非恒定作用下的泥沙起动流速

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：9.2.1.6床面抗冲表层破坏机理及计算方法推移质交换层厚度的确定直接影响河道变形数学模型计算正确性，尤其是床面形成抗冲表层的情况。

9.2.1.1　非恒定作用下的泥沙起动流速

流速服从指数分布时，按唐存本(1963)提出的底部速度与水流速度的换算公式为

式中:系数m=4.7(h/D)0.06，天然河流m 取值6;ub为作用流速;Uc为起动流速;D 为泥沙粒径;h 为水深。

非恒定流涨落过程的流速分布就不服从上述分布，而且涨落过程流速分布规律不一样。这种情况下，计算起动流速就要进行适当修正。假定非恒定作用下的底流速可以表达为

式中:系数m=4.7(h/D)0.06，天然河流m 取值6;ub为作用流速;Uc为起动流速;D 为泥沙粒径;h 为水深。

由式(9-1)及式(9-2)有

可见，恒定流与非恒定流作用下的泥沙起动流速是不同的，非恒定流的影响值得注意。

9.2.1.2　三维水流下推移质平面二维输移

天然河道水流均为三维水流，水流结构比较复杂;室内推移质运动水槽试验均为一维或二维恒定均匀流;由于三维水流对推移质运动产生的影响，目前的推移质运动计算方法和计算公式尚不能完全表达。

9.2.1.3　推移质非饱和输移

推移质运动是否存在非饱和输移问题一直有不同认识，多数学者认为推移质恢复饱和的速度很快，恢复距离很短，基本上可以看成是饱和输沙或平衡输沙。对于均匀流和均匀沙，这种看法无疑是正确的。然而由于推移质输沙率随水力因素、床沙级配和床沙位置特性的变化比悬移质运动更为敏感，恢复饱和并不容易。天然河流都是非均匀流和非均匀沙，尤其是床沙级配和床沙位置特性沿程不断发生变化，输沙一直处于重建平衡状态的过程中，这种过程表现为床沙一直处于粗化细化交替发展。因此，探讨推移质非饱和输沙过程及其非饱和输沙过程中的泥沙输移计算问题在理论上和河道变形模拟计算中都是十分必要的。

9.2.1.4　水流紊动强度与尺度对推移质运动影响

室内水槽试验中，水流一般是均匀流，河床坡度都是或接近均匀，水槽壁面也是顺直的。然而，天然河流中经常遇到各种河型突然变化(如山岩山嘴突出等)和修建人工建筑物(如丁坝等)情况，这些河道突变和人工建筑物除影响水流流态外，还将对水流紊动强度产生很大影响，从而导致泥沙起动特性发生变化。水流紊动(纵向、横向)强度与尺度对推移质运动影响问题的研究对于沙卵石推移质运动分析十分重要。

9.2.1.5　卵石不同排列方式对抗冲性能的影响

天然河道卵石均非圆球体，而是千姿百态的不规则体，其长轴、中轴和短轴差别较大。在一些河道中，由于卵石形状、河床冲刷粗化等原因，往往在河床表层形成抗冲表层，其床面卵石排列成“叠瓦状”，不易被水流冲刷他移。目前，有关卵石起动研究均以圆球体为准进行，难免与实际发生偏离。

9.2.1.6　床面抗冲表层破坏机理及计算方法

推移质交换层厚度的确定直接影响河道变形数学模型计算正确性，尤其是床面形成抗冲表层的情况。一些河流中床面抗冲表层往往粗于次表层泥沙，若床面抗冲表层被冲刷破坏，次表层泥沙将被冲刷他移而成推移质，河床冲刷将会进一步发生;反之，床面抗冲表层不被破坏，推移质泥沙仅限于床面抗冲表层，冲刷将不会进一步发生。目前，对于抗冲表层的形成与破坏机理，有待于进一步探讨。

9.2.1.7　游荡性卵石河流泥沙问题

游荡性卵石河流，如岷江金马河段，四川汉源的流沙河，河床比降较大，可达到2%以上。其上游更是坡陡流急，一旦进行入地势开阔平坦河段，河水携带固体物质的能力突然变低，致使年均大量的推移质和悬移质沿河淤积，河床逐年抬高，河洲遍布，滩沱相间，河床左右摆动不定。河床宽窄不均，河床甚浅，洪枯流量变幅大，容易形成宽、浅、散、弯的典型平原游荡性河流，小水漫滩，给防洪带来新的困难。