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黄河冲积河道输沙特性形成机理

作者:佚名  来源:水信息网  点击数:2676   www.88807.com:2005-4-13  

   本文根据对冲积河道实测资料的分析, 论述了河槽水力几何形态, 动床阻力特性, 床沙与悬沙不同的水力特性与冲淤特性之间的密切关系, 阐明了造成窄深河槽多来多排的力学基础. 指出底沙运动速度滞后于洪水传播速度是造成河道长距冲刷的根本原因,而洪水非恒定是造成涨冲落淤的原因, 床面在高输沙动平整状态时,河床处在多来多排的输沙特性状态,河床的冲淤取决于底沙的输移强度的变化,而与输沙的强度大小并无直接关系,d50=0.05~0.1mm的粗沙在洪水期也能顺利输送。

( 关键词 ) 床面形态 水力几何特性 动床阻力 输沙机理 冲积河道 黄河

   黄河下游艾山至利津状态, 其河道输沙能力取决于上站含沙量, 在含沙量200kg/m3范围内均能顺利输送( 1). 河段是冲击河道, 俗称山东河道. 河道平缓, 纵比降万分之一, 河槽窄深, 平滩流量4000~6000m3/s,平滩时河宽400~600m,平滩水深3~5m, 流速均在2m/s以上. 关于这段河道输沙特性以往做了大量研究, 并得出许多重要认识. 如流量大于2000 m3/s, 河道的输沙特性呈现多来多排 这一认识, 黄河的治理中具有重要实用价值. 但形成这种现象的力学基础尚待深入研究.

   河槽水力几何形态是水流与河槽形态、 动床阻力特性的综合反应, 河床冲淤不仅取决于水流条件, 而且还与床沙的水力特性, 底沙的运动特性有关. 河道的水力几何形态随流量的变化特性, 决定了河床的冲淤状态, 而洪水与底沙的相对运动决定了冲淤过程。 对这些问题深入地进行分析研究, 有助于了解河道的冲淤特性和输沙特性形成机理.

1.河槽水力几何形态

河槽水力几何形态一般常用下列公式描述( 2 ):

b=k11 ( 1 )

h=k22 ( 2 )

v=k33 ( 3 )

式中, k值的大小反应变量的初值; β值的大小表示水力几何形态随着流量的变率。 由水流连续公式q=bhv可知, k1k2k3=1, β123=1。 当河槽形态为矩形时, 水面宽b为常数, β1=0 , β2=0.6 , β3=0.4 . 由于天然河流中的河槽形态极不规则, 且动床阻力也会随着水流条件变化,使得河槽水力几何形态较为复杂。 我们依据艾山、 泺口、 利津三个水站的实测资料, 研究河道的水力几何特性。 图1给出利津水文站实测流量与河宽, 水深, 流速的点群关系不是直线, 而是以流量1500~1800 m3/s为界斜率不同的折线, 各站流量的指数与系数列于表1。

表1显示,小于与大于1500~1800m3/s时, β值与k值有较大差别。下面着重讨论β值的变化对水流特性及动床阻力的影响 (为了行文方便, 分界流量以1500m3/s标记)

从表1中β1值较大说明河槽宽浅, 随着流量的增加, 水面宽增加较快, 而在流量大于1500 m3/s时, β1值较小, 表明河宽随流量变化很小. β2值的大小代表水深随流量的变化率, 在流量小于1500m3/s时, β2仅0.145~0.258, 流量大于1500m3/s时, β2值达0.6~0.7, 水深随流量增加变化很快, 河槽窄深。 流速随流量的变化取决于β3值, 流量小于1500m3/s时, β3达0.58~0.61, 流速随流量增加变化较快, 在大于1500m3/s时, β3值较小, 仅0.2~0.3。

2.床沙组成的水力特性

从艾山、 泺口、 利津三站实测的组成可知, d50在0.05~0.1mm间变化, d >0.15mm的粗沙一般小于10%, 最大粒径为0.5mm。 黄河床沙组成较细, 粒度比较均匀。

从图2给出的用沙玉清公式计算得出的水深,粒径与起动和扬动流 速的关系( 6 )可知, 床沙粒径 0.07~0.2mm范围内, 均处于最容易起动的区域, 粒径由0.07mm增加到 0.2mm, 所需的起动流速均为 0.42 m/s, 但相应的扬动流速却由0.35m/s增加到0.76m/s。

从图2给出的实测悬沙组成可知, 起动和扬动流速曲线交点粒径为0.080mm, 相当于悬沙组成中d95, 说明只有在泥沙的起动流速远大于扬动流速时, 才能以悬移的形式输送, 即泥沙颗粒一旦起动, 就可能顺利输移。 在床沙组成的级配曲线中, 大于交点粒径的含量一般占30%~70%, 其扬动流速远大于起动流速, 因此造成床沙虽然容易启动, 而难于以悬移的形式输送, 绝大部分仍以底沙的形式输送, 黄河床沙所固有的水力特性将会影响河床的动床阻力特性与输水输沙特性。

3.床面形态与动床阻力特性

指数β1、β2、 β3 的不同组合, 构成冲积河流动床阻力特性。 表1给出的β值在流量小于或大于1500 m3/s时的不同组合, 说明了山东河道的阻力特性的不同变化。 从表2可看出平均情况的动床阻力随流量的变化规律: 流量小于1500 m3/s时, 随着流量的增加, 河床阻力迅速减小, 流量在1500~2000m3/s时, 河床阻力n值呈现最小状态, 但随着流量的增加, n值略有增加, 流量大于5000~6000m3/s时, 河床阻力明显增大。 以上分析可知, 流量小于1500 m3/s, β312时, 动床阻力随着流量的增加不断减小, 而流量大于1500 m3/s,β312时, 动床阻力随着流量的增加略有增大。 阿伦(alltn)( 3 )用希尔兹参数τ0/r''''d与无量纲沙粒径点绘各种床面形态的出现区域如图3所示。在床沙粒径0.1mm附近, 存在着沙纹与高输沙平整床面重叠现象. 据表2给出的利津站不同流量时的水深, 计算出各级流量时的无量纲床面剪切应力θ=ρghs/(σ-ρ)gd值, 用床沙粒径0.08mm点绘在图中, 发现流量大于2000m3/s以后, 床面处于高输沙动平整床面, 流量在500~1500 m3/s时, 床面形态处于沙纹与高输沙动平整床面重叠区。

从图4给出的利津站水深与流速间的关系表明, 在水深1~2m范围内, 流速点群的变幅很大, 最小者仅0.2m/s, 最大者可达2m/s, 在水深1.5~2m时(流量500~1500 m3/s),流速变幅在0.7~2 m/s间变化, 而在水深大于2m以后, 点群的变幅大幅度减小. 根据文献( 3 )对床面形态的研究, 造成水深相同, 流速多值的主要原因时床面存在不同的形态。 不同河床形态产生的条件与水深, 流速, 床沙组成有关。 黄河的床沙组成与文献中床沙为0.1~0.14mm组次情况相近, 把该组资料中水深与流速值点绘在图4中, 并用不同符号标明沙纹, 高输沙动平整床面和逆行沙垄的测点分布情况, 其水深虽然与黄河实测水深相差较大, (文献中的最大水深0.8m, 黄河实测水深一般均大于1 m),但水深与流速间的点群分布状态却很相似。 其沙纹与高输沙动平整床面分界区的延伸线, 把黄河实测水深与流速的点群分为三个区域, 流速小于0.7 m/s者处于沙纹区(流量小于500m3/s), 在水深1.5~2 m时, 流速在0.7~2m/s间变化, 床面处于沙纹和高输沙动平整床面重叠出现区, 水深2m以上, 及流速大于1.5m/s的测点(流量大于1500m3/s), 床面处于高输沙动平整状态.。 澳门匍京88807com无处于沙垄区的测点。

根据文献( 4 )给出的床面形态判式uc/(gd)1/2 > 55计算, 当d为0.1mm时, 流速大于1.72m/s床面将进入高输沙动平整状态. 从表2给出的不同流量级时的平均流速可知, 流量为2000m3/s时, 床面处于高输沙动平整状态。山东河道床沙组成,d50=0.07~0.1mm, 属细粉沙河床, 床面形态的变化是影响河床阻力变化的主要原因。 分析图4给出的流量与n值的关系可知, 流量小于400m3/s时, n值最大达0.015~0.026, 主要是床面形态阻力较大所致。 流量在 400~1100m3/s时, n值的变化范围最大, 最大达0.026, 最小仅0.006, 這是假潮现象发生的区域。

由于床面阻力形态不稳定, 当有沙纹存在时, 形态阻力较大, 引起临近上游河槽蓄水, 下泄流量逐渐减小, 流量达最小时, 河床形态阻力达最大。 但蓄水量达到一定程度, 开始泄水, 流速增加, 沙纹逐渐消失, 阻力随之降至最低, 流量达最大, 随后流量逐渐减小,沙纹逐渐形成并发展, 形态阻力又逐渐增大, 又引起临近上游河段蓄水……, 周而复始, 形成黄河窄深河道特有的假潮现象( 5 ), 在沙纹形成, 发育, 消亡的过程中, 造成动床阻力较大变化。 当流量大于1000m3/s以后, 主流区床面进入动平整状态, 假潮消失, 形态阻力逐渐趋零, 河床阻力较低, 随着流量的进一步增长, 进入动平整状态的床面所占的比重进一步扩大, 甚至沿整个河宽都处于阻力最小的动平整状态, 此时流量约在2000m3/s左右, 河床阻力达到最小。

4.河床冲淤特性与其粗化问题

从图1给出的流量与流速间的关系可知,在流量大于1500 m3/s后, 断面的平均水深大于2m, 相应的平均流速均在2m/s以上, 远大于床沙所需的起动流速与扬动流速, 河床处于极易冲刷状态, 随着流量的增加, 平均河底高程不断降低, 最大冲深可达0.5~2.7 m, 其中艾山, 泺口站的冲深幅度一般大于利津站, 但在洪峰过后, 随着流量的减小平均河底高程又逐渐回升到峰前的高程, 每一场流量较大的洪水都存在着涨冲落淤情况. 由图6是1982年洪水利津站河床冲淤过程与洪水过程间的对应关系, 河床平均高程变化过程与洪峰形成过程相互成倒影, 涨水期冲刷, 落水期回淤, 且河床冲刷速度与洪水涨率有关, 最大冲刷速度达7cm/s, 落水期淤积速度达1.4cm/s. 经过汛期洪水的涨水冲刷与落水淤积, 河床净冲深一般只有0.2~0.6 m, 个别年份的冲深可达1 m,详见表3。由表3给出黄河艾山、洛口、利津三站5场洪水涨水期冲深值、落水期回淤值与净冲深值可知,前两者均远大于后者。在汛期200至300亿m3洪水的作用下艾山以下300km长的河段,一般只冲深0.2至0.5米,远小于涨水期河床冲深1至2.7m幅度。只有利律站1976年净冲深值等于落水期的回淤值,这是由于1976年河口改道清水沟流路大幅缩短流程(37km)有关。从利津站净冲深1m、洛口站净冲深0.6m、艾山净冲深0.4m,也可看出与河口改道引起溯源冲刷有直接关系。

河床在汛期冲深表明, 较粗的泥沙颗粒( d50=0.05~0.1mm )在洪水期也能顺利输送。 表4的5次床沙变化资料中河床冲深1.2~2m, 有两次无变化, 两次变细, 一次变粗, 变粗发生在1976年, 可能与河口改道河床发生单向冲刷有关。

5.涨落冲淤原因分析

河床的冲淤主要取决于底沙运动情况。一般认为, 当来沙量大于底沙的输送能力时, 河床发生淤积, 否则发生冲刷。但是由于黄河河道输沙特性具有多来多排的特点,因此河床的冲淤取决于底沙的输移强度的变化。

综上所周知, 底沙的运动强度与作用在床面上的剪力或功率有关. 在涨水过程中, 随着流量的增加, 作用在床面的剪力增大. 而落水过程中, 随着流量的减小, 作用在床面上的减小。图7给出利津站洪水过程中,流量与作用在河床上剪力和功率之间的关系, 图中的点群分布比较集中, 分辨不出涨水于落水之间的差别. 随着流量的增加, τ值增大, 在流量变幅1500~5500m3/s时, τ值的变化范围为0.15~0.5kg/m2,远大于d=0.1mm所需要的临界起动剪力τ=0.025kg/m2( 7 ). 由图中给出的点群关系可知, 在涨水期与落水期流量相同的情况下, 作用在床面上的剪力相等, 但为什么在涨水期产生冲刷, 而在落水期淤积呢?

据对实测资料统计, 在流量3000m3/s时, 洪峰由艾山传到利津站约需32小时, 平均传播速度为2.53m/s, 而底沙的运动速度与底部流速大小有关, 其输移的速度一般都小于底部流速, 最大等于底部流速。 据对1977年8月11日艾山站实测流量3670m3/s的底部流速的统计( 距床面0.2m ),主流区底部流速的变化范围在0.26~1.05 m/s, 11条垂线底部流速的平均值为0.65 m/s。 由此可知, 底沙的运动速度最多为洪水传播速度的1/4, 由于底沙主要集中在床面附近以层移质的形式输移, 实际的运动速度将比距床面0.2 m处的流速小。

在涨水过程中,随着流量的增加, 作用在床面上的剪力不断增大, 水流输送底沙的能力不断最强, 而上游输入底沙量总是小于水流的输沙能力( 因底沙滞后洪水运动 ), 造成河床不断冲刷,平均河底高程不断降低. 当流量达到最大时, 作用在床面上的剪力也达最大, 底沙的运动强度达到最强烈, 河床高程为最低. 而后随着流量的减小, 作用在床面上的剪力不断减小, 底沙的运动强度逐渐减弱. 由于底沙运动速度滞后于洪水传播速度, 原来运动着的粗细泥沙全在河床上落淤, 引起河床在落水期不断淤高, 且无粗化现象。

6.洪水的非恒定性决定了河床的“涨冲落淤”过程

(1)基本物理图形

床面在高输沙动平整状态时,河床的冲淤取决于底沙的输移强度的变化。已有的研究成果表明,底沙的运动强度取决于作用在床面上的剪力τ=γhj或功率φ=γhjv。当作用在床面上剪力或功率逐渐增加,底沙的输移强度逐渐增强时河床产生冲刷,否则河床发生淤积。即:φ1<φ2 时河床为 冲刷 、φ1=φ2 时河床为输沙平衡、φ1>φ2 时河床为淤积,见图8。

(2)洪水过程中的流量、水深、流速、附加比降的变化 ( j=j0 +▽j,▽j=▽z/▽t/vm ),

非恒定流洪水演进的理论计算结果表明[6],在定床情况下,在洪水上涨时,附加比降为正值,洪水降落时,附加比降为负值,因此最大流速出现在最大洪峰之前,最大水深出现在最大洪峰之后,水位流量关系呈逆时针绳套。在洪水过程中河床可迅速冲刷时,水位流量关系可呈现顺时针绳套。洪水过程中的流量、流速、水深和附加比降的变化过程概化如图9。

(3)洪水期作用在河床剪力或功率变化过程与河床冲淤变化关系

从图10给出的洪水过程中相应作用在床面上剪力或功率变化可知,由于洪水流量随时间的剧烈变化,使得水深、流速、比降发生相应的调整,从而引起作用在床面上剪力或功率相应变化:增强或减弱,造成底沙输移强度的增强或减弱。因此造成涨水期增强,河床必然冲刷;在落水期减弱,河床必然淤积。

7.河床处于高输沙动平整状态会造成河道长距离冲刷

从黄河下游及主要支流渭河、北洛河下游河道高含沙洪水前后主槽冲刷的沿程变化,在河道比降相差十倍的条件下河床均可发生长距离强烈冲刷,显然用一般水流挟沙能力理论无法解释,不平衡输沙恢复长度一般只有几百米,最多几公里,无法解释洪水在几百公里长的河段都发生冲刷,只有从新的物理图形寻找答案。

根据对黄河河道实测断面平均水深与流速关系图,发生拐点的临界水深、流速值列入表5。从表中给出的资料表明,水深的变化范围在1.5m至2m,流速的变化范围在1.8至2m/s,单宽流量的变化范围在3至5m3/s-m,作用在床面上的剪力只有0.2至0.3kg/m2,功率为0.4至0.6kg/m-s。当河宽为300m时,进入高输沙动平整状态的输沙流量约为1000-1200m3/s,河道的输沙特性将进入“多来多排” 的输沙状态。当河宽变化时不淤流量也会相应变化。根据多年对艾山以下窄河段输沙特性的分析,流量大于1500-2000m3/s时河道输沙特性呈“多来多排”的输沙状态[8],其确切的不淤流量值与当时河宽有关。由于近年来连续枯水塑造的河宽变窄,流量在1000-1500m3/s时该河段平均排沙比达100%。

因此,在洪水流量稳定的平水段,作用在床面上的剪力或功率很强烈,床面上存在的强烈运动底沙,河床虽处于冲刷状态,但河底高程变化不明显,河床处于准输沙平衡状态,经过一场洪水一般只冲刷0.2至0.4米,较洪水期最大冲深小得多。

6.几点认识

(1)黄河山东河道的水力几何形态在大小流量时变化规律不同, 分界点约在1500m3/s. 河槽水力几何形态的变化与河道阻力特性关系密切。

q <1500 m3/s : q增大, b/h增大, n减小, v增大,床面形态由沙纹转向高输沙动平整状。

q >1500 m3/s : q增大, b/h减小, n常数, v增大,床面为高输沙动平整状态。

(2) 造成艾山以下河道多来多排的力学基本与黄河泥沙水力特性有关。 随着流量增加, 水深流速增大, 床面形态由沙纹逐渐进入高输沙动平整床面, 动床阻力达到最小, 因床沙均处于最容易启动范围, 故床面上存在着强烈的底沙运动, 较床沙细得多的悬沙自然不会在河床上落淤, 因此形成悬沙多来多排的输沙特性。

(3)由于底沙的运动速度小于洪水波的传播速度, 因此造成洪水在河道中输移时发生长距强烈地冲刷,洪水的非恒定性是造成涨冲落淤主要原因, 但床沙组成粗化现象不明现, 这些带有普遍性问题应引起足够的重视。

(4 ) 床面在高输沙动平整状态时,河床的冲淤取决于底沙的输移强度的变化,而与输沙的强度大小并无直接关系,因为此时河床存在着多来多排的输沙特性。

参考文献

[ 1] 齐璞 赵文林等, 黄河高含沙水流运动规律及应用前景 科学出版社 1993年6月

[ 2 ] leopold, l. b. and maddock, t, the hydraulic geometry of stream channels and some physiographic implication, v. s. ged, survey, praf. paper no. 252.1953

[ 3 ] j. b索撒德 冲积河道的床面形态及有关水温悬移质含量影响的综述 中美黄河下游防洪措施学术论会论文集 中国环境科学出版社 1988年 北京

[ 4 ] 王士强 冲积河渠床面阻力试验研究 水力学报 1990年12期

[ 5 ] 王益良 王义安 齐华林 黄河下游假潮现象 泥沙研究 1984 ( 3 )

[ 6 ] 沙玉清 泥沙运动学引论 中国工业出版社 1965年

[ 7 ] 张海燕 河床演变工程学 科学出版社 1989年

[ 8 ] 齐 璞、孙赞盈,黄河冲积河床动床阻力、冲淤特性及输沙特性形成机理(j),泥沙研究,1994年(2)

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