潮汐河口悬移质动床实物模型的理论与实践

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1、潮汐河口悬移质动床实物模型的理论与实践摘要：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

2、成口门处的拦门沙或口门以内的纵向沙坎[1]。这一切，使得河口的河床变化尤为复杂，对此，欧美诸国多以泥沙数模为主要研究手段，应该说，目前还极不成熟，尤其是局部工程对河床变形的影响。我国对河流实物模型的理论进行了长期的深入研究，积累了丰富的经验。河口水沙运动虽比河流复杂，但只要实物模型抓住所研究问题的关键，往往可获得较数学模型更为接近实际的结论。作者借助悬移质实物模型，对不同工程给钱塘江河口河床变形的影响进行了十年研究，其中两项围涂工程已根据试验实施，河床冲淤变化与试验预测符合良好，取得了显著的社会与经济效益。本文便是我们长期研究的总结。2潮汐河

3、口悬移质实物模型的特点与现状　　河口宽深比一般都很大，因此不得不做成变率较大的变态模型。经过长距离运移，河口泥沙大多较细，其河床变形多取决于悬移质的运动。细颗粒泥沙的絮凝沉降特别是含盐度的影响不容忽视；细颗粒泥沙的起动尤其起动流速的定量研究至今仍不充分，对具有往复流特征的河口泥沙，其起动流速明显小于同粒径的河流泥沙，起动特性更为复杂。这就给模型设计尤其是模型选沙带来了很大的困难，加沙方法与设备更显著增加试验的难度，故时至今日，国外河口底沙模型不少，悬沙模型则殊不多见。　　70年代，我国先后作过长江口、射阳河口、甬江口与钱塘江口的悬沙淤积模型[

4、2～5］，除长江口模型探讨河口过渡段的局部水域，余皆研究河口河流段的一维淤积变化；80年代末至今，进行了包括钱塘江河口河流、过渡与潮流段在内的悬沙淤积与大范围动床试验，在河段冲淤量与冲淤平面分布验证的基础上，探讨了杭州湾北岸澉浦至金山深槽的冲淤变化、尖山河湾南股槽整治、北岸治江围垦工程实施等问题[6,7,9,10］；此外，还有辽河口营口港区淤积与局部动床试验［8］及某些局部水域淤积试验。上述工作，给河口悬移质模型提供了可贵的经验。然因河口水沙运动的复杂，不少问题的认识至今尚不一致，为此本文较为系统地论述了潮汐河口悬移质动床模型的主要相似准则、

5、模型沙的选择及由此产生的时间变态的处理方法，对若干有争议的问题提出了作者的见解并给出了粗浅的论证。3潮汐河口悬移质动床实物模型的主要相似准则　　一般而言，某物理量x的原、模型量值之比被称为该物理量的原、模型比尺，即λx=xp/xm(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

6、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(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

7、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d>0.5mm时，取Δ=d50，当d≤0.5mm，取Δ=0.5mm，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

8、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