宽级配推移质输移特性研究(刘兴年,黄尔,曹叔尤,李昌志,张之湘)

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宽级配推移质输移特性研究

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刘兴年,黄 尔,曹叔尤李昌志张之湘水利论文[)s2W6i!N^
(四川大学 高速水力学国家重点实验室)水利论文*S;L"o'I ]X(q@3X }

摘要:针对宽级配卵石河道粗细颗粒泥沙的输移特点,提出一种反映粗化细化过程的特征参数——粗化细化程度的概念和计算方法,来描述河道粗化细化过程中输沙能力的不同特点。同时,在对床沙位置进行实测的基础上,把粗化过程和床沙位置特征参数联系起来,用床沙位置特征参数来反映,刻化粗化细化过程中的程度;由此而对非均匀粗细泥沙输移中粗化细化程度对输沙率的影响规律进行深入探讨,获得粗化细化程度对粗颗粒泥沙推移质输沙率影响的计算方法。

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关键词:泥沙输移;推移质;粗化过程水利论文/lkv N h"| c4je

基金项目:国家自然科学基金委员会和水利部联合资助重大项目59890200)

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作者简介:刘兴年(1963-),男,四川大学副教授。

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1 前言水利论文BQ!f;rq!v

  长江三峡库尾河段,其冲淤变幅较大,当蓄水发电时,河床发生淤积床沙细化,提高了输沙能力,当消落拉沙时,河床会发生冲刷使床沙逐渐粗化,降低河道的输沙能力[1,3]。因此,在一定的边界条件下,要加大河道的输沙能力,可进行水沙调节,使水沙相匹配,让河道朝有利的方向发展,减少减缓河道的淤积。粗化细化过程中粗化细化是如何影响输沙能力,可以用下述例子来简要说明:在水槽上铺一定厚度的粗细泥沙,施放清水进行冲刷使其完全粗化稳定,此时粗化程度达到最大,输沙率为零。此时,取下粗化层级配,并按此级配重新配沙并铺并水槽中,施放与前述粗化稳定时同样的水流,则输沙率显然不为零,粗化程度则为零。两者的主要差异在于粗化细化程度不一样,前者粗化程度最高,后者则反之。这就反映出,粗化程度的不同导致不同的输沙强度(或输沙率)。反过来讲,作为粗化过程的反过程——细化过程,在水流相同条件下,细化程度越大,则输沙强度亦较高。冲刷粗化过程的输沙强度明显小于淤积(细化过程)的挟沙强度。另一方面,粗化细化是一连续过程,冲刷中有着不同的粗化程度,细化中亦存在不同的细化程度,不同程度的粗化细化,其输沙规律也不一样。

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2 粗化细化程度概念水利论文T(M S}0s:K5dR

  粗化细化过程是天然河道冲淤交替的反映,反映粗化细化强烈的量称为粗化细化程度。如何进行粗化细化程度的量测、计算是解决非均匀粗细泥沙输移规律中的关键问题之一。粗化细化程度的定量描述有着不同的方法,用床沙位置特性(粗沙实测资料)和前期累计冲淤量描述。

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2.1 床沙位置特征参数确定床沙粗化程度水利论文 }Rd3R1H:TD!A:g

  床沙粗化伴随河床床面粗糙加大,伴随细化来的是床面光滑。粗化过程的最终状况是粗化稳定层的形成,此时粗化程度系数亦定义为1。当然粗化也许不形成粗化稳定层。粗化开始时的粗化程度则认为是零。作为粗化过程(冲刷)的逆过程细化过程,淤积细化开始作为细化程度为零。用Ad(Armoring Degree)表示粗化程度。水利论文.i {1h8Z Z4^}5K0M

  非均匀沙颗粒的运动,存在着大小颗粒间的相互影响,造成大小颗粒间相互影响的原因是非均匀沙颗粒在床面上的位置关系,因而要研究非均匀沙的运动就必须先研究非均匀沙颗粒在床面上的位置关系,这也是深入研究非均匀沙运动特性的基础。颗粒处在床面上的位置不同,则颗粒所受水流力也不同,从颗粒的受力大小,颗粒的跳跃运动及其实际测量等方面考虑,引入如图1所示的暴露高度的概念。

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  由图1可见,暴露高度就是基线0-0到颗粒顶点的竖向距离。基线0-0为床面表层泥沙平均暴露高度面,即平均床面。这样,位于平均床面上的颗粒的暴露高度也刚好为零;暴露高度也可是正,也可为负,为正时表示突起于平均床面之上,为负时表示低于平均床面。

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  由图1可知,这种暴露高度,不仅反映了某一颗泥沙在床面上的位置,也反映了与该颗泥沙相邻颗粒在床面上的位置,相邻颗粒间的相对位置关系正好反映了非均匀沙大小颗粒间的相互影响关系,因而反映了非均匀沙颗粒在床面上的位置特性;同时,这种暴露高度也是能够实际测量的。以往,韩其为[3],Paintal等人也曾涉及暴露度问题,但只是对暴露度及其分布作了许多假设,并无实际资料难验证,这正是暴露度研究上欠缺的。本文提出了一种实测暴露高度的方法,并对暴露高度进行了实测,填补了暴露高度资料方面的不足,并为深入了解非均匀沙大小颗粒间的相互影响打下了基础。
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图1 床沙暴露高度示意图水利论文S$Y%W9ES
Sketch of the sediment particle exposure

下面介绍暴露高度的实测过程及暴露高度与颗粒大小的关系。水利论文&p&D abav,sy@f^

  暴露高度的实测在活动玻璃水槽进行[2],水槽长20m,宽40m,高50m。实测时,用一块10×10cm的小板,用一无尖测针与板面垂直连接,将测针架固定在所测断面上,在板面上涂一层薄薄的白乳胶,将测针连同小板安装在测针架上,调节测针向下移动,至床面起最高部分颗粒时,记录测针读数,并将板面上所粘泥沙洗下洗尽,烘干、筛分出各级泥沙的重量(g),这便是这一测针读数下暴露颗粒的重量(g);重复以上过程,直至测完表层颗粒为止,就可以得到不同测针读数下各级泥沙的重量。水利论文#A]F0h z

  在非均匀沙中,从平均角度来讲,大颗粒位于平均床面上,其暴露高度大于零,受到暴露,细颗粒泥沙暴露高度小于零,故小颗粒输沙受到荫蔽的颗粒,同时也不受暴露。这种暴露高度为零的颗粒的粒径称为非均匀沙的代表粒径,以Da表示。水利论文 AO%aM)o ?/KG

  非均匀沙大小颗粒在床面上的暴露高度有着它自身的规律。用上述方法对床面颗粒暴露高度进行实测,由多组实测资料的结果表明:暴露高度和床沙粒径间存在两类典型的关系,如图2所示。水利论文+[7h*U/C%P Rx!dN&c

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图2 床沙暴露高度与粒径的关系水利论文S2@ C*t \Xi4E wV
Relationship between the particle exposure and diameter

  图2(a)所对应的是床沙全动时的暴露高度和粒径的关系,由图知:暴露高度随粒径线性增长,即水利论文+o-n y6D)I5[$j

i=A(Di-Da)水利论文rb'B\j7?P.Ta

(1)

4D Z EF0w}0

  其中,水利论文g4fUl:Kc3H'_cko

  图2(b)所对应的是床沙部分可动时的暴露高度和粒径的关系,由图2可知水利论文 AE'Zo-?/[V X l

i=A(Di-Da) (Di≤D*c)(2)
i=A(D*c-Da) (Di≥Dc)(3)
其中;Pi为i粒径组沙重量分比;m为小于D*c泥沙组数;Da为代表粒径;Dm为加权平均粒径。

  式(1)~(3)中的常数A是表征床面粗糙程度的参数,A值愈大,则大小颗粒的暴露高度相差亦大,床面愈粗糙。反之,A值愈小,大小颗粒的暴露高度相差亦大,床面也就愈平滑。A值是反映各条河道的床面粗糙程度的参数,对不同河道亦不同,这也正是各条河道输沙特性不尽相同的原因之一。从都江堰水文站及青衣江梯子岩水文站资料可推得这两处河道的A值在0.3~0.5间变化。水利论文b*u[7@2_IYRW2p ?

  参数A越大,床面粗化程度也大,A趋于零时,床沙趋于刚发生粗化。因此,A间接地表征了床沙粗化程度的大小,曾用梯子岩、都江堰实测资料,反求两条河流的A值在0.3~0.5之间,说明两条河流均处在粗化过程中。事实上,河流一般均处在粗化过程中的某一粗化程度(或细化程度),不会达到完全粗化状况,即粗化程度为1。床沙位置特征参数A一般不会达到1,而会在某一较大值时粗化稳定层趋于完成,此时床沙位置特征参数为Am;定义此时的粗化程度为1。因此,可以简化认为粗化程度水利论文7aJS:E3}j {*W,aW

Ad=A/Am水利论文8P2\M_7{)P)?

(4)水利论文N4s)gb}k

  虽然这是从粗颗粒泥沙测量得到,对于细颗粒河床也有类似特点。关于细化过程中的细化程度有待进一步研究。水利论文:Cbd Jq3u e#s

2.2 累计冲淤量确定粗化细化过程的程度水利论文H%\Kb[&Sr%B{ C

  刘月兰、韩少发[4]等人曾提出用累计冲淤量来表征河道冲淤过程中输沙能力的不同。由于其研究是针对具体的河段长度、宽度和泥沙特性,具有一定的特殊性。事实上,这也是一种定义粗细化程度的方法,不过在研究中,还没有提出粗细化程度的概念。从作者的思路来讲,粗化细化程度应定义为

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Ad=∑ΔW/∑ΔWm

(5)水利论文&X'aNn[ v/@B-`

  其中∑ΔW为前期累计淤积量,而∑ΔWm为该河段冲淤上下限,亦即极限冲淤量。水利论文 qsFn9rX'O4A,|

  从更普遍的意义方面来讲,可以用床面累计冲淤厚度来表征粗化细化程度,粗化细化程度与累计冲淤厚度有关,亦与床沙交换层厚度有关,粗化最终稳定的极限冲刷的厚度为ΔHm,则粗化程度水利论文h0z~ R l5}-G[ pbKX

Ad=ΔH/ΔHm水利论文 K7?I[h eI^w

(6)水利论文x bM%E2Ik s

Δ为冲淤厚度,则ΔHm为极限冲刷深度。这种方法可以直接应用。水利论文G4Vl Z&{s;i

3 粗化程度对输沙能力影响探讨

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  在引入粗化程度概念后,如何考虑粗化程度对输沙能力的影响,是进一步需要探讨的问题。

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3.1 粗化程度对宽级配卵石推移质输沙率的影响特点水利论文I4M,Y(Nn5I:rpS

  在前述床沙位置特征研究的基础上,引入输沙、跃移概率和交换时间等概念,可导出宽级配非均匀卵石推移质输沙率公式如下[2]

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m5DM8zhwU-iO0

(7)

"\ w hT9?NZ:q0
其中

P*=P×P′

;u4A,KU-`&E|6t9]P0

水利论文%v#u5A] h$Bxw(L(D6r

P为起动概率。水利论文;c)Yk,[Fc_ e

水利论文*|}"D i:s I

P′为跃过下游颗粒的概率。水利论文k"K3c,[:Y,N

Ψ*=(γs-γ)Di0(1+ADa-Di/Di)水利论文rjs.U CZ4~

Φ*=gbi/Piγs(γ/γs-γ)1/2(1+ADa-Di/Di)1/2

K-|3y5C9r*v'JG5Ro0

gbi为i粒径组推移质输沙率;Pi为i粒径组床百分数。水利论文o"fRj7e!N'u5h

  由实验资料适线得:B′=0.046,A*=1.6,粗化程度影响参数

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ζ=(1+ADa-Di/Di)=(1+AmA/AmDa-Di/Di)=(1+AmAd/Da-Di/Di)水利论文cyn ^%q-N;} _

(8)

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  上述宽级配推移质输沙率公式与其他公式的不同之处,在于引入了粗化参数A。不同的A值,荫蔽参数不同,这正反应出不同河流卵石推移质输沙规律不尽相同的事实。水利论文,R{6e#Wdiay$W

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图3 荫蔽参数和粗化程度关系水利论文L-kV+Uj BP(m(E
Relationship between the armoring degree
*YG u No3{0and hiding parameter
图4 粗化程度对输沙率的影响
!?$S*v*U|_h0Influence of the armoring degree水利论文+Y2vGV^.Q,Ct
on the sediment transport rate

  粗化程度对宽级配推移质输沙率的影响主要表现在对于萌蔽不同粗化程度的荫蔽参数ζ不一样,如图3所示。图中点绘了床沙位置特征参数A=0.1,0.2,0.4和0.6时的荫蔽参数ζ的计算值和实验资料对比的情况,关系符合尚好。说明荫蔽参数ζ随粗化程度变化而变化。水利论文-r4Xje3V1A0Xu

3.2 粗化程度对输沙率的影响

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  同一水沙条件下,不同粗化程度A的输沙率GA和不粗化时的输沙率G0之比

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Gb*=GA/G0水利论文e zW1s3dB h,k

(9)水利论文Nh3S W&M\ m B r&E0QZu

与粗化程度A有关,其典型情况如图4所示。反映出输沙率随粗化程度加大而减小。

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4 结论水利论文0c[/M o,ozn

  1.粗化细化过程存在不同的粗细化程度,其输沙能力各异。水利论文*Q1I G-f2q:R

  2.粗化细化对输沙能力影响很大,而各条河道的粗化程度不尽相同,因而输沙能力相差很大;同一河段的不同时期,粗化细化也不相同,输沙能力也不相同,实际计算中应特别注意。

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参考文献水利论文Vb6Ox#X3APT

[1] 钱宁,万兆惠。泥沙运动力学。科学出版社,1983年。

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[2] 刘兴年, 陈远信。非均匀推移质输沙率。成都科技大学学报,1987年。

-H$MLw2GNU5D"e0

[3] 韩其为,何明民。泥沙起动规律及起动流速, 科学出版社, 1999年。

.B V }s3p6{/^0

[4] 刘月兰, 韩少发, 吴知。黄河下游河道冲淤计算方法。泥沙研究, 1987,(3).

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