由于复式河槽滩地植被的覆盖，原本复杂的复式河槽水沙特性更为复杂。复式河槽随着流量增大、水位抬高，当水位超过滩地高程时洪水漫滩，产生一系列水流结构、水流阻力、泥沙输移和河床演变的复杂变化。这种游荡性河流断面形态呈现复式河槽的特点。为了保护堤防的安全，应采取保护岸滩的措施。岸滩种植植被，利用根系保护土壤，避免水土流失，起到固滩固岸的作用。......
2023-06-22
全动床复式河槽的水沙特性分析
【摘要】：全动床复式河槽由两个对称的滩地及主槽组成，水槽长50m，宽度6m，深1m，由中值粒径为0.8mm 的天然沙均匀构筑而成。图9-20全动床复式河槽初始断面形态全动床复式河槽水槽试验研究:河道完全粗化后能量损失、阻力系数沿程变化，推移质输沙率的变化特性，床沙中值粒径的横向变化与沿程变化等。这种趋势可以表达为图9-21不同坡度的沿程变化归槽水流;漫滩水流图9-23为清水作用下全动床复式河槽输沙率随时间的变化关系图。
全动床复式河槽由两个对称的滩地及主槽组成，水槽长50m，宽度6m，深1m，由中值粒径为0.8mm 的天然沙均匀构筑而成。为了使河道床面形态充分发展，主槽泥沙厚度为14cm。另外，主槽边坡sm为1.75，主槽底宽为0.60m，每侧滩地宽度为0.85m，滩槽高差为0.20m，如图9-20所示。复式河槽长31m，其中试验动床段长27m，粗卵石过渡段长4m。过渡前设置了3m 长的消能段。这里考虑了两个流量 (0.080m3/s 和0.180m3/s)，一个为归槽水流流量，另一个为漫滩流量。每组试验河道初始底坡均为2‰(杨克君，2006)。
图9-20 全动床复式河槽初始断面形态
全动床复式河槽水槽试验研究:河道完全粗化后能量损失、阻力系数沿程变化，推移质输沙率的变化特性，床沙中值粒径的横向变化与沿程变化等。如果以水面坡度代替能坡，是会产生误差的。阻力系数与能坡的沿程变化趋势是相似的，而这种沿程变化趋势又与床沙代表粒径变化趋势总体相一致。不同坡度的沿程变化如图9-21所示，阻力系数的沿程变化如图9-22所示。
图9-21 不同坡度的沿程变化
(a)归槽水流;(b)漫滩水流
图9-23为清水作用下全动床复式河槽输沙率随时间的变化关系图。从该图可以看出，在清水作用下，输沙率表现出两种趋势，即先随时间单调递增，而后随时间单调递减。这种趋势可以表达为
图9-22 阻力系数的沿程变化
(a)归槽水流;(b)漫滩水流
即
图9-23 输沙率随时间的变化特性
河道急剧展宽发生在清水作用初期，而且作用时间很短。在特定的试验条件下，全动床复式河槽滩岸侵蚀速率在空间上变化趋势为:越往下游，同流量下的滩岸侵蚀速度越小。与初始河道相比，主槽床面沿程始终处于淤积状态，而主槽两侧均处于冲刷状态。冲刷或淤积面积均有沿程减小的趋势，这与流速总体沿程减小相一致。尽管初始断面是对称的，床沙初始级配是相同的，但主槽两侧断面冲刷面积并不相等。
运用仙农熵 (Shnnon Entropy)的概念与理论，推导了清水作用下粗化过程中推移质输沙率公式。
无论是输沙率单调递增段还是单调递减段，推移质输沙率公式都具有相同的表达形式。
据此，导出了随机变量X 表达式的一般形式。假如Y 属于区间 [A，B]。根据随机变量X 在区间[A，B]上的变化特点，可以将区间分为N 个单调区域，则式 (9-34)也可以表达为
假定这里讨论的随机变量(如输沙率，粒径，纵向流速，稳定床面的横向坡度等)均为正的那类，即X＞0，从式(9-35)可知
这说明，参数ki的取值与曲线X =X(Y)凹凸的关系。若曲线上凹，ki取负值;反之，若曲线上凸，ki取正值。
推移质输沙率计算结果与实测结果如图9-24所示。
图9-24 清水冲刷过程中推移质输沙率随时间变化
(a)归槽水流;(b)漫滩水流
无论是归槽水流还是漫滩水流，推移质中值粒径均有先随时间大幅度增大的趋势，后随着时间的增加中值粒径增加的幅度减小，最终将趋于某一恒定的值。这种变化特性可用X 一般形式的表达式进行预测。全动床复式河槽推移质运动不仅存在纵向的沿程分选，还存在横向的沿断面分选。
另外，Liu et al. (2005b)在小型水槽也进行了全动床复式河槽的试验研究。根据水槽复式断面动床实测资料，分析垂线流速和紊动强度分布，以及处于稳定状态的断面形态分布。在某一相对高度以上，垂线流速服从对数分布。在该相对高度以下，流速随水深线性变化。对于不同的流量，纵向、横向和垂向紊动强度具有相似性。先随着水深的增加而增强，当到过最大紊动强度后，其变化趋势相反。经过四个流量连续作用后处于稳定状态的床面形态也进行了分析。在河宽调整的过程中，由于清水作用，主槽淤积和主槽边坡与滩地冲刷。通过分析发现，处于稳定状态的床面形态满足抛物线分布。
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