潮流和波浪作用下悬移质挟沙能力的研究论文.docVIP

　　潮流和波浪作用下悬移质挟沙能力的研究论文 摘要：本文将湍流猝发理论用于潮流与波浪共同作用下挟沙能力的研究。基于湍流猝发的时空尺度得到波浪和潮流作用下床面泥沙上扬通量，然后根据连续律，建立了平衡近底含沙量的理论表达式。进而根据波浪掀沙和潮流输沙的模式，推导得出了物理概念清晰和充分考虑床面附近泥沙交换力学机理的潮流和波浪共同作用下的挟沙能力公式，经过黄河口实测资料的验证，计算与实测符合良好。 关键词：湍流猝发 挟沙能力 波浪掀沙 潮流输沙 1 前言 长期以来，人们对床面附近泥沙交换的力学机理的认识并不十分清楚，即使对于较为简单的二维恒定均匀流.freel2s；TB为湍流猝发的平均周期，s；A为单位面积内对泥沙颗粒上扬有贡献的湍流猝发的平均面积，无量纲；N为可冲刷床面单位面积内所包含的泥沙颗粒数，N可由下式计算16 N=6SVm/πd2 (3) 式中SVm为单位面积床面层的极限体积含沙量。黄河口床面淤积物中值粒径d50基本在0.01～0.05mm之间，本文SVm采用下式计算17 SVm=0.511+0.0357logd50 (4) 单位面积上使泥沙颗粒上扬的湍流猝发的平均面积A与单位面积上发生猝发的平均面积δ、湍流猝发对床面作用的剪切应力τb和床面泥沙临界扬动剪切力τe有关，则 A=δτb/τe (5) 对于泥沙颗粒比较细的河口地区，泥沙的起动往往是直接的扬动18，因此，在这里用临界起动剪切力τk代替临界扬动剪切力τe，故 A=δτb/τk (6) 单位床面上的平均猝发面积由猝发的空间尺度确定。根据已有的单向流大量实测资料表明19，猝发的平均流向尺度为40ν/u*(u*为摩阻流速，ν为水的运动粘滞系数），横向尺度为15～20ν/u*，相邻两个猝发带的平均流向间距为500ν/u*，横向间距为100～125ν/u*。考虑到波浪和单向流共同作用较单向流独自作用更易发生湍流猝发现象，故笔者取猝发的横向尺度的上限为20ν/u*，相邻猝发带的横向间距的下限为100ν/u*。因此，单位床面面积内的平均猝发面积为 δ=40×20/500×100=0.016 (7) 已有的大量实测资料表明近壁区的低流速带无因次间隔分布大致有相同的数值，即 TB+=TBu2*/ν≈100 (8) 则 TB=TB+ν/u2* (9) 将式（3）、（6）和（9）代入式（2），整理后得床面泥沙上扬通量的计算式 E=ρsδ/νTB+dSVmu4*/u2*k (10) 2.2 平衡近底含沙量 在重力的作用下，单位时间内穿过近底边界单位面积的泥沙沉降通量可以表示如下 D=ρsSvbωs=Sbωs (11) 式中ωs为浑水中泥沙颗粒的沉速；Svb为近底体积含沙量；Sb为近底含沙量。 在河口地区，细颗粒泥沙在盐水中易于发生絮凝，因此，必须考虑絮凝的作用。如以ωs和ω分别代表絮凝团粒及单颗粒泥沙在水中的平均沉速，两者之比值F称为絮凝因子，根据我国河口淤泥沉降试验有如下关系20 F=ωs/ω=7×10-4d50-1.9 (12) 对于细颗粒泥沙在清水中的沉速一般采用Stockes公式计算 ω=1/18γs-γ/γgd2/ν (13) 在挟沙水流中，一方面悬移质中一部分泥沙沉落到床面，另一方面波浪和单向流又自床面掀起一部分泥沙呈悬移状态。在平衡挟沙的情况下，穿过近底边界的泥沙上扬通量与沉降通量相等，由式(10)和(11)得 Sb=ρsδ/νTB+dSVmu4*/ωsu2*k (14) 上式即为平衡近底含沙量的理论公式。 3 波浪和潮流作用下的挟沙能力公式 上面基于紊动猝发理论得出了平衡近底含沙量的理论公式，笔者进而根据相对含沙量沿垂线的分布关系可以得出沿垂线的平均含沙量，在平衡的情况下即是水流的挟沙能力。河口地区水深较浅，波浪具有强烈的掀沙作用，对近底含沙量作出了主要贡献。由于波浪为周期性振荡，掀起的泥沙主要在潮流的作用下输移。大量实测资料表明，潮流输沙过程中的含沙量沿垂线分布基本可以用Rouse公式表示 S/Sb=(h/z-1/h/b-1)ωs/ku* (15) 式中，b为近底某处距床面的距离，一般取b/h=0.01～0.05，这里取0.01；Z=ωs/ku*称为悬浮指标，实质上代表了重力作用与紊动作用的相互关系。悬浮指标越大，表示重力作用越强，含沙量沿垂线分布越不均匀；反之，悬浮指标越小，表示紊动作用越强，含沙量沿垂线分布越均匀。事实上，波浪的作用使含沙量沿垂线的分布趋于均匀，具体反映在悬浮指标的变化之中。在潮汐河口地区，除憩流附近的较短时间外，基本属于单向流。已有的实测资料表明21，22潮汐水流的流速分布可以用一般的指数或对数分布，这里采用卡门-勃兰德尔的流速分布公式 (16) 式中umax为垂线上的最大时均流速，κ为卡门常数，τb为床面剪切力。