黄河的高含沙水流问题清 华大 学 水利 系 钱 宁水电部第十一工程局 万兆蕙黄河水利科学研究所 钱意颖摘高含沙水流一般属于二相水流, 液相为清水与细颗粒泥沙组成的浑水, 固相则为粗颗粒泥沙 粗、 细泥沙的分界粒径因含沙量的增大而加大, 当含沙量超过某一临界值时, 整个水流转化成为均一的一相浑水 物质组成越细, 这个临界含沙量越小高含沙水流可按宾汉体处理, 其粘滞性远较清水为大 在流速和水深还相当大时, 就有可能从紊流过渡为层流流动紊流型二相高含沙水流具有对数流速分布, 阻力损失系数接近或略小于清水水流, 泥沙运动以悬移为主, 含沙量垂线分布遵循扩散定律 进入层流区后, 阻力损失迅速递增, 且具有高度的不稳定性, 会出现滚波性质的阵流现象高含沙水流的冲刷能力较清水水流为大, 高含沙洪峰通过时,会引起河床的大幅度下降null当作用在床面上的剪切力小于宾汉极限剪力时, 泥沙堵塞河床, 水流不复流动 高含沙水流的这种剧烈冲淤现象, 将在防洪上带来一系列的问题我国黄河流域河流含沙量之高世界无出其右, 一些支流的年平均含沙量接近五百公斤null立米, 最大含沙量有达到一千五、 六百公斤null立米的。
高含沙水流的存在一方面使这些河流在生产上具有不同于一般河流的特殊矛盾, 另一方面, 在运动机理上, 也与一般挟沙水流有所不同 本文试图对近年来有关高含沙水流的研究成果进行一个初步的总结 限于资料的局限性和作者的水平, 有些环节还不能作出明确的结论, 许多看法只是作为探索性提出来的概况及在生产中带来的问题我国西北地区河流中出现高含沙水流的次数十分频繁, 其中自沙漠区来的洪水含沙量都比较低, 只有当黄土地区有暴雨时, 才会形成高含沙洪水 这样的高含沙水流以粘土及细粉砂为骨架, 反而较沙漠地区来水能够挟带更多的粗颗粒泥沙西北地区的黄土是由西向东和由北向南逐渐变细的 流域内泥沙越粗, 水流所挟带的极限含沙量越大 对于同一个地区或同一条河流来说, 同样表现为含沙量越大, 挟带的泥沙也越粗 图 null 为无定河丁家沟站及渭河南河川站含沙量与泥沙中值粒径的关系〔‘’ 当含沙量增大时, 水流中所挟带的粗颗粒泥沙的比例增大, 使泥沙的中值粒径也相应上升 所有这些,和一般挟沙水流都是迥然不同的本文nullnullnull null年nullnull月收到null 清 华 大 学 学 报从现有资料来看, 我国黄河流域高含沙水流的最大含沙量可以取null , nullnull 公斤null立米, 相当于含沙量体积百分比null null null null , 重量百分比null null 。
null nullnullnullnullnullnull 卞侧蜘兴糊必架理气null节nullnull 二多一渭河南河川站广nullnullnull nullnull nullnull null null null null nullnull nullnull nullnull nullnull含沙量, 公斤null 立米图 null 高含沙水流所挟带的泥沙的中值粒径与含沙量的关系高含沙水流常常伴随着剧烈的冲淤现象 在黄河干流的义门、 龙门及渭河下游的临渣一带, 当通过高含沙大洪峰时, 有时可以看到成块成片的河床淤积物被掀起露出水面, 一次洪峰可以将河床刷深几米乃至近十米, 当地群众称之为 “揭河底” 图 null 是龙门站nullnull null 年发生“揭河底” 时的水沙因素和河床高程的变化过程, 可以看出, 洪峰过后, 河床平均高程降低了九米 在另一方面, 在黄土沟壑地区的一些小支流上, 在高含沙洪峰的落水过程中, 有时又会出现一河水流忽然 “冻住” 而停止流动, 当地群众称这一现象为 “浆河” null null null null年 null 月初黄河下游出现一次高含沙洪峰, 小浪底的最大含沙量达到 nullnull 公斤null立米, 在洪峰通过期间,出现了异常水位涨落现象。
花园口以上有近百公里河段, 在洪峰涨水过程中沿河水位突然降落null null null至null null null米, 几小时后水位又在一个半小时内陡涨null null null 米 null见图 null 驾部的水位变化null 尽管没有支流加水, 洪峰在向下游传递的过程中, 洪峰流量不仅没有因槽蓄而削减, 反而有所增大, 下游站的洪峰流量为上游站的null null null倍, 对防汛威胁很大 水位的这一异常升降可能是高含沙水流在滩地上停滞, 随后又恢复流动所引起的高含沙水流通过水库时, 由于泥沙的沉速很小, 即使在奎水的条件下, 水流仍有相当大的挟沙能力, 可以维持较高的排沙比 表 null 为三门峡水库null null 年三次高含沙洪峰中的排沙情况 可以看出, 尽管坝前水位奎高十几米, 水深达三十多米, 相应的库容也很大, 坝前null 公里河段的比降只有万分之一, 但高含沙洪峰通过后库区并没有淤积, 甚至还略有冲刷, 出库最大含沙量接近或甚至略大于进库含沙量黄河的高含沙水流 问题 null习翻妞长盆钾眯给卜夏袱于套线念如袒叹的珠卜工困资察哟如今喇 null心七null侧兴nullnull口,叹null厂丫 咧 null了null 口户口‘ null冲null 禹 null null null null null null null null null null null ‘“null null null一厂 七null null 才气一、 认 火、 nullnull 声 nullnull ’null了 又null null一汉署身舟招润解喇 null侧兴null鑫null 举翔长书‘带下 解希长书 null书null 铭区。
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一种是以细粉砂及粘土等细颗粒物质为主的高含沙水流 这样的水流具有非牛顿体的性质, 一般可以看成是宾汉体 随着含沙量的增大, 泥沙颗粒之间很快形成絮凝结构, 粘性急剧增加, 颗粒在沉降过程中不因粒径的不同发生分选, 而是作为一个整体, 以清浑水交界面的形式缓慢下沉, 其沉速较单颗粒泥沙的沉速可以小好几百倍至上千倍 事实上整个水流已成为一种均一的、 一相的浑水 只要水流具有足够的坡降和压差, 能够克服阻力损失, 就可以维持流动, 不存在一般意义上所说的挟沙能力问题 当床面的最大剪切力小于浑水的宾汉极限剪力时, 整个流动就会停滞下来, 出现所谓 “浆河现象” 另一种是以细砂以上的粗颗粒物质为主的高含沙水流 在没有细颗粒物质作为骨架的情况下, 这样的水流依然保持牛顿体的性质 水流的粘性和泥沙的沉速虽因含沙量的增大而减小, 但减小的程度要比前一种情况为小 粗颗粒泥沙在沉降过程中存在分选, 整个水流属于二相的挟沙水流范畴, 泥沙以推移和悬移的形式运动, 其中悬移质的垂线分布遵循扩散定律,只是因为泥沙沉速的减小, 含沙量垂线分布的梯度显得较小 随着含沙量的增大, 紊动强度不断减弱, 颗粒与颗粒之间因剪切运动而产生的离散力变得越来越重要, 最后null 紊流转化为层流, 整个泥沙的重量由离散力支持, 含沙量在垂线的分布变得十分均匀〔“’。
当粒间的距离小到不足以使泥沙和水作为一个整体继续维持流动时, 也会出现 “浆河” 西北地区的高含沙水流就其性质来说介于上述两种极端的情况之间 这样的水流既有细颗粒物质作为骨架, 又含有一定数量的粗颖粒泥沙 在含沙量增大到一定程度以后, 细颗粒泥沙形成絮凝结构, 和清水组成一相的浑水, 粗颗粒泥沙则在浑水中自由下沉 整个水流依黄河 的高含沙水流问题然保持二相挟沙水流的特点, 只不过组成液相的不是清水, 而是清水与细颗粒泥沙组成的浑水 随着含沙量的继续增大, 越来越多的粗颗粒物质参加絮凝结构, 成为浑水体系的一个组成部分 当含沙量超过某一临界值时, 整个水流转化成为均一的一相浑水 物质组成越粗,·这个临界含沙量也越大三、 物 理 性 质null null 流体的粘性对于清水水流来说, 剪切力 , 与变形速度 null null null null 之间成线性相关null, null 介 null null null null null null null null其中null 为距床面null处的流速, 产为水的粘滞系数 遵循这样的规律的流体称为牛顿体西北地区的高含沙水流已经不是牛顿体 作为粗略的近似, 可以看成是宾汉体或伪塑性体, 它们的流变方程分别为null, null null 。
null 刃 null null null null null nullnull null及, null null nullnull null null null nullnull, nullnull null其中 null null 为宾汉极限剪力, 刃为刚性系数, null 为稠度系数, null 为小于 null 的指数 从实验资料来看,刃null拜null nullnull 一 null null , null一么· nullnull null 群null null null null · null null ,nullnull nullnullnull null及, null null null票 nullnull null式中null , 为体积比含沙量, null 为与泥沙组成有关的系数, null 对于郑州黄土来说等于null null null式nullnull null及nullnull null的共同特点是null null 。