高含沙水流特性和滩槽冲淤特征浅述

2015-08-15张琳琳

地下水 2015年4期

张琳琳，张俊

(1.陕西省河流工程技术研究中心，陕西西安 710018;2.陕西省土地工程建设集团，陕西西安 710075)

高含沙水流，是指水流挟带的泥沙颗粒非常多(尤其是粒径d＜0.01 mm的细颗粒泥沙)，含沙量很大，以至于该挟沙水流在物理特性、运动特性和输沙特性等方面的基本特性不再像挟沙水流那样用牛顿流体进行描述。高含沙水流实际上不是普通意义上的固液两相流，其中运动的泥沙甚至也不能按照悬移质和推移质进行划分。泥沙颗粒之间、泥沙颗粒与水流之间已经产生了足够的相互作用，使泥沙的运动不再仅仅是水流与泥沙颗粒之间的相互作用，而更多地体现出“群体的特性”。

1 高含沙水流特性

我国早在20世纪60年代就对高含沙水流开始系统研究，研究方面涉及高含沙水流的形成特性研究、流变特性研究、流动特性研究、输沙特性、河床演变规律研究等，成果丰硕。黄河水利委员会、中国水科院泥沙研究所、水利部西北水科所、武汉水利电力学院、清华大学等国内重要的科研单位，对高含沙水流运动规律进行深入研究，逐步建立起高含沙水流运动的理论体系。国外高含沙水流的系统研究始于20世纪80年代，国外目前关于高含沙水流的研究遵循与借鉴了我国的方法和理论［1］。

1.1 产、汇流特性方面

王兴奎［2］分析了黄土丘陵沟壑区的产沙机理及汇流过程，根据不同沟道的汇流模式，阐述了高含沙水流的一些主要特性，得出高含沙水流产沙的极限含沙量。认为高含沙水流是指含沙量高达200～300 kg/m3以上的挟沙水流，当水体中含沙量较高，并且含有一定量的细(粘)颗粒(d＜0.01 mm)，使该挟沙水流的物理特性、运动特性和输沙特性等基本上不再用牛顿流体的运动规律来描述时，这种水流称为高含沙水流。王光谦［3］分析了黄土高原各水沙过程的主要机理，揭示出可依据坡面径流建立坡面侵蚀产沙模型和沟道系统的高含沙水沙模型，为建立符合实际物理图景的水沙模型系统，完成流域泥沙过程模拟提供基础。

1.2 流变特性方面

高含沙水流的流变特性一般用宾汉模式描述，其中屈服应力和刚度系数随着含沙量大小而变化，并与细颗粒含量有关;高含沙水流的黏性要比一般挟沙水流大得多。

田治宗等［4］利用黄河干支流河道的实测流速、含沙量资料，分析泥沙在高含沙紊动水流中的沉降速度，得到高含沙水流紊动状态下的流变参数与雷诺数Rem的关系，当Rem＜800时，流变参数随着Rem的增大而增大;当Rem＞800后，流变参数则随着Rem的增大而降低并渐趋稳定。陈立［5］用极限浓度综合反映诸因素对高含沙水流流变参数——刚性系数和宾汉极限切应力的影响，提出了确定极限浓度的新方法，并根据流变试验资料，建立了精度较高、适用范围较广的流变参数表达式。白玉川等［6］研究认为，对于高含沙水流等非Newton流体，层流转捩为紊流以及紊流溃灭再次转为层流，其不仅主要取决于惯性力与黏性力的比值—临界雷诺数，而且还取决于这种非Newton流体中含沙量的大小、含沙量的分布形式、含沙颗粒粒径的大小以及含沙颗粒的重度等多种因素。研究结果为解释河流中的"浆河"现象、挟沙水流湍流强度及湍流结构的变化趋势提供了一些重要的学科依据。司凤林等［7］在黄河中游多沙粗沙区25条支流大量实验资料的基础上进行了分析研究，提出了不同河流形成高含沙水流的定量条件，并给出不同地区、不同河流流变参数的经验公式。

1.3 流动特性方面

高含沙水流流动特性即层流区、紊流区流速分布。二相紊流型高含沙水流的流速扥不依然遵循对数规律;高含沙水流是一种是高强度的紊流(含沙量不过分高)，发生在比降大流速搞的情况下，水流汹涌，大尺度和小尺度的脉动都得到比较充分的发展，另一种是复杂结构流流态。

张瑞瑾［8］致力于河流泥沙运动基本理论和实际工程应用的研究，提出泥沙沉速、泥沙起动、水流挟沙力公式，被广泛应用。费祥俊［9］对泥沙运动特性进行了研究，建立了高浓度浆体粘滞系数与宾汉屈服应力计算公式，可用于泥石流浆体的粘性计算。舒安平等［10］推导得出了紊动能转化率kt表达式以及泥沙悬浮效率系数es表达式，得出了高含沙水流的紊动能量转化与耗散规律，为黄河具有“多来多排”的输沙特性找到一定的理论依据。张红武［11］等基于张红武的“紊流涡团模式”和采用高精度的流速垂向分布表达式，建立起高含沙水流的紊动粘性系数计算公式，并将计算公式应用于黄河下游平面二维泥沙数学模型中。王光谦［12］建立了流域水沙运动模拟模型，提供了黄土丘陵沟壑区沟道系统水沙运动模拟的一种模式。对于沟道水流挟沙力的计算，验证对比了常用于黄河干流的张红武公式和专为泥沙源区建立的费祥俊公式。刘兆存［13］等综述了高含沙水流的阻力特征、流速分布、紊动强度分布、能量分布等流动过程中所具有的特性，并和清水、低含沙水流作了对比分析，系统论述高、低含沙水流所共同具有的规律。

1.4 输沙特性方面

高含沙水流的输沙特性可以用河段排沙比来反映。窦国仁［14］对泥沙运动、推移质和悬移质输沙、河床变形等基本理论进行研究，提出了河床紊流随机理论、非恒定流不平衡输沙方程式、泥沙沉降的统一公式，被广泛应用。韩其为［15］采用力学与随机过程相结合的方法，对泥沙运动统计(随机)理论进行了长期研究，建立了较为完整的泥沙运动统计理论体系，对不平衡输沙、异重流、淤积形态、变动回水区冲淤、回水抬高、水库淤积控制等均进行了专门研究，基本完成了将淤积由定性描述到定量表达过渡。齐璞等［16］利用黄河主要干支流渭河、北洛河、黄河下游及三门峡水库大量实测资料分析得出:河道中的高含沙水流的阻力与低含沙水流相同，均可用曼宁公式进行阻力计算，分析了黄河高含沙水流的高效输沙特性形成机理。张德茹等［17］利用洛惠渠近二十年的实测资料，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细颗粒含量的增加，一方面使流体粘度增加;另一方面使流体容重增大，从而导致颗粒的沉速大幅度降低，甚至形成不分选泥浆。许继刚等［18］根据对实测资料的分析，得出了输沙管道高含沙水流沿程和局部阻力系数的变化规律及确定方法，提出了管道综合泥沙因子和综合阻力系数的相关关系，同时指出细颗粒组成对高含沙水流的阻力特性有很大影响。

2 滩槽冲淤特征

断面形态的变化实质上反映了来水来沙对初始河道边界条件的作用情况。国内针对滩槽冲淤特征的研究亦较多，大多集中在黄河、渭河流域，八、九十年代成果集中在对河道冲淤规律的探讨。梁志勇等［19］提出了高含沙洪水时断面的冲淤变化模式，其模式可分为两个阶段:1)高滩深槽的塑造阶段;2)主槽强烈冲刷阶段。在洪水涨水初期、洪水未漫滩之前，嫩滩淤积较多，主槽淤积较少，河宽缩窄;水流平滩或漫滩以后，滩地和嫩滩的水流流速明显小于主槽的水流流速，使水流大量停滞，滩地淤积，特别是嫩滩的淤积使主槽水流强度明显加大，最终导致主槽冲刷，使得进一步形成窄深河槽。当强烈冲刷发生在河床两侧边壁时，就会可能引起两侧边壁的塌岸，导致河床的展宽。梁志勇［20］在高含沙洪水冲刷规律的探讨中分析了渭河下游临潼站高含沙洪水的水位流量关系并对渭河下游冲淤临界流量进行了研究，并对冲淤临界流量与含沙量关系进行了验证和对比，将河床冲淤分成2个大区和5个小区。杜殿勖［21］分析了黄河禹门口至潼关河道冲淤特性及揭河底冲刷，概述了回水淤积末端延伸变化，总结了河道冲淤演变的基本物理模型，详细分析了历史河势摆动变化规律及影响河势变化的主要因素，提出了河槽平滩宽度和河弯形态关系式。赵文林等［22］运用实测水文泥沙资料深入分析了渭河下游临潼—华阴的冲淤输沙特性，研究表明:高的和较高的含沙量的水小，主槽淤积，高含沙大洪水淤滩刷槽，形成窄深河槽，并对高含沙洪水的冲淤分布及断面形态调整进行了研究。

2000年以后，在滩槽冲淤方面的研究主要集中在冲淤机理、冲淤特性、输沙用水量等方向。王明甫等［23］根据概化模型试验结果和野外实测资料，分析了高含沙水流游荡型河道滩槽冲淤演变特点，特别提出窄深河槽一方面由高含沙水流自身塑造，另一方面游荡型河道中由高含沙水流塑造的窄深河槽又表现出相对的不稳定性。秦毅等［24］以试验为手段对高含沙浑液的静态剪切应力进行了探讨，论述了静态剪切应力的存在是造成河道滩槽贴边淤积和滩地高含沙水流整体停滞的根源，是河槽形成"自然堤"的主要因素。张翠萍等［25］分析了不同阶段泥沙冲淤的分布情况，并探讨了高含沙洪水对渭河下游平滩主槽的影响，分析了渭河下游洪水冲淤特性，得出了渭河下游洪水不淤临界流量约为2 000m3/s左右，洪水平均含沙量在100 kg/m3以下和200 kg/m3以上时不淤临界流量都较小，分别为1 000m3/s左右和1 700m3/s左右。戴清等［26］在天然水沙断面资料分析及实体模型试验研究的基础上，将泾、渭河洪水分为4类组合，分析了典型年份不同水沙组合条件下渭河下游河道的冲淤规律及主槽形态的变化特点。陈雄波等［27］分析了渭河下游洪水冲淤特性，提出了新的洪水期输沙用水量计算方法，确定了不同水平年的输沙用水量，建立渭河下游高效输沙洪水淤积比计算公式，得出不同洪峰流量条件下渭河下游洪水期的水量和持续时间。李小平等［28］对洪水冲淤特性及高效输沙过程进行了分析，指出输沙水量与排沙比的关系因含沙量的不同而分带分布，提出用平均流量为3 200m3/s、平均含沙量为65 kg/m3的水沙搭配来代表黄河下游高效输沙洪水过程。惠遇甲等［29］利用嘉陵江和长江交汇河段模型研究天然情况和水库运用情况下悬移质水沙运动特性，指出汇流比、交汇角、输沙率比以及下游水位等因素对河段的水沙运动都具有影响，其中干支流流量和汇流比的不同组合起着关键作用。

3 结语

目前，针对高含沙水流特性和滩槽冲淤特征的研究较多，国内相关学者在产、汇流特性、流变特性、流动特性、输沙特性等方面做了大量的研究工作，国外目前关于高含沙水流的研究遵循与借鉴了我国的方法和理论。对滩槽冲淤特征的研究大多集中在黄河、渭河流域，成果集中在对河道冲淤规律的探讨和冲淤机理、冲淤特性、输沙用水量等的研究。泾、渭河高含沙洪水的异常现象如洪水位抬高、贴边淤积、揭河底等形成的机理、渭河下游高含沙水流的滩槽淤积层理结构系统研究相对较少，还需进一步研究探索。

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［4］田治宗，钱意颖.黄河高含沙水流紊动状态下流变特性的探讨［J］.人民黄河.1994，17(1):12 －14.

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