水利工程论文-潮汐河口悬移质动床实物模型的理论与实践.doc

水利工程论文-潮汐河口悬移质动床实物模型的理论与实践摘要：河口泥沙一般较细，其河床变形多取决于悬移质的运动。文章论证了悬移、起动与河床变形相似为潮汐河口悬移质动床实物模型泥沙运动的主要相似条件，模型沙主要按悬移与起动相似条件选择；提出并介绍了采用轻质沙后挟沙相似的满足、时间变态的处理原则与经验；此外还讨论了模型选沙中的一些理论与技术问题。关键词：潮汐河口实物模型相似准则起动悬移沉降速度1前言潮汐河口水流为典型的非恒定往复流，流态复杂多变，潮流随时间的变化远较径流迅速，涨、落主流流路也常不一致；泥沙既有径流挟运，也有海域带来，并因径流与潮流比值不同分别形成口门处的拦门沙或口门以内的纵向沙坎1。这一切，使得河口的河床变化尤为复杂，对此，欧美诸国多以泥沙数模为主要研究手段，应该说，目前还极不成熟，尤其是局部工程对河床变形的影响。我国对河流实物模型的理论进行了长期的深入研究，积累了丰富的经验。河口水沙运动虽比河流复杂，但只要实物模型抓住所研究问题的关键，往往可获得较数学模型更为接近实际的结论。作者借助悬移质实物模型，对不同工程给钱塘江河口河床变形的影响进行了十年研究，其中两项围涂工程已根据试验实施，河床冲淤变化与试验预测符合良好，取得了显著的社会与经济效益。本文便是我们长期研究的总结。2潮汐河口悬移质实物模型的特点与现状河口宽深比一般都很大，因此不得不做成变率较大的变态模型。经过长距离运移，河口泥沙大多较细，其河床变形多取决于悬移质的运动。细颗粒泥沙的絮凝沉降特别是含盐度的影响不容忽视；细颗粒泥沙的起动尤其起动流速的定量研究至今仍不充分，对具有往复流特征的河口泥沙，其起动流速明显小于同粒径的河流泥沙，起动特性更为复杂。这就给模型设计尤其是模型选沙带来了很大的困难，加沙方法与设备更显著增加试验的难度，故时至今日，国外河口底沙模型不少，悬沙模型则殊不多见。70年代，我国先后作过长江口、射阳河口、甬江口与钱塘江口的悬沙淤积模型25，除长江口模型探讨河口过渡段的局部水域，余皆研究河口河流段的一维淤积变化；80年代末至今，进行了包括钱塘江河口河流、过渡与潮流段在内的悬沙淤积与大范围动床试验，在河段冲淤量与冲淤平面分布验证的基础上，探讨了杭州湾北岸澉浦至金山深槽的冲淤变化、尖山河湾南股槽整治、北岸治江围垦工程实施等问题6,7,9,10；此外，还有辽河口营口港区淤积与局部动床试验8及某些局部水域淤积试验。上述工作，给河口悬移质模型提供了可贵的经验。然因河口水沙运动的复杂，不少问题的认识至今尚不一致，为此本文较为系统地论述了潮汐河口悬移质动床模型的主要相似准则、模型沙的选择及由此产生的时间变态的处理方法，对若干有争议的问题提出了作者的见解并给出了粗浅的论证。3潮汐河口悬移质动床实物模型的主要相似准则一般而言，某物理量x的原、模型量值之比被称为该物理量的原、模型比尺，即x=xp/xm(1)式中下标p与m分别表示原型与模型。3.1几何相似河口多较宽阔，宽深比较大，因而除局部模型作成正态，从而x=y=z=1外；河口整体模型多为变态，其几何相似为平面比尺x=y=1(2)铅直比尺z=h(3)3.2水流运动相似如前所述，河口模型多作成变态，因而铅直方向的物理量及水平方向的物理量沿铅直方向的分布不可能相似，但各物理量沿铅直向的垂线平均值仍然相似。为此，考虑平面二维非恒定流运动方程(4)(5)连续方程(6)式中u、v分别表示x、y方向（正东与正北）的垂线平均流速，z为水位，R为水力半径，C为舍齐系数，地系地球自转角速度，为所在地纬度。运用相似变换，由(4)(6)式，甚易得到惯性力重力比相似u=v=h1/2(7)惯性力阻力比相似c2=1/R(8)水流连续相似t=1/u(9)河口常较为宽浅，边壁阻力可以忽略，从而Rh；由C=1/nR1/6，经相似变换，（8）式可改写成(8)水流运动的主要相似条件如表1所示。对具宽浅特性的潮汐河口，惯性力与阻力的影响占主导地位，柯氏力影响较小，地转效应一般可以忽略。模型水流必须为紊流和表面张力限制条件亦如表1所示，相应式中的p.m脚标分别表示原型与模型，Re为雷诺数，V为断面平均流速，为床面糙度，对于平整河床，当d0.5mm时，取=d50，当d0.5mm，取=0.5mm，C0为无尺度舍齐系数，为水的运动粘滞系数11。3.3泥沙运动相似根据潮汐河口一维不平衡输沙方程和河床变形方程(10)(11)式中A、B、Q、V、S、S*、z0与分别为过水断面积、河宽、流量、断面平均流速、断面平均含沙量、水流挟沙力、泥沙沉降速度、泥沙沉降机率、河底高程与泥沙干密度。运用相似变换，可以得到悬移相似(12)挟沙相似(13)河床变形相似(14)由于水流挟沙力S*一般以平衡状态下水流能挟带悬移质中床沙质的断面平均含沙量表达，因而，比尺关系（12）（14）采用一维不平衡输沙方程与河床变形方程推导（由二维方程组可推得同样结论）。对于变态模型的悬移相似条件，国内长期采用两种不同的相似准则12，其一如（12）式，另一种为，还有，n按|(S-S*)/S*|1的资料占全部资料的百分数P*分别取0.5、0.75与1.013。林秉南从泥沙扩散方程的原始形式出发，论证了泥沙扩散或掺混相似即相似准则（12）式的唯一性14，认为扩散或掺混包含了悬浮和沉降，指出后一种及其他表达式是因为推导过程中引入了若干假设，其中包括流速分布式(15)式中u*为摩阻流速，y为水深坐标。如前所述，变态模型水平向物理量沿铅直向分布并不相似，因而，据以推导的悬移相似的其他表达式均不合理，将（12）式命名为沉降相似也不够严谨。事实上，国内前述几个悬移质河口模型均采用（12）式取得了验证的成功，因此，可把（12）式作为悬移相似条件。河口河床冲淤交替，因而，对于悬移质动床模型，还应遵循起动相似(16)式中Vc为泥沙的起动流速。将上述泥沙运动的主要相似条件一并列入表1。表1潮汐河口悬移质动床模型主要相似准则Majorsimilaritycriteriaofmovable-bedmodelwithsuspendedloadfortidalestuary相似条件表达式相似条件相似条件水流运动水流连续相似泥沙运动悬移相似重力相似起动相似阻力相似挟沙相似天然沙紊流条件1000-2000或轻质沙冲淤率定试验确定表面张力限制条件Hm1.5cm河床变形相似研究悬移质的运移，扬动本系一不可忽视的因素，然由于扬动流速所表达的临界状态，至今尚无公认的明确认识；必须运用悬移质动床模型常是因为悬移质的运动对河床冲淤变化起着决定性作用，此时，悬移与起动的模拟明显比扬动重要；因此，河口悬移质动床模型，扬动可不必作为主要相似条件。仅当河口悬沙与底沙粒径差异较大（如某些发源于近海丘陵的小河河口）、两者对河口河床变形均起着不可忽视的作用、而不得不作成全沙模型时，底、悬沙粒径的较大差异使扬动相似对于悬移质已显得比起动重要，从而悬移质遵循悬移与扬动相似准则，推移质则服从起动相似条件。4模型沙选择悬移质动床模型主要根据悬移与起动相似条件选沙。对容易获得的几种模型沙，按d50各初选几组粒径，结合模型沙其他特性、购买难易与费用，选悬移与起动均符合较好者。河口悬沙级配多较均匀，在按d50模拟的同时，使原、模型沙的拣选系数接近便可基本满足要求。若级配极不均匀，可采用分级模拟。含盐度的絮凝影响常以下述方式解决：原、模型沙沉速试验分别按实际含盐度与清水考虑，从而可避免盐度的模拟。模型沙的起动流速最好采用水槽试验值，原型沙则取实测含沙量曲线拐点处（即含沙量曲线由较平缓转至突然增大的起始时刻）相应的垂线平均流速，如不得不采用公式计算，则应注意以下两点：1.河口泥沙的起动流速明显小于相同粒径的河流泥沙起动流速。其原因是河口泥沙因径流与潮汐交互作用，上、下游往返搬运，致密实程度较河流低；涨、落交替，流路随时变化，泥沙易在利于滑或滚动的方向起动；涨、落急时段流速梯度显著增加，尤其是强河口，产生由当地加速度引起的附加应力（动力）；流速分布随时变化，与河流中近底层流速总是小于中、上层的情况不同。而各家公式均只适用于河流，当粒径较细且水深较大时，对于河口泥沙起动流速，计算值比实际值大得更多。以笔者的经验，当d5m时，张瑞瑾、沙玉清公式相对较为可靠。2.若原、模型沙起动流速均用公式计算，则不得运用不同公式，否则既有悖于相似理论，又将导致较大误差。以笔者经验，只要原、模型沙起动流速采用相同的计算式，则各家公式的选沙结果往往差异不大尽管起动流速计算值各不相同。不同的模型沙各有优缺点，不少人曾认为选用的模型沙不同，河床冲淤形态及其分布虽然一致，但冲淤厚度的定量试验结果常会大相径庭。笔者在闽江水口电站导截流动床模型选沙设计时，对同一试验项目，曾有意识地采用了不同的模型沙，两者不仅河床冲淤形态相似，幅度也非常接近。这说明，只要粒径与级配选择合理，采用不同模型沙不会产生大的差异。但下列不宜采用情况除外。1）研究边坡较陡的深槽或深潭的冲淤变化且模型变率较大时，最好不用塑料沙，因其水下休止角较小；2）冲刷变幅较大（动床铺沙因此较厚）且模型沙颗粒较细时，