卵石河流的时均流速和悬沙浓度垂线分布.docx

1、第25卷第3期水力发电学报Vol.25No.32006年6月JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERINGJun.，2006卵石河流的时均流速和悬沙浓度垂线分布郑钧'，张超-李万友2,王兴奎I(1.清华大学水沙科学教育部重点实验室，北京100084；2.四川省都江堰管理局，四川省都江堰市611830)摘要：在我国西南地区的沙卵石河流上修建水电站时，合理布设各进水口以防止淤堵和粗泥沙过机至关重要，其控制参数为水流的时均流速和悬移质浓度的垂线分布。本文根据都江堰二王庙站的实测资料，分析了时均流速和悬罗质浓度沿垂线的分布，主要结论为：时均流速符合对数分布公式，卡门常数的平

2、均值为0.40,当采用K,=1.75DW时，积分常数3=8.54。悬移质泥沙的垂线分布符合Rouse公式，悬浮指数与理论值基本一致。关键词：河流动力学；卵石河流；流速分布；浓度分布中图分类号：TV143文献标识码：ATheverticaldistributionsofmeanvelocityandsuspendedsedimentconcentrationingravel一bedriversZHENGJun1,ZHANGChao1,LIWanyou2andWANGXingkui1(1.TheKeyLaboratoryofWaterandSedimentSciencesoftheMinistry

3、ofEducation,TsinghuaUniversity,Beijing100084;2.DujiangyanAdministrationofSichuanProvince,DujiangyanCity,SichuanProvince611830)Abstract:Whenbuildinghydropowerstationsongravel-bedriversinSouth-WestChina,itiscriticallyimportanttolaythewaterintakesproperlytopreventsiltingandcoarseparticlesfromtheturbine

4、.Thecontrollingparametersfortheintakesaretheverticaldistributionsofmeanvelocityandsuspendedsedimentconcentration.ThesetwoparametersbasedonthemeasureddatafromEruangmiaostationofDujiangyanreachareanalyzed,itisconcludedthatthemeanvelocitydistributionisconsistentwiththelogarithmiclaw;themeanvalueofKarma

5、nconstantis0.40;WhentakingtheroughheightK,=1.15Dn,theintegralconstantB=8.54;theverticaldistributionofsuspendedsedimentconcentrationisconsistentwithRouseequation,thesuspendingexponentisbasicallyagreedwiththetheoreticalvalue.Keywords：rivermechanics;gravel-bedrivers;velocitydistribution;concentrationdi

6、stribution1概述我国西南地区的山区河流坡陡流急，挟带大量的沙卵石泥沙，是干流河道泥沙的主要来源。三峡水库的泥沙主要来源于上游山区，其中影响最大的卵石推移质主要产生于坡降大的沟道和支流。对山区河流的开发受到山区河流输移的大量沙卵石的制约.美嘴电站多年运行后，水库的兴利库容已大部分淤积了沙卵石，成为径流式电站。长期以来.人们对山区河流的水流泥沙输移特性进行了大量的研究。Meyer-Peter从1920年开始研究莱茵河上游阿尔匹斯山区河流泥沙运动和河道演变的规律，1927年建立专门实验室，进行了长达二十儿年的研究，提出了著名的Meyer-Peter推移质输沙率公式”。近年来，由于山区泥石流

7、等自然灾害频繁发生，大量的泥沙淤塞水库、冲毁堤坝，经常对人民的生命财产造成严重威胁，所以很多学者更加关注这方面的问题，开展山区卵石河床的变化规律及水流泥沙运动特性的研究。国外已有较多的成果,Rennie12等人采用超声传感器直接测量卵石推移质的运动速度，并以此计算输沙率McNamara和Borden15则是采用植入式运动传感器测量卵石的运动。Boer4收福日期：2005-11-03基金项目：国家自然科学基金资助项目(50579032.50221903)作者简介：郑钧(1982).男.博士研究生第3期郑钧等：卵石河流的时均流速和悬沙浓度垂线分布33等人系统介绍了加拿大近年来有关河流动力学和河道冲

8、淤过程的研究成果。Lawless和Robert通过在水槽底部铺设卵石簇的实验获得了高分辨率的三维流场并研究了卵石对水流特性的影响；他们还通过水槽实验模拟夭然河流的糙率特点，最测了床面垂向速度分布们。受到测最技术的制约，国内相关的研究成果还不多。岷江都江堰河段属于西南地区典型的山区性河流，河床上的卵石最大直径超过500mm,河床多为卵石组成,几乎没有细沙，说明推移质泥沙和悬移质泥沙在运动过程中没有交换，悬移质基本以冲泻质的形式输移。对于这种特殊的水沙运动特性，在室内实验室很难进行模拟试验。只有进行原型的实际最测。都江堰二王庙水文站1986年在内江测站进行了流速和含沙浓度垂线分布的测量，本文分析了

9、9组数据完善的资料，研究了时均流速和悬移质含沙浓度沿垂线的分布规律。2基本资料二王庙水文站1986年实测的资料包括9组数据的测最时间、测线位置和水深，以及沿垂线7个点的时均流速和浓度值。基本资料见表lo«1二王庙水文站1986年实测资料Table1FielddataofErwangmiaohydrologystationin1986组次i23456789平均水深/m3.043.003.083.163.023.182.952.763.08平均流速/(ms-')2.422.382.472.532.352.382.472.472.582.47水面平均比降/%0.1970.1950J

10、970.1960.1970.1950.1950.1870.200摩阻流速0.2420.2390.2440.2460.2410.2470.2370.2250.246卡门常数"回归值0.4040.4160.4220.3800.4170.4100.3970.3760.3740.400积分常数B回归值17.558.227.487.34悬浮指数回归值Z.0.1160.0510.1380.0970.0550.0960.1190.0990.0620.092悬浮指数理论倪Z,0.0940.0930.0900.0990.0920.0910.0980.109

11、0.1000.096参考浓度C./(kgm-)0.2460.2490.3920.6221.17i.261.531.28i.281974年至1990年间，有9年测量了同时水面线，根据内江。005.尾、二中尺、金洞子和21#断面的水位回归计算，得出四个i面的平均水面比降，再与流最相关，结果见图lo水面比降0004流量的关系为：V0003L=0.00112+0.00000225(?(1)中：人为水面比降；。为流量。根据测量时间从该站的逐日。硕与流量表查出相应的流值后，即可用(D式计算相应的水面AAA1coOjx4c4oQrj°occL(JUU1康。摩阻流速为：CU=/ghj.(2)Eh为测

12、线的水深。内江河段的河床质和悬移质级配见表2。河床质代表粒FigJ2004006008001000J2001400图1内江河段水面比降ThewatersurfaceslopeinNeijiaiigreach)5o=128.1mm,D65=168.2mm.悬移质的代表粒径。皿=0.104mmo*2内江河段床沙质和悬移质级配TaNe2ThesizedistributionofbedmaterialloadandsuspendedloadinNe|jiangreach床质D/mrn5103050100200300400500P/%8.210.814.120.599.4100移

13、质DImm0.0050.0100.0200.0400.0800.1000.1500.2000.3001.00PI%3.434.698.1717.741.749.557.361.269.3100.0寸均流速分布f天然河流的时均流速垂线分布，常采用对数流速公式或指数流速公式来描述，但都有两个待定参数。本女t数流速公式：34水力发电学报2006年=-Ln+BU.KLK,式中：u为测点时均流速，'为离床面的高度M为卡门常数，K,为粗糙高度.Engelund171建议采用2服，8为积分常数。牛和B由实测资料回归计算得出。图2为实测流速垂线分布，图中的直线为每组数据相应的对数回归直线。实测的流速资

14、料表明，流速分布可以用(3)式很好地描述，从床面附近到接近水面，都具有良好的线性关系。根据实测资料计算的卡门常数吊和积分常数8见表1。卡门常数在0.374-0.422之间，平均为0.400,与大量室内的研究结果一致。积分常数为6.71-8.22,平均7.34,比尼古拉兹试验粗糙床面的8.5稍小。I8时均流速垂线分布Fig.2Theverticaldistributionofmeanvelocity图2事实上，8值直接与K,相关，vanRijn8收集了相关的资料，得出K,=(1-10)Dwo如取K,=1.75DW,则计算的8值为8.54,就与一般认为的8.50基本一致了。就原型观测的资料而言，可

15、以认为测量:的资料具有足够的精度，对数流速分布公式完全可以反映水流时均流动的真实特性。4悬移质浓度分布悬移质测最的7个垂线测点中，靠近床面一点的高度小于2D,根据Einstein的观点已属于推移质的范围，所以统计分析时采用了上部6个测点的资料，见图3。图3悬移质浓度垂线分布Fig.3Theverticaldistributionofsuspendedload郑钧等：卵石河流的时均流速和悬沙浓度垂线分布郑钧等：卵石河流的时均流速和悬沙浓度垂线分布35悬移质浓度分布可以采用Rouse公式描述：(4)&式中C,为高度y处的悬移质浓度，a=0.05人为参考点高度，为a点的浓度，Z为悬浮指数,可

16、用(5)式计算：,(5)(5)Z=性KU.对实测资料，可以采用(4)式回归得出参考浓度Ca和悬浮指数乙，从(5)式可以计算理论的悬浮指数，计算结果见表U根据Rouse定义的悬浮指数的修正系数ZZ.,9组资料的平均值/?=1.16,即在Rouse公式中，假定泥沙扩散系数等于水流动量交换系数是合理的。分析实测资料的结果表明，卵石河流的悬移质浓度垂线分布符合Rouse公式，悬浮指数与理论值基本接近。5结论我国西南地区的河流水能资源丰富，是国家开发清洁再生能源的重要战略基地。这一地区的河流多为沙卵石河床，泥沙淤积和粗沙过机的水轮机磨损是在该地区修建大型水电站的关键技术问题。近年来，国外对卵石河流的水流

17、泥沙运动规律进行了大量的研究，由于水文量测相对比较困难，国内的研究成果还不多。本文根据都江坡二王庙站的实测资料，分析了时均流速和悬移质浓度沿的垂线分布，得出了以下结论：1. 时均流速分布与对数流速分布公式符合良好，卡门常数的平均值为0.40。积分常数与选择的当量粗槌度有关，当采用K,=1.75DW时，积分常数8=8.54,与常用的粗糙床面的积分常数一致。2. 悬移质泥沙的垂线分布与Rouse公式一致，悬浮指数与理论值基本接近。本文的研究结果对f修建在卵石河流上大型水利工程的过流建筑物的布局具有重要的价值。参考文献:2345678Meyer-PeterE,andMuller,R.Formulas

18、forbed-loadtransportC.Proc.Int.AssociationforHydraulicResearch,2ndMeeting,Stockholm,Sweden.1948.RennieCD,MillarRGandChurchMA.MeasurementofbedloadvelocityusinganacousticdopplercurrentprofilerJ.JournalofHydraulicEngineering,ASCE,2002,(5)：473-483.McNamaraJPandBordenC.Observationsonthemovementofcoarsegravelusingimplantedmotion-sensingradiotransmitters!J.HydrologicalProcesses,2004,(18):18711884.deBoerDH,HassanMA,VicarBMandStoneM.Recent(1999-2003