復(fù)式河槽水流阻力及泥沙輸移特性研究.pdf

1、由沖積河流主槽和河漫灘組成的復(fù)式河槽在調(diào)節(jié)洪水、削減洪峰、貯存泥沙等方面不同于單一河槽。復(fù)式河槽隨著流量增大、水位抬高，當(dāng)水位超過灘地高程時(shí)洪水漫灘，產(chǎn)生一系列水流結(jié)構(gòu)、水流阻力、泥沙輸移和河床演變的復(fù)雜變化。研究復(fù)式河槽水流泥沙的復(fù)雜行為在泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)和河流動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論方面有著重要的學(xué)術(shù)意義。其成果對(duì)防洪工程、航道整治、城市生態(tài)水利建設(shè)及河灘地合理開發(fā)利用等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的重要問題，有著廣闊的應(yīng)用情景。本文系統(tǒng)地研究與探討了復(fù)

2、式河槽水流阻力、動(dòng)量交換機(jī)理、過流能力、植被作用下的復(fù)式河槽水流特性以及全動(dòng)床復(fù)式河槽水流阻力及泥沙輸移特性。其主要研究?jī)?nèi)容為： 分析與討論了曼寧系數(shù)和達(dá)西－韋斯巴赫阻力系數(shù)。通過分析英國(guó)科學(xué)工程研究協(xié)會(huì)洪水水槽設(shè)施（SERC－FCF）的大量的試驗(yàn)資料，建立了綜合阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)和不同斷面形態(tài)、不同床面粗糙度的關(guān)系，并指出單一河槽法與斷面分割法不能準(zhǔn)確估算復(fù)式河槽過流能力的原因在于前者沒有考慮阻力系數(shù)隨水深的變化特性，后者

3、忽略了因?yàn)┎蹌?dòng)量交換而產(chǎn)生的附加阻力。分析表明，復(fù)式河槽阻力系數(shù)是雷諾數(shù)的復(fù)雜函數(shù)，但這種函數(shù)關(guān)系與單一河槽是不同的。 系統(tǒng)總結(jié)了推求復(fù)式河槽綜合糙率的各種典型方法。根據(jù)是否考慮動(dòng)量交換及所需的斷面幾何參數(shù)，綜合糙率計(jì)算方法可以簡(jiǎn)單地分為若干類。運(yùn)用大量的復(fù)式河槽水槽試驗(yàn)資料和野外實(shí)測(cè)資料，驗(yàn)證了上述各類方法的有效性，并討論了斷面分割類型對(duì)綜合糙率計(jì)算的影響。推求復(fù)式河槽綜合糙率時(shí)，每類方法都將帶來一定的誤差。在各類方法中，Lo

4、tter方法類與斷面分割類型密切相關(guān)，而通過分析SERC-FCF水槽實(shí)驗(yàn)成果，發(fā)現(xiàn)灘槽Darcy-Weisbach阻力系數(shù)比值隨著相對(duì)水深的增加而減小。主槽阻力系數(shù)隨著相對(duì)水深的變化而變化，呈拋物線分布。根據(jù)獲得的阻力系數(shù)關(guān)系，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，建立了洪水漫灘后，復(fù)式河槽過流能力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。計(jì)算結(jié)果表明：該模型能確定水位流量關(guān)系，其模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好，其相對(duì)誤差的絕對(duì)值僅在3％左右。 通過水槽試驗(yàn)，探討了不同灘地植物

5、（喬木、灌木和野草）對(duì)復(fù)式河槽流速分布的影響。試驗(yàn)時(shí)，選塑料吸管、鴨毛和塑料大草分別模擬喬木、灌木和野草。同時(shí)，考慮了流量、床面底坡對(duì)流速分布的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，灘地未種樹的復(fù)式河槽在大的相對(duì)水深時(shí)，流速滿足對(duì)數(shù)分布；灘地種樹后，主槽流速增大，流速分布復(fù)雜，灘地流速減小，呈S形分布，不同植物的S形分布是有差別的。這種S型分布將水流劃分為三區(qū)的復(fù)雜行為，每區(qū)的范圍與水深、垂線位置和植物類型有關(guān)。床面坡度對(duì)流速分布的影響非常明顯?？v向、橫

6、向和垂向三個(gè)方向的脈動(dòng)流速基本上滿足正態(tài)分布；時(shí)均流速與采樣時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)；橫向動(dòng)量交換比垂向動(dòng)量交換強(qiáng)，橫向動(dòng)量基本上是主槽向?yàn)┑貍鬟f；不同的灘地植物對(duì)水流紊動(dòng)強(qiáng)度的影響是不同的。灘地種植植物后，水流的紊動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng)，縱向和垂向的紊動(dòng)強(qiáng)度相當(dāng)，都服從S型分布。灘地種植植物前后雷諾應(yīng)力的空間分布差異很大，不同的灘地植物對(duì)雷諾應(yīng)力的空間分布十分明顯。在主槽邊坡區(qū)，雷諾應(yīng)力變化復(fù)雜。由于受植物的影響，τ<,yx>與τ<,zx>基本上都為負(fù)，明

7、顯不同于灘地未種植植物的情況。 通過全動(dòng)床復(fù)式河槽水槽試驗(yàn)，探討了河道完全粗化后能量損失、阻力系數(shù)沿程變化，推移質(zhì)輸沙率的變化特性，床沙中值粒徑的橫向變化與沿程變化等，并探討了運(yùn)用仙農(nóng)熵的概念對(duì)泥沙相關(guān)特性的模擬。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于沖積河流，如果以水面坡度代替能坡，是會(huì)產(chǎn)生誤差的。阻力系數(shù)與能坡的沿程變化趨勢(shì)是相似的，而這種沿程變化趨勢(shì)又與床沙代表粒徑變化趨勢(shì)總體相一致。河道急劇展寬發(fā)生在清水作用初期，而且作用時(shí)間很短。在特定的

8、試驗(yàn)條件下，全動(dòng)床復(fù)式河槽灘岸侵蝕速率在空間上變化趨勢(shì)為，越往下游，同流量下的灘岸侵蝕速度越小。與初始河道相比，主槽床面沿程始終處于淤積狀態(tài)，而主側(cè)兩側(cè)均處于沖刷狀態(tài)。沖刷或淤積面積均有沿程減小的趨勢(shì)，這與流速總體沿程減小相一致。盡管初始斷面是對(duì)稱的，床沙初始級(jí)配是相同的，但主槽兩側(cè)斷面沖刷面積并不相等。運(yùn)用仙農(nóng)熵的概念與理論，推導(dǎo)了清水作用下粗化過程中推移質(zhì)輸沙率公式。無論是輸沙率單調(diào)遞增段還是單調(diào)遞減段，推移質(zhì)輸沙率公式都具有相同的