水利工程论文-沙质推移质断面输沙率计算方法.doc水利工程论文-沙质推移质断面输沙率计算方法.doc

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水利工程论文沙质推移质断面输沙率计算方法摘要当今众多推移质计算公式,其成果都与实际难符。本文对泥沙统计理论建立的单宽输沙率公式、给各符号的确定方法进行了优选,只需根据水文站日常测验中得到的有关资料,即可求出单宽输沙率的沿河宽分布曲线;沿河宽积分,则可求得相应断面推移质输沙率。本方法与各家公式对比,其成果接近恩格隆公式,经长江三个站实测资料验证,实际误差与当前测验精度一致。具有实用意义。关键词特征粒径泥沙统计理论特征概率起动流速1前言由于推移质测验很困难,迄今为止实测资料为数有限;为满足实用需要,一般都致力于计算方法的研究与选择。目前经验、半经验的推移质计算公式已不下数十个,因都未考虑横向分布上的强烈不均匀性,所以,计算的成果都与实际相差较大,难于满足实用要求。受泥沙统计理论的启示,取各家研究成果之所长,先对推移质计算中各因子优选,从而优化了单宽输沙率公式。其中推移层厚度随水力因素确定,水流强度和摩阻流速由实测流速参数决定,使计算成果更能符合实际。根据水文站日常测验资料中取得的垂线位置、水深、流速、床沙颗粒级配等资料,就可分别求出各垂线的单宽输沙率,确定其沿河宽分布曲线。再经数学方法处理,沿河宽积分,即能算得全断面推移质输沙率。本方法经单线资料与恩格隆、爱因斯坦、梅叶彼德等计算成果对比,与恩格隆式接近,大于爱因斯坦与梅叶彼德两式。与长江有关站断面实测成果对比,基本接近,具有实用意义,为间接法测推移质取得了新的经验。2单宽输沙率公式的选择泥沙统计理论,是当今有广阔发展前景的研究推移质运动的工具2。但在确定输沙模式时,彼此还存在较大的差别,有的甚至还涉及到不同的概念3。尽管如此,而在公式的结构上,则可以综合为以下通用形式QBAΓSM0MDP1L/P2T1式中P1、P2为特征概率,L为特征长度,T为时间,D为特征粒径,M为沙层运动高度以特征粒径的倍数计,M0为面密实系数,A为系数;ΓS为泥沙容重,QB为单宽输沙率。3特征参数的确定式1中,A是体积系数Π/6与面积系数Π/4之比,等于2/3。窦国仁试验结果,面密实系数M004。ΓS一般沙质河床可取2650KG/M3。对非均匀沙选用床沙组成中哪一级粒径为代表粒径,各家标准不一致。根据沙质河床的特性及试算的反复研究验证,确定取床沙的D80作为特征粒径D。其他几个参数是经过以下讨论后确定的。31速度L/T的确定L/T是泥沙运动的特征速度,仍采用简化后一般通用的颗粒平均滚动速度公式VSVBVBC2式中VS推移质平均运动速度,VB河底流速,VBC时均颗粒起动流速。关于VB及VBC的确定,则采用窦国仁公式2VB85/625LND/KSV3VBC109ΓSΓ/ΓGD019GDΔΕK/D1/24式中KS按以下方法确定;当D≤05MM,KS05MM,当D05MM时KSDΔ0213104CM,ΕK256CM3/S2,ΓS2650KG/M3;Γ1000KG/M3VBC109161865D0000000397D00000004864/D1/25式中均以M为单位,D为垂线水深,V为垂线平均流速。32U及Θ的确定摩阻流速U及水流强度Θ可通过实测值计算,但在平原河流上,使用实测比降J值很不理想,水尺间距短了精度低,长了又缺乏代表性,很多站都没有比降观测项目,进行横比降观测的站就更少,为此用实测流速反算的方法来解决此问题。勃兰特流速分布公式为V575ULG302D/Δ575ULGΗ,令A′575ULG302D/Δ,B′575U,则可简化为VA′B′LGΗ,即UB′/5756式中A′,B′为简化流速参数,VI为测点流速,Η为从河底起算的测点相对水深,Δ为河底糙度。因为ΘΓWDJ/ΓSΓWDDJ/165D式中ΓW为水的容重,ΓS为泥沙容重,以U代入6式,重力加速度G取981M/S2,换算后得J000308B′2/DΘ00019B′2/D7A′和B′可根据实测垂线各点流速用最小二乘法求得。33特征概率的确定式1的P1可解释为起动概率,P2为止动概率;爱因斯坦和韩其为对此尽管在说法上不尽相同,但形式上都可用PP1/1P2表示,可见P21P1。根据文献3的论证,这是单次滚动的平均距离大1/1P1倍的结果,这为P可以大于1提供了理论依据。目前唯一有推移质运动机率特征的资料,是恩格隆的试验成果。要引用它需要辨别几个问题,一个问题是恩氏中的P是否与式1P1/P2等效为此要将其公式与式1进行对比,其中;P6/ΠBΘΘC;D/BΠ/6D6/ΠB,则有Π/6D≈2/32D03927。如以2DM,M003927,则有QB2/3M0ΓSVSP,可见P和P1/P2等效,可以互换。另一个是,文献1中提到“按定义,显然不能大于1。为此恩格隆曾将P6/ΠBΘΘC\P一式,改为P1Π/6B/ΘΘC41/4P二式。前文提到PP1/P2P1/1P1,由于P是P1的组合值故认为P值可大于1。文献1指出,P一式的恩氏成果与其他几家公式比较一致。而用P二式的成果,在高输沙时,偏小甚多,明显不合理。这也旁证了P大于1的合理性。再一个问题是,P的表达式是什么根据文献1提供的如图1的资料作进一步的研究后,发现恩氏的表达式与资料不尽相符。P一式上部分太偏大,P二式受P不能大于1这个概念的束缚,上部又有点偏小。为此,将P(二)修正为P118Θ0190228当Θ≤01942时P6/ΠBΘΘC23873Θ00469式中B08,ΘC0046,其余符号意义同前,适线情况如图1。34泥沙运动层高度M的确定对推移层厚度,各家都以代表粒径的倍数表示,已有公式中,多用一个固定值。我们认为它是一个随水流条件而变的函数,表达式为图1推移质运动机率参数P与Θ的关系RELATIONBETWEENPANDΘMKU/UC0610这是有名的拜格诺公式,其中\K\经拜格诺及威廉斯用均匀沙试验K14,而天然河流上,沙粒级配不均匀,可能大到281。因此取其平均值K21。另外,这里所说的试验高度是跳跃高度。以之代表沙层厚度,还应减掉沙层的空隙度。根据沙玉清的模式2,在平稳情况下,空隙率为04。如是以K21代入式10并乘以104则有M126U/UC0611式中UC由起动条件下ΤC的希尔兹公式知ΤC/ΓSΓWDFUD/Ν,因FUD/Ν的上限为006,下限为0033取平均值为0046,则有ΤC0046ΓSΓWD,故Ν为运动粘滞系数,G为重力加速度。12代入式11得134计算方法41需要的实测资料411各垂线位置、水深、测点流速、平均流速、相应床沙颗粒级配,水面宽度、水位、流量。412没有二点以上测点流速时,要提供水面或浮标流速系数。42计算步骤计算工作分测点计算和全断面计算二大步。421测点计算1拟合垂线测点流速分布公式求A′,B′值4;当流速用二点法以上测时,用VΗA′B′LGΗ进行拟合,式中;ΗY/D,D为垂线水深,Y为从河底算起的距离。用一点法或浮标法测速时,A′V/KF,B′2303A′V,式中;KF为浮标流速系数或水面流速系数。2根据床沙级配资料插补D80代表特征D。3计算水流强度Θ及U。4计算VSVBVBC,及M,P。5根据以上分析研究概括出的公式QB70667VSMDP14计算垂线单宽输沙率。422全断面输沙率计算1根据算出的各垂线输沙率以相对河宽为\X,用多项式逐步回归求出单宽输沙率Y沿河宽的分布方程式。2积分单宽输沙率方程即得全断面总输沙率。5精度验证51垂线检验计算模式主要是QB,故验证单线成果是首步。经计算长江干流新厂二站,洞庭湖入口站藕池康站,汉江干流襄阳站共165次资料,与实测资料均用Y78型仪器,并用系数162修正对比,如图2从图上可以看出,点子分布在45线的两侧,不存在系统偏离。单站点群分布,也没有明显的系统突出现象。这表明本方法适用性较强,有普遍实用意义。从图面看,点子分布较宽,这是与推移质的脉动和测验精度相关联的。实际取样中,1~3倍的误差允许存在;脉动情况下,10倍以上的误差都可以出现。新厂站取样误差试验资料统计,1次取样与10次取样平均值比,1倍误差的保证率为76。所以,计算精度不会低于当前测验精度。52全断面检验就全断面而言,某些随机误差在各垂线上可以互相抵消一部分,其总误差可以减小。经用新厂、藕池康共50次资料对比如图3。统计表明,误差40的次数为72误差50的次数为811倍误差的次数95。而新厂站的取样试验分析中,3次平均与10次平均比,误差小于1倍的点子占94。所以,计算成果的精度,能与实际相符,可满足实用需要。图2单线资料对比关系RELATIONBETWEENBEDLOADRATEFORAMEASURINGLINEANDCALCULATEDBEDLOADRATE图3计算断面资料对比关系RELATIONBETWEENCALCULATEDBEDLOADRATEOFCROSSSECTIONANDMEASUREDVALUES53与几个著名公式计算成果对比验证经以同一垂线资料分别用式14恩格隆、爱因斯坦、梅叶彼德公式计算并点绘成图4。从图上可以看出,本方法接近恩格隆公式,梅叶彼得公式偏小,爱因斯坦公式在输沙率003KG/S以上偏小甚多,与文献1中的理论分析基本一致。从另一方面证明本方法计算成果的合理性。6结束语1本方法能适用推移质在横向分布上极不均匀的特性,在一定程度上解决了计算公式与实际不符的主要问题,为开展间接法测推移质取得了有益的经验。图4计算值与各家公式对比关系RELATIONBETWEENCALCULATEDBEDLOADRATEBYEQUATION14ANDVALUESBYOTHERFORMULAS2在统计理论基础上归纳的公式14及取各家之长而确定的参数,物理意义清楚,概念明确,应用方便。摩阻流速U和运动层高由实际水流参数确定,更能反映推移质运动的实际情况。
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