彎曲河道水流與泥沙運(yùn)動(dòng)特性的關(guān)系

彎曲河道水流與泥沙運(yùn)動(dòng)特性的關(guān)系

通常，在彎曲河流和水流的彎曲河段，粘土沙運(yùn)動(dòng)的特征會(huì)受到二次流量的影響，這與順直段不同。以往很多學(xué)者在研究散體均勻沙的起動(dòng)時(shí),很少考慮其次生流對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)的影響,特別是在彎道段,由于橫向水流的存在,引起橫向輸沙,導(dǎo)致凹岸不斷崩退,凸岸淤漲,并使河彎不斷蠕動(dòng),且曲率變小。而對(duì)彎曲河道推移質(zhì)的泥沙運(yùn)動(dòng)特性,過去雖有一些學(xué)者對(duì)其進(jìn)行過研究,但絕大多數(shù)是定性描述,僅有E·W·Lane與王平義通過經(jīng)驗(yàn)和對(duì)順直段的起動(dòng)流速進(jìn)行修正而得到彎道段的起動(dòng)流速公式,很少有學(xué)者從力學(xué)角度對(duì)彎道段泥沙顆粒運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行過細(xì)致的研究。彎道河段因受彎道水流運(yùn)動(dòng)特性的影響而使泥沙的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出特有的規(guī)律,如泥沙的同岸輸移與異岸輸移等,從力學(xué)機(jī)理上對(duì)彎道段泥沙運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析研究,有助于我們準(zhǔn)確地把握這些規(guī)律,對(duì)認(rèn)識(shí)彎道河段的演變規(guī)律也是十分有益的。為此,本文考慮橫向流速對(duì)彎道段泥沙運(yùn)動(dòng)的影響,推導(dǎo)出泥沙在彎道段的起動(dòng)流速公式,并試圖從水流與泥沙的運(yùn)動(dòng)特性上來闡明彎曲河段的演變特性。1泥沙顆粒的旋轉(zhuǎn)平衡根據(jù)彎道段泥沙的起動(dòng)機(jī)理,在水下的泥沙受到的作用力有:有效重力W,水流對(duì)泥沙的上舉力FL和推力FD。泥沙在水下所受有效重力、推力與上舉力分別可寫為:W=α0(γs-γ)D3;FD=CDα1D2γu22g=CDα1D2γ(ubc2+ubl2)2g;FL=CLα2D2γu22g=CLα2D2γ(ubc2+ubl2)2g;式中:D為泥沙粒徑;CD,CL分別為推力及上舉力的系數(shù);α0,α1,α2分別為有效重力、推力和上舉力相應(yīng)的面積系數(shù);ubc,ubl(圖1)分別為河底的橫向流速和縱向流速。假設(shè)作用于泥沙顆粒的橫、縱流速的比值為tgφ=uxuy=ubcubl,則ubc=ubltgφ。根據(jù)以上的受力分析(圖2),建立泥沙顆粒滾動(dòng)平衡方程式為FDL1+FLL2=WL3;(1)式中:L1,L2,L3分別為FD,FL,W的力臂,并設(shè)L1=β1D,L2=β2D,L3=β3D,將以上各式代入(1)式,得CDα1D2γ(ubc2+ubl2)2gβ1D+CLα2D2γ(ubc2+ubl2)2gβ2D=α0(γs-γ)D3β3D。(2)整理(2)式得ubl=k√(γs-γ)gDγ(1+tg2φ),(3)其中k=√2α0β3CDα1β1+CLα2β2。以上推出的起動(dòng)流速公式反映了在彎曲河道或水流發(fā)生彎曲的河道段泥沙的起動(dòng)及運(yùn)動(dòng)受次生流的影響較大,并且泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)方向與次生流的大小與方向也密切相關(guān),φ的大小可反映出橫向輸沙的強(qiáng)弱。2橫向流速的影響由(3)式可知,在φ=0時(shí),泥沙起動(dòng)不受橫向流速的影響,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,ubl按指數(shù)流速公式轉(zhuǎn)化為垂線平均流速Upj。又因?yàn)閡bl=m+1mUpj?(yh)1m,若取y=D,則可得ubl=m+1mUpj(Dh)1m;假設(shè)m=6,則(3)式可變?yōu)閁c=k√(γs-γ)gDγ?(hD)16,這與國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者推導(dǎo)的公式是一致的。在彎道水流的條件下,由于受橫向流速的影響,其泥沙顆粒的起動(dòng)所需縱向底流速與順直河段不同(見表1)。國(guó)外學(xué)者E·W·Lane給出的渠道彎曲程度對(duì)泥沙起動(dòng)臨界值的影響如表2。由表1,表2對(duì)比可知,公式(3)計(jì)算的結(jié)果與E·W·Lane給出的渠道彎曲程度對(duì)泥沙起動(dòng)臨界值的影響是基本一致的,以上說明公式(3)是合理的。但公式(3)能從定量上表示橫向流速對(duì)泥沙起動(dòng)的影響,并考慮泥沙的運(yùn)動(dòng)方向,這將有助于研究泥沙在彎道段的輸移規(guī)律以及彎道的演變機(jī)理。另外,從以上分析結(jié)果可知,在古今中外的許多工程中,人們常利用凹岸來取水防沙的道理就不言自明了。3全液壓道內(nèi)泥沙運(yùn)動(dòng)方向和厚度對(duì)彎道段泥沙起動(dòng)的研究具有重要的實(shí)際意義。它有助于我們正確認(rèn)識(shí)彎道段泥沙的輸移規(guī)律,從而加深對(duì)彎曲河道演變規(guī)律的認(rèn)識(shí),更好地確定彎道河段的治理方案及其利用價(jià)值。根據(jù)以上推導(dǎo)的彎道段推移質(zhì)泥沙的起動(dòng)公式與計(jì)算值(表1),在彎道河段,由于橫向流速的存在,使泥沙起動(dòng)所需的縱向底流速較順直段小,如在φ=60°時(shí),彎道段泥沙起動(dòng)所需的縱向底流速僅是順直段的一半,加上彎道段橫斷面縱向流速的特有分布規(guī)律是彎道凹岸流速一般較大、凸岸較小,從而造成了彎道同一橫斷面的泥沙輸移速度有很大差別,且泥沙的運(yùn)動(dòng)方向也不一樣,假設(shè)泥沙的運(yùn)動(dòng)方向與底流方向(φ)成正比關(guān)系,則泥沙的輸移規(guī)律就表現(xiàn)為橫向流速越大,輸往對(duì)岸的泥沙就越多,反之則越少。毛佩郁根據(jù)工程試驗(yàn)資料分析,認(rèn)為在相同條件下彎道段的沖深約為順直段的1.5～1.7倍,這也說明泥沙在彎道段比在順直段更易起動(dòng),這些都表明了彎道水流通過泥沙的運(yùn)動(dòng)對(duì)彎道河段的演變產(chǎn)生了較大影響。根據(jù)以往學(xué)者的推移質(zhì)輸沙率公式可知,GB與U的高次方成正比,可以看出在彎道段凹岸側(cè)流速較大時(shí),凹岸泥沙的輸移速度較相同條件下的順直段大,若遇到凹岸水流所挾帶的泥沙不足,則凹岸表現(xiàn)為沖刷,加上泥沙在凹岸更易起動(dòng)的特點(diǎn),從而使凹岸側(cè)的河床不斷沖深,有時(shí)伴有拓寬現(xiàn)象,加上水流的沖擊力、河岸土體含水量增大等因素的影響,到一定程度時(shí),凹岸的岸坡便會(huì)失穩(wěn),發(fā)生崩岸,然而這部分泥沙在彎道水流的作用下又會(huì)被輸往對(duì)岸或下游,而使凸岸可能會(huì)因流速較小和凹岸泥沙的輸入而發(fā)生淤積,彎道會(huì)因此而不斷發(fā)展。根據(jù)以上推導(dǎo)的彎道段泥沙的起動(dòng)公式可知,當(dāng)曲率變大時(shí),在相同的流量下,彎道段的泥沙更易起動(dòng),且橫向輸沙率更大,這就使彎道段的演變過程發(fā)展得更快。在天然彎曲河道演變中,由于彎道段凹岸不同部位的水流強(qiáng)度不一樣,其泥沙運(yùn)動(dòng)存在差異,從而使彎道段凹岸側(cè)形成的沖刷坑(彎道段凹岸側(cè)沖刷坑形成與水流頂沖、橫向水流、貼岸水流等關(guān)系密切)沿彎道的分布是不均勻的,由此導(dǎo)致凹岸側(cè)岸坡因沖刷變陡而發(fā)生崩岸的強(qiáng)度是不一樣的。一般而言,在主流頂沖位置附近崩岸強(qiáng)度相對(duì)較大,這些都有利于彎道河段的進(jìn)一步發(fā)展,減小彎道曲率半徑。為此,我們必須根據(jù)彎曲河段的演變特點(diǎn)及時(shí)確定彎道河段的整治方案,以便控制彎道河段,使其朝有利方向發(fā)展,進(jìn)而控制整體河勢(shì)。4全覆蓋道內(nèi)水流和泥沙運(yùn)動(dòng)特性和治理方案(1)彎道河段因泥沙的運(yùn)動(dòng)受橫向水流的影響,使其與順直河段表現(xiàn)出不同的特性,本文考慮了橫向流速的影響,導(dǎo)出了彎道段的泥沙起動(dòng)公式,認(rèn)為在彎道段相同粒徑所需要的縱向起動(dòng)流速較順直段小。(2)由于在彎道橫向水流的作用下,在凹岸側(cè)泥沙的起動(dòng)粒徑和輸移速率均較順直