[科普中国]-定床阻力

定床阻力又称“河渠紊流阻力”，是指河床上的泥沙颗粒及泥沙运动形成的沙波对水流产生的阻力。

简介定床阻力是指一定断面、一定坡降的河渠对水流产生的阻力，由河渠表面粗糙度引起，影响水流的速度和输沙能力，是研究水力条件的重要因素。一般用有关系数表示，常用的有阻力系数，曼宁糙率系数和谢才系数1。

河流中的泥沙在水流作用下产生的运动一般分四种运动形式；（1）滑动，位于光滑道上的泥沙当推移力等于或稍大于摩擦阻力时，沙粒以滑动的方式向下游移动。（2）滚动，泥沙受推移力和上举力作用，产生倾覆力矩，泥沙颗粒以滚动的方式向前运动。（3）跳跃，河底水流受到素动影响，流速时大时小，因而上举力也时大时小，当上举力大于颗粒的质量时，泥沙会跳起来，同时还受水流推移力的作用，使颗粒前进。泥沙跳起后，绕过颗粒上下的水流流速趋于相等，上举力消失，泥沙又落到河底，呈间歇跳跃的运动方式。（4）悬移，小颗粒的泥沙，跳跃起来后，不再下沉到河底，悬浮在水中，随水流移动。可以看作是一种随机紊流过程中流速与压力都呈一定频率的脉动，服从统计规律。另外，从泥沙的整体来看，沙波也是河流泥沙运动的一种形式。

定床阻力研究大比降卵砾石河流具有河床可动覆盖层厚，河床比降陡，水深小，流速大，河床组成较粗等特点，其河床相对粗糙度较大，有时水深与推移质粒径属同一量级。在这种条件下其床面阻力如何确定以及对泥沙运动的影响等，在以往的研究均涉及甚少。

小尺度粗糙的临界值是这类河段一个非常敏感的问题。因水深小，颗粒粗，其相对光滑度（水深H与粒径D的比值）较小。当相对光滑度小到一定程度，超过小尺度粗糙的临界值后，影响水流运动的要素将要发生变化。曼宇公式主要适用于小尺度粗糙范围内（即水流阻力主要是由颗粒表面摩擦引起）的均匀流，而对中尺度粗糙和大尺度粗糙（水流阻力主要是由突体的形状阻力、自由表面森乱、水跃等引起）的适用性如何还不甚清楚。另外当突体的形状阻力影响到水流时，泥沙颗粒起动时的受力状态与传统的受力分析也将不一样。

与其他河流一样，定床阻力和动床阻力的确定是研究其水沙运动规律的基础。大比降卵砾石河流在泥沙未输移以前，其相对光滑度在可达到2~10，其阻力特性涉及到接近或超过小尺度粗糙临界值的定床阻力的问题；在泥沙大量输移以后，剧烈的卵砾石运动形成沙波，阻力问题则涉及发展到各阶段的沙波阻力。 Einstein和 Barbarrosa总结了美国河流的实测资料，首次提出冲积河流的沙波阻力的计算方法，随后许多学者对沙波的各种发展阶段的阻力特性做了大量研究。

大比降卵砾石河流和多数山区河流一样具有河床组成颗粒较粗，水流强度较大，相对光滑度较小的特点。但大比降卵砾石河流与一般山区河流输沙特性不一样，其主要差别在于河床组成的抗冲性和泥沙的补给性。山区河流的河床主要由抗冲性较强的物质组成，在强度较大的水流条件下，水流带走河床表面的泥沙颗粒，由于缺乏强有力的泥沙补给，逐渐在河床表面形成粗化层，从而影响床面粗化层以下的泥沙输移2。

本词条内容贡献者为:

程鹏 - 副教授 - 西南大学