坡面薄層水流水力特性試驗研究

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1、坡面薄層水流水力特性試驗研究摘要:為了解坡面薄層水流在坡度、單寬流量及水流流床等外界條件發(fā)生變化時,其水流水動力特證參數(shù)的變化規(guī)律,從水力學(xué)的加度出發(fā),在室內(nèi)開展阻力試驗,分別對3。、6。、9。、12°、15°等5種不同坡度、不同級配人工沙粒鋪設(shè)的粗糙床面展開水流水力學(xué)試驗研究,并對試驗得出的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,初步探明了坡面水流流態(tài)為過渡流區(qū)的延伸,得出坡面薄層水流阻力系數(shù)、雷諾數(shù)、佛汝德數(shù)與單寬流量的變化規(guī)律及相互之間的關(guān)系。關(guān)鍵詞:坡面流;流態(tài);雷諾數(shù);佛汝德數(shù)中圖分類號:TV698.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:0439

2、-8114(2013)22-5455-04坡面水流主耍指的是大氣降水或冰山融雪后產(chǎn)生的水流在自身重力的作用下沿著坡面向下運動的薄層水流,是形成河道水流的主要部分,有時也稱為片流或漫流。坡面水流的流態(tài)和徑流常被用來表示薄層坡面水流的動力學(xué)特征[1]。由于坡面水流的流態(tài)歸屬于坡面薄層水流的研究領(lǐng)域,因此與土壤、植被壞境、降雨及其沖刷的坡溝細(xì)度、密度等參數(shù)有著十分密切的關(guān)系[2-4],其中的相關(guān)參數(shù)不同會使得坡面薄層水流的流態(tài)發(fā)生較大改變。一些研究人員認(rèn)為坡面地表的徑流既是地表徑流的匯集演進(jìn)過程,也決定坡面土壤侵蝕發(fā)生的過程和侵

3、蝕量[5]。當(dāng)水流侵蝕能力超過土壤抗蝕性后就可能發(fā)生跌坎并產(chǎn)生細(xì)溝,形成坡面細(xì)溝流,最終可出現(xiàn)淺溝和切溝流[6]。坡面薄層水流所流過的土壤表面的粗糙度對坡面水流流態(tài)變化也會冇所影響,且這種影響引起的水流動力學(xué)相關(guān)的特征變化也比較明顯。現(xiàn)在也用糙率表征水流床面的粗糙度,它也是坡面水流水動力學(xué)特性的直接影響因素,糙率又稱為有效糙率[7,8]o當(dāng)前大部分研究是針對坡面水流在沒有植被覆蓋的裸土表面上展開[3],隨著坡面粗糙程度不同引起的水流水力學(xué)特性的研究相對較少。很多研究者認(rèn)為粗糙床面主要是通過增加水流流過的阻力使得包含薄面水流

4、的近壁水流流區(qū)發(fā)生變化[9]。本研究通過對不同粗糙流床展開試驗,對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,從而得出粗糙度不同的土壤坡面水流的水流特性,以期為坡面水流的侵蝕研究以及坡面水流水動力學(xué)研究提供理論基礎(chǔ)。1試驗方法1.1試驗設(shè)計實際中坡面上的水流人多數(shù)是流床發(fā)生變化的非恒定水流,其流動過程中的有關(guān)流態(tài)參數(shù)也不斷發(fā)生變化,要直接進(jìn)行比較全面的觀測非常困難,因此可以對其進(jìn)行定量描述。本試驗將坡面薄層水流看作二維水流,采用專門的坡面流設(shè)計定床阻力試驗,沿水力方向設(shè)置5個觀測斷面,對水深和流速進(jìn)行觀測記錄。1)試驗用的水槽為5nmi厚的有機(jī)玻璃

5、制作,長600cm,寬60cm,深20cm,其底板的坡度可以進(jìn)行調(diào)節(jié),變化范圍在0。?15。。在供水箱設(shè)置閥門和試驗水杷連接,加上自來水的閥門,共設(shè)置5個調(diào)流閥門,穩(wěn)流板2道,讓水流比較平緩地流進(jìn)試驗水槽。考慮到薄面水流的水力學(xué)特性受邊界條件影響較大,為使得試驗數(shù)據(jù)更為精確,需要對出口的流速進(jìn)行控制,保證水流平緩穩(wěn)定,因此在出口水箱中設(shè)置穩(wěn)流板和溢流板。2)為保證試驗的準(zhǔn)確性,試驗在人工粗糙流床進(jìn)行,選取坡度為3°、6。、9。、12°、15°[10],同時在流床底部用油漆黏上自然級配粒徑均勻的沙粒,形成沙粒糙度。3)由于研

6、究坡面薄層水流的主要應(yīng)用是為水土流失提供理論支持,因此流量不應(yīng)該超出實際降雨量的范疇。為了能達(dá)到試驗的要求,試驗水流的單寬流量分別設(shè)置為5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、20.0、25.0、30.0、40.0>60.0>90.0L/mino4)鑒于進(jìn)行試驗的水杷中的水流比較深,使得水流的水動力學(xué)特征參數(shù)很容易因為外界條件的變化而發(fā)生變化,因此在試驗水槽的制作以及后期的安放等壞節(jié)的質(zhì)量都做出了相對比較規(guī)范的操作要求,主要是為了保證所有的試驗材料為整體裝置,避免接縫對水流的干擾,使床面均勻平滑,無明顯局部擾動產(chǎn)生。

7、1.2測定方法在試驗過程中,要在水槽的坡面水流達(dá)到平穩(wěn)后反復(fù)準(zhǔn)確地測量單位時間內(nèi)的單寬流量、流速、水深,同時注意氣泡對試驗的影響。在試驗屮,用染色劑法[11]分別在水槽進(jìn)口1m以下和水槽末端0.3?5.0m的位置觀測流速,水深測量在粗糙床面采用自上而下的方法,水深計算方法見公式(l)o式(1)中,h為實際中采用的有效水深(rrnn);IP是測針的讀數(shù)(mm);HO是試驗采用的有機(jī)玻璃的厚度,本研究定位為5mmo本研究屮量測流速采用染色劑法,測定的區(qū)域位于距水槽末端0.6m以上的2.0-3.0m范圍以內(nèi);水層較深02.0cm

8、)時采用染色劑法,即在測定時將KMnO4溶液用塑料管注入水流中,記錄染色水流流經(jīng)測定區(qū)域所用的時間,再用測定區(qū)域長度除以時間即得水流表面速度[11,12]。水深使用精度為0.01mm的重慶水文儀器制造廠生產(chǎn)的SX40-1型水位測針測定。2結(jié)果與分析2.1水流的平均流速通常,謝才公式用來表征水流的層流,而

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