沖積河流水流泥沙運動規(guī)律研究

唐鴻琴，李 健

（長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局攀枝花分局，四川 攀枝花 617000）

我國河流眾多，許多河流存在大量泥沙，給經濟建設與人們的生活帶來一定的阻礙，比如防洪問題、水庫淤積問題、灌溉渠系淤積問題、港灣河口淤積問題以及環(huán)境問題。如果這些問題處理不當，將會造成生態(tài)環(huán)境的失調與惡化，水土流失或者土壤侵蝕等，影響到人類生態(tài)環(huán)境?；诖?，加強對泥沙運動基本規(guī)律的研究迫在眉睫。

1 水流泥沙運動

1.1 水流泥沙運動

在沖積河流中隨水漂浮前進的泥沙一般稱之為懸移質，懸移質的粒徑較寬，雖然懸浮在水中，但是粗細顆粒之間的差異較大[1]，粗沙粒的懸移質泥沙會隨水沉落到河床，與床面上的泥沙混合并交換，經過交換后的泥沙稱為床沙質。在懸移質中，有一部分的泥沙從流域表面流出，與河床不會發(fā)生任何的關系。懸移質中較細不會與河床發(fā)生關系的沙粒稱為沖瀉質。床沙質的粒徑相同，在河床的表面大量存在。床沙質在輸移的過程中會與床沙發(fā)生交換并直接參與到河流的造床過程中。床沙質會與床沙發(fā)生交換，而沖瀉質不會與床沙發(fā)生交換。在運動的過程中泥沙是否與床沙發(fā)生交換取決于泥沙運動力學中的起動水流條件與止動水流條件。當水流的強度大于止動的水流條件，則運動中的泥沙將無法轉換為靜止的床沙。因此，當床沙無法啟動時，運動中的泥沙無法正常流動，則對應的部分稱為沖瀉質，反之則為床沙質。

1.2 泥沙起動與運動狀態(tài)的劃分問題

泥沙起動是泥沙運動中的一種特殊形式，輸沙率與輸沙濃度為最小值。大多數的泥沙起動標準大多都是建立在平均流速的基礎上[2]。泥沙起動常用兩種方法，一種是根據泥沙顆粒上的力來決定，另一種方法是對給定的輸沙公式，根據輸沙率對應的水流泥沙條件來決定，大多數情況下都會采用第二種方法進行確定。

根據泥沙運動形式的不同，可以將泥沙分為推移質和懸移質。這兩種泥沙運動方式規(guī)律，對能量來源和河床的作用都有所不同，大多數情況下，如果出現(xiàn)推移質和懸移質同時存在的情況，則需要對輸沙的強度問題繼續(xù)研究，而不用專門區(qū)分推移質和懸移質。在動床條件下，懸移質的運動無法脫離推移質而單獨運行，隨著水流強度的不斷增加，推移質和懸移質的輸沙強度都會隨之發(fā)生變化，推移質的輸沙強度小于懸移質的輸沙強度，懸移質在特定的水流范圍內一直處于主導的地位。

在泥沙研究中，比較被大眾所接受的一種觀點為，推移質輸沙決定了泥沙輸移的沙粒切應力；懸移質輸沙決定了沙粒切應力與沙波切應力在內的全部切應力。但是這種觀點或多或少存在一定的問題，比如不同沙粒切應力的計算方法相同，但是所得到的結果不同；觀點沒有得到實測資料的有效驗證，大多數學者都是直接對該觀點進行引用，并沒有繼續(xù)實驗證明，因此無法排除其他有效切應力的存在。不管是哪一種運動方式，其有效切應力都是全部切應力與沙粒切應力組合得到的結果。

2 泥沙輸沙強度研究

在實際的研究中，專家們對各種水流強度指標與泥沙輸沙強度的相關性分析較少，現(xiàn)有的一些研究都是基于某些數據，或者不同的水流強度指標所建立的比較。針對這些資料，對各種水流強度指標與輸沙率之間的關系進行比較，從而確定水流的強度指標，為泥沙運動的變化規(guī)律提供參考[3]。

在僅有推移質、懸移質或者同時含有推移質和懸移質的泥沙運動，其水流與輸沙的強度基本相同，因此不需要再比較泥沙的運動形式，根據相關的輸沙資料，分別對不同的水流強度指標以及輸沙的強度關系進行分析，得到不同水流強度指標的優(yōu)劣性。

3 動床阻力研究

3.1 沙粒阻力

沙粒阻力研究需要借助定床阻力的研究成果，泥沙在起動時，會與床面的形態(tài)形成一體，從泥沙的起動阻力角度研究泥沙的沙粒阻力，是一種非常有效的方法，所得到的結論也比引用定床結果更加靠譜。

根據力學平衡條件得到起動切應力公式[4]：

式中：τc表示起動切應力；d 表示粒徑；U 表示流速；v 表示運動粘性系數；γ 表示泥沙與水的容量；θc表示參數；Re*表示莎莉雷諾數。

當泥沙起動時床面上的泥沙不會發(fā)生任何的運行，床面基本處于一種平整的階段，在進行計算時，可以將泥沙起動的阻力方程運用在沙粒阻力的計算中，得到的沙粒阻力公式將會更加的可靠。與現(xiàn)有的沙粒阻力的計算公式相比，該公式在計算沙粒阻力時可以避免與現(xiàn)有的床面粗糙度發(fā)生沖突，使沙粒阻力的計算更加方便。

3.2 推移質泥沙附加阻力

泥沙運動所引起的附加阻力主要以動平整床面為研究對象，對泥沙運動的附加阻力進行研究。在挾沙水流中，泥沙在水流的作用下會發(fā)生運動[5]，因為有了泥沙的存在，所以也會影響水流，隨著推移質運動的不斷消耗，所消耗的能量來自于水流的平均運動，而不是其他的運動功能，因此，推移質泥沙的存在會增加水流的能量流失，針對能量流失的問題，專家學者們已經有了更加深入的研究。針對水流阻力問題，重點研究水流的能量平衡，因此，本文將以挾沙水流的能量平衡為基礎，從理論的方面研究泥沙對水流阻力所帶來的影響。

挾沙水流的剪切力分為兩個部分，為：

式中：τ1表示液體剪切力；τ2為顆粒剪切力。

3.3 推移質與懸移質泥沙附加阻力

懸移質無法單獨存在，必須要依靠推移質，針對這種情況，不需要考慮懸移質泥沙。推移質運動會通過碰撞和摩擦而產生一部分的能量，這部分的能量主要取決于水流的能量，與其他的功能無關，因此推移質泥沙的存在將會加快水流的能量流失，在推移質泥沙的水流能量損失中，需要對其進行重點的處理[6]。以懸移質泥沙對水流能量損失所帶來的影響為切入點，針對現(xiàn)有的實驗資料，從理論上進行分析，得到的結果為：泥沙會會隨著含沙量的水流阻力系數而逐漸減少，懸移質對水流能量所帶來的損失影響并不大，不同的研究方法都會統(tǒng)一得到相同的結果，河流會隨著含沙量的增加而逐漸減少水流阻力系數。因此，分析水流輸移懸移質所帶來的能量是重點問題。

當水流挾沙后能量的結構會發(fā)生一定的變化，見圖1。

圖1 挾沙水流能量結構示意圖

圖3 為挾沙水流中的平衡結構示意圖，除了最底層之外，泥沙顆粒在相鄰的兩層不會對能量平衡造成影響，因此能量不會被水流所消耗，水流的能量基本趨于平衡。但是底層的泥沙穿過地面后所消耗的能量必須需要通過泥沙顆粒進行維持。因此，為了更好地維持泥沙懸浮所帶來的能量，會對底層泥沙中的能量進行維護，以保證水流的正常運行。

4 結語

水流泥沙運動具有一定的復雜性，不管是推移質還是懸移質，其輸沙規(guī)律沒有較大的變化，但是會對水流的能量造成一定的損失，區(qū)別推移質還是懸移質十分重要。泥沙運動對挾沙水流阻力會帶來一定的影響，通過分析阻力影響問題可以得到附加阻力的計算公式，解決挾沙水流與定床清水出現(xiàn)的各種問題。