水利工程論文-寬級配推移質(zhì)輸移特性研究.doc

水利工程論文-寬級配推移質(zhì)輸移特性研究摘要：針對寬級配卵石河道粗細顆粒泥沙的輸移特點，提出一種反映粗化細化過程的特征參數(shù)粗化細化程度的概念和計算方法，來描述河道粗化細化過程中輸沙能力的不同特點。同時，在對床沙位置進行實測的基礎(chǔ)上，把粗化過程和床沙位置特征參數(shù)聯(lián)系起來，用床沙位置特征參數(shù)來反映，刻化粗化細化過程中的程度；由此而對非均勻粗細泥沙輸移中粗化細化程度對輸沙率的影響規(guī)律進行深入探討，獲得粗化細化程度對粗顆粒泥沙推移質(zhì)輸沙率影響的計算方法。關(guān)鍵詞：泥沙輸移推移質(zhì)粗化過程1前言長江三峽庫尾河段，其沖淤變幅較大，當蓄水發(fā)電時，河床發(fā)生淤積床沙細化，提高了輸沙能力，當消落拉沙時，河床會發(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。粗化細化過程中粗化細化是如何影響輸沙能力，可以用下述例子來簡要說明：在水槽上鋪一定厚度的粗細泥沙，施放清水進行沖刷使其完全粗化穩(wěn)定，此時粗化程度達到最大，輸沙率為零。此時，取下粗化層級配，并按此級配重新配沙并鋪并水槽中，施放與前述粗化穩(wěn)定時同樣的水流，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)致不同的輸沙強度(或輸沙率)。反過來講，作為粗化過程的反過程細化過程，在水流相同條件下，細化程度越大，則輸沙強度亦較高。沖刷粗化過程的輸沙強度明顯小于淤積（細化過程）的挾沙強度。另一方面，粗化細化是一連續(xù)過程，沖刷中有著不同的粗化程度，細化中亦存在不同的細化程度，不同程度的粗化細化，其輸沙規(guī)律也不一樣。粗化細化程度概念粗化細化過程是天然河道沖淤交替的反映，反映粗化細化強烈的量稱為粗化細化程度。如何進行粗化細化程度的量測、計算是解決非均勻粗細泥沙輸移規(guī)律中的關(guān)鍵問題之一。粗化細化程度的定量描述有著不同的方法，用床沙位置特性（粗沙實測資料）和前期累計沖淤量描述。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，伴隨細化來的是床面光滑。粗化過程的最終狀況是粗化穩(wěn)定層的形成，此時粗化程度系數(shù)亦定義為。當然粗化也許不形成粗化穩(wěn)定層。粗化開始時的粗化程度則認為是零。作為粗化過程(沖刷)的逆過程細化過程，淤積細化開始作為細化程度為零。用d(ArmoringDegree)表示粗化程度。非均勻沙顆粒的運動，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動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動特性的基礎(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，顆粒的跳躍運動及其實際測量等方面考慮，引入如圖所示的暴露高度的概念。由圖可見，暴露高度就是基線0-0到顆粒頂點的豎向距離。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，為正時表示突起于平均床面之上，為負時表示低于平均床面。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，這種暴露高度也是能夠?qū)嶋H測量的。以往，韓其為3，Paintal等人也曾涉及暴露度問題，但只是對暴露度及其分布作了許多假設(shè)，并無實際資料難驗證，這正是暴露度研究上欠缺的。本文提出了一種實測暴露高度的方法，并對暴露高度進行了實測，填補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測過程及暴露高度與顆粒大小的關(guān)系。暴露高度的實測在活動玻璃水槽進行2，水槽長20m，寬40m，高50m。實測時，用一塊1010cm的小板，用一無尖測針與板面垂直連接，將測針架固定在所測斷面上，在板面上涂一層薄薄的白乳膠，將測針連同小板安裝在測針架上，調(diào)節(jié)測針向下移動，至床面起最高部分顆粒時，記錄測針讀數(shù)，并將板面上所粘泥沙洗下洗盡，烘干、篩分出各級泥沙的重量(g)，這便是這一測針讀數(shù)下暴露顆粒的重量(g)；重復(fù)以上過程，直至測完表層顆粒為止，就可以得到不同測針讀數(shù)下各級泥沙的重量。在非均勻沙中，從平均角度來講，大顆粒位于平均床面上，其暴露高度大于零，受到暴露，細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。用上述方法對床面顆粒暴露高度進行實測，由多組實測資料的結(jié)果表明：暴露高度和床沙粒徑間存在兩類典型的關(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)所對應(yīng)的是床沙全動時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，即iA(Di-Da)(1)其中，圖2(b)所對應(yīng)的是床沙部分可動時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，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、都江堰實測資料，反求兩條河流的A值在0.30.5之間，說明兩條河流均處在粗化過程中。事實上，河流一般均處在粗化過程中的某一粗化程度(或細化程度)，不會達到完全粗化狀況，即粗化程度為1。床沙位置特征參數(shù)A一般不會達到，而會在某一較大值時粗化穩(wěn)定層趨于完成，此時床沙位置特征參數(shù)為Am；定義此時的粗化程度為。因此，可以簡化認為粗化程度AdA/Am(4)雖然這是從粗顆粒泥沙測量得到，對于細顆粒河床也有類似特點。關(guān)于細化過程中的細化程度有待進一步研究。2.2累計沖淤量確定粗化細化過程的程度劉月蘭、韓少發(fā)4等人曾提出用累計沖淤量來表征河道沖淤過程中輸沙能力的不同。由于其研究是針對具體的河段長度、寬度和泥沙特性，具有一定的特殊性。事實上，這也是一種定義粗細化程度的方法，不過在研究中，還沒有提出粗細化程度的概念。從作者的思路來講，粗化細化程度應(yīng)定義為Ad=W/Wm(5)其中W為前期累計淤積量，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講，可以用床面累計沖淤厚度來表征粗化細化程度，粗化細化程度與累計沖淤厚度有關(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輸沙能力的影響，是進一步需要探討的問題。3.1粗化程度對寬級配卵石推移質(zhì)輸沙率的影響特點在前述床沙位置特征研究的基礎(chǔ)上，引入輸沙、躍移概率和交換時間等概念，可導(dǎo)出寬級配非均勻卵石推移質(zhì)輸沙率公式如下2(7)其中P*=PPP為起動概率。P為躍過下游顆粒的概率。*=(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粒徑組床百分數(shù)。由實驗資料適線得：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。圖3蔭蔽參數(shù)和粗化程度關(guān)系Relationsh