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适用于明渠流及冰盖流的统一泥沙起动流速计算方法初探.pdf
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1、收稿日期:修回日期:基金项目:内蒙古自治区自然科学基金项目()国家自然科学基金项目()内蒙古自治区科技重大专项资助项目()作者简介:刘晓民()男内蒙古赤峰人副教授博士主要从事水资源、水利水电工程等方面的研究:.通信作者:杨耀天()男内蒙古巴彦淖尔人工程师硕士主要从事水力学及河流动力学等方面的研究:.:./.():适用于明渠流及冰盖流的统一泥沙起动流速计算方法初探刘晓民杨耀天张红武王文娟(.内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院呼和浩特 .黄河流域内蒙段水资源与水环境综合治理协同创新中心呼和浩特 .清华大学 黄河研究中心北京.内蒙古金华源环境资源工程咨询有限责任公司呼和浩特)摘 要:冰盖是北方高
2、寒地区河流冬季常见的一种自然现象 冰盖的出现改变了河流的运动状态由原来的明渠流变为覆盖流 受冰盖糙率影响垂线流速分布相应变化进而影响河床泥沙输移 为进一步探讨冰期河床泥沙输移演变规律基于 假定采用滚动起动模型考虑冰盖下糙率变化、黏性淤积物干重度、相对暴露度对泥沙起动的影响从理论上推导出了适用于冰盖流的泥沙起动流速公式并与已有试验数据对比相对误差集中在之间同时探讨了本文公式对于明渠泥沙起动的适用性即当冰盖糙率为 时可视为明渠流泥沙起动流速计算公式与实验数据对比相对误差范围为.亦可满足计算精度要求关键词:冰盖流糙率相对暴露度泥沙起动流速中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:第 卷 第
3、期长 江 科 学 院 院 报.年 月 .研究背景冰凌是一种自然现象主要发生在我国黄河流域和东北地区等北方高寒地区 黄河凌汛已成为我国冬春季节大江大河中最突出、最主要的汛情之一尤其黄河流域内蒙古段是冰凌洪水经常发生的区域(见图)河冰的出现改变了河流的水力条件、热力条件和边界几何条件等冰盖或冰塞的形成改变了河流的运动状态由原来的明流变成了覆盖流过水断面湿周和阻力明显增加断面平均流速大幅减小导致水沙输移特征发生变化产生了明显异于明渠流的特有泥沙输移现象0 2 0 4 0 6 0 8 0 k mN1 0 8E 1 1 0E 1 1 2E3 0N4 0N图 黄河内蒙古段位置.目前明渠流条件下的泥沙起动流
4、速公式已有很多研究但是关于冰盖流泥沙输移的研究成果并不多见 同明渠相比冬季河道中冰盖的存在影响了水流的水力特性比如流速分布、剪切应力分布、泥沙浓度等进而也改变了原有水沙输移特性及规律 等讨论了在河冰形成过程中不同形态的冰对泥沙输移产生的影响马子普等基于 假定采用指数形式的流速分布公式推导得到了适用于明渠流及冰盖流的统一的非黏性泥沙颗粒起动流速公式王军等、陈建国等在室内水槽试验中模拟探讨了冰盖流输沙特性及受力规律全栋等、宋本辉等利用头道拐水文站资料与野外观测采样相结合探究了冰下泥沙输移特性及泥沙冲淤规律从上述认识出发本文基于 假定在前人研究的基础上考虑了冰盖流下冰盖糙率变化对泥沙起动流速的影响采
5、用泥沙滚动起动模型运用概率论与力学相结合的分析方法初步提出了冰盖流泥沙起动流速公式并探讨了该式在明渠流条件下泥沙起动的适用性 公式推导.冰盖流泥沙起动标准探讨一般学者多在力学分析的基础上结合概率统计理论等来推导泥沙起动的临界条件 目前对于明渠水流泥沙起动临界条件的研究公认的是水流底部的瞬时流速 近似服从正态分布 本文基于 阻力划分原则即冰盖流流速分布以最大流速线为界将流动沿水深方向分为冰盖区和河床区 层(如图)并将 层分别等效成明流对数分布 假定冰盖流和明流造床机理相同故在探讨分析冰盖流泥沙起动过程中可认为冰盖流河床区与明渠泥沙起动瞬时流速分布理论相似冰盖区河床区u冰盖YiYbH0ninb注:
6、为冰盖下流动的总水深为河床区水深为冰盖区水深为河床糙率为冰盖糙率 为时均流速图 冰盖流沿水深方向流速分布.明渠水流底部的瞬时流速分布函数()为()()类似的冰盖下水流河床区的瞬时流速分布函数()为()()式中:、分别为明渠流及冰盖流底部瞬时流速、分别为明渠流及冰盖流底部瞬时流速时均值、分别为明渠流及冰盖流底部流速均方差同时窦国仁提出了瞬时底速与平均底速的关系即 .()()式中 为与起动标准相应的参数其中 为、分别表示弱动、中动、普动、强动 第 期刘晓民 等 适用于明渠流及冰盖流的统一泥沙起动流速计算方法初探目前明渠流中大多以弱动(床面上有很少的泥沙在运动)作为泥沙起动的临界判别标准基于此本文以
7、 作为判别冰盖流泥沙起动临界标准的临界条件.受力分析与起动模式.受力分析无论是明渠流还是冰盖流床面上泥沙颗粒起动所受力的种类并无差别 如图 所示在水流作用下粗颗粒泥沙起动时一般受力有水流拖曳力、上举力 及水下重力 计算公式分别为:()()()()式中:、分别为与水流拖曳力、上举力相应的面积系数一般取值/为与水下重力相应的体积系数取值/为水流拖曳力系数取值.为水流上举力系数取值.为水的密度、分别为泥沙颗粒及水的重度 为泥沙颗粒的粒径 为重力加速度 无论是明渠流还是冰盖流达到泥沙起动的瞬时流速是相同的水流瞬时底流速OAEabGFDFLFNO1O2注:为黏结力为附加下压力 为水流拖曳力 与泥沙颗粒中
8、心之间的垂直距离 为水流上举力 与泥沙颗粒中心之间的水平距离图 泥沙颗粒起动受力分析.对于细颗粒泥沙除受到以上 种力的作用外还受到颗粒间黏结力、附加下压力 的作用如图 所示 的表达式为.()此式在以往附加下压力的表达式中引入冰盖糙率与河床糙率的比值 来修正冰凌期不同时段冰盖糙率变化对某一粒径泥沙颗粒附加下压力的影响在 等构建的糙率比值与水深比值关系的基础上考虑到实际河道中冰盖厚度相对于水深影响较小将 表达式简化为 ()的表达式为.()式中:、分别为与附加下压力与黏结力相应的面积系数为淤积物的干重度为淤积物的稳定干重度/.为黏结力影响系数 为薄膜水厚度按照窦国仁交叉石英丝试验成果取为.为水流运动
9、黏滞性系数与温度变化相关基于对多年水温和气温实测数据的分析就黄河冰封内蒙古段而言干流各段及其支流的年平均水温都略高于当地的年平均气温但差值不大一般为 冬季多年平均水温和气温差值较大约在 以上 黄河内蒙古段畅流期平均气温.则水温基本为.本次简化取均值.查水的运动黏滞系数取值表得./同时根据黄河内蒙古段稳定封冻区域 个主要水文站的实测资料当旬平均气温 时开始封河当旬平均气温 时开始流凌 基于冀鸿兰的研究封冻期黄河内蒙古段的水温接近 通过温度和黏滞系数的关系计算式可得黄河内蒙古段冰封期黏滞系数 的取值范围为./本文简化取均值./.起动模式本文起动模式采用滚动模式泥沙颗粒绕某支点滚动的平衡方程为 ()
10、式中、分别为与水流拖曳力、上举力、水下重力、黏结力及附加下压力相应的力臂本文参考张红武对于附加下压力与黏结力作用力臂和面积系数的处理方法令 假定、为附加下压力及黏结力面积系数和力臂的乘积与重力 的修正系数代入式()得 ()()式中:.本文研究的水流对床面泥沙作用力及作用力的力臂大小是通过床面泥沙颗粒间的相对暴露度来反映的 韩其为首先提出了相对暴露度(/)的概念其中 为绝对暴露度用床面泥沙颗粒的最低点至两颗粒接触点的距离来表示如图 所示相对暴露度取值范围的理论研究目前尚无定论不同 长江科学院院报 年 学者有着不同的观点周双等通过试验观察发现相对暴露度取值范围为.与杨奉广等对于相对暴露度的取值范围
11、一致 基于此考虑到河床泥沙颗粒分布与相对暴露度取值的随机性为简化计算复杂程度假定相对暴露度符合均匀分布采用相对暴露度均值代表河床床面泥沙颗粒分布的平均情况即.并以相对暴露度 均值对应的位置关系进行泥沙起动力臂计算故绕实际滚动支点(如图 所示)将作用力力臂表达式代入式()得 ()()().()()式中:为正面推移力至泥沙颗粒中心的垂直距离参考文献取值/为上举力至泥沙颗粒中心的水平距离根据韩其为的研究/将式()式()、式()代入式()整理得冰盖流泥沙瞬时流速公式即.().构建冰盖流泥沙起动公式冰盖流垂线流速分布可近似等同于紊流粗糙管垂线流速分布紊流粗糙管流速常用对数分布公式表示即.()类似的冰盖流
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