冲积河流水流泥沙运动规律研究

2019-08-07唐鸿琴

陕西水利 2019年12期

唐鸿琴，李健

（长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局攀枝花分局，四川攀枝花 617000）

我国河流众多，许多河流存在大量泥沙，给经济建设与人们的生活带来一定的阻碍，比如防洪问题、水库淤积问题、灌溉渠系淤积问题、港湾河口淤积问题以及环境问题。如果这些问题处理不当，将会造成生态环境的失调与恶化，水土流失或者土壤侵蚀等，影响到人类生态环境。基于此，加强对泥沙运动基本规律的研究迫在眉睫。

1 水流泥沙运动

1.1 水流泥沙运动

在冲积河流中随水漂浮前进的泥沙一般称之为悬移质，悬移质的粒径较宽，虽然悬浮在水中，但是粗细颗粒之间的差异较大[1]，粗沙粒的悬移质泥沙会随水沉落到河床，与床面上的泥沙混合并交换，经过交换后的泥沙称为床沙质。在悬移质中，有一部分的泥沙从流域表面流出，与河床不会发生任何的关系。悬移质中较细不会与河床发生关系的沙粒称为冲泻质。床沙质的粒径相同，在河床的表面大量存在。床沙质在输移的过程中会与床沙发生交换并直接参与到河流的造床过程中。床沙质会与床沙发生交换，而冲泻质不会与床沙发生交换。在运动的过程中泥沙是否与床沙发生交换取决于泥沙运动力学中的起动水流条件与止动水流条件。当水流的强度大于止动的水流条件，则运动中的泥沙将无法转换为静止的床沙。因此，当床沙无法启动时，运动中的泥沙无法正常流动，则对应的部分称为冲泻质，反之则为床沙质。

1.2 泥沙起动与运动状态的划分问题

泥沙起动是泥沙运动中的一种特殊形式，输沙率与输沙浓度为最小值。大多数的泥沙起动标准大多都是建立在平均流速的基础上[2]。泥沙起动常用两种方法，一种是根据泥沙颗粒上的力来决定，另一种方法是对给定的输沙公式，根据输沙率对应的水流泥沙条件来决定，大多数情况下都会采用第二种方法进行确定。

根据泥沙运动形式的不同，可以将泥沙分为推移质和悬移质。这两种泥沙运动方式规律，对能量来源和河床的作用都有所不同，大多数情况下，如果出现推移质和悬移质同时存在的情况，则需要对输沙的强度问题继续研究，而不用专门区分推移质和悬移质。在动床条件下，悬移质的运动无法脱离推移质而单独运行，随着水流强度的不断增加，推移质和悬移质的输沙强度都会随之发生变化，推移质的输沙强度小于悬移质的输沙强度，悬移质在特定的水流范围内一直处于主导的地位。

在泥沙研究中，比较被大众所接受的一种观点为，推移质输沙决定了泥沙输移的沙粒切应力；悬移质输沙决定了沙粒切应力与沙波切应力在内的全部切应力。但是这种观点或多或少存在一定的问题，比如不同沙粒切应力的计算方法相同，但是所得到的结果不同；观点没有得到实测资料的有效验证，大多数学者都是直接对该观点进行引用，并没有继续实验证明，因此无法排除其他有效切应力的存在。不管是哪一种运动方式，其有效切应力都是全部切应力与沙粒切应力组合得到的结果。

2 泥沙输沙强度研究

在实际的研究中，专家们对各种水流强度指标与泥沙输沙强度的相关性分析较少，现有的一些研究都是基于某些数据，或者不同的水流强度指标所建立的比较。针对这些资料，对各种水流强度指标与输沙率之间的关系进行比较，从而确定水流的强度指标，为泥沙运动的变化规律提供参考[3]。

在仅有推移质、悬移质或者同时含有推移质和悬移质的泥沙运动，其水流与输沙的强度基本相同，因此不需要再比较泥沙的运动形式，根据相关的输沙资料，分别对不同的水流强度指标以及输沙的强度关系进行分析，得到不同水流强度指标的优劣性。

3 动床阻力研究

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，泥沙在起动时，会与床面的形态形成一体，从泥沙的起动阻力角度研究泥沙的沙粒阻力，是一种非常有效的方法，所得到的结论也比引用定床结果更加靠谱。

根据力学平衡条件得到起动切应力公式[4]：

式中：τc表示起动切应力；d 表示粒径；U 表示流速；v 表示运动粘性系数；γ 表示泥沙与水的容量；θc表示参数；Re*表示莎莉雷诺数。

当泥沙起动时床面上的泥沙不会发生任何的运行，床面基本处于一种平整的阶段，在进行计算时，可以将泥沙起动的阻力方程运用在沙粒阻力的计算中，得到的沙粒阻力公式将会更加的可靠。与现有的沙粒阻力的计算公式相比，该公式在计算沙粒阻力时可以避免与现有的床面粗糙度发生冲突，使沙粒阻力的计算更加方便。

3.2 推移质泥沙附加阻力

泥沙运动所引起的附加阻力主要以动平整床面为研究对象，对泥沙运动的附加阻力进行研究。在挟沙水流中，泥沙在水流的作用下会发生运动[5]，因为有了泥沙的存在，所以也会影响水流，随着推移质运动的不断消耗，所消耗的能量来自于水流的平均运动，而不是其他的运动功能，因此，推移质泥沙的存在会增加水流的能量流失，针对能量流失的问题，专家学者们已经有了更加深入的研究。针对水流阻力问题，重点研究水流的能量平衡，因此，本文将以挟沙水流的能量平衡为基础，从理论的方面研究泥沙对水流阻力所带来的影响。

挟沙水流的剪切力分为两个部分，为：

式中：τ1表示液体剪切力；τ2为颗粒剪切力。

3.3 推移质与悬移质泥沙附加阻力

悬移质无法单独存在，必须要依靠推移质，针对这种情况，不需要考虑悬移质泥沙。推移质运动会通过碰撞和摩擦而产生一部分的能量，这部分的能量主要取决于水流的能量，与其他的功能无关，因此推移质泥沙的存在将会加快水流的能量流失，在推移质泥沙的水流能量损失中，需要对其进行重点的处理[6]。以悬移质泥沙对水流能量损失所带来的影响为切入点，针对现有的实验资料，从理论上进行分析，得到的结果为：泥沙会会随着含沙量的水流阻力系数而逐渐减少，悬移质对水流能量所带来的损失影响并不大，不同的研究方法都会统一得到相同的结果，河流会随着含沙量的增加而逐渐减少水流阻力系数。因此，分析水流输移悬移质所带来的能量是重点问题。

当水流挟沙后能量的结构会发生一定的变化，见图1。

图1 挟沙水流能量结构示意图

图3 为挟沙水流中的平衡结构示意图，除了最底层之外，泥沙颗粒在相邻的两层不会对能量平衡造成影响，因此能量不会被水流所消耗，水流的能量基本趋于平衡。但是底层的泥沙穿过地面后所消耗的能量必须需要通过泥沙颗粒进行维持。因此，为了更好地维持泥沙悬浮所带来的能量，会对底层泥沙中的能量进行维护，以保证水流的正常运行。