（水力学及河流动力学专业论文）复式河槽水沙运行特性及淤滩刷槽机理的初探.pdf

摘要 摘要 黄河下游河段为严重的堆积性河道，洪水对河床演变有着很大作用，尤其是自2 0 世纪 8 0 年代中期以来，由于上游众多水库的建立，社会经济的发展，工农业引水灌溉的水量增 加，促使下游来水来沙条件的非协调性变化，中常以上洪水出现频次大大减小，洪峰流量降 低，“二级悬河”形式日益严重，对防洪造成极大压力。因而对黄河下游漫滩洪水“淤滩刷 槽”机理的研究是非常必要的。 本文针对漫滩洪水的水力学特性研究，从原型资科分析和物理模型试验出发探讨漫滩洪 水的“淤滩刷槽”作用。本文的研究内容主要包括： ( 1 ) 分析评价了复式河槽流量的计算方法，以及滩地、主槽糙率的计算。 ( 2 ) 河流的断面形态都是冲积河流自动调整作用的结果，依据河床演变基本原理，从水 动力学方程、连续方程及河床变形方程等推导出水位涨率的偏导方程。可知，河槽宽度缩窄、 床面抬高和过流断面面积的减小，均可使水位涨率增大，对河道萎缩致灾起着重要作用。 ( 3 ) 通过理论推导，推导出洪水沿程水位变化方程，以及含沙量横向分布方程。 ( 4 ) 通过原型资料分析得知：漫滩洪水的淤滩刷槽作用与来水来沙量、河床断面形态以 及物质组成有关。 一： ( 5 ) 模型试验及原型实测资料分析表明，洪水漫滩后，由于流速降低，泥沙逐渐淤积， 并且离主槽越远，淤积的泥沙越细。用洪峰流量与平滩流量之差与平滩流量的比值1 来表征 刷槽效率，刷槽效率较高的在o 4 左右。 ( 6 ) 一般滩区水位要低于主槽水位。当滩区水面与主槽连续时水位略低于主槽，不连 续时水位降低较多。漫滩挟沙水流在滩区行进过程中，其含沙量沿程衰减，生产堤内及滩面 衰减幅度较大，堤河衰减幅度较小。 关键词：复式河槽、漫滩洪水、造床作用、淤滩刷槽、水位涨率 河海大学硕：卜学位论文 a b s t r a c t t t l ed o w n s 仃e 啪o fy e l l o w 酗v e rw a t e rb e l o n g ss 谢o u ss t a c kr i v e rc o l l r s e ，m ef 1 0 0 d h a sm a j o r 如n “o nt om en u v i a lp r o c e s s ，p a n i c u l 砌ys i n c et h em i d - 19 8 0 s ，a sar e s u l to fn u m e r o l l sr e s e r v o i r e s t a b l i s l l m e n t su p s t r e a m ，s o c i a le c o n o m yd e v e l o p m e n t ，i i l c r e a s 锄e i l to fi n d u s t i ya n da g d c u l 帆 p i l o ti r r i g a t i o n sw a t e rv o l u m e ，u 唱e sm en o n c o o r d i n a t i v ec h a n g eo fw a t c r 柚ds a i l dc o m e sf r o m m ed o w n s t r e 锄，m e 疳e q u e i l c yo fp r e s e i l to fo r d i n a 巧n o o dr e d u c e sg r e a t l y ，a l s ot h ep e a k d i s c h a 喀er e d u c 鹤，t h ef o m lo f s o n d a 叮s u s p 饥d e dc h 孤n e l ”i ss 商o u e fd a yb yd a y ，c r e a t e sm e e n o 丌i l o u sp r e s s u r et ot h ef l o o dp r e v e n t i o n t h e r e f l o r ct h em e c h 醐i s m ，sf e s e a r c ho f b e a c hs i l t sa n d t r o u 曲s c r o u r s ”o ft i d a ln a tf l o o do ft h ey d l o wr i v e rd o v m s 慨锄i sv e r ye s s e i l t i a l n l i s 枷c l ei si n 、，i e wo ft h et i d a lf l a tf l o o d sh y d r a u l i c sc h 啪c t e r i s t i cr e s e a r c l l ，e l i l b 破st h e d i s c i l s s i o no ft l l e 如n c t i o no f a c hs i l t s 锄d 昀u 曲b n l s h e s ”o ft i d a lf l a tn o o d 行o mt h ep r o t o t ) i p e m a t e r i a la i l a l y s i sa n dm ep h y s i c a lm o d e le x p 甜m e n t n er e s e a r c hc o n t e i l to fl h i sa n i c l em a i n l y i r i c l u d e s ： ( 1 ) t h ea i l a l ) ，s i s h a sa p p r a i s e dm ec o m p l e xd v e r _ c h a n n e lc u r r e n tc a p a c i t yc o m p u t a t i o n a l m e t h o d ，a sw e i la si n t 铂豫l ，m a i nc h a n n e l r o u 曲n e s sc o e 躜c i e n tc o m p u t a t i o n ( 2 ) ，n l e l u 啊a ls 吮锄s e l f r e g u l a t i o nr e s u l t sr i v e r sc r o s ss e c t i o ns h a p e b a s e0 nm ef l u 啊a l p r o c e s sb a s i c 皿n c i p l e ，u s et h eh y d r o d y t l a m i c se q u a t i o n ，t h ee q u a t i o nd fc o n t i n u i t ) ra n dm er i v e r b e dd i s t o n i o ne q u a t i o na n ds o 彻i n f e r s 也ed e r i v a t i v ee q u a t i o no ff h ew a t e rl e v e lc o e m c i e n to f e x p a n s i o n m a yk n o w ，m er i v e r b e dw i d t hc o n s t r i c t i o n ，m es u r f a c eo fb e dr a i s ew i mo v e r n o wc m s s e c t i o n a la r e ar e d u c t i o n ，m a yc a u s em ew a t e r1 e v e lc o e 伍c i e n to fe x p a n s i o nt oi n c r e a s e ，p l a yt h e i n n u e n t i a lr o l eo ft h ed i s a s t e rt om er i v e rc o u r s ea t r o p h y ( 3 ) t h r o u g ht h et h e o d ，i n f e r e n t i “r e a s 0 1 1 i n g ，i n f e r st h ew a t e rl e v e lc h a n g ee q u a t i o no fn o o d a 1 0 n gt h er e g u l a t i o n ，a s1 i ；l ，e 1 1a ss i l tc o n t e n tt r a v e r s ee q u a t i o n ( 4 ) k h e wt l 啪u 曲t h ep r o t o t y p em a t 耐a la n a l y s i s ：t l l e 缸n c t i o nd f “b e a c hs i l t sa n d 仃o u 曲 b r u s h e s o ft i d a ln a tn o o dr e l a t e sw i t ht h eq u a n t i t yo fw a t e ra n ds a n dc o m e s 厅o mu p s t r e a m ，t h e r i v e rb e dc d o s ss e c t i o ns h a p ea sw e na st h em a t e r i a lc o m p o s i t i o n ( 5 ) t h em o d e le x p e r i m e n ta n dm ep r o t o t y p ea c t l l a lm a t 甜a la n a l y s i si n d i c a t e dt h a t ，w h e nf l o o d t i d a ln a th a sh a p p e n d e d ，d u et ot h es p e e do ff l o wr e d u c e ，t h es i l ts 订t su pg r a d u a l l ) i ；a n db ef a r t h e f f - r o mm em a i nc h a n n e l ，t h e3 i l c a t i o ns i l t i sm i n n 盯a t t r i b u t em ee 伍c i e n c yo ft r o u g hb m s h e s w i 也夕w i t c hi st h e 豫垃oo fe v e nb e a c hc u f r e n tw i t ht h es u b t r a c t i o n 。ft h ep e a kd i s c h a r g ea n dt h e e v e i lb e a c hc u n 铋t ，m eh i g h e re 历c i e n c yo f 仃o u g hb n l s h ei sa b o u to 4 ( 6 ) g e n e m l l yt h ew a t e rl e v e lo fb e a c ha r e am u s tb el o w e rt h a nt h em a i nc h a 衄e lw a t e rl e v e l ， w h e nb e a c ha r e aw a t e rs u r f a c ea n dm a i nc h a m l e li s c o n t i n u o u s ，t h ew a l e rl e v e ls l i g h t l yi s1 0 w e r t h 锄m em a i nc h a l l n e l ，o t h e r w i s e ，t h ew a t e r1 e v e lr e d u c e sm u c h t h et i d a ln a ts e d i m e n t - l a d e i l n o w si nt h eb e a c hd i s t r i c tb a n ke r i t e r si nm e p r o c e s s ，i t ss i l tc o n t e n tw e a k e n sa l o n gi h er e g u l a t i o n ， w e a k e ns c o p ei sb i gi nm ed i k ea n dt h eb e a c hs u m c e ，i nm ed i k er i v e rw e a k e ns c o p ei ss m a n k e yw o r d ：c o m p o u n d 南e h h a n n e l ，t i d a ln a tn o o d ，f i l n c t i o no f b e dm a l ( i n g ，b e a c hs i l t sa n d 缸伽曲饿f s ，w a t 盯l 纠e lc o e 题c i e n o fe x p a n s i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) 鲎兰叁力川年6 月膳日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者。签名，：耋垒艺 矽口罗年6 月日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 黄河下游河段为严重的堆积性河道，洪水对河床演变有着很大作用，尤其是 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，由于上游众多水库的建立，社会经济的发展，工农 业引水灌溉的水量增加，促使下游柬水来沙条件的非协调性变化，中常以上洪水 出现频次大大减小，洪峰流量降低，尤其是漫滩洪水明显减少，致使河道发生萎 缩，中水河槽及主河槽宽度缩窄，平滩流量下过水面积及过流能力减小。由于河 槽的淤积萎缩，床面高程不断抬升，河道横比降不断增大，使得“二级悬河 形 式日益严重，对防洪造成极大压力。 河床演变的主要动力因素，尤其是漫滩洪水，往往具有“淤滩刷槽”的造床 现象。例如1 9 5 0 1 9 9 9 年，黄河下游1 1 次漫滩洪水期下游( 花园口利津) 滩 地的淤积量高达3 7 亿t ，约占洪水期来沙量的7 9 ；主槽冲刷量高达2 3 亿t 。 漫滩洪水引起的“滩地淤积”可以维持下游滩槽同步抬升、遏制“二级悬河”的 过分发展，“主槽冲刷”可以减缓主槽抬升幅度、减缓“一级悬河”的发展。因 而，研究黄河下游洪水淤滩刷槽作用及其机理，对于为利用包括小浪底水库在内 得水调控体系运用提供科学参数和依据，调控和塑造有利的洪水过程，从而有效 地改变黄河下游河道萎缩状况，减轻“二级悬河”危险程度，有着重要的治黄生 产实践意义。 由于黄河下游河道、尤其滩区边界条件的复杂性，漫滩洪水的演进过程和冲 淤演变规律十分复杂。多数漫滩洪水具有“淤滩刷槽”的特性、洪水过后主槽排 洪输汐能力明显提高、“二级悬河”程度降低但电有部分含沙量高的漫滩洪水， 造成主槽的严重淤积、主槽排洪输沙能力降低；部分漫滩程度较小的洪水淤积主 要集中在滩唇附近的滩区，导致“二级悬河”程度的增大；也有部分漫滩洪水滩 地淤积不多但塌滩严重、从而导致滩地总体上是冲刷的。然而，目前却仍缺乏对 漫滩洪水冲淤规律及“淤滩刷槽”机理层面的系统研究，造成了认识上的诸多分 歧，例如有人认为漫滩洪水淤滩与刷槽之间有必然联系1 _ ，而有人认为则无必 河海大学硕七学位论文 然联系，为有效地开展黄河水沙调控，科学地利用洪水，维持黄河下游排洪输 沙能力，对洪水的淤滩刷褙机理开展研究是非常必要的。 研究黄河下游漫滩洪水冲淤特性，认识其淤滩刷槽关系，揭示其内在机理， 是开展黄河洪水调控、综合治理河道的应用基础课题。在国家中长期科学和技 术发展舰划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 中，将黄河等重大江河综合治理开发的关键 技术研究列为我国“水资源优化配置与综合开发利用”重点领域的优先主题。水 利部提出的水利科技发展战略研究报告将“黄河洪水控制与资源化”列为了 黄河治理战略研究的重大课题。因而，开展黄河下游漫滩洪水淤滩刷槽机理研究 也是我国科学和技术发展及治黄水利科技发展的重大要求，具有很大的科学意 义。 复式河槽漫滩水流的“淤滩刷槽”机理研究属于河流地貌学和泥沙科学交叉 的静沿课题。几十年东，复式河猹漫滩水流水力学特性及造床作用的研究已经一 直为国内外众多水力学及河流动力学学者们的关注，已取得了一系列的研究成 果。例如英国伯明翰大学k n i g h t 教授等人的研究工作最具有代表性；k n i g h t 教 授等的系列研究包括顺直复式河槽，弯曲复式河槽，滩槽斜交复式河槽以及主槽 为动床的复式河槽的水沙复杂行为研究；最近，欧盟通过“h u m a nc a p a b i l i t ya n d m o bi1i t y ”( h c m ) 项目，资助【0 所欧洲大学的地理界和河流工程专家合作研究 复式河槽水沙问题。英国基金委已连续资助此项目2 1 年。由此可见，复式断面 河道的漫滩水流滩槽的水沙交换关系及对河床演变的作用，为河道水力学的前沿 课题。 本论文以黄河下游为研究对象，通过理论分析，实测资料统计，结合实际， 模型试验对复式河槽的水力学特性及淤滩刷槽的造床作用进行研究，探讨影响黄 河下游漫滩水流过流能力的因素，分析漫滩洪水的淤滩刷槽机理及效果，为维持 黄河下游排洪输沙，为黄河水沙讽控实践提供科学论握。 1 2 国内外研究动态 对于复式河槽水流特性的问题实际上是一个极其复杂的流体力学问题。早期 的理论研究为2 0 世纪5 0 年代日订苏联学者所进行，7 0 8 0 年代欧美水力学界对其 引起了重视8 0 年代以后也一直是国际水力学界讨论的热点课题，我国8 0 年代 第一章绪论 后有许多学者对此课题进行过专项研究。各家研究的成果主要包括通过研究复式 河槽滩槽交界面的水流特性，分析主槽水流过水能力降低的主要影响因素，通过 各种数学计算方法探讨流量、流速、剪切力、含沙量等水力学要素的分布，这些 研究有的是建立在动量守恒的原理上，有的从数理方程出发，结合紊动理论等进 行研究。 l 。2 。1 复式河槽的过流能力和水动力学特性研究现状 研究漫滩水流的主要目标之一就是研究水流的过流能力，即最优过流量及其 单宽流量。水位流量关系曲线在工程设计与应用中是十分重要的。但是传统的水 力学计算方法无论是断面法和单一河槽法都不适合复式河槽的流量计算，直接运 用曼宁公式计算流量会产生很大的误差。齐清兰，张力霆“1 1 ( 2 0 0 1 ) 等从理论 上讨论了用于复式断面渠道的传统的断面剖分计算法的计算误差，并提出了一种 新的断面等速剖分法。该方法要求各剖分断面流速相等，从而消除了传统的断面 剖分法因未考虑各剖分断面之问由于流速梯度而引起的切应力所产生的误差。 有的学者通过实验从影响滩槽交换的影响因素出发，建立起各种相关关系， 为研究滩槽交换的各相关因素之间的关联与贡献率提供了依据。吉祖稳，胡春宏， 潘东在分析水槽实验资料的基础上，对宽窄式河道的滩槽过流能力、断面平 均流速、垂线流速及横向分布等水流运动特性进行了研究。杨克君，曹叔尤3 4 1 等( 2 0 0 4 ) 采用系统动力学方法探寻复式河槽过流能力的计算。通过分析英国科 学工程研究协会洪水水槽设施( s e r c f c f ) 的大量的系列水槽实验成果，发现滩 槽d a r c y w e i s b a c h 阻力系数比值随着相对水深的增加而减小。主槽阻力系数随 着相对水深的变化而变化，呈抛物线分布。根据获得的阻力系数关系，运用系统 动力学方法，建立了洪水漫滩后，复式河槽过流能力的系统动力学模型。计算结 果表明：该模型能确定水位流量关系，其模拟值与实测值吻合较好，其相对误差 的绝对值仅在3 左右。概化水槽试验均为顺直的水槽，主要研究断面上流速、含 沙量的横向分布，不能完全回答漫滩水流的淤滩与刷槽i 日j 的关系。 m y e r s & b r e l m a n 1 ( 1 9 9 0 ) 分析了传统方法产生误差的原因，为此，他们提出 了估算没有植被作用下的过流能力的各种方法。誊汉毅们( 2 0 0 3 ) 根据量钢分 析获得滩槽流量交界面表观切应力的表达式并利用w 6 彻l e a t i o n e a l ( 1 9 8 2 ) 的资料 河海大学硕上学位论文 得到动量输运系数的关系式，最后结合均匀流公式获得了断面流量的表达式。目 前计算过流量的方法主要有以下9 种：单一河槽法( s c m ) 、等速剖分法( e v d m ) 、 断面叠加法( s c s m ) 、断面分割法( c s d m ) 、谢汉祥法( x h x m ) 、童汉毅法 ( t h y m ) 、动量传递法( m t m ) 、河槽协同度方法( c o h m ) 以及s h i o n o & k n i g h t 方法 ( s k m ) 。这些方法各有利弊，其中综合效果还是河槽协同度方法最好。杨克君， 曹叔尤，刘兴年，张之湘“们( 2 0 0 5 ) 等，运用这些方法分别计算整个复式断面 的流量和滩槽流量分配，并与英国科学工程研究协会洪水水槽设施( s e r c f c f ) 的大量的系列水槽实验成果进行比较。通过比较发现：计算流量时，断面垂直分 割法、单一河槽法和等速剖分法误差都很大；而其它方法精度都比较高。运用流 量计算精度比较高的方法同时计算流量分配发现：对某一具体断面形态而言，很 难准确说哪种方法的精度最高。通过对各种方法的综合分析，建议在计算天然复 式河槽过流能力时，采用河槽协同度方法。 严军，胡春宏“目( 2 0 0 4 ) 从输沙机理分析着手，根据河道输水输沙实际过 程，剖析径流量中各部分水量在泥沙输移中的作用，引入净水量的概念，提出了 输沙水量和单位输沙水量的定义及其计算方法，分析了影响水流的输沙特性，径 流量、来沙系数、流量、冲淤量等之间的关系，得到了黄河下游河道输沙水量与 单位输沙水量的计算公式。石伟，王光谦哪! ( 2 0 0 3 ) 从河流输沙水量的概念出 发，根据输沙平衡原理推导出在考虑河道冲淤、引水引沙情况下河流最经济输沙 水量的计算式。传统方法不能准确预测复式河槽过流能力。 由于黄河自身比较复杂的特点，对漫滩水流的泥沙淤积情况和淤积的临界条 件的探讨是极为有意义的，这对黄河的治理，延长其寿命，维持生态平衡，阻止 黄河河道的萎缩，保护中下游的工农业生产、生活是至关重要的。 1 2 2 复式河槽漫滩水流泥沙输移的研究现状 j 下是由于复式河槽滩槽水沙的交换，挟沙水流的泥沙输移状态也发生了改 变，对于漫滩水流横断面的剪切应力和流速的分布，直接影响着输沙率在断面上 的分布，进而影响河槽的冲淤。当发生滩槽水流交换时，主槽的水流的流速和含 沙量明显降低，但是流速降低的较少，而含沙量降低的较多，主要是垂线分布上， 前者是上大下小，后者是上稀下浓。曹文洪“硼( 2 0 0 4 ) 对冲积河流进行了研究， 4 第一章绪论 认为冲积性河流具有自动调整的功能，针对不同的来水来沙和边界条件，河流会 作出相应的调整。1 9 8 6 年以来黄河下游水沙呈现有效造床洪水峰值减小且出现 频率下降，枯水历时大幅度增加和小流量对河道的造床作用加强等特点。通过分 析黄河水沙变化特性，探讨了河床沉积与形态调整的变化。研究表明，黄河下游 河道的冲淤特性与不同时期年均来沙系数具有较好的相关关系，当年均来沙系数 小于o 0 1 5 时，下游河道处于不淤的临界状态。通过小浪底水库调控水沙过程， 保证一定规模的造床流量，对于塑造黄河下游合理的滩槽结构是非常重要的。王 明甫，陈立等3 们( 2 0 0 0 ) 通过模型实验对高含沙水流游荡型河道滩槽冲淤演变 特点及机理进行了研究，认为高含沙水流可以塑造出窄深河槽，但是这样塑造出 来的河道往往是很不稳定的。 a t a b a y & k n i 曲t 3 明( 2 0 0 5 ) 用河槽协同度法( c o h m ) 计算过流能力，床面 平均剪切力，流量分配和推移质输沙率，并与实测值比较，发现对于前二者都有 较高的精度；而输移质输沙率只有较高的相对水深时才有较高的精度，在水流刚 好漫滩和较低的相对水深时，输沙率的预测精度不是很好。丁君松，王树东：旧1 ( 1 9 8 9 ) 通过漫滩水流的水槽实验，对其水流特性和悬沙运动进行了比较详细的 分析，由于动量横向传递，泥沙也随之横向迁移，在一定的水位范围内，主槽的 流速、含沙量和输沙率都较平滩水位的小，滩地的则增大。l y n e s s e t a ll 撕1 ( 2 0 0 1 ) 比较分析了动床条件下弯曲复式河槽与顺直河槽水流阻力变化规律的不同处。滩 地光滑，综合曼宁系数变化相似；滩地粗糙，综合曼宁系数差异在弯曲比顺直大 近5 0 。 复式河槽泥沙的输移主要包括水沙横向交换、垂向输移，不少学者做了大量 的概化水槽试验研究。陈立1 等通过概化水槽试验，研究了“漫滩高含沙洪水 滩槽水沙交换的形式与作用”，分析了漫滩高含沙水流滩、槽间水沙交换的形式， 论述了滩、槽间泥沙同时进行质( 粒配) 与量( 含沙浓度) 的交换过程，指出了 这种交换的单向性。吉祖稳，胡春宏“1 通过漫滩水流悬移质分布规律的试验研 究，对各个区的含沙量横向及垂向分布特性进行了分析，在此基础上，对滩槽交 互区的含沙量横向分布进行了理论探讨。王树东“9 1 ( 1 9 8 6 ) 根据紊流理论，运 用雷诺运动方程求解漫滩水流的二维流速分布，并结合水力学计算与试验资料验 证，吻合尚好，但没有考虑的边界条件、河槽形状对滩槽水流的影响。 泥沙的输移与来水来沙的情况有关，因而床面的塑造过程也是比较复杂的。 河海大学硕士学位论文 刘晓燕，张原锋( 2 0 0 6 ) 认为主槽断面的塑造过程是洪水动力克服河床阻力 做功的过程，洪水对主槽的塑造作用来自洪水造床动力与河床阻力之对比。在非 漫滩情况下，主槽的塑造机理可简化为断面变化量与洪水动力的关系。就塑造黄 河下游一定断面的主槽而言，所需洪水动力特征值w o 3 2 q o _ 3 7 是一定的，若流量较 大，则需要的洪量可减少；要使某场洪水具有冲刷主槽的作用，其洪水动力特征 值w o 3 2 q o 3 7 应大于4 1 。并非所有的漫滩洪水都具有淤滩刷槽作用，研究认为， 对中低含沙洪水，只要当洪水流量达平滩流量的1 5 倍以上，黄河主槽才出现明 显冲刷。 游荡型河道复式河槽冲淤演变规律过去的研究成果很多，认识也较一致，即 挟沙洪水漫滩后由于滩地糙率大，水深小，流速较小，水流挟沙力很低，滩地发 生严重淤积；而主槽由于水流集中，且阻力较小，流速和挟沙力均较大，所以发 生冲刷。特别是游荡型河道在纵向上多呈宽窄相间的形态，当滩地淤积后的清水 流回下游窄河段的主槽中时，主槽不仅流速大，且水流含沙量小，所以便发生剧 烈冲刷，这便是游荡型河段滩槽泥沙交换和槽冲滩淤的演变规律。但对高含沙水 流条件下，游荡型河道滩槽冲淤演变规律的新特点，则研究相对较少。 1 2 3 复式河槽的动量交换机理、特性研究现状 现在学术界普遍认为滩槽水沙交换的主要损失机理是由于滩槽的能量交换 引起的，特别是滩槽交界区的能量交换，因而依据动量交换原理，很多人做了实 验研究。由于滩槽边界的存在，必然会引起阻力的增大，并且与边界的糙率，断 面形态有关，在其他条件相同的情况下，糙率越大，边界的粘滞阻力就越大，从 而水流的能量损失也越大，主要通过水流的机械能转化为热量耗散掉了。庞炳东 1 ( 1 9 9 5 ，1 9 9 7 ) 就认为洪水漫滩后主槽过水能力降低，滩地过水能力的增加的 主要原因就是流场中能量分布的不均匀性而起的阻力分布不均匀。复式河槽动量 输运系数在计算复式河槽过流能力、滩槽交界面平均表观剪切应力和滩槽床面平 均剪切应力等方面有着十分重要的作用。吉祖稳，胡春宏“( 1 9 9 7 ) 研究了漫滩 水流水沙运动的规律，根据漫滩水流的特点，将漫滩水流的复始断面分为主槽平 衡区、滩槽交互区、滩地平衡区及边壁区，在简化水流运动方程和泥沙扩散方程 的基础上，对滩槽交互区内垂线平均流速及含沙量沿横向分布进行了理论分析， 6 第一章绪论 得到了漫滩水流垂线平均流速及含沙量沿横向分布的解析解，并与实测资料吻合 较好。杨克君1 ( 2 0 0 5 ) 根据刘沛清和k n i g h t 滩槽交界面垂向平均表观剪切应 力关系式，导出复式河槽动量输运系数的表达式；接着运用英国科学工程研究协 会洪水水槽设施( s e r c - f c f ) 的大量的系列水槽实验成果，分析了动量输运系数 随相对水深及滩槽宽度比的变化关系；最后根据获得的动量输运系数关系，利用 刘沛清方法计算复式河槽过流能力。v np r o o i j e n e t a l 。1 ( 2 0 0 5 ) 运用了有效涡粘性 系数的概念，建立了滩槽水流的动量交换模型。 在复式河槽中，由于滩槽交界面存在强烈的动量交换，使得复式河槽过流能 力降低。杨克君，曹叔尤u 坦1 ( 2 0 0 5 ) 为了反映动能损失的强度，针对恒定、均 匀、紊动水流，提出了横向动能校正系数和动能损失率的概念。通过分析复式河 槽动能损失的机理发现：在复式河槽中，横向动能校f 系数大于1 和动能损失率 大于0 。横向动能校正系数和动能损失率与复式断面形态有关。动能损失强度随 着主槽边坡系数的增大而减弱，随着滩槽宽度比的增大而增强。对称复式河槽的 动能损失大于非对称的复式河槽。对于所有断面形念，动能损失强度先随相对水 深的增加而增强，后又随着的相对水深的增加而减弱，最终表现出单一河槽的特 性。 刘沛清，冬俊瑞l 饷1 ( 1 9 9 5 ) 研究了复式断面渠道中均匀流的水力问题，揭 示了复式断面渠道中主河槽和滩地之间水流的动量传递机理，应用动量定理导出 了计算复式断面渠道中恒定均匀流的公式，并与实测资料吻合较好。 对于单一河槽，只存在垂向动量交换，而复式河槽既存在垂向交换也存在横 向的动量传递，主要是由于滩槽交互区紊动强烈程度不同，动量交换的强度也就 不同，这些紊动强度主要通过表观剪切力来反映出来。 在有植被的复式河槽的研究还是比较少的，河海大学的朱红钧、赵振兴、韩 璐4 门对有植被的河道水流的紊动性进行了模型试验，在复式断面河道滩地种植 柔性植被后，滩地糙率增大，水流紊动更为剧烈，河道水流紊动强度峰值由原先 的滩槽交界区转移到滩地区。滩地的水流紊动强度沿程递减；滩槽交界区的水流 紊动强度沿程不断增大；主槽的水流紊动强度主要与床面糙率有关，滩地植被影 响了滩地水流的归槽时间，使主槽水流流速沿程增大。 河海人学硕七学位论文 1 2 4 复式河槽的水流阻力特性研究现状 复式河槽的水流阻力主要是边界剪切力，尤其是滩槽交界面附近的边界剪切 力。由于滩槽的流速差异很大，就产生了明显的横向动量交换，从而在滩槽交互 区产生剪切层，在滩槽交界面上产生表观剪切应力。周直林钉认为由于滩地与 主槽水流之间存在着流速差，在掺混区产生动量的横向传递，导致该区的水流结 构不同于不受干扰区的水流结构，且具有如下几个特点：1 ) 存在一对斜副流；2 ) 紊动强度较强；3 ) 主槽的流速和边壁应力减小，而滩地则增大。同时，通过对 掺混区横向涡粘性系数的研究，首先建立掺混区清水的横向涡粘性系数，其次是 考虑悬沙对涡粘性系数的影响，从而得到掺混区挟沙水流横向涡粘性系数。陈长 英，张幸农( 2 0 0 4 ) 采用水槽清水试验研究复式断面水流流速的横向分布特 征、边界剪切应力变化规律以及水力参数对断面过流能力的影响，并得出了滩槽 流量分配计算式。r a i a r a t n a m & a h m a d i 1 ( 1 9 7 9 ) 等人在大量实验的基础上，认为 复式河槽边界剪切应力的分布是不均匀的，主槽剪切应力在主槽中心附近达到最 大值，向两侧逐渐减小，最终在两侧边壁附近达到最小值，滩地床面剪切力在滩 槽交界面起始位置达到最大值，其后逐渐减小，并最终达到一相对稳定的值。在 复式断面明渠中，由于存在滩槽水流动量的交换，改变了边界剪切应力的分布规 律，进而影响滩槽的阻力和输水能力。胡春宏，吉祖稳u 7 1 ( 1 9 9 9 ) 采用p r e s t o n 管问接测得复式断面明渠边界剪切应力，结合实测的剪切应力分布资料，通过与 矩形明渠边界剪切应力分布的对比，对复式断面边界剪切应力分布的特征进行了 分析，建立了滩槽平均边界剪切应力与水深的关系，为复式断面水流结构及输水 能力的研究打下了基础。李渭新“1 ( 2 0 0 1 ) 从s k m 方法出发，将二次流项归入 雷诺切应力项，并将主槽和滩地的流速分布曲线直接相接，推导出一套不需联立 求解系数方程组得满滩水流流速和床面切应力的计算公式。 k n i g h t & s h i o n o ( 1 9 9 6 ) ，m y e r s ( 1 9 7 5 ) ，谈立勤，陈长英7 8 9 2 1 ( 2 0 0 4 ) 等认 为复式河槽的边界剪切力与剪切力特性与水深的关系很大，随着水深的增加，主 槽和滩地的剪切力逐渐趋于均匀化，也就是说水深的增大使滩槽水流动量交换加 强，使滩槽水流紊动强度也逐渐趋于均匀化，在滩槽交界面附近，由于此区域的 动量交换最为强烈，这一带的剪切应力分布也就最不均匀：在主槽平衡区和滩地 平衡区，受滩槽动量交换的影嘴小，剪切力分布基本上是均匀的；无论滩槽光滑、 8 第一章绪论 粗糙与否，主槽的剪切应力百分比随着宽深比的增大而减小，滩地剪切应力百分 比都随着宽深比的增大而增加，并且当床面粗糙时，滩地剪切应力百分比随着 糙率的增大而增大。s h i o n o & k n i g h t 四1 ( 1 9 9 1 ) 依据力的平衡原理，求得了相邻水 体间的表观剪切力的表达式，并运用试验资料分析了表观剪切应力的横向分稚特 性。近年来，数学模型在漫滩水流研究中的运用，较好的揭示了漫滩水流的各种 水力因素的分布规律。张念强，曹志先圯伽( 2 0 0 6 ) 引用明渠横断面微元体沿河 流方向的n s 方程，并沿水深积分，得出模拟单一明渠和复式明渠断面平面流 场的模型，能够模拟垂线平均流速和边界剪切应力的横向分布。此模型具有较高 的精度，完全能满足实际工程的需求。但此模型只能应用于相对比较顺直的河流， 且水流波动现象不是很大的准恒定近似均匀流或弱非恒定流。章汉毅( 2 0 0 3 ) 等 通过量钢分析，建立了一种量钢比较和谐的表观剪切应力的表达式。o z b e k e t a l ( 2 0 0 3 ) 运用s e r c f c f 的实验资料分析了复式河槽不同分割面( 垂直、倾斜 与水平) 上表观剪切应力与主槽平均床面剪切应力的大小关系，并建立了分割面 上的d a r c y w e i s b a c h 阻力方程，探讨了其分割面上的d a r c y w e i s b a c h 阻力系数 的变化特点，进而获得了基于表观剪切应力的流量计算方法。 1 2 5 复式河槽的漫滩水流造床作用理论研究现状 冲积河流的河床形态是在长期的来水来沙条件作用下与边界条件相适应的 产物，河道具有自动调整的功能。针对不同的水沙和边界条件，冲积河流将朝一 定的趋向发展，最终结果是力求使来自上游的水沙能通过河段下泄，河流保持一 定的相对平衡，同时使河流体系内部的能量趋向于按照一定规律进行分配。冲积 河流的这种调整主要是通过挟沙水流与河床边界之间的物质交换作用来实现的， 这种交换作用表现为河床的冲淤过程，来水来沙变幅越大，河床冲淤越迅速，河 道的自动调节作用越强。 冲积河流的自动调整作用，作为较长时期的平均情况，有可能处于相对平衡 状态，在断面形态和纵断面与流域因素之间应该存在某种定量关系，这种定量关 系一般称为河相关系。 从流域特性取决于流域本身的概念出发，河流的断面形态和纵断面应该是流 域来水来沙情况的函数，河流的河相关系写成数学方程如下： 9 河海大学硕上学位论文 b = 石( q ，g ，功 、 厅= 石( 9 ，g ，d ) l ( 1 1 ) j = 五( q ，g ，d )i 其中，b 、办分别为河槽的水面宽、水深；，为河流的纵比降；q 为来自上 游的流量及其过程；g 为床沙质来量及其过程；d 为河槽的边界条件。 对于式( 1 1 ) 中的主变量可以通过水流和泥沙的运动规律，建立如下方程 组： 水流连续方程： q = 啷办 ( 1 2 ) 水流运动方程： u = 三矗2 佑，2 ( 1 3 ) 刀 水流挟沙力方程：s ：f ( 呈) m ( 1 4 ) g n m 式中：u 为断面平均流速：船为糙率系数；s 为悬移质中床沙质的含量；g 为重力加速度；匿、聊为系数与指数。 方程中包含四个未知数( 河宽、流速、比降、水深) ，还缺少一个方程才能 求解。这个缺少的方程以往都是通过经验公式得出，不具有普适性。现在有许多 河宽的经验公式，李保如通过这些公式推导出了比降公式。表l - 1 中列出了这些 经验公式。 表1 1 利用河宽经验公式与三个基本方程联立求解出的比降公式 r叫佗胛2 s 纠咖( g 彩) 引6 b = 口l q 届 与 j k 5 ，6 ”p 一崩) 7 2 基 塑：r 本 方 j 倒巧咒2 ( 警 l l 1 5 向 。 程 河 联 宽 譬 业r 玎2 0 川s 2 5 7 3 3 ( g 缈) 2 5 7 3 3 么5 川 经 求 j r 2 5 ，3 3 ”( ) 5 ，2 2 验 公 解 式b j的 百2 蟹 比 ，= 面疗2 ( 訾) 而 降 公 和 瑶治。玎。 式 ，= p 咄鬻裂舻r ” 1 0 第一章绪论 通过经验公式虽然也可以得出河床形态要素与流域因素之间的关系，但是以 河宽关系是经验性的，因而也不能改变整个方法的经验性质。 近年来，人们开始从能量分配、河床活动性最小和能耗最小原理等不同角度， 来考虑这个缺少的独立条件。 l2 5 1i 晦界起动假说 这个假说7 3 1 是针对河床边界由卵石和顽石组成的山区河流提出来的。李日 明、d ，b s i m o n s 和m a s t e v e n s 认为在一般的降雨情况下，自然流域上进入河流， 并自河流下泻的泥沙都属于冲泻质范畴，不参加造床作用，只有遇到较大的洪水 时，河床中的物质才会开始运动。由于一般水流情况下没有床沙质运动，相当于 清水运动，所以水流挟沙力方程可以忽略。只剩下两个方程，这样就需要另外的 两个独立条件才能求解。 李日明等就做了两个基本的假定，即：i 、在平滩流量下，河槽边界上各点 的泥沙均处于临界起动状态；i i 、床面颗粒的大小在短河段内沿程变化不大。 李同明基于这两个假定，结合山区河流曼宁糙率系数沿程可认为不变推导出四个 解： 玩口簖4 6 口鳞4 6 口q 6 u 口簖0 8 鼠口q n 2 4 口秽。4 6 j 口常数 u 口q 0 3 0 主槽满流情况( 1 5 ) 主槽非满流情况( 1 6 ) 由方程( 1 5 ) 、( 1 6 ) 可以看出，对于满流情况，河宽受流量的影响要比不 满流时大，这与下节的造床流量和平滩流量对河宽的影响趋势差不多。对水深、 流速和比降的影响程度也符合曼宁公式中各变量之间的影响关系。 这个假说只能适用于山区河流，黄河下游都属于平原河流，显然不能用于多 沙河流的计算。而且山区河流中卵石经过水流的分选作用而沿程细化，处于临界 起动状态的仅限于山区河流上游的极短的河段。 1 2 5 2 最小活动性假说 在给定的来水来沙条件和河床边界条件下，不同的河床断面具有不同的稳定 、，j、，r，j 河海大学硕士学位论文 性和活动性，而河床的冲淤变化过程中力求建立活动性最小的断面形态。河床的 这种变化趋势，可以称为河床的最小活动性假说。 实际生产活动中证明，这种最佳断面形态为窄深型断面。一般来说，河床的 活动性主要取决于三个方面： ( 1 ) 流量的相对变幅 口= q q ( 1 7 ) 式中，q 为年出现频率为2 的洪水流量的多年平均值；q 为多年平均值。 ( 2 ) 水流对床面的相对作用力 流速愈大，水流对床面的作用力愈强，水流的冲刷能力愈大，河床也就愈 不稳定。因此，水流对床面的作用力与床面对水流的抵抗力之间的对比关系可以 认为是河床活动性的指标之一。 6 - ( 去 2 ( 1 8 ) 式中，u 为断面平均流速， 为河床泥沙颗粒的i 卜动流速。 ( 3 ) 断面宽深比 河床越宽浅，其稳定性越差，能从河床中带走的泥沙就越多，活动性也就 越大。 窦国仁综合以上三个参数，认为河床的活动性指标应具如下的形式： k = 球爿删5 爿 9 ， 并采用悬移质挟沙力公式：s ：髟旦。其中，为悬移质泥沙的止动流速。 根据最小活动假说，则得：警乩或者鲁_ 0 ，或者等- 0 0 将其中任一公o uo n0 巧 式与三个基本方程联立就可以求解出河宽、水深、比降。 此假说考虑了来水来沙条件及其河床边界条件，比较全面地概括了流域因素 对河床形念的塑造影响。 第一章绪 论 川( 镨厂 川以门2 ( 糕 l 3 m 。， 脚剐f 警 i 3j g “o 。s ) 一 1 2 5 3 能耗最小原理 在力学和物理学中，有许多问题都是借助与“能耗最小原理”来解决的。不 少河流科研着把这个原理运用到河流中来。杨志达从深槽浅滩地貌、河流几何 形态、泥沙运动和冲积河流水力学等多方面论证，河流水力要素起主导作用的是 单位重量的水的能耗率。冲积河流将调整它的坡降和几何形态，在维持输沙平衡 的前提下，力求使这个能耗率区域当地具体条件允许的最小值。若取能量为水流 的势能h ，则：车：掣：车掣：叩：m i n d td td f ( 1 x 从熵的概念出发，熵的产生率维持最小，意味着各处的w 应维持最小。 张海