粗细泥沙挟沙能力研究(刘兴年, 曹叔尤, 黄尔, 彭清娥)

热度126票 浏览65次 【共0条评论】【我要评论 时间:2000年7月01日 16:10

粗细泥沙沙能力研究

)y bl)P6T0

刘兴年, 曹叔尤, 黄尔, 彭清娥水利论文i-gR-w9uS"E
(四川大学 高速水力学国家重点实验室)水利论文6b-~W8?8dya

摘要:文中导出了均匀沙、非均匀粗细泥沙平衡和不平衡状态下的挟沙能力公式,反映出含沙量、来沙量、级配和粘性对挟沙能力的影响。

Q6r7cX.Cd5N|0

关键词:挟沙能力;非均匀沙;悬移质基金项目:国家“八五”科技攻关项目;

H[d{*CU@ E3E:C&P0

作者简介:刘兴年(1963-),男,四川大学副教授。

,k;S8^iO0

1 均匀沙挟沙能力水利论文*n,I+N| oq"H;k!Ddr

  以下的探讨以悬沙制紊的观点出发[1,2,4],针对黄河下游高含沙水流[3]及“多来多排,少来少走”的特点,引入浑水粘性等影响,建立均匀泥沙的挟沙能力关系,作为进一步探讨非均匀粗细泥沙挟沙能力关系的基础;同时,导出平衡状态下和不平衡状态的挟沙能力关系。

i] [4k6px0

1.1 平衡挟沙能力

(d9Fv9^"wZf*Q5}"|0

  Es和E分别代表在相同水流条件下的浑水和清水在单位时间内的能量损失,而以ΔE代表E和Es的差值,系由悬移质的制紊作用而出现的,则有水利论文;IP)WA.L9bf]bP d

E-Es=ΔE

Tg!_ A\$q9I|0

(1)

.R lL%xP$]&j KB0

令A代表过水断面面积,Sv代表以体积百分数计的含沙量,U代表断面平均流速,J、JS分别表示清水及浑水的能坡,γs、γm分别为泥沙及浑水的密度,则水利论文qwp4X }r Qw_(T}\Ou

E=γm(1-Sv)AUJ+γsSvAUJ(2)
Esm(1-Sv)AUJSsSvAUJS(3)

ΔE=(γs-γ)ωAC1Sav*(4)式(2)和原有推导中采用γmAUJ略有差异,其原因在于多(γsm)SvAUJ,是表明泥沙的存在对于浑水深液依然有一定的影响。把(2)、(3)、(4)代入(1)式有水利论文V5`*c7`X

sm)ωAC1Sav*mAU(J-JS)+(γsm)SvAU(J-JS)
Sav*m/C1ω(γsm)U(J-JS)+γmsmSvU(J-JS)

由J-JS=U2/8gR(f-fS)得Sav*m/C2sm)(f-fS)U3/gRω[1+γsmmSv](5)而f-fS与含沙量有关,Sv越大,f-fS越大,当Sv=0时,f-fS亦为0。同时,f-fS的值和浑水的粘性亦有关系,用μr表征相对粘度,则f-fS应正比于μr。因此有水利论文H-|:h4{x;s h

f-fS=C3Sαv*μr

,Ql$H8vTFY%T0

(6)

7^.jZ*G2g+P ~*gf0

式中α和β皆为参数,代入(5)式并整理有水利论文gg-xt[1Qog

Sv*=k(γmsmU3/gRω)m(1+γsmmSv)mμmr

aEY4?O~VYr0

(7)

6lL4aV9[ va0

式中 k为系数(kg/s),m为待定参数均由实验确定,而ω为浑水沉速,μr水的相对粘度。

h)FH9mH0

  关于ω和μr有许多公式,本文中取[3]

-Q9TU1cQh0

μr=(1-Sv/Svm)-2.5

,c'm2Cq MYB0

  引入水槽和黄河天然实测资料,回归参数m和k得

6wk's7JG]w1R&l/Z0

Sv*=0.211[(γmsmU3/gRω)m(1+γsmmSvr]0.69

)S D;dt#|Q+pA0

(8)水利论文-oplP2Ms,v,P

式中 Sr表征含沙量(体积百分比)大小对于挟沙能力的影响。

c-OVOn h0

  式(8)的计算成果与实验水槽和黄河实测资料的对比如图1所示,相关系数R=0.935,说明该公式对于黄河挟沙能力计算是符合较好的。水利论文"K a oT]jR8?4|6k

1.2 不平衡状态下的挟沙能力

(S'S,BV$Y/qU0  上述为均匀沙在平衡状况下的挟沙能力推导,由上述结果可知含沙量对于挟沙能力具有一定的影响,因此在上游来沙超饱和或不饱和时,挟沙能力的大小亦会受到某种程度的影响,同时,对于不平衡状况下能否用平衡状况的挟沙能力并无论证,以往均以挟沙能力为平衡时的水流挟沙能力,但是当其上游来沙多或少时,平衡被打破,此时的挟沙能力是否一样,以往并未加以论证,下面仍用上述相同的方法来讨论在不平衡状况的挟沙能力。水利论文;n2@%Y*^_JTd4M+O {

l5~W!f~#e)u0  同样的有

l6j X]%S3g;{Y-s0
09t01.gif (3184 bytes)
图1 式(8)与实测资料的比较水利论文]A;Dg^Pt
Comparison of Eq.8 and field data

ΔE=E-ES水利论文Ee{SKwPb} f

(9)

3F&Y9\2mM5tD-c0

其中水利论文9D&j MkhxF#v

E=γm(1-Su)AUJ+γsSuAUJ
ESm(1-Sv)AUJS+γsSvAUJS
ΔE=C1sm)ωASαv*

式中 Su为上游来沙量,Sr为当地含沙量。

*JlHO)U0

则有

/n;T4u!R4s(a n0
sm)ωAC1Sav*mAU(J-JS)+(γsm)AU(SuJ-SvJS)
Sav*=1/C1sm)ωmU(J-JS)+(γsm)USv(J-JS)

近似地取Su≈Sv或Sv≈Su则和前节一样J-JS=U2/8gR(f-fS)水利论文}7?V"l(M!N'uZ

mM6p;r'Fr;mc0

f-fs=C2Sβvμr或=C2Sβuμr

/v~Yp,m6v2B0

不过此时的Sr和μr中的Sr均不再是挟沙能力Sv*了,因为不平衡输沙时Sv≠Sv*,代入上式后整理有水利论文OS,w8q!kZ#[u

Sv*=k1[(γmsmU3/gRω)(1+γsmmSur]m1Sum2水利论文zw+|o!j `4i

(10)水利论文5E tD#{+{/}8L]

式中Su为上游来沙含沙量。水利论文XbF?A0R$CH

其中m1=1/α,m=1/α-β,m2=β/α。因而有:m1/1-m2=m。m为上述公式(8)中的参数m=0.69。对于系数α和β,通过实验资料适线得α=2.0,β=0.55,则相应的m1=0.5,m2=0.275。

/fn&@ T |0

  在不平衡输沙时,上游来沙量对挟沙能力有较大的影响。水利论文P"^"_$l k

  由式(10)和式(8)对比,可以看出这种差异,把(10)式改写为水利论文n6eIbk.Nw8|

Sv*=k[(γmsmU3/gRω)(1+γsmmSur]m(Su/Sv*)m2

G)}%oj`v+L2HH,e$k"]0

(11)水利论文 e8fA'De e|

式(11)的参数和(8)式相同。如果Su<Sv*则尾项Su/Sv*<1,表明来沙偏小时,挟沙能力亦会相应减小;而Sv>Sv*则挟沙能力相对大一些,这就说明上游来沙量对挟沙能力的影响特点,和黄河下游多来多排,少来少走的特点是一致的。

&h@!C;~5a/PQP0

  综合上述,黄河下游均匀沙挟沙能力通用式表示为水利论文{+yyp8o#~

Sv*=k[(γmsmU3/gRω)(1+γsmmSur]m1Sum2(12)
当其Su=Sv*时Sv*=k[(γmsmU3/gRω)(1+γsmmSur]m(13)

和平衡状况下的挟沙能力一样。

%e6p _ t\ e)ixE*X0

2 非均匀粗细泥沙挟沙能力水利论文I~1| B[l#l^

  上一节主要探讨了均匀沙的挟沙能力公式,这一节将探讨非均匀粗细泥沙的挟沙能力计算方法。仍以实验配合理论分析为主体技术路线。水利论文HoJ{%RC

  对于非均匀粗细泥沙,床沙和来沙分为N组,第i组泥沙的粒径为Di,床沙百分比为bi,来沙百分比为Pui水利论文(E8nGtP$n8pr$R

2.1 总的挟沙能力水利论文"i'IdlZ7?5LF'C

  非均匀混合沙挟沙能力的表达分二类,其一是求总的挟沙能力,不仔细去表达每一级的挟沙能力,其二是分级的挟沙能力,首先探讨第一类,其后探讨第二类挟沙能力。

~'j$^+yewTax0

  仍采用前述能量法

V6? P~#II~R'~0

w*O3@L _^&tC0

(14)水利论文o i[H:H&b

式中E与前述一样

cb*Ho"[!?0
Esim(1-Svi)AUJSsSviAUJS
ΔEi=C1Sαv*ism)Aωi

代入(14)式有

y-P(|:L.u9j C0

C1∑Sαv*ism)AωimAU(J-JS)+(γsm)SvAU(J-JS)=γm/C1sm)U3/gRSβv*A(1+γsmmSvr水利论文_a pI9`U/^

右边和均匀沙一样,而水利论文]W k2m3X*^,v,c:I

  左边=

由Sv*i=P*iSv*代入上式则水利论文 gVH;Q LA

  左边=
如果取

Sv*=k[γmsmU3/gR)m(1+γsmmSur]m水利论文1cW@O?hBY+~,S

(15)

X/G8I^m0
(15)式和用均匀沙时导出的结果是一致的,只是,式中P*i为挟沙级配。

  对于不平衡输沙状况,同理可得水利论文L{7NO%j/g"i!y

Sv*=k[γmsmU3/gRω(1+γsmmSur]m1Smu2水利论文&uQ;q3@r7YQb

(16)水利论文i(R$Z+y!C n[/g8o@

式中

1Tu WK&r~2qn V9s0  总体来讲非均匀混合沙挟沙能力关系和均匀沙时是一致的,只是

3j ppKBQ F$A0

2.2 分级挟沙能力水利论文!hw@x3l4Z+[M

  天然河道的床沙和来沙均是非均匀,黄河下游河道床沙与来沙总是随水沙异源和冲淤调整而不断变化。而粗细泥沙的冲淤调整规律也不尽相同,这就使得粗细泥沙分级挟沙能力的研究显得尤为重要。

B)ANzUA+tgl;h.z0
ΔEi=Ei-Esi

(17)

gEX0?a+HF {0
ΔEi=C1A(γsm)ωiSαv*i
Eim(Pei-Svi)AUJ+γsSviAUJ
Esim(Pesi-Svi)AUJSsSviAUJS

代入(17)式整理后有

.i6u IKz4N{Yg|0

Sv*i=k[γmsmU3/gRω)μr(PeiJ-PesiJS/J-JS)+γsmmSvi]m水利论文 rB1V^:W7KX`

(18)

M.CHA8oNp0

上式中Pei和Pesi为能量分配百分数,即分给i粒级泥沙的能量百分比。

L~$VMu~0

  关于Pei和Pesi,可以近似认为其相等:Pei=Pesi水利论文#rq ^KF`5c^

并令Pei=Pesi=Pn*i,则上式可写成

\+i?"Ly&L*JnG{0

Sv*i=k[(γmsmU3/gRω)Pn*iμr(1+γsmmSvi/Pn*i)m水利论文&SZz{F(j [!ci}z

(19)水利论文RC?7S DhOK

通常会认为Pn*i=Pbi,即为床沙级配,上式可写成

.c!AhID?6]0Gf0

Sv*i=kPmbi[(γmsmU3/gRωir(1+γsmmSvi/Pbi)]m≈PmbiSiv*

"U7pqgDqh0U'A0

(20)

t l"}a j0

式中Siv*为i粒径组可能挟沙能力。

+E*c,k)LJ0

  以往的处理中,认为水利论文5e5f f&C8Zb!pin

Sv*i=PbiSiv*

z~0@lmV0

(21)

'c@4n,K lP(G0
  而上述推导出的结果显然与原有的假设是不一样的。事实上假设Sv*i=PbiSiv*并无理论和实验依据,只是一种可能的假说。图2中点绘了上述以Pbi的(20)和(21)式与实测结果的对比情况,由图可以看出用床沙级配Pbi来代替Pn*i,和实际存在一定的差距。而文中导出公式(20)比假设公式(21)更接近实验资料。

t `` B0D+Je B,y03 结论水利论文1A6f"qFQ

"w0II'd{i0  1. 河道在平衡和非平衡状态下的挟沙能力不尽相同。水利论文N#_ ^i4u;Z^;O}

09t02.gif (3649 bytes)水利论文.qP"Lby5]

图2 挟沙级配对比图水利论文iNNdn
Comparison of the calculated grain-size
8c7@.CV7{R%wb?0distribution and field data

!?;x#P/L0IG1R9k{0

  2. 总体上非均匀沙和均匀沙挟沙能力关系是一致的,但非均匀沙各级泥沙挟沙能量分配应进一步研究。水利论文D2i L,[*i k

  3. 含沙量、来沙量、级配和含沙水流粘性对挟沙能力存在明显影响。水利论文!IT#^_(?+il:sH

参 考 文 献水利论文,xWxYvtC7u

[1] 武汉水利电力学院。河流泥沙工程学。水利电力出版社,1981年。

i*L%N C l*E+gf9i0

[2] 张红武等。黄河高含沙洪水模型的相似律。河南科学技术出版社,1994年。

N;Z/cn,^ n~/s6YM0t0

[3] 费祥俊。高浓度浑水的粘滞系数(刚度系数)。水利学报,1982,(3).

Y]z3l\_(N)DZH0

[4] 钱宁,万兆惠。泥沙运动力学。科学出版社,1983年。水利论文v-L;X2| F+K

 

f;W(\ lF0
TAG: 曹叔尤 刘兴年 泥沙 彭清娥 沙能力
顶:11 踩:21
【已经有95人表态】
18票
极差
9票
很差
10票
较差
13票
稍差
7票
稍好
14票
较好
10票
很好
14票
极好
下一篇:长江三峡工程库区丰都复建港区港址选择研究(杨胜发,杨斌,方铎)
上一篇:城市河道渠化方案探讨——以兰州市黄河段为例(何文社 方铎 刘有录 冯小路)
查看全部回复【已有0位网友发表了看法】

广告投放

广告投放