（水力学及河流动力学专业论文）高含沙水流模拟的几个关键技术问题研究.pdf

摘要 摘要 通过分析实测资料，研究了挟沙力、综合糙率系数、断面变形规律， 以及恢复饱和系数等高含沙水流模拟的几个关键技术问题，得到如下认 识。 ( 1 ) 避开高含沙水流挟沙力复杂的物理概念，通过分析前人的研究成果和 实测资料，认为水流挟沙力的影响因素主要有含沙量、流速、温度、中值粒径 以及泥沙颗粒的非均匀系数，并且存在临界含沙量( 约为7 0 k g m 3 ) ，高于该含 沙量与低于该含沙量时各因素对水流输沙能力的影响效果不一定相同。进一步 建立了计算水流挟沙力的b p 网络模型，通过检验，符合程度较高，预测误差远 小于一般水流挟沙力公式的计算误差。 ( 2 ) 挟沙水流的综合糙率系数与流量、水位的相关关系较差：与含沙量的 相关关系较好，并且综合糙率系数随着含沙量的增加先减小后增加；与佛氏数 的相关关系最好，在天然河道中可以根据佛氏数计算糙率系数。影响高含沙水 流糙率系数的因素主要有床沙组成、含沙量及水流佛氏数，以三个影响因素为 输入因子，综合糙率系数为输出变量，建立了b p 网络模型，实践表明该模型是 可以用于计算糙率系数的，其计算精度明显优于公式( 3 - 1 6 ) ，公式( 3 - 1 6 ) 的 计算精度略优于张红武公式。目前来说，这三种计算方法是计算挟沙水流综合 糙率系数比较理想的方法。 ( 3 ) 断面各测点流速与水深基本成正比关系，但在数学模型计算时需要适 当修正；含沙量沿断面的横向分布仍可用张红武公式计算，只是系数不再为定 值，而是含沙量的函数，系数随含沙量的增加而增大，可根据式( 4 - 3 ) 计算系 数a ，；断面测点泥沙中值粒径与测点含沙量成正比。 ( 4 ) 断面主槽面积和断面宽深比的变化既与来水来沙条件有关，又与边界 条件有关。只有在边界条件变化不大的条件下，主槽面积与河相关系才与水沙 条件有良好的关系。所以目前的一些只与水沙条件有关的控制河宽或河相关系 的经验公式在运用时需要慎重。通过分析实测断面资料，以及对渭河及三门峡 库区物理模型试验时的适时地形变化观测，定性认为对冲积河流的冲淤量沿横 断面的分布是尽最适应来水来沙条件的变化，并提出了发生冲淤时断面变化规 律以及模拟河道展宽的方法。 ( 5 ) 通过分析认为可以假定河底含沙量与垂线平均含沙量的比值是垂线平 均含沙量的函数，即式( 5 - 1 0 ) 及式( 5 1 1 ) ，从而推导出新的河床变形方程， 该方程符合泥沙运动力学的基本理论。通过刘新的河床变形方程的探讨，发现 一般意义上的恢复饱和系数实际上是一个综合参数，而不再是河底含沙量与垂 线平均含沙量的比值，可以取远小于l 的值。 这些研究成果可以用来改进泥沙数学模型，以提高高含沙水流数学模型的 模拟精度。 关键词：高含沙水流，挟沙力，糙率，断面，恢复饱和系数 a b s t r a c t a b s t r a c t b ya n a l y z i n go b s e r v e dd a t a ，s o m ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m s i nm o d e l i n go f h y p e r c o n c e n t r a t e df l o w sa r es t u d i e d t h e s ep r o b l e m si n c l u d et h es e d i m e n t c a r r y i n g c a p a c i t y ，i n t e g r a t e dr o u g h n e s sc o e f f i c i e n t ，c r o s s s e c t i o nd e f o r m a t i o na n dr e c o v e r y s a t u r a t i o nt o e f f i e i e n t ，e t e t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r ea b s t r a c t e da s f o l l o w s ( 1 ) t h ee x i s t i n gs t u d i e s a n do b s e r v e dd a t as h o wt h a tt h ei m p o r t a n tf a c t o r s a f f e c t i n gt h es e d i m e n t c a r r y i n gc a p a c i t yi n c l u d et h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n ，f l o w v e l o c i t y ，t e m p e r a t u r e ，m e d i a nd i a m e t e ra n dh e t e r o g e n e o u sf a c t o ro fs e d i m e n tg r a i n s t h ei n f l u e n c i n ge f f e c to ft h e s ef a c t o r so nt h es e d i m e n t c a r r y i n gc a p a c i t yi sp r o b a b l y n o tt h es a m ei ft h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o ni nt h ef l o wi sh i g h e ro rl o w e rt h a na c e r t a i nv a l u e t h i sc e r t a i nv a l u ei s7 0 k g m 3o rs o ，w h i c hi sc a l l e da st h ec r i t i c a l s e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n b e s i d e s ，am o d e lb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k si sd e v e l o p e d t oc a l c u l a t et h es e d i m e n t c a r r y i n gc a p a c i t y t h ec a l c u l a t e dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e m o d e lh a sag o o da b i l i t yt oe s t i m a t et h es e d i m e n t - c a r r y i n gc a p a c i t y ( 2 ) t h ei n t e g r a t e dr o u g h n e s sc o e f f i c i e n to ft h es e d i m e n t l a d e nf l o wh a sas t r o n g r e l a t i o nw i t ht h ef r o u d en u m b e ra n dc a nb ec a l c u l a t e di ft h ef r o u d en u m b e ri sg i v e n i ta l s oh a sag o o dr e l a t i o nw i t hs e d i m e n tc o n c e n t r a t i o na n de x h i b i t si n c r e a s i n gf i r s t a n dt h e nd e c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e a s eo fc o n c e n t r a t i o n h o w e v e r ，i th a sab a dr e l a t i o n w i t ht h ef l o wd i s c h a r g ea n dw a t e rl e v e l t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ei n t e g r a t e d r o u g h n e s s c o e f f i c i e n to ft h e h y p e r c o n c e n t r a t e df l o w i n c l u d et h es e d i m e n t c o n c e n t r a t i o n ，b e dm a t e r i a lg r a d a t i o na n df r o u d en u m b e r b yt a k i n gt h e s et h r e e a f f e c t i n gf a c t o r sa st h ei n p u tv a r i a b l e sa n dt h ei n t e g r a t e dr o u g h n e s sc o e f f i c i e n ta st h e o u t p u tv a r i a b l e ，am o d e lb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k si sd e v e l o p e d t h ea p p l i c a t i o n s s h o wt h a tt h ep r e s e n tm o d e lc a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h ei n t e g r a t e dr o u g h n e s sw i t ha h i g ha c c u r a c y a b s t r a c t ( 3 ) t h o u g ht h ed e p t h - a v e r a g e dv e l o c i t yh a sad i r e c tp r o p o r t i o nt ot h ef l o wd e p t h ， i tn e e d st ob em o d i f i e di fi ti su s e di nam a t h e m a t i c a im o d e l t h el a t e r a ld i s t r i b u t i o n o fs e d i m e n tc o n c e n t r a t i o ni nac r o s ss e c t i o nc a nb ec a l c u l a t e db yz h a n gh o n g w u s f o r m u l a h o w e v e r ，t h ec o e f f i c i e n ti nt h ef o r m u l ai sn o taf i x e dv a l u ea n ym o r e ，b u t i n c r e a s e sw i t ht h ei n e r e a s eo ft h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n t h em e d i a nd i a m e t e ro f s e d i m e n tg r a i n so n as a m p l i n gp o i n th a sad i r e c tp r o p o r t i o nt ot h es e d i m e n t c o n c e n t r a t i o n ( 4 ) t h ev a r i a t i o n so ft h em a i nc h a n n e la r e aa n dw i d t h t o d e p t hr a t i oo fac r o s s s e c t i o na r er e l a t e dn o to n l yw i t ht h ef l o wa n ds e d i m e n tc o n d i t i o nb u ta l s ow i t ht h e b o u n d a r yc o n d i t i o n t h em a i nc h a n n e la r e aa n dc h a n n e lm o r p h o l o g yh a v eag o o d r e l a t i o nw i t ht h ef l o wa n ds e d i m e n tc o n d i t i o ni ft h eb o u n d a r yc o n d i t i o nc h a n g e so n l y i nas l i g h te x t e n t t h e r e f o r e ，t h ee x i s t i n ge m p i r i c a lf o r m u l a eb a s e do nt h ef l o wa n d s e d i m e n tc o n d i t i o ns h o u l db ec a u t i o u s l yu s e dt os i m u l a t et h ec h a n g eo fr i v e rw i d t ho r m o r p h o l o g y b ya n a l y z i n gf i e l dd a t aa n do b s e r v a t i o n so fp h y s i c a lm o d e l so ft h e l o w e rw e i h er i v e ra n ds a n m e n x i ar e s e r v o i r ，t h ea l l o c a t i o no ft h ee r o s i o no r d e p o s i t i o nm a t e r i a l sa l o n gt h ew e t t e db o u n d a r yo fac r o s ss e c t i o ns h o u l da d a p tt ot h e i n c o m i n gf l o wa n ds e d i m e n ta sm u c ha sp o s s i b l e i na d d i t i o n ，t h em e t h o d st om o d i f y t h ec r o s ss e c t i o na n dt os i m u l a t et h ew i d e n i n go fac r o s ss e c t i o na r ep u tf o r w a r d ( 5 ) b ya s s u m i n gt h a tt h er a t i oo ft h eb o t t o ms e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nt o t h e d e p t h - a v e r a g e dc o n c e n t r a t i o ni saf u n c t i o no ft h ed e p t h a v e r a g e dc o n c e n t r a t i o n ，a n e we q u a t i o ni sd e d u c e dt o e x p r e s st h ec h a n n e lb e dv a r i a t i o n t h en e we q u a t i o n c l e a r l ys h o w st h a tt h er e c o v e r ys a t u r a t i o nc o e f f i c i e n ti sn o tt h er a t i oo ft h eb o t t o m c o n c e n t r a t i o nt ot h ed e p t h - a v e r a g e dc o n c e n t r a t i o n ，b u tac o m p r e h e n s i v ec o e f f i c i e n t ， a n di tc o u l db ef a rl e s st h a no n e i ti se x p e c t e dt h a tt h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t sc o u l db eu s e dt oi m p r o v et h ea b i l i t yo f t h en u m e r i c a lm o d e l st os i m u l a t et h eh y p e r - c o n c e n t r a t e df l o w k e y w o r d s ：h y p e r - c o n c e n t r a t e df l o w ；s e d i m e n t - c a r r y i n gc a p a c i t y ；r o u g h n e s s ；c r o s s s e c t i o n ；r e c o v e r ys a t u r a t i o nc o e f f i c i e n t 独创性声明 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果， 论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论 文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国水利水电 科学研究院或其它教育机构的学位或证书等而使用过的材料。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 年月曰 中国水利水电科学研究院学位论文 第一章绪论 数学模型是对物理现象研究的升华，同时受到应用数学和计算手段的限制。随着泥 沙运动理论和河床演变理论的形成和发展，2 0 世纪中期泥沙数学模型得到初步的研究和 应用，真正得到发展和深化是在7 0 年代之后，韩其为将非均匀沙不平衡输沙理论引入到 数学模型中，引导了现代泥沙数学模型的研究，大量的模型相继出现，从不同的角度对 模型进行完善和发展，如淤积物干容重、糙率、挟沙力、分组挟沙力、挟沙力级配、恢 复饱和系数等。从一维模型到二维模型，甚至到三维模型。近1 0 多年来，泥沙数学模型 得到广泛的应用，应用领域包括水库和河道泥沙问题，河口及港口泥沙问题，航道及引 航道泥沙问题。一维泥沙数学模型相对于二维、三维模型运算量要小得多，研究大时空 的泥沙问题时显示了很大的优越性。并且能够比较灵活地对一些概念性问题做出相应的 处理，这些概念性问题有时没有明确的数学表达，如河段冲淤量的纵向和横向分配同题， 冲刷过程的边滩坍塌扩槽问题，冲刷粗化问题等。所以，从应用的角度来讲，除非很有 必要，一般首选一维模型。 一维泥沙数学模型，虽然经过2 0 多年众多学者、专家的研究、发展和应用，但是仍 然存在很多有待完善和提高的地方，特别是高含沙水流泥沙模型，由于对高含沙水流性 质掌握得不够透彻，存在问题更多，更大。 1 1 高含沙水流研究概述 高含沙水流是普遍存在的自然现象，我国的黄河及其支流经常发生含沙量高达每立 方米数百公斤到一千多公斤的高含沙水流。这些高含沙水流具有与普通挟沙水流不同的 运动特点和冲淤规律，例如“浆河”和“揭河底”就是它们所特有的现象。因此，长期以来， 高含沙水流是泥沙运动力学和生产的一个重要研究课题，然而由于它的复杂性，关于它 与低含沙水流的区分一直没有明显的界线。文献【1 1 认为：当水体中含沙量较高，并且含 有一定量的细( 粘) 颗粒( d o 0 1 r a m ) ，使该挟沙水流的物理特性、运动特性和输沙特 性等基本上不再用牛顿流体的运动规律来描述时，这种水流称为高含沙水流( 张瑞瑾定 l 中国水利水电科学研究院学位论文 义) 。文献【2 】给出了高含沙水流的现象、运动特点、演变规律等诸多研究成果，高含沙 水流朝哪种一模式发展，在很大程度决定于水流是否将自牛顿体转化为非牛顿体以及宾 汉剪应力的大小( 钱宁定义) 。 上述两种定义并不是严格和精确的，并没有说明挟沙水流的物理特性、运动特性和 输沙特性等达至4 什么样程度，即低含沙水和到商含沙水流的临界值。但目前一般认为商 含沙水流是含沙量达到1 0 0 k m m 3 以上的含沙水流，如黄河干支流在洪水季节发生的高 浓度挟沙水流，管道高浓度输沙及山区沟谷里的泥石流等。国内外的泥沙工作者对高含 沙水流做了大量的工作，其中国内的研究工作多集中在对黄河干支流的高含沙水流的观 测以及分析高含沙水流的物理性质的室内测验及水槽试验上，国外的工作主要限于各种 固体颗粒材料的高浓度管道水力输送及泥石流的研究。通过长期的研究，主要在以下一 些方面取得了一些共识： ( 1 ) 高浓度泥沙悬浮液的流变性质。流变特性是高含沙水流的一个重要基本特性， 它决定水流的一系列其它性状，所以引起国内外学术界的关注，并取得了不少有理论意 义和实用价值的成果。无粘性沙的高含沙水流一般仍然是牛顿体，但粘滞系数比清水粘 滞系数大得多。含有较多粘性细颗粒的高含沙浑水是宾汉体，也有些研究工作者认为是 伪塑性体或宾汉幂律体。对高含沙水流流变性质的研究主要是探讨相对秸度和极限剪切 力随泥沙浓度、粒径、矿物成分及颗粒组成等因素的变化规律。关于相对粘度和极限剪 切力已有一些根据试验资料得出的经验公式 4 1 。【1 2 i ，但也存在一些问题，由于这些物理量 测量精度有限1 3 1 ，各种试验仪器测定的粘度和极限切应力的值不一致，误差较大，即使 同一种仪器测出的数值也因单位、因人、因仪器而异，所以由这些数据得出的经验公式 各不相同，并且计算结果相差很大。所以尽管目前在高含沙水流流变性质方面取得了较 多的研究成果，但想从机理上来解释和推导高含沙水流有关的其它公式，尚存在较大的 难度，一些推导出的经验公式也并不理想。 ( 2 ) 含沙量沿垂线分布规律。根据天然河流及水槽试验资料，高含沙水流含沙量 沿垂线分布较一般挟沙水流均匀，并且当含沙量大于3 0 0 k g m 3 时，沿垂线分布便较均 匀，当超过8 0 0k g m 3 时，含沙量分布己基本上没有什么梯度。 ( 3 ) 泥沙沉降规律。含沙量增大以后，泥沙沉降速度大幅度降低。对于无粘性均 匀沙的群体沉降，研究成果较多，也锝出了一系列的经验公式。其中j 。e r i c h a r d s o n ( 利 2 中国水利水电科学研究院学位论文 查逊) 都得出公式【1 4 】： m = ( 1 一鼠) “ ( 1 - i ) 式中( - 0 、分别为群体沉速和单颗粒沉速，指数珊为沙粒雷诺数的函数，根据费祥俊 的研究 z l ，m = 2 8 ，该式在黄河等高含沙水流数学模型上得到了广泛的运用。 ( 4 ) 高含沙水流必须有一定的细粉砂和粘土作为骨架，来自沙漠地区的河流不可 能形成高含沙水流。 1 2 高含沙水流数学模型研究概述 黄河及其干支流是典型的高含沙河流，所以在我国高含沙水流数学模型的发展与黄 河的研究是分不开的，它随着对黄河研究不断深入而发展，大致可以分为早期、发展和 广泛应用三个阶段“”。 在2 0 世纪5 0 年代至2 0 世纪7 0 年代末，为数学模型的早期阶段。开展了三门峡水 库淤积计算和三门峡水库建成后下游河道冲刷的计算，计算中采用了泥沙平衡方程式和 前苏联扎马林的输沙能力公式“”；麦乔威、赵业安、潘贤娣“8 1 等通过分析多个水文站实 测资料，发现黄河下游河床冲淤变化取决于上游来沙量与水流挟沙能力间的对应关系， 并建立了著名的多来多排公式，黄河水科所和中国水科院运用此方法合作研究了三门峡 水库低水位运用后不同防洪排沙设施下黄河下游河床冲淤变化“”；张启舜“8 引用溯源冲 刷过程中的河床调整与输沙能力调整的模式，建立了为解决三门峡水库能否实现和如何 实现非汛期发电而不增加水库和潼关淤积的数学模型；另外黄委水科院和中国水科院一 起进行了多沙河流拦洪水库下游河床变形计算，张启舜针对三门峡水库的改建和确定改 建后的运用方式，进行水库泥沙冲淤过程计算；清华大学水利系用三门峡水库历年的冲 淤资料，探讨了库区淤积及冲刷的计算方法；在进行治黄规划过程中，李保如”提出了 只考虑影响输沙能力的最主要因素，计算时段分汛期和非汛期两个时段的框算模型。这 个阶段受计算机速度的限制，研究工作者们主要把精力放在简化控制方程并试图导出方 程式的解析解方面“”。 在2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代，为数学模型的发展阶段，在该阶段泥沙基本理论 研究，尤其是对黄河非平衡输沙和特有的演变规律认识取得了重要进展，出现了铰多的 中国水利水电科学研究院学位论文 数学模型“”。如武汉水利电力学院提出的青铜峡水库冲淤计算方法、西北水科所曹如轩 及蒋索绮等提出的水库高含沙水流冲淤及浑水水库排沙计算方法、西北水科所提出的水 库淤积的简化估算方法、张启舜等提出的水库冲淤形态及其过程的计算方法等。这一阶 段泥沙不平衡输沙规律研究取得的进展在数学模型中大量运用，河流泥沙冲淤计算都是 基于水流和泥沙的四个基本方程，由于对基本方程的简化和处理方式不同，得到的结果 不同。从工程应用的角度和对四个基本方程的处理主要差别考虑，可将河床纵向冲淤变 形计算大致分为两类：第一类为分河段甲衡输沙计算，这一算法在国内外得到广泛的应 用；第二类为分河段不平衡输沙计算法，其代表为韩其为用积分扩散方程导出的不平衡 输沙方程和张启舜用二维扩散方程导出的不平衡输沙方程，以及窦国仁直接根据泥沙连 续方程推导出的不平衡输沙方程。不平衡输沙概念引入和运用使黄河泥沙数学模型在理 论和模拟精度上取得了巨大的进步。 在2 0 世纪9 0 年代以后，黄河数学模型进入了快速发展时期，数学模型得到了广泛 的应用。在该阶段，除了在数值计算方法上取得较大进展之外，在高含沙水流模拟的一 些关键技术问题上也有较大的突破。“八五”期间，出现的王士强模型、曲少军一张启卫 模型、韦直林模型、梁国亭模型、孙卫东模型、王兴奎等水动力学泥沙模型3 。另外许 多科研单位、设计单位以及一些高校都建立了自己的高含沙水流泥沙数学模型“”1 ”1 ， 并运用模型解决了各种各样的工程问题。比如郭庆超、王崇浩等分别应用数学模型研究 了潼关高程的运用方式及其渭河下游河道的冲淤、东庄水库的运用对渭河下游河道冲淤 的影响、引江济渭以及黄河中下游大型水库对下游河道的减淤作用等。在这些模型中， 对断面的概化处理、挟沙力公式、阻力计算、河宽变化、不平衡输沙的恢复饱和系数等 数学模型模拟的关键技术问题方面做了一些研究工作，使数学模型不断完善。 1 3 高含沙水流数学模型发展方向及存在的问题 随着计算机技术高速发展，以及高性能计算平台的建设，使得计算速度已不是限制 数学模型发展的问题，不需要再把精力花存简化计算上，模型只要能提高计算精度，采 取复杂的计算手段和方法也是值得提倡的。因此，今后泥沙数学模型的发展方向是如何 研究模型的一些关键技术问题，提高模型的计算精度。 4 中国水利水电科学研究院学位论文 尽管9 0 年代以后，随着黄河及其干支流研究的不断深入，高含沙水流数学模型在 广泛运用中不断发展。但数学模型具体模拟黄河等高含沙河流的复杂水沙运动、河床演 变时仍存在许多困难，对理论上未解决的较多参数进行经验处理，或用实测资料率定， 若水沙条件和河床边界条件等发生很大变化时，那些经验性较强的参数或处理方法，往 往影响新条件下的计算结果，因而难以用来预测高含沙河流未来的冲淤趋势和发展前 景。各模型的实践表明，高含沙数学模型的发展同泥沙基本理论研究是密不可分的，目 前要想提高高含沙水流模型的计算精度，还存在一些需要解决的基本问题。比如：( 1 ) 挟沙力问题，黄河等高含沙河流含沙量变幅大，必须考虑含沙量对水流输沙能力的影响， 随着含沙量的增加，水流比重和粘性增大，泥沙沉速降低，各模型尽管采用修正粘性系 数和沉速公式，来修正一些经验半经验公式，但实践表明大多误差仍然较大，严重的影 响了河流泥沙的研究水平和利用数学模型解决工程问题的能力。( 2 ) 动床阻力问题，高 含沙水流床沙组成较细，影响水流阻力不仅仅是床面的粗糙程度，还有其他许多影响因 素。( 3 ) 河床横向冲淤变形问题，一般一维泥沙数学模型只能计算纵向河床变形，但黄 河河床演变迅速，纵向冲淤常伴随着横向冲淤，横向冲淤变化又影响着纵向水流运动和 河床纵向冲淤，因此黄河一维数学模型必须考虑横向水沙交换和河床冲淤的影响。( 4 ) 含沙量沿程恢复问题，在以往的数学模型中，河床变形方程及其相关的泥沙连续方程引 用的假定之一是含沙量平衡分布系数口。同不平衡时的分布系数相等，并且口。和啊按 照引入的定义是河底含沙量与垂线平均含沙量的比值，都应该大于l ，目前各家模型采 用的恢复饱和系数都远小于1 ，并且各家模型取值相差较大。 1 4 本文研究的技术路线 高含沙水流的流动特性，虽然已取得了一些研究成果，但由于问题的复杂性，在目 前的条件下，要想完全从理论上研究高含沙水流是不可能的，所以本文主要结合他人的 研究成果和作者的实践经验，通过分析大量实测资料，来研究高含沙水流模拟的一些关 键技术问题，给出这些关键技术问题的处理方法，以期对一维高含沙水流泥沙数学模型 的研究和应用有所贡献。由于本人的时间有限，能力有限，所做的工作只是初步的。 5 中国水利水电科学研究院学位论文 参考文献： 1 张瑞瑾河流泥沙动力学 m 北京：中国水利水电出版社，1 9 8 9 2 钱宁高含沙水流运动 蝴北京：清华大学出版社，1 9 8 9 3 王明甫高含沙水流及泥石流 哪。北京：水利电力出版社，1 9 9 5 ， 4 王兆印高含沙水流运动机理的实验研究中国水利水电科学研究院博士论文，1 9 8 4 5 储君达高浓度浑水的基本特性，第二次河流泥沙国际学术讨论会论文集水利电力 出版社，1 9 8 3 ：2 6 5 2 7 1 6 费祥俊高浓度浑水的粘滞系数( 刚度系数) 水利学报，1 9 8 2 3 ，p p ：5 7 6 3 7 惠遇甲，李义天，胡春宏，等高含沙水流紊动结构和非均匀沙运动规律的研究武 汉水利电力大学出版社，2 0 0 0 5 8 钱意颖，杨文海高含沙水流的基本特性河流泥沙国际学术讨论会论文集北京：光 华出版社，1 9 8 0 9 3 唐存本高含沙水流的宾汉极限切应力计算公式泥沙研究1 9 8 1 ( 2 ) 1 0 王明甫，段文忠，谈广呜，等商含沙的水流结构机运动机理，高含沙水流国际会 议论文集中国科学，a 辑1 9 8 7 ( 5 ) 1 1 姜乃迁，钱意颖，等高含沙紊动水流流变特性探讨黄河水利科学研究所科学研究 论文集( 1 ) 郑州：河南科技出版社 1 2 陈立，王明甫水流强度对高含沙水流流变参数影响的实验研究泥沙研究，1 9 9 3 ( 2 ) 1 3 r i c h a r d s o n ，j f a n dw n z a k i s e d i m e n t a t i o na n df l u i d i z a t i o n ，p a r t i ，t r a n s i n s t c h e m e n g r s ，v o l 3 2n o 1 ，1 9 5 4 ：3 5 5 3 1 4 北京矿业学院等单位编重力选矿学中国国工业出版社，1 9 6 1 年。p p 5 7 6 4 。 1 5 张红武，钟德钰，吴腾泥沙基本理论研究进展对黄河数学模型的作用第六届全国 泥沙基本理论研究学术讨论会河南郑州，2 0 0 4 1 0 1 6 麦乔威，赵业安，潘贤娣多沙河流拦洪水库下游河床演变计算方法黄河建设，1 9 6 5 ( 3 ) 1 7 谢谦衡，魏良琰河流泥沙数学模型的回顾与展望泥沙研究1 9 8 7 ( 3 ) 6 中国水利水电科学研究院学位论文 1 8 张启舜，等河流冲淤过程计算的数学模型第二次河流泥沙国际学术讨论会论文集 北京：水利电力出版社，1 9 8 7 1 9 李保如，华正本，樊左英，等- - t l 峡水库拦沙期下游河道的变化 c 见：第一次 河流泥沙国际学术讨论会论文集( 第一卷) 北京：光华出版社1 9 8 0 2 0 钱意颖，曲少军，曹文洪，等黄河泥沙冲淤数学模型河南郑州：黄河水利出版社， 1 9 9 8 2 1 宫兴龙，杨国范非恒非均匀泥沙数学模型的建立和应用人民黄河2 0 0 6 ( 5 ) ： 2 2 - 2 3 ， 2 2 韩巧兰，郭选英，王艳平，等小浪底水库运用初期黄河下游河道冲淤变化预估分 析泥沙研究，2 0 0 6 ( 3 ) ：3 5 - 3 9 2 3 崔占峰，张小蜂，冯小香，等考虑泥沙冲淤对水流控制方程的改进与模拟水科学 进展，2 0 0 6 ( 2 ) ：2 3 5 - 2 4 1 2 4 郭庆超，胡春宏，曹文洪，等黄河中下游大型水库对下游河道的减淤作用水利学 报，2 0 0 5 ( 5 ) ：5 1 1 - 5 1 8 2 5 胡春宏，郭庆超黄河下游河道泥沙数学模型及动力平衡阈值探讨中国科学e 辑， 2 0 0 4 ( 3 4 ) ：1 3 3 - 1 4 3 2 6 韦直林，赵连军，谈光鸣，等小浪底水库运用初期黄河下游河道冲刷模拟计算， 四川大学学报( 工程科学版) ，2 0 0 5 ( 2 ) ：1 1 - 1 5 1 2 7 陈前海，方红卫，王光谦三门峡库区一维非恒定非均匀泥沙数以数学模型水科学 进展，2 0 0 4 ( 2 ) ：1 6 0 - 1 6 4 2 8 张红武，赵连军，王光谦，等黄河下游河道准二维泥沙数学模型研究水利学报， 2 0 0 3 ( 4 ) ：1 - 7 2 9 张红武，黄远东，赵连军，等黄河下游非恒定输沙数学模型水科学进展，2 0 0 ( 3 ) ： 2 6 5 - 2 7 0 3 0 张红艺，杨明，张俊华，等高含沙水库泥沙运动数学模型的研究及应用水利学报， 2 0 0 1 ( 1 1 ) ：2 0 - 2 5 3 1 袁欣多沙河流河道冲淤计算数学模型在东庄水库工程设计中的应用水动力学研 中国水利水电科学研究院学位论文 究与进展，2 0 0 1 ( 2 ) ：1 6 6 1 7 4 3 2 刘继祥，郜国明，曾芹黄河下游河道水文水动力学泥沙数学模型研究人民黄河， 2 0 0 0 ( 8 ) ：1 9 2 0 3 3 安催花，郭选英，余欣多沙河流水库水文学泥沙数学模型及应用人民黄河，2 0 0 0 ( 8 ) ：1 5 一1 6 3 4 张俊华，张红武，王严平，等多沙水库准二维泥沙数学模型水动力学研究与进展， 1 9 9 9 ( 1 ) 3 5 于青来，窦国仁高含沙河流泥沙数学模型研究水利水运科学研究，1 9 9 9 ( 2 ) 8 中国水利水电科学研究院学位论文 第二章水流挟沙力 黄河是一条举世闻名的高含沙河流，经常出现含沙量大于2 0 0 k g m * 的高含沙水流， 一般来讲，这种高含沙水流仍属于两相流的范畴，故依然存在水流挟沙力的问题。对于 高含沙水流的挟沙能力，目前在研究手法上人们的认识尚不一致，研究也不够充分，由 于问题本身的复杂性，尽管多年来人们从各种物理概念出发推求出了较多的经验、半经 验公式，但实际效果并不明显，各家公式的计算结果可能相差几倍，甚至几十倍。其主 要原因在于目前没有找到一种适当的方法来表达高含沙水流性质的改变对水流挟沙能 力的影响，一些经验、半经验公式并不能完全反映高含沙水流的性质。因此，基于目前 对高含沙水流的认识水平，要想获得准确度较高的高含沙水流挟沙力公式还有一定的难 度。本文在分析了影响水流挟沙力的各种因素的基础上，运用b p 神经网络模型，对水 流、尤其是对高含沙水流挟沙力问题进行了初步研究。 2 1 输沙特点 黄河流域是少有的多沙河流，其在输沙特点上具有明显的临界含沙量，高于该含沙 量的输沙规律与低于该含沙量的输沙规律并不一致。 2 1 1 泥沙级配与来沙量的关系 黄河干支流各站泥沙粒径在低含沙量范围内，d 。随含沙量的增加而减小，在 6 0 k g m 3 附近最细，然后随着含沙量的增加中值粒径变大。图2 1 给出了潼关和华阴站 悬移质中值粒径与含沙量的关系曲线，实际上在黄河上、中游和渭河下谫各水文站都有 类似的现象。 2 1 2 输沙能力与水力因子的关系 t ，3 输沙能力较小时，黄河流域干支流输沙能力与水力因子呈现出较好的正比关 彤 系，而在输沙能力达某一值后( 比如潼关水文站为6 0 7 0 k g m 3 ，华阴水文站为4 0k g m 3 9 中国水利水电科学研究院学位论文 左右，由于本人分析的资料有限，在北村和北洛河的潮邑水文站含沙量超过1 0 0k g m 3 也未发现转折现象) ，输沙能力与水力因子成反比关系，并且其随水力因子减小而增大 的速率远大于较小输沙能力时随水力因子增大而提高的速率( 如图2 2 ) 。 童 搿 黛 垮 壬 2 2 研究现状 誊 i 图2 ，l 潼关和华阴站悬移质泥沙中值粒径与含沙量的关系 2 2 1 挟沙力公式的分类 水流挟沙力问题是泥沙研究中一个非常重要的问题，是研究河流输沙规律特性和河 床演变分析和预测的基础。在修建水库，渠道和江河治理规划中，往往要进行泥沙输送 和河床冲淤等方面的计算。不少学者致力于这方面的研究，提出了不少半理论半经验或 者纯经验公式也“。 纯经验公式是针对某一特定河流或河段的实测资料分析所建立的公式，由于挟沙力 的影响因素复杂，这类经验公式较多，早期的公式有： 黄河干支流公式， 耻7 品r 伢， ”4 中国水利水电科学研究院泥沙所( 原河渠所) 公式， s = 2 3 4 兰 ( 2 2 ) r 二十世纪4 0 年代前苏联出现了著名的扎马林公式： 当0 0 0 2 m 0 0 0 8 m s 时， 1 0 中国水利水电科学研究院学位论文 吼：0 0 2 2 ( v 国) ( 兄，) ( 2 3 ) 当0 0 0 0 4 0 0 0 2 m s 时， s 。；h v ( v e d ) g ( 2 - 4 ) 国 式中国为固相颗粒平均沉速， 水流挟沙力，矿为断面平均流速， r 为断面水力半径，j 为水面比 降，该公式主要用于渠道水流挟 沙力计算。 除了这些经验公式外，其它 半理论半经验公式大致可以根据 黄才安划分泥沙运动理论流派的 方法，将公式分为两类，即动力 学派公式，运动学派公式或能量 学派公式。 动力学派公式主要认为沙粒 切应力决定推移质运动，全部水 流切应力决定悬移质运动，这类 流派的推移质公式非常多，研究 悬移质的公式相对较少。并且该 类公式中以西方国家为多，国内 较少。最有代表性的主要有 e i n s t e i n 公式嘲和王士强公式”1 等，比如王士强等从床沙、推移 1 0 0 0 ，、 鼍1 0 0 毫 一 套1 0 钿 l 1 0 0 0 霜1 0 0 、 看1 0 蠹。 0 1 0 1 0 0 0 罩1 0 0 蔷1 0 佘 如 l o 1 o 8 1 0 0 0 0 1 01 0 01 0 0 01 0 0 0 0 矿 g r 图2 2 水流含沙量与品的关系 g 国 质、悬移质互相交换衔接的物理图形出发，在力学、随机及紊动扩散分析基础上，提出 了颗粒跃移及推移质、悬移质和全沙统一的非均匀沙挟沙公式。 运动学派是指以水流流速作为决定泥沙运动的水流强度指标的一些理论。运动派公 o r。，lvr。， 0 o 0 l o 0 l 0 l 一1粤一套舡 中国水利水电科学研究院学位论文 式一般都是从能量平衡观点出发建立的公式，所以也可称之为能量派挟沙力公式。 上述两类公式究竟哪一类公式好，目前还没有统一的认识。由于动力学派水流切应 力的计算需要比降，的测量比较困难，而流速的测量要简单得多，并且流速在概念 上要比切应力更容易理解。因而运动学派公式较动力学派公式要多得多，也实用得多。 尽管能量派公式占绝对优势，但公式的误差仍然较大，尤其很多公式用于计算高含沙水 流挟沙力时误差更大，考虑了高含沙影响的公式并不很多。 2 2 2 考虑高含沙影响的运动学派挟沙力公式的发展 实用于高含沙水流的运动派挟沙力公式大体又可分为两类，一类是在张瑞瑾公式的 基础上，考虑高含沙影响对公式的挟沙力系数进行修正所建立的公式；另一类是直接考 虑高含沙影响从能量平衡观点的角度出发建立的公式。 ( 1 ) 第一类公式 维利坎诺夫从重力理论出发，认为浑水在单位时间的能量损失除用于克服阻力傲功 外，还用于悬浮泥沙做功，得到如下公式： ：旦( 2 5 ) g h m 式中日为断面平均水深，七为系数。张瑞谨整理了长江、黄河和若干水库、渠道以及室 内水槽试验等大量的资料后，对上式进行了修正，得到了著名的水流挟沙力公式： 叫杀y ， ( 2 - 6 ) 式中七、卅分别为挟沙力系数和指数，并且认为它并不是常数，而是岳的函数。 曹如轩”1 考虑到由于高含沙水流泥沙含量高和细颗粒的存在，改变了挟沙水流的流 变、流动特性，使挟沙力问题较一般挟沙水流更为复杂，它基于拜格诺能量转换观点， 在水力因子南前面加了相对重率项( 以一) ，其中和心分别为浑水比重和泥 沙比重，在该公式中，水流含沙量的变化直接影响水流挟沙力的大小，该公式问世后， 被人们广泛地用到高含沙水流中去。 韩其为嘶1 认为高含沙水流挟沙能力的概念是存在的，并且认为除了需对浑水容重 1 2 中国水利