悬沙和床沙粒径悬殊范围更大。现在有关数学模型分组挟沙力计算方法和下面的讨论都是相当近似的。......
2023-06-22
挟沙能力公式的应用技巧探究
【摘要】：作者在前面关于挟沙能力公式结构形式分析时，曾经直接拟合张瑞瑾等原始公式，得到张瑞瑾公式的指数应该为式 。
5.6.1.1 挟沙能力公式指数的合理范围
张瑞瑾公式，挟沙能力和泥沙沉降速度成反比，表明泥沙越细、挟沙能力越大这是完全合理的。但是，根据不平衡输沙的河床冲淤方程，单组泥沙冲淤强度具有如下形式:
在上游来沙较少的冲刷情况下，有理由得到
根据这一公式，如果假设不同分组泥沙恢复饱和系数为常数，比如都取1，而且取挟沙能力公式的指数m＜1.0，式(5-112)表明明显冲刷情况下，粗泥沙冲刷强度远大于细泥沙。一般，在实际计算中，较粗沙分组泥沙的沉速比细泥沙分组大几个数量级，可见上述强度差别是非常严重的。换言之，冲刷后床沙将趋于细化。在水流强度比较低、没有进入普遍冲刷状态的范围内，这是明显不合理的。
作者在前面关于挟沙能力公式结构形式分析时，曾经直接拟合张瑞瑾等(1993)原始公式，得到张瑞瑾公式的指数应该为式 (5-37)。在通常情况下(U 3/g Hω ＜1000)指数都是大于1的。而U 3/g Hω ＜1000是长江、黄河主要资料的范围。可见，张瑞瑾等原始公式不会具有上述问题。至于输沙强度极强，所有泥沙都处于高强度冲刷的条件下，是否粗沙更容易冲刷的可能性是存在的，但需要认真研究。但是，目前泥沙数学模型对挟沙能力系数和指数的选取非常混乱。很多泥沙数学模型，包括很多在三峡和黄河重大工程中大量应用的模型都选取小于1的挟沙能力指数，其合理性值得研究。
5.6.1.2 平面二维模型挟沙力计算的问题
张瑞瑾公式是根据重力理论得到结构公式，然后依据断面平均的水沙资料经过回归分析等得到断面挟沙能力。理论上讲，这一公式应该适用于断面任意垂线，但是，由于该公式是非线性的，直接利用这一公式计算断面挟沙能力分布存在严重问题。
对如图5-126所示意的一个河道断面。根据垂线流速直接应用张瑞瑾公式于垂线，可计算出每个垂线的挟沙能力。由断面挟沙能力分布平均得到的断面平均挟沙能力 (图5-126中A)和根据平均流速和水深计算得到的断面平均挟沙能力 (图5-126中B)存在很大差别。通常前者大于后者，二者相差的幅度较大。对于滩槽明显的河道，有时差别可以达到一倍以上。应用这一公式和平面二维模型计算黄河河道冲淤时，常常发现主槽严重冲刷现象。作者发现，其主要原因就在于计算主槽挟沙能力严重偏大。如果假设张瑞瑾公式在一维河道是正确的，则有理由肯定:这一公式不能直接应用于平面二维泥沙数学模型，应用时必须对系数进行修正。关于修正方法，作者在二维数学模型计算中进行了一些初步的尝试和试验，取得一定的改进效果。但是，迄今没有得到普遍适用的公式。如何从理论上系统解决上述问题，仍然值得深入研究。
图5-126 根据式(5-36)计算断面挟沙能力分布存在问题示意
或者也有理由反过来认为，对天然河道，断面平均挟沙能力大小应该和断面形状等有关系。张瑞瑾公式的系数和指数不能反映这些特征、过分简化，可能使一维挟沙能力在有些断面情况下也不一定准确，这是公式的缺陷。比如，利用天然河道相对浅水的资料得到的挟沙能力公式(比如长江中下游资料)是否适用于水库泥沙计算 (比如三峡水库)，如果适用，其系数和指数应该如何选取更合理? 这些都是值得深入研究的问题。
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