高含沙水流的运动机理和理论分析

高含沙水流是指含沙量高达200～300kg/m3 以上的挟沙水流。我国黄河干支流经常发生,最高含沙量达1600kg/m3,世界上所有河流无出其右。由于含沙量高,水流的运动呈现出与低含沙水流明显不同的特性,如:①浆体表现为非牛顿体特性,通常为宾汉体。②运动特性不同。在流态上不仅出现高浓度两相紊流,也经常出现高浓度层流流动。流动表面淅沥出一层清水,平静如镜,两岸树木倒影清晰可辨。在一定条件下,整个河段还可能出现浆河,即当河床切应力小于宾汉屈服应力时流动冻结,随着上游高含沙水流持续到来,水深不断增加,浆河“开河”再次流动。③高含沙水流在一定流态下具有较小的阻力系数,小于同水流条件下清水的阻力系数。④高含沙水流具有较大的输沙能力。由于颗粒在高浓度浆体中沉速大为降低,高含沙水流的挟沙力相对低含沙水流要大。

我国早在20世纪60年代就对高含沙水流开始系统研究,国内几家重要的科研单位:黄河水利委员会、中国水科院泥沙研究所、水利部西北水科所、武汉水利电力学院、清华大学等,相继开展野外观测、试验研究及理论分析,从上述几个方面对高含沙水流运动规律进行深入研究,取得了丰富的成果,并逐步建立起高含沙水流运动的理论体系。王光谦(2002)总结了高含沙水流研究的近来进展。

在第一次河流泥沙国际学术讨论会(1980)上集中反映出我国关于高含沙水流的早期研究成果,例如钱意颖等关于高含沙水流的基本特性,张浩等关于高含沙水流沉降规律和阻力特性,杨廷瑞、万兆惠等关于高含沙浑水利用问题的研究,曹如轩等关于水库高含沙水流冲淤计算问题,康志成、章书成关于泥石流流体特性的初步分析。在这次国际会议上还没看到国外学者关于高含沙水流的研究成果。国外高含沙水流的系统研究始于20世纪80年代,1980年美国圣海伦火山爆发,大量的火山灰形成高含沙水流淤高下游河道十几米,引起美国有关专家的关注。国外目前关于高含沙水流的研究遵循与借鉴了我国的方法和理论。

20世纪80年代之后关于高含沙水流研究的主要方面包括:

(1)黄河下游泥沙来源区的研究。20世纪80年代初,钱宁与黄河水利委员会合作在分析总结黄河泥沙运动与沉积规律时,基于大量野外河道泥沙沉积物粒径组成的实测资料,首次把黄河下游泥沙运动、沉积与中游泥沙来源区建立联系,揭示了黄河下游泥沙淤积主要来自中游的粗泥沙来源区洪水,提出了把集中治理中游粗沙来源区作为治黄战略的建议。这一成果对黄河泥沙来源认识是一个重要发展,对黄土高原重点治理与指导治理工作都有重要意义。

(2)高含沙水流产汇流特性的研究。王兴奎在20世纪80年代(1982)研究了黄土丘陵沟壑区高含沙水流的形成及汇流过程,分析在黄土丘陵沟壑区雨滴击溅、水流冲刷及重力侵蚀对产生高含沙水流的重要作用,在各级沟道汇流过程中高含沙水流的一些主要特性,得出高含沙水流产沙的极限浓度。许炯心(2004、1998)对黄土高原区高含沙水流的形成特性持续开展研究,取得了较为系统的研究成果。

(3)高含沙水流流变特性的研究。以爱因斯坦提出的挟沙水流粘滞系数公式为基础,考虑到高含沙水流内部絮团和絮网结构的形成与发展,结合黄河高含沙水流的特点,国内专家相继提出了高含沙水流流变参数的经验计算公式(褚君达,1980;费祥俊1982;陈立,1992),也有专家建立了半经验半理论公式(詹义正)。经大量试验资料验证,费祥俊建立的高浓度浆体粘滞系数与宾汉屈服应力计算公式具有较高的精度,适用范围广。以高浓度浆体的粘性计算公式为基础,费祥俊修正公式可用于泥石流浆体的粘性计算。对紊流条件下的宾汉极限应力的试验研究,则揭示了宾汉极限应力随紊动强度的变化规律(杨美卿、王虹、陈立,1993)。夏震寰(1982)在80年代初从胶体化学关于悬浮体的稳定理论出发,分析了粘性颗粒泥沙的絮凝现象与机理。

(4)高含沙水流的流动特性研究。含有细颗粒泥沙的高含沙水流,其流态具有与一般挟沙水流和清水水流不同的特点,张瑞瑾将其划分为紊流和复杂结构流,其中复杂结构流内存在流核,流核范围内流速分布梯度为0,流速均匀分布。王明甫于1985年建立了复杂结构流流速分布公式,公式可以反映有流核和无流核两种情形的流速分布。高含沙水流中大量泥沙颗粒的存在,常规的测量仪器难以应用,国内开发研制的应变式紊动流速仪和压阻式紊动流速仪被用来测量水槽或者管道中高含沙水流的紊动特性,取得了紊动强度分布、紊动强度随泥沙条件变化的初步认识。

(5)高含沙水流流动模式研究。王兆印根据维持颗粒运动作用力的来源不同,将颗粒运动形式分为三大类,即借颗粒碰撞和接触产生的离散力(碰撞力)和接触力抵消颗粒有效重力而维持运动的推移质,依靠湍流扩散力而保持不沉积的悬移质,及由液相屈服应力和浮力所支持的中性悬浮质。试验研究发现粗沙颗粒悬移质含沙水流的流速分布在主流区遵从对数规律,卡门常数则为利查逊数及浓度的函数。由于悬沙对紊动结构的影响,特别是悬沙不均匀分布产生的密度梯度减弱了紊动,卡门常数较清水湍流小。在底床附近,流速分布受到升力效应的影响,流速梯度减小。高含沙水流的悬沙浓度分布与低含沙水流不同,但都服从扩散规律。从扩散理论求出了管道两相流湍流浓度分布的方程,推导出与一般挟沙水流同样形式的浓度分布公式,只不过要对悬浮参数进行修正。(www.xing528.com)

层移质运动是钱宁提出的推移质运动的一种形式,在高强度水流条件下可以出现,试验室内研究证明了存在这种运动形式(钱宁,1983)。20世纪80年代王兆印和王立新(1986)开展层移质运动机理研究,取得理论与试验方面的成果。

(6)高含沙水流挟沙力研究。张红武(1993)通过对二维水流单位水体的能量平衡方程式沿垂线积分,经分析整理得出包括全部悬移质泥沙在内的高含沙水流挟沙力公式。该公式以及之前的曹如轩公式,之后的舒安平公式、陈立公式、刘兴年公式等都反映出高含沙水流挟沙力与水流携带泥沙数量和组成之间的正比关系。张红武公式得到了黄河、长江、渭河、辽河及Muddy River等国内外河流千余组资料的验证,表明对于一般挟沙水流和高含沙湍流都可适用。如已应用于2003年黄河首次调水调沙试验的数学模型计算;用于“九五”国家重点科技攻关项目“黄河下游水资源开发利用及河道减淤清淤关键技术研究”的数学模型设计及验证。惠遇甲、李义天、胡春宏等人(2000)比较后认为现阶段以张红武公式的精度较高。

(7)高含沙水流河床演变规律研究。王明甫(2000)、万兆惠(1991)等研究发现,在一定水沙组成和河床断面形态条件下,高含沙水流可以保持很高的挟沙能力,进行远距离输送而不淤积;淤滩刷槽,大冲大淤;高含沙洪水过程中往往出现水位异常高的现象;黄河高含沙水流的输移规律及造床作用呈现了“多来多排多淤”的特点。对于高含沙水流河床演变中的特殊现象,如“揭河底”、“不稳定流”以及“浆河”等剧烈变化,也结合实际观察,通过室内试验进行了分析。

(8)高浓度物料的管道输送研究。通过开展高浓度粒状物料管道输送理论与试验研究,取得了关于浆体特性、水力坡降、临界流速及流动特性等方面的系统成果。特别是韩文亮(1998)关于浆体水击的试验研究、理论分析及数值计算,为开创性新成果,填补了该方面研究的空白,对生产实际中防止水击造成的管道破坏具有重要意义。

(9)泥石流与颗粒流研究。泥石流与颗粒流是特殊形式的高含沙水流。随着泥石流灾害的频繁发生,该方面的研究也蓬勃展开。在基本理论上,费祥俊(1994)提出泥石流浆体特性与运动特性的分析成果,王光谦与倪晋仁(1991、1993、1998)提出泥石流动力学方程和颗粒流的碰撞应力本构关系;在数学模拟上,发展了多组分的Euler和Lagrange法相结合的PIC模型。

(10)高含沙水流研究的系统成果。高含沙水流运动特性包括了高含沙水流的类型、粘性、流速分布、阻力特性、输沙能力等方面,是高含沙水流研究的主要内容,代表性成果是《高含沙水流运动》专著(1989)。该书是由钱宁总结国内各家单位的研究成果撰写而成的,总结了高含沙水流的运动规律,提出了理论框架。此外,受国际水利研究会(IAHR)的邀请,万兆惠和王兆印(1994)完成了英文专著《Hyperconcentrated Flow》,是高含沙水流运动理论的发展和完善,由IAHR 出版,把我国的研究成果介绍到国外。张红武等(1994)完成的专著《黄河高含沙洪水模型的相似律》总结了河流高含沙水流的运动特性和输沙特性,提出了高含沙洪水模拟实验的相似律,成为高含沙洪水模型设计的理论基础。

我国关于高含沙水流研究主要特色在于:在机理研究方面,通过大量室内实验和野外观测,认清了一般挟沙水流、高含沙水流及泥石流的不同物理图景及内在联系,揭示出高含沙水流可能出现的伪一相流、两相流及层移质三种运动模式,在高含沙水流的形成机理、不同运动模式、流动不稳定性、减阻效应、湍流特性等方面取得了创新成果。在深刻认识运动机理的基础上,结合河流动力学、流变学及固液两相流动力学的基本原理,将高含沙水流的形成和汇流过程、物理和湍流特性、运动模式和机理等进行系统总结,建立了高含沙水流运动的理论。把河流动力学研究拓展到高含沙水流范畴,形成了高含沙水流动力学新领域,代表中国倡导的高含沙水流研究的原创成果,并广泛应用于多沙河流的治理及其相关的工程问题。