汉江中下游河道最佳弯道形态的研究

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1、http://www.paper.edu.cn1汉江中下游河道最佳弯道形态的研究张俊勇，陈立（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉，430072）摘要：在前人研究的基础上，认为河道最佳弯道形态不仅与水流条件有关，也决定于河床周界条件包括河岸组成粒径和沙粘土组成。建立了河道最佳弯道形态曲率半径的表达式，并结合汉江中下游弯道实际，建立了该河道最佳弯道形态的经验公式。该公式对于水利工程和航道工程中弯道形态的确定具有一定的参考价值。关键词：最佳弯道形态经验公式航道0.前言天然河流，弯曲河流是最常见的河型。几乎不存在超过10倍河宽的直河段。在自然条件下，弯道是不断发展的，因

2、而其河床形态也在经常变化，但是在河湾的发展过程中，具有某种形态的河湾却有相对的稳定性，它和其他形态的河湾比起来具有更多的出现机会，出现以后维持的时间也较长。这种河湾不仅变化小，河床形态也比较规则，水流平顺，滩槽水位差比较小。这种弯道形态在河道整治中常常被人们用来作为整治的楷模，我们称之为河道最佳弯道形态。河道最佳弯道形态的确定至今缺少有效和通用的方法。在航道整治的工程实践中，人们往往采用寻求优良的弯道作为典型的方法，来确定河道最佳弯道形态，这种方法，可靠性相对难以保证。结合丹江口水库下游汉江航道整治工程的实际，我们对汉江中下游最佳弯道形态的确定进行了初步的研究。1.弯道的平面形态

3、单个弯道的弯曲程度是沿程变化的，但在一定的范围内常近似为圆弧形，因而可用圆弧的半径R来表示其弯曲的程度，这一半径称为曲率半径R，其倒数为曲率。曲率最大的地方为弯顶，某一弯段进出口间包围的圆心角为中心角θ。包含两个弯段和过渡段的相应点之间的直线距离称弯距或河弯跨度Lm，相邻两反向弯顶间的横向距离为摆幅Tm，沿河槽长度河沿河长度的比值称为曲折率（图1）。图1弯道基本要素人们往往用弯曲半径、中心角、弯距等基本特征值来表示河湾的平面形态，对于稳定河[1]弯而言，它们与直段河宽的关系一般为：1973项目(2003CB415205)、国家自然科学基金项目(50479036)、湖北省交通厅项目

4、（汉江丹江口水库坝下径流调节河段航道整治关健技术研究）资助。张俊勇（1977.7－），男，博士，江西安福人，从事河流动力学及工程泥沙问题研究-1-http://www.paper.edu.cnR=(3-5)B(1)Lm=(12-14)B(2)2.最佳弯道形态研究2.1研究现状河流弯曲的原因至今没有定论，Langbein通过随机游移模式，认为河湾最可能出现的流路相当于()2∆φ∑=最小（9）∆x[2]近年来，Hans-HenrikStolum在G.Parker和E.D.Andrews等人的研究基础上，从分形的角度，研究了弯曲河道的自组织过程。这些研究揭示了弯道发育的几何过程，但对于

5、河流弯曲形成和发育的力学机理仍缺乏明确的结论。[1]通常认为，最佳弯道形态与河道尺度、流量大小有关。钱宁在统计了多条河流数据的基础上给出了Lm与平滩流量Q平的关系式1/2Lm=50Q平(3)[3]欧阳履泰在一般的力学原理基础上认为河曲的发育与稳定与运动水体的切向惯性力F=ρQVcosθ有关。并根据水流阻力曼宁公式及连续运动原理，认为曲率半径R由反应水流动量的流量Q和比降J决定(1/2∂R∝βJQ)（4）并结合部分弯曲河段的实测资料，得出了曲率半径R与流量、比降的经验关系，(1/2)0.83R=48.1QJ（5）[4]张笃敬应用上下荆江各河湾实测资料，经过相关分析，得到荆江河湾主流

6、线弯曲半径的经验关系式R=0.26R0.73(QH2/3J1/2)0.23(6)f必须指出，水流动力轴线的曲率与河槽的曲率是有较大区别的。当流量为平滩流量时，可以近似认为水流动力轴线即为河槽曲率。因此我们（6）作适当变形如下R0.27=0.26(QH2/3J1/2)0.23(7)f平（7）式较（5）式多了一个流量的函数H，从物理意义来讲两式是比较相似的。上述公式结构较简单，但多数是局部河段的纯经验公式，使用范围受到限制。此外，弯道是水流与河床相互作用的结果，只考虑水流动力而忽略河床条件的做法是值得商榷的。[5]Schumm统计了一些美国河流认为，随着河床和河岸组成物质中粉粘土含量

7、的增大，河湾跨度有减小的趋势：0.48−0.74L=1.935QM（8）mm[6]其中M为河床和河岸组成物质中粉粘土的含量。G.V.Chitale曾根据42条河流的实测资料，得出了如下经验公式：−0.065−0.077⎛B⎞⎛D⎞−0.052s=0.917⎜⎟⎜⎟JF（9）⎝h⎠⎝H⎠-2-http://www.paper.edu.cn−0.471−0.050⎛B⎞⎛D⎞−0.453Hm/B=36.3⎜⎟⎜⎟J（10）⎝h⎠⎝h⎠其中D为床沙代表粒径。该式表明：河床组成物质越细，