1、第25卷第3期水力發(fā)電學報Vol.25No.32006年6月JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERINGJun.，2006卵石河流的時均流速和懸沙濃度垂線分布鄭鈞'，張超-李萬友2,王興奎I(1.清華大學水沙科學教育部重點實驗室，北京100084；2.四川省都江堰管理局，四川省都江堰市611830)摘要：在我國西南地區(qū)的沙卵石河流上修建水電站時，合理布設(shè)各進水口以防止淤堵和粗泥沙過機至關(guān)重要，其控制參數(shù)為水流的時均流速和懸移質(zhì)濃度的垂線分布。本文根據(jù)都江堰二王廟站的實測資料，分析了時均流速和懸羅質(zhì)濃度沿垂線的分布，主要結(jié)論為：時均流速符合對數(shù)分布公式，卡門常數(shù)的平

2、均值為0.40,當采用K,=1.75DW時，積分常數(shù)3=8.54。懸移質(zhì)泥沙的垂線分布符合Rouse公式，懸浮指數(shù)與理論值基本一致。關(guān)鍵詞：河流動力學；卵石河流；流速分布；濃度分布中圖分類號：TV143文獻標識碼：ATheverticaldistributionsofmeanvelocityandsuspendedsedimentconcentrationingravel一bedriversZHENGJun1,ZHANGChao1,LIWanyou2andWANGXingkui1(1.TheKeyLaboratoryofWaterandSedimentSciencesoftheMinistry

3、ofEducation,TsinghuaUniversity,Beijing100084;2.DujiangyanAdministrationofSichuanProvince,DujiangyanCity,SichuanProvince611830)Abstract:Whenbuildinghydropowerstationsongravel-bedriversinSouth-WestChina,itiscriticallyimportanttolaythewaterintakesproperlytopreventsiltingandcoarseparticlesfromtheturbine

4、.Thecontrollingparametersfortheintakesaretheverticaldistributionsofmeanvelocityandsuspendedsedimentconcentration.ThesetwoparametersbasedonthemeasureddatafromEruangmiaostationofDujiangyanreachareanalyzed,itisconcludedthatthemeanvelocitydistributionisconsistentwiththelogarithmiclaw;themeanvalueofKarma

5、nconstantis0.40;WhentakingtheroughheightK,=1.15Dn,theintegralconstantB=8.54;theverticaldistributionofsuspendedsedimentconcentrationisconsistentwithRouseequation,thesuspendingexponentisbasicallyagreedwiththetheoreticalvalue.Keywords：rivermechanics;gravel-bedrivers;velocitydistribution;concentrationdi

6、stribution1概述我國西南地區(qū)的山區(qū)河流坡陡流急，挾帶大量的沙卵石泥沙，是干流河道泥沙的主要來源。三峽水庫的泥沙主要來源于上游山區(qū)，其中影響最大的卵石推移質(zhì)主要產(chǎn)生于坡降大的溝道和支流。對山區(qū)河流的開發(fā)受到山區(qū)河流輸移的大量沙卵石的制約.美嘴電站多年運行后，水庫的興利庫容已大部分淤積了沙卵石，成為徑流式電站。長期以來.人們對山區(qū)河流的水流泥沙輸移特性進行了大量的研究。Meyer-Peter從1920年開始研究萊茵河上游阿爾匹斯山區(qū)河流泥沙運動和河道演變的規(guī)律，1927年建立專門實驗室，進行了長達二十兒年的研究，提出了著名的Meyer-Peter推移質(zhì)輸沙率公式”。近年來，由于山區(qū)泥石流

7、等自然災害頻繁發(fā)生，大量的泥沙淤塞水庫、沖毀堤壩，經(jīng)常對人民的生命財產(chǎn)造成嚴重威脅，所以很多學者更加關(guān)注這方面的問題，開展山區(qū)卵石河床的變化規(guī)律及水流泥沙運動特性的研究。國外已有較多的成果,Rennie12等人采用超聲傳感器直接測量卵石推移質(zhì)的運動速度，并以此計算輸沙率McNamara和Borden15則是采用植入式運動傳感器測量卵石的運動。Boer4收福日期：2005-11-03基金項目：國家自然科學基金資助項目(50579032.50221903)作者簡介：鄭鈞(1982).男.博士研究生第3期鄭鈞等：卵石河流的時均流速和懸沙濃度垂線分布33等人系統(tǒng)介紹了加拿大近年來有關(guān)河流動力學和河道沖

8、淤過程的研究成果。Lawless和Robert通過在水槽底部鋪設(shè)卵石簇的實驗獲得了高分辨率的三維流場并研究了卵石對水流特性的影響；他們還通過水槽實驗模擬夭然河流的糙率特點，最測了床面垂向速度分布們。受到測最技術(shù)的制約，國內(nèi)相關(guān)的研究成果還不多。岷江都江堰河段屬于西南地區(qū)典型的山區(qū)性河流，河床上的卵石最大直徑超過500mm,河床多為卵石組成,幾乎沒有細沙，說明推移質(zhì)泥沙和懸移質(zhì)泥沙在運動過程中沒有交換，懸移質(zhì)基本以沖瀉質(zhì)的形式輸移。對于這種特殊的水沙運動特性，在室內(nèi)實驗室很難進行模擬試驗。只有進行原型的實際最測。都江堰二王廟水文站1986年在內(nèi)江測站進行了流速和含沙濃度垂線分布的測量，本文分析了

9、9組數(shù)據(jù)完善的資料，研究了時均流速和懸移質(zhì)含沙濃度沿垂線的分布規(guī)律。2基本資料二王廟水文站1986年實測的資料包括9組數(shù)據(jù)的測最時間、測線位置和水深，以及沿垂線7個點的時均流速和濃度值。基本資料見表lo«1二王廟水文站1986年實測資料Table1FielddataofErwangmiaohydrologystationin1986組次i23456789平均水深/m3.043.003.083.163.023.182.952.763.08平均流速/(ms-')2.422.382.472.532.352.382.472.472.582.47水面平均比降/%0.1970.1950J

10、970.1960.1970.1950.1950.1870.200摩阻流速0.2420.2390.2440.2460.2410.2470.2370.2250.246卡門常數(shù)"回歸值0.4040.4160.4220.3800.4170.4100.3970.3760.3740.400積分常數(shù)B回歸值17.558.227.487.34懸浮指數(shù)回歸值Z.0.1160.0510.1380.0970.0550.0960.1190.0990.0620.092懸浮指數(shù)理論倪Z,0.0940.0930.0900.0990.0920.0910.0980.109

11、0.1000.096參考濃度C./(kgm-)0.2460.2490.3920.6221.17i.261.531.28i.281974年至1990年間，有9年測量了同時水面線，根據(jù)內(nèi)江。005.尾、二中尺、金洞子和21#斷面的水位回歸計算，得出四個i面的平均水面比降，再與流最相關(guān)，結(jié)果見圖lo水面比降0004流量的關(guān)系為：V0003L=0.00112+0.00000225(?(1)中：人為水面比降；。為流量。根據(jù)測量時間從該站的逐日。碩與流量表查出相應的流值后，即可用(D式計算相應的水面AAA1coOjx4c4oQrj°occL(JUU1康。摩阻流速為：CU=/ghj.(2)Eh為測

12、線的水深。內(nèi)江河段的河床質(zhì)和懸移質(zhì)級配見表2。河床質(zhì)代表粒FigJ2004006008001000J2001400圖1內(nèi)江河段水面比降ThewatersurfaceslopeinNeijiaiigreach)5o=128.1mm,D65=168.2mm.懸移質(zhì)的代表粒徑。皿=0.104mmo*2內(nèi)江河段床沙質(zhì)和懸移質(zhì)級配TaNe2ThesizedistributionofbedmaterialloadandsuspendedloadinNe|jiangreach床質(zhì)D/mrn5103050100200300400500P/%8.210.814.120.599.4100移

13、質(zhì)DImm0.0050.0100.0200.0400.0800.1000.1500.2000.3001.00PI%3.434.698.1717.741.749.557.361.269.3100.0寸均流速分布f天然河流的時均流速垂線分布，常采用對數(shù)流速公式或指數(shù)流速公式來描述，但都有兩個待定參數(shù)。本女t數(shù)流速公式：34水力發(fā)電學報2006年=-Ln+BU.KLK,式中：u為測點時均流速，'為離床面的高度M為卡門常數(shù)，K,為粗糙高度.Engelund171建議采用2服，8為積分常數(shù)。牛和B由實測資料回歸計算得出。圖2為實測流速垂線分布，圖中的直線為每組數(shù)據(jù)相應的對數(shù)回歸直線。實測的流速資

14、料表明，流速分布可以用(3)式很好地描述，從床面附近到接近水面，都具有良好的線性關(guān)系。根據(jù)實測資料計算的卡門常數(shù)吊和積分常數(shù)8見表1。卡門常數(shù)在0.374-0.422之間，平均為0.400,與大量室內(nèi)的研究結(jié)果一致。積分常數(shù)為6.71-8.22,平均7.34,比尼古拉茲試驗粗糙床面的8.5稍小。I8時均流速垂線分布Fig.2Theverticaldistributionofmeanvelocity圖2事實上，8值直接與K,相關(guān)，vanRijn8收集了相關(guān)的資料，得出K,=(1-10)Dwo如取K,=1.75DW,則計算的8值為8.54,就與一般認為的8.50基本一致了。就原型觀測的資料而言，可

15、以認為測量:的資料具有足夠的精度，對數(shù)流速分布公式完全可以反映水流時均流動的真實特性。4懸移質(zhì)濃度分布懸移質(zhì)測最的7個垂線測點中，靠近床面一點的高度小于2D,根據(jù)Einstein的觀點已屬于推移質(zhì)的范圍，所以統(tǒng)計分析時采用了上部6個測點的資料，見圖3。圖3懸移質(zhì)濃度垂線分布Fig.3Theverticaldistributionofsuspendedload鄭鈞等：卵石河流的時均流速和懸沙濃度垂線分布鄭鈞等：卵石河流的時均流速和懸沙濃度垂線分布35懸移質(zhì)濃度分布可以采用Rouse公式描述：(4)&式中C,為高度y處的懸移質(zhì)濃度，a=0.05人為參考點高度，為a點的濃度，Z為懸浮指數(shù),可

16、用(5)式計算：,(5)(5)Z=性KU.對實測資料，可以采用(4)式回歸得出參考濃度Ca和懸浮指數(shù)乙，從(5)式可以計算理論的懸浮指數(shù)，計算結(jié)果見表U根據(jù)Rouse定義的懸浮指數(shù)的修正系數(shù)ZZ.,9組資料的平均值/?=1.16,即在Rouse公式中，假定泥沙擴散系數(shù)等于水流動量交換系數(shù)是合理的。分析實測資料的結(jié)果表明，卵石河流的懸移質(zhì)濃度垂線分布符合Rouse公式，懸浮指數(shù)與理論值基本接近。5結(jié)論我國西南地區(qū)的河流水能資源豐富，是國家開發(fā)清潔再生能源的重要戰(zhàn)略基地。這一地區(qū)的河流多為沙卵石河床，泥沙淤積和粗沙過機的水輪機磨損是在該地區(qū)修建大型水電站的關(guān)鍵技術(shù)問題。近年來，國外對卵石河流的水流

17、泥沙運動規(guī)律進行了大量的研究，由于水文量測相對比較困難，國內(nèi)的研究成果還不多。本文根據(jù)都江坡二王廟站的實測資料，分析了時均流速和懸移質(zhì)濃度沿的垂線分布，得出了以下結(jié)論：1. 時均流速分布與對數(shù)流速分布公式符合良好，卡門常數(shù)的平均值為0.40。積分常數(shù)與選擇的當量粗槌度有關(guān)，當采用K,=1.75DW時，積分常數(shù)8=8.54,與常用的粗糙床面的積分常數(shù)一致。2. 懸移質(zhì)泥沙的垂線分布與Rouse公式一致，懸浮指數(shù)與理論值基本接近。本文的研究結(jié)果對f修建在卵石河流上大型水利工程的過流建筑物的布局具有重要的價值。參考文獻:2345678Meyer-PeterE,andMuller,R.Formulas

18、forbed-loadtransportC.Proc.Int.AssociationforHydraulicResearch,2ndMeeting,Stockholm,Sweden.1948.RennieCD,MillarRGandChurchMA.MeasurementofbedloadvelocityusinganacousticdopplercurrentprofilerJ.JournalofHydraulicEngineering,ASCE,2002,(5)：473-483.McNamaraJPandBordenC.Observationsonthemovementofcoarsegravelusingimplantedmotion-sensingradiotransmitters!J.HydrologicalProcesses,2004,(18):18711884.deBoerDH,HassanMA,VicarBMandStoneM.Recent(1999-2003