明渠水流边壁影响修正的计算方法.pdf

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1、泥沙研究2010年10月JournalofSedimentReseareh第5期明渠水流边壁影响修正的计算方法胡旭跃，程永舟，刘斌，李冬(1．长沙理工大学水利学院，湖南长沙410076；2．湖南水利水电职业技术学院水利工程系，湖南长沙410131)摘要：针对窄深明渠及岸壁附近的明渠水流泥沙运动进行研究时，常常需要除掉岸壁的作用以便了解床面剪切应力的影响。以往对边壁影响修正的方法是基于一些没有完全被验证的假设，床面剪切力的计算数值可能受所采取的边壁修正的方法影响。本研究在分析可靠资料的基础上，发现爱因斯坦对数阻力公式不但可以用于计算不同断面形式的平均的水流情况，而且可以分别用于边壁和床面的阻力

2、计算。将分别对应于边壁和床面的爱因斯坦阻力公式应用阻力计算中，可以解决方程组不闭合的问题。试验资料分析表明，本文提出的方法有较高的精度。关键词：剪应力；明渠流；岸壁；河床中图分类号：TV148文献标识码：A文章编号：0468—155X(2010)05-o055_04岸壁对宽浅型明渠主流区的作用相对较小，通常被忽略，河床剪应力常被认为沿河宽是均匀分布的，可以通过分析力的平衡关系计算出来。宽深比不太大的矩形、梯形等断面中及岸壁附近的流动，边壁的影响必须予以考虑，这与二维流动情况已大不相同。随着流动距岸壁的距离减小，边壁对水流的影响逐步加大。大量的水槽试验及现场观测资料还揭示，在岸壁附近，流速等值

3、线已不是水平直线。上述事实说明，仅考虑槽底剪应力对水流影响的模式，已不能适应解决岸壁附近水流问题的要求。1矩形过水断面周界切应力分析一般情况下，顺直的矩形断面明渠均匀流阻力由二部分组成，它们分别为槽底阻力、岸壁阻力。此时将矩形断面分割成了A，，A三个区域，A对应于槽底作用部分，对应于岸壁作用部分。若断面平均剪应力以表示，则常根据阻力可加性关系，以下式表达总阻力pT=P66+2p(1)式中P表示湿周=yRJ(2)尺，(3)L7_=TRJ式中、分别为对应于槽底及岸壁的能坡，、R分别为对应于槽底及岸壁的水力半径。若取．，、．，与-，相同，就是水力半径分割阻力的模式，将(2)、(3)式代人(1)式p

4、yRJ=P6TR6J+2pTRJ可简化为A=A6+2A(4)式中A、A分别为作用于槽底及岸壁的过水断面积。收稿日期：2008_o7—29基金项目：国家自然科学基金项目(51079009)；湖南省教育厅科学研究重点项目(09A004)作者简介：胡旭跃(1962一)，男，湖南长沙人，长沙理工大学教授，主要从事河道水流运动及航道整治技术等方面的研究。55(4)式实际上就是断面的几何条件。，的解决决定于A，A的划分，由于通常情况下并不知道断面的流速分布情况，无法得出两部分水流的分界线，必须补充一些假定。Einstein¨曾经假定U=U6=U(5)式中U、U分别为作用于槽底及岸壁的部分断面的平均流速。

5、假定各部分分别流动，则均应满足均匀流的运动方程。对各部分分别使用曼宁公式，考虑到各比降均等于明渠的纵比降。当n=n6=n时R=R=R(6)=(7)国内外许多学者对矩形明渠边界切应力进行过试验研究，其中Knight和MacDonald曾对(5)式的可靠性进行过分析研究，认为(5)有一定的误差。胡春宏、惠遇甲等的分析认为宽深比小于6．5时(5)式不成立；在宽深比大于6．5时(5)式成立。但从他们分析的资料来看，在宽深比大于6．5时，／u的分散度与Knight等得出的结论基本一致。再分析Knight1981年发表的试验资料，(5)式不能成立。为避免假定的任意性，张书农、唐存本，韩其为¨认为一般情况

6、下，不能主观地假定(5)式成立，而应按照能耗极值原理，补充一个条件求解。采用张、唐的设想和韩其为的方法进行分析推论，其结果与Einstein方法存在同样的问题。Knight等采用水槽试验的方法，以水力半径分割法研究了矩形明渠流边壁及槽底平均切应力随宽深比的变化规律，试验条件涉及糙率沿湿周相同和不同的情况。Knight通过适配他们自己的试验资料，得出边壁平均切应力与宽深比的关系为7"／yhJ=0．Olot[tanhcrfl一0．5(tanhcrfl一)][B／2h](8)w槽底平均切应力与宽深比的关系为6／yhJ=1—0．O1[tanhTr／3+0．5(tanh~-／3一卢)](9)式中为平均

7、剪应力，下标W代表边壁，为水深，y为水流重率，曰为水槽宽度，Ot=exp[6．211—3．2641og(B／h+3)]，卢=1—0．2log(／k)。(k为当量砂砾粗糙高度)。以后杨树清¨及本文作者等先后根据一些假设补充了关系式，但仍然不能从理论上解决边壁影响的修正问题。晚近，Nian．ShengCheng¨等仍然采用(8)式讨论边壁影响的修正问题。2方程组的闭合应该看到，前述补充的关系多数是在一定假设基础上