沙質(zhì)推移質(zhì)斷面輸沙率計算方法_第1頁
沙質(zhì)推移質(zhì)斷面輸沙率計算方法_第2頁
沙質(zhì)推移質(zhì)斷面輸沙率計算方法_第3頁
沙質(zhì)推移質(zhì)斷面輸沙率計算方法_第4頁
沙質(zhì)推移質(zhì)斷面輸沙率計算方法_第5頁
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沙質(zhì)推移質(zhì)斷面輸沙率計算方法1前言由于推移質(zhì)測驗很困難,迄今為止實測資料為數(shù)有限;為滿足實用需要,一般都致力于計算方法的研究與選擇。目前經(jīng)驗、半經(jīng)驗的推移質(zhì)計算公式已不下數(shù)十個,因都未考慮橫向分布上的強烈不均勻性,所以,計算的成果都與實際相差較大,難于滿足實用要求。受泥沙統(tǒng)計理論的啟示,取各家研究成果之所長,先對推移質(zhì)計算中各因子優(yōu)選,從而優(yōu)化了單寬輸沙率公式。其中推移層厚度隨水力因素確定,水流強度和摩阻流速由實測流速參數(shù)決定,使計算成果更能符合實際。根據(jù)水文站日常測驗資料中取得的垂線位置、水深、流速、床沙顆粒級配等資料,就可分別求出各垂線的單寬輸沙率,確定其沿河寬分布曲線。再經(jīng)數(shù)學方法處理,沿河寬積分,即能算得全斷面推移質(zhì)輸沙率。本方法經(jīng)單線資料與恩格隆、愛因斯坦、梅葉-彼德等計算成果對比,與恩格隆式接近,大于愛因斯坦與梅葉-彼德兩式。與長江有關(guān)站斷面實測成果對比,基本接近,具有實用意義,為間接法測推移質(zhì)取得了新的經(jīng)驗。2單寬輸沙率公式的選擇泥沙統(tǒng)計理論,是當今有廣闊發(fā)展前景的研究推移質(zhì)運動的工具[2]。但在確定輸沙模式時,彼此還存在較大的差別,有的甚至還涉及到不同的概念[3]。盡管如此,而在公式的結(jié)構(gòu)上,則可以綜合為以下通用形式qb=Aγsm0MDP1L/P2t(1)式中P1、P2為特征概率,L為特征長度,t為時間,D為特征粒徑,M為沙層運動高度(以特征粒徑的倍數(shù)計),m0為面密實系數(shù),A為系數(shù);γs為泥沙容重,qb為單寬輸沙率。3特征參數(shù)的確定式(1)中,A是體積系數(shù)π/6與面積系數(shù)π/4之比,等于2/3。竇國仁試驗結(jié)果,面密實系數(shù)m0=0.4。γs一般沙質(zhì)河床可取2650kg/m3。對非均勻沙選用床沙組成中哪一級粒徑為代表粒徑,各家標準不一致。根據(jù)沙質(zhì)河床的特性及試算的反復研究驗證,確定取床沙的D80作為特征粒徑D。其他幾個參數(shù)是經(jīng)過以下討論后確定的。3.1速度L/t的確定L/t是泥沙運動的特征速度,仍采用簡化后一般通用的顆粒平均滾動速度公式Vs=Vb-Vbc(2)式中Vs推移質(zhì)平均運動速度,Vb河底流速,Vbc時均顆粒起動流速。關(guān)于Vb及Vbc的確定,則采用竇國仁公式[2]Vb=8.5/6+2.5lnd/KsV(3)Vbc=1.09[γs-γ/γgD+0.19(gdδ+εK/D)]1/2(4)式中Ks按以下方法確定;當D≤0.5mm,Ks=0.5mm,當D>0.5mm時Ks=Dδ=0.213×10-4cm,εk=2.56cm3/s2,γs=2650kg/m3;γ=1000kg/m3Vbc=1.09[16.1865D+0.000000397d+0.0000004864/D]1/2(5)式中均以m為單位,d為垂線水深,V為垂線平均流速。3.2u*及θ的確定摩阻流速u*及水流強度θ可通過實測值計算,但在平原河流上,使用實測比降J值很不理想,水尺間距短了精度低,長了又缺乏代表性,很多站都沒有比降觀測項目,進行橫比降觀測的站就更少,為此用實測流速反算的方法來解決此問題。勃蘭特流速分布公式為:V=5.75u*lg(30.2d/Δ)+5.75u*lgη,令a′=5.75u*lg(30.2d/Δ),b′=5.75u*,則可簡化為:V=a′+b′lgη,即u*=b′/5.75(6)式中a′,b′為簡化流速參數(shù),Vi為測點流速,η為從河底起算的測點相對水深,Δ為河底糙度。因為θ=γwdJ/(γs-γw)D=dJ/1.65D式中γw為水的容重,γs為泥沙容重,以u*=代入(6)式,重力加速度g取9.81m/s2,換算后得J=0.00308b′2/dθ=0.0019b′2/D(7)a′和b′可根據(jù)實測垂線各點流速用最小二乘法求得。3.3特征概率的確定式(1)的P1可解釋為起動概率,P2為止動概率;愛因斯坦和韓其為對此盡管在說法上不盡相同,但形式上都可用P=P1/(1-P2)表示,可見P2=1-P1。根據(jù)文獻[3]的論證,這是單次滾動的平均距離大1/(1-P1)倍的結(jié)果,這為P可以大于1提供了理論依據(jù)。目前唯一有推移質(zhì)運動機率特征的資料,是恩格隆的試驗成果。要引用它需要辨別幾個問題,一個問題是恩氏中的P是否與式(1)P1/P2等效?為此要將其公式與式(1)進行對比,其中;P=6/πB(θ-θc);D/B=π/6D6/πB,則有π/6D≈2/3×2D×0.3927。如以2D=M,m0=0.3927,則有qb=2/3m0γsVSP,可見P和P1/P2等效,可以互換。另一個是,文獻[1]中提到“按定義,顯然不能大于1"。為此恩格隆曾將P=6/πB(θ-θc)\P(一)式,改為P=[1+[π/6B/θ-θc]4]-1/4P(二)式。前文提到P=P1/P2=P1/1-P1,由于P是P1的組合值故認為P值可大于1。文獻[1]指出,P(一)式的恩氏成果與其他幾家公式比較一致。而用P(二)式的成果,在高輸沙時,偏小甚多,明顯不合理。這也旁證了P大于1的合理性。再一個問題是,P的表達式是什么?根據(jù)文獻[1]提供的如圖1的資料作進一步的研究后,發(fā)現(xiàn)恩氏的表達式與資料不盡相符。P(一)式上部分太偏大,P(二)式受P不能大于1這個概念的束縛,上部又有點偏小。為此,將P(二)修正為P=1.18(θ-0.19)0.22(8)當θ≤0.1942時

P=6/πB(θ-θc)=2.3873(θ-0.046)(9)

式中B=0.8,θc=0.046,其余符號意義同前,適線情況如圖1。3.4泥沙運動層高度M的確定對推移層厚度,各家都以代表粒徑的倍數(shù)表示,已有公式中,多用一個固定值。我們認為它是一個隨水流條件而變的函數(shù),表達式為圖1推移質(zhì)運動機率參數(shù)P與θ的關(guān)系

RelationbetweenPandθ

M=K(u*/u*c)0.6(10)這是有名的拜格諾公式,其中\(zhòng)%K\%經(jīng)拜格諾及威廉斯用均勻沙試驗K=1.4,而天然河流上,沙粒級配不均勻,可能大到2.8[1]。因此取其平均值K=2.1。另外,這里所說的試驗高度是跳躍高度。以之代表沙層厚度,還應減掉沙層的空隙度。根據(jù)沙玉清的模式[2],在平穩(wěn)情況下,空隙率為0.4。如是以K=2.1代入式(10)并乘以(1-0.4)則有M=1.26(u*/u*c)0.6(11)式中u*c由起動條件下τc的希爾茲公式知:τc/(γs-γw)D=f(u*D/ν),因f(u*D/ν)的上限為0.06,下限為0.033取平均值為0.046,則有τc=0.046(γs-γw)D,故:ν為運動粘滯系數(shù),g為重力加速度。(12)代入式(11)得4計算方法4.1需要的實測資料4.1.1各垂線位置、水深、測點流速、平均流速、相應床沙顆粒級配,水面寬度、水位、流量。4.1.2沒有二點以上測點流速時,要提供水面或浮標流速系數(shù)。4.2計算步驟計算工作分測點計算和全斷面計算二大步。4.2.1測點計算(1)擬合垂線測點流速分布公式求a′,b′值[4];當流速用二點法以上測時,用Vη=a′+b′lgη進行擬合,式中;η=Y/d,d為垂線水深,Y為從河底算起的距離。用一點法或浮標法測速時,a′=V/KF,b′=2.303(a′-V),式中;KF為浮標流速系數(shù)或水面流速系數(shù)。(2)根據(jù)床沙級配資料插補D80代表特征D。(3)計算水流強度θ及u*。(4)計算Vs=Vb-Vbc,及M,P。(5)根據(jù)以上分析研究概括出的公式qb=706.67VsMDP(14)計算垂線單寬輸沙率。4.2.2全斷面輸沙率計算(1)根據(jù)算出的各垂線輸沙率以相對河寬為\%x,用多項式逐步回歸求出單寬輸沙率y沿河寬的分布方程式。(2)積分單寬輸沙率方程即得全斷面總輸沙率。5精度驗證5.1垂線檢驗計算模式主要是qb,故驗證單線成果是首步。經(jīng)計算長江干流新廠(二)站,洞庭湖入口站藕池(康)站,漢江干流襄陽站共165次資料,與實測資料(均用Y-78型儀器,并用系數(shù)1.62修正)對比,如圖2.從圖上可以看出,點子分布在45°線的兩側(cè),不存在系統(tǒng)偏離。單站點群分布,也沒有明顯的系統(tǒng)突出現(xiàn)象。這表明本方法適用性較強,有普遍實用意義。從圖面看,點子分布較寬,這是與推移質(zhì)的脈動和測驗精度相關(guān)聯(lián)的。實際取樣中,1~3倍的誤差允許存在;脈動情況下,10倍以上的誤差都可以出現(xiàn)。新廠站取樣誤差試驗資料統(tǒng)計,1次取樣與10次取樣平均值比,1倍誤差的保證率為76%。所以,計算精度不會低于當前測驗精度。5.2全斷面檢驗就全斷面而言,某些隨機誤差在各垂線上可以互相抵消一部分,其總誤差可以減小。經(jīng)用新廠、藕池(康)共50次資料對比如圖3。統(tǒng)計表明,誤差40%的次數(shù)為72%:誤差50%的次數(shù)為81%:1倍誤差的次數(shù)95%。而新廠站的取樣試驗分析中,3次平均與10次平均比,誤差小于1倍的點子占94%。所以,計算成果的精度,能與實際相符,可滿足實用需要。圖2單線資料對比關(guān)系

Relationbetweenbedloadrateforameasuringlineandcalculatedbedloadrate圖3計算斷面資料對比關(guān)系

Relationbetweencalculatedbedloadrateofcross

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