瑪納斯河總干渠推移質(zhì)輸沙率公式分析

徐鳳麗,牧振偉,郝 瑞

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊830052;2.新疆水利廳瑪納斯河流域管理處,新疆石河子832000)

推移質(zhì)輸移問(wèn)題是泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)和河床演變研究的一個(gè)重要內(nèi)容,推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)是十分復(fù)雜的問(wèn)題,迄今為止,對(duì)于推移質(zhì)輸沙率的研究已經(jīng)有一百多年的歷史。目前推移質(zhì)輸沙率公式數(shù)量很多,但公式的立論基礎(chǔ)之間存在爭(zhēng)議。近年來(lái)針對(duì)山區(qū)河流推移質(zhì)輸沙計(jì)算理論和方法有不少進(jìn)展,但總的來(lái)說(shuō),山溪性河流推移質(zhì)輸沙的計(jì)算仍是一個(gè)眾多學(xué)者持續(xù)關(guān)注而到目前為止還沒(méi)有得到解決的問(wèn)題。近年來(lái),李山等學(xué)者對(duì)彎道式渠首設(shè)計(jì)及運(yùn)行進(jìn)行了研究[1～4],王忠等人針對(duì)金溝河渠首泥沙處理給出相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[5],侯杰、邱秀云等通過(guò)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《懸板分層式引水渠首水力特性及輸沙機(jī)理的研究》及橫向試驗(yàn)課題對(duì)渠首的引水排沙措施做了研究[6～11],得到了解決具體型式渠首的引水排沙新措施。但以上研究都是基于實(shí)驗(yàn)室,或者根據(jù)實(shí)際工程運(yùn)行定性總結(jié)出來(lái)的,缺乏定量的基礎(chǔ)理論依據(jù)和代表性,防沙措施往往具有局限性。而關(guān)于新疆彎道式渠首推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的計(jì)算分析文獻(xiàn)報(bào)道很少,推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)對(duì)渠首引水影響缺乏理論依據(jù),而推移質(zhì)輸沙率是山溪性河流進(jìn)行科學(xué)研究的基礎(chǔ)和工程應(yīng)用的主要依據(jù),由于以往有關(guān)天然河流泥沙觀測(cè)資料較少,前人研究成果主要是以室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)得出的,從而缺乏天然河流實(shí)測(cè)泥沙資料比較和驗(yàn)證。

瑪納斯河屬山溪性河流,據(jù)紅山咀站實(shí)測(cè)資料,多年平均徑流量12.6×108m3,多年平均懸移質(zhì)輸沙量315×104t,推移質(zhì)泥沙約47×104t,占懸移質(zhì)泥沙的15%。河流泥沙年際變化大,實(shí)測(cè)最大年輸沙量547×104t,最小年輸沙量82×104t,變差系數(shù)Cv達(dá) 0.57,年內(nèi)分配極不均勻,年推移質(zhì)輸沙量40×104t,最大卵石粒徑600 mm,主要集中在6月～8月,平均6月～8月的輸沙量占全年的90%以上。

1 實(shí)測(cè)資料的選取與分析

采用直接量測(cè)法中的器測(cè)法,推移質(zhì)采樣器采用MB-Ⅱ型卵石推移質(zhì)采樣器。本文根據(jù)紅山咀站實(shí)測(cè)資料中的平均水深、平均流速、床沙顆粒級(jí)配、實(shí)測(cè)推移質(zhì)輸沙率等參數(shù)資料進(jìn)行篩選后代入各家公式進(jìn)行計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果與斷面實(shí)測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比分析。初步確定適應(yīng)于瑪納斯河總干渠的推移質(zhì)輸沙率公式。參數(shù)選取情況見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

將流量以升序排列,得到流量—輸沙率,平均流速—輸沙率,平均水深—輸沙率,平均粒徑—輸沙率的關(guān)系,將其繪制到單對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上可得圖1。

圖1 流量、平均水深、平均粒徑、平均流速與輸沙率的關(guān)系

從圖上可以看出流量—輸沙率,平均流速—輸沙率,平均水深—輸沙率,平均粒徑—輸沙率之間沒(méi)有直接的線性關(guān)系,關(guān)系比較復(fù)雜,有待進(jìn)一步分析。

2 計(jì)算公式說(shuō)明

推移質(zhì)輸沙率的研究目前主要分為水槽試驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及推移質(zhì)輸沙率公式的計(jì)算。推移質(zhì)輸沙率公式的形式千差萬(wàn)別,理論基礎(chǔ)也各不相同,目前為止,在對(duì)推移質(zhì)輸沙率公式的研究中,依據(jù)公式形式理論基礎(chǔ)大致可分為4類(lèi):概率論及力學(xué)相結(jié)合;建立在能量平衡觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上,以拖曳力為主要參變數(shù);從沙波運(yùn)行的情況考慮;以流速為主要參變數(shù)[12,13]。本文通過(guò)選定公式對(duì)瑪納斯河總干渠推移質(zhì)輸沙率進(jìn)行計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)輸沙率進(jìn)行比較,對(duì)適用于該干渠的推移質(zhì)輸沙率公式進(jìn)行了初步探索。由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有流量,平均水深,平均流速,所以本文選定以流速為主要參變數(shù)的推移質(zhì)輸沙率公式與實(shí)測(cè)輸沙率進(jìn)行比較。各家公式的具體介紹見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算公式

根據(jù)紅山咀站實(shí)測(cè)卵石推移質(zhì)級(jí)配資料分析,由于數(shù)據(jù)較少最終決定用算術(shù)平均粒徑為計(jì)算粒徑。流速采用斷面平均流速,所有的rs/r均取2.65。選定利用武漢水利電力學(xué)院公式[14]來(lái)計(jì)算起動(dòng)流速。摩阻流速U*采用曼寧-斯特里克勒公式[12]計(jì)算,式中h為平均水深,d為算術(shù)平均粒徑。

3 結(jié)果分析

3.1 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較分析

各公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)輸沙率在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖2所示。從圖2中可以看出,列維輸沙率公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值整體吻合較好;其次是梅耶-彼得公式,其計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合普遍較好;沙莫夫公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值部分吻合較好,但部分計(jì)算值比實(shí)測(cè)值偏小;竇國(guó)仁公式計(jì)算值普遍比實(shí)測(cè)值偏小。愛(ài)因斯坦公式當(dāng)輸沙率大于3時(shí),計(jì)算值比實(shí)測(cè)值偏小;當(dāng)輸沙率小于3時(shí)計(jì)算值比實(shí)測(cè)值大。表明利用列維公式計(jì)算瑪納斯河的卵石推移質(zhì)輸沙率比較合適。

圖2 各輸沙率公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)輸沙率的比較

3.2 適用公式主要參數(shù)分析

對(duì)各家公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,可以看出以概率論及力學(xué)相結(jié)合的愛(ài)因斯坦公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值偏差較大。而以流速為主要參變數(shù)建立的公式計(jì)算結(jié)果偏差較小。

由于山溪性河流通常坡陡流急,集流散流過(guò)程迅速,洪水猛漲猛落,水位流量變幅大,推移質(zhì)多且大,水流挾沙能力變化急劇,同時(shí)河谷狹窄彎曲,兩岸地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,巖石風(fēng)化破碎,構(gòu)成河床的床沙多為礫石、卵石等,顆粒粗、級(jí)配分布寬。相應(yīng)的會(huì)使引入總干渠的推移質(zhì)輸沙率增大。在利用摩阻流速計(jì)算時(shí)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值偏差較大,主要是因?yàn)樵谶x擇某個(gè)代表粒徑作為糙率尺寸ks時(shí)存在偏差,在用公式計(jì)算推移質(zhì)輸沙率的過(guò)程中,這些參數(shù)的累積偏差更明顯。

4 結(jié) 論

(1)影響卵石推移質(zhì)起動(dòng)和輸沙規(guī)律的因素復(fù)雜并且多,目前有許多因素尚難定量考慮,而天然渠道的情況較實(shí)驗(yàn)室更為復(fù)雜。本文從應(yīng)用的角度出發(fā),對(duì)瑪納斯站卵石推移質(zhì)輸沙率計(jì)算公式進(jìn)行了初步選定分析。

(2)對(duì)于卵石推移質(zhì),選定合適的代表粒徑計(jì)算是非常重要的。

(3)在選定瑪河站卵石推移質(zhì)起動(dòng)流速和輸沙率公式時(shí),將卵石推移質(zhì)近似為均勻沙處理,均未考慮泥沙顆粒之間的作用,在以后將進(jìn)一步做出探討。

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