錢塘江河口細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)流速研究.docx

1、第31卷第5期2010年10月水道落oJournalofWaterwayandHarbor錢塘江河口細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)流速研究曾劍、陳剛I,熊紹隆】(1.浙江省水利河口研究院，杭州31OO2O；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州310027)摘要：采用泥沙水槽試驗(yàn)研究了錢塘江河口不同粒徑的泥沙起動(dòng)流速。針對(duì)室內(nèi)水槽試驗(yàn)水深條件的局限性，提出了以實(shí)測(cè)含沙量過程線拐點(diǎn)附近相應(yīng)的垂線平均流速為泥沙起動(dòng)流速的方法.得到了水深范圍介于0.15-13.6m、中值粒徑介于0.0020.07mm的泥沙起動(dòng)流速。張瑞瑾、竇國仁公式與沙玉清泥沙起動(dòng)公式對(duì)比結(jié)果表明，各公式對(duì)于淺水深的水槽試驗(yàn)值均有較高的計(jì)算精度，而對(duì)于大

2、水深起動(dòng)流速均明顯偏大。以張瑞瑾公式為基礎(chǔ),通過多元回歸分析法修正有關(guān)系數(shù)，建立了適合于錢塘江河口細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)流速擬合公式。關(guān)鍵詞：細(xì)顆粒泥沙;起動(dòng)流速;錢塘江河口中圖分類號(hào)：TV1481;TV85J文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào):1005-8443(2010)05-0347-05細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)流速是泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)、河床演變學(xué)最基本的研究?jī)?nèi)容之一，也是解決河床變形、護(hù)岸工程、航道穩(wěn)定等工程泥沙問題的重要參數(shù).一直以來受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。早在1935年.Hjulstrom依據(jù)試驗(yàn)資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)泥沙粒徑D為0.20.3mm時(shí)，起動(dòng)流速具有極小值。此后各國學(xué)者相繼進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析，從力學(xué)、

3、隨機(jī)過程等角度推導(dǎo)出不少起動(dòng)流速公式以往天然泥沙起動(dòng)觀測(cè)資料較少，尤其是無法有效地觀測(cè)細(xì)顆粒泥沙在河(海)床的起動(dòng)悄況，因而前人研究成果所引入的參數(shù)大部分由水槽試驗(yàn)來確定，水深限于0.10.5m,而實(shí)際河口水深可達(dá)510m,有時(shí)甚至達(dá)20m左右,現(xiàn)有的泥沙起動(dòng)流速公式的適用性較少得到有效地驗(yàn)證。錢塘江河口是著名的強(qiáng)潮河口，最大潮差可達(dá)9m,并以氣勢(shì)磅礴、蔚為壯觀的涌潮而聞名。該河口北鄰水沙豐沛的長(zhǎng)江河口.外海來沙十分豐富，泥沙輸移一潮以千萬方計(jì)，相當(dāng)于徑流年來沙的2倍以上。河口底沙和懸沙差異較小，以細(xì)粉砂為主，中值粒徑一般為0.020.04mm,分選良好，由于河床灘槽組成物質(zhì)經(jīng)過長(zhǎng)期往返搬運(yùn)分

4、選，缺乏粘性顆粒，抗沖能力低,易沖易淤。本文在泥沙水槽試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)錢塘江河口實(shí)測(cè)含沙量與流速過程資料，分析錢塘江河口泥沙的起動(dòng)流速，供工程應(yīng)用參考。1泥沙起動(dòng)流速數(shù)據(jù)的獲取1.1泥沙水槽起動(dòng)試驗(yàn)?zāi)嗌硺颖救∽藻X塘江河口閘口至金山河段大致均勻分布的7個(gè)斷面共計(jì)9個(gè)點(diǎn)位的河床底沙。此外，于慶春過江隧道斷面離北岸300m和1100m處布設(shè)2個(gè)鉆孔.白床面以下30m范圍內(nèi)，每米取0.25m長(zhǎng)未經(jīng)擾動(dòng)的原狀土樣，按地質(zhì)詳勘的技術(shù)要求進(jìn)行取樣與密封。據(jù)統(tǒng)計(jì)，泥沙樣本中值粒徑介于0.0040.069mmo泥沙起動(dòng)流速試驗(yàn)在泥沙變坡玻璃水槽中進(jìn)行,水槽長(zhǎng)36m,寬0.8m,最大流量約0.35rrf/s。實(shí)

5、驗(yàn)系統(tǒng)可通過計(jì)算機(jī)設(shè)定坡比實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié),可根據(jù)模型試驗(yàn)要求，實(shí)現(xiàn)水流流量的無級(jí)調(diào)節(jié)，還可設(shè)定尾門開基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(10772163);國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2009ZX07424)；國家自然科學(xué)青年基金(40806037)作者簡(jiǎn)介:曾劍(1974-),男，浙江省瑞安人，博士研究生，高級(jí)I：程師，主要從事河口海岸動(dòng)力學(xué)研究。Biography:ZENGJian(1974-),male,seniorengineer.度,實(shí)現(xiàn)水槽內(nèi)水位高度的無級(jí)調(diào)節(jié)。為便于放置原型沙并模擬真實(shí)床面情況，在水槽試驗(yàn)段用有機(jī)玻璃壘出一塊長(zhǎng)4m、寬0.8m、高0.08m梯形平臺(tái)，平臺(tái)上根據(jù)原型沙

6、的不同樣本形狀,開挖長(zhǎng)方形凹槽或圓形凹槽。泥沙表面用推板抹平,使泥面與凹槽墻等高，避免因水流斷面變化而引起水流性質(zhì)的變化,從而影響試驗(yàn)結(jié)果?？紤]到自循環(huán)水槽水流特點(diǎn)，本試驗(yàn)以少量動(dòng)作為泥沙起動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)水深0.15-0.35m,試驗(yàn)結(jié)果表明起動(dòng)流速介于0.21-0.88m/s。泥沙的起動(dòng)流速與中值粒徑對(duì)比關(guān)系表明，隨著中值粒徑的變細(xì)，起動(dòng)流速將增大，即泥沙越不容易起動(dòng)，這與當(dāng)中值粒徑D小于0.2-03mm時(shí),起動(dòng)流速隨粒徑的減小而增加的理論分析一致。1.2大水深泥沙起動(dòng)流速分析3.0均流通時(shí)間圖1錢塘江河口流速與含沙缺典型過程Fig.ITypicalprocessofflowvelocity

7、andsedimentconcentrationintheQiantangEstuary依據(jù)物理概念，當(dāng)水流流速小于泥沙的起動(dòng)流速時(shí)，懸沙因沉降影響而落淤，此時(shí)兩者的交換以懸沙轉(zhuǎn)變成底沙為主，水流含沙量有所下降;隨著流速的增大，底沙開始起動(dòng)，此時(shí)兩者的交換以底沙轉(zhuǎn)變成懸沙為主，水流含沙度也隨之增大。從錢塘江河口垂線平均流速與垂線平均含沙量過程線（圖1）可以看出，流速與含沙量:的變化有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，對(duì)于潮汐河口.有學(xué)者認(rèn)為泥沙的起動(dòng)流速應(yīng)取實(shí)測(cè)含沙量過程線拐點(diǎn)附近相應(yīng)的垂線平均流速。根據(jù)上述原則，結(jié)合錢塘江河口含沙量與流速過程的實(shí)測(cè)資料，選取平均含沙址出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)、相應(yīng)垂線平均流速又易于

8、判別的典型數(shù)據(jù).其中泥沙中值粒徑選取相應(yīng)時(shí)刻的懸沙中值粒徑。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，泥沙中值粒徑介于0.0023-0.035mm,水深范圍3.0-14.5m,兩者的范圍均較廣,起動(dòng)流速介于0.60-1.80m/s0對(duì)比泥沙的起動(dòng)流速與中值粒徑、水深的關(guān)系，結(jié)果表明隨著中值粒徑的變小，起動(dòng)流速增大,也就是說泥沙越不容易起動(dòng).隨著水深的加大，泥沙的起動(dòng)流速也相應(yīng)增大。2現(xiàn)有泥沙起動(dòng)流速公式對(duì)比目前天然沙起動(dòng)流速的計(jì)算公式較多,對(duì)于較粗散粒體泥沙常用的起動(dòng)流速公式為沙莫夫公式。當(dāng)考慮細(xì)顆粒泥沙時(shí),常用的起動(dòng)公式有張瑞瑾公式:“、竇國仁公式：2）和沙玉清公式:，張瑞瑾公式10.14y普）117.6學(xué)0+6.05

9、、10女眺式中:為水深;為泥沙粒徑;分別為泥沙顆粒和水的容重。竇國仁公式K=0.741®11判戶礦七/）+0.19性奇地（2）式中：H為水深;D為泥沙粒徑;y,、y分別為泥沙顆粒和水的容重;g為重力加速度為粘著力參數(shù)，取2.56x10、m3/s2;5為顆粒間薄膜水接觸厚度，即兩顆粒間薄膜水最小間距，取0.21x10m；K,為糙率參數(shù),當(dāng)/><0.5mm時(shí)，取0.5mm,當(dāng)D>0.5nun時(shí),K.取'值。沙玉清公式右奇5X10M0.7-8廣囹+200囹（專奶°，式中:，為孔隙率;。為泥沙粒徑;6為薄膜水厚度，取IOm;g為重力加速度;R為水力半徑;山

10、、,分別為泥沙顆粒和水的容重。利用水槽試驗(yàn)與大水深實(shí)測(cè)資料分析的泥沙中值粒徑與水深進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值或分析值進(jìn)行比較(圖2圖4)。由圖2圖4可知，對(duì)于淺水深的水槽試撿值，各公式均有較高的計(jì)算精度，張瑞建公式、竇國仁公式及沙玉清公式的計(jì)算值與試驗(yàn)值平均偏差分別為0.06m/s.0.07m/s.0.10m/s。對(duì)于大水深起動(dòng)流速，當(dāng)水深小于10m,粒徑大于0.02mm時(shí)，張瑞瑾公式較為適合，平均偏差在0.10m/s以內(nèi)。當(dāng)水深大于10m,粒徑小于0.01mm,各公式均明顯偏大，尤其是竇國仁公式偏離更大。以水深13.6m,中值粒徑0.004mm為例.張瑞碰公式、竇國仁公式及沙玉清公式的計(jì)算值

11、分別達(dá)到2.72m/s、4.88m/s.2.52m/s,不僅各公式相互間差異近2倍,而旦與分析值也相差較大。盧金友心在比較各公式用于0.003mm的長(zhǎng)江實(shí)測(cè)資料的泥沙起動(dòng)流速時(shí)，也認(rèn)為公式的計(jì)算值較實(shí)測(cè)值大。一般認(rèn)為，河口泥沙的起動(dòng)流速要明顯小于相同粒徑的河流泥沙，其原因可能與河口的水動(dòng)力特點(diǎn)與泥沙特性有關(guān):河口泥沙因徑流與潮汐交互作用，上、下游往返搬運(yùn),密實(shí)程度較河流低;河口漲、落潮交替，流0.()匕0.00.()匕0.00.51.01.5水槽試驗(yàn)值(m/$)0.01.02.03.04.0大水深分析值(m/s)圖2張瑞瑾公式計(jì)算值與試驗(yàn)、分析值的比較Fig.2Comparisonofobse

12、rvedandcalculatedvaluebasedonZHANGRui-jinformula-is?0.51.01.5水槽試驗(yàn)值(m/s)0.01.02.03.04.0大水深分析值(m/s)圖3竇國仁公式計(jì)算值與試驗(yàn)、分析值的比較ComparisonofobservedandcalculatedvaluebasedonDOUGuo-renformula0.51.01.5水槽試臉值(M)0.5.5O1112畫»±0.00.01.02.0.3,04.0大水深分析值(Ws)圖4沙玉清公式計(jì)算值與試驗(yàn)、分析值的比較Fi"Fi"Comparisonofobse

13、rvedandcalculatedvaluebasedonSHAYu-qingformula路隨時(shí)變化，泥沙易在利于滑動(dòng)或滾動(dòng)的方向起動(dòng);在漲、落急時(shí)段流速梯度顯著增加，尤其是強(qiáng)潮河口，產(chǎn)生了由當(dāng)?shù)丶铀俣纫鸬母郊討?yīng)力(動(dòng)力);河口潮流流速分布隨時(shí)變化，有別于河流近底層流速總是小于中、上層的情況。因此,當(dāng)粒徑較小且水深較大時(shí),各公式的河口泥沙起動(dòng)流速計(jì)算值遠(yuǎn)大于實(shí)際值:用。3泥沙起動(dòng)流速公式的修正天然泥沙在起動(dòng)過程中都要克服泥沙的重力、黏滯力、孔隙水床力等多種力的共同作用，張瑞瑾公式和竇國仁公式都是通過考慮泥沙顆粒的受力平衡而導(dǎo)出的，在式(1)與式(2)中,第一部分為重力作用下的起動(dòng)因素，第二

14、部分為考慮泥沙黏性薄膜與水壓力作用下的附加起動(dòng)因素。兩者在考慮黏性薄膜與水壓力時(shí)存在差異，造成兩者在深水條件下的細(xì)顆粒泥沙起動(dòng)流速計(jì)算值差異很大。由于張瑞瑾公式相對(duì)適合于錢塘江河口的泥沙起動(dòng)特性，為方便起見,在進(jìn)行起動(dòng)流速公式的修正時(shí),采用張瑞瑾公式的形式，公式中的系數(shù)利用起動(dòng)流速的試驗(yàn)值與分析值進(jìn)行回歸分析。將張瑞瑾起動(dòng)流速公式改寫為更一般的形式K=K=式中：、皿與y為待定系數(shù)。由于E反映的是底部流速與垂線平均流速的關(guān)系，若流速沿水深分布采用近似指數(shù)公布公式，則可取0.14oa2反映的是重力作用對(duì)起動(dòng)流速的影響，不涉及水深的因素，而且對(duì)于淺水的水槽試驗(yàn)值及粒徑大于0.02mm的較粗泥沙,張瑞

15、瑾公式計(jì)算值吻合較好，因此a?可取17.6。而和a,兩個(gè)系數(shù)則要根據(jù)現(xiàn)有資料進(jìn)行多元回歸求取。通過對(duì)泥沙的起動(dòng)流速試驗(yàn)值與分析值的擬合,求得起動(dòng)流速公式中和皿值分別為0.0000314和0.32,圖5反映了計(jì)算值與試驗(yàn)值或分析值的對(duì)比關(guān)系，可見兩者吻合較好。因此將錢塘江河口泥沙起動(dòng)流速公式修正為0.00.00.00.1417.6ygg00003nx驛(5)水槽試驗(yàn)值(m/s)1.00.01.02.03.0大水深分析fi(m/s)0.04.0圖5修正公式計(jì)算值與試驗(yàn)、分析值的比較Fig.5Comparisonofobservedandcalculatedvaluebasedonimprovedf

16、ormula4結(jié)語錢塘江河口泥沙由粉沙顆粒與少量粘土共同組成，以細(xì)顆粒泥沙為主，在強(qiáng)動(dòng)力、高混濁以及灘槽沖淤復(fù)雜多變的河口環(huán)境中，泥沙的起動(dòng)現(xiàn)象十分復(fù)雜。本文以實(shí)測(cè)資料為主,結(jié)合水槽試驗(yàn)，初步探討了細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)流速，認(rèn)為各公式的計(jì)算值應(yīng)用于錢塘江河口均偏大，據(jù)此對(duì)張瑞瑾公式進(jìn)行了修正以適應(yīng)錢塘江河口的水流泥沙特性。鑒于河口泥沙的復(fù)雜性,今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)野外觀測(cè)，提高含沙景測(cè)量:頻次,應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)提高觀測(cè)水平。參考文獻(xiàn)：1 張瑞瑾.河流泥沙動(dòng)力學(xué)M.北京:中國水利水電出版社,1998.2 竇國仁.論泥沙起動(dòng)流速J.水利學(xué)報(bào),1960(4):44-60.DOUCR.Incipientmotio

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21、China;2.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ZhejiangUniversity.Hangzhou310027,C/iina)Abstract:Aseriesexperimentshavebeencarriedoutinasediment-flumetoinvestigatetheincipientvelocityoffinesedimentwithdifferentparticlesizes.Aimedatthelimitationofwaterdepthconditioninlaboratorytest,theincipientvelocityoffinesedimentwasfirstdefinedasthevertically-averagedflowvelocityattheinflectionpo