潮汐河口懸移質(zhì)動(dòng)床實(shí)物模型的理論與實(shí)踐

1、    潮汐河口懸移質(zhì)動(dòng)床實(shí)物模型的理論與實(shí)踐            作者：熊紹隆 胡玉棠時(shí)間：2007-11-25 12:09:00                     摘要：河口泥沙一般較細(xì)，其河床變形多取決于懸移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。文章論證

2、了懸移、起動(dòng)與河床變形相似為潮汐河口懸移質(zhì)動(dòng)床實(shí)物模型泥沙運(yùn)動(dòng)的主要相似條件，模型沙主要按懸移與起動(dòng)相似條件選擇；提出并介紹了采用輕質(zhì)沙后挾沙相似的滿足、時(shí)間變態(tài)的處理原則與經(jīng)驗(yàn)；此外還討論了模型選沙中的一些理論與技術(shù)問(wèn)題。 關(guān)鍵詞：潮汐河口 實(shí)物模型 相似準(zhǔn)則 起動(dòng) 懸移 沉降速度  1 前言潮汐河口水流為典型的非恒定往復(fù)流，流態(tài)復(fù)雜多變，潮流隨時(shí)間的變化遠(yuǎn)較徑流迅速，漲、落主流流路也常不一致；泥沙既有徑流挾運(yùn)，也有海域帶來(lái)，并因徑流與潮流比值不同分別形成口門(mén)處的攔門(mén)沙或口門(mén)以?xún)?nèi)的縱向沙坎1。這一切，使得河口的河床變化尤為復(fù)雜，對(duì)此，歐美諸國(guó)多以泥沙數(shù)模為主要研究手段，應(yīng)該說(shuō)，目前

3、還極不成熟，尤其是局部工程對(duì)河床變形的影響。我國(guó)對(duì)河流實(shí)物模型的理論進(jìn)行了長(zhǎng)期的深入研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。河口水沙運(yùn)動(dòng)雖比河流復(fù)雜，但只要實(shí)物模型抓住所研究問(wèn)題的關(guān)鍵，往往可獲得較數(shù)學(xué)模型更為接近實(shí)際的結(jié)論。作者借助懸移質(zhì)實(shí)物模型，對(duì)不同工程給錢(qián)塘江河口河床變形的影響進(jìn)行了十年研究，其中兩項(xiàng)圍涂工程已根據(jù)試驗(yàn)實(shí)施，河床沖淤變化與試驗(yàn)預(yù)測(cè)符合良好，取得了顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。本文便是我們長(zhǎng)期研究的總結(jié)。2 潮汐河口懸移質(zhì)實(shí)物模型的特點(diǎn)與現(xiàn)狀河口寬深比一般都很大，因此不得不做成變率較大的變態(tài)模型。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離運(yùn)移，河口泥沙大多較細(xì)，其河床變形多取決于懸移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉降特別是含鹽度的

4、影響不容忽視；細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)尤其起動(dòng)流速的定量研究至今仍不充分，對(duì)具有往復(fù)流特征的河口泥沙，其起動(dòng)流速明顯小于同粒徑的河流泥沙，起動(dòng)特性更為復(fù)雜。這就給模型設(shè)計(jì)尤其是模型選沙帶來(lái)了很大的困難，加沙方法與設(shè)備更顯著增加試驗(yàn)的難度，故時(shí)至今日，國(guó)外河口底沙模型不少，懸沙模型則殊不多見(jiàn)。70年代，我國(guó)先后作過(guò)長(zhǎng)江口、射陽(yáng)河口、甬江口與錢(qián)塘江口的懸沙淤積模型25，除長(zhǎng)江口模型探討河口過(guò)渡段的局部水域，余皆研究河口河流段的一維淤積變化；80年代末至今，進(jìn)行了包括錢(qián)塘江河口河流、過(guò)渡與潮流段在內(nèi)的懸沙淤積與大范圍動(dòng)床試驗(yàn)，在河段沖淤量與沖淤平面分布驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，探討了杭州灣北岸澉浦至金山深槽的沖淤變化、

5、尖山河灣南股槽整治、北岸治江圍墾工程實(shí)施等問(wèn)題6,7,9,10；此外，還有遼河口營(yíng)口港區(qū)淤積與局部動(dòng)床試驗(yàn)8及某些局部水域淤積試驗(yàn)。上述工作，給河口懸移質(zhì)模型提供了可貴的經(jīng)驗(yàn)。然因河口水沙運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜，不少問(wèn)題的認(rèn)識(shí)至今尚不一致，為此本文較為系統(tǒng)地論述了潮汐河口懸移質(zhì)動(dòng)床模型的主要相似準(zhǔn)則、模型沙的選擇及由此產(chǎn)生的時(shí)間變態(tài)的處理方法，對(duì)若干有爭(zhēng)議的問(wèn)題提出了作者的見(jiàn)解并給出了粗淺的論證。3 潮汐河口懸移質(zhì)動(dòng)床實(shí)物模型的主要相似準(zhǔn)則一般而言，某物理量x的原、模型量值之比被稱(chēng)為該物理量的原、模型比尺，即x=xp/xm(1)式中 下標(biāo)p與m分別表示原型與模型。3.1 幾何相似河口多較寬闊，寬深比較大，

6、因而除局部模型作成正態(tài)，從而x=y=z=1外；河口整體模型多為變態(tài)，其幾何相似為平面比尺x=y=1(2)鉛直比尺z=h(3)3.2 水流運(yùn)動(dòng)相似如前所述，河口模型多作成變態(tài)，因而鉛直方向的物理量及水平方向的物理量沿鉛直方向的分布不可能相似，但各物理量沿鉛直向的垂線平均值仍然相似。為此，考慮平面二維非恒定流運(yùn)動(dòng)方程(4)(5)連續(xù)方程 (6)式中u、v分別表示x、y方向（正東與正北）的垂線平均流速，z為水位，R為水力半徑，C為舍齊系數(shù)，地系地球自轉(zhuǎn)角速度，為所在地緯度。運(yùn)用相似變換，由(4)(6)式，甚易得到慣性力重力比相似u=v=h1/2(7)慣性力阻力比相似c2=1/R(8)水流連

7、續(xù)相似t=1/u(9)河口常較為寬淺，邊壁阻力可以忽略，從而Rh；由C=1/nR1/6，經(jīng)相似變換，（8）式可改寫(xiě)成(8')水流運(yùn)動(dòng)的主要相似條件如表1所示。對(duì)具寬淺特性的潮汐河口，慣性力與阻力的影響占主導(dǎo)地位，柯氏力影響較小，地轉(zhuǎn)效應(yīng)一般可以忽略。模型水流必須為紊流和表面張力限制條件亦如表1所示，相應(yīng)式中的p.m腳標(biāo)分別表示原型與模型，Re為雷諾數(shù)，V為斷面平均流速，為床面糙度，對(duì)于平整河床，當(dāng)d>0.5mm時(shí)，取=d50，當(dāng)d0.5mm，取=0.5mm，C0為無(wú)尺度舍齊系數(shù)，為水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)11。3.3 泥沙運(yùn)動(dòng)相似根據(jù)潮汐河口一維不平衡輸沙方程和河床變形方程(10)(11

8、)式中A、B、Q、V、S、S*、z0與分別為過(guò)水?dāng)嗝娣e、河寬、流量、斷面平均流速、斷面平均含沙量、水流挾沙力、泥沙沉降速度、泥沙沉降機(jī)率、河底高程與泥沙干密度。運(yùn)用相似變換，可以得到懸移相似(12)挾沙相似(13)河床變形相似(14)由于水流挾沙力S*一般以平衡狀態(tài)下水流能挾帶懸移質(zhì)中床沙質(zhì)的斷面平均含沙量表達(dá)，因而，比尺關(guān)系（12）（14）采用一維不平衡輸沙方程與河床變形方程推導(dǎo)（由二維方程組可推得同樣結(jié)論）。對(duì)于變態(tài)模型的懸移相似條件，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期采用兩種不同的相似準(zhǔn)則12，其一如（12）式，另一種為，還有，n按|(S-S*)/S*|>1的資料占全部資料的百分?jǐn)?shù)P*分別取0.5、0.75

9、與1.013。林秉南從泥沙擴(kuò)散方程的原始形式出發(fā)，論證了泥沙擴(kuò)散或摻混相似即相似準(zhǔn)則（12）式的唯一性14，認(rèn)為擴(kuò)散或摻混包含了懸浮和沉降，指出后一種及其他表達(dá)式是因?yàn)橥茖?dǎo)過(guò)程中引入了若干假設(shè)，其中包括流速分布式(15)式中u*為摩阻流速，y為水深坐標(biāo)。如前所述，變態(tài)模型水平向物理量沿鉛直向分布并不相似，因而，據(jù)以推導(dǎo)的懸移相似的其他表達(dá)式均不合理，將（12）式命名為沉降相似也不夠嚴(yán)謹(jǐn)。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)前述幾個(gè)懸移質(zhì)河口模型均采用（12）式取得了驗(yàn)證的成功，因此，可把（12）式作為懸移相似條件。河口河床沖淤交替，因而，對(duì)于懸移質(zhì)動(dòng)床模型，還應(yīng)遵循起動(dòng)相似(16)式中Vc為泥沙的起動(dòng)流速。將上述泥沙

10、運(yùn)動(dòng)的主要相似條件一并列入表1。表1 潮汐河口懸移質(zhì)動(dòng)床模型主要相似準(zhǔn)則Major similarity criteria of movable-bed model with suspended load for tidal estuary 相似條件表達(dá)式 相似條件相似條件水流運(yùn)動(dòng)水流連續(xù)相似泥沙運(yùn)動(dòng)懸移相似重力相似起動(dòng)相似阻力相似挾沙相似天然沙紊流條件1000-2000或輕質(zhì)沙沖淤率定試驗(yàn)確定表面張力限制條件Hm>1.5cm河床變形相似?研究懸移質(zhì)的運(yùn)移，揚(yáng)動(dòng)本系一不可忽視的因素，然由于揚(yáng)動(dòng)流速所表達(dá)的臨界狀態(tài)，至今尚無(wú)公認(rèn)的明確認(rèn)識(shí)；必須運(yùn)用懸移質(zhì)動(dòng)床模型常是因?yàn)?/p>

11、懸移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)對(duì)河床沖淤變化起著決定性作用，此時(shí)，懸移與起動(dòng)的模擬明顯比揚(yáng)動(dòng)重要；因此，河口懸移質(zhì)動(dòng)床模型，揚(yáng)動(dòng)可不必作為主要相似條件。僅當(dāng)河口懸沙與底沙粒徑差異較大（如某些發(fā)源于近海丘陵的小河河口）、兩者對(duì)河口河床變形均起著不可忽視的作用、而不得不作成全沙模型時(shí)，底、懸沙粒徑的較大差異使揚(yáng)動(dòng)相似對(duì)于懸移質(zhì)已顯得比起動(dòng)重要，從而懸移質(zhì)遵循懸移與揚(yáng)動(dòng)相似準(zhǔn)則，推移質(zhì)則服從起動(dòng)相似條件。4 模型沙選擇     懸移質(zhì)動(dòng)床模型主要根據(jù)懸移與起動(dòng)相似條件選沙。對(duì)容易獲得的幾種模型沙，按d50各初選幾組粒徑，結(jié)合模型沙其他特性、購(gòu)買(mǎi)難易與費(fèi)用，選懸移與起動(dòng)均符合較好

12、者。河口懸沙級(jí)配多較均勻，在按d50模擬的同時(shí)，使原、模型沙的揀選系數(shù)接近便可基本滿足要求。若級(jí)配極不均勻，可采用分級(jí)模擬。含鹽度的絮凝影響常以下述方式解決：原、模型沙沉速試驗(yàn)分別按實(shí)際含鹽度與清水考慮，從而可避免鹽度的模擬。模型沙的起動(dòng)流速最好采用水槽試驗(yàn)值，原型沙則取實(shí)測(cè)含沙量曲線拐點(diǎn)處（即含沙量曲線由較平緩轉(zhuǎn)至突然增大的起始時(shí)刻）相應(yīng)的垂線平均流速，如不得不采用公式計(jì)算，則應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：1.河口泥沙的起動(dòng)流速明顯小于相同粒徑的河流泥沙起動(dòng)流速。其原因是河口泥沙因徑流與潮汐交互作用，上、下游往返搬運(yùn)，致密實(shí)程度較河流低；漲、落交替，流路隨時(shí)變化，泥沙易在利于滑或滾動(dòng)的方向起動(dòng)；漲、落急時(shí)

13、段流速梯度顯著增加，尤其是強(qiáng)河口，產(chǎn)生由當(dāng)?shù)丶铀俣纫鸬母郊討?yīng)力（動(dòng)力）；流速分布隨時(shí)變化，與河流中近底層流速總是小于中、上層的情況不同。而各家公式均只適用于河流，當(dāng)粒徑較細(xì)且水深較大時(shí)，對(duì)于河口泥沙起動(dòng)流速，計(jì)算值比實(shí)際值大得更多。以筆者的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)d<0.03mm，H>5m時(shí)，張瑞瑾、沙玉清公式相對(duì)較為可靠。2.若原、模型沙起動(dòng)流速均用公式計(jì)算，則不得運(yùn)用不同公式，否則既有悖于相似理論，又將導(dǎo)致較大誤差。以筆者經(jīng)驗(yàn)，只要原、模型沙起動(dòng)流速采用相同的計(jì)算式，則各家公式的選沙結(jié)果往往差異不大盡管起動(dòng)流速計(jì)算值各不相同。不同的模型沙各有優(yōu)缺點(diǎn)，不少人曾認(rèn)為選用的模型沙不同，河床沖淤形態(tài)

14、及其分布雖然一致，但沖淤厚度的定量試驗(yàn)結(jié)果常會(huì)大相徑庭。筆者在閩江水口電站導(dǎo)截流動(dòng)床模型選沙設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)同一試驗(yàn)項(xiàng)目，曾有意識(shí)地采用了不同的模型沙，兩者不僅河床沖淤形態(tài)相似，幅度也非常接近。這說(shuō)明，只要粒徑與級(jí)配選擇合理，采用不同模型沙不會(huì)產(chǎn)生大的差異。但下列不宜采用情況除外。1）研究邊坡較陡的深槽或深潭的沖淤變化且模型變率較大時(shí)，最好不用塑料沙，因其水下休止角較?。?）沖刷變幅較大（動(dòng)床鋪沙因此較厚）且模型沙顆粒較細(xì)時(shí)，最好不用電木粉，因細(xì)顆粒電木粉厚度較大時(shí)易板結(jié)；3）長(zhǎng)期進(jìn)行的同一項(xiàng)目試驗(yàn)最好不用煤粉除非適時(shí)更換，因其較易磨損細(xì)化；4）未經(jīng)防腐處理的木粉只能應(yīng)用于極短時(shí)期的試驗(yàn)，否則腐爛變

15、質(zhì)特性不一；經(jīng)CCA防腐劑處理的木粉用量較大時(shí)，必須充分涼干（固化），否則，有損人體健康。5 挾沙相似的滿足與時(shí)間變態(tài)的處理根據(jù)張瑞瑾的研究15，河道水流挾沙力（17）式中3 羅肇森等。潮汐河口懸沙淤積和局部動(dòng)床沖淤模型試驗(yàn)射陽(yáng)河閘下裁彎實(shí)例。泥沙模型報(bào)告匯編,1978年。4 張定邦等。某河口潮汐渾水試驗(yàn)報(bào)告。交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,1976.12.5 錢(qián)塘江工程管理局。錢(qián)塘江動(dòng)床模型渾水試驗(yàn)嗅。泥沙模型報(bào)告匯編,1978年。6 熊紹隆等。秦山核電二、三期取水口淤積試驗(yàn)研究。浙江水利科技,1991(3).7 熊紹隆等。杭州灣北岸深槽沖淤變化試驗(yàn)研究。水利學(xué)報(bào),1994(10).8 楊樹(shù)森等。營(yíng)口港西水道泥沙淤積和局部動(dòng)床模型試驗(yàn)研究。交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,1990.6.9 熊紹隆等。錢(qián)塘江尖山河灣南股槽整治動(dòng)床試驗(yàn)研究。浙江省河口海岸研究所,1996.12.10 熊紹隆等。海寧市尖山一期促淤?lài)鷫üこ棠嗌秤俜e試驗(yàn)研究。浙江省河口海岸研究所,1997.6.11 竇國(guó)仁。全沙模型相似律及設(shè)計(jì)實(shí)例。泥沙模型報(bào)告匯編,1978年。12 謝鑒衡。河流模擬。水利電力出版社,1990.4.13 李保如。我國(guó)河流泥沙物理模型的設(shè)計(jì)方法。水動(dòng)力研究與進(jìn)展,1991.12(增刊).14 林秉南。對(duì)懸移質(zhì)變態(tài)動(dòng)床模型試驗(yàn)中摻混相似條件的剖析。人民長(zhǎng)江,1994(3).15 張瑞