泥沙研究2012年2月JournAlofSedimentReseArch第1期浑水异重流潜入理论模型及影响因素研究赵琴1，2，李嘉2(1．西华大学能源与环境学院，四川成都610039;2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点试验室，四川成都610065)摘要:现有关于异重流潜入现象物理机制的研究较少，所建立的理论模型普遍只考虑流量和含沙量，事实上，异重流的潜入受多个水力因素共同作用。本文从异重流潜入过渡区的动量方程和能量方程出发，建立理论模型，并结合水槽试验予以模型参数的率定及模型的验证。该理论模型包含流量、含沙量、坡度、阻力系数、断面宽深比等多个水力因素，经分析发现:含沙量增大、流量减小、坡度增大、阻力系数增大、宽深比增大，更易形成异重流。随着含沙量减小，坡度的影响更明显，而阻力系数和宽深比的影响会减弱。关键词:异重流;潜入点;理论模型;水力因素中图分类号:TV145.2文献标识码:A文章编号:0468-155X(2012)01-0058-051引言异重流潜入现象是异重流形成的标志，研究异重流的潜入就是要找到潜入点处水力因素之间的相互关系，从而对异重流的产生进行预报工程上，现多采用密度弗劳德数2作为异重流潜入的判。Fr0据［1，2］，如范家骅［3］通过水槽试验和原型观测，找到2但近来的实测资料发现该判据不能用Fr0=0.6。［］于高含沙异重流4，并且只是浑水异重流潜入的必要条件，不是充分条件。事实上，研究者实测得到的2值较分散［5］Fr0。［］部分研究者从异重流潜入物理机制出发，寻求潜入条件。姚鹏6在潜入力学机理基础上提出异重流潜入过渡区模型。由于异重流潜入边界条件复杂，影响因素较多，现有的理论模型通常不计坡度、阻力，普遍只包含流量、含沙量的影响。本文对异重均匀流建立新的潜入过渡区理论模型，并在此基础上讨论流量、含沙量、坡度、阻力系数、断面宽深比等水力因素的影响。2潜入过渡区理论模型2.1模型的建立假设在倾斜角θ=C的情况下，异重流潜入一段距离后，重力、阻力平衡，形成均匀流。取从浑水开始下潜到形成均匀流这段流域为潜入过渡区，如图1，令潜入点所在断面为AB断面，均匀流开始形成的断面为CD断面，两断面沿流动方向的距离为L。假设该区域的流动为恒定流，无泥沙沿程沉降，并认为上层清水为静水。2.1.1动量方程取ABCD断面之间的下层浑水体为控制体，列出其动量方程h+hρU2()121011()ρqβ1U1－β0U0=ρgh0－()ρgh+ρghh1+a1ρgLJ0－a2λm2L12022128收稿日期:2010-11-10基金项目:四川省教育厅科研资助项目(No:09ZB082)作者简介:赵琴(1975－)，女，博士，研究方向:环境水力学。E-mAil:zhAoqin7579@163.com58式中:为单宽流量;分别为断面qU0、U1AB、CD浑水平均流速;为断面浑水水深;分别h0ABh1、h2为断面浑水清水水深;为动量修正系数;CD、βa1、分别为将清浑水交界面看作是直线计算重力阻a2、、力引入的修正系数;为考虑河床阻力和交界面阻λm力在内的综合阻力系数;浑水密度ρ视为常数。令，，β1=β2=1K1=h0/h1K2=h2/h1ρ－ρ0Δρ引入相对密度差η==，令gρρ2图1潜入过渡区2qFr=，得到13Fig．1PlungetrAnsitionzoneηggh1ρLJ(K+1)aλL211201012m2()Fr1()1－=K1－K2－+a1－Fr12K12ηgΔρ2ηg2h1ηg4h1由图找到和的关系式1K1K2LJ0()K2=+K1－13h1aλFr2将式(3)代入式(2)，令a=2m1，取修正系数a=1，整理得到K的方程为34113K1J2ρ20Lρ00LJ01LL()+()－K1+[]+－aK1+Fr1=04()1－()－132η2hg2ηgh1ΔρΔρh1ηgh112.1.2能量方程列出AB、CD断面的能量方程式，其中CD断面包含清水和浑水ρU2ρU20+ρg(h+LJ)=1+ρgh+ρgh+ρgh(5)2002102w式中:为流动水头损失，其关系式为hwaλρU2(B+2h)Laλq2(B+2h)LτχL2m112m1()hw===36ρgA8ρgBh18ρgBh1B+2h令1=Λ，为断面形状参数，式(5)经化简、整理得到K的方程为B1aΛ2Fr233K2ρ0a3ΛFr121()－K1+[]－+K+(K+1)+K1－=072J2220ηgΔρ2J02式()式()构成异重流潜入过渡区的理论模型，