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含沙量沿水深分布

2020-04-09 21:01

在平衡条件下,悬移质含沙量沿水深的变化规律。

泥沙颗粒在水中受重力作用下沉,而水流紊动作用则使泥沙从下层水体向上层水体转移,当下沉的泥沙数量与上升的泥沙数量相等时,悬移质沿水深分布达到平衡状态。

含沙量沿水深分布的理论有以下几种。

扩散理论

20世纪30年代,美国的M.P.奥布赖恩和苏联的B.M.马卡韦耶夫分别将紊流扩散理论应用于水流中的悬移质分布问题上来,建立了悬移质运动的扩散理论。

在二维恒定均匀挟沙水流中,因扩散作用向上移动的悬移质数量为

式中,g1为单位时间内通过单位面积的悬移质沙量;s为含沙量;ds/dy为含沙量梯度;εs为泥沙扩散系数。

因重力作用而下沉的悬移质数量为

式中,g2为单位时间内通过单位面积下沉的悬移质沙量;ω为泥沙沉速。

在平衡条件下,上移沙量与下沉降沙量相等,得

可假定ω沿水深不变,在已知εs沿水深分布规律后,积分上式即可得到含沙量沿水深分布公式。劳斯(H.Rouse)假定泥沙扩散系数(εs)与水流动量交换系数(εm)相等,并利用对数型流速分布公式,得含沙量沿水深分布公式为

式中,S为距床面y处的含沙量;Sa代表y=a处的时均含沙量;h为水深;z为悬浮指标,z=ω/κu*;u*为水流摩阻流速;κ为卡门常数。由扩散理论得到的悬移质含沙量沿水深分布见图。

悬移质含沙量沿水深分布

扩散理论假定εsm,所以只在含沙量较小时才与实际资料符合,V.A.瓦诺尼假定εs=β εm,β为大于1的系数,因不同泥沙而异,则悬浮指标z1=ω/βκu*使计算的含沙量沿水深分布与实测资料取得一致。

重力理论

20世纪50年代,苏联M.A.韦利卡诺夫提出了悬移质运动的重力理论,认为泥沙颗粒所以能维持悬浮状态,是由于水流不断将泥沙向上托起。因此,挟沙水流在运动过程中所做的功除了阻力功以外,还应加上悬浮功。根据这一假设,分别对挟沙水流中的固体和液体列出能量平衡方程式,积分求解这些方程式即得含沙量沿水深分布公式。对于重力理论有不少争议,主要意见是悬浮功来自紊动能,它是水流在克服阻力过程中已经消耗的能量,在能量平衡方程中不应重复计算。

悬移质含沙量沿水深分布规律是推求悬移质输沙率公式的理论基础,对工程中防沙排沙设施的设计和运行有实用意义。

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