水利工程論文-受泥石流入?yún)R影響主河床沖刷粗化穩(wěn)定試驗(yàn)研究.doc

水利工程論文-受泥石流入?yún)R影響主河床沖刷粗化穩(wěn)定試驗(yàn)研究摘要：受泥石流入?yún)R影響，主河床隨不同河段級(jí)配常呈顯著差別。特設(shè)計(jì)了10組床沙分段組成的粗化模式進(jìn)行試驗(yàn)，認(rèn)為清水沖刷只有在該段上游沒有泥沙起動(dòng)輸移至研究區(qū)域時(shí)，才是嚴(yán)格意義上的清水沖刷粗化，否則應(yīng)研究上游區(qū)段沖刷輸移量及其沿程沉積量和對(duì)下游區(qū)域的影響程度。此外，還研究了受分段影響區(qū)域的初始和粗化穩(wěn)定后床面高度統(tǒng)計(jì)量變化幅度以及穩(wěn)定后沙粒阻力的表示方法，得出了利用床面高度變化統(tǒng)計(jì)量均方差比用床面糙度尺寸Ks選取的代表粒徑更能體現(xiàn)綜合糙率曼寧系數(shù)n值。關(guān)鍵詞：泥石流沙粒阻力床面糙度代表粒徑1引言天然河流床沙粒徑由于河床坡降沿程變緩，通過分選，磨損及水沙條件等影響，一般認(rèn)為是非均勻性床沙。不均勻床沙在水流作用下分選而粗化，一般有兩種情況。其一是沒有輸沙補(bǔ)給的粗化；其二是有輸沙補(bǔ)給的粗化1。對(duì)于這兩種性質(zhì)不同的粗化形式，大多數(shù)研究者常采用鋪設(shè)某一種床沙級(jí)配清水沖刷模擬前者2，3，而利用加沙粗化實(shí)驗(yàn)來研究后者4，5。而在實(shí)際的天然河流中，河流各區(qū)域的來沙組成及水流條件不可能完全一樣，尤其是具有多支流的河段，當(dāng)左右各相鄰支流及坡面來沙組成相差較大時(shí)，由此導(dǎo)致了河床泥沙的組成更接近于分段組成6，而泥石流入?yún)R引起主河床床沙組成差異更為突出。為了更清楚地了解這種河流粗化的形式，本文就分段組成河床粗化問題進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了不同床沙粗化受分段影響后泥沙輸移量的變化程度，并對(duì)床面初始及粗化后的地形高度變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究粗化前后床面地形的變化程度，并探討分段組成床沙粗化穩(wěn)定后沙粒阻力的表示方法和目前采取的糙率尺寸Ks的差別及其優(yōu)劣性。2試驗(yàn)方法2.1試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)沙試驗(yàn)是在四川大學(xué)泥沙研究室長(zhǎng)16m、寬0.3m、深0.5m的變坡水槽中進(jìn)行。槽首設(shè)置閥門及靜水池，小流量時(shí)采用三角堰，大流量時(shí)采用矩形堰，槽尾設(shè)置漏斗用于接沙，在水槽導(dǎo)軌上安置4根測(cè)針等分槽寬測(cè)量床面高度。試驗(yàn)用沙為天然礫石夾沙，比重為2.65t/m3,粒徑為0.2515mm,并通過不同篩分組成4種基本床沙級(jí)配，各種基本級(jí)配沙重量恒定，此后利用不同組合可產(chǎn)生其它級(jí)配形式，以用于分段鋪設(shè)不同級(jí)配的床沙，本次實(shí)驗(yàn)用沙級(jí)配特性見圖1所示。2.2試驗(yàn)方法將混合均勻的試驗(yàn)沙（已選定好級(jí)配）小心放入水槽，盡量使級(jí)配不變，鋪沙厚度為0.050m,長(zhǎng)度由該級(jí)配泥沙總量控制(其中0.251mm，13mm，36mm，610mm及1015mm總重量分別為44,37.5，38.7,39.7,20.5kg，混合沙由它們配合組成)，按選定好的底坡(固定坡降J=0.5%)鋪成。從水槽兩端灌水盡可能使樣沙不動(dòng)，用水壓密實(shí)后，將水慢慢泄空，然后進(jìn)行初始床面地形高度測(cè)量，縱向間距為10cm,橫向間距為6cm,再從水槽兩端放水使水位高出床面5cm以上，至此，放水前的準(zhǔn)備工作完成。圖1實(shí)驗(yàn)用沙床沙級(jí)配示意圖(縱坐標(biāo)為床沙級(jí)配百分?jǐn)?shù)%，橫坐標(biāo)為床沙粒徑mm)Sketchofbedmaterialsdistribution逐漸打開進(jìn)水閥門，調(diào)節(jié)入槽流量，并調(diào)節(jié)尾水門開度，在這一過程中逐漸調(diào)整水面比降，使床面泥沙保持滾動(dòng)推移向下游運(yùn)動(dòng)，并使實(shí)驗(yàn)段水流條件成為均勻流為止。在試驗(yàn)過程中，觀察床面泥沙運(yùn)動(dòng)變化情況，當(dāng)床面在這一水流條件下輸沙率為零時(shí)，認(rèn)為此時(shí)粗化層已經(jīng)形成且穩(wěn)定，并記錄輸沙總量和粗化運(yùn)行時(shí)間。然后將水放空，待床面沙樣較干后，進(jìn)行粗化層床面地形高度測(cè)量，方法如初始床面地形的測(cè)定。對(duì)于分段鋪設(shè)不同級(jí)配的床沙實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)用網(wǎng)篩分離成4種基本床沙級(jí)配，并記錄不同級(jí)配床沙在床面各段沉積量和出口的輸沙總量。3受泥石流影響分段組成河床沖刷粗化穩(wěn)定機(jī)理本次實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了10組不同分段組成河床粗化實(shí)驗(yàn)，鋪設(shè)概況見圖示2。粗化穩(wěn)定后水力因子,實(shí)驗(yàn)初始及粗化床面地形高度統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表1。表1粗化穩(wěn)定后水力因子、床面地形高度統(tǒng)計(jì)參數(shù)ThestatisticalparametersofhydraulicfactorsandbedtopographylevelinarmoringstabilityRunQ(10-3m3/s)H(10-2m)V(m/s)Fr粗化時(shí)間（h）出口沙量(kg)曼寧糙率n床面地形高度均方差出口沙沉積沙(初始及粗化后)cm11.602.00.2670.6091.504.800.0180.070.1824.374.50.3240.4931.507.700.02320.120.50317.88.00.7420.8471.01.120.01290.080.13443.014.01.0240.8831.05.750.01200.060.13517.88.00.7420.8471.5024.20.01290.060.10617.88.00.7420.8474.01.400.01290.070.0874.374.50.3240.4932.00.350.02320.200.26817.88.00.7420.8472.00.400.01290.090.300.32943.014.01.0240.8831.501.750.01200.100.400.43104.374.50.3240.4933.506.00.02320.130.803.243.1試驗(yàn)觀察與現(xiàn)象水槽均勻流形成后，在清水沖刷情況下，對(duì)于全實(shí)驗(yàn)段由某一種床沙級(jí)配組成時(shí)，泥沙的滾動(dòng)推移基本上是均勻下移的，但由于分段床沙的起動(dòng)條件不一致，在同樣的水流條件作用時(shí)，對(duì)于各組分段床沙的沖刷性質(zhì)就有本質(zhì)的區(qū)別。若在某一分段以上的床沙不起動(dòng)，則此分段的床沙輸移可視為清水沖刷，但越靠近不起動(dòng)床沙連接段沖刷量相對(duì)較大；反之，應(yīng)視為上游有來沙條件的沖刷粗化,若上游來沙粒徑小，則普遍沉沒于大顆粒形成的空隙之中，在來沙顆粒大于沖刷段粒徑時(shí)，大顆粒一般成層覆蓋于沖刷段小顆粒起動(dòng)后留下的空隙，最后經(jīng)過調(diào)整達(dá)到床面粗化，由此導(dǎo)致了整個(gè)試驗(yàn)段出口輸移圖2試驗(yàn)分段鋪沙示意圖(其中Run1-4長(zhǎng)度比為1.55m比0.80m；Run5-7長(zhǎng)度比為3.15m比0.80m；Run8-10長(zhǎng)度比為1.65m，1.65m和0.80m；且示圖中左邊為上游來水段)Sketchofthebedmaterialsdistributionintheexperiment接沙量并不能代表它的沖刷程度及范圍，這給研究試驗(yàn)段泥沙沖蝕輸移的關(guān)系帶來了困難，這也正是在研究泥沙輸移比中必須首先確定區(qū)域及時(shí)段的有效證據(jù)。而在實(shí)際的天然河流中，河流各區(qū)域的來沙組成及水流條件不可能完全一樣，由此導(dǎo)致了河床泥沙的組成更接近于分段組成，因此后一種情況的粗化研究更具有現(xiàn)實(shí)意義。為此在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了10種不同組成的粗化實(shí)驗(yàn)，其中1至7組屬于真正的清水沖刷粗化，另外8至10組屬于分段粗化，其包含了兩種粗化形式。另外，為方便比較泥沙沖蝕輸移量受不同床沙級(jí)配組成區(qū)段的影響關(guān)系，特研究了相同水流條件及床沙組成下的泥沙沖刷輸移量的差別。3.2受泥石流影響粗化床沙輸移量變化10組試驗(yàn)中上游段粒徑為10-15mm的床面泥沙都未起動(dòng)，Run1-4組中接沙量為下游段泥沙起動(dòng)輸移量，分別為q0.25-1=4.8kg，q1-3=7.7kg，q3-6=1.12kg，q6-10=5.75kg,在Run5-7組中接沙包括兩組級(jí)配床沙輸移量比為：q1-3=21.4/q3-6=27；q3-6=1.35/q6-10=1.45；q1-3=0.4/q3-6=0.3；而在Run8出口接沙3-6mm與沉于下游6-10mm泥沙段的比為0.32；Run9出口接沙量6-10mm與沉于下游段3-6mm起動(dòng)后留下空隙的沙量比為0.43；而Run10中1-3mm泥沙開始運(yùn)動(dòng)逐漸下移鋪平于下游3-6mm床面上，而后才由上至下達(dá)到粗化穩(wěn)定，其中出口接沙與沉于3-6mm區(qū)域的沙量比為3.24，由于在Run2-4和Run8-10的水流及起動(dòng)床沙總量和級(jí)配不變，只是在鋪設(shè)時(shí)會(huì)造成少量床面變化，在觀察區(qū)域內(nèi)各種床沙沖刷總量幾乎不變，由于分段影響而出現(xiàn)了下游區(qū)域沉積，使接沙總量減少，受不同級(jí)配床沙的作用，下游區(qū)域床沙暴露及起動(dòng)程度影響了輸移及沉積的比值關(guān)系。3.3受泥石流影響粗化床面高度統(tǒng)計(jì)變化本次實(shí)驗(yàn)中,對(duì)床面高度變化量利用初始和粗化床面高度均方差表示。在10組試驗(yàn)中選取具有可比性的兩對(duì)(Run8和Run6，Run10和Run7)，因?yàn)樗鼈兙哂型瑯拥乃鳁l件和床沙組成量，只是Run8床沙由36mm,610mm分段鋪設(shè)，而Run6是兩者的均勻混合鋪設(shè)；同理Run10和Run7也是類似的情況。由表1所示的床面高度均方差值可知：Run8粗化前后值為0.09,0.30cm,Run6則有0.07變到0.08cm；在Run10中值為0.13和0.80cm,而Run7則有0.20變到0.26cm，從這些數(shù)值得床面高度均方差在粗化后普遍增大，但對(duì)于分段組成床面其變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由一種級(jí)配床沙組成的床面。3.4受泥石流影響粗化穩(wěn)定后的阻力研究河床粗化穩(wěn)定后的阻力與沖積河流的阻力有何異同是需要研究的，尤其是受分段影響后的阻力問題。一般來講，寬級(jí)配粗顆粒組成的河床經(jīng)長(zhǎng)期清水沖刷，床面形成粗化穩(wěn)定結(jié)構(gòu)后，其阻力問題主要是沙粒阻力，根據(jù)尼庫拉茨的研究思想，此時(shí)床面阻力可通過對(duì)數(shù)流速公式中的床面糙率尺寸Ks來表示7。但從Ks表示提出至今，仍無統(tǒng)一的表示方法，不同的研究者取值很難一致。只是對(duì)于均勻沙，認(rèn)為與泥沙粒徑相當(dāng)；而對(duì)于非均勻沙，多采取某一代表粒徑的方式，如d75、d90、2d50、3.5d847等各種形式。對(duì)于某一確定的粗化河床，就不同的研究者，就會(huì)有多個(gè)糙率尺寸Ks,這給對(duì)比研究帶來了一定的困難，尤其是受分段影響后的河床難以確定利用何段床沙的代表粒徑來表示。鑒于人們對(duì)于床面暴露度的研究方法，本文欲綜合考慮床面高度變化統(tǒng)計(jì)值與其糙率的關(guān)系進(jìn)行探討。目前暴露度一般是就單顆粒起動(dòng)受其它顆粒影響的關(guān)系入手，分為相對(duì)和絕對(duì)兩種研究方法，但研究的范圍局限于鄰近顆粒的影響，對(duì)整個(gè)床面顆粒(包括分段河床的不同粒徑)對(duì)其影響研究較少。在本次的10組試驗(yàn)中，有些控制了相同的粗化穩(wěn)定水流條件，若利用綜合的曼寧糙率公式，則幾組試驗(yàn)中反映了相同的n值(如Run2,7,10試驗(yàn)中)，但根據(jù)純沙粒阻力公式n=Ks1/6A(其中A某一確定的系數(shù))，當(dāng)Ks采取某一確定代表粒徑關(guān)系時(shí)，n值應(yīng)有所不同，這給實(shí)際研究帶來難以選擇的麻煩。為此想拓展暴露度研究方法，采用全床面高度變化統(tǒng)計(jì)值反映床面糙率，如建立床面地形高度變化均方差與曼寧關(guān)系，用以研究粗化穩(wěn)定后的阻力問題。由于Run1-4為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，為此以其n與均方差可建立如下關(guān)系式n=0.0267+0.0103當(dāng)均方差=0，n=0.0103，這與許多資料中規(guī)定的光滑壁面，水泥漿面及清潔鋼管(此時(shí)近似為0)等粗糙系數(shù)相當(dāng)，這充分說明該公式具有一定的可靠性8，為此計(jì)算了Run5-10中由均方差反映的綜合曼寧糙率n分別為0.037,0.0124,0.0172,0.0183,0.0210,0.0317，從另一方面也反映了綜合糙率n與床面高度不均勻程度具有良好的關(guān)系，與實(shí)際應(yīng)用中采取的加糙及減糙措施比較相符。4結(jié)語受泥石流入?yún)R影響，主河床隨不同河段級(jí)配常有所差別。當(dāng)前對(duì)清水沖刷及加沙粗化穩(wěn)定研究時(shí)，試驗(yàn)段常用一種級(jí)配，本文通過10組床沙分段組成的粗化模式進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)受分段影響的河床粗化過程及其問題進(jìn)行了觀察與分析，研究了不同床沙粗化受分段影響后泥沙輸移量的變化程度及粗化前后床面高度的變化程度，并探討分段組成床沙粗化穩(wěn)定后沙粒阻力的表示方法與目前采取的糙率尺寸Ks的差別，初步認(rèn)為分段組成的粗化穩(wěn)定后床面高度不均勻程度比某一種級(jí)配組成的床沙變化幅度更大，其沙粒阻力利用床面高度變化統(tǒng)計(jì)均方差表示綜合糙率曼寧系數(shù)n比糙率尺寸Ks選取的代表粒徑具有更好的比較性和相關(guān)性。參考文獻(xiàn)1秦榮昱。不均勻沙的起動(dòng)規(guī)律。泥沙研究，1980，(復(fù)刊號(hào)).P83-91.2陸永軍，張華慶。清水沖刷寬級(jí)配河床粗化機(jī)理試驗(yàn)研究。全國泥沙基本理論研究學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集。1992年11月，北京：中國建材工業(yè)出版社，P201-209.3楊鐵笙，楊美卿。河床沖刷-過程的水槽試驗(yàn)研究。全國