水利工程論文-寬級(jí)配推移質(zhì)輸移特性研究.doc

水利工程論文-寬級(jí)配推移質(zhì)輸移特性研究摘要：針對(duì)寬級(jí)配卵石河道粗細(xì)顆粒泥沙的輸移特點(diǎn)，提出一種反映粗化細(xì)化過(guò)程的特征參數(shù)粗化細(xì)化程度的概念和計(jì)算方法，來(lái)描述河道粗化細(xì)化過(guò)程中輸沙能力的不同特點(diǎn)。同時(shí)，在對(duì)床沙位置進(jìn)行實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，把粗化過(guò)程和床沙位置特征參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，用床沙位置特征參數(shù)來(lái)反映，刻化粗化細(xì)化過(guò)程中的程度；由此而對(duì)非均勻粗細(xì)泥沙輸移中粗化細(xì)化程度對(duì)輸沙率的影響規(guī)律進(jìn)行深入探討，獲得粗化細(xì)化程度對(duì)粗顆粒泥沙推移質(zhì)輸沙率影響的計(jì)算方法。關(guān)鍵詞：泥沙輸移推移質(zhì)粗化過(guò)程1前言長(zhǎng)江三峽庫(kù)尾河段，其沖淤變幅較大，當(dāng)蓄水發(fā)電時(shí)，河床發(fā)生淤積床沙細(xì)化，提高了輸沙能力，當(dāng)消落拉沙時(shí)，河床會(huì)發(fā)生沖刷使床沙逐漸粗化，降低河道的輸沙能力1，3。因此，在一定的邊界條件下，要加大河道的輸沙能力，可進(jìn)行水沙調(diào)節(jié)，使水沙相匹配，讓河道朝有利的方向發(fā)展，減少減緩河道的淤積。粗化細(xì)化過(guò)程中粗化細(xì)化是如何影響輸沙能力，可以用下述例子來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明：在水槽上鋪一定厚度的粗細(xì)泥沙，施放清水進(jìn)行沖刷使其完全粗化穩(wěn)定，此時(shí)粗化程度達(dá)到最大，輸沙率為零。此時(shí)，取下粗化層級(jí)配，并按此級(jí)配重新配沙并鋪并水槽中，施放與前述粗化穩(wěn)定時(shí)同樣的水流，則輸沙率顯然不為零，粗化程度則為零。兩者的主要差異在于粗化細(xì)化程度不一樣，前者粗化程度最高，后者則反之。這就反映出，粗化程度的不同導(dǎo)致不同的輸沙強(qiáng)度(或輸沙率)。反過(guò)來(lái)講，作為粗化過(guò)程的反過(guò)程細(xì)化過(guò)程，在水流相同條件下，細(xì)化程度越大，則輸沙強(qiáng)度亦較高。沖刷粗化過(guò)程的輸沙強(qiáng)度明顯小于淤積（細(xì)化過(guò)程）的挾沙強(qiáng)度。另一方面，粗化細(xì)化是一連續(xù)過(guò)程，沖刷中有著不同的粗化程度，細(xì)化中亦存在不同的細(xì)化程度，不同程度的粗化細(xì)化，其輸沙規(guī)律也不一樣。粗化細(xì)化程度概念粗化細(xì)化過(guò)程是天然河道沖淤交替的反映，反映粗化細(xì)化強(qiáng)烈的量稱為粗化細(xì)化程度。如何進(jìn)行粗化細(xì)化程度的量測(cè)、計(jì)算是解決非均勻粗細(xì)泥沙輸移規(guī)律中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。粗化細(xì)化程度的定量描述有著不同的方法，用床沙位置特性（粗沙實(shí)測(cè)資料）和前期累計(jì)沖淤量描述。2.1床沙位置特征參數(shù)確定床沙粗化程度床沙粗化伴隨河床床面粗糙加大，伴隨細(xì)化來(lái)的是床面光滑。粗化過(guò)程的最終狀況是粗化穩(wěn)定層的形成，此時(shí)粗化程度系數(shù)亦定義為。當(dāng)然粗化也許不形成粗化穩(wěn)定層。粗化開(kāi)始時(shí)的粗化程度則認(rèn)為是零。作為粗化過(guò)程(沖刷)的逆過(guò)程細(xì)化過(guò)程，淤積細(xì)化開(kāi)始作為細(xì)化程度為零。用d(ArmoringDegree)表示粗化程度。非均勻沙顆粒的運(yùn)動(dòng)，存在著大小顆粒間的相互影響，造成大小顆粒間相互影響的原因是非均勻沙顆粒在床面上的位置關(guān)系，因而要研究非均勻沙的運(yùn)動(dòng)就必須先研究非均勻沙顆粒在床面上的位置關(guān)系，這也是深入研究非均勻沙運(yùn)動(dòng)特性的基礎(chǔ)。顆粒處在床面上的位置不同，則顆粒所受水流力也不同，從顆粒的受力大小，顆粒的跳躍運(yùn)動(dòng)及其實(shí)際測(cè)量等方面考慮，引入如圖所示的暴露高度的概念。由圖可見(jiàn)，暴露高度就是基線0-0到顆粒頂點(diǎn)的豎向距離。基線0-0為床面表層泥沙平均暴露高度面，即平均床面。這樣，位于平均床面上的顆粒的暴露高度也剛好為零；暴露高度也可是正，也可為負(fù)，為正時(shí)表示突起于平均床面之上，為負(fù)時(shí)表示低于平均床面。由圖1可知，這種暴露高度，不僅反映了某一顆泥沙在床面上的位置，也反映了與該顆泥沙相鄰顆粒在床面上的位置，相鄰顆粒間的相對(duì)位置關(guān)系正好反映了非均勻沙大小顆粒間的相互影響關(guān)系，因而反映了非均勻沙顆粒在床面上的位置特性；同時(shí)，這種暴露高度也是能夠?qū)嶋H測(cè)量的。以往，韓其為3，Paintal等人也曾涉及暴露度問(wèn)題，但只是對(duì)暴露度及其分布作了許多假設(shè)，并無(wú)實(shí)際資料難驗(yàn)證，這正是暴露度研究上欠缺的。本文提出了一種實(shí)測(cè)暴露高度的方法，并對(duì)暴露高度進(jìn)行了實(shí)測(cè)，填補(bǔ)了暴露高度資料方面的不足，并為深入了解非均勻沙大小顆粒間的相互影響打下了基礎(chǔ)。圖1床沙暴露高度示意圖Sketchofthesedimentparticleexposure下面介紹暴露高度的實(shí)測(cè)過(guò)程及暴露高度與顆粒大小的關(guān)系。暴露高度的實(shí)測(cè)在活動(dòng)玻璃水槽進(jìn)行2，水槽長(zhǎng)20m，寬40m，高50m。實(shí)測(cè)時(shí)，用一塊1010cm的小板，用一無(wú)尖測(cè)針與板面垂直連接，將測(cè)針架固定在所測(cè)斷面上，在板面上涂一層薄薄的白乳膠，將測(cè)針連同小板安裝在測(cè)針架上，調(diào)節(jié)測(cè)針向下移動(dòng)，至床面起最高部分顆粒時(shí)，記錄測(cè)針讀數(shù)，并將板面上所粘泥沙洗下洗盡，烘干、篩分出各級(jí)泥沙的重量(g)，這便是這一測(cè)針讀數(shù)下暴露顆粒的重量(g)；重復(fù)以上過(guò)程，直至測(cè)完表層顆粒為止，就可以得到不同測(cè)針讀數(shù)下各級(jí)泥沙的重量。在非均勻沙中，從平均角度來(lái)講，大顆粒位于平均床面上，其暴露高度大于零，受到暴露，細(xì)顆粒泥沙暴露高度小于零，故小顆粒輸沙受到蔭蔽的顆粒，同時(shí)也不受暴露。這種暴露高度為零的顆粒的粒徑稱為非均勻沙的代表粒徑，以Da表示。非均勻沙大小顆粒在床面上的暴露高度有著它自身的規(guī)律。用上述方法對(duì)床面顆粒暴露高度進(jìn)行實(shí)測(cè)，由多組實(shí)測(cè)資料的結(jié)果表明：暴露高度和床沙粒徑間存在兩類(lèi)典型的關(guān)系，如圖2所示。圖2床沙暴露高度與粒徑的關(guān)系Relationshipbetweentheparticleexposureanddiameter圖2(a)所對(duì)應(yīng)的是床沙全動(dòng)時(shí)的暴露高度和粒徑的關(guān)系，由圖知：暴露高度隨粒徑線性增長(zhǎng)，即iA(Di-Da)(1)其中，圖2(b)所對(duì)應(yīng)的是床沙部分可動(dòng)時(shí)的暴露高度和粒徑的關(guān)系，由圖2可知iA(Di-Da)(DiD*c)(2)iA(D*c-Da)(DiDc)(3)其中；Pi為i粒徑組沙重量分比；m為小于D*c泥沙組數(shù)；Da為代表粒徑；Dm為加權(quán)平均粒徑。式(1)(3)中的常數(shù)A是表征床面粗糙程度的參數(shù)，A值愈大，則大小顆粒的暴露高度相差亦大，床面愈粗糙。反之，A值愈小，大小顆粒的暴露高度相差亦大，床面也就愈平滑。A值是反映各條河道的床面粗糙程度的參數(shù)，對(duì)不同河道亦不同，這也正是各條河道輸沙特性不盡相同的原因之一。從都江堰水文站及青衣江梯子巖水文站資料可推得這兩處河道的A值在0.30.5間變化。參數(shù)A越大，床面粗化程度也大，A趨于零時(shí)，床沙趨于剛發(fā)生粗化。因此，A間接地表征了床沙粗化程度的大小，曾用梯子巖、都江堰實(shí)測(cè)資料，反求兩條河流的A值在0.30.5之間，說(shuō)明兩條河流均處在粗化過(guò)程中。事實(shí)上，河流一般均處在粗化過(guò)程中的某一粗化程度(或細(xì)化程度)，不會(huì)達(dá)到完全粗化狀況，即粗化程度為1。床沙位置特征參數(shù)A一般不會(huì)達(dá)到，而會(huì)在某一較大值時(shí)粗化穩(wěn)定層趨于完成，此時(shí)床沙位置特征參數(shù)為Am；定義此時(shí)的粗化程度為。因此，可以簡(jiǎn)化認(rèn)為粗化程度AdA/Am(4)雖然這是從粗顆粒泥沙測(cè)量得到，對(duì)于細(xì)顆粒河床也有類(lèi)似特點(diǎn)。關(guān)于細(xì)化過(guò)程中的細(xì)化程度有待進(jìn)一步研究。2.2累計(jì)沖淤量確定粗化細(xì)化過(guò)程的程度劉月蘭、韓少發(fā)4等人曾提出用累計(jì)沖淤量來(lái)表征河道沖淤過(guò)程中輸沙能力的不同。由于其研究是針對(duì)具體的河段長(zhǎng)度、寬度和泥沙特性，具有一定的特殊性。事實(shí)上，這也是一種定義粗細(xì)化程度的方法，不過(guò)在研究中，還沒(méi)有提出粗細(xì)化程度的概念。從作者的思路來(lái)講，粗化細(xì)化程度應(yīng)定義為Ad=W/Wm(5)其中W為前期累計(jì)淤積量，而Wm為該河段沖淤上下限，亦即極限沖淤量。從更普遍的意義方面來(lái)講，可以用床面累計(jì)沖淤厚度來(lái)表征粗化細(xì)化程度，粗化細(xì)化程度與累計(jì)沖淤厚度有關(guān)，亦與床沙交換層厚度有關(guān)，粗化最終穩(wěn)定的極限沖刷的厚度為Hm，則粗化程度Ad=H/Hm(6)為沖淤厚度，則Hm為極限沖刷深度。這種方法可以直接應(yīng)用。粗化程度對(duì)輸沙能力影響探討在引入粗化程度概念后，如何考慮粗化程度對(duì)輸沙能力的影響，是進(jìn)一步需要探討的問(wèn)題。3.1粗化程度對(duì)寬級(jí)配卵石推移質(zhì)輸沙率的影響特點(diǎn)在前述床沙位置特征研究的基礎(chǔ)上，引入輸沙、躍移概率和交換時(shí)間等概念，可導(dǎo)出寬級(jí)配非均勻卵石推移質(zhì)輸沙率公式如下2(7)其中P*=PPP為起動(dòng)概率。P為躍過(guò)下游顆粒的概率。*=(s-)Di/0(1+ADa-Di/Di)*=gbi/Pis(/s-)1/2(1+ADa-Di/Di)1/2gbi為i粒徑組推移質(zhì)輸沙率；Pi為i粒徑組床百分?jǐn)?shù)。由實(shí)驗(yàn)資料適線得：B=0.046，A*=1.6，粗化程度影響參數(shù)=（1+ADa-Di/Di）(1+AmA/AmDa-Di/Di)=(1+AmAd/Da-Di/Di)(8)上述寬級(jí)配推移質(zhì)輸沙率公式與其他公式的不同之處，在于引入了粗化參數(shù)A。不同的A值，蔭蔽參數(shù)不同，這正反應(yīng)出不同河流卵石推移質(zhì)輸沙規(guī)律不盡相同的事實(shí)。圖3蔭蔽參數(shù)和粗化程度關(guān)系Relationsh