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高含沙水流

/hyperconcentrated flow/
条目作者王党伟

王党伟

最后更新 2022-12-23
浏览 196
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当水流中含沙量大于某一数值后,泥沙悬浮和输移不以水流紊动为能量来源的水沙运动现象。

英文名称
hyperconcentrated flow
所属学科
水利工程

高含沙水流是多沙河流河道治理工作的重点之一,一方面要防止高含沙水流特殊的泥沙冲淤和水流运动现象对防洪、发电、引水均造成威胁,另外一方面可以利用高含沙水流进行引洪淤灌,做到兴利除害。

一般指河道中含沙量较大的水流,也包括泥石流和高浓度管道输沙。根据输送泥沙颗粒级配不同,高含沙水流可以分为两种主要类型:

水流中不包含细颗粒(粒径小于0.02毫米)泥沙,浑水仍保持牛顿流体的特性。由于颗粒间距离很小,水流紊动受到遏制,在一定条件下紊动作用消失,代之以颗粒间的不断碰撞。高强度的层间剪切和颗粒间的频繁碰撞产生垂直于剪切方向的颗粒间离散力。这一离散力抵消了颗粒的水下重量,维持了高浓度泥沙的输移。这种形式的泥沙输移也称为层移输沙。这种类型的高含沙水流只有在底坡较大的河流或沟道中才能出现,如中国陕北粗沙来源地区的一些河流(如皇甫川、窟野河)的洪水。管道输沙中也可能出现这种类型的高含沙水流。

高含沙水流中存在大量细颗粒泥沙,会形成一定的絮状结构(见图),从而有效的增大浑水的黏性。当含沙量超过一定数值之后,浑水从牛顿流体转变为宾厄姆流体,此时细颗粒絮凝形成的结构占据了整个水体,形成整体骨架的细颗粒,即使在静水条件下也几乎不沉。这种类型的高含沙水流主要出现在中国黄河流域的河流中,如泾河、黄河中下游。按照输移泥沙的颗粒级配(主要是细颗粒含量和最粗颗粒的粒径)和含沙量大小,这种高含沙水流又可以分为两种:①均质浑水水流(伪一相流)。在含沙量高、细颗粒含量多的情况下,浑水具有很高的切应力,足以支撑最粗的颗粒使之不下沉,全部泥沙颗粒均匀分布于水体中,形成均质的浑水整体流动。可以看作是水与泥沙均匀混合而成的浑水,而不是水沙两相流。②非均质浑水水流。在含沙量还不够高,或细颗粒含量不够多的条件下,浑水的切应力不足以支撑全部颗粒不下沉。有下沉趋势的粗颗粒泥沙输移仍有赖于水流的紊动,整个水流可以看成是清水与细颗粒泥沙混合而成的均质浑水挟带粗颗粒泥沙运动。

高含沙水流中的泥沙形成的絮状结构高含沙水流中的泥沙形成的絮状结构

高含沙水流运动较为特殊,在高含沙水流经过的河道其河床演变也有一定的特点:①在一定的水沙条件和河床形态条件下,水流可以保持很高的挟沙能力,使泥沙能够远距离输送而不淤积。②当维持高含沙水流远距离输送的条件无法维持时,河道往往会出现大冲大淤,泥沙主要淤积在滩地上,冲刷主要发生在主槽中。③高含沙水流与河床相互作用造成水流不稳定现象,给防洪带来威胁。水流不稳定现象表现为水流底层流速减小或停滞,在底部形成停滞层。由于来水继续行进,从而使水深加大,水位上涨,造成比降和流速增加,进而破坏了形成的停滞层,又使水深变小,水位降低,周而复始,出现水流流动和停滞的间歇现象。这样就在一段时间内出现了水流不稳定现象。这种周期性的水位起伏变化,称为阵流  

  • 张瑞瑾.河流泥沙动力学.北京:中国水利水电出版社,1998.
  • 钱宁,万兆惠,钱意颖.黄河的高含沙水流问题.清华大学学报,1979,19(2):1-17.

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