錢塘江河口細顆粒泥沙起動流速研究.docx

1、第31卷第5期2010年10月水道落oJournalofWaterwayandHarbor錢塘江河口細顆粒泥沙起動流速研究曾劍、陳剛I,熊紹隆】(1.浙江省水利河口研究院，杭州31OO2O；2.浙江大學建筑工程學院，杭州310027)摘要：采用泥沙水槽試驗研究了錢塘江河口不同粒徑的泥沙起動流速。針對室內(nèi)水槽試驗水深條件的局限性，提出了以實測含沙量過程線拐點附近相應的垂線平均流速為泥沙起動流速的方法.得到了水深范圍介于0.15-13.6m、中值粒徑介于0.0020.07mm的泥沙起動流速。張瑞瑾、竇國仁公式與沙玉清泥沙起動公式對比結(jié)果表明，各公式對于淺水深的水槽試驗值均有較高的計算精度，而對于大

2、水深起動流速均明顯偏大。以張瑞瑾公式為基礎,通過多元回歸分析法修正有關系數(shù)，建立了適合于錢塘江河口細顆粒泥沙的起動流速擬合公式。關鍵詞：細顆粒泥沙;起動流速;錢塘江河口中圖分類號：TV1481;TV85J文獻標識碼：A文章編號:1005-8443(2010)05-0347-05細顆粒泥沙的起動流速是泥沙運動力學、河床演變學最基本的研究內(nèi)容之一，也是解決河床變形、護岸工程、航道穩(wěn)定等工程泥沙問題的重要參數(shù).一直以來受到國內(nèi)外學者的重視。早在1935年.Hjulstrom依據(jù)試驗資料發(fā)現(xiàn)，當泥沙粒徑D為0.20.3mm時，起動流速具有極小值。此后各國學者相繼進行了大量的試驗研究和理論分析，從力學、

3、隨機過程等角度推導出不少起動流速公式以往天然泥沙起動觀測資料較少，尤其是無法有效地觀測細顆粒泥沙在河(海)床的起動悄況，因而前人研究成果所引入的參數(shù)大部分由水槽試驗來確定，水深限于0.10.5m,而實際河口水深可達510m,有時甚至達20m左右,現(xiàn)有的泥沙起動流速公式的適用性較少得到有效地驗證。錢塘江河口是著名的強潮河口，最大潮差可達9m,并以氣勢磅礴、蔚為壯觀的涌潮而聞名。該河口北鄰水沙豐沛的長江河口.外海來沙十分豐富，泥沙輸移一潮以千萬方計，相當于徑流年來沙的2倍以上。河口底沙和懸沙差異較小，以細粉砂為主，中值粒徑一般為0.020.04mm,分選良好，由于河床灘槽組成物質(zhì)經(jīng)過長期往返搬運分

4、選，缺乏粘性顆粒，抗沖能力低,易沖易淤。本文在泥沙水槽試驗的基礎上,根據(jù)錢塘江河口實測含沙量與流速過程資料，分析錢塘江河口泥沙的起動流速，供工程應用參考。1泥沙起動流速數(shù)據(jù)的獲取1.1泥沙水槽起動試驗泥沙樣本取自錢塘江河口閘口至金山河段大致均勻分布的7個斷面共計9個點位的河床底沙。此外，于慶春過江隧道斷面離北岸300m和1100m處布設2個鉆孔.白床面以下30m范圍內(nèi)，每米取0.25m長未經(jīng)擾動的原狀土樣，按地質(zhì)詳勘的技術(shù)要求進行取樣與密封。據(jù)統(tǒng)計，泥沙樣本中值粒徑介于0.0040.069mmo泥沙起動流速試驗在泥沙變坡玻璃水槽中進行,水槽長36m,寬0.8m,最大流量約0.35rrf/s。實

5、驗系統(tǒng)可通過計算機設定坡比實現(xiàn)無級調(diào)節(jié),可根據(jù)模型試驗要求，實現(xiàn)水流流量的無級調(diào)節(jié)，還可設定尾門開基金項目：國家自然科學基金(10772163);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2009ZX07424)；國家自然科學青年基金(40806037)作者簡介:曾劍(1974-),男，浙江省瑞安人，博士研究生，高級I：程師，主要從事河口海岸動力學研究。Biography:ZENGJian(1974-),male,seniorengineer.度,實現(xiàn)水槽內(nèi)水位高度的無級調(diào)節(jié)。為便于放置原型沙并模擬真實床面情況，在水槽試驗段用有機玻璃壘出一塊長4m、寬0.8m、高0.08m梯形平臺，平臺上根據(jù)原型沙

6、的不同樣本形狀,開挖長方形凹槽或圓形凹槽。泥沙表面用推板抹平,使泥面與凹槽墻等高，避免因水流斷面變化而引起水流性質(zhì)的變化,從而影響試驗結(jié)果?？紤]到自循環(huán)水槽水流特點，本試驗以少量動作為泥沙起動的標準。試驗水深0.15-0.35m,試驗結(jié)果表明起動流速介于0.21-0.88m/s。泥沙的起動流速與中值粒徑對比關系表明，隨著中值粒徑的變細，起動流速將增大，即泥沙越不容易起動，這與當中值粒徑D小于0.2-03mm時,起動流速隨粒徑的減小而增加的理論分析一致。1.2大水深泥沙起動流速分析3.0均流通時間圖1錢塘江河口流速與含沙缺典型過程Fig.ITypicalprocessofflowvelocity

7、andsedimentconcentrationintheQiantangEstuary依據(jù)物理概念，當水流流速小于泥沙的起動流速時，懸沙因沉降影響而落淤，此時兩者的交換以懸沙轉(zhuǎn)變成底沙為主，水流含沙量有所下降;隨著流速的增大，底沙開始起動，此時兩者的交換以底沙轉(zhuǎn)變成懸沙為主，水流含沙度也隨之增大。從錢塘江河口垂線平均流速與垂線平均含沙量過程線（圖1）可以看出，流速與含沙量:的變化有明顯的對應關系。因此，對于潮汐河口.有學者認為泥沙的起動流速應取實測含沙量過程線拐點附近相應的垂線平均流速。根據(jù)上述原則，結(jié)合錢塘江河口含沙量與流速過程的實測資料，選取平均含沙址出現(xiàn)明顯拐點、相應垂線平均流速又易于

8、判別的典型數(shù)據(jù).其中泥沙中值粒徑選取相應時刻的懸沙中值粒徑。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，泥沙中值粒徑介于0.0023-0.035mm,水深范圍3.0-14.5m,兩者的范圍均較廣,起動流速介于0.60-1.80m/s0對比泥沙的起動流速與中值粒徑、水深的關系，結(jié)果表明隨著中值粒徑的變小，起動流速增大,也就是說泥沙越不容易起動.隨著水深的加大，泥沙的起動流速也相應增大。2現(xiàn)有泥沙起動流速公式對比目前天然沙起動流速的計算公式較多,對于較粗散粒體泥沙常用的起動流速公式為沙莫夫公式。當考慮細顆粒泥沙時,常用的起動公式有張瑞瑾公式:“、竇國仁公式：2）和沙玉清公式:，張瑞瑾公式10.14y普）117.6學0+6.05

9、、10女眺式中:為水深;為泥沙粒徑;分別為泥沙顆粒和水的容重。竇國仁公式K=0.741®11判戶礦七/）+0.19性奇地（2）式中：H為水深;D為泥沙粒徑;y,、y分別為泥沙顆粒和水的容重;g為重力加速度為粘著力參數(shù)，取2.56x10、m3/s2;5為顆粒間薄膜水接觸厚度，即兩顆粒間薄膜水最小間距，取0.21x10m；K,為糙率參數(shù),當/><0.5mm時，取0.5mm,當D>0.5nun時,K.取'值。沙玉清公式右奇5X10M0.7-8廣囹+200囹（專奶°，式中:，為孔隙率;。為泥沙粒徑;6為薄膜水厚度，取IOm;g為重力加速度;R為水力半徑;山

10、、,分別為泥沙顆粒和水的容重。利用水槽試驗與大水深實測資料分析的泥沙中值粒徑與水深進行計算，計算結(jié)果與試驗值或分析值進行比較(圖2圖4)。由圖2圖4可知，對于淺水深的水槽試撿值，各公式均有較高的計算精度，張瑞建公式、竇國仁公式及沙玉清公式的計算值與試驗值平均偏差分別為0.06m/s.0.07m/s.0.10m/s。對于大水深起動流速，當水深小于10m,粒徑大于0.02mm時，張瑞瑾公式較為適合，平均偏差在0.10m/s以內(nèi)。當水深大于10m,粒徑小于0.01mm,各公式均明顯偏大，尤其是竇國仁公式偏離更大。以水深13.6m,中值粒徑0.004mm為例.張瑞碰公式、竇國仁公式及沙玉清公式的計算值

11、分別達到2.72m/s、4.88m/s.2.52m/s,不僅各公式相互間差異近2倍,而旦與分析值也相差較大。盧金友心在比較各公式用于0.003mm的長江實測資料的泥沙起動流速時，也認為公式的計算值較實測值大。一般認為，河口泥沙的起動流速要明顯小于相同粒徑的河流泥沙，其原因可能與河口的水動力特點與泥沙特性有關:河口泥沙因徑流與潮汐交互作用，上、下游往返搬運,密實程度較河流低;河口漲、落潮交替，流0.()匕0.00.()匕0.00.51.01.5水槽試驗值(m/$)0.01.02.03.04.0大水深分析值(m/s)圖2張瑞瑾公式計算值與試驗、分析值的比較Fig.2Comparisonofobse

12、rvedandcalculatedvaluebasedonZHANGRui-jinformula-is?0.51.01.5水槽試驗值(m/s)0.01.02.03.04.0大水深分析值(m/s)圖3竇國仁公式計算值與試驗、分析值的比較ComparisonofobservedandcalculatedvaluebasedonDOUGuo-renformula0.51.01.5水槽試臉值(M)0.5.5O1112畫»±0.00.01.02.0.3,04.0大水深分析值(Ws)圖4沙玉清公式計算值與試驗、分析值的比較Fi"Fi"Comparisonofobse

13、rvedandcalculatedvaluebasedonSHAYu-qingformula路隨時變化，泥沙易在利于滑動或滾動的方向起動;在漲、落急時段流速梯度顯著增加，尤其是強潮河口，產(chǎn)生了由當?shù)丶铀俣纫鸬母郊討?動力);河口潮流流速分布隨時變化，有別于河流近底層流速總是小于中、上層的情況。因此,當粒徑較小且水深較大時,各公式的河口泥沙起動流速計算值遠大于實際值:用。3泥沙起動流速公式的修正天然泥沙在起動過程中都要克服泥沙的重力、黏滯力、孔隙水床力等多種力的共同作用，張瑞瑾公式和竇國仁公式都是通過考慮泥沙顆粒的受力平衡而導出的，在式(1)與式(2)中,第一部分為重力作用下的起動因素，第二

14、部分為考慮泥沙黏性薄膜與水壓力作用下的附加起動因素。兩者在考慮黏性薄膜與水壓力時存在差異，造成兩者在深水條件下的細顆粒泥沙起動流速計算值差異很大。由于張瑞瑾公式相對適合于錢塘江河口的泥沙起動特性，為方便起見,在進行起動流速公式的修正時,采用張瑞瑾公式的形式，公式中的系數(shù)利用起動流速的試驗值與分析值進行回歸分析。將張瑞瑾起動流速公式改寫為更一般的形式K=K=式中：、皿與y為待定系數(shù)。由于E反映的是底部流速與垂線平均流速的關系，若流速沿水深分布采用近似指數(shù)公布公式，則可取0.14oa2反映的是重力作用對起動流速的影響，不涉及水深的因素，而且對于淺水的水槽試驗值及粒徑大于0.02mm的較粗泥沙,張瑞

15、瑾公式計算值吻合較好，因此a?可取17.6。而和a,兩個系數(shù)則要根據(jù)現(xiàn)有資料進行多元回歸求取。通過對泥沙的起動流速試驗值與分析值的擬合,求得起動流速公式中和皿值分別為0.0000314和0.32,圖5反映了計算值與試驗值或分析值的對比關系，可見兩者吻合較好。因此將錢塘江河口泥沙起動流速公式修正為0.00.00.00.1417.6ygg00003nx驛(5)水槽試驗值(m/s)1.00.01.02.03.0大水深分析fi(m/s)0.04.0圖5修正公式計算值與試驗、分析值的比較Fig.5Comparisonofobservedandcalculatedvaluebasedonimprovedf

16、ormula4結(jié)語錢塘江河口泥沙由粉沙顆粒與少量粘土共同組成，以細顆粒泥沙為主，在強動力、高混濁以及灘槽沖淤復雜多變的河口環(huán)境中，泥沙的起動現(xiàn)象十分復雜。本文以實測資料為主,結(jié)合水槽試驗，初步探討了細顆粒泥沙的起動流速，認為各公式的計算值應用于錢塘江河口均偏大，據(jù)此對張瑞瑾公式進行了修正以適應錢塘江河口的水流泥沙特性。鑒于河口泥沙的復雜性,今后應進一步加強野外觀測，提高含沙景測量:頻次,應用先進技術(shù)提高觀測水平。參考文獻：1 張瑞瑾.河流泥沙動力學M.北京:中國水利水電出版社,1998.2 竇國仁.論泥沙起動流速J.水利學報,1960(4):44-60.DOUCR.Incipientmotio

17、nofcoarseandfinesedimentj.journalofHydraulicEngineering,1960(4):44-60.3竇國仁.再論泥沙起動流速JJ.泥沙研究,1999(6):1-9.DOUGK.IncipientmotionofcoarseandfinesedimentLJ.JournalofSedimentResearch,1999(6)：1-9.4 沙玉清.泥沙運動學引論M.西安:陜西科學出版社,1996.5 錢寧，萬兆惠.泥沙運動力學M.北京:科學出版社,1990.6J韓其為，何明民.泥沙起動規(guī)律及起動流速M.北京:科學出版社,1999.7 YangCT.Sedi

18、mentTransport:TheoryandPracticeM.NewYork:McGrawHill,1996.8 蔣昌波.白玉川，姜乃申，等.海河口粘性淤泥起動規(guī)律研究J冰利學報,2001(6):51-58.JIANGCB,BAIYC,JIANGNS.etal.IncipientmotionofcohesivesiltintheHaiheRiverestuaryJ.JournalofHydraulicEngineering,2001(6):51-58.9 程和琴，蔣智勇，時鐘.長江口南槽非均勻細顆粒泥沙起動流速的近似估算J.泥沙研究,2003(5):37-40.CHENGHQ,JIANGZ

19、Y,SHIZ.Approximateestimationsofthresholdvelocitiesfornon-uniformfinesedimentsattheSouthPassageoftheChangjiangEstuaryJJournalofSedimentResearch,2003(5):37-40.10 盧金友.長江泥沙起動流速資料分析J.人民長江,1990(4):39-45.LUJY.StudyonincipientvelocityofsedimentinYangtzeRiverJ.YangtzeRiver,1990(4):39-45.11 熊紹隆，胡玉棠.潮汐河口懸移質(zhì)動床實

20、物模型的理論與實踐J.泥沙研究.1999(1):1-6.XIONGSL,HUYT.Thcoryandpracticeofmovablebedmodelwithsuspendedload(ortidalestuaryJ.JournalofSedimentResearch,1999(1)：i-6.StudyonincipientvelocityoffinesedimentintheQiantangEstuaryZENGJian'CHENGang1,XIONGShao-long1(.ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary.Hangzhou310020,

21、China;2.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversity.Hangzhou310027,C/iina)Abstract:Aseriesexperimentshavebeencarriedoutinasediment-flumetoinvestigatetheincipientvelocityoffinesedimentwithdifferentparticlesizes.Aimedatthelimitationofwaterdepthconditioninlaboratorytest,theincipientvelocityoffinesedimentwasfirstdefinedasthevertically-averagedflowvelocityattheinflectionpo