沙波与刚性非淹没植物复合床面推移质泥沙输移特性研究_叶志恒.pdf

第4 1卷第5期2023年5月水 电 能 源 科 学W a t e r R e s o u r c e s a n d P o w e rV o l.4 1 N o.5M a y 2 0 2 3D O I:1 0.2 0 0 4 0/j.c n k i.1 0 0 0-7 7 0 9.2 0 2 3.2 0 2 2 1 2 8 9沙波与刚性非淹没植物复合床面推移质泥沙输移特性研究叶志恒1,唐立模2,倪培桐1,苗 青1(1.广东省水利水电科学研究院,广东 广州5 1 0 6 1 0;2.河海大学水利水电学院,江苏 南京 2 1 0 0 9 8)摘要:鉴于复合床面条件下刚性非淹没植物改变推移质输沙特性的相关研究成果较少,为此采用水槽试验和理论分析方法,研究了平行排列的刚性非淹没植物对泥沙起动谢尔兹数和推移质输沙强度的影响。结果表明,平行排列的刚性非淹没植物使得泥沙起动谢尔兹数增大了9 7.2%,推移质输沙率降低了8 0%以上。通过理论分析提出了适用于刚性非淹没植物平行排列条件下恩格隆推移质输沙率公式,经验证该公式具有较高的精确度。关键词:沙波;刚性非淹没植物;复合床面;推移质泥沙;输移特性中图分类号:TV 1 4 3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 7 0 9(2 0 2 3)0 5-0 0 4 3-0 5收稿日期:2 0 2 2-0 6-2 2,修回日期:2 0 2 2-0 8-0 9基金项目:广东省水利科技创新项目(2 0 2 1-0 7)作者简介:叶志恒(1 9 9 3-),男,硕士、工程师,研究方向为河流动力学E-m a i l:y e z h i h e n g 4 2 51 6 3.c o m1 引言河流中每颗植水生植物均可视为圆柱绕流,当其成片出现后形成了复杂的“树群”效应,改变了流态,进而改变了泥沙输移特性,而泥沙输移特性的改变又影响着流态,三者相互作用形成了一个复杂的相互反馈模式。早在1 8 7 0年代L I R M等1研究了植物的不同排列方式对输沙的影响,指出采用梅花形交错排列阻水效果和拦沙能力明显优于平行排列;YAG E R E M等 2采用刚性圆柱体模拟挺水植物,研究了挺水植物梅花状排列对推移质输沙率的影响,指出含植物条件下推移质输沙率增加或减小取决于平均流速和边界剪切应力;孙志林等3通过水槽试验表明水生植物的存有利于泥沙淤积。2 0世纪末,毕慈芬等4将沙棘种植在河沟中形成“柔性坝”,通过水槽试验研究了“柔性坝”促使泥沙沉积的原因和规律;邱秀云等5采用塑料草模拟沙棘等柔性植物进行试验,表明底坡越大,植物坝上游泥沙运动速度的衰减率就越小;杨庆楠等6发现植物根系密度、直径、表面积密度等特征与产沙量存在负相关线性关系。上述研究表明植物的存在改变了泥沙的输移特性,植物和沙波的复合床面条件下泥沙输移特性的研究可为湿地保护、江心洲行洪安全、滩地冲刷等提供科学的理论依据。为此,本文通过水槽试验和理论分析,探求了复合床面下刚性非淹没植物平行排列对泥沙起动及推移质输沙率的影响程度和机理。2 试验布置与方法2.1 试验布置和测控系统试验在长1 2 m、宽0.6 m、高0.6 m的可变坡矩形水槽中进行,末端设置长1.3 m、宽0.6 m的沉砂池,并安装0.1 g的电子天平,用以实时称量推移质泥沙水下质量。采用直径0.6 c m、高度2 1 c m的圆柱形刚棒模拟刚性植物,以间隔5 c m平行排列于厚度1 c m的塑料板中,植物密度采用植株比法7:=N d2/(4S)(1)其中S=B L式中,N为植物株数;d为植株直径;S为床面面积;B为宽度;L为长度,本文试验植物密度为0.0 0 2 8 2 7。试验设置2种床面形态(图1):工况1。沙波和刚性非淹没植物复合床面;工况2。单一沙波床面。床沙区始于水槽入口2 m处,铺设厚度9 c m,总长度8 m,于床沙区最前铺设长2 m、坡比为15的过渡区。试验区距入口68 m处。在工况1中设置植物区,植物区始于水槽入口4 m处,铺设总长度6 m。(b)2工况(a)1工况2 m2 m2 m6 m12 mV刚性非淹没植物9 cm厚床沙沉砂池沉砂池9 cm厚床沙2 m2 m2 m6 m12 m图1 工况1、2试验布置示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f e x p e r i m e n t a l l a y o u t o f w o r k i n g c o n d i t i o n s 1 a n d 2试验前将泥沙铺设为初始工况,通过调节流量、坡降和尾门保证试验区水深(1 0 c m)延程不变,此时认为试验段已达到均匀流状态。采用电磁流量计、水槽刻度尺和电子天平读取试验数据。2.2 床面泥沙试验采用中值粒径D5 0=0.3 8 1 mm、不均匀系数1.5、比重为2.6 5的石英砂。根据沙玉清8过渡区公式计算得到泥沙沉速为5.5 0 c m/s。一般条件下植物的存在将减小泥沙沉速,当植物面积密度在0.0 7 1及以下且粒径小于0.2 c m的颗粒可不考虑植物的影响9。因此可认为复合床面泥沙沉速为5.5 0 c m/s。根据泥沙特性分区图1 0可判断本文试验水流强度泥沙的运动以在床面层内的滑动、滚动、跳跃为主。3 试验结果3.1 泥沙起动流速试验采用K R AME R H1 1提出的弱动作为泥沙起动的判别标准,通过测量泥沙起动时的流速及公式验证,得出2种工况下泥沙起动流速值。(1)工况1。当整个床面区域泥沙均开始弱动,测量得到泥沙起动流速为1 8.6 5 c m/s。采用T ANG HONGWU等1 2刚性非淹没植物条件下泥沙起动流速公式:Uv c=0.3 6s-g DhD()1/6dh D/4-()0.3 1 9(2)式中,Uv c为刚性非淹没植物条件下泥沙起动流速;s为泥沙比重,2 6.5 k N/m3;为水比重,9.8 k N/m3;g为重力加速度,9.8 1 m/s2;D为泥沙颗粒直径,0.3 8 11 0-3m;h为水深,0.1 m。计算得到复合床面泥沙起动流速为1 7.4 0 c m/s,与实测值误差为7.2%,该误差值与泥沙密实度、起动的判别标准等有关。本文将采用实测值1 8.6 5 c m/s作为复合床面泥沙起动流速。(2)工况2。缓慢增大流速至床面泥沙起动,测量得到泥沙起动流速为2 3.9 0 c m/s。采用沙莫夫、冈恰洛夫和张瑞瑾公式1 0计算该工况下泥沙起动流速范围为2 2.7 02 8.0 0 c m/s,实测值处于计算范围内,因此采用实测值作为单一沙波床面泥沙起动流速。3.2 推移质输沙率(1)工况1。王浩1 3认为含刚性非淹没植物条件下当水流流速达到起动流速后,泥沙经过5 h冲刷可达到平衡。试验过程中发现当冲刷时长达到5 h后,电子天平中泥沙质量增长率趋于稳定,以56 h之内的推移质输移泥沙水下质量计算单宽输沙率:q b=W/(B T)(3)式中,qb为以水下重量计算的单宽推移质输沙率;W 为第56 h之内实测泥沙水下重量;B为水槽宽度,0.6 m;T为推移质输沙时间,3 6 0 0 s,计算得到推移质输沙率见表1。表1 工况1推移质输沙率T a b.1 B e d l o a d t r a n s p o r t r a t e i n w o r k i n g c o n d i t i o n 1组次植物区平均流速Uv比降J/输沙率qb组次植物区平均流速Uv比降J/输沙率qb11 8.6 41.4 2062 3.8 72.1 4 0.0 0 0 9 8 121 9.6 61.5 50.0 0 0 1 8 072 4.2 92.2 1 0.0 0 1 1 3 032 0.4 91.6 60.0 0 0 3 2 382 6.1 02.5 1 0.0 0 1 7 5 042 1.7 61.8 30.0 0 0 5 9 592 7.9 82.9 1 0.0 0 3 4 7 052 2.6 71.9 60.0 0 0 6 7 6注:植物区平均流速、输沙率单位分别为c m/s、k g/(sm)。(2)工况2。采用电子天平测量第56 h内推移质水下重量,得到无植物工况下的推移质输沙率,试验结果见表2。表2 工况2推移质输沙率T a b.2 B e d l o a d t r a n s p o r t r a t e i n w o r k i n g c o n d i t i o n 2组次流速/(ms-1)比降J/输沙率qb/(k g(sm-1)1 0.2 5 00.3 1 61.2 31 0-52 0.2 6 00.3 5 00.0 0 0 1 3 63 0.2 7 90.4 2 50.0 0 0 9 8 24 0.2 8 60.4 5 80.0 0 1 4 5 05 0.3 0 90.5 5 80.0 0 2 7 5 06 0.3 3 30.6 6 60.0 0 3 9 0 07 0.3 5 70.7 8 30.0 0 6 2 5 04 试验结果分析4.1 含刚性非淹没植物剪切力线性叠加分析方法含植物条件下床面总剪切力表达式1 4为:=g h J(1-h*)(4)44水 电 能 源 科 学 2 0 2 3年 第4 1卷第5期叶志恒等:沙波与刚性非淹没植物复合床面推移质泥沙输移特性研究其中h*=l/h式中,为单位床面总剪切应力;为水的密度;J为水力坡降;h为水深;l为植物被淹没高度,非淹没植物h*=1。GA R D E R J等1 5指出复合床面工况下总剪切力可分解为植物剪切力和床面剪切力。其中刚性非淹没植物剪切应力表达式为:v=CD vN d l U2v/2(5)式中,CD v为植物拖曳力系数,无量纲数;N为单位面积上植株个数;d为刚性非淹没植物直径;Uv为植物区平均流速。S TON E B M等 1 6指出植物区水流平均速度Uv可用含植物明渠水流中平均流速U替代,用以求解植物拖曳力。植物区流速可表示为:Uv=U=q/(1-)(6)式中,q为单宽流量。对同一水力条件下植物剪切力仅与被淹没高度有关,植物剪切力沿水深呈线性分布。同时B a g n o l d假设挟沙水流的总剪切力沿水深亦呈线性分布1 2,因此本文将总剪切应力沿水深进行分解为植物剪切力和床面剪切力线性叠加而成,作用于床面的剪切力影响着泥沙运动,称之为有效剪切力。4.2 植物谢尔兹数计算方法将剪切力无量纲化,得到总谢尔兹数与植物谢尔兹数v表达式为:=g h J(1-h*)/(s-)D(7)v=CD vN d l V2v/2(s-)D(8)4.3 有效谢尔兹数计算方法有效谢尔兹数是指有效剪切力无量纲化后的数值。对含刚性非淹没植物条件下,有效谢尔兹数e v为总谢尔兹数除去植物谢尔兹数v:e v=-v(9)对工况2,有效谢尔兹数e即为总谢尔兹数:e=(1 0)4.4 输沙强度计算将推移质输沙率换算成无量纲推移质输沙强度,采用下式:=q b/sD(s-)g D/(1 1)计算得到工况1、2输沙强度和有效谢尔兹数(表3、4)。计算得到复合床面条件下临界谢尔兹数为c v=0.0 7 1,单一沙波条件下临界谢尔兹数为c v=0.0 3 8。4.5 刚性非淹没植物对泥沙输移特性的影响根据试验数据可知,复合床面泥沙起动谢尔表3 复合床面谢尔兹数与输沙强度计算T a b.3 C a l c u l a t i o n o f s h i e l d s n u m b e r a n d s a n d t r a n s p o r t i n t e n s i t y o f t h e c o m p o u n d b e d f o r m组次植物区平均流速Uv相对流速Uv/Uv c总谢尔兹数植物谢尔兹数v有效谢尔兹数e vv输沙强度e11 8.6 41.0 00.2 2 50.1 5 40.0 7 10.6 8 4021 9.6 61.0 50.2 4 60.1 7 10.0 7 50.6 9 6 0.0 0 2