山区河流卵石推移质的输移特性.doc

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1、山区河流卵石推移质的输移特性摘要：通过对床面颗粒的受力分析，在岷江都江堰河段和青衣江姜射坝河段的实测资料基础上，导出了卵石推移质运动状态数与爱因斯坦的推移质运动强度函数的关系，能较好地反映四川山区河流卵石推移质时均输沙率与水沙因素的关系。用对数正态分布描述卵石推移质输沙率的随机特性，证明在95%的置信水平下是成立的。关键词：泥沙推移质随机特性1前言　　四川都江堰从公元前250年沿用至今，其成功经验是巧妙地运用了螺旋流凸岸排沙的原理和严格的岁修清淤制度[1]。进一步认识岷江都江堰河段卵石推移质的输移特性，对山区河流水利水能资源的开发将具有普遍意义

2、。　　我国西南地区的山区河流，坡陡流急，集流散流过程迅速，洪水猛涨猛落，水位流量变幅大，水流挟沙能力变化急剧，山区河流通常河谷狭窄弯曲，两岸地质构造发育，岩石风化破碎，构成河床的床沙多为砾石、卵石挟沙物质，颗粒粗，级配分布宽。这种宽级配床沙中的一部分，在水流作用下，沿床面滑动、滚动或在近床面跃移而形成推移质，这种卵石宽级配推移质输移具有与一般沙质推移质不同的输移特性，其输沙率与水流强度、来沙特性和床沙组成之间，形成相互反馈、错综复杂的关系。现有的推移质输沙率的研究成果多系根据室内水槽试验资料得出，且主要限于均匀沙，其中大部分属于1mm以下的中、

3、细沙；难以正确反映卵石推移质运动的特点，由于卵石推移质输移过程的复杂性，许多现象，如宽级配床沙颗粒在床面的不同排列状况及其对输沙率的影响，输沙率在时间上的强烈脉动和在空间上的不均匀、不连续等，都很难在水槽中重演，这就必然使基于水槽资料所取得成果的实用性受到限制。为了逐步深入认识、卵石推移质的输移规律，除需要继续进行一些精心设计的、有创造性的水槽试验外，直接利用现有的水文测验部门花费了大量人力、物力取得的实测卵石推移质资料，来研究、阐明有关的问题，是十分必要的。本文用岷江都江堰河段1977年至1985年期间进行的20组共718测次和青衣江梯子岩水

4、文站姜射坝河段1984年和1985年的89测次的实测卵石推移质资料，对卵石推移质输沙率与水沙因素的关系，输沙率的随机特性进行了初步探讨。2卵石推移质输沙率与水沙因素的关系　　岷江上游流经高山峡谷，平均河床比降为8.2‰，至都江堰河段放缓至5～6‰，汛期断面平均流速在3m/s以上。都江堰河段的泥沙主要来自上游干支流，其间包括三迭纪地震区，岩体破碎，风化严重，粗颗粒丰富，推移质粒径范围为0.15～200mm[2]。按美国地球物理学会泥沙分类标准，都江堰河段推移质中的80%以上为卵石。　　都江堰河段床沙级配曲线由中泓线处用坑测法测得，其最大粒径为51

5、0mm，个别达7006mm，最细为0.15mm，级配宽达4个数量级。1973年都江堰河段汛后鲤鱼沱床沙的坑测结果，其表层全部由大于40mm卵石组成，次表层中的50%粒径小于40mm，说明河床明显粗化。　　图1和图2分别为时均卵石推移质输沙率与断面平均流速和流量的关系。图1卵石输沙率与平均流速关系Relationshipbetweenpebblebed-loadtransportrateandaveragevelocity图2卵石输沙率与流量的关系Relationshipbetweenpebblebed-loadtransportrateandd

6、ischarge　　实测点散布成接近水平的带状，虽有输沙率随水流增强而增大的趋势，但同一流量或流速，相应的输沙率相差可达数十倍至数百倍。按生产部门常用的资料整编方法，输沙率与单一水流因素的关系可用指数形式表示QS=aQb或QS=cVd　　式中QS为输沙率，Q为流量，V为断面平均流速，根据大量实测资料分析，都江堰河段的指数b=10～20、d=14～34；姜射坝的b=12、d=20，过高的指数值表明，以推移质输沙率与单一水流因子建立关系，不能正确反映卵石推移质的复杂运动规律。下面，通过对床面泥沙颗粒的受力分析，导出一个包含水流条件和泥沙颗粒特性的表

7、征卵石推移质运动状态的无量纲数。　　水流作用于床面颗粒顺水流方向的拖曳力F1＝Cdad2ρU2d/2＝CdA1ρU2d/2　　水流作用于床面颗粒垂直水流向上的上举力F2＝Cρad2ρU2d/2＝CρA2ρU2d/2　　泥沙颗粒的水下重W=a3g(ρs-ρ)d3　　床面对泥沙颗粒的摩阻力F3＝f(W-F2)　　以上ρ、ρs分别为水及泥沙颗粒的密度，Ud为作用于颗粒顶部的流速，Cρ为上举力系数，d为某组床沙的粒径，A为颗粒的迎流面积，a为颗粒的面积形状系数，a3为颗粒的体积形状系数，f为摩阻系数。　　泥沙颗粒沿床面运动的临界条件为F1=F3，即aC

8、dd2ρU2d/2＝fa3g(ρs-ρ)d3-fad2CρρU2d/2　　于是U2d/g(ρs-ρ/ρ)d＝2fa3/2Cd＋faCρ6　　令上式右部