漫滩水流水沙运动规律的研究

水利学报980901水 利 学 报

Journal of Hydraulic Engineering

1998年 第6期 No.6 1998科技期刊

吉祖稳　胡春宏

(中国水利水电科学研究院泥沙所)

摘　要　本文根据漫滩水流的运动特点，将漫滩水流的复式断面分为主槽平衡区、滩槽交互区、滩地平衡区及边壁区等4个区，并给出了各区宽度的经验公式.根据滩槽交互区垂线流速分布的变化特点，提出了附加尾流函数的对数流速分布公式.在简化水流运动方程和泥沙扩散方程的基础上，对滩槽交互区内垂线平均流速及含沙量沿横向分布进行了理论分析，提出了反映滩槽水流动量交换强度的横向涡量粘性系数及横向扩散系数的表达式，得到了漫滩水流垂线平均流速及含沙量沿横向分布的解析解，并与实测资料吻合较好.

关键词　主槽，滩地，流速，含沙量.

在平原河流上，具有滩地和深槽的复式河道是广泛存在的自然现象，当中小水时，水流主要集中在主槽内流动，而发生洪水时，水位超过滩面，形成漫滩水流.由于水流与边界是相互作用和相互依赖的，一定的水流条件，在一定的边界条件下塑造了一定的河道，反过来，一定的河床形态又影响着水流结构.因此，研究复式河道的水流结构及其悬沙问题，揭示其内在规律，无疑对该类河道的河床演变分析、水资源规划、滩地利用、防洪水位设计及河道整治规划等问题的解决具有重要的意义.由此可以看出，漫滩水流问题的研究不仅具有重要的理论价值，而且还具有广泛的实际应用价值，它是河流动力学中的重要问题之一.

最早在实验室中进行漫滩水流研究工作的是前苏联学者热烈兹拿柯夫［1］，他在1947～1948年的试验中发现，水流漫滩以后，主槽过水能力降低，并解释此现象为主槽和滩地水流相互作用后而产生的“运动学效应”.自70年代以后，一些学者从微观的角度对漫滩水流运动机理进行了一些研究，诸如复式断面边界剪切力的测量与分析、表观剪切力的研究、断面流速分布与阻力系数的研究及复式断面水流运动的数值模拟等等方面［2，3］，但仍有许多问题需要进一步的研究，本文就是在综述现有研究成果的基础上进行的研究.

1　漫滩水流复式断面的分区模式

在复式河道的滩槽交界面附近，主槽和滩地水流之间存在着强烈的动量交换，表现在水流运动速度上，就是主槽流速有所减小，滩地速度有所增加，滩槽动量交换的峰值一般出现在滩槽交界面附近，往两侧逐渐减小，在滩槽足够宽的情况下，主槽及滩地均存在一个横向流速保持常数的区域，在该区域内，水流基本不受滩槽动量交换的影响，水流运动具有一维特性，在这两个区域之间存在一个过渡区域，即通常所说的滩槽相互作用区，该区内流速横向梯度变化较大，水流运动具有很强的三维特性.在边壁附近，由于边壁的作用，流速也有所减小.

根据漫滩水流的运动特点，可将复式河道的横断面分为主槽平衡区(Ⅰ区)、滩槽交互区(Ⅱ区)、滩地平衡区(Ⅲ区)及边壁区(Ⅳ区)等4个区，如图1所示.在Ⅰ及Ⅲ区内，水流运动基本不受滩槽相互作用的影响，垂线流速分布仍可用对数流速公式

(1) 来表示，式中u为水深y处的流速，u *

为对应垂线上的局部摩阻流速，a和b 为常数，通过试验资料的回归分析可以得到a=5.64、b=5.86；在Ⅳ区内，水流主要受到边壁的影响，其分布特点与一般明渠流相似；在Ⅱ区内，水流主要受到滩槽相互作用的影响，其水流结构发生了很大的变化，该区是漫滩水流的研究重点.

在一般情况下，上述各区的范围主要与主槽宽度b mc 、滩地宽度b fp 、主槽水深h mc 、滩地水深h fp 及滩槽糙率等因素有关.在分析实测资料的基础上，经数值拟合得到各区宽度比与滩槽宽度比，滩槽相对水深的关系式为

(2)

(3) (4)

式中：h d 为滩槽床面高差；b m0为滩槽交换区主槽一侧的宽度，b f0为滩槽交换区滩地一侧的宽度，b fb 为滩地上file:///E|/qk/slxb/980901.htm（第 1／6 页）2010-3-23 7:17:12