均匀泥沙纵向相对暴露度的试验研究

陈家萱 张根广 周双

摘要：对泥沙纵向相对暴露度的概念进行了修正，通过自行设计的试验装置测量了均匀玻璃球的绝对纵向暴露度，分析计算了纵向相对暴露度及其分布规律。结果表明，玻璃球纵向相对暴露度可分为x、y，两个分量，其中：x分量取值区间为1.0～4.5，服从指数分布；y分量的取值区间为-1.5～1.5，近似服从正态分布。分别给出了x、y分量的边缘概率密度公式，并利用实测资料对式中的参数进行了率定，得到纵向相对暴露度的取值区间为一个3.5×3.0的面域，取值落在该面域内各点的概率可以利用给出的纵向相对暴露度边缘概率密度公式计算得到。

关键词：均匀泥沙；纵向相对暴露度；概率分布；试验

泥沙相对暴露度反映了泥沙颗粒在床面上的相对位置，其大小直接决定着床面上泥沙颗粒所受到的作用力和起动力矩的大小，最终决定着泥沙能否起动。因此，泥沙相对暴露度的研究在泥沙起动研究中具有重要的意义。

Einstein H.A，在进行非均匀沙推移质输沙率研究时，提出了隐蔽度系数的概念；韩其为首次提出了泥沙颗粒相对暴露度的概念，并从理论上给出了它的取值范围及分布规律：Paintal A，S，在研究均匀泥沙颗粒在床面上的位置时提出了新的暴露度概念。近些年来，泥沙相对暴露度的研究取得了一些进展，如孟震等对二维、三维泥沙颗粒的相对隐蔽度（与相对暴露度含义相同）进行了分析，提出了基于相对隐蔽度的宽级配非均匀沙中“大颗粒”“中颗粒”“小颗粒”的概念；何文社等在泥沙相对暴露度与等效粒径研究的基礎上，将相对暴露度引入到不同底坡的均匀泥沙起动研究中：白玉川等首创了双向暴露度的提法，同时考虑了纵向暴露度和横向暴露度对泥沙起动的影响：杨奉广等采用CHENG N，S，等提出的颗粒间距分布概率密度公式，利用泥沙颗粒隐蔽度与颗粒间距之间的函数关系，推导出了相对暴露度的概率密度分布公式；黄廷杰等探讨了泥沙暴露程度、床沙各分组泥沙粒径及其质量比对泥沙起动的影响，并论述了非均匀泥沙起动中完全暴露、完全隐蔽和极限跃移3种泥沙的极限起动情况：幸韵等采用滚动模式对卵石起动进行了分析，建立了无量纲起动切应力与水流脉动系数、绝对隐蔽度、中轴比长轴及短轴比中轴的关系。

鉴于目前对泥沙相对暴露度的研究只着眼于垂向相对暴露度，对于纵向相对暴露度尚未有学者进行研究，故本文以白玉川等定义的泥沙纵向相对暴露度的概念及CHENG N.S.等步长（河床表层两颗泥沙沿水流方向的纵向距离）试验成果为基础，选取直径D=12 mm的2 000颗玻璃球作为试验材料，通过自行设计的试验装置对纵向相对暴露度的定义进行再思考。同时，通过试验对纵向相对暴露度的取值范围及概率分布进行研究。