工程泥沙问题研究综述

工程泥沙问题研究综述工程泥沙问题可以简单的定义为受人类活动影响而发生河床或海床变形及有别于自然情况下的泥沙问题。

在实际工程中对泥沙研究目的主要是认识水流中的泥沙运动规律、河床演变规律,进而解决水利工程中的泥沙问题。

研究方向主要分为河流航道工程泥沙问题和海岸工程泥沙问题两大类，其中河流泥沙研究起步较早，而海岸工程泥沙问题是由前者衍生而来的一门新的分支学科，早在公元前256年的战国末期,当时李冰父子在修建都江堰工程时巧妙地利用了水流泥沙运动规律,工程布局完全符合现代泥沙运动力学原理,使都江堰工程至今已经成功运行至今。

泥沙运动涉及侵蚀、输运、沉积等地貌过程，各种过程涉及的时空尺度变化范围极大。

在一些情况下必须考虑地质构造的上升、下降等大尺度、长时期的过程，有时又必须考虑泥沙起动、悬移等微尺度和瞬时的过程。

正是由于这些特点，河流泥沙研究包含了从宏观到微观多方面的物理现象，因而尽管国内外在河道治理方面不乏成功的例子,但是泥沙学科体系的建立还是20世纪的事情。

19世纪末期,法国的DuBoys第一次提出推移质运动的拖曳力理论。

泥沙学科研究初期，Gilbert在20世纪初通过水槽试验研究推移质泥沙的运动规律,最早建立了推移质运动的模式和计算公式。

Rouse等在20世纪30年代初类比分子扩散理论,导出了著名的悬移质泥沙浓度分布公式,至今还在广泛应用。

而后Einstein、Bagnold、Engelund 等人奠定了泥沙学科的基石Einstein首创用统计方法研究悬移质输沙率和推移质输沙率,导出泥沙挟沙力的计算公式。

特别突出的是能进行非均匀输沙的计算。

此外,Einstein还定义了冲泻质和床沙质的概念,提出了冲积河流阻力划分与计算方法。

Bagnold注重泥沙运动的物理本质,用基本物理概念和物理过程描述方法来研究泥沙运动规律,所建立的推移质输沙率、悬移质输沙率计算公式,物理概念明确、理论分析合理,具有较好的计算精度。

特别是关于颗粒作用的同心圆筒试验研究,揭示了随着颗粒浓度的增加逐步从粘性作用转向惯性(碰撞)作用的机理,深刻地揭示了颗粒作用的实质。

这一试验成果不仅对泥沙研究起到了重要的推进作用,而且也是80年代兴起的快速颗粒流研究的基础。

Bagnold提出的颗粒的惯性力与粘性力之比被称之为拜格诺数(Bagnold Number)。

在我国,张瑞瑾、沙玉清、钱宁等老一代科学家为泥沙学科的发展奠定了基础，在理论研究上取得了国际领先水平的成果;在应用上成功地解决了许多重大工程泥沙问题,如长江葛洲坝工程、三峡工程和黄河小浪底工程中的泥沙问题。

1河流泥沙动力学研究基础河流泥沙研究包含了从宏观到微观多方面的物理现象，可将泥沙基本理论分为泥沙运动力学和河床演变学。

河流泥沙动力学的研究范畴包括：泥沙颗粒的基本性质、泥沙起动与沉降、河道水流特性以及泥沙对水流的影响、水流与泥沙输移机理及其定量描述等。

但这种规律性认识大部分只具有定性性质，人们对河床演变过程的认识，通常是从野外实际查勘及观测开始的，对资料的综合分析使人们逐步形成了对具体河段和整个河流以至不同河流之间河床演变现象的规律性认识，河流模拟是在对微观水流、泥沙运动深入认识基础上，建立描述水沙运动及河床变形的控制方程，从而模拟出宏观河床变形随时间的发展。

1.1基本理论1.1.1 泥沙的沉降特性泥沙在水体中的沉降速度是研究挟沙水流运动特性的基础。

基于Stokes关于圆球颗粒在无限水体中运动的水流阻力公式,张瑞瑾、窦国仁、冈恰洛夫、沙玉清等学者对泥沙沉降规律都进行过深入的研究。

张瑞瑾(1961)、窦国仁(1963)采用阻力叠加原则,导出单颗粒泥沙在滞流区、过渡区、紊流区的统一沉速公式。

特别是窦国仁关于圆球绕流在过渡区阻力的理论分析,拓宽了Stokes的理论。

相对而言,单颗泥沙在静水中的沉降特性已基本明确,而群体颗粒的沉降规律相当复杂,对其沉降规律还认识不透。

1.1.2 泥沙的起动特性泥沙起动是泥沙运动理论中最基本的问题之一,也是研究工程泥沙问题时首先遇到的问题。

早在19世纪就提出了泥沙起动的概念,20世纪初开始了系统的研究,至今仍在继续。

从力学角度分析,所谓泥沙起动就是床面上的泥沙在一定的水流条件作用下,静平衡状态被破坏,由原来的静止变为运动状态的力学过程。

一般而言,泥沙颗粒在起动时主要受到水下重力、水流的正面推力与上举力、以及颗粒间摩擦力和粘结力(或吸力)的作用。

通常用起动流速或起动切应力表示泥沙的起动条件。

1.1.3 挟沙水流运动特性挟沙水流运动特性研究包括泥沙浓度分布、流速分布、紊动特性等方面的内容,是河流泥沙研究的基础课题，Rouse首先引入扩散理论导出浓度分布公式,开创了理论研究的先河,至今已经提出了多种不同的理论模型。

除了泥沙浓度分布的扩散理论外,Velikanov提出的重力理论揭示出泥沙运动的能量耗散图景。

倪晋仁从理论上揭示无论采用扩散理论、能量理论、混合理论、相似理论及随机理论,在求解悬移质浓度分布公式时都能归化为扩散方程的简单形式,而且通过对掺混长度及紊流特性的研究提出泥沙浓度分布公式的统一模式,使得著名的Rouse(1937,1938)、Velikanov(1958)、Laursen(1958,1980)、Hunt(1954)、Tanaka(1958)、Lane-Kalinske(1941)等公式都成为特例。

倪晋仁、王光谦(1991)提出浓度分布存在两种典型类型,即传统的浓度上小下大的Ⅱ型与最大浓度不出现在底部的Ⅰ型。

过去关于浓度分布的研究都是针对Ⅱ型的;一些试验成果曾揭示出Ⅰ型分布,但是没有从机理和理论上分析。

针对Ⅰ型浓度分布存在的事实,首先从水流脉动特性分析该种类型分布的力学机理;进一步类比气体分子运动论,从Boltzmann方程出发导出能够描述Ⅰ型分布的浓度公式,并预测最大浓度位置出现在泥沙颗粒重力与升力相等之处。

1.1.4 推移质运动规律推移质运动理论从研究方法上划分,存在着不同流派,如以试验资料为基础的Meyer-Peter(1934,1948)公式、以物理学概念和力学分析为基础的Bagnold(1966)公式、以概率论和力学分析相结合的Einstein(1950)公式以及结合Einstein或Bagnold的某些概念并辅以量纲分析、实测资料适线等的Engelund(1967)、Yalin(1972)、Ackers and White(1973)等公式。

钱宁对几家著名的推移质计算公式进行了归纳、分析、比较。

近期的试验研究则详细揭示了推移质颗粒运动轨迹的过程信息,获得了推移质运动的力学和统计特性(胡春宏,1995)。

这些工作为均匀推移质运动规律的研究奠定了理论基础。

在非均匀推移质输沙率研究方面,一是采用代表粒径计算总的输沙率;二是分不同的粒径级分别计算出各级粒径的输沙率。

韩其为(1984)开展泥沙运动统计理论研究,得出非均匀沙运动统计规律;近期对推移质运动的七个理论问题进行深入探索(2004)。

窦国仁(1960)用平均流速为主要指标导出均匀沙的推移质输沙率公式应用也较广泛,随后又作了部分修正,使公式更完善。

1.1.5 水流挟沙力挟沙力反映了水流挟带悬移质和推移质的能力,一般仅考虑水流挟带悬移质中床沙质的能力。

关于水流挟沙力已从不同理论和假设进行了大量研究,取得了丰富的研究成果。

张瑞瑾(1961)整理了大量的长江、黄河、渠道及水槽实验资料后,在/制紊假说0的指导下,得到了广泛应用的悬移质挟沙力公式。

钱宁(1983)在专著中总结了Einstein、Bagnold、Engelund and Hansen、Ackers and White、张瑞瑾、沙玉清等公式。

其中张瑞瑾公式既有一定的理论基础,又考虑经验修正,体现了对泥沙运动基本问题的研究特色。

郭俊克(Guo 2002)应用对数匹配法将这一挟沙力公式表达为显式形式,使得其应用比较方便。

除了钱宁总结的代表性成果外,后来的进展主要表现在对前人工作的改进和用实测资料的修正。

70年代,窦国仁从能量观点出发,导出了悬移质全沙的水流挟沙力公式,利用长江和黄河各水文站测验资料及水槽资料验证,并应用于葛洲坝工程坝区泥沙模型设计。

杨志达(1973)从单位水流功率的理论模式入手,建立了包括沙质推移质在内的水流挟沙力公式。

王士强(1992)从推移质输沙率分析入手,结合悬沙沿垂线分布公式,由此得到悬移质水流挟沙力公式。

目前对均匀沙的挟沙力研究成果丰富,因而人们常用均匀沙的方法来处理非均匀沙问题。

影响非均匀沙挟沙力的因素一般为水流条件、床沙条件和来沙条件。

1.1.6非平衡输沙窦国仁(1963)分析了非平衡输沙机理,在苏联早期研究成果的基础上提出了初步的理论体系。

长江水利水电科学研究院、韩其为(1979)深入研究了非平衡输沙问题,给出了恒定流条件下一维非均匀流含沙量沿程变化的解析解,以及明显淤积与明显冲刷条件下悬移质级配与床沙级配的变化方程。

关于非平衡泥沙扩散过程的理论研究,侯晖昌(1982)、Hjelmfelt and Lenau(1970),张启舜(1980)等作了深入细致的研究,对冲刷过程中含沙量沿程恢复问题和淤积过程中含沙量沿程递减问题进行了理论分析,得出的结果至今还有指导意义。

目前国外关于泥沙数学模型,大部分还是采用平衡输沙的概念。

这对于卵石推移质为主的少沙和粗沙河流,由于悬移质含量少,河床调整速度快,还可近似采用。

而对于多沙河流,河床调整速度慢,影响距离长,平衡输沙理论将产生较大误差,必须用非平衡输沙理论描述。

1.1.7 异重流运动理论范家骅对异重流运动理论与试验进行了系统的研究。

在第一次河流泥沙国际学术讨论会上,范家骅、吴德一等人提交了浑水异重流实验研究及其应用的成果,介绍了浑水异重流试验研究结果,以及应用于水库异重流排沙估算,沉沙池和引航道淤积计算等问题。

利用异重流运动方程,推导出异重流阻力系数,利用室内水槽进行异重流阻力系数试验。

在水槽试验中观察浑水自明渠流过渡到异重流的情况,得出潜入点处的密度弗氏数为0.78。

通过试验研究了异重流通过孔口的情况,给出了浑水异重流二元(三元)孔口出流的试验结果和计算公式。

1.2河流模拟技术研究河流模拟包括实体模型与数值模型两大类，前者主要基于相似理论，后者则以水沙运动及河床变形方程为依据。

1.2.1 实体模型研究在实体模型方面。

自20世纪50年代我国开始从国外引入模型相似理论，随后我国学者在模型比尺变态、模型沙选取、宽级配非均匀沙沙模拟、泥沙起动相似、沉降相似等方面不断提出了新的理论和方法，形成了一整套河工模型的相似理论、设计方法和实验技术。

针对高含沙河流水沙运动和河床变形的特点，高含沙水流模型相似律和相似技术不断改进。

几十年来，河工模型试验在黄河三门峡工程与小浪底工程、长江葛洲坝工程与三峡工程、以及其他大江大河的河道整治工程中发挥了重要作用，积累了丰富经验。