前對泥沙相對暴露度的研究只著眼于垂向相對暴露度，對于縱向相對暴露度尚未有學者進行研究，故本文以白玉川等定義的泥沙縱向相對暴露度的概念及CHENG N.S.等步長（河床表層兩顆泥沙沿水流方向的縱向距離）試驗成果為基礎，選取直徑D=12 mm的2 000顆玻璃球作為試驗材料，通過自行設計的試驗裝置對縱向相對暴露度的定義進行再思考。同時，通過試驗對縱向相對暴露度的取值范圍及概率分布進行研究。