明槽水流的非均匀沙挟沙力研究

1、明槽水流的非均匀沙挟沙力研究(1)    摘要：本文从床沙、推移质及悬移质互相交换、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新的非均匀沙挟沙力公式.文中公布了新近试验取得的57组非均匀沙挟沙力水槽资料，分析提出了反映混合沙中粗细颗粒互相影响的系数的关系，提出了悬移层与推移层交界面高度及浓度预报新的初步关系.应用本文提出的挟沙力系列公式计算验证了大量天然河流及水槽实测分组和总挟沙力资料，计算与实际符合较好. 关键词：非均匀沙 颗粒跃移 悬移质 挟沙力 隐蔽暴露影响 1.1颗粒跃移方程床面附近的颗粒跃移

2、是悬移质输沙和沙质床面之间过渡层内颗粒的主要运动形式，是研究沙质推移质和悬移质输沙率的基础.作用在床面附近跃移颗粒上的力很多很复杂，文献4主要考虑了占优势影响的颗粒重力(W)、水的浮力(W-W,W为水下重力)、水流上举力(FL)及水流拖曳力(FDx)或阻力(FDy)，其它作用力因较为次要或不很明确而未直接考虑.垂直床面(或水流)的y向及沿水流x向的颗粒跃移运动的微分方程分别为 FL-W-FDy=(Wd2y)/(gdt2)(1) FDx=(Wd2x)/(gdt2).     (2)1.2推移质输沙率公式颗粒以跃移形式运动的单宽推移质输沙率qb应等于单位时间

3、、单位宽度内跳跃通过某断面的各种跃长的所有颗粒的总重量，可由下式4确定： qb=A*spubLm        (6)式中P为FL/W1条件下床面颗粒的起跃概率，A*为待定系数.从物理模式及原始推导看，严格来说，式(6)本只适于跃移推移质，但因以滚动、滑动等形式运动的接触质受到的主要作用力与上述跃移颗粒大体相同，因此控制qb的变量及s/二者应该相同.当式(6)中的待定系数由包括接触质在内的变化范围很大的大量推移质输沙率实测资料适线确定时，该式的适用范围就具有普遍性.式(6)中的变量可由一套解析公式分别求出，相当烦复

4、，为便于应用，由式(6)及其它一系列求其变量的公式概括简化得出公式(7)，两者基本等价，计算值十分相近.     (7) 本篇论文是由3COME文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站的，论文版权属原作者，请不要用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。式中：. 图1列出了大量实测点据及公式(7)中不同s/的三条曲线，公式与各种s/的实际资料均相当符合，在高强度输沙部分，与Wilson的二种容重颗粒资料均分别符合相当好.图1还列出了其它著名公式曲线以便互相比较，对于泥沙，公式(7)与Yalin公式十

5、分接近，幂指数m3随增大而减小，高强度时接近1.5. 公式(7)得到了其它资料的验证9. 图1 和、s/的关系1.3悬移质及全沙挟沙力公式水流的悬移质输沙一方面依赖于紊动扩散，同时取决于床沙扬起及跃移泥沙浓度.水流的悬移质单宽输沙率qs由式(8)确定： (8)式中sy及uy分别为离床面y高度的含沙浓度及水流速，H为水深，a为悬移层底层离床面高度.式中流速垂线分布按Einstein总结的公式计算13： uy=5.75u*log(30.2x1y/D65) .(9) 含沙浓度分布sy由紊动扩散方程并考虑床面附近沉速减小的因素确定，可由作者提出的式(10)计算12，该式与通常的公式形式相同，仅以修正悬

6、浮指数z1代替通常的悬浮指数z，z1随z增加及粒径D的减小而比z小得愈多.    z=0/u* .式中为卡门常数，0为泥沙沉速，Sa为y=a处的含沙浓度.    将式(9)、(10)代入式(8)积分可得式(11)为：qs=11.6su*Saa(P1I1 I2) ,(11)式中： P1=2.303lg(30.2x1H)/(D65) , I1=0.216(Az1-1)/(1 A)z1)A(1-y)/(y)z1dy , I2=0.216(Az1-1)/(1 A)z1)A(1-y)/(y)z1lnydy . 设Sa=KsS

7、m, sm=qb/(aubs), sm为推移层内的平均含沙浓度，Ks为近壁层浓度分布特性系数.则式(11)可表达为 qs=11.6Ksqbu*/ub(P1I1 I2), (12)全沙输沙率qT为： qT=qb qs=qb(1 11.6Ks(P1I1 I2)u*/ub) .(13)对于非均匀混合沙，每个粒径组的水流挟沙力与床沙中该粒径组所占比重io相对应，当不考虑粗细颗粒互相影响时，则 iTqT=ibqb isqs=ibqb(1 11.6Ks(P1I1 I2)u*/ub), (14)式中： ibqb=i0Dg, io,iT,ib,is分别为该粒径组在床沙及水中全沙、推移质、悬移质输沙率中所占重量

8、百分比.式(14)中的所有粒径D均为混合沙内各粒径组的平均粒径. 上列公式中的a值可由下述方法求得.因颗粒平均跃移高度ao的计算公式(3)中的系数是根据水槽颗粒跃高试验资料适线确定的，因此在水槽输沙计算中取a=a0,这是合理、自然的，如此计算出的悬移层底部浓度及挟沙力与大量水槽内的实测资料符合相当好. 对于天然河流、水库，无任何实测跃移层高度a的资料，若仍取a=a0,则计算出的悬移层底部浓度一般都远大于实测资料.因天然河流、水库内的水深远大于水槽情况，作为水深方向的物理量a，可以推测和假定随相对水深H/D50而增大，根据一些天然河流、水库实测底部含沙量资料分析反算，得出一般含沙量情况下天然河流

9、内的a可按经验公式(15a)计算，a可称为准跃移层厚度： (15a)对于长江及黄河大部分非高含沙水流情况，按式(15a)计算的悬移质挟沙力与大量实际资料符合较好.但对于黄河少数高浓度情况，若按式(15a)计算又计及沉速修正后得出的悬移层底部含沙量仍明显小于实际情况. 从上述公式(3)可以看出，跃移层厚度随水流容重增大而减小，在高含沙水流情况下，随浓度增加而明显增大.另外，随着浓度增加，对数流速公式中的卡门常数将会减小，即由床面向水面方向的流速变大的梯度增大，床面附近水流垂向紊动强度向水面方向变大的梯度也理应增大，这就意味着相同平均水流强度时含沙浓度愈高，颗粒由跃移转为悬移的高度a离床面愈近.根

10、据以上初步分析及实际资料反算，在公式(15a)中增加卡门常数的影响因子，得出了包括高浓度水流情况的计算a的初步经验公式(15). (15)式中卡门常数据一些实测资料13可按式(16)计算.=0.03421-0.24153E-0.04142E2,(E-3)(16)=0.365-0.007E,(E=-3-5) =0.4(E-5) E=lg(s-)/(）(isSi)/(VJ) 式中S为重量计含沙量，i为分组沉速，V为流速. 式(12)或式(13)中比值Ks反映了床面附近泥沙浓度分布规律，这是一个十分复杂尚待探索的重要问题.作者以往根据推移层内沿深度输沙率分布均匀假定，提出Ks=0.81，据此及上列公

11、式计算验证了很多水槽试验资料，结果较满意，计算与实测挟沙力比值KA在0.52.0之间的资料组次占74%84.7%，比国内外一些著名的水流挟沙力公式计算结果更为接近实际9，深入分析分组输沙率计算与实测值比值看出，粗细颗粒除了在床面上及水中互相影响以外，近壁层泥沙浓度分布规律不同，从文献6也可看出，Ks应随增大而变大，并非常数.文献10和11从试验或分析表明，在上举力大于颗粒水下重量的近壁层范围内，含沙浓度分布会出现上大下小.参考文献6提出的跃移层内浓度分布公式，根据大量分组输沙率资料，作者提出了计算Ks的新的初步经验公式： Ks=0(0.04)(17)(0.040.2) (0.2) 式(17)中

12、分界大体上与动床床面形态突变相应14，0.04时qs=0, Ks当然为0；=0.2时大体上沙垄发育最高，相应Ks=0.81，即此前设定Ks为0.81常数大体上是一种平均情况；2时式中Ks1，即近壁层内含沙浓度出现上大下小分布，此时冲积床面一般为高能态逆行沙波.应用公式(17)计算Ks使挟沙力计算精度进一步提高.从定性上看，式(17)是比较合理的，但定量上尚待今后继续研究.    二、非均匀沙挟沙力水槽试验成果 本次试验在长16m宽0.5m的循环可调坡水槽内进行，槽内预先铺沙15cm厚，当放水足够长时间水流输沙达平衡后测量数据.原始床沙分细沙(F)及混合沙

13、(M)两大类，各类原始床沙级配及特征粒径列于表1，表中颗粒分散度=(D84/D50 D50/D16)/2. 试验床沙分散度虽不很大，但与黄河、长江等中下游沙质河流床沙分散度相近.试验共得57组资料，流量Q为0.0210.126m3/s，水深H为0.0940.231m，能坡J为(1.7-12.9)×10-3，含沙量C为13.7229kg/m3.表2、3分别为F及M类沙试验数据.所谓全沙指包括悬移质和推移质的水中全部输沙. 本篇论文是由3COME文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站的，论文版权属原作者，请不要用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否者后果自负，如果此文侵犯您的

14、合法权益，请联系我们。 表1 原始床沙级配及特征值    试验类别 原始床沙级配(mm)，(%) 特征粒径(mm) 分散度    0.02 0.06 0.01 0.02 0.04 D35 D50 D65 Dm    F 9.37 44.33 92.75 100 100 0.050 0.065 0.078 0.064 1.873    a M 1.44 23.20 43.97 88.26 100 0.080 0.107 0.125 0.1

15、12 1.797    b 0.89 21.28 45.91 84.42 100 0.080 0.105 0.126 0.123 1.920    c 0.32 13.28 33.14 100 100 0.102 0.121 0.144 0.151 2.104 表2 非均匀沙挟沙力试验数据(细沙类)    组次NO. 流量Q/s 水深H/m 能坡J/1/1000 水温T/ 含沙量C/kg/ 小于某粒径沙重%(全沙)    0.02 0.

16、06 0.10 *    1 0.126 0.163 2.450 24.0 82.51 25.89 64.87 90.03    2 0.057 0.209 1.720 20.8 26.52 32.64 72.26 94.24    3 0.126 0.223 4.740 22.3 96.40 23.43 57.96 90.05    4 0.103 0.219 3.840 23.0 50.90 22.32 68.12 98.74

17、60;   5 0.086 0.231 3.130 23.0 50.62 18.01 65.41 97.10    6 0.071 0.199 3.870 21.5 54.48 27.78 70.12 97.36    7 0.053 0.189 2.590 22.0 34.56 27.12 73.16 99.13    8 0.118 0.206 12.900 23.5 136.94 19.17 51.66 92.96 本篇论文是由3COME文

18、档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站的，论文版权属原作者，请不要用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。    9 0.103 0.191 6.880 23.0 114.79 25.29 63.16 96.23    10 0.093 0.173 5.100 23.2 133.15 28.16 62.34 96.07    11 0.067 0.161 5.800 23.0 105.86 33.20 72.29 97

19、.03    12 0.057 0.140 5.030 23.0 91.81 21.33 59.37 95.80    13 0.031 0.122 2.160 22.8 39.67 30.93 76.39 97.21    14 0.026 0.116 1.940 22.8 25.68 35.49 76.76 98.49    15 0.041 0.142 2.590 23.5 52.23 33.24 74.94 98.31 

20、;   16 0.085 0.151 6.250 25.0 141.39 29.25 65.35 96.77    17 0.112 0.187 5.600 25.5 215.79 27.93 67.81 98.06    18 0.070 0.128 6.470 24.8 164.35 19.62 49.51 94.73    19 0.081 0.152 8.100 25.0 219.83 23.59 59.09 94.84 

21、60;  20 0.056 0.128 9.000 25.0 229.32 24.83 62.46 96.84    21 0.050 0.140 3.020 23.0 84.53 27.46 68.70 96.51    22 0.043 0.165 1.720 23.2 28.96 20.18 68.39 97.33 * D0.2mm沙重占100%，各组床沙级配均取原始级配.表3 非均匀沙挟沙力试验数据(混合沙类)    组次NO. 流量Q/s 水深H

22、/m 能坡J/1/1000 水温T/ 含沙量C/kg/ 小于某粒径(mm)沙重% *    0.04 全 0.060.10沙 0.04床 0.060.10沙    1 0.108 0.203 5.590 25.5 101.34 27.32 52.35 78.62 7.96 23.20 43.97    2 0.109 0.200 6.450 27.0 76.28 38.07 61.29 92.62 7.96 23.20 43.97 本篇论文是由3COME文档频道的网友为您在网

23、络上收集整理饼投稿至本站的，论文版权属原作者，请不要用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。    3 0.065 0.188 3.010 27.0 49.38 21.30 46.94 95.30 7.86 22.20 46.13    4 0.091 0.199 4.700 26.5 63.86 33.54 55.48 91.79 8.20 26.92 55.30    5 0.045 0.197 1.720 20.5 1

24、3.75 42.52 60.26 91.68 10.33 32.64 64.65    6 0.065 0.170 3.870 20.8 44.51 38.47 61.76 95.81 4.79 19.07 49.09    7 0.038 0.158 2.150 22.0 22.33 40.41 61.74 95.08 5.43 21.70 46.31    8 0.088 0.157 6.880 24.0 74.43 22.53 44.65 91.52 7.98 26.8

25、8 51.78    9 0.031 0.129 3.000 24.0 31.57 34.03 56.01 87.23 6.56 23.62 48.50    10 0.058 0.128 4.300 20.7 53.77 27.92 48.39 93.11 8.03 27.53 52.28    11 0.079 0.145 7.000 22.8 118.18 35.71 57.27 89.54 4.15 17.51 40.66    

26、;12 0.021 0.097 3.010 21.9 34.92 36.37 59.27 87.12 4.45 18.42 43.57    13 0.048 0.097 6.460 22.4 85.00 40.05 61.99 95.63 4.85 18.95 42.64    14 0.040 0.101 3.440 22.2 55.50 35.78 59.95 87.41 9.92 33.82 68.13    15 0.073 0.131 3.010 22.4 99.

27、34 31.69 51.75 83.51 5.57 22.43 51.01    16 0.109 0.192 6.450 23.5 78.49 34.33 51.43 87.24 6.08 21.28 45.91 本篇论文是由3COME文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站的，论文版权属原作者，请不要用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。    17 0.068 0.170 3.660 23.0 45.13 32.57 53.51 86.22 11.4

28、6 35.46 67.94    18 0.096 0.189 5.160 21.0 64.87 30.05 48.29 84.77 5.33 23.06 53.49    19 0.078 0.202 3.440 21.5 37.36 28.40 48.94 81.60 11.34 33.06 63.33    20 0.056 0.203 2.370 20.0 29.08 32.29 53.26 87.52 6.18 21.75 47.41  

29、0; 21 0.071 0.164 4.090 20.5 49.13 34.74 54.01 86.64 13.23 36.88 65.08    22 0.039 0.170 2.150 18.5 25.16 47.89 69.31 97.87 5.79 22.27 49.52    23 0.085 0.167 5.380 19.7 78.29 29.73 53.03 84.10 10.40 31.58 61.09    24 0.044 0.125 3.440

30、 18.1 47.98 31.24 52.49 88.20 5.50 22.86 51.33    25 0.055 0.129 3.870 19.0 52.45 35.48 58.49 89.58 12.68 38.96 71.12    26 0.073 0.140 5.800 18.0 79.35 24.75 45.13 84.92 8.98 27.10 54.00    27 0.030 0.111 3.010 19.0 41.54 37.74 56.51 89.54

31、 4.98 19.97 44.80    28 0.032 0.094 3.440 18.5 51.87 33.45 52.80 89.84 10.63 32.00 60.52    29 0.041 0.094 3.870 19.0 63.61 38.56 61.25 86.67 7.74 25.75 52.65    30 0.063 0.132 3.660 19.7 49.70 32.56 55.27 86.92 3.60 14.18 30.71 本篇论文是由3COME

32、文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站的，论文版权属原作者，请不要用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。    31 0.060 0.105 5.160 21.0 74.05 26.82 47.01 85.13 4.84 18.69 41.92    32 0.071 0.171 2.790 19.5 34.90 30.50 50.48 82.42 5.49 18.77 36.30    33 0.050 0.15

33、9 2.590 19.5 27.72 38.36 63.25 91.47 3.84 14.51 31.95    34 0.068 0.199 2.580 19.4 23.81 31.33 53.54 91.86 7.35 26.65 56.39    35 0.048 0.108 3.870 20.0 43.82 31.77 56.61 90.78 4.24 16.55 35.05     三、泥沙非均匀性对水流分组挟沙力的影响床沙和水中泥沙粒径的非均匀性会显著影响各分组挟

34、沙力.在床面上，粗颗粒对细颗粒会产生隐蔽作用，使细颗粒受到的实际水流上举力及拖曳力小于均匀沙情况，反之，粗颗粒相对于细颗粒比较突出暴露，其受到的水流作用力将大于均匀沙情况.当泥沙起动、起跳以后，水中推移层内不同粒径的颗粒因运动速度、轨迹不同而会互相碰撞，悬移泥沙也会因沉速不一而碰撞，在床面附近因含沙浓度大而碰撞愈甚.因细泥沙比粗泥沙跳跃较快，沉降较慢，故互相碰撞、动量传递结果总体上使细颗粒跳跃变慢，沉降加快，而粗颗粒则反之.据上分析看出，水中泥沙与床面泥沙的非均匀性对分组挟沙力的影响总体上是一致的，均使同样水流强度下水流对细颗粒的挟沙能力比均匀沙情况减小而对粗颗粒则增大.由于此种改变作用迄今都

35、只能根据水流分粒径组挟沙力资料反算，难以将起动阶段的隐蔽暴露影响及水中运动阶段的互相碰撞影响加以分开，因此我们在式(14)中统一加上泥沙非均匀性影响系数KD，则式(14)变为式(18)： iTqT=KD(ibqb isqs)=KDi0Dq(1 11.6Ks(P1I1 I2)u*/ub). (18)图2 KD和DK关系在分析KD变化规律时，将实测非均匀沙各粒径组输沙率iTqT与据式(14)不考虑非均匀沙内相互影响计算求得的iTqT之比作为KD，将本次试验及文献2的资料求得的KD和DK关系点绘于图2.纵坐标DK按下式计算DK=(Di)/(Dp) , (19) 式中Di为混合沙中各粒径组平均粒径，D

36、p为粗细颗粒分界粒径当量，Dm则为床沙平均粒径.DK可谓相对粗细度，DK1之粒径组为相对粗颗粒，DK1之粒径组为相对细颗粒.由图可见， KD与DK形成变化趋势很明显的带群，以残差平方和最小为标准求得拟合曲线绘于该图中，即得KD与DK的关系为    (20)    资料来源 类 别 资料总数 平均 PK(%) 本篇论文是由3COME文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站的，论文版权属原作者，请不要用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。  

37、;  陈骥细沙 总输沙率分组输沙率 2261 1.19/ 95.590.2    陈骥混合沙 总输沙率分组输沙率 35105 0.94/ 91.479.1    爱氏和钱宁 总输沙率分组输沙率 26136 1.20/ 96.181.6    总 计 总输沙率分组输沙率 83302 / 94.082.5 四、计算挟沙力公式验证 应用王士强等公式(3)(20)计算验证王士强等于1989年在清华大学60m长1.2m宽活动循环大钢槽内完成的27组非均匀沙挟沙力试验

38、资料8，验证结果列于表5，并将分粒径组验证结果绘于图3，该资料在上列公式、关系建立中均未利用过.图3 分组输沙率计算验证表5 王士强等挟沙力公式计算验证(水槽)    类 别 资料总数 平均 PK(%)    总输沙率 27 1.16 92.6    分粒径组 78 1.16 82.1     资料来源 类 别 资料总数 平均 PK(%) KA=0.52.0    长江荆江 总输沙率分粒径组 55

39、124 1.16/ 80.062.1    黄河利津 总输沙率分粒径组 240393 0.94/ 71.363.1    黄河艾山 总输沙率分粒径组 289596 0.86/ 77.968.5    黄河孙口 总输沙率分粒径组 221429 1.06/ 79.266.2    黄河夹河滩 总输沙率分粒径组 187319 1.16/ 84.066.5 天然河流内某组输沙率资料是否为平衡挟沙力主要只能从总量上大概判断，而输沙总量即使平衡时粗

40、颗粒尚可能处于淤积过饱和状态而细颗粒则可能反之，实难判别和选取各粒径组都处于平衡输沙的资料，这也是验证天然河流挟沙力特别是分组挟沙力的难点. 作者曾应用此套公式验证过美国的几条河流，结果也比较满意7.将此套公式与国内外其它5个著名公式同时计算过639组不同容重颗粒的水槽挟沙力资料，结果此套公式与实测资料更为接近，特别是计算物理模型中常用的轻质沙挟沙力的精度更比其它公式要高9.本公式应用于计算黄河一些水库及河道河床冲淤，也取得了比较满意的结果.五、结语1.本文提出了同时计算推移质、悬移质及全沙非均匀沙挟沙力公式.该套公式的基本物理图形是床沙、跃移质和悬移质互相交换、衔接.2.无量纲颗粒跃移参数及

41、推移质输沙率参数不仅随增大，还发现另外随颗粒容重减小，这不仅是理论推导结果，也为试验资料所证实，这就使据此基础得出的全沙挟沙力公式不仅适合于河流泥沙，而且计算轻质沙挟沙力的精度比迄今国内外一些著名公式明显要高.    4.非均匀混合沙内的粗细颗粒，在床面上存在相对隐蔽和暴露影响，在水中会互相碰撞，本文提出了非均匀性影响系数KD的新关系.    5.王士强等非均匀沙挟沙力公式已为大量水槽及天然河流资料所验证，计算结果比较符合实际.    6.随着对近底层水沙运动规律研究的发展，

42、作者将继续研究改进这套挟沙力公式.    参考文献 1.Einstein, H.A. The Bedload Function for Sediment Transportation in Open Channel Flows. Technical Bulletin. No.1026. U.S. Dept. of Agriculture, Soil Conservation Service, 1950.71.本篇论文是由3COME文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站的，论文版权属原作者，请不要用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用，否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。3.Van Rijn. L C Sediment Transport, Part : Bed Load Transport, Proc. ASCE, J. Hydr.Engr. 1984，110(10).4.Wang Shiqiang, Zhang Ren. A New Equation of Bed|load Transport. Proc. of 22 Congress IAHR. Lausanne, 1987.5.王士强，张 仁. 颗粒比重对水流挟沙力的影响. 泥沙研究. 1990.6.胡春宏，惠遇甲. 渠挟沙水流运动的力学和统计