工程泥沙问题研究综述

工程泥沙问题研究综述

工程泥沙问题可以简单的定义为受人类活动影响而发生河床或海床变形及有别于自然情况下的泥沙问题。在实际工程中对泥沙研究目的主要是认识水流中的泥沙运动规律、河床演变规律,进而解决水利工程中的泥沙问题。研究方向主要分为河流航道工程泥沙问题和海岸工程泥沙问题两大类，其中河流泥沙研究起步较早，而海岸工程泥沙问题是由前者衍生而来的一门新的分支学科，早在公元前256年的战国末期,当时李冰父子在修建都江堰工程时巧妙地利用了水流泥沙运动规律,工程布局完全符合现代泥沙运动力学原理,使都江堰工程至今已经成功运行至今。

泥沙运动涉及侵蚀、输运、沉积等地貌过程，各种过程涉及的时空尺度变化范围极大。在一些情况下必须考虑地质构造的上升、下降等大尺度、长时期的过程，有时又必须考虑泥沙起动、悬移等微尺度和瞬时的过程。正是由于这些特点，河流泥沙研究包含了从宏观到微观多方面的物理现象，因而尽管国内外在河道治理方面不乏成功的例子,但是泥沙学科体系的建立还是20世纪的事情。19世纪末期,法国的DuBoys第一次提出推移质运动的拖曳力理论。泥沙学科研究初期，Gilbert在20世纪初通过水槽试验研究推移质泥沙的运动规律,最早建立了推移质运动的模式和计算公式。Rouse等在20世纪30年代初类比分子扩散理论,导出了著名的悬移质泥沙浓度分布公式,至今还在广泛应用。而后Einstein、Bagnold、Engelund 等人奠定了泥沙学科的基石Einstein首创用统计方法研究悬移质输沙率和推移质输沙率,导出泥沙挟沙力的计算公式。特别突出的是能进行非均匀输沙的计算。此外,Einstein还定义了冲泻质和床沙质的概念,提出了冲积河流阻力划分与计算方法。Bagnold注重泥沙运动的物理本质,用基本物理概念和物理过程描述方法来研究泥沙运动规律,所建立的推移质输沙率、悬移质输沙率计算公式,物理概念明确、理论分析合理,具有较好的计算精度。特别是关于颗粒作用的同心圆筒试验研究,揭示了随着颗粒浓度的增加逐步从粘性作用转向惯性(碰撞)作用的机理,深刻地揭示了颗粒作用的实质。这一试验成果不仅对泥沙研究起到了重要的推进作用,而且也是80年代兴起的快速颗粒流研究的基础。Bagnold提出的颗粒的惯性力与粘性力之比被称之为拜格诺数(Bagnold Number)。

在我国,张瑞瑾、沙玉清、钱宁等老一代科学家为泥沙学科的发展奠定了基础，在理论研究上取得了国际领先水平的成果;在应用上成功地解决了许多重大工程泥沙问题,如长江葛洲坝工程、三峡工程和黄河小浪底工程中的泥沙问题。

1河流泥沙动力学研究基础

河流泥沙研究包含了从宏观到微观多方面的物理现象，可将泥沙基本理论分为泥沙运动力学和河床演变学。河流泥沙动力学的研究范畴包括：泥沙颗粒的基本性质、泥沙起动与沉降、河道水流特性以及泥沙对水流的影响、水流与泥沙输移机理及其定量描述等。但这种规律性认识大部分只具有定性性质，人们对河床演变过程的认识，通常是从野外实际查勘及观测开始的，对资料的综合分析使人们逐步形成了对具体河段和整个河流以至不同河流之间河床演变现象的规律性认识，河流模拟是在对微观水流、泥沙运动深入认识基础上，建立描述水沙运动及河床变形的控制方程，从而模拟出宏观河床变形随时间的发展。

1.1基本理论

1.1.1 泥沙的沉降特性

泥沙在水体中的沉降速度是研究挟沙水流运动特性的基础。基于Stokes关于圆球颗粒在无限水体中运动的水流阻力公式,张瑞瑾、窦国仁、冈恰洛夫、沙玉清等学者对泥沙沉降规律都进行过深入的研究。张瑞瑾(1961)、窦国仁(1963)采用阻力叠加原则,导出单颗粒泥沙在滞流区、过渡区、紊流区的统一沉速公式。特别是窦国仁关于圆球绕流在过渡区阻力的理论分析,拓宽了Stokes的理论。相对而言,单颗泥沙在静水中的沉降特性已基本明确,而群体颗粒的沉降规律相当复杂,对其沉降规律还认识不透。

1.1.2 泥沙的起动特性

泥沙起动是泥沙运动理论中最基本的问题之一,也是研究工程泥沙问题时首先遇到的问题。早在19世纪就提出了泥沙起动的概念,20世纪初开始了系统的研究,至今仍在继续。从力学角度分析,所谓泥沙起动就是床面上的泥沙在一定的水流条件作用下,静平衡状态被破坏,由原来的静止变为运动状态的力学过程。一般而言,泥沙颗粒在起动时主要受到水下重力、水流的正面推力与上举力、以及颗粒间摩擦力和粘结力(或吸力)的作用。通常用起动流速或起动切应力表示泥沙的起动条件。

1.1.3 挟沙水流运动特性

挟沙水流运动特性研究包括泥沙浓度分布、流速分布、紊动特性等方面的内容,是河流泥沙研究的基础课题，Rouse首先引入扩散理论导出浓度分布公式,开创了理论研究的先河,至今已经提出了多种不同的理论模型。除了泥沙浓度分布的扩散理论外,Velikanov提出的重力理论揭示出泥沙运动的能量耗散图景。倪晋仁从理论上揭示无论采用扩散理论、能量理论、混合理论、相似理论及随机理论,在求解悬移质浓度分布公式时都能归化为扩散方程的简单形式,而且通过对掺混长度及紊流特性的研究提出泥沙浓度分布公式的统一模式,使得著名的Rouse(1937,1938)、Velikanov(1958)、Laursen(1958,1980)、Hunt(1954)、Tanaka(1958)、Lane-Kalinske(1941)等公式都成为特例。倪晋仁、王光谦(1991)提出浓度分布存在两种典型类型,即传统的浓度上小下大的Ⅱ型与最大浓度不出现在底部的Ⅰ型。过去关于浓度分布的研究都是针对Ⅱ型的;一些试验成果曾揭示出Ⅰ型分布,但是没有从机理和理论上分析。针对Ⅰ型浓度分布存在的事实,首先从水流脉动特性分析该种类型分布的力学机理;进一步类比气体分子运动论,从Boltzmann方程出发导出能够描述Ⅰ型分布的浓度公式,并预测最大浓度位置出现在泥沙颗粒重力与升力相等之处。

1.1.4 推移质运动规律

推移质运动理论从研究方法上划分,存在着不同流派,如以试验资料为基础的Meyer-Peter(1934,1948)公式、以物理学概念和力学分析为基础的Bagnold(1966)公式、以概率论和力学分析相结合的Einstein(1950)公式以及结合Einstein或Bagnold的某些概念并辅以量纲分析、实测资料适线等的Engelund(1967)、Yalin(1972)、Ackers and White(1973)等公式。钱宁对几家著名的推移质计算公式进行了归纳、分析、比较。近期的试验研究则详细揭示了推移质颗粒运动轨迹的过程信息,获得了推移质运动的力学和统计特性(胡春宏,1995)。这些工作为均匀推移质运动规律的研究奠定了理论基础。在非均匀推移质输沙率研究方面,一是采用代表粒径计算总的输沙率;二是分不同的粒径级分别计算出各级粒径的输沙率。韩其为(1984)开展泥沙运动统计理论研究,得出非均匀沙运动统计规律;近期对推移质运动的七个理论问题进行深入探索(2004)。窦国仁(1960)用平均流速为主要指标导出均匀沙的推移质输沙