大通水文站流速與懸移質(zhì)含沙量垂線分布規(guī)律.docx

1、大通水文站流速與懸移質(zhì)含沙量垂線分布規(guī)律陳健健（K江水利委員會(huì)長江下游水文水資源勘測(cè)局.江蘇南京210011）摘要天然河道中水流呈素沆狀態(tài)，測(cè)點(diǎn)浪速和含沙量均受諸多因素影響。本文按照不同水位級(jí)，分別將2012年大通水文丈低水、中水、高水期選A法測(cè)M果做浪速和懸移質(zhì)含沙量描錄計(jì)算，通過對(duì)各垂線相對(duì)位置測(cè)點(diǎn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析成，得出各測(cè)點(diǎn)兩者沿垂線分布規(guī)律關(guān)鍵詞大通水文站；流速；懸移康含沙量；每我分布長江在自然條件下為挾沙水流，水、沙同時(shí)受諸多因素作用，關(guān)系較為復(fù)雜。一般情況下簡(jiǎn)單分析為懸移質(zhì)含沙量的運(yùn)動(dòng)主要受紊流和重力的作用；水流流速與水流條件相關(guān)，由于泥沙的存在又影響水流的結(jié)構(gòu)。自上世紀(jì)以來，前輩們

2、對(duì)紊流狀態(tài)下挾沙水流垂線分布做了大量的研究，并取得了重大成就。其中大部分人認(rèn)可流速的對(duì)數(shù)分布規(guī)律,并通過卡門常數(shù)隨水沙條件變化來率定公式。但在實(shí)際測(cè)驗(yàn)中，流速和含沙量都是相對(duì)獨(dú)立計(jì)算，那么通過實(shí)測(cè)資料，以各自的垂線分布規(guī)律來進(jìn)一步研究兩者之間存在的關(guān)系。大通水文站處于長江下游，選擇具有代表性的2012年中水期5月170.高水期7月3日、低水期11月5日三次測(cè)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)各次流速與懸移質(zhì)含i少量的垂線分布，并簡(jiǎn)單的分析兩者之間的關(guān)系。1簡(jiǎn)介大通水文站地處安徽省池州市貴池區(qū)梅龍街道，于1922年10月4日設(shè)立，為長江下游干流基本水情站。作為控制長江入海水情及水源保護(hù)的把站，大通水文站是國家重要水文站，

3、屬一類流量精度站、一類泥沙精度站。本測(cè)驗(yàn)i可段上下游10km范圍內(nèi)基本順直，上游4km處有江口電廠、30km處有太子磯河段的鐵板洲和扁擔(dān)洲、219km處有鄱陽湖。下游約10km處有和悅洲。上游有皖河、秋浦河等水入?yún)R，下游有九華河、青弋江等水入?yún)R，但對(duì)斷面水流影響不大，斷面水流主要受上游干流來水及鄱陽湖出水影響。本站距?？?24km,低水受長江下游潮汐影晌顯著，水位流關(guān)系復(fù)雜，總的來說，水位流關(guān)系多年相對(duì)穩(wěn)定。左岸是江堤，堤腳有防浪林和農(nóng)作物；右岸是高丘與江堤交替連結(jié)。在無潰缺的情況下，可控制1954年高洪以上1m的水情。左右岸上游約1km處，有高程（凍結(jié)基面）約為12m的河灘，其寬度左岸約15

4、0m,右岸約300血淹沒前種植農(nóng)作物，出水時(shí)無水生植物。多年沿用的流速儀測(cè)流斷面基本穩(wěn)定，每次測(cè)流同時(shí)施測(cè)斷面水深，汛都脆各施測(cè)大斷面一次o起點(diǎn)距在260m500m之間河床是細(xì)沙組成，高洪時(shí)有3m左右的沖淤：起點(diǎn)距5001590m間河床為砂土，比左岸路粗，高洪時(shí)略有沖淤。起點(diǎn)距1670-1800m間為礁板，礁板±布有少量砂礫、卵石，河床穩(wěn)定。右岸原有的黃土丘陵已成平地，開發(fā)成移民建鎮(zhèn)區(qū)，地面高程（凍結(jié)基面18200%主泓位置一般穩(wěn)定在起點(diǎn)距6501050m之間，洪峰到來時(shí)主泓流速向左偏移,呈明顯高流速區(qū)，一般水情斷面流速分布差異不大O2012年分別在3月28日和11月6日進(jìn)行兩次大斷

5、面測(cè)量，左岸水邊到起點(diǎn)距260m之間淤積現(xiàn)象已穩(wěn)定，260m到1590m之間有13m的沖淤現(xiàn)象，1590m到右岸水邊河床無明顯變化，斷面基本穩(wěn)定。2流速沿垂線分布理論上由于河道斷面形狀、坡度、槌率、水深、彎道、風(fēng)、氣壓和潮汐等因素的彰響，水流大多學(xué)紊流狀態(tài)。屆點(diǎn)流速是描述液體質(zhì)點(diǎn)在某瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)快慢的矢量。其方向與質(zhì)點(diǎn)軌跡的切線方向一致。其大小為：AM&山.隼位為E/S,AS為液體質(zhì)點(diǎn)在時(shí)間內(nèi)流動(dòng)的距離。水力學(xué)中常著眼于空間點(diǎn)來描述液體運(yùn)動(dòng)，通過某一空間點(diǎn)處的液體質(zhì)點(diǎn)的速度即點(diǎn)流速u,般為空間點(diǎn)位置r及時(shí)間t的矢量函數(shù)，即u=u（r,t）o親流中，點(diǎn)流速隨時(shí)間作不規(guī)則的變化，一

6、般取某一段時(shí)間內(nèi)的平均值是穩(wěn)定的。2012年大通站低水期、中水期、高水期各進(jìn)行一次選點(diǎn)法計(jì)算,測(cè)驗(yàn)按不同水位級(jí)布置相應(yīng)12條垂線，采用聲學(xué)多普勒流速儀（AD-CP）施測(cè)，往返兩次斷面測(cè)驗(yàn)，各測(cè)點(diǎn)平均流速取這四次相應(yīng)流速測(cè)驗(yàn)值平均計(jì)算。測(cè)驗(yàn)中按五點(diǎn)法摘錄各垂線相對(duì)位置0.0、02、0.6、圖1流速小線分布圖衣由圖1可以看出大通站測(cè)流斷面流速成對(duì)數(shù)型流速分布，目水面的流速大于河底，從水面開始，隨水深增加流速逐漸減小。3懸移質(zhì)含沙量沿垂線分布水流中懸移質(zhì)泥沙的多少用含沙量Cs表示，懸移質(zhì)含沙量一般指單位體積渾水中所含恩移質(zhì)干沙的重量。測(cè)得含沙的水的體積V,質(zhì)量M,設(shè)含沙量為C,則C=M/VO根據(jù)紊流

7、擴(kuò)散理論得出的含沙量垂線分布公式為：.0）.E）麗d-ay廠Cw-從河底起算水深y處的含沙量C廣距河底高度a的含沙d-垂線水深0-恩沙擴(kuò)散系數(shù)與紊流動(dòng)量傳遞系數(shù)間的比例系數(shù)，無資料時(shí)可假定為1.0K、u-分別為卡門常數(shù)和動(dòng)力流速懸移質(zhì)泥沙的運(yùn)動(dòng)受泥沙自重和紊動(dòng)水流的共同作用，在斷面沿垂直方向和水平方向的分枷是不均勻的，在垂線上的分布一般總定含沙量自上而下逐漸增大。同上流速測(cè)驗(yàn)時(shí)間對(duì)應(yīng)，大通站2012年低水期、中水期、高水期進(jìn)行三次選點(diǎn)法懸移質(zhì)含沙量測(cè)驗(yàn)，測(cè)驗(yàn)采用橫式采樣器取對(duì)應(yīng)垂線相對(duì)位置測(cè)點(diǎn)水樣，每個(gè)測(cè)點(diǎn)水樣容積為2000cm3,按規(guī)定要求經(jīng)過沉淀、烘干、禰重再計(jì)算各測(cè)點(diǎn)含沙量值各垂線測(cè)點(diǎn)恩

8、移質(zhì)含沙計(jì)算結(jié)果分析如下圖2：含沙量自上而下逐漸增大。同上流速測(cè)驗(yàn)時(shí)間對(duì)應(yīng)，大通站2012年低水期、中水期、高水期進(jìn)行三次選點(diǎn)法懸移質(zhì)含沙量測(cè)驗(yàn)，測(cè)驗(yàn)采用橫式采樣器取對(duì)應(yīng)垂線相對(duì)位置測(cè)點(diǎn)水樣，每個(gè)測(cè)點(diǎn)水樣容積為2000cm3,按規(guī)定要求經(jīng)過沉淀、烘干、禰重再計(jì)算各測(cè)點(diǎn)含沙量值各垂線測(cè)點(diǎn)恩移質(zhì)含沙計(jì)算結(jié)果分析如下圖2：十工±±±碧“一由圖2可以看出大通站懸移質(zhì)含沙量大部分的垂線分布是水面最小，河底最大，呈自上而下逐漸增大的過程。4結(jié)論根據(jù)以上測(cè)驗(yàn)結(jié)果分析，雖然流速和懸移質(zhì)含沙量均受多種因素影響，但在垂線分布都存在著一定的規(guī)律性o大通水文站測(cè)照斷面各垂線一般情況下流速

9、自水面到河底逐漸減小，懸移質(zhì)含沙量則反之。因此通過以上論證并且由流速和含沙存在的相互影響，也可以得出一般情況下流速越大時(shí)含沙量越小、流速越小時(shí)含沙量則越大oSSSis置圖2.秘移質(zhì)含沙效堆線分布圖農(nóng)【費(fèi)考文獻(xiàn)I張紅武.挾沙水流流速的垂線分布公式UimW形|2安平.劉布泉煥祥俊南低含沙水流流速分布的流-臥即I.水利學(xué)報(bào).3106.|3|于東生.田淳，嚴(yán)以新長江口流速袍&沙垂技規(guī)津研究皿：.峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2»m3.19W.|5|峰華動(dòng)床水流削予脾變化規(guī)律明研究山叫|6|針樣俊.黃河中卜游含沙水凌粘度的計(jì)算模殉|.泥抄研究四1.富泉叔尤.季后強(qiáng).論w1998.|8|徐思

10、思潘劍患移而含沙量沿勵(lì)線的分知邛.沃f究皿西部沛,俄.2012_發(fā)長江河道水流流速分布研究山：，:|0|穩(wěn)義正.以流速為參數(shù)的姑沙沿屜技分布公式及冷應(yīng)用少叫究.1985.（JU*第2頁）3.4受力分析結(jié)論1）板梁自重及預(yù)應(yīng)力荷載產(chǎn)生的底板橫向應(yīng)力很小，可以忽略不計(jì)；底面橫向應(yīng)力主要由二期恒載、溫度梯度荷底、車輛荷載產(chǎn)生，其中溫度梯度荷載產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力所占比重較大。2）二她載、升溫溫差荷載作用下，中間板梁橫向應(yīng)力大于兩邊板梁，沿底板高度方向拉應(yīng)力增大.降溫溫差荷裁作用下，兩邊板梁橫向應(yīng)力大于中間板梁，沿底板高度方向拉應(yīng)力減小；車輛荷載作用下，車轄作用位置對(duì)應(yīng)板梁橫向應(yīng)力較大，底板拉應(yīng)力沿底板高

11、度方向增大o3）底板厚度減小后，二期恒載、車輛荷載作用下，底面橫向拉應(yīng)力沿高度的變化加劇，底面橫向拉應(yīng)力變化較小，鋼絞線所在高度及圓孔底緣位置拉應(yīng)力有明顯增加；溫度梯度荷載產(chǎn)生底板橫向拉應(yīng)力沿高度方向變化率保持不變，底板變薄后，最大拉應(yīng)力有所降低；標(biāo)準(zhǔn)值組合拉應(yīng)力值增大o4小結(jié)經(jīng)過上述分析，先張法預(yù)應(yīng)力空心板梁底板縱向裂縫產(chǎn)生的原因有如下幾個(gè)方面：1）施工階段質(zhì)量缺陷、工藝不當(dāng)應(yīng)該是后期縱向裂繾產(chǎn)生的主要原因，是底板縱向開裂的必要條件。梁體混凝土澆灌采用一次成型時(shí)，芯模定位偏低以及芯模自身鼓脹變形導(dǎo)致底板厚度不足,致使使用階段荷載作用下，板底底面橫向拉應(yīng)力增大：處于芯模下緣的底板混凌土振搗困難，造成底板空心圓孔下方混凝士振搗不密實(shí)。2）設(shè)計(jì)因素空，成梁的設(shè)計(jì)中認(rèn)為梁與梁之間以皎接形式連接,較縫只傳遞剪力而不傳遞橫向彎矩，但釵繾實(shí)際工作性能應(yīng)介于釵接與剛接之間，與橋面現(xiàn)澆層一同起到傳遞橫向彎矩的作用.而上部結(jié)構(gòu)多塊板梁聯(lián)成魏體后，形成了板橫向受彎效應(yīng)。在橫向彎矩作用下，底板橫向受拉，當(dāng)累計(jì)橫向拉應(yīng)力超過禰士抗拉強(qiáng)度時(shí)，底板會(huì)縱向開吸，設(shè)計(jì)上板梁底板橫向僅設(shè)有1層。10箍筋，無法有效地限制裂縫開展。3）板梁底板縱向裂縫產(chǎn)生后，在溫差荷戟、車輛荷栽重復(fù)作用下，裂縫處因受拉