从黄河冲积河道输沙规律看动床试验问题
2020-04-20 21:00阅读：
从黄河冲积河道输沙规律看动床试验问题
齐 璞
( 文摘 )
从黄河冲积河道实测资料的分析, 河槽水力几何形态,
动床阻力特性与河槽输沙特性之间的关系密切。在床面处在高输沙动平整状态时，河道处于多来多排的输沙状态，河床的冲淤取决于底沙的输移强度的变化，而与输沙的强度大小并无直接关系，d50=0.05~0.1mm的粗沙在洪水期也能顺利输送。从黄河冲积河道输沙规律可知，泥沙的输移特性与床面形态密切相关，要想使动床摸型中输沙状况与原型相似，必须保持模型试验中床面形态与原型相似。
( 关键词 )
床面形态 动床阻力
输沙规律
模型试验 冲积河道
黄河
黄河下游艾山至利津河段是冲积河道,
俗称山东河道. 河道平缓,
纵比降万分之一
,
河槽窄深,
平滩流量3000~6000m3/s,平滩时河宽400~600m,平滩水深3~5m,
流速均在2m/s以上.
关于这段河道输沙特性以往做了大量研究,
并得出许多重要认识。 如流量大于2000 m3/s,
河道的输沙特性呈现多来多排状态,
其河道输沙能力取决于上站含沙量,
在含沙量200kg/m3范围内均能顺利输送(
1) 。这一认识在黄河的治理中具有重要实用价值,
但形成这种现象的力学基础尚待深入研究。
河槽水力几何形态是水流与河槽形态、
动床阻力特性的综合反应,
河床冲淤不仅取决于水流条件,
而且还与床沙的水力特性,
底沙的运动特性有关.
河道的水力几何形态随流量的变化特性,
决定了河床的冲淤状态,
而洪水与底沙的相对运动决定了冲淤过程。
对这些问题深入地进行分析研究,
有助于了解河道的冲淤特性和输沙特性形成机理.
1.
河槽水力几何形态
河槽水力几何形态一般常用下列公式描述( 2
)：
B=K1Qβ1
( 1 )
H=K2Qβ2
( 2
)
V=K3Qβ3
( 3
)
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式中,
K值的大小反应变量的初值;
β值的大小表示水力几何形态随着流量的变率。
由水流连续公式Q=BHV可知,
K1K2K3=1, β
1+β2+β3=1。
当河槽形态为矩形时,
水面宽B为常数,
β 1=0 , β2=0.6 ,
β3=0.4 .
由于天然河流中的河槽形态极不规则,
且动床阻力也会随着水流条件变化,使得河槽水力几何形态较为复杂。
我们依据艾山、 泺口、
利津三个水站的实测资料, 研究河道的水力几何特性。
图1给出利津水文站实测流量与河宽,
水深,
流速的点群关系在双对数纸上不是直线,
而是以流量1500
m3/s为界斜率不同的折线,
各站流量的指数与系数列于表1。
表1显示,小于与大于1500m3/s时,
β值
K值有较大差别。下面着重讨论β值的变化
图1
利津站流量与河宽 水深
流速关系
与对水流特性及动床阻力的影响 。
表1
黄河山东河道水力几何形态特性
流量级
|
站名
|
K1
|
K2
|
K3
|
β1
|
β2
|
β3
|
<1500m3/s
|
艾山
泺口
利津
|
110
48.2
87.2
|
0.303
0.96
0.500
|
0.030
0.0216
0.0230
|
0.178
0.242
0.237
|
0.258
0.145
0.192
|
0.564
0.613
0.571
|
>1500m3/s
|
艾山
泺口
利津
|
300
215
208
|
0.018
0.0124
0.0208
|
0.186
0.376
0.220
|
0.032
0.032
0.014
|
0.645
0.742
0.613
|
0.323
0.226
0.283
|
从表1中β1值较大说明河槽宽浅,
随着流量的增加,
水面宽增加较快, 而在流量大于1500
m3/s时,
β1值较小,
表明河宽随流量变化很小
β2值的大小代表水深随流量的变化率,
在流量小于1500m3/s时,
β2仅0.145~0.258,
流量大于1500m3/s时,
β2值达0.6~0.7,
水深随流量增加变化很快, 河槽窄深。
流速随流量的变化取决于β3值,
流量小于1500m3/s时,
β3达0.58~0.61,
流速随流量增加变化较快,
在大于1500m3/s时,
β3值较小,
仅0.2~0.3, 流速随流量增加变缓。
2.
床沙组成的水力特性
从艾山、 泺口、 利津三站实测的组成可知,
D50在0.05~0.1mm间变化,
D >0.15mm的粗沙一般小于10%,
最大粒径为0.5mm。
黄河床沙组成较细, 粒度比较均匀。
从图2给出的用沙玉清公式计算得出的水深，粒径与起动和扬动流
速的关系( 6
)可知, 床沙粒径
0.07~0.2mm范围内,
均处于最容易起动的区域,
粒径由0.07mm增加到
0.2mm, 所需的起动流速均为
0.42 m/s,
但相应的扬动流速却由0.35m/s增加到0.76m/s。
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从图2给出的实测悬沙组成可知,
起动和扬动流速曲线交点粒径为0.080mm,
相当于悬沙组成中D95，
说明只有在泥沙的起动流速远大于扬动流速时,
才能以悬移的形式输送,
即泥沙颗粒一旦起动, 就可能顺利输移。
在床沙组成的级配曲线中,
大于交点粒径的含量一般占30%~70%,
其扬动流速远大于起动流速,
因此造成床沙虽然容易启动,
而难于以悬移的形式输送,
绝大部分仍以底沙的形式输送,
黄河床沙所固有的水力特性将会影
