水沙运动试验成果总结

8.1　水沙运动试验成果总结

内流河宽浅变迁河段不同于以往我们所了解的河流，其独特的水沙特性提出了一系列有待研究的新课题。为此，我们在收集前人研究成果的同时，对南疆和北疆有代表性的25条宽浅变迁河段进行调研，对内流河的分布、洪水成因、山前平原形成做了系统分析，并选取呼图壁河和三屯河作为样本河段进行详细测量，根据宽浅变迁河段的特性设计了一套变坡水槽泥沙起动以及输沙试验系统，通过大量的试验，对小尺度粗糙临界值、大比降河床的定床阻力和动床阻力、大比降粗颗粒泥沙起动和输沙率等多方面进行了理论分析和研究，取得了如下一些研究成果：

①宽浅变迁河段从平面形态上分为强限制性宽浅变迁河流、弱限制性宽浅变迁河流、漫流性宽浅变迁河流。宽浅变迁河段河床比降较大，一般在1.0%以上。洪水流量不大，在特大洪水时，多为300～500 m³/s。在一般洪水时，水流多以股流形式存在，单宽流量一般为2～3 m³/（s·m），特大洪水时，超过4 m³/（s·m）。悬移质月平均含沙量不大，但在洪水期，床面的细沙都可被悬浮入输移，悬移质含沙量是月平均含沙量的几倍、几十倍甚至上百倍。河床组成的颗粒较粗，级配较宽，由细沙、砾石、卵石直至漂石组成，非均匀系数一般为3～10，个别河段超过30。

②采用乒乓球模拟颗粒排列紧密的大比降河床，通过流速分布试验确定内流河宽浅变迁河段的小尺度粗糙临界值。对于颗粒排列紧密的大比降河床，相对光滑度H/K_s＞1.9时，垂线流速服从对数分布规律较好；H/K_s＜1.9时，粗颗粒的形状对水面产生明显影响，小尺度粗糙的临界值可确定为2。通过试验研究得到颗粒排列紧密的大比降河床垂线流速分布公式：

③通过流速分布试验确定的定床阻力与通过大比降粗颗粒的泥沙起动所确定的定床阻力相比较，尽管2次的试验方法不同，其结果却吻合较好。

④以7 m宽水槽动床阻力试验为基础，结合Shen（1962年），Vanoni＆Nomicos（1960年），Simons＆Richardson（1961年），Einstein（1952年）的水槽试验资料和呼图壁河的实测资料，系统分析了动床沙波阻力的计算问题。

按照当量糙度法分析水槽试验结果和呼图壁河现场实测资料，确定大比降卵砾石河床的动床阻力为：

按照Einstein法综合分析所有资料表明，当相对光滑度H/D₆₅≤150时，沙波阻力与H/D₆₅关系较为明显。通过对所有资料的回归分析，得出了以H/D₆₅为参数的沙波阻力计算公式：

其中　

⑤分析现有各种起动标准，通过粗颗粒起动判别试验确定其判别标准为：受到“嵌套”作用的粗颗粒泥沙起动后的运动形式属于接触质运动，用Taylor（1971年）提出无量纲单宽输沙率起动标准作为判别标准。

⑥根据大比降粗颗粒泥沙的受力状态，采用滚动模式进行理论推导，考虑了底部流速、阻力系数、斜坡上自重分力的影响，推导出了大比降均匀粗颗粒泥沙的起动拖曳力公式，该公式与沙粒雷诺数无关，与弗劳德数有关。通过水槽试验，拟合大比降均匀粗颗粒泥沙起动拖曳力公式：

⑦根据Ackres＆White推移质公式的推导原理，结合变坡水槽试验数据，得出适合内流河宽浅变迁河段的Ackres＆White输沙率修正公式：