復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。復式河槽隨著流量增大、水位抬高，當水位超過灘地高程時洪水漫灘，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雜變化。研究復式河槽水流泥沙的復雜行為在泥沙運動力學和河流動力學基礎(chǔ)理論方面有著重要的學術(shù)意義。其成果對防洪工程、航道整治、城市生態(tài)水利建設(shè)及河灘地合理開發(fā)利用等國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中的重要問題，有著廣闊的應用情景。本文系統(tǒng)地研究與探討了復

2、式河槽水流阻力、動量交換機理、過流能力、植被作用下的復式河槽水流特性以及全動床復式河槽水流阻力及泥沙輸移特性。其主要研究內(nèi)容為： 分析與討論了曼寧系數(shù)和達西－韋斯巴赫阻力系數(shù)。通過分析英國科學工程研究協(xié)會洪水水槽設(shè)施（SERC－FCF）的大量的試驗資料，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確估算復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、忽略了因灘槽動量交換而產(chǎn)生的附加阻力。分析表明，復式河槽阻力系數(shù)是雷諾數(shù)的復雜函數(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)了推求復式河槽綜合糙率的各種典型方法。根據(jù)是否考慮動量交換及所需的斷面幾何參數(shù)，綜合糙率計算方法可以簡單地分為若干類。運用大量的復式河槽水槽試驗資料和野外實測資料，驗證了上述各類方法的有效性，并討論了斷面分割類型對綜合糙率計算的影響。推求復式河槽綜合糙率時，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水槽實驗成果，發(fā)現(xiàn)灘槽Darcy-Weisbach阻力系數(shù)比值隨著相對水深的增加而減小。主槽阻力系數(shù)隨著相對水深的變化而變化，呈拋物線分布。根據(jù)獲得的阻力系數(shù)關(guān)系，運用系統(tǒng)動力學方法，建立了洪水漫灘后，復式河槽過流能力的系統(tǒng)動力學模型。計算結(jié)果表明：該模型能確定水位流量關(guān)系，其模擬值與實測值吻合較好，其相對誤差的絕對值僅在3％左右。 通過水槽試驗，探討了不同灘地植物

5、（喬木、灌木和野草）對復式河槽流速分布的影響。試驗時，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，考慮了流量、床面底坡對流速分布的影響。試驗結(jié)果表明，灘地未種樹的復式河槽在大的相對水深時，流速滿足對數(shù)分布；灘地種樹后，主槽流速增大，流速分布復雜，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)。床面坡度對流速分布的影響非常明顯。縱向、橫

6、向和垂向三個方向的脈動流速基本上滿足正態(tài)分布；時均流速與采樣時間的長短有關(guān)；橫向動量交換比垂向動量交換強，橫向動量基本上是主槽向灘地傳遞；不同的灘地植物對水流紊動強度的影響是不同的。灘地種植植物后，水流的紊動強度增強，縱向和垂向的紊動強度相當，都服從S型分布。灘地種植植物前后雷諾應力的空間分布差異很大，不同的灘地植物對雷諾應力的空間分布十分明顯。在主槽邊坡區(qū)，雷諾應力變化復雜。由于受植物的影響，τ<,yx>與τ<,zx>基本上都為負，明

7、顯不同于灘地未種植植物的情況。 通過全動床復式河槽水槽試驗，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，并探討了運用仙農(nóng)熵的概念對泥沙相關(guān)特性的模擬。試驗結(jié)果表明，對于沖積河流，如果以水面坡度代替能坡，是會產(chǎn)生誤差的。阻力系數(shù)與能坡的沿程變化趨勢是相似的，而這種沿程變化趨勢又與床沙代表粒徑變化趨勢總體相一致。河道急劇展寬發(fā)生在清水作用初期，而且作用時間很短。在特定的

8、試驗條件下，全動床復式河槽灘岸侵蝕速率在空間上變化趨勢為，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，這與流速總體沿程減小相一致。盡管初始斷面是對稱的，床沙初始級配是相同的，但主槽兩側(cè)斷面沖刷面積并不相等。運用仙農(nóng)熵的概念與理論，推導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