受泥石流入汇影响主河床冲刷粗化稳定试验研究(王协康,郭志学,方铎,曹叔尤)

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受泥石流入汇影响主河床冲刷粗化稳定试验研究水利论文*F1L7H\"n

王协康郭志学,方 铎,曹叔尤
.[&M$v)e%Y O0(四川大学 高速水力学国家重点实验室)水利论文"G(M`%r b#d#{#OOkI K+p

摘要:受泥石流入汇影响,主河床随不同河段级配常呈显著差别。特设计了10组床沙分段组成的粗化模式进行试验,认为清水冲刷只有在该段上游没有泥沙起动输移至研究区域时,才是严格意义上的清水冲刷粗化,否则应研究上游区段冲刷输移量及其沿程沉积量和对下游区域的影响程度。此外,还研究了受分段影响区域的初始和粗化稳定后床面高度统计量变化幅度以及稳定后沙粒阻力的表示方法,得出了利用床面高度变化统计量均方差σ比用床面糙度尺寸Ks选取的代表粒径更能体现综合糙率曼宁系数n值。

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关键词:泥石流; 沙粒阻力; 床面糙度;代表粒径

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基金项目:国家自然科学基金委与水利部联合资助重大项目(59890200)及国家自然科学基金重点项目(49831010)水利论文 j:V;u0h-U9sD#{O
作者简介:王协康(1970-),男,四川大学讲师、博士。

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1 引言水利论文:A6s;jcu^

  天然河流床沙粒径由于河床坡降沿程变缓,通过分选,磨损及水沙条件等影响,一般认为是非均匀性床沙。不均匀床沙在水流作用下分选而粗化,一般有两种情况。其一是没有输沙补给的粗化;其二是有输沙补给的粗化[1]。对于这两种性质不同的粗化形式,大多数研究者常采用铺设某一种床沙级配清水冲刷模拟前者[2,3],而利用加沙粗化实验来研究后者[4,5]。而在实际的天然河流中,河流各区域的来沙组成及水流条件不可能完全一样,尤其是具有多支流的河段,当左右各相邻支流及坡面来沙组成相差较大时,由此导致了河床泥沙的组成更接近于分段组成[6],而泥石流入汇引起主河床床沙组成差异更为突出。为了更清楚地了解这种河流粗化的形式,本文就分段组成河床粗化问题进行试验研究,分析了不同床沙粗化受分段影响后泥沙输移量的变化程度,并对床面初始及粗化后的地形高度变化进行统计分析,研究粗化前后床面地形的变化程度,并探讨分段组成床沙粗化稳定后沙粒阻力的表示方法和目前采取的糙率尺寸Ks的差别及其优劣性。水利论文'^ MQRh1b

2 试验方法水利论文B7w&X(nf$^)lc

2.1 试验设备及试验沙

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  试验是在四川大学泥沙研究室长16m、宽0.3m、深0.5m的变坡水槽中进行。槽首设置阀门及静水池,小流量时采用三角堰,大流量时采用矩形堰,槽尾设置漏斗用于接沙,在水槽导轨上安置4根测针等分槽宽测量床面高度。试验用沙为天然砾石夹沙,比重为2.65t/m3,粒径为0.25~15mm,并通过不同筛分组成4种基本床沙级配,各种基本级配沙重量恒定,此后利用不同组合可产生其它级配形式,以用于分段铺设不同级配的床沙,本次实验用沙级配特性见图1所示。水利论文r|s,{l$k

2.2 试验方法

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  将混合均匀的试验沙(已选定好级配)小心放入水槽,尽量使级配不变,铺沙厚度为0.050m,长度由该级配泥沙总量控制(其中0.25~1mm,1~3mm,3~6mm,6~10mm及10~15mm总重量分别为44,37.5,38.7,39.7,20.5kg,混合沙由它们配合组成),按选定好的底坡(固定坡降J=0.5%)铺成。从水槽两端灌水尽可能使样沙不动,用水压密实后,将水慢慢泄空,然后进行初始床面地形高度测量,纵向间距为10cm,横向间距为6cm, 再从水槽两端放水使水位高出床面5cm以上,至此,放水前的准备工作完成。

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图1 实验用沙床沙级配示意图(纵坐标为床沙级配百分数%,横坐标为床沙粒径mm)
(lm b&BQl0v0Sketch of bed materials distribution

  逐渐打开进水阀门,调节入槽流量,并调节尾水门开度,在这一过程中逐渐调整水面比降,使床面泥沙保持滚动推移向下游运动,并使实验段水流条件成为均匀流为止。在试验过程中,观察床面泥沙运动变化情况,当床面在这一水流条件下输沙率为零时,认为此时粗化层已经形成且稳定,并记录输沙总量和粗化运行时间。然后将水放空,待床面沙样较干后,进行粗化层床面地形高度测量,方法如初始床面地形的测定。对于分段铺设不同级配的床沙实验时,实验结束后,应用网筛分离成4种基本床沙级配,并记录不同级配床沙在床面各段沉积量和出口的输沙总量。水利论文0G1E}l/Np2v2N;R

3 受泥石流影响分段组成河床冲刷粗化稳定机理

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  本次实验共进行了10组不同分段组成河床粗化实验,铺设概况见图示2。粗化稳定后水力因子,实验初始及粗化床面地形高度统计参数见表1。水利论文d_}$[K1O

表1 粗化稳定后水力因子、床面地形高度统计参数水利论文3su&C)lOL8g

The statistical parameters of hydraulic factors and bed水利论文.rPcm1J R(Nz
topography level in armoring stability水利论文)^b W$W"Z.@5tokH


RunQ水利论文+k7O8vO{}$?nf
(10-3m3/s)
H水利论文!??K-i1}s:R
(10-2m)
V水利论文8w6H:mdpn'hv,R*\
(m/s)
Fr粗化时间水利论文r![7oZ.{H"z8a)v
(h)
出口沙量
E(iPZu M)`l0}0(kg)
曼宁糙率
F8Q9}JbN2zr0n
床面地形高度均方差
:f(h3f"?0ZRe0σ(初始及粗化后)cm
出口沙水利论文&X!sYAOvQJ
沉积沙

11.602.00.2670.6091.504.800.0180.070.18
24.374.50.3240.4931.507.700.02320.120.50
317.88.00.7420.8471.01.120.01290.080.13
443.014.01.0240.8831.05.750.01200.060.13
517.88.00.7420.8471.5024.20.01290.060.10
617.88.00.7420.8474.01.400.01290.070.08
74.374.50.3240.4932.00.350.02320.200.26
817.88.00.7420.8472.00.400.01290.090.300.32
943.014.01.0240.8831.501.750.01200.100.400.43
104.374.50.3240.4933.506.00.02320.130.803.24

3.1 试验观察与现象

xxt]N U*in0  水槽均匀流形成后,在清水冲刷情况下,对于全实验段由某一种床沙级配组成时,泥沙的滚动推移基本上是均匀下移的,但由于分段床沙的起动条件不一致,在同样的水流条件作用时,对于各组分段床沙的冲刷性质就有本质的区别。若在某一分段以上的床沙不起动,则此分段的床沙输移可视为清水冲刷,但越靠近不起动床沙连接段冲刷量相对较大;反之,应视为上游有来沙条件的冲刷粗化,若上游来沙粒径小,则普遍沉没于大颗粒形成的空隙之中,在来沙颗粒大于冲刷段粒径时,大颗粒一般成层覆盖于冲刷段小颗粒起动后留下的空隙,最后经过调整达到床面粗化,由此导致了整个试验段出口输移接沙量并不能代表它的冲刷程度及范围,这给研究试验段泥沙冲蚀输移的关系带来了困难,这也正是在研究泥沙输移比中必须首先确定区域及时段的有效证据。而在实际的天然河流中,

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图2 试验分段铺沙示意图
bB.W)`|]%|_H0(其中Run1-4长度比为1.55m比0.80m;Run5-7长度比为3.15m比0.80m;Run8-10长度比为1.65m,1.65m和0.80m;
:{a3Wh%k {j;M.OU0且示图中左边为上游来水段)
t#NgSo&|%Sy0Sketch of the bed materials distribution
^3R%XN(kz']Q0in the experiment

河流各区域的来沙组成及水流条件不可能完全一样,由此导致了河床泥沙的组成更接近于分段组成,因此后一种情况的粗化研究更具有现实意义。为此在实验中进行了10种不同组成的粗化实验,其中1至7组属于真正的清水冲刷粗化,另外8至10组属于分段粗化,其包含了两种粗化形式。另外,为方便比较泥沙冲蚀输移量受不同床沙级配组成区段的影响关系,特研究了相同水流条件及床沙组成下的泥沙冲刷输移量的差别。

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3.2 受泥石流影响粗化床沙输移量变化

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  10组试验中上游段粒径为10-15mm的床面泥沙都未起动,Run1-4组中接沙量为下游段泥沙起动输移量,分别为q0.25-1=4.8kg,q1-3=7.7kg,q3-6=1.12kg,q6-10=5.75kg,在Run5-7组中接沙包括两组级配床沙输移量比为:q1-3=21.4/q3-6=27;q3-6=1.35/q6-10=1.45;q1-3=0.4/q3-6=0.3;而在Run8出口接沙3-6mm与沉于下游6-10mm泥沙段的比为0.32;Run9出口接沙量6-10mm与沉于下游段3-6mm起动后留下空隙的沙量比为0.43;而Run10中1-3mm泥沙开始运动逐渐下移铺平于下游3-6mm床面上,而后才由上至下达到粗化稳定,其中出口接沙与沉于3-6mm区域的沙量比为3.24,由于在Run2-4和 Run8-10的水流及起动床沙总量和级配不变,只是在铺设时会造成少量床面变化,在观察区域内各种床沙冲刷总量几乎不变,由于分段影响而出现了下游区域沉积,使接沙总量减少,受不同级配床沙的作用,下游区域床沙暴露及起动程度影响了输移及沉积的比值关系。水利论文2}uD(y{9y([

3.3 受泥石流影响粗化床面高度统计变化

oT? Tl({T0

  本次实验中,对床面高度变化量利用初始和粗化床面高度均方差σ表示。在10组试验中选取具有可比性的两对(Run8和Run6 ,Run10和 Run7),因为它们具有同样的水流条件和床沙组成量,只是Run8床沙由3~6mm,6~10mm分段铺设,而Run6是两者的均匀混合铺设;同理Run10和 Run7也是类似的情况。由表1所示的床面高度均方差值可知:Run8粗化前后值为0.09,0.30cm,Run6则有0.07变到0.08cm;在Run10中值为0.13和0.80cm,而Run7则有0.20 变到0.26cm,从这些数值得床面高度均方差在粗化后普遍增大,但对于分段组成床面其变化幅度远远大于由一种级配床沙组成的床面。

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3.4 受泥石流影响粗化稳定后的阻力研究水利论文K~kw mX2U o

  河床粗化稳定后的阻力与冲积河流的阻力有何异同是需要研究的,尤其是受分段影响后的阻力问题。一般来讲,宽级配粗颗粒组成的河床经长期清水冲刷,床面形成粗化稳定结构后,其阻力问题主要是沙粒阻力,根据尼库拉茨的研究思想,此时床面阻力可通过对数流速公式中的床面糙率尺寸Ks来表示[7]。但从Ks表示提出至今,仍无统一的表示方法,不同的研究者取值很难一致。只是对于均匀沙,认为与泥沙粒径相当;而对于非均匀沙,多采取某一代表粒径的方式,如d75、d90、2d50、3.5d84[7]等各种形式。对于某一确定的粗化河床,就不同的研究者,就会有多个糙率尺寸Ks,这给对比研究带来了一定的困难,尤其是受分段影响后的河床难以确定利用何段床沙的代表粒径来表示。鉴于人们对于床面暴露度的研究方法,本文欲综合考虑床面高度变化统计值与其糙率的关系进行探讨。目前暴露度一般是就单颗粒起动受其它颗粒影响的关系入手,分为相对和绝对两种研究方法,但研究的范围局限于邻近颗粒的影响,对整个床面颗粒(包括分段河床的不同粒径)对其影响研究较少。水利论文9ES9OQE7i

  在本次的10组试验中,有些控制了相同的粗化稳定水流条件,若利用综合的曼宁糙率公式,则几组试验中反映了相同的n值(如Run2,7,10试验中),但根据纯沙粒阻力公式n=Ks1/6A(其中A某一确定的系数),当Ks采取某一确定代表粒径关系时,n值应有所不同,这给实际研究带来难以选择的麻烦。为此想拓展暴露度研究方法,采用全床面高度变化统计值反映床面糙率,如建立床面地形高度变化均方差σ与曼宁关系,用以研究粗化稳定后的阻力问题。由于Run1-4为对照实验,为此以其n与均方差σ可建立如下关系式水利论文K+KW!E8KN,pW;E2f&}

n=0.0267σ+0.0103

i K_(Ff7~Q(H]0

  当均方差σ=0,n=0.0103,这与许多资料中规定的光滑壁面,水泥浆面及清洁钢管(此时σ近似为0)等粗糙系数相当,这充分说明该公式具有一定的可靠性[8],为此计算了Run5-10中由均方差σ反映的综合曼宁糙率n分别为0.037,0.0124,0.0172,0.0183,0.0210,0.0317,从另一方面也反映了综合糙率n与床面高度不均匀程度具有良好的关系,与实际应用中采取的加糙及减糙措施比较相符。

Q1~f!o%r0

4 结语

(a9[4@ G0D C0

  受泥石流入汇影响,主河床随不同河段级配常有所差别。当前对清水冲刷及加沙粗化稳定研究时,试验段常用一种级配,本文通过10组床沙分段组成的粗化模式进行试验,对受分段影响的河床粗化过程及其问题进行了观察与分析,研究了不同床沙粗化受分段影响后泥沙输移量的变化程度及粗化前后床面高度的变化程度,并探讨分段组成床沙粗化稳定后沙粒阻力的表示方法与目前采取的糙率尺寸Ks的差别,初步认为分段组成的粗化稳定后床面高度不均匀程度比某一种级配组成的床沙变化幅度更大,其沙粒阻力利用床面高度变化统计均方差σ表示综合糙率曼宁系数n比糙率尺寸Ks选取的代表粒径具有更好的比较性和相关性。

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