水利工程論文-岷江都江堰河段卵石推移質(zhì)的橫向分布特性.doc

水利工程論文-岷江都江堰河段卵石推移質(zhì)的橫向分布特性摘要：常用的推移質(zhì)輸沙率公式多指單位河寬的輸沙率計(jì)算。對(duì)于全斷面的輸沙率則涉及推移質(zhì)輸沙帶的寬度和橫向輸沙率分布。本文以岷江都江堰河段卵石推移質(zhì)輸沙率的橫向分布實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，建立了用自然對(duì)數(shù)函數(shù)描述橫向分布的概率分布函數(shù)。并對(duì)橫向強(qiáng)輸沙區(qū)，弱輸沙區(qū)和不輸沙區(qū)給出了量化指標(biāo)。關(guān)鍵詞：推移質(zhì)輸沙率橫向分布1前言在進(jìn)行推移質(zhì)模型試驗(yàn)和一維數(shù)學(xué)模型計(jì)算時(shí)，習(xí)慣選擇一常用的單位河寬推移質(zhì)輸沙率公式，并按實(shí)際河寬得出全斷面輸沙率。這種方法對(duì)沙質(zhì)推移質(zhì)應(yīng)不存在很大的問(wèn)題。但是，對(duì)卵石推移質(zhì)輸沙率，沿河寬的分布是十分復(fù)雜的。四川岷江都江堰河段的實(shí)測(cè)資料表明，卵石推移質(zhì)不但存在隨時(shí)間的劇烈脈動(dòng)變化，而且沿橫向的分布也存在劇烈的變化1。新近的研究表明2，對(duì)順直河道，垂線平均流速和床面切應(yīng)力從中心主流區(qū)向兩岸逐漸減小。當(dāng)減小到一定的程度，床面剪切力將小于輸移泥沙的臨界起動(dòng)切應(yīng)力。這一分界點(diǎn)以外將無(wú)推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)。分界點(diǎn)以內(nèi)推移質(zhì)輸移強(qiáng)度也將隨床面切應(yīng)力的變化而不同。分界點(diǎn)與主流區(qū)床面切應(yīng)力的關(guān)系可表示為2bcgSHc(-)(1)式中bc為分界點(diǎn)床面切應(yīng)力，為水容重，g為重力加速度，S為能坡/(gSHc)，為無(wú)尺度單位河長(zhǎng)二次流作用力橫向梯度；(HeUV)/y為單位河長(zhǎng)二次流作用力橫向梯度。bmgSHc即為主流區(qū)床面切應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)表明0.152，故（1）式可記為b=0.85b(2)近岸區(qū)床面切應(yīng)力小于臨界切應(yīng)力bc的范圍即是不輸沙區(qū)。而在輸沙區(qū)內(nèi)，由臨界床面切應(yīng)力到最大床面切應(yīng)力之間又存在不同的輸沙強(qiáng)度，需要根據(jù)原型觀測(cè)資料來(lái)分析。2都江堰河段卵石推移質(zhì)的橫向分布觀測(cè)圖1為都江堰河段1983年8月13日實(shí)測(cè)的橫斷面各垂線上的流速和推移質(zhì)輸沙率的資料，垂線平均流速的橫向的分布比較均勻，輸沙帶內(nèi)流速范圍為2.33至3.92m/s，但卵石推移質(zhì)輸沙率在橫向的分布卻極不均勻，qbmax=491g/sm,qbmin=0.14g/sm，極值比達(dá)到3507，表明卵石推移質(zhì)輸沙率在橫向的分布具有隨機(jī)性。為此，用下面的統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)實(shí)測(cè)資料作統(tǒng)計(jì)分析。首先，根據(jù)垂線位置，將橫斷面劃分成段，將各段的輸沙率和對(duì)應(yīng)的輸沙寬度按輸沙率由大到小排隊(duì)，然后逐級(jí)累計(jì)相加，得到累積輸沙率系列Qbi和對(duì)應(yīng)的輸沙寬度系列Bi，以全斷面輸沙率Qb和斷面水面寬B為權(quán)，將累積輸沙率系列和對(duì)應(yīng)輸沙寬度系列無(wú)尺度化，得到無(wú)尺度累積輸沙系列Q*bi和無(wú)尺度輸沙寬度系列B*i，即Q*bi=Qbi/Qb，B*iBi/B。圖1流速、推移質(zhì)單寬輸沙率Transversedistributionofvelocityandbedloadtransportrate圖2卵石推移質(zhì)橫向分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律Statisticallawoftransversedistributedpebble圖2中的實(shí)測(cè)點(diǎn)為都江堰河段四級(jí)不同流量下卵石推移質(zhì)輸沙率橫向分布的無(wú)尺度關(guān)系。由圖可以看出，對(duì)都江堰河段，斷面總輸沙量的55%至76%，僅在占水面寬的20%輸沙帶內(nèi)輸移，整個(gè)輸沙帶寬，在各種流量下，均不超過(guò)水面寬的60%，而且，不同流量級(jí)的B*biB*i關(guān)系具有相同的特點(diǎn)和趨勢(shì)，說(shuō)明具有某種共同的橫向分布規(guī)律。3卵石推移質(zhì)橫向分布函數(shù)通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)資料用不同的途徑分析，采用下面的自然對(duì)數(shù)函數(shù)，能較好地描述這種橫向分布規(guī)律(3)式中代表卵石推移質(zhì)的極限無(wú)尺度輸沙寬度，由拉格朗日中值定理(Q*bi)1Q*bi()-Q*bi()/1/1/為（0、0），（、1）連線的斜率，表示無(wú)尺度平均輸沙強(qiáng)度(3)式兩邊對(duì)B*i求導(dǎo)，得f(B*i)dQ*bi/dB*i1/1n/B*i(4)(4)式即為輸沙強(qiáng)度的概率密度函數(shù)當(dāng)f(B*i)相應(yīng)于平均輸沙強(qiáng)度時(shí)，則f(B*I)=1/。表1輸沙帶特征值Characteristicvaluesofsandtransportedzone流量(m3/s)強(qiáng)輸沙區(qū)a=*i弱輸沙區(qū)b=a-*I不輸沙區(qū)c=1-a輸沙帶a3940.3310.5690.1000.9004000.2390.4110.3500.6504550.2210.3790.4000.6005120.1840.3160.5000.5005470.1840.3160.5000.500這時(shí)相應(yīng)的B*i用*i表示，得到相應(yīng)于平均輸沙強(qiáng)度時(shí)B*i=*i=/e(5)于是，在區(qū)域0B*i*i，輸沙強(qiáng)度大于平均輸沙強(qiáng)度，構(gòu)成強(qiáng)輸沙區(qū)；在*iB*i區(qū)域，輸沙強(qiáng)度小于平均輸沙強(qiáng)度，構(gòu)成弱輸沙區(qū)；而區(qū)域B*i1，輸沙率為零，構(gòu)成不輸沙區(qū)，顯然，強(qiáng)輸沙區(qū)與弱輸沙區(qū)之和，構(gòu)成輸沙區(qū)，當(dāng)確定后，即可分別確定強(qiáng)輸沙區(qū)、弱輸沙區(qū)和不輸沙區(qū)的無(wú)尺度寬度：a=*i，b=-*i，c=1-，表1為與圖3對(duì)應(yīng)的都江堰河段五級(jí)流量下的無(wú)尺度推移帶寬有關(guān)的各特征值。圖3為Q=400m3/s時(shí)，按（4）式繪制的卵石推移質(zhì)橫向分布的密度函授圖，其中a、b、c、1/的物理意義如前所述，將（5）式代入（3）式得到強(qiáng)輸沙區(qū)內(nèi)的無(wú)尺度輸沙率Q*b=/e=0.736，至止，我們得到在一定的條件下，在寬度為/e的強(qiáng)輸沙區(qū)內(nèi)(根據(jù)都江堰河段上述有限資料，其/e=0.180.33)，圖3橫向分布密度函數(shù)Densityfunctionoftransversedistribution其輸沙量占全斷面的73.6%，于是，在弱輸沙區(qū)內(nèi)，輸沙量占26.4%，其對(duì)應(yīng)輸沙帶占河段斷面水面寬的31.6%56。9%，不輸沙區(qū)的寬度占10%50%。4結(jié)語(yǔ)卵石推移質(zhì)輸沙率在橫向的分布極不均勻是由床面切應(yīng)力的橫向變化等復(fù)雜因素造成的，用(3)式表達(dá)的自然對(duì)數(shù)函數(shù)形式能較好地將橫斷面劃分為強(qiáng)輸沙區(qū)，弱輸沙區(qū)和不輸沙區(qū)。強(qiáng)輸沙區(qū)的輸沙率占總輸沙率的73.6%，弱輸沙區(qū)占26.3%。參考文獻(xiàn)1FangD,CaoS,ZhangC,Transportcharacteristicsofgravelbed-loadwithawideSitedistribution,Proc,4thInt.Symp.onRiverSedimentation,1989,WaterResource