冲积河流河床综合稳定性指标研究_罗全胜

第28卷第8期 人 民 黄 河 Vol . 28, No . 8 2006年8月 Y ELLOW R I VER Aug . , 2006

=水文#泥沙>

冲积河流河床综合稳定性指标研究

罗全胜, 史传文

1

2

(1. 黄河水利职业技术学院, 河南开封475001; 2. 清华大学水利水电工程系, 北京100084)

摘 要:根据河床演变理论, 利用已有的基本公式, 导出了冲积河流河床绝对稳定应满足的水沙床无量纲数(量) 条件, 由此建立了由水沙床因素构成的实用冲积河流稳定程度函数公式。基于该公式建立了冲积河流河床综合稳定性指标以及对应的河型判别准则, 然后利用黄河下游11年资料和渭河部分资料进行了初步验证。计算表明, 建立的冲积河流河床综合稳定性指标以及对应的河型判别准则是合理和有效的, 可以利用该判别方法预测大型河流因水沙条件改变而导致的河型变化趋势。

关 键 词:河型判别准则; 稳定程度函数; 河床稳定性; 冲积河流中图分类号:

P333 文献标识码:A 文章编号:1379(2006) 02

或过渡型, 7t >2时为游荡型。

以上四式中:h 、B 、J 分别表示平滩流量下的河床平均水深、河宽和坡降; D 、D 50、D 35分别表示床沙平均粒径、中值粒径和床沙组成以重量计的35%泥沙的粒径; Q M 、Q m 分别为汛期最大及最小日平均流量; Q n 为平滩流量; $Q 为洪峰过程流量上的涨幅; T 为洪峰历时; C 、C s 分别为水的容重和泥沙的密实容重; B 1为稀有洪水时的河宽; h ' 为满槽水深; C v 为洪峰流量变差系数; S 、S *分别为含沙量和水流挟沙力; U 、U c 分别为断面平均流速和床沙起动流速。

在河床演变研究中, 不少情况下要求对河流的稳定性作出评估。不同的学者从不同的角度出发提出了不同的河流稳定性指标, 由于河床综合稳定性指标涉及问题很多, 因此至今还没有公认结论。研究建立一种较为合理的冲积河流河床综合稳定性指标, 可为冲积河流河床综合稳定性指标的进一步研究提供借鉴, 为问题的解决提供可靠的理论依据和有效的计算方法。

1 河床稳定指标的研究现状

(1) 钱宁公式[1, 2]。表达式为H =

hJ

D 0. 6

B 1

0. 3

B

0. 15

h

0. 45

Q M -Q m

Q M +Q 0. 6

$Q

0. 5TQ 2 实用冲积河流稳定程度函数公式

(1)

(1) 冲积河流河床绝对稳定应该满足的水沙床无量纲数(量) 条件。河流输沙强平衡要求的具体水流、泥沙和河床条件是:¹S =S *, P i =P *(P 为泥沙级配); º水流为恒定均匀流; »河床为组成物质沿程不变的棱柱体顺直河床。根据输沙强平

当H >5时为游荡型河流, H

(2) 谢鉴衡公式

5=

[3]

。表达式为

h c

B D

3. 62D

1C 0. 756

(2)

衡要求的具体水流、泥沙和河床条件, 选用均匀流公式、张瑞谨挟沙力公式、断面河相关系式以及Q =A v 、A =Bh , 并把S =S *带入推导得

J

n 2

h 2/B 1/5

Q 1/5

=1

(S 1/mX gK -1/m) 11/15

(5)

当550j 时则为顺直型。

(3) 张红武公式[4]。表达式为

Z w =

1C s -D 50

J h

-1/3

式中:K 、m 为挟沙力公式中的系数和指数; X 为泥沙沉速。

h

B

-2/3

(3)

式(5) 就是用水、沙、床因素表达的冲积河流河床绝对稳定, 河流输沙绝对平衡, 河流水、沙、床三者完全相互适应的数学表达式, 等号左边称为水沙床无量纲数(量) 。式(5) 说明, 冲积河流河床绝对稳定时, 水沙床无量纲数为1。

当Z w 15时为弯曲型。

(4) 张俊华(1998) 公式

7t =

[5]

。表达式为

(4)

收稿日期:04

作者简介:罗全胜(), 男, 河南桐柏人, 讲师, 硕士, 主要US 50

U c S *h

当

#20#

人 民 黄 河 2006年

数均值的12次方, 即[E (W) ]12。从表1也可以看出, 不同河型的[E (W ) ]12的差别已经达到了数量级的差别程度, 可以清楚

J

n 2

h 2/5B 1/5

Q 1/5

(S 1/mX gK -1/m) 11/15

(6)

地区分河型。据此, 可以建立如下形式的冲积河流河床综合稳定性指标

P (W) =[E (W) ]12

(8)

式中:W 为月均冲积河流稳定程度数; E (W ) 为月均冲积河流稳定程度数样本均值; [E(W) ]12为月均冲积河流稳定程度数样本均值的年累计量; P (W) 为冲积河流河型判别指标。

根据W 的物理意义, P (W) 偏离1. 0的距离越远, 河流越不稳定。根据4种基本河型具有的相对稳定性、P (W) 的物理意义以及表1中不同河型的[E (W) ]12数据范围, 得出如下形式的冲积河流河型判别准则

P (W) >661

21. 43

661 21. 43

河流属于分汊河型河流属于弯曲河型(9)

(2) 冲积河流稳定程度函数公式。用W 表示水沙床无量纲数(量), 得

W =

式中:Q 为河流流量; S 为河流含沙量; h 、B 、J 、n 分别为河流水深、河宽、比降和糙率。

如果W X 1. 0, 则冲积河流输沙不平衡、冲积河流的水、沙、床三者之间不相适应, 河床不稳定, 河流的河床形态表现出多样性; W 越接近于1. 0, 则冲积河流输沙越接近平衡, 冲积河流的水、沙、床三者之间越接近相互适应, 河床越接近稳定, 河流的河床形态越接近棱柱体直河道; W 偏离1. 0越远, 冲积河流输沙越不平衡, 冲积河流的水、沙、床三者之间越不相互适应, 河床越不稳定, 河流的河床形态越偏离棱柱体直河道。由此可以看出, 式(6) 完全可以表达冲积河流输沙平衡程度, 冲积河流水、沙、床三者之间的相互适应程度, 河床的稳定程度及冲积河流的稳定程度。因此, 称式(6) 为冲积河流稳定程度函数公式, 相应地称水沙床无量纲数W 为冲积河流稳定程度数。

(3) 实用冲积河流稳定程度函数公式。只有确定了挟沙力公式中的系数和指数K 、m 后, 冲积河流稳定程度函数公式才能真正使用。笔者认为, 冲积河流在输沙强平衡状态下, K 、m 可以取韩其为

[6]

(2) 综合稳定性指标及相应河型。利用渭河下游1960年、1963年、1964年、1967年和1979~1983年资料计算得出的月均冲积河流稳定程度数66组, 渭河下游华县河段1960年、1963年、1967年、1980年资料计算得出月均冲积河流稳定程度数27组, 进行样本特征量统计的结果见表2。根据式(9) 对咸阳和华县河段的河型进行判别, 咸阳河段21. 43

(7)

表2 渭河下游咸阳和华县河段冲积河流稳定数特征量统计

统计量

样本均值

E (W) 1. 641. 14

样本总体标准差1. 941. 12

均值取1. 0情况下的样本总体标准差

2. 501. 28

P (W)

概括的固定值K =0. 245kg /m、m =0. 92。由此,

J

n 2

h B 1/5

2/5

3

得到如下实用冲积河流稳定程度函数公式

W =

Q

(4. 63S 1. 0911/15

1/5

为了保证W 为无量纲量, 式中单位只能用/kg 、m 、s 0。

3 冲积河流河床综合稳定性指标

(1) 判别准则。从黄河下游典型河段的132组月均冲积河流稳定程度数得到的样本特征统计量见表1。从表1可以看出, 不同基本河型的月均冲积河流稳定程度数样本的均值统计量有明显差别, 可以直接利用样本均值E (W) 的明显差别来建立河型判别式和判别准则。但是又可以看出, 不同基本河型的样本均值E (W) 的差别还没有达到数量级的差别程度, 这说明样本均值E (W) 还不是最佳的冲积河流河型判别指标。

表1 黄河下游典型河段河型与冲积河流

稳定程度数特征统计量对比

河 段样本均值E (W) 样本标准差均值取1. 0情况下的总体标准差P (W) =[E(W) ]12

河段河型

花园口) 夹河滩

夹河滩) 高村

渭河咸阳河段渭河华县河段

377. 854. 79

参考文献:

[1] 钱宁. 关于河流分类及成因问题的探讨[J],地理学报,

1985, (1).

[2] 钱宁, 张仁, 周志德. 河床演变学[M].北京:科学出版社,

孙口)

艾山1. 180. 4791. 0057. 29弯曲型

艾山)

泺口1. 0260. 420. 7821. 36弯曲型

泺口)

利津1. 2910. 5321. 18221. 43弯曲型

1987.

[3] 谢鉴衡. 江河演变与治理研究[M].武汉:武汉大学出版

社, 2004.

[4] 胡一三, 张红武, 刘贵芝, 等. 黄河下游游荡性河段河道整

治[M].郑州:黄河水利出版社, 1998.

[5] 王光谦, 张红武, 夏军强. 游荡型河流演变及模拟[M].北

京:科学出版社, 2005.

[6] 韩其为. 水库淤积[M].北京:科学出版社, 2003.

1. 7180. 6991. 633

1. 8940. 751. 724

661. 122130. 88游荡型

游荡型

考虑到河型特征的完整显现需要的最少时间段为1年(12个月) , 也为了使河型判别指标数显著化, 根据记数乘法原理, 冲积河流河型判别指标数可以表达为月均冲积河流稳定程度

=责任编辑 翟戌亮>

YELLOW R I V ER 2006 V o. l 28 No . 8

Abstracts

Approach to Sedi m ent C o m ing fro m t he Sea at t he Y ellow R iver E st uary

1211

RU Yu-ying , Z HU Q i-w u , WANG Sheng-rong , GAO Ji-p i n g (1. I nstitute of Ye llo w R i v erH ydrau lic R e -search, Zhengzhou , H enan 450003; 2. Ye llo w R i v er Vocational Schoo, l Ka ifeng , H enan 475001) ……………(15) The paper ana l y zes and calcu lates t h e sed i m ent co m ing fro m the sea by utilizi n g the observed hydro log ica l and tida l data o f the Yello w R i v er estuary . The outco m es sho w that the a m ount o f sedi m ent co m ing fro m the sea is re lated to the co m ing w ater and sedi m ent conditions fro m land . W hen the a m ount o f co m ing w ater and sed i m ent fro m land is s m a ller , t h e a m oun t o f sedi m ent co m ing fro m the sea w ill be g reater . Besi d es t h e cond iti o ns of co m i n g w ater and sed i m ent fro m land , the a m ount o f sedi m en t co m i n g fr o m the sea is a lso related to the boundary cond ition of the outle. t It points out t h at it needs further observation and study on the variations o f sed i m ent co m ing fro m the sea and its i n fl u ence to the m an -age m ent of estuary if the co m i n g w ater and sedi m ent fro m land keeping less or extre m ely little continuousl y i n the future . K ey W ords :ti d e , m ari n e drif, t sed i m ent co m i n g fro m land , sedi m ent co m i n g fro m the sea , the Y ello w R iver estuary Study on Integrated St ability Index of A lluvi a lR i v er Channel

12

LUO Quan-sheng , SH I Chuan-w en (1. Yello w R iver Vocational Schoo , l Ka ifeng , H enan 475001; 2. T singhua Un i v ersity , B eiji n g 100084) ………………………………………………………………………………………(19)

A ccor d i n g to the theory o f bed developm ent and usi n g the ex isting basic for m ulas , the paper educes t h e cond itions of non-d i m ensi o na l num ber (quantity) of sed i m ent channel for abso lutely stable w hich shou l d be satisfied for all u v i a l river channe l and estab lishes a practical for m ula of function o f stab ility for an a ll u via l river co m posi n g o f the factors o f sed i m ent channel based on that cond ition. It estab lishes i n tegrated stab ility indexes of all u v i a l river channe l and corre -spond i n g discri m i n ation standard o f ri v er pa tter n based on the for m u la and conducts pre li m i n ar y va lida ti o n by utilizi n g 11-year data of the l o w er Ye ll o w R i v er and partia ldata of theW eihe R i v er . The calcu lation sho w s t h at the established i n -tegrated stability i n dexes of alluv ial river channe l and corresponding discri m inati o n standard of river pattern are reasona -b le and effecti v e and can pred i c t the variation trend o f river pattern caused by the changes of silt-d ischarge cond ition by usi n g this m ethod . K ey w ords :d iscri m i n ati o n standar d o f river pattern , function o f stab ility , channe l stab ility , alluv ial river C racks of P ier C oncrete Because of Te m perat ure and M easures for Preventi o n

SHEN La i-b i n (Henan Pr ov i n cia lM on itoring Station o fH ydraulic S tructure Qua lity , Zheng zhou , H enan 450003) ……………………………………………………………………………………………………………………(62)

The paper stud i e s the te mperature contro l and crack preventi o n o f pier concrete and po i n ts out the fo llo w ing m a i n facto rs that affect t h e te mperature and cracks o f concre te perf o r m ance , sudden drop o f te m perature , size of p ier , placing t h ickness , placi n g te m perature , ti m e of interva, l protective m easures for concrete surface after dis m antling te m plates and w ay of coo li n g . It pus f o r w ard m easures for preventing cracks and reducing te mperature stress based on the aspects o f te mperature contro , l i m pr ov i n g cond ition o f constra i n t and i n creasi n g the break i n g perfor m ance of concrete . K ey w ords :pier , te mperature contro , l crack prevention , m easures Exper i m ental St udy on SoilM oist ure D ist r i b ution Law of Tot al Sl o pe of Gullied Loess P lateaus

Z HAO An-cheng , LI H ua i-you , GUO Ru i (X ifeng Superv isi o n Bureau of Yello w R i v er So il andW ater Conser -va ti o n , Q ingyang , Gansu 745000) ………………………………………………………………………………(72) In order to have rational confi g uration of species of trees and p l a ces o f aff o restation , it conducts exper i m enta l st u dy on the la w o fw ater distribution at 0~200c m layer by three m ethods of a ffo restation t h rough co llecti n g w ater , general a-f f o restation and afforestation on barren h ills respecti v e l y on bo th positive and shady slopes of gu llied loess p lateaus . The outco m es sho w that t h e so ilm o isture content at each l a yer is 1. 65%~4. 14%higher in the shady slopes than t h at o f t h e positi v e slopes , averag i n g 2. 58%h igher and ; duri n g a fforestation i n spring , the sequence of percentage o f so ilm ois -ture content at depth o f 20c m fo r seedli n g i n nutrition pot and 40c m for m atured seed li n g i s aff o restation t h rough co llec -ti n g w ater t h e h i g hes, t afforestati o n on barren h ills the second and the genera l afforestati o n the lo w es. t A ll the percentage of so ilm o isture content o f shady sl o pes is higher than 15. 19%and the positi v e slopes lo w er than 11. 51%.K ey w ords :total slope , percentage o f so ilm oistur e conten, t afforestation t h rough co ll e cti n g water , gu llied l o ess platea us

>