高含沙水流特性和灘槽沖淤特征淺述

張琳琳，張 俊

(1.陜西省河流工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710018;2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)，陜西 西安 710075)

高含沙水流，是指水流挾帶的泥沙顆粒非常多(尤其是粒徑d＜0.01 mm的細(xì)顆粒泥沙)，含沙量很大，以至于該挾沙水流在物理特性、運(yùn)動特性和輸沙特性等方面的基本特性不再像挾沙水流那樣用牛頓流體進(jìn)行描述。高含沙水流實(shí)際上不是普通意義上的固液兩相流，其中運(yùn)動的泥沙甚至也不能按照懸移質(zhì)和推移質(zhì)進(jìn)行劃分。泥沙顆粒之間、泥沙顆粒與水流之間已經(jīng)產(chǎn)生了足夠的相互作用，使泥沙的運(yùn)動不再僅僅是水流與泥沙顆粒之間的相互作用，而更多地體現(xiàn)出“群體的特性”。

1 高含沙水流特性

我國早在20世紀(jì)60年代就對高含沙水流開始系統(tǒng)研究，研究方面涉及高含沙水流的形成特性研究、流變特性研究、流動特性研究、輸沙特性、河床演變規(guī)律研究等，成果豐碩。黃河水利委員會、中國水科院泥沙研究所、水利部西北水科所、武漢水利電力學(xué)院、清華大學(xué)等國內(nèi)重要的科研單位，對高含沙水流運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行深入研究，逐步建立起高含沙水流運(yùn)動的理論體系。國外高含沙水流的系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)80年代，國外目前關(guān)于高含沙水流的研究遵循與借鑒了我國的方法和理論［1］。

1.1 產(chǎn)、匯流特性方面

王興奎［2］分析了黃土丘陵溝壑區(qū)的產(chǎn)沙機(jī)理及匯流過程，根據(jù)不同溝道的匯流模式，闡述了高含沙水流的一些主要特性，得出高含沙水流產(chǎn)沙的極限含沙量。認(rèn)為高含沙水流是指含沙量高達(dá)200～300 kg/m3以上的挾沙水流，當(dāng)水體中含沙量較高，并且含有一定量的細(xì)(粘)顆粒(d＜0.01 mm)，使該挾沙水流的物理特性、運(yùn)動特性和輸沙特性等基本上不再用牛頓流體的運(yùn)動規(guī)律來描述時(shí)，這種水流稱為高含沙水流。王光謙［3］分析了黃土高原各水沙過程的主要機(jī)理，揭示出可依據(jù)坡面徑流建立坡面侵蝕產(chǎn)沙模型和溝道系統(tǒng)的高含沙水沙模型，為建立符合實(shí)際物理圖景的水沙模型系統(tǒng)，完成流域泥沙過程模擬提供基礎(chǔ)。

1.2 流變特性方面

高含沙水流的流變特性一般用賓漢模式描述，其中屈服應(yīng)力和剛度系數(shù)隨著含沙量大小而變化，并與細(xì)顆粒含量有關(guān);高含沙水流的黏性要比一般挾沙水流大得多。

田治宗等［4］利用黃河干支流河道的實(shí)測流速、含沙量資料，分析泥沙在高含沙紊動水流中的沉降速度，得到高含沙水流紊動狀態(tài)下的流變參數(shù)與雷諾數(shù)Rem的關(guān)系，當(dāng)Rem＜800時(shí)，流變參數(shù)隨著Rem的增大而增大;當(dāng)Rem＞800后，流變參數(shù)則隨著Rem的增大而降低并漸趨穩(wěn)定。陳立［5］用極限濃度綜合反映諸因素對高含沙水流流變參數(shù)——剛性系數(shù)和賓漢極限切應(yīng)力的影響，提出了確定極限濃度的新方法，并根據(jù)流變試驗(yàn)資料，建立了精度較高、適用范圍較廣的流變參數(shù)表達(dá)式。白玉川等［6］研究認(rèn)為，對于高含沙水流等非Newton流體，層流轉(zhuǎn)捩為紊流以及紊流潰滅再次轉(zhuǎn)為層流，其不僅主要取決于慣性力與黏性力的比值—臨界雷諾數(shù)，而且還取決于這種非Newton流體中含沙量的大小、含沙量的分布形式、含沙顆粒粒徑的大小以及含沙顆粒的重度等多種因素。研究結(jié)果為解釋河流中的"漿河"現(xiàn)象、挾沙水流湍流強(qiáng)度及湍流結(jié)構(gòu)的變化趨勢提供了一些重要的學(xué)科依據(jù)。司鳳林等［7］在黃河中游多沙粗沙區(qū)25條支流大量實(shí)驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行了分析研究，提出了不同河流形成高含沙水流的定量條件，并給出不同地區(qū)、不同河流流變參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。

1.3 流動特性方面

高含沙水流流動特性即層流區(qū)、紊流區(qū)流速分布。二相紊流型高含沙水流的流速扥不依然遵循對數(shù)規(guī)律;高含沙水流是一種是高強(qiáng)度的紊流(含沙量不過分高)，發(fā)生在比降大流速搞的情況下，水流洶涌，大尺度和小尺度的脈動都得到比較充分的發(fā)展，另一種是復(fù)雜結(jié)構(gòu)流流態(tài)。

張瑞瑾［8］致力于河流泥沙運(yùn)動基本理論和實(shí)際工程應(yīng)用的研究，提出泥沙沉速、泥沙起動、水流挾沙力公式，被廣泛應(yīng)用。費(fèi)祥俊［9］對泥沙運(yùn)動特性進(jìn)行了研究，建立了高濃度漿體粘滯系數(shù)與賓漢屈服應(yīng)力計(jì)算公式，可用于泥石流漿體的粘性計(jì)算。舒安平等［10］推導(dǎo)得出了紊動能轉(zhuǎn)化率kt表達(dá)式以及泥沙懸浮效率系數(shù)es表達(dá)式，得出了高含沙水流的紊動能量轉(zhuǎn)化與耗散規(guī)律，為黃河具有“多來多排”的輸沙特性找到一定的理論依據(jù)。張紅武［11］等基于張紅武的“紊流渦團(tuán)模式”和采用高精度的流速垂向分布表達(dá)式，建立起高含沙水流的紊動粘性系數(shù)計(jì)算公式，并將計(jì)算公式應(yīng)用于黃河下游平面二維泥沙數(shù)學(xué)模型中。王光謙［12］建立了流域水沙運(yùn)動模擬模型，提供了黃土丘陵溝壑區(qū)溝道系統(tǒng)水沙運(yùn)動模擬的一種模式。對于溝道水流挾沙力的計(jì)算，驗(yàn)證對比了常用于黃河干流的張紅武公式和專為泥沙源區(qū)建立的費(fèi)祥俊公式。劉兆存［13］等綜述了高含沙水流的阻力特征、流速分布、紊動強(qiáng)度分布、能量分布等流動過程中所具有的特性，并和清水、低含沙水流作了對比分析，系統(tǒng)論述高、低含沙水流所共同具有的規(guī)律。

1.4 輸沙特性方面

高含沙水流的輸沙特性可以用河段排沙比來反映。竇國仁［14］對泥沙運(yùn)動、推移質(zhì)和懸移質(zhì)輸沙、河床變形等基本理論進(jìn)行研究，提出了河床紊流隨機(jī)理論、非恒定流不平衡輸沙方程式、泥沙沉降的統(tǒng)一公式，被廣泛應(yīng)用。韓其為［15］采用力學(xué)與隨機(jī)過程相結(jié)合的方法，對泥沙運(yùn)動統(tǒng)計(jì)(隨機(jī))理論進(jìn)行了長期研究，建立了較為完整的泥沙運(yùn)動統(tǒng)計(jì)理論體系，對不平衡輸沙、異重流、淤積形態(tài)、變動回水區(qū)沖淤、回水抬高、水庫淤積控制等均進(jìn)行了專門研究，基本完成了將淤積由定性描述到定量表達(dá)過渡。齊璞等［16］利用黃河主要干支流渭河、北洛河、黃河下游及三門峽水庫大量實(shí)測資料分析得出:河道中的高含沙水流的阻力與低含沙水流相同，均可用曼寧公式進(jìn)行阻力計(jì)算，分析了黃河高含沙水流的高效輸沙特性形成機(jī)理。張德茹等［17］利用洛惠渠近二十年的實(shí)測資料，分析洛惠渠高含沙水流的特性，指出水流中含沙量的增大和細(xì)顆粒含量的增加，一方面使流體粘度增加;另一方面使流體容重增大，從而導(dǎo)致顆粒的沉速大幅度降低，甚至形成不分選泥漿。許繼剛等［18］根據(jù)對實(shí)測資料的分析，得出了輸沙管道高含沙水流沿程和局部阻力系數(shù)的變化規(guī)律及確定方法，提出了管道綜合泥沙因子和綜合阻力系數(shù)的相關(guān)關(guān)系，同時(shí)指出細(xì)顆粒組成對高含沙水流的阻力特性有很大影響。

2 灘槽沖淤特征

斷面形態(tài)的變化實(shí)質(zhì)上反映了來水來沙對初始河道邊界條件的作用情況。國內(nèi)針對灘槽沖淤特征的研究亦較多，大多集中在黃河、渭河流域，八、九十年代成果集中在對河道沖淤規(guī)律的探討。梁志勇等［19］提出了高含沙洪水時(shí)斷面的沖淤變化模式，其模式可分為兩個階段:1)高灘深槽的塑造階段;2)主槽強(qiáng)烈沖刷階段。在洪水漲水初期、洪水未漫灘之前，嫩灘淤積較多，主槽淤積較少，河寬縮窄;水流平灘或漫灘以后，灘地和嫩灘的水流流速明顯小于主槽的水流流速，使水流大量停滯，灘地淤積，特別是嫩灘的淤積使主槽水流強(qiáng)度明顯加大，最終導(dǎo)致主槽沖刷，使得進(jìn)一步形成窄深河槽。當(dāng)強(qiáng)烈沖刷發(fā)生在河床兩側(cè)邊壁時(shí)，就會可能引起兩側(cè)邊壁的塌岸，導(dǎo)致河床的展寬。梁志勇［20］在高含沙洪水沖刷規(guī)律的探討中分析了渭河下游臨潼站高含沙洪水的水位流量關(guān)系并對渭河下游沖淤臨界流量進(jìn)行了研究，并對沖淤臨界流量與含沙量關(guān)系進(jìn)行了驗(yàn)證和對比，將河床沖淤分成2個大區(qū)和5個小區(qū)。杜殿勖［21］分析了黃河禹門口至潼關(guān)河道沖淤特性及揭河底沖刷，概述了回水淤積末端延伸變化，總結(jié)了河道沖淤演變的基本物理模型，詳細(xì)分析了歷史河勢擺動變化規(guī)律及影響河勢變化的主要因素，提出了河槽平灘寬度和河彎形態(tài)關(guān)系式。趙文林等［22］運(yùn)用實(shí)測水文泥沙資料深入分析了渭河下游臨潼—華陰的沖淤輸沙特性，研究表明:高的和較高的含沙量的水小，主槽淤積，高含沙大洪水淤灘刷槽，形成窄深河槽，并對高含沙洪水的沖淤分布及斷面形態(tài)調(diào)整進(jìn)行了研究。

2000年以后，在灘槽沖淤方面的研究主要集中在沖淤機(jī)理、沖淤特性、輸沙用水量等方向。王明甫等［23］根據(jù)概化模型試驗(yàn)結(jié)果和野外實(shí)測資料，分析了高含沙水流游蕩型河道灘槽沖淤演變特點(diǎn)，特別提出窄深河槽一方面由高含沙水流自身塑造，另一方面游蕩型河道中由高含沙水流塑造的窄深河槽又表現(xiàn)出相對的不穩(wěn)定性。秦毅等［24］以試驗(yàn)為手段對高含沙渾液的靜態(tài)剪切應(yīng)力進(jìn)行了探討，論述了靜態(tài)剪切應(yīng)力的存在是造成河道灘槽貼邊淤積和灘地高含沙水流整體停滯的根源，是河槽形成"自然堤"的主要因素。張翠萍等［25］分析了不同階段泥沙沖淤的分布情況，并探討了高含沙洪水對渭河下游平灘主槽的影響，分析了渭河下游洪水沖淤特性，得出了渭河下游洪水不淤臨界流量約為2 000m3/s左右，洪水平均含沙量在100 kg/m3以下和200 kg/m3以上時(shí)不淤臨界流量都較小，分別為1 000m3/s左右和1 700m3/s左右。戴清等［26］在天然水沙斷面資料分析及實(shí)體模型試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，將涇、渭河洪水分為4類組合，分析了典型年份不同水沙組合條件下渭河下游河道的沖淤規(guī)律及主槽形態(tài)的變化特點(diǎn)。陳雄波等［27］分析了渭河下游洪水沖淤特性，提出了新的洪水期輸沙用水量計(jì)算方法，確定了不同水平年的輸沙用水量，建立渭河下游高效輸沙洪水淤積比計(jì)算公式，得出不同洪峰流量條件下渭河下游洪水期的水量和持續(xù)時(shí)間。李小平等［28］對洪水沖淤特性及高效輸沙過程進(jìn)行了分析，指出輸沙水量與排沙比的關(guān)系因含沙量的不同而分帶分布，提出用平均流量為3 200m3/s、平均含沙量為65 kg/m3的水沙搭配來代表黃河下游高效輸沙洪水過程?；萦黾椎龋?9］利用嘉陵江和長江交匯河段模型研究天然情況和水庫運(yùn)用情況下懸移質(zhì)水沙運(yùn)動特性，指出匯流比、交匯角、輸沙率比以及下游水位等因素對河段的水沙運(yùn)動都具有影響，其中干支流流量和匯流比的不同組合起著關(guān)鍵作用。

3 結(jié)語

目前，針對高含沙水流特性和灘槽沖淤特征的研究較多，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者在產(chǎn)、匯流特性、流變特性、流動特性、輸沙特性等方面做了大量的研究工作，國外目前關(guān)于高含沙水流的研究遵循與借鑒了我國的方法和理論。對灘槽沖淤特征的研究大多集中在黃河、渭河流域，成果集中在對河道沖淤規(guī)律的探討和沖淤機(jī)理、沖淤特性、輸沙用水量等的研究。涇、渭河高含沙洪水的異?，F(xiàn)象如洪水位抬高、貼邊淤積、揭河底等形成的機(jī)理、渭河下游高含沙水流的灘槽淤積層理結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究相對較少，還需進(jìn)一步研究探索。

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