粗细泥沙挟沙能力研究(刘兴年, 曹叔尤, 黄尔, 彭清娥)

热度144票 浏览77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

(_sV5jBG|0

刘兴年, 曹叔尤, 黄尔, 彭清娥水利论文&M@eCh0WW#LX%@_y
(四川大学 高速水力学国家重点实验室)水利论文;tz)II)Sb ~ v!o/\

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。

V v#c'b}.QK+QUo0

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;

'LU{|P5ae0

作者简介:刘兴年(1963-),男,四川大学副教授。水利论文r K+Xn!s;\

1 均匀沙挟沙能力水利论文 P;z$iK7N]

  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。水利论文;zG tp8a"i.^`y

1.1 平衡挟沙能力水利论文WoA"] T#I

  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

zNfZY@?0

E-Es=ΔE水利论文6A-f#uwq!?

(1)水利论文a xh)g v

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h cU{ P|

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*AfB$Vd.p

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

9Y^8Q)P&|&UJ"G0

f-fS=C3Sαv*μr水利论文&Cb'c/{:qE4x

(6)

i(}Zf*g x0

式中α和β皆为参数,代入(5)式并整理有水利论文WA?]B

Sv*=k(γmsmU3/gRω)m(1+γsmmSv)mμmr

Sm)}tOt[3R0

(7)水利论文A8GiyBKw

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。

^3U6I#z"hM"r0

  关于ω和μr有许多公式,本文中取[3]

:L"`2uuu:N7I0

μr=(1-Sv/Svm)-2.5水利论文UY,b6r6Mi

  引入水槽和黄河天然实测资料,回归参数m和k得

/}/H*xXVd9Q_0

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

Z Z){`0g0

(8)水利论文a#d A|5W3j(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。水利论文z3J0c2X S,g1V|,sp,aGR

  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。

x9\ @9N!e0
1.2 不平衡状态下的挟沙能力水利论文i!z BJ+_&rX

  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TsT`'e^V

水利论文z;V)yHPB'S,@

  同样的有

Z7U kbL{.L0
09t01.gif (3184 bytes)
图1 式(8)与实测资料的比较
#o'O;@0F-m!{0Comparison of Eq.8 and field data

ΔE=E-ES水利论文MEc9Q!Z_['v$jm

(9)

jT4hr/h5k[N0

其中水利论文hBhyJ.f8C

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。

B6TcW+V;t0

则有水利论文+X?km J,f'rPew1KA

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)

%m,{epcC8L`0

水利论文6x4@d|S2E7W

f-fs=C2Sβvμr或=C2Sβuμr

9`2t^|@!fi0

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

9C.W8lAQ&d6o/Z0

Sv*=k1[(γmsmU3/gRω)(1+γsmmSur]m1Sum2水利论文 `LH?*ms Z,l!a

(10)

&O,n"{Jx#A%N3o[,^%l!U0

式中Su为上游来沙含沙量。水利论文#{TxF?Fr

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。水利论文2{}x,Rjv:a

  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W!y!DY9U(d$X#hw

  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-s I3a}6@$nI

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

|B~{:o5w0

(11)水利论文!G,kH$D C

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。水利论文3b:H-M%\w'O

  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.WL N DY[W

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。

6Y:q)Qvga{]0

2 非均匀粗细泥沙挟沙能力水利论文L;`@ S.o

  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(|7f.P3S nUr

  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

-lC[Q_L'kvs0

2.1 总的挟沙能力水利论文Gb1J8_ l`2n

  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。水利论文2o'LG Aes`7B1BCn1H

  仍采用前述能量法

q)IW ^+_"i/E0

+B$Iwf7V0

(14)

Hf5M*E7|1P7{0

式中E与前述一样

a)^ hG4H2Qig K0
Esim(1-Svi)AUJSsSviAUJS
ΔEi=C1Sαv*ism)Aωi

代入(14)式有

"JxO__rL {9u0

C1∑Sαv*ism)AωimAU(J-JS)+(γsm)SvAU(J-JS)=γm/C1sm)U3/gRSβv*A(1+γsmmSvr水利论文mE`'^6j,Y0h \A

右边和均匀沙一样,而水利论文tJIj}^ S.^

  左边=

由Sv*i=P*iSv*代入上式则

4[ v#zZ @&M0
  左边=
如果取

Sv*=k[γmsmU3/gR)m(1+γsmmSur]m水利论文u_$O9VspRG7r;d

(15)

FpRU3xr}v^0
(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

u&{`^k0

Sv*=k[γmsmU3/gRω(1+γsmmSur]m1Smu2

G.r8\ N"?1x0

(16)

;lC ^3dK Qg t0
式中

q;|#S&ezw AL`'_0  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,只是水利论文%rVq:eY%R,D!W~

2.2 分级挟沙能力

^ ~e3|E2H8kP0

  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。水利论文~ t~%\;lG*P3Hl;n

ΔEi=Ei-Esi

(17)

$M#V]Zo bn0
ΔEi=C1A(γsm)ωiSαv*i
Eim(Pei-Svi)AUJ+γsSviAUJ
Esim(Pesi-Svi)AUJSsSviAUJS

代入(17)式整理后有

b.`)~sv?)Y}6S(l,f0

Sv*i=k[γmsmU3/gRω)μr(PeiJ-PesiJS/J-JS)+γsmmSvi]m

[!t!eJQO0

(18)

"Oz3q|6t3] B!|0

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。

3O;H r#sL/^xY0

  关于Pei和Pesi,可以近似认为其相等:Pei=Pesi

P hk.d hAt8M0

并令Pei=Pesi=Pn*i,则上式可写成

sW6a.u4D1G]*\0hZ0

Sv*i=k[(γmsmU3/gRω)Pn*iμr(1+γsmmSvi/Pn*i)m水利论文%HK&Ej b

(19)水利论文({"fF u1IH&fHJ(f

通常会认为Pn*i=Pbi,即为床沙级配,上式可写成

/L,g#BurR'ZG7{-fO"]0

Sv*i=kPmbi[(γmsmU3/gRωir(1+γsmmSvi/Pbi)]m≈PmbiSiv*水利论文D!KR'\'n w

(20)水利论文B ^5d1^x4q

式中Siv*为i粒径组可能挟沙能力。水利论文}+dXLvn

  以往的处理中,认为

&oK/|*O!I.S.z0

Sv*i=PbiSiv*

%Q!a_^4SS i0

(21)

W A~%[B 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。

5[cJ6~?"fy03 结论

$l)a'|s,{E0水利论文@#sG'f'^yCtu

  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l!i%SHNr}5V8Z

09t02.gif (3649 bytes)水利论文 i7Y~#p*v)P Db

图2 挟沙级配对比图水利论文4nk+_5s#G
Comparison of the calculated grain-size
,A1FdW M0distribution and field data

5D.?&g U)hl(ZV([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。

f zsfa;uA?(h0

  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。

#n/@5LEQ [0

参 考 文 献

ydI;rp3Y1K0

[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。

-^go~]0

[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。水利论文S{.D+h#e1s{0K#j

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

8`!TC/?5AUJ5vu/t0

[4] 钱宁,万兆惠。泥沙运动力学。科学出版社,1983年。水利论文 i$fRIC"DT M.k2x

 

*W.|4gb})[!R&d2]:dv&a0
TAG: 曹叔尤 刘兴年 泥沙 彭清娥 沙能力
顶:16 踩:22
【已经有107人表态】
23票
极差
10票
很差
10票
较差
14票
稍差
8票
稍好
15票
较好
11票
很好
16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