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水利工程论文-粗细泥沙挟沙能力研究.doc

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水利工程论文-粗细泥沙挟沙能力研究.doc

水利工程论文粗细泥沙挟沙能力研究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。关键词挟沙能力非均匀沙悬移质基金项目1均匀沙挟沙能力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。11平衡挟沙能力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EESΔE1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EΓM1SVAUJΓSSVAUJ2ESΓM1SVAUJSΓSSVAUJS3ΔEΓSΓΩAC1SAV4式2和原有推导中采用ΓMAUJ略有差异,其原因在于多ΓSΓMSVAUJ,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ΓSΓMΩAC1SAVΓMAUJJSΓSΓMSVAUJJSSAVΓM/C1ΩΓSΓMUJJSΓMΓS/ΓMSVUJJS由JJSU2/8GRFFS得SAVΓM/C2ΓSΓMFFSU3/GRΩ1ΓSΓM/ΓMSV5而FFS与含沙量有关,SV越大,FFS越大,当SV0时,FFS亦为0。同时,FFS的值和浑水的粘性亦有关系,用ΜR表征相对粘度,则FFS应正比于ΜR。因此有FFSC3SΑVΜR6式中Α和Β皆为参数,代入5式并整理有SVKΓM/ΓSΓMU3/GRΩM1ΓSΓM/ΓMSVMΜMR7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。关于Ω和ΜR有许多公式,本文中取3ΜR1SV/SVM25引入水槽和黄河天然实测资料,回归参数M和K得SV0211ΓM/ΓSΓMU3/GRΩM1ΓSΓM/ΓMSVΜR0698式中SR表征含沙量(体积百分比)大小对于挟沙能力的影响。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R0935,说明该公式对于黄河挟沙能力计算是符合较好的。12不平衡状态下的挟沙能力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。同样的有图1式8与实测资料的比较COMPARISONOFEQ8ANDFIELDDATAΔEEES9其中EΓM1SUAUJΓSSUAUJESΓM1SVAUJSΓSSVAUJSΔEC1ΓSΓMΩASΑV式中SU为上游来沙量,SR为当地含沙量。则有ΓSΓMΩAC1SAVΓMAUJJSΓSΓMAUSUJSVJSSAV1/C1ΓSΓMΩΓMUJJSΓSΓMUSVJJS近似地取SU≈SV或SV≈SU则和前节一样JJSU2/8GRFFS而FFSC2SΒVΜR或C2SΒUΜR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SVK1ΓM/ΓSΓMU3/GRΩ1ΓSΓM/ΓMSUΜRM1SUM210式中SU为上游来沙含沙量。其中M11/Α,M1/ΑΒ,M2Β/Α。因而有M1/1M2M。M为上述公式8中的参数M069。对于系数Α和Β,通过实验资料适线得Α20,Β055,则相应的M105,M20275。在不平衡输沙时,上游来沙量对挟沙能力有较大的影响。由式10和式8对比,可以看出这种差异,把10式改写为SVKΓM/ΓSΓMU3/GRΩ1ΓSΓM/ΓMSUΜRMSU/SVM211式11的参数和8式相同。如果SUSV则尾项SU/SV1,表明来沙偏小时,挟沙能力亦会相应减小;而SVSV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。综合上述,黄河下游均匀沙挟沙能力通用式表示为SVKΓM/ΓSΓMU3/GRΩ1ΓSΓM/ΓMSUΜRM1SUM212当其SUSV时SVKΓM/ΓSΓMU3/GRΩ1ΓSΓM/ΓMSUΜRM13和平衡状况下的挟沙能力一样。2非均匀粗细泥沙挟沙能力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。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。21总的挟沙能力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。仍采用前述能量法14式中E与前述一样ESIΓM1SVIAUJSΓSSVIAUJSΔEIC1SΑVIΓSΓMAΩI代入14式有C1∑SΑVIΓSΓMAΩIΓMAUJJSΓSΓMSVAUJJSΓM/C1ΓSΓMU3/GRSΒVA1ΓSΓM/ΓMSVΜR右边和均匀沙一样,而左边由SVIPISV代入上式则左边如果取则SVKΓM/ΓSΓMU3/GRM1ΓSΓM/ΓMSUΜRM1515式和用均匀沙时导出的结果是一致的,只是,式中PI为挟沙级配。对于不平衡输沙状况,同理可得SVKΓM/ΓSΓMU3/GRΩ1ΓSΓM/ΓMSUΜRM1SMU216式中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22分级挟沙能力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。ΔEIEIESI17ΔEIC1AΓSΓMΩISΑVIEIΓMPEISVIAUJΓSSVIAUJESIΓMPESISVIAUJSΓSSVIAUJS代入17式整理后有SVIKΓM/ΓSΓMU3/GRΩΜRPEIJPESIJS/JJSΓSΓM/ΓMSVIM18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。关于PEI和PESI,可以近似认为其相等PEIPESI并令PEIPESIPNI,则上式可写成SVIKΓM/ΓSΓMU3/GRΩPNIΜR1ΓSΓM/ΓMSVI/PNIM19通常会认为PNIPBI,即为床沙级配,上式可写成SVIKPMBIΓM/ΓSΓMU3/GRΩIΜR1ΓSΓM/ΓMSVI/PBIM≈PMBISIV20式中SIV为I粒径组可能挟沙能力。以往的处理中,认为SVIPBISIV21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SVIPBISIV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PNI,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。3结论1河道在平衡和非平衡状态下的挟沙能力不尽相同。图2挟沙级配对比图COMPARISONOFTHECALCULATEDGRAINSIZEDISTRIBUTIONANDFIELDDATA2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。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。参考文献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。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。3费祥俊。高浓度浑水的粘滞系数(刚度系数)。水利学报,1982,34钱宁,万兆惠。泥沙运动力学。科学出版社,1983年。

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