[科普中國(guó)]-定床阻力

定床阻力又稱“河渠紊流阻力”，是指河床上的泥沙顆粒及泥沙運(yùn)動(dòng)形成的沙波對(duì)水流產(chǎn)生的阻力。

簡(jiǎn)介定床阻力是指一定斷面、一定坡降的河渠對(duì)水流產(chǎn)生的阻力，由河渠表面粗糙度引起，影響水流的速度和輸沙能力，是研究水力條件的重要因素。一般用有關(guān)系數(shù)表示，常用的有阻力系數(shù)，曼寧糙率系數(shù)和謝才系數(shù)1。

河流中的泥沙在水流作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)一般分四種運(yùn)動(dòng)形式；（1）滑動(dòng)，位于光滑道上的泥沙當(dāng)推移力等于或稍大于摩擦阻力時(shí)，沙粒以滑動(dòng)的方式向下游移動(dòng)。（2）滾動(dòng)，泥沙受推移力和上舉力作用，產(chǎn)生傾覆力矩，泥沙顆粒以滾動(dòng)的方式向前運(yùn)動(dòng)。（3）跳躍，河底水流受到素動(dòng)影響，流速時(shí)大時(shí)小，因而上舉力也時(shí)大時(shí)小，當(dāng)上舉力大于顆粒的質(zhì)量時(shí)，泥沙會(huì)跳起來，同時(shí)還受水流推移力的作用，使顆粒前進(jìn)。泥沙跳起后，繞過顆粒上下的水流流速趨于相等，上舉力消失，泥沙又落到河底，呈間歇跳躍的運(yùn)動(dòng)方式。（4）懸移，小顆粒的泥沙，跳躍起來后，不再下沉到河底，懸浮在水中，隨水流移動(dòng)?？梢钥醋魇且环N隨機(jī)紊流過程中流速與壓力都呈一定頻率的脈動(dòng)，服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。另外，從泥沙的整體來看，沙波也是河流泥沙運(yùn)動(dòng)的一種形式。

定床阻力研究大比降卵礫石河流具有河床可動(dòng)覆蓋層厚，河床比降陡，水深小，流速大，河床組成較粗等特點(diǎn)，其河床相對(duì)粗糙度較大，有時(shí)水深與推移質(zhì)粒徑屬同一量級(jí)。在這種條件下其床面阻力如何確定以及對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)的影響等，在以往的研究均涉及甚少。

小尺度粗糙的臨界值是這類河段一個(gè)非常敏感的問題。因水深小，顆粒粗，其相對(duì)光滑度（水深H與粒徑D的比值）較小。當(dāng)相對(duì)光滑度小到一定程度，超過小尺度粗糙的臨界值后，影響水流運(yùn)動(dòng)的要素將要發(fā)生變化。曼宇公式主要適用于小尺度粗糙范圍內(nèi)（即水流阻力主要是由顆粒表面摩擦引起）的均勻流，而對(duì)中尺度粗糙和大尺度粗糙（水流阻力主要是由突體的形狀阻力、自由表面森亂、水躍等引起）的適用性如何還不甚清楚。另外當(dāng)突體的形狀阻力影響到水流時(shí)，泥沙顆粒起動(dòng)時(shí)的受力狀態(tài)與傳統(tǒng)的受力分析也將不一樣。

與其他河流一樣，定床阻力和動(dòng)床阻力的確定是研究其水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)。大比降卵礫石河流在泥沙未輸移以前，其相對(duì)光滑度在可達(dá)到2~10，其阻力特性涉及到接近或超過小尺度粗糙臨界值的定床阻力的問題；在泥沙大量輸移以后，劇烈的卵礫石運(yùn)動(dòng)形成沙波，阻力問題則涉及發(fā)展到各階段的沙波阻力。 Einstein和 Barbarrosa總結(jié)了美國(guó)河流的實(shí)測(cè)資料，首次提出沖積河流的沙波阻力的計(jì)算方法，隨后許多學(xué)者對(duì)沙波的各種發(fā)展階段的阻力特性做了大量研究。

大比降卵礫石河流和多數(shù)山區(qū)河流一樣具有河床組成顆粒較粗，水流強(qiáng)度較大，相對(duì)光滑度較小的特點(diǎn)。但大比降卵礫石河流與一般山區(qū)河流輸沙特性不一樣，其主要差別在于河床組成的抗沖性和泥沙的補(bǔ)給性。山區(qū)河流的河床主要由抗沖性較強(qiáng)的物質(zhì)組成，在強(qiáng)度較大的水流條件下，水流帶走河床表面的泥沙顆粒，由于缺乏強(qiáng)有力的泥沙補(bǔ)給，逐漸在河床表面形成粗化層，從而影響床面粗化層以下的泥沙輸移2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

程鵬 - 副教授 - 西南大學(xué)