潮汐河口悬移质动床实物模型的理论与实践论文

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1、潮汐河口悬移质动床实物模型的理论与实践论文摘要：河口泥沙一般较细，其河床变形多取决于悬移质的运动。文章论证了悬移、起动与河床变形相似为潮汐河口悬移质动床实物模型泥沙运动的主要相似条件，模型沙主要按悬移与起动相似条件选择；提出并介绍了采用轻质沙后挟沙相似的满足、时间变态的处理原则与经验；此外还讨论了模型选沙中的一些理论与技术问题。关键词：潮汐河口实物模型相似准则起动悬移沉降速度1前言潮汐河口水流为典型的非恒定往复流，流态复杂多变，潮流随时间的变化远较径流迅速，涨、落主流流路也常不一致；泥沙既有径流挟运，也有海域带来，并因径流与潮流比值不同分别形成口门处的拦门沙或口门以内的纵向沙坎1。这一切.

2、freel(1)式中下标p与m分别表示原型与模型。3.1几何相似河口多较宽阔，宽深比较大，因而除局部模型作成正态，从而λx=λy=λz=λ1外；河口整体模型多为变态，其几何相似为平面比尺λx=λy=λ1(2)铅直比尺λz=λh(3)3.2水流运动相似如前所述，河口模型多作成变态，因而铅直方向的物理量及水平方向的物理量沿铅直方向的分布不可能相似，但各物理量沿铅直向的垂线平均值仍然相似。为此，考虑平面二维非恒定流运动方程(4)(5)连续方程(6)式中u、v分别表示x、y方向（正东与正北）的垂线平均流速，z为水位，R为水力半径，C为舍齐系数，ω地系地球自转角速度，φ为所在地纬度。运用相似变换，由

3、(4)～(6)式，甚易得到惯性力重力比相似λu=λv=λh1/2(7)惯性力阻力比相似λc2=λ1/λR(8)水流连续相似λt=λ1/λu(9)河口常较为宽浅，边壁阻力可以忽略，从而λR≈λh；由C=1/nR1/6，经相似变换，（8）式可改写成(8')水流运动的主要相似条件如表1所示。对具宽浅特性的潮汐河口，惯性力与阻力的影响占主导地位，柯氏力影响较小，地转效应一般可以忽略。模型水流必须为紊流和表面张力限制条件亦如表1所示，相应式中的p.m脚标分别表示原型与模型，Re为雷诺数，V为断面平均流速，Δ为床面糙度，对于平整河床，当d0.5mm时，取Δ=d50，当d≤0.5mm，取Δ=0.5mm，

4、C0为无尺度舍齐系数，ν为水的运动粘滞系数［11］。3.3泥沙运动相似根据潮汐河口一维不平衡输沙方程和河床变形方程(10)(11)式中A、B、Q、V、S、S*、ω、α、z0与ρ′分别为过水断面积、河宽、流量、断面平均流速、断面平均含沙量、水流挟沙力、泥沙沉降速度、泥沙沉降机率、河底高程与泥沙干密度。运用相似变换，可以得到悬移相似(12)挟沙相似(13)河床变形相似(14)由于水流挟沙力S*一般以平衡状态下水流能挟带悬移质中床沙质的断面平均含沙量表达，因而，比尺关系（12）～（14）采用一维不平衡输沙方程与河床变形方程推导（由二维方程组可推得同样结论）。对于变态模型的悬移相似条件，国内长期采

5、用两种不同的相似准则12，其一如（12）式，另一种为，还有，n按

6、(S-S*)/S*

7、1的资料占全部资料的百分数P*分别取0.5、0.75与1.013。林秉南从泥沙扩散方程的原始形式出发，论证了泥沙扩散或掺混相似即相似准则（12）式的唯一性14，认为扩散或掺混包含了悬浮和沉降，指出后一种及其他表达式是因为推导过程中引入了若干假设，其中包括流速分布式(15)式中u*为摩阻流速，y为水深坐标。如前所述，变态模型水平向物理量沿铅直向分布并不相似，因而，据以推导的悬移相似的其他表达式均不合理，将（12）式命名为沉降相似也不够严谨。事实上，国内前述几个悬移质河口模型均采用（12）式取得了验证的成功，

8、因此，可把（12）式作为悬移相似条件。河口河床冲淤交替，因而，对于悬移质动床模型，还应遵循起动相似(16)式中Vc为泥沙的起动流速。将上述泥沙运动的主要相似条件一并列入表1。表1潮汐河口悬移质动床模型主要相似准则Majorsimilaritycriteriaofmovable-bedmodel1.5cm河床变形相似?研究悬移质的运移，扬动本系一不可忽视的因素，然由于扬动流速所表达的临界状态，至今尚无公认的明确认识；必须运用悬移质动床模型常是因为悬移质的运动对河床冲淤变化起着决定性作用，此时，悬移与起动的模拟明显比扬动重要；因此，河口悬移质动床模型，扬动可不必作为主要相似条件。仅当河口悬沙与

9、底沙粒径差异较大（如某些发源于近海丘陵的小河河口）、两者对河口河床变形均起着不可忽视的作用、而不得不作成全沙模型时，底、悬沙粒径的较大差异使扬动相似对于悬移质已显得比起动重要，从而悬移质遵循悬移与扬动相似准则，推移质则服从起动相似条件。4模型沙选择悬移质动床模型主要根据悬移与起动相似条件选沙。对容易获得的几种模型沙，按d50各初选几组粒径，结合模型沙其他特性、购买难易与费用，选悬移与起动均符合较好者。河口悬沙级配多较均匀