天然河道一维恢复饱和系数的研究

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：所以，不能直接应用于天然河道一维泥沙计算，为此，本节采取侧向积分法推导适于天然河道总流的不平衡输沙方程即恢复饱和系数。可见，天然河道恢复饱和系数小于矩形渠道数值。而且，随河道水位变化，恢复饱和系数在平滩水位附近存在一个最小值。根据河流动力学研究，河道平滩水位的造床作用最大，因此，利用天然河道冲淤资料反算或率定恢复饱和系数可能突出反映了造床流量的效果，得到的恢复饱和系数较小。

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图5-5　均匀流动(理想)条件下的恢复饱和系数

式(5-15)所给出的恢复饱和系数都是大于1的，这与林秉南 (Lin et al，1984)，Falconer和Owens(1990)等的结果定性一致，但他们的恢复饱和系数没有区分冲淤状态。但是，从数量级上看，式 (5-15)与韩其为等(1980)的经验系数值相差很大。作者认为，韩其为等的经验系数反映了冲淤状态影响，而且事实上也包含了天然河道断面形态等复杂因素的影响，是综合参数。但是，这些经验系数不一定对所有河流都成立，对一般情况是否适用需要检验。

式(5-15)没有反映断面形态影响。所以，不能直接应用于天然河道一维泥沙计算，为此，本节采取侧向积分法推导适于天然河道总流的不平衡输沙方程即恢复饱和系数。首先，假定由式(5-15)计算恢复饱和系数的不平衡输沙方程 (5-1)可适用于天然河道中宽度为δy 的流管。由于河道断面横向流速和泥沙分布对泥沙输移影响很大，因此，下列推导基于两点假设:

(1)河道横断面上的流速分布与垂线水深成幂的关系，即

(2)沿河道横断面悬移质浓度与水流挟沙能力具有相同的分布形式。

在一维条件下假设(1)是可以理解的，实际上关于流速横向分布的速度图法就是基于这一假设。在相对顺直河段，水面坡降可以认为沿河宽均匀分布，由曼宁公式可得式(5-16)的指数等于v=2/3。天然河道中，滩地和水深小的地方由于植被等因素影响阻力更大，有时甚至形成回流等附加流动，这一指数有可能大于2/3。有横向流速分布资料时，可以根据资料确定v，否则可直接采用v=2/3。假设(2)主要是考虑到决定泥沙浓度横向分布与决定挟沙能力分布因素是一致的，并且由于挟沙能力是泥沙浓度在空间和时间上的极限平衡状态，从量纲和谐的观点看，对没有人为干扰的自然河段，泥沙浓度横向分布应与挟沙能力分布形式一致。但在动态不平衡条件下，假设(2)非常近似。引入相对水深变量:

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