沙波運動對沖積河流懸移質(zhì)沖刷不平衡輸沙的影響

《沙波運動對沖積河流懸移質(zhì)沖刷不平衡輸沙的影響》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、水利學(xué)報年月第卷第期文章編號沙波運動對沖積河流懸移質(zhì)沖刷不平衡輸沙的影響鐘德鈺王勤香丁　清華大學(xué)河流海洋研究所北京黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利系河南開封摘要基于沖積河流河床活動交換層動力學(xué)基本方程和懸移質(zhì)不平衡輸沙方程利用數(shù)值方法計算了沖積河流沖刷不平衡輸沙過程結(jié)果表明沖積河流床面沙波準(zhǔn)周期性運動的動力學(xué)特征影響了河床中泥沙暴露至河床表面的速度延緩了河床沖刷時由河床表面補充到水體中的速度從而對懸移質(zhì)不平衡輸沙產(chǎn)生顯著影響分析結(jié)果同時表明懸移質(zhì)沖刷不平衡輸沙恢復(fù)飽和系數(shù)的理論值是在不考慮沙波運動對河床內(nèi)部泥沙暴露到河床表面的速度

2、的制約條件下得到使得理論值大于經(jīng)驗統(tǒng)計值關(guān)鍵詞沙波運動懸移質(zhì)活動交換層沖刷恢復(fù)飽和系數(shù)中圖分類號文獻(xiàn)標(biāo)識碼沖積河流上河床遭受沖刷的現(xiàn)象十分普遍例如修建水利樞紐后由于水庫對泥沙的攔蓄往往使得進(jìn)入壩下游河段的懸移質(zhì)泥沙數(shù)量較建庫前有較大幅度的減少水流處于次飽和狀態(tài)從而水庫下游河道將遭受相當(dāng)長時間的沖刷過程由于河床的沖刷會對航運堤防河道整治工程取水工程等帶來影響因此研究沖積河流河床的懸移質(zhì)沖刷不平衡輸沙問題十分重要許多研究者對懸移質(zhì)不平衡輸沙過程進(jìn)行了廣泛的研究內(nèi)容涉及懸移質(zhì)含沙量垂線分布含沙量沿程變化非均勻沙懸移質(zhì)不平衡輸沙等

3、眾多內(nèi)容但由于問題的復(fù)雜性理論研究成果與實際之間還存在很大的矛盾特別是與非均勻沙懸移質(zhì)沖刷不平衡輸沙緊密相關(guān)的懸移質(zhì)恢復(fù)飽和系數(shù)的理論研究與觀測事實的矛盾尤為突出如何解釋這一矛盾各研究者所持見解也不盡相同例如韓其為和何民明從統(tǒng)計理論的角度加以解釋和從沖積河流斷面上濃度橫向分布入手討論了恢復(fù)飽和系數(shù)遠(yuǎn)小于理論值的原因劉金梅等則考慮了沙波運動對長距離沖刷不平衡輸沙的影響事實上在以往的研究中例如王士強等的研究都已經(jīng)注意到了沙波運動對河床沖淤變化的影響在床沙級配計算中引入了與沙波有關(guān)的參數(shù)但劉金梅等的研究不僅考慮了沙波對運動泥沙與

4、床沙交換在幾何尺度上的影響而且進(jìn)一步提出了床沙活動交換速率的概念從而反映了沙波運動在動力學(xué)層面上對沖刷不平衡輸沙的影響深化了對于沖刷不平衡輸沙的認(rèn)識劉金梅等對于沙波如何制約床沙向河床表面補充的動力學(xué)原理的解釋還屬概念模型存在一定的局限性鐘德鈺等在文獻(xiàn)中建立了河床活動交換層的動力學(xué)基本方程對沙波運動導(dǎo)致的床沙交換摻混現(xiàn)象進(jìn)行了分析本文的目的是以沖積河流活動交換層動力學(xué)基本方程為出發(fā)點分析沙波運動對沖積河流懸移質(zhì)沖刷不平衡輸沙的影響沙波運動影響沖刷不平衡輸沙的機理與懸移質(zhì)的淤積不平衡輸沙相比沖刷過程中懸移質(zhì)泥沙的恢復(fù)飽和過程還

5、強烈地依賴于河床中泥沙的補充狀態(tài)在以往的多數(shù)研究中認(rèn)為床面以下存在一個一定厚度的床沙層常稱為活動交換層收稿日期基金項目國家自然科學(xué)基金項目作者簡介鐘德鈺男甘肅金昌人博士副研究員主要從事泥沙運動力學(xué)研究或混合層并且假定在那里床沙是充分摻混的即床沙級配在其中是相同的而且沖刷只發(fā)生在那里基于這樣的認(rèn)識某一時間間隔內(nèi)活動交換層內(nèi)的泥沙都有可能經(jīng)沖刷補充到水流中去這樣制約床沙向水流中補充的因素僅僅是活動交換層的厚度及其中粒徑分布但是從懸移質(zhì)不平衡輸沙方程可知懸移質(zhì)泥沙恢復(fù)飽和的過程是由水流的挾沙力與水流中的含沙濃度差值所決定的其中水

6、流的挾沙力的大小是主導(dǎo)因素水流對非均勻泥沙中某粒徑顆粒的挾沙力的大小是與其在河床表層所占的質(zhì)量百分比成正比的而且只有位于河床表層且與水流直接接觸的泥沙顆粒才可能被水流沖刷進(jìn)入水體在河床沖刷過程中單位時間內(nèi)某粒徑泥沙暴露到河床表面的速度越快懸移質(zhì)泥沙的恢復(fù)飽和過程也就越快反之河床中某粒徑的泥沙的補充受到限制則懸移質(zhì)泥沙恢復(fù)飽和的過程就會越慢因此對于非均勻懸移質(zhì)泥沙的沖刷恢復(fù)飽和過程而言單位時間內(nèi)活動交換層內(nèi)的泥沙暴露到床面的速度也是制約懸移質(zhì)泥沙沖刷恢復(fù)飽和過程的關(guān)鍵因素活動交換層內(nèi)的某粒徑泥沙暴露到河床表面的速度受到?jīng)_積河

7、流河床上廣泛存在的沙波運動的影響試驗觀測表明沙波迎水面不斷沖刷使得河床深層的泥沙顆粒不斷暴露到河床表面而沙波背水面的淤積又使河床表層的泥沙顆粒不斷進(jìn)入河床深處沙波的這種周期性的運動導(dǎo)致泥沙在沙波高度尺度范圍內(nèi)不斷交換摻混從而影響河床表面的泥沙級配對河床的沖刷過程來說一方面沙波運動將河床深層的細(xì)顆粒泥沙暴露到床面為水流所沖刷帶走才能使沖刷能夠繼續(xù)發(fā)展另一方面沙波的周期性運動又使表層沖刷變粗的泥沙顆粒帶入河床深層減緩河床表層沖刷保護(hù)層的形成這樣通過這兩者的綜合作用懸移質(zhì)泥沙沖刷恢復(fù)飽和距離大大延長因此不僅僅是活動交換層中某粒徑

8、泥沙的多寡影響懸移質(zhì)沖刷恢復(fù)飽和過程同時沙波運動對活動交換層內(nèi)部的泥沙暴露到床面的速度的制約也是影響沖刷不平衡輸沙的重要因素在下文中將引入描述活動交換層動力學(xué)特性的基本方程來具體分析沙波運動對懸移質(zhì)沖刷不平衡輸沙的影響基本方程及求解方程便于討論假定水流為恒定均勻流其水深流速和單寬流量分別為和水流連續(xù)性要