卵砾石沙波临界水流条件的水槽试验-论文.pdf

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1、第24卷第3期水科学进展V01．24．No．32013年5月ADVANCESINWATERSCIENCEMay，2013卵砾石沙波临界水流条件的水槽试验付旭辉，杨胜发(1．重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆400074；2．重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆400074)摘要：以往对沙波的研究多针对河流中下游、河口海岸段的细沙(粒径D<1mm)，而长江上游等卵砾石输移河段(D>2mm)是否会出现沙波以及卵砾石沙波的临界条件，尚需开展进一步研究。通过长江上游九堆子、筲箕背等卵石滩的现场踏勘，观察到明显的天然沙波形态。采用中值粒径D。=1．8mm和5．3mm

2、的天然沙和D=4．8mm的轻质沙进行水槽试验，成功模拟出砾石沙波。根据恒定均匀流条件下，产生沙波的比降、水位、流量等水流条件及试验沙的粒径、比重，提出卵砾石沙波的l临界条件公式。结果表明，卵砾石沙波的临界条件可以用量纲起动功率、R／D及比降s表达，并据此提出判别系数G。当研究河段的卵砾石输移带上的水流条件满足判别系数G，则可以判断能够产生沙波现象。关键词：卵砾石；沙波；泥沙输移；水槽实验；临界条件中图分类号：TV142文献标志码：A文章编号：100i一679l(2013)03—0379．07山区河流的推移质泥沙主要由粒径较粗的卵砾石组成。在大比降、高流速的水流条件下，其输移过程中除

3、了滚动、滑动、跃移、层移的运动型式外，是否会以卵砾石沙波的形态运动将直接影响河床阻力、泥沙输移、河势演变的预测与计算，是河流动力学中值得研究的重要问题。沙波运动的研究，最早由Kennedyll系统提出沙波形态的分类，即按照水流强度的大小，依次经历平整一沙纹一沙垄．动平整一逆行沙垄一阶梯深潭等形态，并对各个形态的特征和判别条件进行了详细阐述。钱宁和万兆惠总结了Vanoni、Liu、Albertson、Hill和法国Chatou实验室等多学者的研究成果，得出了沙波形态分类及各沙波形态间的临界条件。Karim在整理多家试验数据的基础上将相对波长L／d和能量损失系数K引入计算相对波高h／d

4、的计算公式中。Coleman等、Niemann等、Vries等、Gaeuman和Jacobson相继采用数值模拟、大型水槽试验、野外原型观测等方法对沙波的相对几何尺度及发生机理进行了研究。赵连白和袁美琦采用中值粒径D=1．02～6．58mm的轻质沙(阳泉煤)进行了沙波运动的水槽实验，并结合实测资料推求沙波尺度及运动速度的表达式。此外，詹义正等”。。也对沙波运动机理进行了系统研究。目前，对细颗粒推移质沙波尺度和运动速度的研究已经较为充分。沙波的研究区域多位于河流中下游及河口、海岸地区，针对沙粒粒径范围多为2mm以下的细沙或者2mm左右的轻质沙进行模拟研究，对2mm以上的卵砾石研究相对

5、较少。而在长江上游等山区型河流中，床沙多为粒径20～100mm的卵砾石¨。。，且河道中卯砾石浅滩较多，对当地航道条件影响较大。这些卵砾石是否以沙波形态运动，如何预判出现沙波的临界条件对于山区河流的通航安全、河床演变分析具有重要的工程意义，因此有必要开展进一步研究。收稿日期：2012．03—16；网络出版时间：2013-03—27网络出版地址：http：／／www．cnki．net／KCMS／detail／32．1309．P．20130327．1514．011．html基金项目：“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAB05B03)；重庆市科委自然科学基金资助项目(CSTC2

6、011GGC036)作者简介：付旭辉(1976一)，男，湖北武汉人，副教授，博士，主要从事水力学及河流动力学、水利T程方面研究。E—mail．fuxuhui@cque．edu．cn第3期付旭辉，等：卯砾石沙波临界水流条件的水槽试验38l基本处于冲淤平衡状态。如图3所示，水槽总长28m，由上游向下游分别为3m人口段、10m固化床面水流调整段、12m动床试验段、3m尾部集沙段。一级水箱图3高精度水槽试验布置Fig．3Setupofexperimentflume试验用沙采用筛分粒径1～3mm、3～6mm的天然卵砾石，作为数据对比同时选择4～6mm的轻质沙(荣昌精煤)，试验沙参数见表1，其

7、非均匀系数<1．3，为均匀沙。表1水槽实验用沙特征统计Table1Statisticscharacterofsandinflumeexperiments沙波实验采用0．15％～0．70％的底坡，3组试验沙每组变换4～6组比降，每组比降变化3～5组流量，共完成69个组次的试验。流量控制从泥沙个别起动逐步增加至可见明显床面规则起伏(沙波)，记录出现沙波的临界水流条件及其上一级水流条件，包括比降、流量、水位、温度等(表2)。每次试验即使没有出现沙波，亦持续6～12h，以保证