水利工程論文-明槽水流的非均勻沙挾沙力研究.doc

水利工程論文-明槽水流的非均勻沙挾沙力研究摘要：本文從床沙、推移質(zhì)及懸移質(zhì)互相交換、銜接的物理圖形出發(fā)，在力學、隨機及紊動擴散分析基礎(chǔ)上，提出了顆粒躍移及推移質(zhì)、懸移質(zhì)和全沙統(tǒng)一的新的非均勻沙挾沙力公式.文中公布了新近試驗取得的57組非均勻沙挾沙力水槽資料，分析提出了反映混合沙中粗細顆?；ハ嘤绊懙南禂?shù)的關(guān)系，提出了懸移層與推移層交界面高度及濃度預(yù)報新的初步關(guān)系.應(yīng)用本文提出的挾沙力系列公式計算驗證了大量天然河流及水槽實測分組和總挾沙力資料，計算與實際符合較好.關(guān)鍵詞：非均勻沙顆粒躍移懸移質(zhì)挾沙力隱蔽暴露影響水流挾沙力是泥沙研究中的核心問題，是解決水庫、河渠等大量泥沙沖淤問題的關(guān)鍵.天然沖積河流中的泥沙一般都是非均勻沙，懸移質(zhì)、躍移質(zhì)及床沙通常都是互相交換、密切相關(guān)的，但迄今國內(nèi)外大多數(shù)挾沙力公式從物理圖形、原始推導上就與床沙組成無關(guān)，實際上是針對且只適用于均勻沙.一些公式經(jīng)過各種經(jīng)驗性處理以后已用于非均勻沙計算，在生產(chǎn)上得到了廣泛應(yīng)用，但一般都未考慮混合沙中粗細顆粒間的相互影響，分組挾沙力計算精度難以提高，在河床連續(xù)沖刷計算中問題暴露往往比較明顯.迄今，多數(shù)挾沙力公式將懸移質(zhì)和推移質(zhì)分割，生產(chǎn)上應(yīng)用的多是并不匹配的二套公式，對于懸移質(zhì)和推移質(zhì)輸沙并重的河流，如此作法存在不少問題.水流的非均勻沙挾沙力仍是一個遠未解決的重大生產(chǎn)和學術(shù)問題.H.A.Einstein1-2早在五十年代即提出了水流的非均勻沙挾沙力理論及公式，半個世紀以來的研究和實踐表明，愛氏提出的總的物理圖形比較合理.尤其是將床沙、躍移質(zhì)和懸移質(zhì)三者聯(lián)系起來分析而不是將它們看成彼此孤立、分割的事物，這一點是意義深遠的.這一物理圖形中一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是床面與懸移層之間過渡薄層(躍移層或準躍移層)內(nèi)的水流泥沙運動規(guī)律，由于此近底層內(nèi)規(guī)律非常復(fù)雜且試驗困難，致使愛氏體系的理論發(fā)展比較滯緩，愛氏當初推導挾沙力關(guān)系時不得不作了很多假定，不少是有問題的.愛氏對顆粒躍移并未進行詳細的力學分析和試驗，諸多關(guān)鍵的躍移參數(shù)相對值均以常數(shù)代之，與實際相差甚遠，使其挾沙力公式計算成果與實際往往相差很大.R.A.Bagnold,M.S.Yalin及VanRijn3等很多學者都先后進行了顆粒躍移的力學分析或試驗，取得了很多寶貴成果.自1986年以來，王士強、張仁、付曉及胡春宏、惠遇甲等分別對明槽水中顆粒躍移進行了力學分析和試驗，取得了很大進展4-6，分別發(fā)現(xiàn)顆粒容重對躍移參數(shù)的影響規(guī)律，與以往所有認識均不相同.在顆粒躍移分析和試驗基礎(chǔ)上，王士強等提出了計算推移質(zhì)輸沙率的新公式4，進而提出了推移質(zhì)、懸移質(zhì)和全沙統(tǒng)一的新的非均勻沙挾沙力公式7，并得到了清華大學活動大鋼槽內(nèi)試驗取得的27組實測資料的良好驗證8，文獻9對此公式進行了進一步的分析和驗證，并與國內(nèi)外其它一些著名的挾沙力公式進行了驗證計算精度比較.近些年來，王光謙、倪晉仁10，邵學軍、夏震寰11及胡春宏、惠遇甲6等用不同方法探索研究了近底層內(nèi)顆粒濃度分布規(guī)律，為挾沙力研究的進一步深入提供了寶貴的啟示；王士強等考慮近壁層顆粒沉降阻力增大、沉速減小從而得出新的懸移層濃度垂線分布公式12，并進一步總結(jié)、驗證和應(yīng)用了新公式.近二年內(nèi)陳驥完成了新的57組非均勻沙挾沙力試驗，在所有以上研究基礎(chǔ)上，本文對更多的資料進行了分析，繼續(xù)研究改進了王士強等新的挾沙力系列公式，進一步提高了該套公式的計算精度.一、顆粒躍移及推移質(zhì)、懸移質(zhì)、全沙挾沙力方程1.1顆粒躍移方程床面附近的顆粒躍移是懸移質(zhì)輸沙和沙質(zhì)床面之間過渡層內(nèi)顆粒的主要運動形式，是研究沙質(zhì)推移質(zhì)和懸移質(zhì)輸沙率的基礎(chǔ).作用在床面附近躍移顆粒上的力很多很復(fù)雜，文獻4主要考慮了占優(yōu)勢影響的顆粒重力(W)、水的浮力(W-W,W為水下重力)、水流上舉力(FL)及水流拖曳力(FDx)或阻力(FDy)，其它作用力因較為次要或不很明確而未直接考慮.垂直床面(或水流)的y向及沿水流x向的顆粒躍移運動的微分方程分別為FL-W-FDy=(Wd2y)/(gdt2)(1)FDx=(Wd2x)/(gdt2).(2)式中g(shù)為重力加速度，t為時間.通過適當簡化對上列方程積分，得出了各躍移參數(shù)解析式，由躍移試驗資料適線確定了這些解析式中的系數(shù)4.下列簡化公式是從較復(fù)雜的解析式概括得出的，二者基本等價，計算結(jié)果十分相近.式中D為顆粒粒徑，a0為顆粒平均躍移高度，Lm為平均躍移長度，ub為平均躍移速度，u*為水流摩阻流速，s、分別為顆粒和水的容量，J為能坡，R為沙粒水力半徑，按文獻14給出公式求得，平整床面時即為水力半徑或水深.(3)(4)(5)式中上列顆粒躍移參數(shù)公式得到了驗證5，與其它著名公式相比9，數(shù)值相近但有二點重要區(qū)別，上列公式中的相對躍移參數(shù)不僅取決于，還另外隨s/而變，同時的冪指數(shù)并非常數(shù).對于泥沙，當從0.06增至2.5時，ao/D由1增至11，Lm/D由6增至800，ub/u*由4增至12，尤以躍長變化范圍最大，若如Einstein假設(shè)為常數(shù)100，則對于其它大部分水流強度情況必然產(chǎn)生很大誤差.1.2推移質(zhì)輸沙率公式顆粒以躍移形式運動的單寬推移質(zhì)輸沙率qb應(yīng)等于單位時間、單位寬度內(nèi)跳躍通過某斷面的各種躍長的所有顆粒的總重量，可由下式4確定：qb=A*spubLm(6)式中P為FL/W1條件下床面顆粒的起躍概率，A*為待定系數(shù).從物理模式及原始推導看，嚴格來說，式(6)本只適于躍移推移質(zhì)，但因以滾動、滑動等形式運動的接觸質(zhì)受到的主要作用力與上述躍移顆粒大體相同，因此控制qb的變量及s/二者應(yīng)該相同.當式(6)中的待定系數(shù)由包括接觸質(zhì)在內(nèi)的變化范圍很大的大量推移質(zhì)輸沙率實測資料適線確定時，該式的適用范圍就具有普遍性.式(6)中的變量可由一套解析公式分別求出，相當煩復(fù)，為便于應(yīng)用，由式(6)及其它一系列求其變量的公式概括簡化得出公式(7)，兩者基本等價，計算值十分相近.(7)式中：.圖1列出了大量實測點據(jù)及公式(7)中不同s/的三條曲線，公式與各種s/的實際資料均相當符合，在高強度輸沙部分，與Wilson的二種容重顆粒資料均分別符合相當好.圖1還列出了其它著名公式曲線以便互相比較，對于泥沙，公式(7)與Yalin公式十分接近，冪指數(shù)m3隨增大而減小，高強度時接近1.5.公式(7)得到了其它資料的驗證9.圖1和、s/的關(guān)系1.3懸移質(zhì)及全沙挾沙力公式水流的懸移質(zhì)輸沙一方面依賴于紊動擴散，同時取決于床沙揚起及躍移泥沙濃度.水流的懸移質(zhì)單寬輸沙率qs由式(8)確定：(8)式中sy及uy分別為離床面y高度的含沙濃度及水流速，H為水深，a為懸移層底層離床面高度.式中流速垂線分布按Einstein總結(jié)的公式計算13：uy=5.75u*log(30.2x1y/D65).(9)含沙濃度分布sy由紊動擴散方程并考慮床面附近沉速減小的因素確定，可由作者提出的式(10)計算12，該式與通常的公式形式相同，僅以修正懸浮指數(shù)z1代替通常的懸浮指數(shù)z，z1隨z增加及粒徑D的減小而比z小得愈多.z=0/u*.式中為卡門常數(shù)，0為泥沙沉速，Sa為y=a處的含沙濃度.將式(9)、(10)代入式(8)積分可得式(11)為：qs=11.6su*Saa(P1I1+I2),(11)式中：P1=2.303lg(30.2x1H)/(D65),I1=0.216(Az1-1)/(1+A)z1)A(1-y)/(y)z1dy,I2=0.216(Az1-1)/(1+A)z1)A(1-y)/(y)z1lnydy.設(shè)Sa=KsSm,sm=qb/(aubs),sm為推移層內(nèi)的平均含沙濃度，Ks為近壁層濃度分布特性系數(shù).則式(11)可表達為qs=11.6Ksqbu*/ub(P1I1+I2),(12)全沙輸沙率qT為：qT=qb+qs=qb(1+11.6Ks(P1I1+I2)u*/ub).(13)對于非均勻混合沙，每個粒徑組的水流挾沙力與床沙中該粒徑組所占比重io相對應(yīng)，當不考慮粗細顆?；ハ嘤绊憰r，則iTqT=ibqb+isqs=ibqb(1+11.6Ks(P1I1+I2)u*/ub),(14)式中：ibqb=i0Dg,io,iT,ib,is分別為該粒徑組在床沙及水中全沙、推移質(zhì)、懸移質(zhì)輸沙率中