推移质输沙率公式比较与分析Word文档格式.docx
- 文档编号:19790760
- 上传时间:2023-01-10
- 格式:DOCX
- 页数:6
- 大小:21.04KB
推移质输沙率公式比较与分析Word文档格式.docx
《推移质输沙率公式比较与分析Word文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《推移质输沙率公式比较与分析Word文档格式.docx(6页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
在实践上,又是解决河床演变计算、水库淤积、水力输送固体物质、合理利用治理和开发河流等问题的工具。
因此,研究推移质泥沙规律,是一个很重要的课题[1-2]。
自1879年法国科学家Duboys第一次提出推移质运动的理论[3]来,国内外学者开展大量的推移质运动研究,取得了丰富的研究成果[4-18]。
Meyer-Peter和Muller[19]采用孤立因素的经验分析方法,建立在水槽试验资料基础上的推移质输沙率公式。
Einstein[20]利用随机理论,建立了基于力学与统计学的推移质公式。
Sharmov[21]建立了以流速为主要参变量的推移质输沙率公式。
Bagnold[22]基于推移质运动的物理图形,运用物理学的基本概念,通过分析泥沙自床面起跳以后的受力及运动情况,建立了以力学为基础的推移质输沙率公式。
Englund[23],Yalin[24],Ackers和White[25]以Einstein或Bagnold的某些概念为基础,并辅助以量纲分析,实测资料适线或一定的推理而得到推移质输沙率公式。
窦国仁[26]根据能量原理,导出了包括在床面推移和临底半悬移的底沙输沙率公式。
近年来,孙志林和田林[27]对Einstein公式进行了探讨,根据近底泥沙交换的随机力学模式及输沙率概率分布,从理论上建立了非均匀沙任意粒级推移质输沙率公式。
徐俊锋[28]从泥沙交换的随机现象出发,运用泥沙运动统计理论的有关概念,取无量纲单步运动距离和单步运动时间为水流强度参数的函数,推导出了基于统计理论的推移质输沙率公式的基本结构。
张红武等[29]从能量平衡观点及能耗图形出发,全面考虑影响河流推移质运动的因素,合理确定各种参数建立推移质输沙率公式。
夏华永等[30]基于床面层内的水流能量关系,推导了推移质输沙率与床面层内有效水流功率的关系。
詹义正等[31]从沙波运动的动力学角度出发,利用反映推移质运动强度的沙波迎面流的临界动量方程来研究推移质输沙率。
Cheng[32]通过分析传统推移质输沙率的结构形式,提出了指数形式的推移质公式。
黄才安和奚斌[33]对以往的各种推移质输沙率公式中的水流强度指标进行了综合归纳,提出了统一的水流强度指标形式,并由此推导出推移质输沙率公式的统一形式。
韩其为[34]讨论卵石河床上沙质推移质估计以及沙质河床推移质估计等推移质理论问题。
曹叔尤等[35]根据天然实测资料探讨了卵石推移质输沙率与水流强度之间的关系。
目前各种推移质输沙率公式数量众多,这些公式不但立论的基础,研究方法不同,而且公式的结构及形式更是千差万别。
对于众多的推移质输沙率公式,利用现有资料进行整理,比较出有的公式是有必要的[36]。
本文取用较经典的推移质输沙率公式(如Meyer-Peter公式、Sharmov公式、Ackers-White公式、Engelund公式、Yalin公式)以及国内用得比较广泛的窦国仁公式,运用Brownlie[37]整理的系统的试验资料对它们进行比较,从而为工程人员选择公式提供参考。
1推移质输沙率公式
1.1Meyer-Peter公式
Meyer-Peter公式是根据大量的试验结果建立起来的。
首先是根据一个简单的输沙率的经验公式,然后把结果运用到比较复杂的情况中去,比较分析其偏差的原因,不断考虑更多的影响因素,经过不断修正后得到的推移质输沙率公式,即
式中:
gb为单宽推移质输沙率,以泥沙干容重计;
ρs,ρ为泥沙及水的密度;
γs,γ为泥沙及水的容重;
D为泥沙粒径;
h为平均水深;
J为比降;
n为曼宁综合糙率系数,由曼宁方程计算;
n′为河床平整情况下的沙粒曼宁糙率系数;
g为重力加速度。
1.2Sharmov公式
Sharmov公式是以流速为主要参变量的推移质输沙率公式,认为影响输沙率的主要为水流流速,流速越大,推移质输沙率越大。
对于该公式,推移质输沙率与流速的4次方成比例,这说明流速对输沙率的影响很大,其公式形式如下,
U为水流垂线平均流速;
Uc为起动流速;
Uc′为止动流速。
1.3窦国仁公式
窦国仁(1977)根据能量原理,导出了推移质输沙率公式如下,
k0为综合系数,窦国仁取k0=0.1;
C0为无尺度谢才系数;
ω为泥沙沉降速度;
Δ为糙度,当床沙中值粒径D50>0.5mm时,Δ=D50;
当D50<0.5mm时,Δ=0.5mm;
εk为黏结力系数,对天然沙εk=2.56cm3/s2,对于无黏结力卵砾石εk=0;
δ为薄膜水厚度,δ=0.21×
10-12cm,对于卵砾石可忽略不计;
dm为推移质平均粒径。
1.4Ackers-White公式
Ackers和White[25]采用量纲分析法则,引入三个无量纲数来决定床沙质输沙率,Fgr可反映床沙的可动性,Dgr为反映沙粒的无量纲参数,Ggr是包含阻力系数变化的相对输沙率。
Ackers-White公式是包含悬移质和推移质的全沙挟沙能力公式,只适合于2.5mm以上的粗颗粒。
1.5Engelund公式
Englund[23]根据爱因斯坦所提出的或然率的概念,把泥沙颗粒都简化成圆球,并通过对或然率和推移质平均速度的确定,从而提出了推移质的单宽输沙率:
Θ为水流强度参数,Θc为泥沙起动时的水流强度参数。
1.6亚林公式
Yalin公式是从用单位床面面积上推移质的水下重量和推移质的平均运动速度表示的单宽推移质输沙率出发来推求的。
通过求解泥沙颗粒的动量方程,根据数据资料并作一系列假定得出推移质公式,即
U*为摩阻流速;
a、R为相关系数。
2单宽推移质输沙率的转化形式
第1节考虑的公式均是采用单宽推移质输沙率的形式表达的。
为了运用Brownlie[13-14]整理的以含沙浓度Co表达的推移质输沙率实测资料并进行比较,需要将单宽推移质输沙率进行转化。
在他们的资料中,含沙浓度以ppm表示,即单位时间内通过过水断面的推移质质量与水沙混合物的质量之比,采用百万分比来表示。
可用如下公式进行转化,
Cc为推移质含沙浓度计算值;
Co为推移质含沙浓度观测值;
ρ混为单位时间内流过断面的水沙混合物密度;
V混为单位时间内流过断面的水沙混合物的体积;
Vs为单位时间内流过断面的沙的体积。
3比较与分析
本文运用Brownlie[37-38]整理的试验资料对考虑的公式进行了比较与分析。
这些资料的试验条件为:
中值粒径D50=0.34—28.65mm,水深h=0.01—1.2m,流速U=0.23—2.88m/s,坡度J=0.004—0.02,槽宽B=0.15—2m,泥沙容重γs=1.25—4.22t/m3。
不同公式计算的推移质输沙率与实测值的关系如图1和表1。
在表1中,推移质输沙率平均相对误差用实测含沙量和计算含沙量的差与实测值之比的绝对值表示,即
N为试验组数。
从图1和表1可以看出,不同推移质输沙率公式的精度差异很大。
对于所选用的6个代表性公式,推移质输沙率计算精度从高到低依次为Meyer-Peter公式,窦国仁公式,Ackers-White公式,Yalin公式,Sharmov公式,Engelund公式。
Meyer-Peter公式的相对误差最小,为39.1%;
而Engelund公式的误差最大,为118.6%。
因此,在公式选择时,我们可以优先考虑Meyer-Peter公式和窦国仁公式,它们都有很高的精度。
Meyer-Peter公式就水槽范围而言,资料的变化范围相当,特别是包括中值粒径达30mm的粗卵石,在应用到卵石河流上时,把握会比其它公式更可大些。
对于窦国仁公式,它包括床面推移和临底半悬移的底沙输移。
实际上,在水槽中测得的底沙流量是这两部分沙量的总和,即全部底沙输移量。
在窦国仁公式中,有一个综合系数K0需要率定。
根据盖勃特和岗恰洛夫等人的水槽试验资料,综合系数K0可以考虑取0.1。
本文的验证表明,K0取0.1可以给出很好的预测精度。
Brownlie整理的试验资料表明,Sharmov公式和Engelund公式会带来很大误差,因此在公式的选择时应当谨慎。
4结语
运用Brownlie整理的系统的试验资料比较了较经典的推移质输沙率公式(如Meyer-Peter公式、Sharmov公式、Ackers-White公式、Engelund公式、Yalin公式)以及国内用得比较广泛的窦国仁公式。
结果表明,不同推移质输沙率公式的精度差异很大。
由于不同的公式是在不同的条件下得出的,对于适用条件具有一定局限性。
Meyer-Peter公式的资料选取范围较广,具有更好的适用性。
窦国仁公式也能给出很好计算结果,其综合系数K0取为0.1可以给出很好的预测精度。
Brownlie整理的试验资料表明,Sharmov公式和Engelund会带来很大误差,分别达到105.1%和118.6%,因此在公式的选择时应当谨慎。
参考文献:
[1]秦荣昱.不均匀沙的推移质输沙率.水力发电,1981,(8):
22-28.
[2]刘兴年.沙卵石推移质运动及模拟研究[D].四川大学博士学位论文,2004.
[3]吴持恭.水力学[M].第4版.高等教育出版社,2008.
[4]ChangYL.Laboratoryinvestigationofflumetractionandtransportation[J].TransactionsoftheAmericanSocietyofCivilEngineers,1939,104
(1):
1246-1284.
[5]YangCT.Incipientmotionandsedimenttransport[J].JournaloftheHydraulicsDivision,ASCE,1973,99(10):
1679-1704
[6]MantzPA.Lowsedimenttransportrateoverflatbeds[J].JournaloftheHydraulicsDivision,ASCE,1980,106(7):
1173-1190.
[7]ChangHH.Selectionofgravel-transportformulaforstreammodeling[J].JournalofHydraulicEngineering,ASCE,1994,120(5):
646-651.
[8]ReidI,PowellDM,LaronneJB.Predictionofbedloadtransportbydesertflash-floods[J].JournalofHydraulicEngineering,ASCE,1996,122(3):
170-173.
[9]GomezB,PhillipsJD.Deterministicuncertaintyinbedloadtransport[J].JournalofHydraulicEngineering,ASCE,1999,123(3):
305-308.
[10]ReidI,PowellDM,LaronneJB.Predictionofbedloadtransportbydesertflash-floods[J].JournalofHydraulicEngineering,ASCE,1996,122(3):
[11]StromK,PapanicolaouAN,EvangelopoulosN,etal.MicroformsinGravelBedRivers:
Formation,Disintegration,andEffectsonBedloadTransport[J].JournalofHydraulicEngineering,ASCE,2004,130(6):
554-567.
[12]CarciaMH.Sedimentationengineering:
Processes,Measurement,ModelingandPractice.,Virginia:
ASCEPress,2008.
[13]韩其为,何明民.泥沙运动统计理论.科学出版社,1984,北京.
[14]杜国翰,彭润泽,吴德一.都江堰工程改建和卵石推移质问题[J].泥沙研究,1980:
12-22.
[15]刘兴年,方铎.非均匀推移质输沙率[J].成都科技大学学报,1987(34):
29-36.
[16]秦荣昱,王崇浩.河流推移质运动理论及应用[M].中国铁道出版社,1996,北京.
[17]冷魁.非均匀沙卵石起动流速及输沙率的试验研究[D].武汉水利电力大学博士论文,1993.
[18]唐造造.宽级配非均匀沙输移规律的试验研究[D].四川联合大学博士学位论文,1996.
[19]Meyer-PeterE,MullerR.Formulasforbed-loadTransport[C].Proc.,2ndMeeting,IAHR,1948,Volume6:
39-64.
[20]EinsteinH.A.,BedloadtransportationinMountainCreek[R].Tech.PaperNo.55,SoilConservationService,U.S.Dept.Agri.,1944,55.
[20]张瑞瑾.河流泥沙动力学[M].第2版.北京:
中国水利水电出版社,1998.
[22]BagnoldRA.Anapproachtothesedimenttransportproblemfromgeneralphysics[R].U.S.GeologicalSurveyProfessionPaper422-J,1966.
[23]EnglundF,FredseJ.ASedimentTransportModelforStraightAlluvialChannels[J].NordicHydrology,1976,7:
293-306.
[24]YalinMS.MechanicsofSedimentTransport[M].PergamonPress,1972.
[25]AckersP,WhiteWR.Sedimenttransportnewapproachandanalysis[J].JournaloftheHydraulicsDivision,ASCE,1973,99(11):
2041-2060.
[26]窦国仁.全沙模型相似律及设计实例[J].水利水运科技情报,1977,(3):
1-20.
[27]孙志林,田林.非均匀沙分级推移质公式[J].水利学报,2001(5):
65-70.
[28]徐俊锋.基于统计理论的推移质输沙率公式研究.水电能源科学,2012,30(3):
118-120,214.
[29]张红武,张俊华,卜海磊,等.试论推移质输沙公式[J].南水北调与水利科技,2011,9(6):
140-145.
[30]夏华永,廖世智,肖志建.基于床面层能量平衡关系的推移质输沙率计算式[J].水利水运工程学报,2006,(4):
1-9.
[31]詹义正,刘金阳,陆晶,等.沙波运动与推移质输沙率[J].武汉大学学报,2008,41(3):
1-4.
[32]ChengNS.ExponentialFormulaforBedloadTransport[J].JournalofHydraulicEngineering,ASCE,2002,128(10):
942-946.
[33]黄才安,奚斌.推移质输沙率公式的统一形式[J].南京水利科学研究院水利水运科学研究,2000,
(2):
72-78.
[34]韩其为.推移质中的几个理论问题研究.中国水利,2004,(18):
48-23.
[35]曹叔尤,刘兴年,方铎,等.山区河流卵石推移质的输移特性.泥沙研究,2000,(8):
1-5.
[36]钱宁,万兆惠.泥沙运动力学[M].科学出版社,1983.
[37]BrownlieWR.Predictionofflowdepthandsedimentdischargeinopenchannels[R].California:
CaliforniaInstituteofTechnology,1981.
[38]BrownlieWR.Compilationofalluvialchanneldata:
laboratoryandfield[R].California:
[基金项目]国家自然科学基金资助项目(51279117,50709021)
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 推移 质输沙率 公式 比较 分析
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)