明槽水流的非均匀沙挟沙力研究Word格式文档下载.docx
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上列公式中的a值可由下述方法求得.因颗粒平均跃移高度ao的计算公式（3）中的系数是根据水槽颗粒跃高试验资料适线确定的，因此在水槽输沙计算中取a=a0,这是合理、自然的，如此计算出的悬移层底部浓度及挟沙力与大量水槽内的实测资料符合相当好.对于天然河流、水库，无任何实测跃移层高度a的资料，若仍取a=a0,则计算出的悬移层底部浓度一般都远大于实测资料.因天然河流、水库内的水深远大于水槽情况，作为水深方向的物理量a，可以推测和假定随相对水深H/D50而增大，根据一些天然河流、水库实测底部含沙量资料分析反算，得出一般含沙量情况下天然河流内的a可按经验公式（15a）计算，a可称为准跃移层厚度：
（15a）
对于长江及黄河大部分非高含沙水流情况，按式（15a）计算的悬移质挟沙力与大量实际资料符合较好.但对于黄河少数高浓度情况，若按式（15a）计算又计及沉速修正后得出的悬移层底部含沙量仍明显小于实际情况.
从上述公式（3）可以看出，跃移层厚度随水流容重γ增大而减小，在高含沙水流情况下，γ随浓度增加而明显增大.另外，随着浓度增加，对数流速公式中的卡门常数κ将会减小，即由床面向水面方向的流速变大的梯度增大，床面附近水流垂向紊动强度向水面方向变大的梯度也理应增大，这就意味着相同平均水流强度时含沙浓度愈高，颗粒由跃移转为悬移的高度a离床面愈近.根据以上初步分析及实际资料反算，在公式（15a）中增加卡门常数κ的影响因子，得出了包括高浓度水流情况的计算a的初步经验公式（15）.
（15）
式中卡门常数κ据一些实测资料〔13〕可按式（16）计算.
κ=0.03421-0.24153E-0.04142E2,（E＞-3） （16）
κ=0.365-0.007E, （E=-3～-5）
κ=0.4 （E≤-5）
E=lg（（γs-γ）/（γ）（∑isSωi）/（VJ））
式中S为重量计含沙量，ωi为分组沉速，V为流速.
式（12）或式（13）中比值Ks反映了床面附近泥沙浓度分布规律，这是一个十分复杂尚待探索的重要问题.作者以往根据推移层内沿深度输沙率分布均匀假定，提出Ks=0.81，据此及上列公式计算验证了很多水槽试验资料，结果较满意，计算与实测挟沙力比值KA在0.5～2.0之间的资料组次占74%～84.7%，比国内外一些著名的水流挟沙力公式计算结果更为接近实际〔9〕，深入分析分组输沙率计算与实测值比值看出，粗细颗粒除了在床面上及水中互相影响以外，近壁层泥沙浓度分布规律不同，从文献〔6〕也可看出，Ks应随Θ增大而变大，并非常数.文献〔10〕和〔11〕从试验或分析表明，在上举力大于颗粒水下重量的近壁层范围内，含沙浓度分布会出现上大下小.参考文献〔6〕提出的跃移层内浓度分布公式，根据大量分组输沙率资料，作者提出了计算Ks的新的初步经验公式：
Ks=0 （Θ＜0.04） （17）
（0.04＜Θ≤0.2）
（Θ＞0.2）
式（17）中Θ分界大体上与动床床面形态突变相应〔14〕，Θ＜0.04时qs=0,Ks当然为0；
Θ=0.2时大体上沙垄发育最高，相应Ks=0.81，即此前设定Ks为0.81常数大体上是一种平均情况；
Θ＞2时式中Ks＞1，即近壁层内含沙浓度出现上大下小分布，此时冲积床面一般为高能态逆行沙波.应用公式（17）计算Ks使挟沙力计算精度进一步提高.从定性上看，式（17）是比较合理的，但定量上尚待今后继续研究.
二、非均匀沙挟沙力水槽试验成果
本次试验在长16m宽0.5m的循环可调坡水槽内进行，槽内预先铺沙15cm厚，当放水足够长时间水流输沙达平衡后测量数据.原始床沙分细沙（F）及混合沙（M）两大类，各类原始床沙级配及特征粒径列于表1，表中颗粒分散度σ=（D84/D50+D50/D16）/2.试验床沙分散度虽不很大，但与黄河、长江等中下游沙质河流床沙分散度相近.试验共得57组资料，流量Q为0.021～0.126m3/s，水深H为0.094～0.231m，能坡J为（1.7-12.9）×
10-3，含沙量C为13.7～229kg/m3.表2、3分别为F及M类沙试验数据.所谓全沙指包括悬移质和推移质的水中全部输沙.
表1原始床沙级配及特征值
试验类别
原始床沙级配（mm），（%）
特征粒径（mm）
分散度
σ
〈0.02
〈0.06
〈0.01
〈0.04
D35
D50
D65
Dm
F
9.37
44.33
92.75
100
0.050
0.065
0.078
0.064
1.873
aM
1.44
23.20
43.97
88.26
0.080
0.107
0.125
0.112
1.797
b
0.89
21.28
45.91
84.42
0.105
0.126
0.123
1.920
c
0.32
13.28
33.14
0.102
0.121
0.144
0.151
2.104
表2非均匀沙挟沙力试验数据（细沙类）
组次NO.
流量
Q/
/s
水深
H/m
能坡
J/1/1000
水温
T/℃
含沙量
C/kg/
小于某粒径沙重%（全沙）
＜0.02
＜0.06
＜0.10*
1
0.163
2.450
24.0
82.51
25.89
64.87
90.03
2
0.057
0.209
1.720
20.8
26.52
32.64
72.26
94.24
3
0.223
4.740
22.3
96.40
23.43
57.96
90.05
4
0.103
0.219
3.840
23.0
50.90
22.32
68.12
98.74
5
0.086
0.231
3.130
50.62
18.01
65.41
97.10
6
0.071
0.199
3.870
21.5
54.48
27.78
70.12
97.36
7
0.053
0.189
2.590
22.0
34.56
27.12
73.16
99.13
8
0.118
0.206
12.900
23.5
136.94
19.17
51.66
92.96
9
0.191
6.880
114.79
25.29
63.16
96.23
10
0.093
0.173
5.100
23.2
133.15
28.16
62.34
96.07
11
0.067
0.161
5.800
105.86
33.20
72.29
97.03
12
0.140
5.030
91.81
21.33
59.37
95.80
13
0.031
0.122
2.160
22.8
39.67
30.93
76.39
97.21
14
0.026
0.116
1.940
25.68
35.49
76.76
98.49
15
0.041
0.142
52.23
33.24
74.94
98.31
16
0.085
6.250
25.0
141.39
29.25
65.35
96.77
17
0.187
5.600
25.5
215.79
27.93
67.81
98.06
18
0.070
0.128
6.470
24.8
164.35
19.62
49.51
94.73
19
0.081
0.152
8.100
219.83
23.59
59.09
94.84
20
0.056
9.000
229.32
24.83
62.46
96.84
21
3.020
84.53
27.46
68.70
96.51
22
0.043
0.165
28.96
20.18
68.39
97.33
*D＜0.2mm沙重占100%，各组床沙级配均取原始级配.
表3非均匀沙挟沙力试验数据（混合沙类）
小于某粒径（mm）沙重%*
＜0.04全
＜0.10
沙
＜0.04
床
0.108
0.203
5.590
101.34
27.32
52.35
78.62
7.96
0.109
0.200
6.450
27.0
76.28
38.07
61.29
92.62
0.188
3.010
49.38
21.30
46.94
95.30
7.86
22.20
46.13
0.091
4.700
26.5
63.86
33.54
55.48
91.79
8.20
26.92
55.30
0.045
0.197
20.5
13.75
42.52
60.26
91.68
10.33
64.65
0.170
44.51
38.47
61.76
95.81
4.79
19.07
49.09
0.038
0.158
2.150
22.33
40.41
61.74
95.08
5.43
21.70
46.31
0.088
0.157
74.43
22.53
44.65
91.52
7.98
26.88
51.78
0.129
3.000
31.57
34.03
56.01
87.23
6.56
23.62
48.50
0.058
4.300
20.7
53.77
27.92
48.39
93.11
8.03
27.53
52.28
0.079
0.145
7.000
118.18
35.71
57.27
89.54
4.15
17.51
40.66
0.021
0.097
21.9
34.92
36.37
59.27
87.12
4.45
18.42
43.57
0.048
6.460
22.4
85.00
40.05
61.99
95.63
4.85
18.95
42.64
0.040
0.101
3.440
22.2
55.50
35.78
59.95
87.41
9.92
33.82
68.13
0.073
0.131
99.34
31.69
51.75
83.51
5.57
22.43
51.01
0.192
78.49
34.33
51.43
87.24
6.08
0.068
3.660
45.13
32.57
53.51
86.22
11.46
35.46
67.94
0.096
5.160
21.0
30.05
48.29
84.77
5.33
23.06
53.49
0.202
37.36
28.40
48.94
81.60
11.34
33.06
63.33
2.370
20.0
29.08
32.29
53.26
87.52
6.18
21.75
47.41
0.164
4.090
49.13
34.74
54.01
86.64
13.23
36.88
65.08
0.039
18.5
25.16
47.89
69.31
97.87
5.79
22.27
49.52
23
0.167
5.380
19.7
78.29
29.73
53.03
84.10
10.40
31.58
61.09
24
0.044
18.1
47.98
31.24
52.49
88.20
5.50
22.86
51.33
25
0.055
19.0
52.45
35.48
58.49
89.58
12.68
38.96
71.12
26
18.0
79.35
24.75
84.92
8.98
27.10
54.00
27
0.030
0.111
41.54
37.74
56.51
4.98
19.97
44.80
28
0.032
0.094
51.87
33.45
52.80
89.84
10.63
32.00
60.52
29
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