水利工程论文-分析河相关系时的补充条件分析.doc水利工程论文-分析河相关系时的补充条件分析.doc

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水利工程论文分析河相关系时的补充条件分析摘要本文从水流泥沙运动方程出发,通过附加河流边界条件的方法,分析了河相关系并给出了顺直型、弯曲型及分汊型河流形成的必要条件。但由于很多影响河相关系和河型形成的其它因素没有考虑,因此本文只是对实际情况的简化分析。关键词边界条件河型河相关系1河相关系研究现状早期河相关系的研究基本上是属于经验性质的。具体的作法是选取比较稳定或冲淤幅度不大、年内接近平衡的可以自由发展的人工渠道和天然河道进行观测,在形态因素与水力泥沙因素之间建立经验关系,如早期的流速比降等经验关系式。随着河相关系的研究得到不断的发展和完善,现已取得了很多的研究成果,其中不少的河相关系式已不再是纯经验性的,具有一定的理论基础。从水流泥沙运动方程出发研究河相关系也已有不少成果,具有理论化的特点,这些方程是水流连续方程QBHU1水流阻力公式U1/NH2/3J1/2水流挟沙能力公式SSKSU3/GHWM要求解未知量B、H、U、J尚需增加一个方程,目前增加一个方程的办法有很多种,如临界起动假说、最小活动性假说、最小功原理、最小方差理论和引入某种“原生河相关系式”的经验方法等。河流边界条件在河相关系中起着重要的作用,这早已引起了人们的重视,不少学者已对此作过分析和实验研究。通过引入一定的河流边界条件也可以求解方程组1。且事实上人们早已用水流泥沙运动方程通过引入一定的河流边界条件的办法求解了河床形态问题,这就是一维、二维和三维水流泥沙数学模型,数学模型的最基本方程即是方程组1。人们在利用数学模型求解河床变形时,一般又都未明确提出其引用的边界条件和说明为什么引用其采用的边界条件,这就不可避免地有时在冲淤计算时引入了不恰当的边界条件,使得计算结果的可靠性受到了影响。此外用数学模型求解河床变化时不但要求解B、H、U、J未知数,还应模拟河型变化,否则不能完满地解决生产问题。例如用一维模型模拟冲积性河道的河床变化,这时方程组1是可解的。但此时河型的变化是未知的,即河道长度的变化是未知的,因此河床高程的变化严格地说仍然是未知的。因此分析方程组1在不同的边界条件下的河相关系应与河型分析相结合,这对数学模型的研究具有重要意义。2河流及其边界条件从水流泥沙运动方程出发研究河相关系,须提供一定的河流边界条件。具体提供怎样的边界条件,应视河流的具体情况而定。河流边界条件包括进出口断面边界条件、河岸边界条件和河床边界条件。21进出口断面边界条件这里指进出口断面的水流边界条件。河相关系是在一定水流条件下的河相关系,研究河相关系要结合水流边界条件来研究。河道一般为缓流,进出口水流边界条件这里按两类形式给出。第一类是进口断面流量已知,出口断面水位已知,即2第二类边界条件是流量已知,进出口断面水位流量关系已知。进出口水位流量关系已知,相当于进出口水位差已知,即3这种边界条件提法在定床水流计算是错误的,但研究河相关系时是可以的,因为这时断面形状是未定的。而河流的起点和终点水位必须是给定的,这是由泥沙从上游往下游的单向输移性所决定的,泥沙输移不能在起点造成淤积,起点的夷平过程应作为已知的。2.2河岸边界条件河岸边界条件指河岸的抗冲性边界条件,由于河岸的淤积物本身有可能是由水流挟带的泥沙淤积而成,因此河岸的抗冲强度有时是来水来沙的函数。河岸的抗冲强度可用河岸的抗冲剪应力等表示,为了讨论方便,这里用河岸的抗冲流速表示。若用UL代表河岸能抗拒的最大水流流速,则河岸稳定的边界条件为图1河岸起控制作用的河相关系MORPHOLOGICALRELATIONSHIPCONTROLLEDBYBANKSU≤UL4这里U应为岸边流速,岸边流速与断面平均流速是不同的,但为了分析简单,这里认为两者相等。2.3河床边界条件河床边界条件指河床的抗冲性边界条件,当不考虑推移质运动时,可用悬移质挟沙能力的非饱和系数PS来表示,方程组1悬移质输沙平衡方程改为SPSKS(U3/GHW)MK(U3/GHW)M5输沙平衡,河床稳定的条件为PS≤16PS可以看作是悬移质在床沙中所占的百分比。PS1时床沙与悬沙粒配相同,为非抗冲输沙平衡。PS1时床沙粗化,河床抗冲性大。3几种简单边界条件下的河相关系河流的边界条件一般很复杂,只能结合水流泥沙运动方程求数值解,这里就几种简单的边界条件从水流泥沙运动方程分析河相关系与河型。31河岸起控制作用的河相关系进出口断面边界条件为流量已知,出口水位已知。河流位于两抗冲岸壁之间,岸壁间的距离为BM。如图1所示,假定河宽B小于BM,此时河岸由悬沙淤积物组成,抗冲流速为UL。这时水流泥沙运动方程加上边界条件为(7)由上面的方程组可知,河岸稳定条件等价于B≥S/K1/MGWQ/U4L8若UL较小,满足S/K1/MGWQ/U4L≥BM9则淤积物河岸不能稳定,会被水流冲走,直到抗冲岸壁起到控制作用为止,因此必有BBM,条件9代入7式还给出J≥(BMQ)4/3UL10/3N2JMIN即ΔZ≥(BMQ)4/3UL10/3N2L10由方程组7可得完全由河岸起控制作用下的河相关系为11某些水槽实验、渠化河道、狭谷河段、冲积性河流中的险工护岸段或洪水期等,可能完全由河岸起控制作用,河相关系属于这种情况。判断是否完全由河岸起控制作用的条件为同时满足9式和10式,即进出口高差较大,河岸约束较紧。由11式可知,完全由河岸起控制作用时的河相关系与进出口水位差无关。当河岸起到完全控制作用时,若进出口水位差ΔZ也是已知的,则可能出现下面两种常见现象当时JMINLΔZJL时,则出现下游水位对入流的顶托现象当ΔZJL时,则河道纵剖面会不连续,形成跌水,如山区河道的瀑布。32完全由进出口边界条件起控制作用下的河相关系完全由进出口边界条件起控制作用下的河相关系,这里指进出口给定第二类边界条件3式。进出口边界条件对河相关系起控制作用。而河岸的抗冲流速较小,河岸对水流没有起控制作用。先假定河岸边界条件起控制作用,则水流泥沙运动方程加边界条件为12由上面的方程组可得河岸的稳定性条件等价于JS/K4/3MN2GW4/3/U2≥S/K4/3MN2GW4/3/U2L13用LMIN代表进出口断面间的最短距离,则有14当ΔZ较小,满足15则河岸稳定性条件不能满足,河岸是活动的。河相关系完全由进出口边界条件控制。用下面再分析比降的沿程分布,由12式可得16图2进出口边界起控制作用的河相关系MORHPOLOGICALRELATIONSHIPCONTROLLEDBYINPUTANDOUTPUTCONDITIONS17可见B小的地方U大、J小,B大的地方U小、J大,河道的平面形态如图2所示。由于河岸边界是活动的,B大U小处河岸移动慢,河岸相对来说较为稳定;而B小U大处河岸移动也快,河宽、比降会变大。又因为进出口高差一定,因此河窄处比降变大必造成河宽处比降变小。由17式可知,宽处比降变小后河宽会变窄,流速会变大。最后流速、河宽、比降沿程趋于不变。又因为J最大时U最小,河岸相对来说最为稳定,因此必有18这说明河道必是顺直型的。但由于扰动的存在,实际上河宽会有所波动,水深、流速和比降的分布也是如此。天然河道中岸边线犬牙交错,向下游不断移动的情况是常见的。游荡性河流岸边界剧烈摆动的情况也是常见的。综上所述,完全由进出口边界条件起控制作用下的河相关系为19断面宽深比为20判断河相关系是否完全由进出口边界条件控制的标准为U≥UL,即式15。由19式可知,完全由进出口边界条件起控制作用时的河相关系与河岸的抗冲强度无关。此外UL/U的值也可以作为顺直型河道形成的必要条件。令ΑUL/U2K/S4/3MU2L/N2GW4/3ΔZ/LMIN21当Α1时岸边界是不稳定的,河道是顺直的,Α愈小,岸边界愈不稳定。因此Α较小是顺直性河道形成的必要条件。33进出口边界条件和河岸边界条件均起控制作用下的河相关系331前提条件进出口边界条件和河岸边界条件均起控制作用下的河相关系在这里指进出口边界条件为第二类边界条件3式。河岸稳定性条件得到满足,则水流泥沙运动方程加上边界条件为22332河相关系由方程22可得13,设J的最短距离,则有
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