适用于明渠流及冰盖流的统一泥沙起动流速计算方法初探

冰盖是北方高寒地区河流冬季常见的一种自然现象。冰盖的出现改变了河流的运动状态,由原来的明渠流变为覆盖流。受冰盖糙率影响,垂线流速分布相应变化,进而影响河床泥沙输移。为进一步探讨冰期河床泥沙输移演变规律,基于Einstein假定,采用滚动起动模型,考虑冰盖下糙率变化、黏性淤积物干重度、相对暴露度对泥沙起动的影响,从理论上推导出了适用于冰盖流的泥沙起动流速公式,并与已有试验数据对比,相对误差集中在1%~10%之间;同时,探讨了本文公式对于明渠泥沙起动的适用性,即当冰盖糙率为0时,可视为明渠流泥沙起动流速计算公式,与实验数据对比,相对误差范围为0%~0.86%,亦可满足计算精度要求。

冰盖流的输沙特性

本文通过水槽试验,对冰盖流情况下泥沙的起动,推移质输沙率和悬移质分布进行了探讨,并同明流资料进行了对比,给出了计算冰盖所受剪力的经验公式.

适用于明渠流及冰盖流的统一泥沙颗粒起动流速公式

为得到冰盖流条件下的非黏性泥沙起动公式,揭示冰期河道断面强烈冲淤变化的机理,基于Einstein假定,推导得到了同时适用于明渠流及冰盖流的统一的非黏性泥沙颗粒起动流速公式,所得公式与已有冰下泥沙起动流速试验数据符合良好。当冰盖糙率为0时,冰盖流泥沙颗粒起动流速公式即化为明渠流泥沙颗粒起动流速公式。应用所得公式,比较了明渠流、冰盖流、冰塞条件下的起动流速及可起动最大泥沙粒径关系,冰塞条件下起动流速最小,可起动最大泥沙粒径最大。2014年冰期黄河头道拐断面发生强烈冲淤变化,是冰花集聚形成冰塞引起可起动最大泥沙粒径增大所致。所得公式及所揭示机理,将为进一步深入研究河道冰期泥沙输移规律提供重要思路和参考。

关于冰盖流研究应用Einstein假定的探讨

以二维紊流为例,从理论上对冰盖流研究中应用Einstein假定进行了分析,认为:①冰盖流的水流并不能简单分区;②若假定冰盖区和床面区的能坡相等,则水力半径分割法在宽浅河流上应用时将导致谬误;③若假定冰盖区、床面区及过流断面的平均流速相等,则会推导出冰盖糙率和床面糙率相等的谬论。因此,在冰盖流研究中应用Einstein假定值得商榷。

冰盖流的水流结构

本文通过水槽试验,探讨了不同冰盖组合情况下冰盖流的水深,流速和流速分布规律,并对冰盖流的输水能力进行了讨论。

封冻河流阻力研究现况

全面总结了冰盖流阻力研究的进展 .总结了国内外对冰盖流阻力、流速分布、综合糙率、测流方法的研究现况 ,评述了现有的综合糙率公式 ,建议了能兼容完全封冻和不完全封冻的一般公式 ,并相应建立了冰盖流和明流间的自动比拟关系 。