水利工程論文-河床孤石對(duì)溝槽輸移能力的影響.doc

水利工程論文-河床孤石對(duì)溝槽輸移能力的影響摘要：通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析了河床孤石對(duì)泥石流溝槽輸移能力的影響，據(jù)此歸納和推導(dǎo)出了相關(guān)的數(shù)學(xué)計(jì)算公式。關(guān)鍵詞：河床孤石泥石流輸移能力1概述盡管山區(qū)天然河床千姿百態(tài)，但從河床的組成上來(lái)分析，不外乎有以下三種情況：1.完全松散顆粒體組成的可動(dòng)沖積河床；2.多有基巖出露、跌水陡坎組成的固定河床；3.部分動(dòng)床、部分基巖出露或大孤石構(gòu)成的局部可動(dòng)河床。泥石流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可動(dòng)沖積河床隨下泄的泥石流濃度超過(guò)或小于河床輸移能力而發(fā)生沉積或沖刷，起著調(diào)節(jié)作用。當(dāng)濃度超過(guò)輸移能力時(shí)，床面發(fā)生沉積。沉積床面的組成必與泥石流體內(nèi)的顆粒組成相同。反之，床面就會(huì)發(fā)生沖刷侵蝕。在侵蝕過(guò)程中，如果河床下伏有基巖或存在水流不能推移的大孤石、漂石時(shí)它們將能抵抗水流的侵蝕而成為固定床面或局部固定床面。因此，基巖孤石的裸露現(xiàn)象是反映了該河段近期處于侵蝕狀態(tài)，泥石流濃度小于該段河床的輸移能力。因此，在根據(jù)溝床的縱坡與漿體的濃度來(lái)計(jì)算泥石流濃度時(shí)，要考慮這一現(xiàn)象對(duì)濃度計(jì)算值的折減，為了能定量地計(jì)算折減程度，還進(jìn)行了專門的試驗(yàn)。2試驗(yàn)設(shè)備及方法試驗(yàn)是在自行設(shè)計(jì)安裝的高濃度陡坡泥石流實(shí)驗(yàn)槽上進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)槽長(zhǎng)12m，寬0.20m，最大縱坡25。該系統(tǒng)的泥石流模擬體的輸送供給，采用固液兩相分別輸送到試驗(yàn)槽入口處再行混合而成模擬體的方式。因此，泥石流模擬體的濃度與流量可以自由調(diào)節(jié)，并能保證恒定的連續(xù)供給。試驗(yàn)采用天然砂，濕容重(指顆粒在水中自由浸泡48小時(shí)后的重量與其體積之比值)=2.72t/m3，平均粒徑d=9.42mm，顆粒水下休止角=36.3，極限體積濃度C*=0.548。試驗(yàn)用比該砂粒徑大1020倍的石塊來(lái)模擬孤石覆蓋。并以6級(jí)不同覆蓋面積比率均勻鋪設(shè)在槽底上，然后施放泥石流模擬體進(jìn)行試驗(yàn)。調(diào)節(jié)模擬體的濃度，使得孤石剛好裸露但又仍保持穩(wěn)定覆蓋作用時(shí)止，此時(shí)測(cè)定的輸移濃度Ct即為該覆蓋率下的輸移濃度，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)其折減程度又隨河床縱坡而變。因此，分別以11，13，15，17四種不同縱坡進(jìn)行了48次覆蓋率輸移濃度試驗(yàn)。3試驗(yàn)結(jié)果及分析將試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制于圖1。從圖中可以看出，各種相同縱坡條件下輸移濃度隨覆蓋率PC增長(zhǎng)而減小。各種不同覆蓋率下的輸移濃度Ct與其相同縱坡時(shí)無(wú)孤石覆蓋的輸移濃度Ct的比即為孤石覆蓋折減系數(shù)Kc。將上述條件測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸處理，得到以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系Kc=Ct/Ct=1-1.05tan1/5Pc1/2(1)圖1輸移濃度和孤石覆蓋率的關(guān)系Relationbetweentransportconcentrationandcoveredrateofisolatedstone3試驗(yàn)結(jié)果及分析將試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制于圖1。從圖中可以看出，各種相同縱坡條件下輸移濃度隨覆蓋率PC增長(zhǎng)而減小。各種不同覆蓋率下的輸移濃度Ct與其相同縱坡時(shí)無(wú)孤石覆蓋的輸移濃度Ct的比即為孤石覆蓋折減系數(shù)Kc。將上述條件測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸處理，得到以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系Kc=Ct/Ct=1-1.05tan1/5Pc1/2(1)式中河床縱坡，Pc孤石總面積占分布河槽面積的比例。4輸移能力的濃度式推導(dǎo)高橋保根據(jù)顆粒離散力的概念和床面抗切力與流動(dòng)體作用切力相平衡為條件，導(dǎo)出了松散可動(dòng)床面上的水石流的均衡體積濃度式為1Cv=tan/(-)(tan-tan)(2)式中、分別為水和顆粒的密度，為顆粒內(nèi)摩擦角，為河床縱坡。式(2)表明Cv只與、和有關(guān)，而與流動(dòng)的規(guī)模、流深無(wú)關(guān)。根據(jù)沈壽長(zhǎng)等人提出的泥石流簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模式2，即把組成復(fù)雜的泥石流體劃分為兩個(gè)主要組成部分：一部分是由水同細(xì)顆粒相混合構(gòu)成的在運(yùn)動(dòng)中不相分離的漿體；另一部分是扣除漿體內(nèi)的顆粒后剩下的粗顆粒部分，則式(2)同樣適用于粘性泥石流運(yùn)動(dòng)，此時(shí)(2)式可改寫(xiě)為Cc=ftan/(-f)(tan-tan)(3)即所計(jì)算得濃度值Cv改寫(xiě)成為泥石流體中粗顆粒部分的濃度Cc，把等式右邊的液相密度改寫(xiě)成為漿體密度f(wàn)。泥石流體內(nèi)固體物質(zhì)總濃度應(yīng)為粗顆粒濃度Cc與漿體中的細(xì)顆粒濃度Cf之和。細(xì)顆粒濃度Cf與漿體密度f(wàn)之間應(yīng)有如下關(guān)系Cf=(f-)/(-)(4)取溝槽內(nèi)單位長(zhǎng)度的泥石流體，設(shè)細(xì)顆粒體積為V2，粗顆粒體積為V3，液體體積為V1。那么Cf=V2/(V1+V2),Cc=V3/(V1+V2+V3)Ct=(V2+V3)/(V1+V2+V3)=V3/(V1+V2+V3)+(V1+V2+V3-V3)/(V1+V2+V3)V2/(V1+V2)=Cc+(1-Cc)CfCt=Cc+(1-Cc)Cf(5)將(3)、(4)代入(5)式，得Ct=tan+(f-)tan/(-)(tan-tan)(6)式(6)在水石流情況時(shí)，即f=，就與(2)式完全一致，式(6)還表明，泥石流的濃度隨漿體密度增大而增大，反過(guò)來(lái)說(shuō)，在一定的漿體密度條件下，濃度Ct主要由河床縱坡tan決定?？紤]到折減系數(shù)Kc后，泥石流總濃度的表達(dá)式(6)將演變?yōu)镃t=Kcftan+(f-)(tan-tan)/(-)(tan-tan)(7)5結(jié)論泥石流濃度表達(dá)式(7)可用作流量計(jì)算中的濃度計(jì)算式。式(1)可以用來(lái)估算河床上孤石、基巖覆蓋率對(duì)河床輸移能力的折減程度，但在應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意到流域產(chǎn)沙量在豐枯水期間的變化。河床侵蝕孤石裸露現(xiàn)象既可以是大洪水、泥石流過(guò)程造成，也可以常水或洪水后尾水造成。因此，為了合理計(jì)算流量值，只有對(duì)于那些處在衰退狀態(tài)的泥石流溝才考慮此折減。對(duì)于發(fā)展期、旺盛期的泥石流溝則不宜折減，以免與特大泥