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推移质翻越低坝输移特性的试验研究

晏自立 徐元 李丹勋

晏自立, 徐元, 李丹勋. 推移质翻越低坝输移特性的试验研究[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 356-365. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.005
引用本文: 晏自立, 徐元, 李丹勋. 推移质翻越低坝输移特性的试验研究[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 356-365. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.005
YAN Zili, XU Yuan, LI Danxun. Experimental study on characteristics of bed load transport over low-head, run-of-river dams[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 356-365. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.005
Citation: YAN Zili, XU Yuan, LI Danxun. Experimental study on characteristics of bed load transport over low-head, run-of-river dams[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 356-365. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.005

推移质翻越低坝输移特性的试验研究

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.005
基金项目: 

国家重点研发计划资助项目 2016YFC0402308

国家自然科学基金资助项目 51879138

详细信息

Experimental study on characteristics of bed load transport over low-head, run-of-river dams

Funds: 

The study is financially supported by the National Key R & D Program of China 2016YFC0402308

The National Natural Science Foundation of China 51879138

图(10) / 表 (4)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-27
  • 网络出版日期:  2020-04-03
  • 刊出日期:  2020-05-01

推移质翻越低坝输移特性的试验研究

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.005
    基金项目:

    国家重点研发计划资助项目 2016YFC0402308

    国家自然科学基金资助项目 51879138

    作者简介:

    晏自立(1997—) , 男 , 江西宜春人 , 博士研究生 , 主要从事水力学及河流动力学方面研究。 E-mail : yanzl19@mails.tsinghua.edu.cn

    通讯作者: 李丹勋 , E-mail : lidx@mail.tsinghua.edu.cn
  • 中图分类号: TV142.2

摘要: 对于山区河流低坝而言,平时淤积在坝前的推移质粗沙可能会在洪水期集中翻越坝顶,形成高强度输沙。本文开展水槽试验,研究推移质粗沙自上游起动、推进、再翻越坝顶后向下游输移的过程,分析了输沙参数的变化特性及数理规律,描述了翻坝输沙模式及运动特征,揭示了输沙规律与河床形态之间的自然联系。取得如下认识:①输沙量随时间大致以幂函数规律增长。②低坝附近区域河床形态终将趋于稳定,上游和下游均形成相对稳定的曲面斜坡淤积体。③在不同的水流强度下推移质翻坝输移模式存在差异。对于一般水流强度工况,上游淤积体曲面斜坡表面泥沙颗粒以滚动或滑动模式起动,推移至接近坝顶位置时再跃移翻坝,后向下游输移;对于更高水流强度工况,后期的翻坝输沙模式可能发生显著转变,周期性边壁漩涡成为翻坝输沙的主要动力来源。

English Abstract

晏自立, 徐元, 李丹勋. 推移质翻越低坝输移特性的试验研究[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 356-365. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.005
引用本文: 晏自立, 徐元, 李丹勋. 推移质翻越低坝输移特性的试验研究[J]. 水科学进展, 2020, 31(3): 356-365. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.005
YAN Zili, XU Yuan, LI Danxun. Experimental study on characteristics of bed load transport over low-head, run-of-river dams[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 356-365. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.005
Citation: YAN Zili, XU Yuan, LI Danxun. Experimental study on characteristics of bed load transport over low-head, run-of-river dams[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(3): 356-365. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.005
  • 径流式低坝是山区河流上常见的水工建筑物, 通常横贯整个河道, 坝顶一般可以过流。在平水期, 坝体的滞水作用在一定程度上加重了泥沙特别是粗沙在坝前淤积;在洪水期, 淤积在坝前的泥沙可能会集中翻越坝顶形成高强度输沙。近年来长江上游部分支流在洪水期的输沙更为集中, 单一场次洪水输沙量占全年的比重显著增加[1], 可能与梯级低坝运行造成的“零存整取”有一定关系。

    与高坝大库对河床质粗沙接近100%的拦蓄效率[2]不同, 径流式低坝的拦沙模式更为复杂。总体上, 低坝拦沙作用与水流挟沙作用之间的制衡关系随工况变化更为敏感。对于既定的山区河流低坝而言, 泥沙翻坝输移特性随水流条件变化而产生显著差异。Csiki和Rhoads[3]通过野外实地考察对美国伊利诺伊州4座低坝进行了研究, 发现泥沙在上、下游之间基本上呈连续性, 表明水流可以挟沙(包括河床质粗沙)翻坝。Pearson和Pizzuto[4]通过数值模拟结合野外实地考察, 发现低坝拦沙能力有限, 泥沙会在完全淤满库容之前就翻坝输移。Sindelar等[5]通过物理模型试验手段, 研究了砾石质河床上径流式电站堰高对泥沙连续性的影响, 给出的量纲一化结果对指导工程实践有一定价值, 但其研究侧重于关注河床形态演变及床沙粒径分布特征, 对输沙参数变化过程及泥沙颗粒运动特征没有进行详细描述。Queen[6]通过建立一维形态动力学模型, 对泥沙翻越低坝过程中河床高程演变及输移参数变化进行了数值模拟, 但没有深入分析泥沙输移模式及运动特征。对于泥沙特别是推移质泥沙翻越低坝的运动模式及输移特性, 相关的研究特别是试验研究还非常少。

    本文开展水槽试验, 通过实时监测输沙参数、记录泥沙运动及河床演变过程, 研究推移质在不同流量下自上游起动、推进至坝前、翻越坝顶后继续向下游输移全过程的主要特征, 描述泥沙颗粒翻坝的输沙模式, 从一个侧面揭示低坝影响下水流输沙“零存整取”的基本规律。

    • 试验在清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室完成。主要装置包括水槽、接沙系统、量测平台和其它辅助设备。图 1为试验实物布置图, 图 2为试验水槽及相关设备示意图。

      图  1  试验装置实物

      Figure 1.  Experimental facilities

      图  2  试验水槽及相关设备示意

      Figure 2.  Sketch of experimental setup

      (1) 试验水槽及相关设备自循环水槽长11 m, 宽0.25 m, 高0.25 m, 流量和水深分别通过电磁流量计(精度0.01 L/s)和6个超声水位计(精度0.2 mm)实时监测, 下游水位和流态通过调整尾门开度进行控制。在距离尾门2.5~3.5 m的区域搭建钢架和可移动平台, 用以架设连续激光器、数码摄像机(DV)和高速相机等仪器。模型坝固定于水槽中距离尾门2.6 m处。

      2) 接沙系统由电子天平、接沙装置和其他辅助部件组成, 如图 3所示。其中电子天平最大称量为30 kg, 精度为0.1 g, 监测频率为1 Hz, 接沙系统测量输沙量的系统误差约为1%。实时监测数据由于水流波动会受噪声影响, 数据分析采用分时段计算时段平均输沙率的方法和移动平均滤波处理, 以获得克服噪声干扰的试验结果。关于接沙系统的详细介绍可参考文献[7]。

      图  3  接沙系统示意

      Figure 3.  Sketch of sediment trap

      接沙系统实时监测的是接近尾门位置的输沙量和输沙率。在本试验中, 坝下游始终为渐变急流, 流速大, 泥沙颗粒自模型坝位置输移至接沙系统位置最长约有10 s延迟。相对于总时长达数小时的各组次试验而言, 该延迟对于试验结果分析造成的影响可以忽略不计。因此, 本研究可依据接沙系统测量数据分析坝体位置输沙率的变化特征。

      (3) 量测平台可记录河床形态演变过程, 实物布置如图 4所示, 主要由DV、连续激光器和高速相机等仪器组建而成。DV用于摄录试验中泥沙推进过程的平面形态演变, 连续激光器和高速相机为摄录坝附近区域河床侧面形态演变提供硬件支持。其中DV通过钢架和连接件, 固定在模型坝附近的水槽上方, 可摄录范围大致为坝上游1 m至下游0.2 m的试验水槽所在区域;激光器经合理布置, 可为模型坝上游30 cm(15 H, H为坝高)至下游15cm(7.5H)范围内的试验水槽中垂面提供稳态片激光。根据测量范围要求, 高速相机布置在模型坝右岸平台上, 垂直于待测平面, 拍摄窗口底边平行于河床面, 拍摄范围为坝上游10.8 cm (5.4H)至下游9.2 cm(4.6H)、河底至高于河底7.7 cm(3.85H)。搭配激光器, 高速相机可同时从侧面摄录床面形态演变过程。

      图  4  量测平台实物

      Figure 4.  Measurement platform

    • 参考长江上游若干径流式低坝的工程资料, 通过前期探索试验比选, 最终确定实际试验方案。需要指出的是, 试验方案并未按照模型相似律来设计, 而是根据水槽的实际情况选择典型的推移质泥沙翻越低坝输移情景。具体控制参数如下:

      (1) 模型坝尺寸及型式考虑试验水槽尺寸的实际情况, 采用坝高H=2 cm、宽B=25 cm和厚T=0.5 cm的薄壁堰坝型。

      2) 水槽坡度固定底坡i=0.6%, 该坡度与长江上游山区河段陡坡河床坡度相近, 比如涪江合川段实测床面坡降约为0.6%[8]

      (3) 试验沙种类和级配试验沙采用天然石英沙, 颗粒密度ρs =2.65 kg/L, 根据前期示意试验观测结果以及泥沙起动条件确定粒径范围为1~1.5 mm, 相应代表粒径为D=1.22 mm(粒径上、下限的几何平均值)。

      (4) 3级流量根据准备阶段探索试验观测结果, 拟定Q =5 L/s、Q=6 L/s、Q =7 L/s共3级流量, 保证所有组次试验中运动泥沙都是以推移质方式输移, 类似长江上游山区河流河床质粗沙输移[9]

      (5) 上游来沙为简化分析, 采取定量来沙的模式, 试验前在坝上游40~90 cm(20H~45H)范围内平铺质量为1.65 kg、厚度为0.8 cm(0.4 H)的试验沙。试验过程中, 水流挟带泥沙向下输移至坝前, 开始翻越低坝, 然后大部分继续向下游输移。选择的沙量足够大, 保证有足够长的时间来观测整个输沙过程。

      为方便表述, 后文以A1、A2、A3依次代表Q =5 L/s、Q =6 L/s、Q =7 L/s下的输沙试验组次。

    • 试验中通过超声水位计及标尺测量水深, 水流流态示意如图 5所示, 沿流向简要说明如下:

      图  5  水流流态示意

      Figure 5.  Sketch of flow regime

      (1) 上游入水口水流经整流后迅速稳定为明渠渐变急流。以距离入水口2 m处过水断面1处的水深作为该流区的代表水深, 记为h1

      (2) 模型坝的拦蓄作用形成S1型壅水水面线[10], 坝前3 m左右流段内皆为渐变缓流。距离模型坝向上游1 m的断面2处的水深记为h2。上游急流与坝前缓流之间通过水跃衔接。

      (3) 模型坝附近区域发生堰流, 堰顶水深记为h, 堰前水深记为h3(=h+H)。需要指出的是, 由于堰顶水深存在波动, 实际试验中测量波动范围内的代表值。

      (4) 堰流过后, 下游保持明渠渐变急流, 试验前通过调试尾门开度保证。以距离模型坝向下游1.5 m的断面4处的水深作为此流段的代表水深, 记为h4。由于试验中保持堰后下游为陡坡急流, 所以水流在翻越薄壁堰后不会在下游发生明显的水跃现象[11]

      各试验组次具体的水流参数如表 1, 其中U1U4Fr1Fr4分别代表断面1—断面4的断面平均流速和相应的水流弗劳德数。可以看出, 断面1和断面4为急流, 断面2和断面3为缓流。

      表 1  各试验组次基本水流参数

      Table 1.  Flow parameters in each run

      组次 Q (L·s-1) h1 cm U1 (m·s-1) Fr1 h2 cm U2 (m·s-1) Fr2 h3 cm U3 (m·s-1) Fr3 h4 cm U4 (m·s-1) Fr4
      A1 5 2.20 0.91 1.96 5.60 0.36 0.48 6.00 0.33 0.43 2.25 0.89 1.89
      A262.500.961.946.250.380.496.650.360.452.600.921.83
      A3 7 2.65 1.06 2.07 6.60 0.42 0.53 6.95 0.40 0.49 2.95 0.95 1.76
    • 泥沙输移仅定量计算断面2和断面3区间内渐变流段的平均情况。计算式如下:

      $$ \bar R = \frac{{{R_2} + {R_3}}}{2} $$ (1)
      $$ J = i - \frac{{{E_{s3}} - {E_{s2}}}}{{\Delta s}} $$ (2)
      $$ \Theta = \frac{{\rho g\bar R\bar J}}{{({\gamma _s} - \gamma )D}} $$ (3)

      式中: R为流段平均水力半径;R2R3分别为断面2、断面3水力半径;J 为流段平均水力坡度;i为底坡;Es2Es3分别为断面2、断面3的单位能量;Δs为流段长度;Θ为shields数, 量纲一剪切应力;ρ为水的密度;g为重力加速度;γs为泥沙容重;γ为清水容重;D为泥沙粒径。

      基于Meyer-Peter和Müller[12]推移质公式, 计算输沙平衡状态下的输沙率。按照钱宁[13]的处理方法, 将公式转化为量纲一形式, 具体如下:

      $$ \Phi = K{(\Theta - {\Theta _c})^{1.5}} $$ (4)

      式中:Φ为Einstein量纲一输沙强度;K为系数, 取K=8;ΘC为泥沙起动时的临界shields数, 取ΘC=0.047, 能使公式最大限度地吻合实测数据[14]

      基于Engelund和Fredse[15]提出的公式计算起动概率为

      $$ P = \frac{6}{{\pi \beta }}(\Theta - {\Theta _c}) $$ (5)

      式中: P为泥沙起动概率;β为系数, 取β=0.8;取ΘC=0.046。

      具体计算结果如表 2所示。根据Kramer[16]和窦国仁[17]对起动程度的定义, 结合试验观测现象, 表 2中对各工况下泥沙的起动程度进行了定性划分。为对比分析, 表 2中同时计算了流量为3 L/s和4 L/s时的相关参数。

      表 2  各工况泥沙运动参数

      Table 2.  Flow and sediment parameters

      组次 Q/(L·s-1) R/m J Θ Φ P 起动程度
      - 3 0.034 4 0.001 7 0.028 9 不动
      - 4 0.037 2 0.002 7 0.050 0 0.001 3 0.009 5 弱动
      A1 5 0.039 6 0.002 8 0.055 9 0.006 7 0.023 5 中弱动
      A2 6 0.042 5 0.002 9 0.060 8 0.013 0 0.035 4 中动
      A3 7 0.043 9 0.003 4 0.074 2 0.036 0 0.067 4 中普动

      表 2可以看出, 流量为3 L/s和4 L/s时泥沙不动或弱动, 而试验A1、A2、A3组次分别对应泥沙起动程度为中弱动、中动和中普动, 因此正式试验所涵盖的范围合适。

    • 试验开始后, 上游泥沙在水流挟带下向坝前推移, 前端逐渐推进至坝踵位置, 在坝前形成一定规模的淤积体。在基本淤满库容后, 泥沙开始翻越低坝顶端, 翻越低坝的泥沙在坝下游的负流速区内落淤, 并很快形成在体量和形态上都较为稳定的淤积体(也有部分泥沙直接向下游输移), 之后泥沙继续向下游输移。由于上游无持续的泥沙补给, 经过足够长的时段, 坝前上游淤积体在经过一定的调整后也保持在体量和形态上的稳定(坝前泥沙淤积体存在稳定状态, Sindelar等[5]和Queen[6]也曾有过报道), 不再有明显的泥沙翻坝输移, 此时结束试验。

      本文将泥沙开始翻越低坝对应的时刻称为“输沙开始”时刻, 将几乎不再有泥沙翻坝输移的时刻称为“输沙结束”时刻。试验中发现, 自“输沙开始”后, 经过较短历时即迎来“输沙高峰”状态。此时, 坝下游淤积体在体量和形态上达到动态稳定。之后自上游翻越坝顶的泥沙基本上不再在坝下游附近负流速旋涡区内落淤, 而是直接向下游输移。

      自“输沙高峰”后, 随着水流对坝前库区泥沙的不断冲刷, 输沙率相对缓慢地逐渐降低, 上游淤积泥沙最终趋于体量和形态上的静态稳定, 而此演变过程中下游淤积泥沙基本上始终保持动态稳定。图 6给出了对应试验中“输沙开始”、“输沙高峰”和“输沙结束”三个特征状态的图像。

      图  6  坝附近区域的泥沙推进及河床形态演变过程典型时刻图像序列(A1组)

      Figure 6.  Image sequence of riverbed in the near-dam area (A1)

      在具体试验中, 当实测输沙率与峰值的比值大于5%或实测单宽输沙率绝对值大于0.2 g/(m·s)时, 即认为“输沙开始”。当实测单宽输沙率与峰值的比值小于5%且实测单宽输沙率绝对值小于0.2 g/(m·s)时, 即认为“输沙结束”(在实际试验时会继续运行15~25 min加以观察确认)。

      实际试验中, A1组从试验启动到输沙开始、达到输沙峰值、输沙结束和试验结束的历时分别为18 min、22 min、167 min和183 min, A2组分别为8 min、13 min、77 min和98 min, A3组分别为2 min、7 min、41 min和62 min。

      通过分析大量图像测量资料, 得出基于量化实测结果的概化模型(如图 7所示), 粗沙翻越低坝过程的典型运动特征及输移模式可分为4段:沿上游淤积表面滚动/滑动段、靠近低坝上游边壁的直跃段、翻越低坝的跃移段和下游床面的滑动/滚动段。分析4个运动区段各自的特点, 具体描述如下:

      图  7  试验中粗沙翻越低坝过程典型运动特征及输移模式示意

      Figure 7.  Typical pattern of coarse sediment transporting over a run - of - river dam

      (1) 上游淤积表面的滚动/滑动段粗沙在上游淤积体表面基本上以滚动模式起动, 然后在斜坡上继续滚动或滑动, 最终到达贴近坝体的位置。此阶段粗沙以接触质形式运动。

      (2) 直跃段在接近斜坡顶点、贴近坝顶的位置, 水流垂向流速v增大至0.15 m/s左右, 大于试验沙临界起动摩阻流速u*c(约为0.026 m/s), 也大于泥沙颗粒的沉速(约为0.136 m/s), 泥沙以垂直跃起的方式继续运动, 过程非常迅速。

      (3) 跃移段粗沙经历直跃段后, 以抛物线型运动轨迹翻越低坝。在下游淤积体达到稳定状态之后, 几乎不再融入, 而是直接向下游河道输移。

      (4) 下游滑动/滚动段跃移粗沙颗粒回落床面后, 继续滑动或滚动, 向下游输移。

      A3组后期翻坝输沙模式与上述典型模式不同, 发生显著转变, 出现以周期性边壁漩涡主导的输沙特征现象, 后文中对此将进一步描述。

    • 通过接沙系统实时监测, 结合前述判别标准与结果, 得到试验中从“输沙开始”至“输沙结束”过程输沙量随时间变化关系, 如图 8所示。图 8Wb为实时单宽输沙量, W为过程总单宽输沙量, T为过程持续总时长。

      图  8  “输沙开始”至“输沙结束”全过程输沙量随时间变化关系

      Figure 8.  Temporal variation of sediment discharge

      观察图 8(a)所示的曲线形态, 并进行数据拟合, 发现其中A1和A2组输沙量随时间以幂函数规律增长, 分别如图 8(b)图 8(c)所示。然而A3组却不同, 整个过程不能很好地符合幂函数增长规律。如图 8(d)所示, 大致以“输沙开始”后的0.5T为界限, 前、后期呈现特性相差较大的增长规律, 前期基本符合幂函数律, 后期符合线性律。具体的拟合函数表达式如表 3所示。

      表 3  输沙量随时间变化关系函数拟合表达式

      Table 3.  Function fitting of sediment discharge with time

      组次 变化规律 系数a 系数b 系数c 相关系数R2
      A1 1.33 0.341 -0.312 0.984
      A2 幂函数:$ \frac{{{W_b}}}{W} = a{(\frac{t}{T})^b} + c$ 1.98 0.166 -0.960 0.983
      A3前期(0~0.5T) 2.44 0.154 -1.260 0.901
      A3后期(0.5T~T) 线性:$\frac{{{W_b}}}{W} = k\frac{t}{T} + d $ 系数k=0.134 系数d=0.869 0.983

      A3(最高流量组)之所以会出现与其他组次不同的函数关系, 并且前、后期输沙规律呈现显著差异, 与其试验后期翻坝输沙的模式转变特性密切相关。

      对于A1、A2组和A3组前期, 上游来沙逐渐推进至坝踵并在上、下游都形成形状稳定的淤积体之后, 翻坝输沙的模式也基本相同(图 7)。在“输沙开始”后的一定时段内, 输沙量随时间以幂函数规律增长。A1和A2组次中, 幂函数律一直持续到“输沙结束”。

      对于A3组次后期, 当坝前淤积泥沙大量翻坝输移后, 剩余泥沙的翻坝输移模式发生显著转变, 出现以边壁漩涡主导的翻坝输沙现象, 且漩涡具有明显的周期性, 周期大约为1 s。试验过程中对此特征现象进行了摄录, 对视频进行逐帧提取并分析, 截取其中一个周期的典型时刻图像, 如图 9所示。在周期性漩涡的影响下, 泥沙颗粒在坝前附近区域起旋、打转然后回落, 其中少部分颗粒能够成功翻坝, 输沙效率有限, 并不算高。结合输沙量随时间变化关系曲线(图 8(d)), 后期Wb/W随时间大致以线性律增加, 显著低于幂函数律的延拓趋势。

      图  9  高流量条件周期性边壁漩涡输沙(A3组)

      Figure 9.  Sediment transport by vortex in high flow condition (A3)

      对于A3组次观察到的独特现象, 值得在未来的研究中不断深入。

    • 随水流强度增大, 输沙率峰值会增大, 其中A3组次的最大, 相应的峰值记为max(Φmax)=0.030 8。将各组次的Φ作对比处理, 计算Φ/max(Φmax), 以利于分析, 结果如图 10(对原始数据进行了适当移动平均滤波处理)所示。

      图  10  单宽输沙率随时间变化关系对比

      Figure 10.  Comparisons of sediment transport rate with time

      图 10可知, A1—A3各组次输沙率随时间变化的总体趋势一致, 自“输沙开始”时刻, 输沙率数值迅速升高至峰值, 然后相对缓慢地降低至趋于0。虽然输沙率数值有较大差别, 但是各组次的输沙高峰出现的时间基本相同, 都处于4~5 min之间。不同流量工况下, “输沙高峰”发生时间大致相同, 此现象与上游来沙的推进过程和下游淤积体的形态演变存在紧密联系。自“输沙开始”至“输沙高峰”状态, 河床形态经历下游淤积体从无到有且趋于稳定的演变过程。此过程演变相对迅速, 且随水流强度变化不大, 为4~5 min。

      进一步分析各组次工况下“输沙高峰”与水流挟沙力的对比关系, 选取Meyer-Peter和Müller[12]、Engelund和Fredse[15]、Bagnold[18]和Yalin[19]等经典推移质输沙率公式, 并按照钱宁[13]对公式的量纲一化处理方法及系数的选定[20], 计算断面2和断面3区间坝前渐变流段的水流挟沙力平均情况。并且引入量纲一参数U/ω, 其中U为坝顶断面纵向平均流速, ω为泥沙颗粒的沉速, 作为衡量翻坝泥沙在过坝水流中的相对重力沉降作用。结果见表 4

      表 4  输沙峰值与经典推移质公式计算输沙率比较

      Table 4.  Comparison of measured and calculated bed-load transport rate

      组次 U/ω 实测峰值Φmax Meyer-Peter和Müller[12] Engelund和Fredse[15] Bagnold[18] Yalin[19]
      A1 3.68 0.004 8 0.006 7 0.009 9 0.007 9 0.026 4
      A2 3.80 0.012 2 0.013 0 0.016 6 0.012 7 0.032 5
      A3 4.16 0.030 8 0.036 0 0.040 1 0.026 5 0.052 4
      注:输沙率数值为Einstein量纲一输沙强度Φ

      表 4可知, 除Yalin[19]公式计算值大于输沙峰值较多外, 其他经典公式计算值大多接近或略大于实测峰值。可以认为, 各组次“输沙高峰”状态下的输沙情况接近或略小于对应的水流挟沙力。若上游持续加沙, 即翻坝泥沙来源供给持续充足, 则该输沙峰值将会维持。对应于实际工况而言, 平时淤积在低坝前的较大体量泥沙, 会在洪水期初的一段时间内持续高强度输移。从试验角度, 在一定程度上验证并说明了近年来长江上游部分支流出现的“零存整取”现象。

      初步发现, 推移质翻越低坝输移峰值Φmax可能随相对过流强度U/ω增加以近似线性规律增加。对于其中的详细规律, 值得在未来的研究中继续深入。

    • (1) 低坝附近区域淤积河床形态终将趋于稳定, 上游形成顶点接近坝顶位置的曲面斜坡, 下游则在负流速漩涡区内形成相对动态稳定的曲面斜坡淤积体。

      (2) 在不同的水流强度下推移质翻坝输移模式存在差异:对于一般高强度水流工况, 上游淤积体曲面斜坡表面泥沙颗粒以滚动或滑动模式起动, 推移至接近坝顶位置时再跃移翻坝, 后向下游输移;对于更高强度水流工况, 后期的翻坝输沙模式可能发生显著转变, 周期性边壁漩涡成为主要动力来源。

      (3) 输沙量随时间大致以幂函数律增长, 输沙率随时间变化呈现“陡增缓减”的总体趋势, “输沙高峰”集中在“输沙开始”后的较短时间内发生, 与下游动态稳定淤积体的形成和发展有关。在最高水流强度组次中, 后期输沙量随时间变化规律转变为线性律。

参考文献 (20)

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