明槽水流的非均匀沙挟沙力研究

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1、明槽水流的非均匀沙挟沙力研究摘要：本文从床沙、推移质及悬移质互相交换、衔接的物理图形出发，在力学、随机及紊动扩散分析基础上，提出了颗粒跃移及推移质、悬移质和全沙统一的新的非均匀沙挟沙力公式.文中公布了新近试验取得的57组非均匀沙挟沙力水槽资料，分析提出了反映混合沙中粗细颗粒互相影响的系数的关系，提出了悬移层与推移层交界面高度及浓度预报新的初步关系.应用本文提出的挟沙力系列公式计算验证了大量天然河流及水槽实测分组和总挟沙力资料，计算与实际符合较好.关键词：非均匀沙颗粒跃移悬移质挟沙力隐蔽暴露影响　　水流挟沙力是泥沙研究中的核心问题，是解决水库、河渠等大量泥沙

2、冲淤问题的关键.天然冲积河流中的泥沙一般都是非均匀沙，悬移质、跃移质及床沙通常都是互相交换、密切相关的，但迄今国内外大多数挟沙力公式从物理图形、原始推导上就与床沙组成无关，实际上是针对且只适用于均匀沙.一些公式经过各种经验性处理以后已用于非均匀沙计算，在生产上得到了广泛应用，但一般都未考虑混合沙中粗细颗粒间的相互影响，分组挟沙力计算精度难以提高，在河床连续冲刷计算中问题暴露往往比较明显.迄今，多数挟沙力公式将悬移质和推移质分割，生产上应用的多是并不匹配的二套公式，对于悬移质和推移质输沙并重的河流，如此作法存在不少问题.水流的非均匀沙挟沙力仍是一个远未解决的

3、重大生产和学术问题.　　　　H.A.EinstEIn［1-2］早在五十年代即提出了水流的非均匀沙挟沙力理论及公式，半个世纪以来的研究和实践表明，爱氏提出的总的物理图形比较合理.尤其是将床沙、跃移质和悬移质三者联系起来分析而不是将它们看成彼此孤立、分割的事物，这一点是意义深远的.这一物理图形中一个关键的环节是床面与悬移层之间过渡薄层(跃移层或准跃移层)内的水流泥沙运动规律，由于此近底层内规律非常复杂且试验困难，致使爱氏体系的理论发展比较滞缓，爱氏当初推导挟沙力关系时不得不作了很多假定，不少是有问题的.爱氏对颗粒跃移并未进行详细的力学分析和试验，诸多关键的跃移

4、参数相对值均以常数代之，与实际相差甚远，使其挟沙力公式计算成果与实际往往相差很大.　　R.A.Bagnold,M.S.Yalin及VanRijn［3］等很多学者都先后进行了颗粒跃移的力学分析或试验，取得了很多宝贵成果.自1986年以来，王士强、张仁、付晓及胡春宏、惠遇甲等分别对明槽水中颗粒跃移进行了力学分析和试验，取得了很大进展［4-6］，分别发现颗粒容重对跃移参数的影响规律，与以往所有认识均不相同.在颗粒跃移分析和试验基础上，王士强等提出了计算推移质输沙率的新公式［4］，进而提出了推移质、悬移质和全沙统一的新的非均匀沙挟沙力公式［7］，并得到了清华大学活

5、动大钢槽内试验取得的27组实测资料的良好验证［8］，二、非均匀沙挟沙力水槽试验成果　　本次试验在长16m宽0.5m的循环可调坡水槽内进行，槽内预先铺沙15cm厚，当放水足够长时间水流输沙达平衡后测量数据.原始床沙分细沙(F)及混合沙(M)两大类，各类原始床沙级配及特征粒径列于表1，表中颗粒分散度σ=(D84/D50+D50/D16)/2.试验床沙分散度虽不很大，但与黄河、长江等中下游沙质河流床沙分散度相近.试验共得57组资料，流量Q为0.021～0.126m3/s，水深H为0.094～0.231m，能坡J为(1.7-12.9)×10-3，含沙量C为13.7

6、～229kg/m3.表2、3分别为F及M类沙试验数据.所谓全沙指包括悬移质和推移质的水中全部输沙.　　　　　　　　　　　　　　　表1原始床沙级配及特征值试验类别原始床沙级配(mm)，(%)特征粒径(mm)分散度σ〈0.02〈0.06〈0.01〈0.02〈0.04D35D50D65DmF9.3744.3392.751001000.0500.0650.0780.0641.873aM1.4423.2043.9788.261000.0800.1070.1250.1121.797b0.8921.2845.9184.421000.0800.1050.1260.1231

7、.920c0.3213.2833.141001000.1020.1210.1440.1512.104表2非均匀沙挟沙力试验数据(细沙类)组次NO.流量Q//s水深H/m能坡J/1/1000水温T/℃含沙量C/kg/小于某粒径沙重%(全沙)＜0.02＜0.06＜0.10*10.1260.1632.45024.082.5125.8964.8790.0320.0570.2091.72020.826.5232.6472.2694.2430.1260.2234.74022.396.4023.4357.9690.0540.1030.2193.84023.050.902

8、2.3268.1298.7450.0860.2313.13023.