（水力学及河流动力学专业论文）枢纽下游河床冲刷变形规律研究.pdf

摘要 随着枢纽建设不断增速，枢纽坝下冲刷变形相关规律研究变得越来越迫切。更好 的预测枢纽建成后对河道的影响，是更好为工程建设和国民经济服务的先决条件。枢纽 坝下冲刷变形，影响因素众多，相互关系复杂，以前的研究受制于各方面条件，往往将 问题大大简化，只是考虑一两个参数的定向研究，建立估算公式，远不能满足现在工程 研究要求，理论上也无法形成统一体系。因此，开展枢纽坝下冲刷变形规律研究有很大 的现实意义及理论意义。 本文在对国内外有关文献进行综合分析的基础上，以水槽试验为主要手段，结合一 定的理论分析，着重探讨了枢纽清水下泄条件下下游推移质输沙率及其变化规律、极限 冲刷深度和水位变化等内容。本文所作工作及所得主要结论如下： ( 1 ) 参阅了国内外有关枢纽下游冲刷河床变形的文献资料，对枢纽下游河床变形的 研究理论及计算方法进行了综合评述。 ( 2 ) 总结了国内外已建的十余座水库下游，不同河床组成条件下的调整规律。统计 结果显示：极限冲刷深度一般不超过2 3 m ；比降变化较复杂，无明显规律；河宽变化 与河岸组成关系密切，展宽率一般不大；床沙粗化是清水冲刷所引起床沙调整的必然， 粗化既是冲刷的产物，反过来又制约冲刷，在河床调整中起支配性作用。 ( 3 ) 设计了详细的水槽试验方案，对不同床沙级配、不同水深条件、不同流速条件 进行组合水槽试验。测得了大量的试验数据，根据这些实测数据，对水槽床沙冲刷情况 进行了各种因素的影响比较和分析。 ( 4 ) 提出推移质输沙率变化分两个阶段，即稳定阶段和衰减阶段。提出可以预估河 段输沙量变化的估算公式，该公式可以预估河段任一断面和任一时刻推移质输沙量。 ( 5 ) 根据沙量守恒原理得到冲刷深度估算公式，式中包括悬移质和推移质两个部分。 由这两部分结合所得的公式，计算结果与实测资料吻合也良好。 ( 6 ) 通过水槽试验，论证了粗化层的三种类型，揭示了沙质河床粗化层厚度略大于 沙波高度的机理，即底流不稳定性和沙波非恒定性。根据沙量平衡原理，从理论上导出 了粗化层级配公式，并进行了验证计算。 最后，提出了还有待于进一步研究的问题以及模型试验的改进建议。 关键词：枢纽下游；冲刷：粗化；水槽实验：推移质输沙率；水位降落：预报方法 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fb u i l d i n gd a m s ，t h er e l a t i v ek e yt e c h n i q u e so fs c o u r i n ga tt h ed o w n r e a c ho fd a m sn e e dt ob es t u d i e di m m i n e n t l y i ft h ef o r e c a s tr e s u l t so ft h em a x i m u md e p t ho f s c o u r i n gi sm o r ea c c u r a t e i ti sp o s s i b l et op o s s i b l et os e r v i c ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o na n d n a t i o n a le c o n o m i c 、加t l lh i g h e rq u a l i t y t h e r ea r es e v e r a lf a c t o r sa f f e c t e dt ov a r i o u sc o n d i t i o n s t h ee s t i m a t i o nf o r m u l aw a sb u i l t 晰t hf e w e r p a r a m e t e r s a tp r e s e n t ，t h e r ea r em a n yr e s e a r c h m e t h o d st h a ti sf a rf r o ms a t i s f i e dt oe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n dh a sn o tf o r m e du n i t e d k n o w l e d g eo nt h e o r y s o ，t h i ss t u d yh a sr e a l i s t i cm e a n i n ga n dt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e o nb a s i so fa n a l y z i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld o c u m e n t s ，t h ea u t h o ro ft h i sp a p e r r e s e a r c h e st h er e l a t i v ek e yt e c h n i q u e so fs c o u r i n ga tt h ed o w nr e a c ho fd a m st h r o u g hf l u m e e x p e r i m e n tc o m b i n gt h e o r ya n a l y s i s t h ew o r ka n dm a i nc o n c l u s i o no ft h i sp a p e ra r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nc o l l e c t i o na n da n a l y s i so fr e l a t e dl i t e r a t u r e s ，i tw a ss u m m a r i z e dt h a tt h e r e l a t i v et h e o r ya n dc a l c u l a t i o nm e t h o do fs c o u r i n ga tt h ed o w nr e a c ho fd a m s ( 2 ) t om a k eac o n c l u s i o nb yt h ea n a l y s i so fl i t e r a t u r e sa th o m ea n da b r o a d ，i tw a s s u m m a r i z e dt h a ta d j u s t m e n to fr i v e r b e d ( i n c l u d i n gt h ea d j u s t m e n to fl o n g i t u d i n a ls e c t i o n ， r i v e rw i d t h , b e ds i l tc o m p o s i t i o na n dt h el i m i t e ds c o u rd e p t h ) a n dt h ef a l l i n go fw a t e rl e v e li n l o w e rr e a c h e so fs o m ei n t e r n a la n de x t e r n a lh y d r o - j u n c t i o n a n dt h er e l a t i o nb e t w e e n a d j u s t m e n to ff i v e r b e da n d t h ef a l l i n go fw a t e rl e v e lw a sa n a l y z e d ( 3 ) o nt h eb a s i so ft h i sm o u l dt e s t ，m u c ho fd a t ai so b t a i n e d t h i sp a p e rc o m p a r es o m e d i f f e r e n te f f e c t e dc o n d i t i o n so fc l e a rw a t e rs c o u r i n g ，a n dq u a n t i t a t i v ea n a l y z ei t sr u l eb yt h e s e t e s td a t a ( 4 ) i tw a so b s e r v e da n ds t u d i e dt h a tt h el o n g i t u d i n a ld e f o r m a t i o no fr i v e r b e d t h e e s t i m a t e df o r m u l a sf o rb e dl o a dd i s c h a r g ec h a n g e d 、j r i lt h ed u r a t i o no fs c o u r i n g ( 5 ) b a s e do nc o n s e r v a t i o np r i n c i p l eo fs e d i m e n ta m o u n t ，t h ee s t i m a t e df o r m u l a sw a s e s t a b l i s h e dw i t l lt h es c o u r i n gd e p t ho fr i v e r b e d t h ef o r m u l a si n v o l v es u s p e n d e dl o a da n db e d l o a d t h ec o m p u t e dr e s u l t sw e r ei nb e t t e ra g r e e m e n t 、析t ht h ee x p e r i m e n t a lo n e s ( 6 ) b a s e do nf l u m ee x p e r i m e n t ，i tw a sd i s c o v e r e dt h a tt h ea r m o rl a y e rh a dt h r e es p e c i e so f k i n d s b a s e do nc o n s e r v a t i o np r i n c i p l eo fs e d i m e n ta m o u n t ，g r a d i n gf o r m u l ao fa r m o rl a y e r w a sd e d u c e di n t h et h e o r ya n dw a sv a l i d a t e d a tl a s t ，t h ea u t h o ro ft h i sp a p e rp o i n t so u ts o m ep r o b l e m st ob es o l v e di nt h ef u t u r ea n d s u g g e s t i o n so fi m p r o v e m e n to ft h em o d e l t e s t k e y w o r d s ：a tt h ed o w nr e a c ho fd a m s ；s c o u r i n g ；a r m o r i n g ；f l u m ee x p e r i m e n t ；b e d l o a d t r a n s p o r tr a t e ；t h ef a l l i n go fw a t e rl e v e l ；f o r e c a s tm e t h o d i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 锄小其 日期：矽孵r 月御e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 钫j 壤 日期：矽，舻年厂月砷e l 导师签 易f i 艮日期彻俨月比日 第一章绪论 1 1 概述 我国幅员辽阔，江河、湖泊众多，流域面积1 0 0 平方公里及以上的河流有5 万多 条，河流总长达4 3 万公里。这些江河、湖泊蕴藏着极为丰富的水力、水运资源。随 着国民经济的飞速发展，国家对能源、交通的需求不断加大，开发利用这些水力、水 运资源就成为了支撑经济发展的重要部分。为了开发利用河流水资源，改变天然河流 的运行状态就是必不可少的手段，建设拦河枢纽是改变天然河流最彻底的一种。在河 流上兴建水电枢纽，上游形成水库，通过蓄水抬高上游水位，不仅可以获取发电效益， 而且可以达到淹没上游滩险，增加上游航道通航水深，改善通航条件的目的，是综合 利用水资源的一项重大举措n 1 。然而，水利枢纽的建成和运行，将改变河流的天然属 性，对其产生一定的影响心1 ，由于水库拦截大量泥沙，出库沙量锐减，甚至为清水， 下游河床输沙失去平衡，发生冲刷。水利枢纽下游河床变形和水位下降，一方面使航 运、工农业用水等受到影响；另一方面，由于电站水头的增加，发电效益逐年提高， 年发电量平均增加5 左右。上述情况表明，下游河床变形及水位下降有弊亦有利， 因此在进行水电枢纽通航建筑物设计时，要予以高度重视并采取工程措施将不利影响 降低至最低限度。 冲刷导致河床多方面调整，这些调整又从不同方面影响着和河床的冲刷和河床 变形，关系及其复杂口1 。在平原或丘陵地区河床为沙卵石的河流上兴建枢纽后，坝下 河床下切是必然的，而枢纽正常运行后下游河床冲刷及水位降落多少，是每个枢纽设 计中非常关切的问题。预测值偏小，可能导致船闸下闸首槛上水深不能满足设计要求； 预测的值偏大，将增大枢纽建设及运营费用。由于变化值的确定缺乏充分的科学论证， 往往因为考虑不够而造成影响航运的严重后果。目前对枢纽下游河床冲刷尚缺少良好 的方法进行分析、计算。开展坝下冲刷问题研究具有其其普遍性及复杂性，是历来枢 纽设计的难点和重点。 已建枢纽坝下河床下切，导致枯水期下闸首门槛水深不足的问题日见凸现，如葛 洲坝枢纽坝下枯水水位已下降约i o m 、汉江丹江口枢纽坝下水位下降1 6 4 m ( 黄家 港) 、赣江万安枢纽坝下水位下降1 4 m 、闽江水口枢纽设计流量下至2 0 0 4 年底下闸 首底槛己露出水面0 2 2 m 。由于枢纽下游的来水来沙条件发生根本改变，库下河床产 生适应新的来水来沙条件恢复平衡的再造过程，由此产生含沙量沿程恢复、河床冲刷 下切、水位下降尤其是枯水位下降、河床在冲刷过程中横向摆动随之航线亦不稳定等 物理图象，这种变化是长时间的，长距离的，给己有的航道整治工程带来很难预测的 影响。因此，开展枢纽下游清水冲刷河床变形研究，解决己建枢纽坝下冲刷的关键技 术问题，具有其现实性。 本研究旨在通过对已建枢纽下游的河床调整诸方面情况进行总结分析，找出其 可供参考的共性规律，建立一套能够合理预估坝下极限冲刷情况下诸参数的计算方 法。本项研究对于枢纽下游河道的防洪、护岸工程、航运、码头设置等均有现实意义。 1 2 国内外研究现状 水利枢纽下游的河床演变问题在国外的研究可追溯到上世纪的初叶，较早注意 坝下游水位降落问题的是e w l a n e 【4 】，对冲刷粗化现象较早在室内水槽中进行研究 的是a s h a r r i s o n 【5 j 和克诺罗兹【b c r r l o p o a 6 1 。而在我国主要是在建国后由于大规模 的水利建设工程实施后才逐渐受到重视。在枢纽下游河道冲刷和变形方面，我国已经 进行了大量的原型观测和分析研究，很多学者对枢纽下游的河床演变规律进行了分析 总结。其中有代表性的包括钱宁【7 1 、谢鉴衡f 8 9 j 、 尹学良【1 0 】等。后来，随着我国 水利建设的加速以及电子计算技术的进展，对此问题投入精力研究的人越来越多，韩 其为l i u 等人根据粗化机理，按床沙粗细取不同的粗化层厚度，提出了卵石夹沙和沙 质河床粗化及交换粗化计算方法。秦荣昱【1 2 - 1 4 从研究不均匀沙颗粒的起动输沙规律、 悬浮规律和沙波运动规律入手，根据试验和野外资料研究了卵石夹沙和粗细沙河床的 粗化机理、粗化过程的不恒定性和粗化层泥沙的水力特性，分别提出了以推移质冲刷 为主，形成稳定的不动的卵石夹沙粗化模式；以悬移质冲刷为主，形成稳定的沙波运 动的动态平衡模式和计算方法，同时对水位降落和单宽流量集中冲刷机理作了研究。 后人在前辈们研究的基础上，对粗化过程中的诸多要素进行了不同考虑，演化出了各 种不同出发点的河床冲刷粗化相关参数的计算模式。这些成果对于现在和将来的航道 整治都是值得借鉴的。 1 2 1 枢纽下游河床冲刷与粗化机理研究 秦荣昱n 朝认为，床沙粗化通常可分为卵石夹沙粗化和沙质河床粗化，卵石夹沙河 床经过洪水流量冲刷后，将形成稳定的抗冲粗化保护层，床面在没有更大流量冲刷的 情况下将保持稳定不动；而沙质河床则可动性大，在小于设计流量下也能可动输沙， 它不能形成输沙率为零的保护层，它的平衡以形成相对稳定的沙波运动为标志。冷魁 u 副提出，粗化是非均匀沙河床冲刷的产物，粗化层的形成可以大大减小河床的冲刷深 度。泥沙的起动输移过程又是床沙粗化的过程。非均匀沙颗粒的起动输移条件不仅决 定于水流强度，同时还与泥沙的级配及沙粒所处的环境有关，同样大小的颗粒在不同 的床沙环境中具有不同的起动条件n 引。胡海明n 7 1 的研究认为，河床冲刷粗化与床面性 质有关，沙质河床的冲刷粗化源于水流的分选作用和水流中运动泥沙与床沙的不等量 交换；卵石夹沙河床的冲刷粗化则是细颗粒被带走而粗颗粒停留下来的结果。河床粗 化使河床糙率有较大幅度的增加口引。宽级配河床受长期清水冲刷，粗颗粒的铺盖不需 要完整的一层，粗化过程即可完成嫡1 。永定河的调查结果表明，粗化颗粒所铺盖的面 积百分数约等于5 0 - - 8 5 口1 。 张俊勇、陈立h 踟通过分析丹江口建库后汉江中下游河道演变规律，认为在坝下游 河道演变研究中可引入地貌学研究的一个基本理论来辅助研究，即“空代时”假说。 该假说认为：在特定的环境条件下，对空间过程和对时间过程的研究是等价的；在缺 少绝对数量方法的情况下，有时可认为地貌空间集合体可代表地貌体的时间序列。他 2 们认为水库下游河流再造床过程本质上也是一种地表过程，“空代时假说 同样可以 在相当的范围内解释许多现象。 根据各家的研究结果显示，宽级配卵石夹沙河床的清水冲刷相对简单，粗化铺盖 层的形成也较易分析计算；相对的沙质河床的冲刷粗化则复杂得多，冲刷和粗化之间 存在相互制约的机制，其清水冲刷粗化终极平衡物理模式可归结为：( 1 ) 冲深河床， 增大水深，降低流速( 即冲刷能力) ；( 2 ) 使床沙粗化，增大床沙附加阻力，降低床 沙可悬浮性；( 3 ) 形成稳定沙波，增大床面( 沙波) 阻力。在冲刷粗化过程中，( 1 ) 为水流作用力，随冲深而减弱；( 2 ) 和( 3 ) 为床沙的总反作用力，随粗化而增强。 当两者趋于一致时，便建立了新的平衡，这种平衡是具有一定强度的推移质输沙率的 动平衡。 1 2 2 枢纽下游清水冲刷河床粗化有关参数研究 清水冲刷粗化有几个必须解决的问题，包括粗化层形成后的冲刷深度、粗化层级 配及其粗化过程的泥沙起动流速、输沙率及床沙级配的变化等。 1 2 2 1 清水冲刷粗化起动流速计算 现有冲刷粗化泥沙的起动流速计算公式是依据粗化现象本身的一些特点对非均 匀沙起动流速公式进行修正后得出的，在已有的研究中，多集中在对粗化后粗细沙暴 露度对泥沙起动的影响，即各不同粒径泥沙在不同床沙粗化程度影响下的起动概率的 研究。 非均匀沙在其运动过程中，大小颗粒影响十分强烈n 引。这种影响主要表现为粗细 颗粒之间的隐暴作用。目前，对非均匀沙床面的水流结构、粗细颗粒的排列及床面位 置等问题的认识还不很完善。泥沙颗粒间的隐暴作用是由于床面上颗粒的相互排列位 置变化而产生的，可以通过附加作用力、隐暴系数或暴露度等途径加以反映。群体颗 粒中具有一定隐暴度的颗粒与完全暴露的单颗粒区别在于另受一附加力作用。秦荣昱 n 4 3 认为，附加阻力与床沙组成、自然粗化和颗粒位置有关，并假定附加阻力与混合沙 平均剪力成比例。张启卫认为附加作用力跟沙粒有效重量、大颗粒泥沙在床沙中的 含量、大小颗粒的粒径之比成正比。两人分别得到了附加作用力的计算公式。许多研 究者认识到非均匀沙与均匀沙在受力、起动和输沙等方面的差别，从表面上来看引入 了不同含义的隐暴系数，实际上多数研究者将其作为一个常数，这不甚合理。还有一 些研究者注意到了非均匀沙床面的特点，用暴露度来反映粒间影响。韩其为等晗1 、船1 采用另一种暴露高度，他们假定暴露度为均匀分布，粒间影响通过对力臂的影响 来反映。方红卫瞳3 1 通过对非均匀沙不同组合情况暴露度的分析研究，用分组泥沙的平 均暴露度参与非均匀沙起动流速计算，得到了泥沙起动流速公式。拾兵等砼4 1 应用矢 量力学分析方法，探讨了任意面上处于隐蔽和暴露状态的泥沙颗粒的受力关系，建立 了非均匀沙起动流速矢量公式，但在区分隐蔽和暴露区时还存在一定不足。刘兴年和 陈远信砼5 1 进行了室内及野外暴露度实测，结果表明非均匀床面颗粒的暴露度并非均匀 分布，据此建立了非均匀沙平均暴露度与粒径的数量关系，并在起动概率及输沙率计 算中利用了这一成果。胡海明、李义天n 7 1 在他们的研究中对秦荣昱公式和谢鉴衡公式 分别进行了验算，并分析了两家公式计算结果偏差存在的原因，据此对秦荣昱公式进 行了修正，得到一个反映粗颗粒对细颗粒隐蔽作用的综合系数，并将结果应用于床沙 级配调整及水位降落计算中。冷魁n 民2 们的研究则着重于非均匀沙起动的过程中包括床 面沙粒级配、暴露度的分布特性及近底水流结构等均带有一定的不确定性这一现象， 认为非均匀沙起动是一种随机现象，通过对这种随机现象的随机分布研究，最后建立 非均匀沙的起动流速和起动概率计算公式，并运用其成果建立了冲刷粗化的系列计算 方法。何文社n 明通过研究提出了自己的糙率尺度计算公式，并建立了考虑水流脉动、 床面泥沙暴露度等要素的临界起动流速公式，它的公式包含了起动标准、相对隐暴度 及泥沙组成等相关参数。 对非均匀沙的起动，各家依据其不同的理论依据，建立了为数不少的计算公式， 但由于问题的复杂性，各家的公式计算结果出入很大，即使是其理论依据有些也互相 矛盾，各公式的使用范围受到很大的限制。 1 2 2 2 清水冲刷粗化输沙率计算 床面下切与粗化过程反映了坝下游河道通过水流条件和边界物质的改变进行动 态调整的两个侧面，并呈现逐渐衰减的趋势。这种动态衰减过程必然同时体现在非均 匀沙输沙率的变化上，即随着可动床沙不断冲刷，输沙率因粗化过程的发展而渐次 减小，直至床面形成粗化层时输沙率趋于稳定，这是冲刷粗化试验不难观察到的客 观现象。 毛继新心踟的研究是运用韩其为教授盥2 3 相对输沙率表示的起动标准推导出了以底 部流速表示的起动流速，建立了一个计算模型。刘兴年3 的研究针对的是粗化程度对 宽级配卵石推移质输沙率的影响，他通过理论推导及实验回归得到了一个粗化程度影 响参数，不同的粗化参数，其推移质输沙率不同，输沙率随粗化程度加大而减小。孙 志林啪1 认为由于床面各颗泥沙所处位置和所受作用流速的随机性，致使泥沙的起动 和输移带有一定随机性。在砂、卵石质河流坝下游冲刷粗化情况下，单位床面上可 动沙颗数和输移泥沙颗数表现为因时而变的随机过程，两者随着粗化过程的发展而 不断减少，类似于生物的灭绝过程，因而可动沙颗数和输移泥沙颗数可采用生灭过 程来加以研究。它的研究将推移质输沙率与非均匀沙起动概率联系起来，从理论上提 出了粗化过程中推移质随时间呈指数衰减的变化规律。王协康妇在水槽实验中发现， 清水冲刷推移质输沙率在前期变化较大，同时输沙率也较大，后期衰减很快，逐渐近 于稳定。 相对于粗化层及极限冲深来说，对于冲刷粗化推移质输沙率研究相对较少，不管 是理论研究还是实验研究均不很充分。 1 2 2 3 清水冲刷粗化层级配计算 稳定粗化层形成后，床面处于一种极限平衡状态，此时的水流和泥沙条件可看作 是非均匀沙的临界起动条件。对这一状态的研究，目前有两种观点，一种是将起动粒 4 径作为能够冲与不冲的分界粒径，不动部分可按原级配成比例放大( 尹学良一杨美卿 方法、秦荣昱方法) ；另一种是认为在输沙过程中( 特别是低输沙率) 会形成粗化， 而且各种粒径的级配变化不成比例( 韩其为、g e s s l e r 、刘兴年、沈学文、乐培九方 法。) 尹学良n 町认为，粗化层中粗颗粒部分就是在一定水流条件下水流冲不动的部分， 是粗化层的主体；细颗粒部分是受到粗颗粒掩蔽影响而遗留下来的。他根据最大冲刷 流速计算粗颗粒的临界粒径，然后算出粗化层中粗颗粒的级配。但是，该法不能计算 粒径小于临界粒径的级配。杨美卿口2 1 引用爱因斯坦掩蔽系数的概念完善了这个方法。 秦荣昱n 2 1 用临界粒径与最大粒径的比值来表示粗颗粒对细颗粒的掩蔽作用，得到了粗 化层级配的计算公式，临界粒径的计算公式由秦荣昱本人的不均匀沙起动流速公式确 定。韩其为1 将床沙粗化分为推移质冲刷粗化、悬移质冲刷粗化及交换粗化，建立了 不同的计算公式，他的公式的关键在计算冲刷百分数以，不同的冲刷类型他亦提供 了不同的计算方法。g e s s l e r b 3 1 通过一系列的水槽实验，认为拖曳力的脉动值服从正 态分布，从而建立了泥沙停留在床面的不动概率，依据不动概率公式建立了粗化层级 配计算公式。沈学文3 在g e s s l e r 的研究的基础上，引用爱因斯坦掩蔽系数的概念惭 3 7 l ，得到适合粗化层情况的掩蔽系数，并改进了g e s s l e r 的不动概率计算公式。刘兴 年啪3 认为g e s s l e r 理论中关于剪力脉动服从正态分布的观点值得商榷，他采用流速脉 动服从正态分布导出了不动概率计算公式，与g e s s l e r 方法相同，刘把粗化过程看成 一种起动问题，认为所有表层床沙处于临界起动状态，得到了粗化层级配，刘兴年还 得出结论，认为只要级配足够宽且连续，则粗化后，无论原始床沙级配如何，粗化层 级配均为同一分布，其参数由水流条件决定。乐培九口钔根据沙量守恒原理，建立了分 级泥沙重量百分数来计算粗化层级配计算模式，它的计算方法是将冲刷粗化过程分层 分时段来计算的，能够得到计算中间过程的每一步的床沙级配。许全喜等h 0 1 和孙志林 h 提出了以泥沙起动概率为核心的粗化层级配预报模式，何文社等n 叫基于最大起动颗 粒的分析，建立了仅依赖床沙初始级配及其初始水流条件的粗化层级计算式。 陆永军h 2 3 引用大量水槽及实测资料分别运用前六家的粗化层级配计算公式进行 了检验计算。得到的结果是，尹一杨方法及秦荣昱方法计算值偏离实测值较大，不能 完全反映实测粗化层级配。韩其为方法偏离值较尹一杨及秦方法为小，根据s a n l u i s 河流及汉江资料计算的结果，韩的方法是六家中最好的。g e s s l e r 及刘兴年未考虑细 颗粒受粗颗粒的掩蔽作用及床面附近的稳定情况，他们两家的计算结果也不能让人满 意。沈学文方法公式建立的适用范围较小，在满足公式适用条件的情况下精度较好， 否则偏离值还是较大的。刘兴年的关于只要级配足够宽，粗化后级配相同，其参数由 水流条件决定的观点，在计算中发现是不恰当的，在同一水流条件下，粗化级配相差 2 0 - - 4 0 ，并不服从同一分布。 粗化层厚度的研究也是粗化层研究的重要问题之一，但现有研究成果并不理想， 目前确定粗化层厚度的方法多为经验性取值，如美国垦务局h 驯、韩其为n 等，或半经 验半计算如尹学良n 们和谢鉴衡呻9 1 等。秦荣昱n 2 叫4 1 提出了动力平衡计算法，同时考虑 水流与床沙粗化过程的相互作用，相对较好。乐培九啪1 根据水槽实验结果得潦粗化层 厚度略大于沙波高度的结论。 历来对于粗化层的研究就是冲刷粗化研究的重点，除了粗化层计算公式及粗化层 厚度的研究，还有不少学者研究粗化层形成的其他方面。孙志林h 嵋就通过实验研究， 建立了糨化层形成与破坏的l 隆界水力条件计算公式。胡海碉a 7 - 通过研究总结出褪化层 形成的流速条件。刘金梅融铂通过实验和理论计算讨论了近底湍流对粗化输沙及粗化层 的影响等等。清水冲刷粗化是一个十分复杂的问题，其影响要素众多，而且相互之间 的关系复杂，稳定粗化层的级配及厚度均是解决粗化计算的关键问题之一，对其的研 究还需更加深入。 1 2 2 4 清水冲刷粗化极限冲刷深度计算 对于极限冲刷深度的计算，大多依据冲刷粗化层级配或非均匀沙起动流速及起动 概率来进行计算。尹学良珏懿的河床极限冲剁深度计算公式就是依据粗他层厚度来计 算。韩其为3 根据不能再冲刷时的无因次输沙率及相应的平均流速( 起动流速) 来计 算极限冲刷深度。谢鉴衡随1 建立了多步模式主要解决冲刷深度的计算问题。早期的极 限冲刷深度计算均存在不足，尹学良公式存在的主要问题是未考虑颗粒问相嚣作用郎 掩蔽一暴露作用，谢鉴衡公式则将糨化层级配和冲刷深度分开考虑，难以充分反映冲 刷引起床面物质粗化而粗化反过来限制床面进一步冲刷的相互联系和制约关系。为此， 后来的研究者( 冷魁n 5 滞1 、陆永军m 1 、许全喜、孙志林m 1 、胡海明n7 1 、乐培九口町 等) 多设想以非均匀沙分级起动公式为基础，根据床面活动层沙量平衡关系来建立能 同时预报粗化级配和冲刷深度的多步模式，使之能体现冲刷与粗化的相互关系。由于 床面冲刷形成粗化层是一个长时间的过程，不可能一蹴而就，随着粗化的发展，床 面活动层级配不断发生变化，水流条件也会有所改变，需要随时在计算中加以调整， 因焉在能们的计算模式中均将粗化过程分成一系列时闻步，采用多步模式来加以预 报。考虑到粗化过程中床面活动层内级配逐渐变化并使活动层不断向下发展，即底部 高程渐次下降，但活动层厚度不致明显变化，故假设每一计算步中只改变床面活动层 级配和商程丽活动层厚度保持不变，即床面活动层内每步冲刷掉的沙量由等量的下 垫原始床沙来补充。对于这种计算模式，现在的研究者基本达成共识。 对于极限冲刷深度的研究在作者看来，关键在判断那里是极限，能有一个明确的 判断冲刷极限的指标，则采用一个合理的冲刷计算模型就能很好的完成极限冲刷深度 的估算。 1 2 3 清水冲刷粗化后水位降落计算 水位降落除与冲刷深度和粗化层级配有关外，还与冲刷范围、河床阻力( 沙质河 床还有沙波阻力) 和平衡比降等因素有关珏副，机理甚为复杂。 胡海明n 7 3 在建立河床冲刷粗纯计算模型时，分别建立了考虑水位降落和不考虑水 位降落两种计算模式，考虑水位降落的方法是，采用一维恒定非均匀流的运动方程， 6 对其进行有限差分来计算。冷魁嘶1 对于水位降落的计算方法是假定水位降落与河床冲 深间是一线性关系，然后通过实测资料确定线性比例。许全喜h 0 1 根据文献 4 5 的分析 研究认为，河床下切要比水位下降快而且幅度大得多，在一次计算中可认为水位基本 保持不变。乐培九呻1 针对水位降落的问题进行了专门的调查研究，认为坝下水位变化 是诸多因素综合作用的结果，如河床下切可使水位下降，而河床粗化使阻力增大，导 致水深增加，又可抵消水位下降；河床展宽使水深减小，而比降调平又可使水深增加， 因此坝下水位变化是河床调整的综合效应，而河床调整又受诸多因素影响，需做具体 分析。王荣新等h 刀研究丹江口水库坝下游沿程z q 关系发现，丹江口水库建库前后， 水位流量关系存在两个特点：1 、随着沿程清水冲刷和相对平衡的发展，坝下游河道 沿程各站的z q 关系曲线也由绳套形向单一线转变，当河段悬移质和推移质冲刷都 达到相对平衡后，则z q 关系曲线变成一条稳定的单一曲线。2 、在坝下游冲刷河道 内，沿程各站建库前、后的z - - - , q 关系曲线相比，都存在着一个两曲线相交的临界水位 值。 从以上研究可看出，由于问题的复杂性，对水位降落的研究，还是很欠缺的，不 但研究的人少，且还只有一个定性的结论，并无一个可应用的成果。 1 3 研究存在的问题 坝下清水冲刷粗化计算经过大半个世纪的研究和完善，目前关于冲刷与粗化问题 有关的研究还是有不少成果的，但由于对非均匀沙起动本身研究的局限性，以及粗化 对非均匀沙起动的影响也是很复杂的问题，现在的研究还没有形成一个基本统一的结 论，还只是各家依据各自掌握资料建立的不同情况的冲刷粗化研究成果，仍有不少不 足之处，主要有以下几个方面。 ( 1 ) 在冲刷粗化的研究中，不少研究者是在借用均匀沙公式或理论来处理非均 匀沙冲刷粗化的问题，并未真正研究不均匀沙的起动输移规律。 ( 2 ) 清水冲刷粗化研究较多，有输沙补给的粗化即自然粗化研究较少。 ( 3 ) 卵石夹沙粗化研究较多，认识也基本一致，沙质粗化研究较少。 ( 4 ) 冲刷与粗化涉及的各参数概念上没有统一认识，各家多有自己不同的解释。 1 4 本文研究内容 1 4 1 研究目的及方法 本文的主要研究目的是通过分析现有枢纽建成运用后，下游河床演变规律和演变 趋势，预测枢纽坝下极限冲刷深度、粗化层级配、推移质输沙率等。研究过程中将采 用资料分析、理论分析等方法对水库下游河床变形情况进行总结；通过概化水槽试验， 进一步认识清水冲刷非均匀沙粗化；依据水槽试验成果及分析推理，建立对部分参数 的估算公式，并运用水槽试验资料验证估算公式。 7 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 统计分析已建枢纽下游河床变形情况； ( 2 ) 进行概化水槽试验； ( 3 ) 通过理论推导及水槽试验成果建立河床变形部分参数估算公式； ( 4 ) 运用水槽试验资料检验计算公式。 第二章枢纽下游河床调整过程 在天然河流上修建枢纽后，泥沙在水库内淤积，出库沙量锐减，甚至为清水下泄， 下游河床输沙失去平衡，发生冲刷。下游河床的冲刷调整，包括河床下切、比降调整、 河宽及断面形态变化、床沙级配调整等。 建国后，大规模的水利建设工程实施后，枢纽下游河床变形问题日益显露，水利 枢纽下游河床演变逐渐受到重视。在枢纽下游河道冲刷和变形方面，我国进行了大量 的原型观测和分析研究，很多学者对枢纽下游的河床演变规律进行了分析总结。本章 将分别就枢纽下游河床变形的实测资料进行汇总和分析。 2 1 纵剖面调整 从已建枢纽的观测资料来看，在清水冲刷的条件下，水利枢纽下游河床发生自上 而下的冲刷是一个普遍的现象。冲刷造成的纵剖面调整包括两个方面，即断面冲深和 长河段比降调整。 2 1 。1 河床底高程调整 水库下泄清水后，下游河道将发生冲刷下切。由于运动泥沙和床沙沿程发生交换， 冲刷所涉及的距离往往很长，而且随着上游粗化细沙补给量减少，冲刷还不断向下游 发展。在河床冲刷下切过程中，如果遇到局部侵蚀基面的影响，冲刷就要受到限制。 侵蚀基面可以有各种不同形式，如海平面、湖泊和水库，干流的顶托，支流在干流的 堆积物，河床局部地形隆起等等。 河床冲刷速率靠近坝下在建库初期最大，以后逐渐放缓，直至趋于停止；远离大 坝冲刷滞后，且速率较缓，持续时间很长。下面是一些已建枢纽的实测资料统计实例。 ( 1 ) 美国水库下游 w i l l i a m s 和w o l m a n 5 2 】【5 3 】统计美国2 1 座水库下游河道冲刷情况，绝对冲刷深度一 般并不很大，图2 1 为9 座水库坝下不远处河床冲深随时间的变化，由图可见，即使 在冲刷最强烈河段，断面冲深一般不超过2 - - - 3 m ，最大的也不过7 m 。 ；圈臣圈e 骂 ；圈臣圈 圉 ；圈圈阐 图2 1坝下游河段冲刷深度随时间的变化 i 甥焉卑骨 9 官厅水库建成后至1 9 5 6 年1 0 月深槽 剖面的变化如图2 2 ，由图可见，沿程深 槽冲深1 7 - 3 3 m ，最大冲深在鹅房附近 约3 3 m 。 ( 3 ) 丹江口水库下游 丹江口水库下游河道从1 9 6 0 - - 1 9 7 8 年( 泽口以上) 及1 9 6 9 - - 1 9 8 4 年( 泽口 以下) 平均冲刷深度如表2 1 。由表2 1 可见，黄家港至光化冲刷最深，已形成抗 冲覆盖层：泽口至汉川1 9 6 9 1 9 7 7 年为 淤积，1 9 7 7 - - 1 9 8 4 年转为冲刷，两者相抵 后，1 9 6 9 - - - , 1 9 8 4 年冲深约1 m 左右；其他图2 2 芦沟桥以下永定河深槽纵剖面图 河段冲深约0 5 1 5 m ，平均约l m 左右。表中还可看出，在同一时段冲深沿程减小， 下游发生淤积；下游河段先淤后冲，冲刷滞后；宜城以下中、细沙、覆盖层厚，冲刷 幅度转而增大，冲刷速率也大。 表2 1丹江口水库下游各河段冲刷深度瞪8 1单位：m 吐段逦段独显9 涯廑吐段纽殷独刷途度 1 2 鱼q = ! 1 2 墨董塞鲞= 堂些至：生墨! 堑墨= ! 里1 2量旦= 地拯：2 ：! q 1 9 6 0 1 9 7 8 光化太平店 1 0 31 9 6 8 1 9 7 7 仙桃汉川 1 6 l 1 9 6 0 - - - - 1 9 7 8 太平店茨河 0 9 91 9 7 7 1 9 8 4 泽口岳口 2 1 4 1 9 6 0 1 9 7 8 茨河襄阳 0 7 61 9 7 7 1 9 8 4 岳口仙桃 2 4 5 注：表中冲刷深度一栏中，正为冲，负为淤。 ( 4 ) 万安水库下游 万安水库坝下2 0 k m 范围内，从大断面测图套绘资料可以看出，近坝段冲刷强烈， 1 9 8 4 年1 月至1 9 9 6 年1 1 月坝下1 9 k m 处断面平均冲深2 o l m ，其中深槽平均冲深 1 7 7 m ，边滩冲深大于深槽，最大冲深2 3 4 m ，在相同边界和河床组成 ( 沙质) 的下游距大坝5 8 k m 处断面仅冲深0 2 5 m ，汇流附近河床变化复杂，时淤时 冲，受干、支流水文条件影响较大。 从水库运用阶段看，1 9 8 4 - - - , 1 9 9 2 全段以冲为主，只有汇流口断面为淤；1 9 9 2 , - - , 1 9 9 6 近坝段继续冲刷，其余河段以淤为主；1 9 8 4 - - 1 9 9 6 近坝段形成冲刷深坑，其余 河段微冲，见图2 3 。 综上所述，水库下游河床自然下切深度是有限的，即使是冲刷最强烈的河段，断 面冲深一般也只是2 - - 3 m ，美国科罗拉多河上的格伦峡谷建坝1 0 年后坝下1 6 k i n 处 最大冲深也不过7 m 左右，当然水量更大河流的资料未见报道。 l o 1 o 目 嫠0 0 稻 是一1 0 2 o 一3 0 051 01 5 2 0 坝下距离( k m ) 图2 3 万安水库下游河床沿程冲淤厚度 2 1 2 比降调整 水库下泄清水后，下游河道调整的总方向是降低河槽的挟沙能力，使之与上游来 沙大幅度减少相适应。j h m a c k i n 的“平衡河流 概念认为，调平比降是调整挟沙 能力最有效途径。事实则不然，水库下游比降调平一般并不明显，在坝下卵石和沙质 河床交界段甚至出现比降变陡的情况，挟沙能力减小主要是通过床沙粗化，河床阻力 ( 包括沙波阻力) 增大，流速减小来实现；当然也有通过比降调平和床沙粗化两重作 用共同实现。下面用实测资料来具体说明比降调整情况。 ( 1 ) 胡佛坝、派克坝及帝国坝下游 钱宁m 3 分析了美国科罗拉多河自上而下的胡佛坝、派克坝及帝国坝下游河床纵剖面 的变化，指出胡佛坝坝址所在区表层为细沙，d = 0 1 8 r a m ，下层有一层卵石层，d s o = 4 2 m m ， 砂层在坝址附近较薄，愈向下游愈厚。水库下泄清水后，砂层冲失，卵石层露头，露 头自上( 游) 而下逐渐发展，因而河床坡降逐渐加大，至 g 噩噩恿圆 羹冀匪噩瑶强翻 琴里盈理蕊丑噩珏口 2 5 | ! 型墅塑堡堡! i ! ：! 至! ! ! 垒里liil 王l 1 饕3 63 7 秘鞠4 04 14 24 3 “5 拈7 柚95 0i 豇 图2 。4 胡佛坝下游各不同河段的 坡降历年变化过程 蓦薹匪匪噩噩薹薹弱 篓匪匪旺珏基基圈 薹匪匪匪匪藿圈 1 9 3 73 8 3 94 0 4 14 2 4 34 44 54 6t 74 84 95 01 9 5 1 年僚 图2 5 派克坝下游各不同河段的 坡降历年变化过程 1 9 4 0 年左右，近坝段2 0 k m 的河段卵石层已全部出露，冲刷终止，坡降不再改变，见 图2 4 ( a ) ；距坝2 0 3 , - - , 4 2 3 k m 河段，卵石层出露在1 9 4 0 年以后，此前该段坡降基 本不变，此后坡降逐渐加陡，如图2 4 ( b ) ；距坝4 2 3 - - 一1 0 6 k m 河段坡度看不出什么 变化，如图2 4 ( c ) ；最下游一个河段距坝1 5 8 4 - - - 1 7 6 k m 处为宽谷河段，来自上游 的泥沙在那里大量堆积，坡降逐渐调平，如图2 4 ( e ) ；图2 4 ( d ) 为冲刷段向堆积 段过渡，坡降自然变得更平。 派克坝坝下1 6 8 k m 以上，坡降基本没有什么变化，1 6 8 k m 以下进入帝国坝的壅水 段，见图2 5 。帝国坝下游由于支流吉拉河的汇入，部分水量他引，以及沿程河宽的 变化，坡降变化比较复杂，坝址附近变化不大，再往下游，2 5 2 - - 3 7 k m 河段1 2 年中 坡降减小了2 0 ；距坝址3 7 - - 一5 1 k m 河段转趋变陡；5 1 7 6 6 k m 河坡降又恢复不变。 ( 2 ) 官厅水库下游 我国永定河官厅水库嘞1 坝下o 一- - 1 3 5 k m ( 大宁) 为卵石夹沙河段