河流冲刷过程中表层床沙粗化对不平衡输沙的影响Ξ.pdfVIP

第 11 卷 第 3 期 水 科 学 进 展 V o l11,N o 3 2000 年 9 月　　 A DV AN CE S IN W A T ER SC IEN CE 　 Sep , 2000　 ( ) 文章编号: 100 1679 1 2000 河流冲刷过程中表层床沙粗化 对不平衡输沙的影响 刘金梅, 王士强, 王光谦 (清华大学水利水电工程系, 北京 100084) 摘要: 在分析前人的不平衡输沙研究成果的基础上, 针对非均匀沙河床, 提出了床沙交换速率的 新物理概念, 计算研究了不同床沙交换速率时表层床沙的粗化过程及非均匀沙含沙量恢复饱和过 程。研究表明, 由于较细泥沙的冲刷率总大于较粗泥沙, 因此在床面薄层内泥沙随冲刷迅速粗化, 致使挟沙力降低, 不平衡输沙距离较均匀沙情况大大延长。床沙交换速率愈慢, 则冲刷距离愈长。 关　键　词: 河流冲刷; 表层床沙粗化; 不平衡输沙; 床沙交换速率 中图分类号: TV 142　　　文献标识码: A 非均匀沙河床上的水流不平衡输沙问题是生产和学术上的一个重要问题。冲积河流中的水 流含沙量常不等于当地水流的挟沙能力, 对于较细的泥沙, 一般都要经过长距离的河床沿程冲 淤, 才能使水中含沙量逐渐趋于饱和平衡。此距离计算值的长短严重影响河道沿程冲淤厚度及 分布。在我国, 黄河、长江等大江大河的泥沙均比较细, 不平衡输沙问题尤为突出。 以往对不平衡输沙的研究, 大致有两类: 第一类主要从悬移质紊动扩散方程出发, 求解得 出含沙量恢复饱和过程的解析解或者数值解。这类研究大多主要集中在给定不同的近底边界条 件, 从而得出不同的结果[ 1～ 4 ] 。这类研究迄今大多只局限于针对均匀沙情况, 即床沙补给条件是 无限的, 一定水流的挟沙力随时间和沿程不变。一些研究针对了非均匀沙情况, 但实际上只是 不同粒径组的均匀沙的简单混合而已。河床冲淤时表层床沙级配的迅速变化对非均匀沙不平衡 输沙的重大影响, 迄今尚无涉及。由于已有的河床变形数学模型中的泥沙冲淤及床沙级配调整 都是非耦合计算, 且计算时段较长, 又未引入床沙交换速率概念, 因此, 至今关于冲刷使床沙 粗化的计算结果多针对长时期而言, 冲刷时表层床沙的迅速粗化及其对不平衡输沙的重大影响 无法揭示。第二类主要从垂线平均含沙量沿程变化出发, 引入含沙量恢复饱和系数 [4 ] 。尽管系 数 最初有推导、定义或计算公式, 但一般都采用根据实际不平衡输沙资料率定得出的经验性数 值。这类不平衡输沙方程简单实用, 在我国的河床变形计算中得到广泛应用。虽然迄今对于恢 复饱和系数 进行了很多研究, 但对于 值的物理本质及变化规律还远未完全掌握。长久以来, 收稿 日期: 1999042 1; 修订日期: ( ) 基金项 目: 国家自然科学基金资助项 目 和 。 作者简介: 刘金梅 ( 1975