实验三不同粒径泥沙起动流速

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1、实验三 不同粒径泥沙起动流速1 实验目的 了解在一定坡度下，不同粒径泥沙的起动流速，为探讨水土流失规律、制定水土保持措 施规划和设计提供理论依据。2 实验材料准备及沙粒粒径组的粒径值计算 将从野外采取的沙粒手工拣去石块，用标准土壤筛筛选得到一定粒径范围的分级沙粒，粒径组分别为 1.002.00 mm、0.501.00 mm、0.250.50 mm、0.100.25 mm 和 0.074 0.10 mm计5个粒径组，筛分后每个粒径组的泥沙重量至少为5.0 kg。当泥沙只有一个粒径组时,常采用沙粒的几何平均值作为其平均粒径值，沙粒几何 平均值的计算式如下：D = J D Di u b式中：D某一粒

2、径组的粒径平均值；D 某一粒径组的粒径上限值;uD 某一粒径组的粒径下限值。b以上制备的每一粒径组的几何平均值如下表所示。实验用沙粒的几何粒径值(mm)粒径0.10.51.02.05.0范围0.51.02.05.010.0几何0.220.701.413.167.07粒径474213 实验仪器及用品3.1可变坡度泥沙起动流速实验装置一套，主体设备包括一个长2.0m、宽0.2m冲蚀槽 和一个设置在其上方的溢流式可调节流量恒水位供水水箱(图3.1)。 上水管溢涼管3.2 普通秒表一块。3.3 红、篮液体指示剂各 400 ml。3.4 测坡仪一个。3.5 记录本、铅笔、橡皮、小刀、计算器等文具用品适量

3、。3.6 Y250 型毕托管 4 套。4 实验原理泥沙在水流冲击下的起动流速受到多种因素的影响，主要有泥沙的几何形状、泥沙粒径 大小、地面坡度、泥沙所处边壁条件的粗糙状况、水流流量大小和其流速的高低等。本实验为简化影响条件，选用特定形状的沙粒(花岗岩风化沙粒)和特定的边壁糙率条 件(糙率为 0.0020)，通过改变沙粒粒径、地面坡度、水流流量和流速来探讨不同粒径沙 粒在特定边壁条件和不同地面坡度下的起动流速。5 地面坡度设计和沙粒起动的判别标准5.1 地面坡度设计地面坡度设计为 5、10、15、20、25和 306 种。5.2 沙粒起动判别标准泥沙在水流冲击下，不可能同时起动或同时不动。因此沙

4、粒的起动判别就必须遵循 一定的标准。我国学者窦国仁对克雷默(H. Kramer)提出的推移质运动状态进行了定量分析, 他以近底流速u0作为标志泥沙起动的水力指标，据此他提出了相当于克雷默的三种推移质 运动状态的起动概率 Pc, 它们分别为:(1) 个别起动 Pc =0.00135(2) 少量起动 Pc =0.02272(3) 大量起动 Pc =0.1593本研究取 Pc3=0.159 作为判别泥沙起动的统一定量标准.6 实验步骤6.1将冲蚀槽的坡度调节到5,分别将备好的5个粒径组的沙粒投放于实验槽内100 300颗沙粒。在定床条件下逐渐加大流量Q以使流速V增大，当有15%以上沙粒开始在底床 运

5、动时，即为在该特定条件下的沙粒起动流速Uc。不同槽面坡度下非粘性花岗岩沙粒起动 流速如表 3.1 所示.表3.15槽面底坡时沙粒起动流速Uc(m/s)10次实验测定，剔除不正常值后根据各次观测到的泥沙起动流速值Uci计算得Uc值.6.2 将冲蚀槽的坡度分别调至10、15、20、25和30，依次放入备好的5种粒径的沙粒，通过调节供水水箱的阀门以改变所需的流量和流速，重复6.1中所述内容，将观测数据分别记录于表3.2、表3.3、表3.4、表3.5和表3.6。表3.210槽面底坡时沙粒起动流速Uc (m/s)粒径0.10.51.02.05.0(mm)0.51.02.05.010.0表 3.4 20

6、槽面底坡时沙粒起动流速 Uc(m/s)粒径0.10.51.02.05.0(mm)0.51.02.05.010.01234实5验6次7数8910平均注：起动流速Uc测定分成两个完全独立的实验组,每一组对每一测定的Uc值进行510次实验测定，剔除不正常值后根据各次观测到的泥沙起动流速值Uci计算得Uc值。7 实验数据整理将表 3.1表 3.6 的槽面坡度和水流流速实验数据整理（将相同槽面坡度和同一沙粒粒 径下的10个地表径流流速数据初步对比分析，如果相对相差均W5%时，取其10个径流流速 的平均值作为该条件下的起动流速值；如其中一个数据的相对相差均5%时，则剔除该数据 取另9 个起动流速数据的平均

7、值作为该种条件下的起动流速值。）后输入计算机进行计算。如果以沙粒起动流速为因变量、以不同槽面坡度下的沙粒的几何粒径值为自变量进行回 归分析，可得不同槽面坡度时的方程如下式：Uc = A DBi式中：Uc 沙粒的起动流速（m/s）；A 方程系数；D 某一粒径组沙粒的几何粒径（mm）；iB 方程的指数。如果以沙粒起动流速为因变量、以槽面坡度、沙粒的几何粒径值为自变量进行回归分析，可得方程如下式：Uc = C a a D bi式中: C 常数；a 槽面坡度（度）；A, B分别为a和D的指数。I其它符号意义同前。8 实验报告的编写描述实验过程，根据数据分析结果和构建的回归数学模型，讨论槽面坡度、沙粒粒径与其起动流速之间的关系。