明槽水流的非均勻沙挾沙力研究(1)

1、    明槽水流的非均勻沙挾沙力研究(1)    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

2、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

3、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

4、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Van Rijn3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

5、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

6、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雜，文獻4主考慮了占優(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

7、，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

8、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)

9、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，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)            

10、;摘本文從床沙、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         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請聯(lián)系我們。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，

11、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

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)/(

13、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

14、中全沙、推移質(zhì)、懸移質(zhì)輸沙率中所占重量百分比.式(14)中的所有粒徑D均為混合沙內(nèi)各粒徑組的平均粒徑. 上列公式中的a值可由下述方法求得.因顆粒平均躍移高度ao的計算公式(3)中的系數(shù)是根據(jù)水槽顆粒躍高試驗資料適線確定的，因此在水槽輸沙計算中取a=a0,這是合理、自然的，如此計算出的懸移層底部濃度及挾沙力與大量水槽內(nèi)的實測資料符合相當好. 對于天然河流、水庫，無任何實測躍移層高度a的資料，若仍取a=a0,則計算出的懸移層底部濃度一般都遠大于實測資料.因天然河流、水庫內(nèi)的水深遠大于水槽情況，作為水深方向的物理量a，可以推測和假定隨相對水深H/D50而增大，根據(jù)一些天然河流、水庫實測底部含沙量資料

15、分析反算，得出一般含沙量情況下天然河流內(nèi)的a可按經(jīng)驗公式(15a)計算，a可稱為準躍移層厚度： (15a)對于長江及黃河大部分非高含沙水流情況，按式(15a)計算的懸移質(zhì)挾沙力與大量實際資料符合較好.但對于黃河少數(shù)高濃度情況，若按式(15a)計算又計及沉速修正后得出的懸移層底部含沙量仍明顯小于實際情況. 從上述公式(3)可以看出，躍移層厚度隨水流容重增大而減小，在高含沙水流情況下，隨濃度增加而明顯增大.另外，隨著濃度增加，對數(shù)流速公式中的卡門常數(shù)將會減小，即由床面向水面方向的流速變大的梯度增大，床面附近水流垂向紊動強度向水面方向變大的梯度也理應(yīng)增大，這就意味著相同平均水流強度時含沙濃度愈高，顆

16、粒由躍移轉(zhuǎn)為懸移的高度a離床面愈近.根據(jù)以上初步分析及實際資料反算，在公式(15a)中增加卡門常數(shù)的影響因子，得出了包括高濃度水流情況的計算a的初步經(jīng)驗公式(15). (15)式中卡門常數(shù)據(jù)一些實測資料13可按式(16)計算.=0.03421-0.24153E-0.04142E2,(E-3)(16)=0.365-0.007E,(E=-3-5) =0.4(E-5) E=lg(s-)/(）(isSi)/(VJ) 式中S為重量計含沙量，i為分組沉速，V為流速. 式(12)或式(13)中比值Ks反映了床面附近泥沙濃度分布規(guī)律，這是一個十分復雜尚待探索的重問題.作者以往根據(jù)推移層內(nèi)沿深度輸沙率分布均勻假

17、定，提出Ks=0.81，據(jù)此及上列公式計算驗證了很多水槽試驗資料，結(jié)果較滿意，計算與實測挾沙力比值KA在0.52.0之間的資料組次占74%84.7%，比國內(nèi)外一些著名的水流挾沙力公式計算結(jié)果更為接近實際9，深入分析分組輸沙率計算與實測值比值看出，粗細顆粒除了在床面上及水中互相影響以外，近壁層泥沙濃度分布規(guī)律不同，從文獻6也可看出，Ks應(yīng)隨增大而變大，并非常數(shù).文獻10和11從試驗或分析表明，在上舉力大于顆粒水下重量的近壁層范圍內(nèi)，含沙濃度分布會出現(xiàn)上大下小.參考文獻6提出的躍移層內(nèi)濃度分布公式，根據(jù)大量分組輸沙率資料，作者提出了計算Ks的新的初步經(jīng)驗公式： Ks=0(0.04)(17)(0.0

18、40.2) (0.2) 式(17)中分界大體上與動床床面形態(tài)突變相應(yīng)14，0.04時qs=0, Ks當然為0；=0.2時大體上沙壟發(fā)育最高，相應(yīng)Ks=0.81，即此前設(shè)定Ks為0.81常數(shù)大體上是一種平均情況；2時式中Ks1，即近壁層內(nèi)含沙濃度出現(xiàn)上大下小分布，此時沖積床面一般為高能態(tài)逆行沙波.應(yīng)用公式(17)計算Ks使挾沙力計算精度進一步提高.從定性上看，式(17)是比較合理的，但定量上尚待今后繼續(xù)研究.    二、非均勻沙挾沙力水槽試驗成果 本次試驗在長16m寬0.5m的循環(huán)可調(diào)坡水槽內(nèi)進行，槽內(nèi)預先鋪沙15cm厚，當放水足夠長時間水流輸沙達平衡后測

19、量數(shù)據(jù).原始床沙分細沙(F)及混合沙(M)兩大類，各類原始床沙級配及特征粒徑列于表1，表中顆粒分散度=(D84/D50 D50/D16)/2. 試驗床沙分散度雖不很大，但與黃河、長江等中下游沙質(zhì)河流床沙分散度相近.試驗共得57組資料，流量Q為0.0210.126m3/s，水深H為0.0940.231m，能坡J為(1.7-12.9)×10-3，含沙量C為13.7229kg/m3.表2、3分別為F及M類沙試驗數(shù)據(jù).所謂全沙指包括懸移質(zhì)和推移質(zhì)的水中全部輸沙.           

20、 摘本文從床沙、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         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請聯(lián)系我們。 表1 原始床沙級配及特征值    試驗類別 原始床沙級配(mm)，(%) 特征粒徑(mm) 分散度    0.02 0.

21、06 0.01 0.02 0.04 D35 D50 D65 Dm    F 9.37 44.33 92.75 100 100 0.050 0.065 0.078 0.064 1.873    a M 1.44 23.20 43.97 88.26 100 0.080 0.107 0.125 0.112 1.797    b 0.89 21.28 45.91 84.42 100 0.080 0.105 0.126 0.123 1.920   

22、0;c 0.32 13.28 33.14 100 100 0.102 0.121 0.144 0.151 2.104 表2 非均勻沙挾沙力試驗數(shù)據(jù)(細沙類)    組次NO. 流量Q/s 水深H/m 能坡J/1/1000 水溫T/ 含沙量C/kg/ 小于某粒徑沙重%(全沙)    0.02 0.06 0.10 *    1 0.126 0.163 2.450 24.0 82.51 25.89 64.87 90.03    2 0.057

23、 0.209 1.720 20.8 26.52 32.64 72.26 94.24    3 0.126 0.223 4.740 22.3 96.40 23.43 57.96 90.05    4 0.103 0.219 3.840 23.0 50.90 22.32 68.12 98.74    5 0.086 0.231 3.130 23.0 50.62 18.01 65.41 97.10    6 0.071 0.199 3.870

24、 21.5 54.48 27.78 70.12 97.36    7 0.053 0.189 2.590 22.0 34.56 27.12 73.16 99.13    8 0.118 0.206 12.900 23.5 136.94 19.17 51.66 92.96            摘本文從床沙、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&#

25、160;        本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請聯(lián)系我們。    9 0.103 0.191 6.880 23.0 114.79 25.29 63.16 96.23    10 0.093 0.173 5.100 23.2 133.15 28.16 62.34 96.07  &

26、#160; 11 0.067 0.161 5.800 23.0 105.86 33.20 72.29 97.03    12 0.057 0.140 5.030 23.0 91.81 21.33 59.37 95.80    13 0.031 0.122 2.160 22.8 39.67 30.93 76.39 97.21    14 0.026 0.116 1.940 22.8 25.68 35.49 76.76 98.49   &#

27、160;15 0.041 0.142 2.590 23.5 52.23 33.24 74.94 98.31    16 0.085 0.151 6.250 25.0 141.39 29.25 65.35 96.77    17 0.112 0.187 5.600 25.5 215.79 27.93 67.81 98.06    18 0.070 0.128 6.470 24.8 164.35 19.62 49.51 94.73    1

28、9 0.081 0.152 8.100 25.0 219.83 23.59 59.09 94.84    20 0.056 0.128 9.000 25.0 229.32 24.83 62.46 96.84    21 0.050 0.140 3.020 23.0 84.53 27.46 68.70 96.51    22 0.043 0.165 1.720 23.2 28.96 20.18 68.39 97.33 * D0.2mm沙重占100%，各組床沙級配均取原始級配.表

29、3 非均勻沙挾沙力試驗數(shù)據(jù)(混合沙類)    組次NO. 流量Q/s 水深H/m 能坡J/1/1000 水溫T/ 含沙量C/kg/ 小于某粒徑(mm)沙重% *    0.04 全 0.060.10沙 0.04床 0.060.10沙    1 0.108 0.203 5.590 25.5 101.34 27.32 52.35 78.62 7.96 23.20 43.97    2 0.109 0.200 6.450 27.0 76.28

30、 38.07 61.29 92.62 7.96 23.20 43.97            摘本文從床沙、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         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請聯(lián)系我們。

31、    3 0.065 0.188 3.010 27.0 49.38 21.30 46.94 95.30 7.86 22.20 46.13    4 0.091 0.199 4.700 26.5 63.86 33.54 55.48 91.79 8.20 26.92 55.30    5 0.045 0.197 1.720 20.5 13.75 42.52 60.26 91.68 10.33 32.64 64.65    6 0.065

32、0.170 3.870 20.8 44.51 38.47 61.76 95.81 4.79 19.07 49.09    7 0.038 0.158 2.150 22.0 22.33 40.41 61.74 95.08 5.43 21.70 46.31    8 0.088 0.157 6.880 24.0 74.43 22.53 44.65 91.52 7.98 26.88 51.78    9 0.031 0.129 3.000 24.0 31.57 34.03 56.0

33、1 87.23 6.56 23.62 48.50    10 0.058 0.128 4.300 20.7 53.77 27.92 48.39 93.11 8.03 27.53 52.28    11 0.079 0.145 7.000 22.8 118.18 35.71 57.27 89.54 4.15 17.51 40.66    12 0.021 0.097 3.010 21.9 34.92 36.37 59.27 87.12 4.45 18.42 43.57 

34、;   13 0.048 0.097 6.460 22.4 85.00 40.05 61.99 95.63 4.85 18.95 42.64    14 0.040 0.101 3.440 22.2 55.50 35.78 59.95 87.41 9.92 33.82 68.13    15 0.073 0.131 3.010 22.4 99.34 31.69 51.75 83.51 5.57 22.43 51.01    16 0.109 0.

35、192 6.450 23.5 78.49 34.33 51.43 87.24 6.08 21.28 45.91            摘本文從床沙、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         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負

36、，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請聯(lián)系我們。    17 0.068 0.170 3.660 23.0 45.13 32.57 53.51 86.22 11.46 35.46 67.94    18 0.096 0.189 5.160 21.0 64.87 30.05 48.29 84.77 5.33 23.06 53.49    19 0.078 0.202 3.440 21.5 37.36 28.40 48.94 81.60 11.34 33.06 63.33 &#

37、160;  20 0.056 0.203 2.370 20.0 29.08 32.29 53.26 87.52 6.18 21.75 47.41    21 0.071 0.164 4.090 20.5 49.13 34.74 54.01 86.64 13.23 36.88 65.08    22 0.039 0.170 2.150 18.5 25.16 47.89 69.31 97.87 5.79 22.27 49.52    23 0.085 0.16

38、7 5.380 19.7 78.29 29.73 53.03 84.10 10.40 31.58 61.09    24 0.044 0.125 3.440 18.1 47.98 31.24 52.49 88.20 5.50 22.86 51.33    25 0.055 0.129 3.870 19.0 52.45 35.48 58.49 89.58 12.68 38.96 71.12    26 0.073 0.140 5.800 18.0 79.35 24.75 45.

39、13 84.92 8.98 27.10 54.00    27 0.030 0.111 3.010 19.0 41.54 37.74 56.51 89.54 4.98 19.97 44.80    28 0.032 0.094 3.440 18.5 51.87 33.45 52.80 89.84 10.63 32.00 60.52    29 0.041 0.094 3.870 19.0 63.61 38.56 61.25 86.67 7.74 25.75 52.65

40、0;   30 0.063 0.132 3.660 19.7 49.70 32.56 55.27 86.92 3.60 14.18 30.71            摘本文從床沙、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         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原

41、作者，請不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請聯(lián)系我們。    31 0.060 0.105 5.160 21.0 74.05 26.82 47.01 85.13 4.84 18.69 41.92    32 0.071 0.171 2.790 19.5 34.90 30.50 50.48 82.42 5.49 18.77 36.30    33 0.050 0.159 2.590 19.5 27.72 38.36 63.25 9

42、1.47 3.84 14.51 31.95    34 0.068 0.199 2.580 19.4 23.81 31.33 53.54 91.86 7.35 26.65 56.39    35 0.048 0.108 3.870 20.0 43.82 31.77 56.61 90.78 4.24 16.55 35.05 * 全沙與床沙中D0.4mm沙重均占總重的100% 由于沙波高度及床沙交換層厚度隨機變化，床沙級配隨時空變化，因此測取與每一組試驗水流輸沙相對應(yīng)的代表性床沙級配i-0是個難點.試驗中對每一組輸沙平

43、衡后的床沙都進行了測量，取樣厚度約為平均沙波高度.經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，對于粉細沙(F類)，因床沙大多全面起動，床沙級配變化較小，可取原始床沙級配作為各測次代表床沙.M類每測次床沙實測數(shù)據(jù)則列于表3.分析此次及以往所有試驗資料發(fā)現(xiàn)，床面形態(tài)剪切力不僅對推移質(zhì)輸沙基本無效，而且對以懸移質(zhì)為主的輸沙率影響也不明顯.    三、泥沙非均勻性對水流分組挾沙力的影響床沙和水中泥沙粒徑的非均勻性會顯著影響各分組挾沙力.在床面上，粗顆粒對細顆粒會產(chǎn)生隱蔽作用，使細顆粒受到的實際水流上舉力及拖曳力小于均勻沙情況，反之，粗顆粒相對于細顆粒比較突出暴露，其受到的水流作用力將大于均勻

44、沙情況.當泥沙起動、起跳以后，水中推移層內(nèi)不同粒徑的顆粒因運動速度、軌跡不同而會互相碰撞，懸移泥沙也會因沉速不一而碰撞，在床面附近因含沙濃度大而碰撞愈甚.因細泥沙比粗泥沙跳躍較快，沉降較慢，故互相碰撞、動量傳遞結(jié)果總體上使細顆粒跳躍變慢，沉降加快，而粗顆粒則反之.據(jù)上分析看出，水中泥沙與床面泥沙的非均勻性對分組挾沙力的影響總體上是一致的，均使同樣水流強度下水流對細顆粒的挾沙能力比均勻沙情況減小而對粗顆粒則增大.由于此種改變作用迄今都只能根據(jù)水流分粒徑組挾沙力資料反算，難以將起動階段的隱蔽暴露影響及水中運動階段的互相碰撞影響加以分開，因此我們在式(14)中統(tǒng)一加上泥沙非均勻性影響系數(shù)KD，則式(

45、14)變?yōu)槭?18)： iTqT=KD(ibqb isqs)=KDi0Dq(1 11.6Ks(P1I1 I2)u*/ub). (18)圖2 KD和DK關(guān)系在分析KD變化規(guī)律時，將實測非均勻沙各粒徑組輸沙率iTqT與據(jù)式(14)不考慮非均勻沙內(nèi)相互影響計算求得的iTqT之比作為KD，將本次試驗及文獻2的資料求得的KD和DK關(guān)系點繪于圖2.縱坐標DK按下式計算DK=(Di)/(Dp) , (19) 式中Di為混合沙中各粒徑組平均粒徑，Dp為粗細顆粒分界粒徑當量，Dm則為床沙平均粒徑.DK可謂相對粗細度，DK1之粒徑組為相對粗顆粒，DK1之粒徑組為相對細顆粒.由圖可見， KD與DK形成變化趨勢很明顯

46、的帶群，以殘差平方和最小為標準求得擬合曲線繪于該圖中，即得KD與DK的關(guān)系為    (20)圖2點群和式(19)、(20)表明，以DK=1即Di=Dp為分界，Dk1時KD1，而Dk1時KD1.分界粒徑當量Dp不僅取決于Dm，而且隨水流強度增大.隨著水流增強，床面粗粒背水面旋渦會增大，在相同Dm時隱蔽的細粒愈多或?qū)毩５碾[蔽作用愈強，同時水中顆粒運動速度增大、含沙濃度增大而碰撞機會增加，這二者都會導致細粒挾沙力減小，即KD比1減小愈多.但當水流相當強以后，水流繼續(xù)增強不會使床面粗粒背水面旋渦進一步增大，水中顆粒躍移速度及軌跡變化也愈來愈小.這些反映在式(2

47、0)中DK0.4以后DK繼續(xù)減小(即Di、Dm一定時繼續(xù)增強)但KD卻變化甚微，約為0.4. 根據(jù)下面計算驗證看出，上列KDDK關(guān)系同樣適用于天然河流. 分析錢寧和愛氏資料2發(fā)現(xiàn)，凡是床面充分擾動情況，床面上粗細顆粒間的隱蔽暴露影響看來基本不再存在，任何DK時KD均取1合適. 應(yīng)用上列公式計算得出的各試驗組次總的及分組挾沙力與實測值對比列于表4，表中KA為挾沙力計算值與實測值之比，PK為KA=0.5-2.0之間的組次占計算總組次的百分比.由表可見，對于總輸沙率，PK均超過90%，平均達94%，對分粒徑組，PK值平均也超過82%，高者達90%. 表4 輸沙率計算與實測對比  

48、  資料來源 類 別 資料總數(shù) 平均 PK(%)            摘本文從床沙、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         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請聯(lián)系我們。&

49、#160;   陳驥細沙 總輸沙率分組輸沙率 2261 1.19/ 95.590.2    陳驥混合沙 總輸沙率分組輸沙率 35105 0.94/ 91.479.1    愛氏和錢寧 總輸沙率分組輸沙率 26136 1.20/ 96.181.6    總 計 總輸沙率分組輸沙率 83302 / 94.082.5 四、計算挾沙力公式驗證 應(yīng)用王士強等公式(3)(20)計算驗證王士強等于1989年在清華大學60m長1.2m寬活動循環(huán)大鋼槽內(nèi)完成的27

50、組非均勻沙挾沙力試驗資料8，驗證結(jié)果列于表5，并將分粒徑組驗證結(jié)果繪于圖3，該資料在上列公式、關(guān)系建立中均未利用過.圖3 分組輸沙率計算驗證表5 王士強等挾沙力公式計算驗證(水槽)    類 別 資料總數(shù) 平均 PK(%)    總輸沙率 27 1.16 92.6    分粒徑組 78 1.16 82.1 由表可見，總輸沙率及分組輸沙率KA=0.52.0之間的組次比例PK分別高達92.6及82.1%，計算精度很高.對于水槽總輸沙率資料，國內(nèi)外一些著名公式計算結(jié)果PK值對幾十組

51、資料而言超過80%就不多見了.至于非均勻沙分粒徑組的挾沙力計算驗證，在國內(nèi)外還很少見. 表6為應(yīng)用作者公式計算驗證大量黃河下游及長江資料結(jié)果，由表可見，PK對總輸沙率平均約達75%，有些河段超過80%，對分組輸沙率均超過60%，對于影響因素十分眾多復雜的黃河來說，這一驗證結(jié)果是比較好的. 表6 王士強挾沙力公式計算驗證(天然河流)    資料來源 類 別 資料總數(shù) 平均 PK(%) KA=0.52.0    長江荊江 總輸沙率分粒徑組 55124 1.16/ 80.062.1   &#

52、160;黃河利津 總輸沙率分粒徑組 240393 0.94/ 71.363.1    黃河艾山 總輸沙率分粒徑組 289596 0.86/ 77.968.5    黃河孫口 總輸沙率分粒徑組 221429 1.06/ 79.266.2    黃河夾河灘 總輸沙率分粒徑組 187319 1.16/ 84.066.5 天然河流內(nèi)某組輸沙率資料是否為平衡挾沙力主只能從總量上大概判斷，而輸沙總量即使平衡時粗顆粒尚可能處于淤積過飽和狀態(tài)而細顆粒則可能反之，實難判別和選取各粒徑組都處于平

53、衡輸沙的資料，這也是驗證天然河流挾沙力特別是分組挾沙力的難點. 作者曾應(yīng)用此套公式驗證過美國的幾條河流，結(jié)果也比較滿意7.將此套公式與國內(nèi)外其它5個著名公式同時計算過639組不同容重顆粒的水槽挾沙力資料，結(jié)果此套公式與實測資料更為接近，特別是計算物理模型中常用的輕質(zhì)沙挾沙力的精度更比其它公式高9.本公式應(yīng)用于計算黃河一些水庫及河道河床沖淤，也取得了比較滿意的結(jié)果.五、結(jié)語1.本文提出了同時計算推移質(zhì)、懸移質(zhì)及全沙非均勻沙挾沙力公式.該套公式的基本物理圖形是床沙、躍移質(zhì)和懸移質(zhì)互相交換、銜接.2.無量綱顆粒躍移參數(shù)及推移質(zhì)輸沙率參數(shù)不僅隨增大，還發(fā)現(xiàn)另外隨顆粒容重減小，這不僅是理論推導結(jié)果，也為

54、試驗資料所證實，這就使據(jù)此基礎(chǔ)得出的全沙挾沙力公式不僅適合于河流泥沙，而且計算輕質(zhì)沙挾沙力的精度比迄今國內(nèi)外一些著名公式明顯高.3.沙床近底層含沙濃度分布是決定水流挾沙力的重因素.根據(jù)新近的一些研究成果及實際挾沙力資料分析，本文提出了懸移層底層高度a及濃度Sa的初步新關(guān)系.躍移層內(nèi)濃度分布隨增大而愈趨均勻且會出現(xiàn)上大下小現(xiàn)象.    4.非均勻混合沙內(nèi)的粗細顆粒，在床面上存在相對隱蔽和暴露影響，在水中會互相碰撞，本文提出了非均勻性影響系數(shù)KD的新關(guān)系.    5.王士強等非均勻沙挾沙力公式已為大量水槽及天然河流資料

55、所驗證，計算結(jié)果比較符合實際.    6.隨著對近底層水沙運動規(guī)律研究的發(fā)展，作者將繼續(xù)研究改進這套挾沙力公式.    參考文獻 1.Einstein, H.A. The Bedload Function for Sediment Transportation in Open Channel Flows. Technical Bulletin. No.1026. U.S. Dept. of Agriculture, Soil Conservation Service, 1950.71.2.Einstein H A,

56、 Ning Chien. Transport of Sediment Mixtures with Large Ranges of Grain Sizes. M.R.D., U.S.Corps. Engrs., 1953. 49.            摘本文從床沙、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         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請聯(lián)系我