河床孤石對溝槽輸移能力的影響

河床孤石對溝槽輸移能力的影響

摘要通過室內(nèi)試驗分析了河床孤石對泥石流溝槽輸移能力的影響，據(jù)此歸納和推導(dǎo)出了相關(guān)的數(shù)學(xué)計算公式。

關(guān)鍵詞河床孤石泥石流輸移能力

1概述盡管山區(qū)天然河床千姿百態(tài)，但從河床的組成上來分析，不外乎有以下三種情況：1.完全松散顆粒體組成的可動沖積河床；2.多有基巖出露、跌水陡坎組成的固定河床；3.部分動床、部分基巖出露或大孤石構(gòu)成的局部可動河床。泥石流在運動過程中，可動沖積河床隨下泄的泥石流濃度超過或小于河床輸移能力而發(fā)生沉積或沖刷，起著調(diào)節(jié)作用。當(dāng)濃度超過輸移能力時，床面發(fā)生沉積。沉積床面的組成必與泥石流體內(nèi)的顆粒組成相同。反之，床面就會發(fā)生沖刷侵蝕。在侵蝕過程中，如果河床下伏有基巖或存在水流不能推移的大孤石、漂石時它們將能抵抗水流的侵蝕而成為固定床面或局部固定床面。因此，基巖孤石的裸露現(xiàn)象是反映了該河段近期處于侵蝕狀態(tài)，泥石流濃度小于該段河床的輸移能力。因此，在根據(jù)溝床的縱坡與漿體的濃度來計算泥石流濃度時，要考慮這一現(xiàn)象對濃度計算值的折減，為了能定量地計算折減程度，還進行了專門的試驗。2試驗設(shè)備及方法試驗是在自行設(shè)計安裝的高濃度陡坡泥石流實驗槽上進行的。實驗槽長12m，寬，最大縱坡25°。該系統(tǒng)的泥石流模擬體的輸送供給，采用固液兩相分別輸送到試驗槽入口處再行混合而成模擬體的方式。因此，泥石流模擬體的濃度與流量可以自由調(diào)節(jié)，并能保證恒定的連續(xù)供給。試驗采用天然砂，濕容重(指顆粒在水中自由浸泡48小時后的重量與其體積之比值)σ=/m3，平均粒徑d=，顆粒水下休止角Φ=°，極限體積濃度C*=。試驗用比該砂粒徑大10～20倍的石塊來模擬孤石覆蓋。并以6級不同覆蓋面積比率均勻鋪設(shè)在槽底上，然后施放泥石流模擬體進行試驗。調(diào)節(jié)模擬體的濃度，使得孤石剛好裸露但又仍保持穩(wěn)定覆蓋作用時止，此時測定的輸移濃度C‘t即為該覆蓋率下的輸移濃度，試驗中發(fā)現(xiàn)其折減程度又隨河床縱坡而變。因此，分別以11°，13°，15°，17°四種不同縱坡進行了48次覆蓋率輸移濃度試驗。

3試驗結(jié)果及分析將試驗數(shù)據(jù)繪制于圖1。從圖中可以看出，各種相同縱坡條件下輸移濃度隨覆蓋率PC增長而減小。各種不同覆蓋率下的輸移濃度C‘t與其相同縱坡時無孤石覆蓋的輸移濃度Ct的比即為孤石覆蓋折減系數(shù)Kc。將上述條件測得的試驗結(jié)果進行多元回歸處理，得到以下經(jīng)驗關(guān)系3試驗結(jié)果及分析將試驗數(shù)據(jù)繪制于圖1。從圖中可以看出，各種相同縱坡條件下輸移濃度隨覆蓋率PC增長而減小。各種不同覆蓋率下的輸移濃度C‘t與其相同縱坡時無孤石覆蓋的輸移濃度Ct的比即為孤石覆蓋折減系數(shù)Kc。將上述條件測得的試驗結(jié)果進行多元回歸處理，得到以下經(jīng)驗關(guān)系

式中β—河床縱坡，Pc—孤石總面積占分布河槽面積的比例。

4輸移能力的濃度式推導(dǎo)高橋保根據(jù)顆粒離散力的概念和床面抗切力與流動體作用切力相平衡為條件，導(dǎo)出了松散可動床面上的水石流的均衡體積濃度式為[1]式中ρ、σ分別為水和顆粒的密度，Φ為顆粒內(nèi)摩擦角，β為河床縱坡。式(2)表明Cv只與ρ、σ、Φ和β有關(guān)，而與流動的規(guī)模、流深無關(guān)。根據(jù)沈壽長等人提出的泥石流簡化結(jié)構(gòu)模式，即把組成復(fù)雜的泥石流體劃分為兩個主要組成部分：一部分是由水同細(xì)顆粒相混合構(gòu)成的在運動中不相分離的漿體；另一部分是扣除漿體內(nèi)的顆粒后剩下的粗顆粒部分，則式(2)同樣適用于粘性泥石流運動，此時(2)式可改寫為即所計算得濃度值Cv改寫成為泥石流體中粗顆粒部分的濃度Cc，把等式右邊的液相密度ρ改寫成為漿體密度ρf。泥石流體內(nèi)固體物質(zhì)總濃度應(yīng)為粗顆粒濃度Cc與漿體中的細(xì)顆粒濃度Cf之和。細(xì)顆粒濃度Cf與漿體密度ρf之間應(yīng)有如下關(guān)系取溝槽內(nèi)單位長度的泥石流體，設(shè)細(xì)顆粒體積為V2，粗顆粒體積為V3，液體體積為V1。那么將(3)、(4)代入(5)式，得式(6)在水石流情況時，即ρf=ρ，就與(2)式完全一致，式(6)還表明，泥石流的濃度隨漿體密度增大而增大，反過來說，在一定的漿體密度條件下，濃度Ct主要由河床縱坡tanβ決定?？紤]到折減系數(shù)Kc后，泥石流總濃度的表達(dá)式(6)將演變?yōu)?結(jié)論泥石流濃度表達(dá)式(7)可用作流量計算中的濃度計算式。式(1)可以用來估算河床上孤石、基巖覆蓋率對河床輸移能力的折減程度，但在應(yīng)用時應(yīng)注意到流域產(chǎn)沙量在豐枯水期間的變化。河床侵蝕孤石裸露現(xiàn)象既可以是大洪水、泥石流過程造成，也可以常水或洪水后尾水造成。因此，為了合理計算流量值，只有對于那些處在衰退狀態(tài)的泥石流溝才考慮此折減。對于發(fā)展期、旺盛期的泥石流溝則不宜折減，以免與特大