当泥沙以群体形式运动时,以滚动(包括层移)、跃移形式运动的统称为推移质(bed load),以悬浮形式运动的则统称为悬移质(suspended load)。床面上的静止泥沙称为床沙(bed material)。所有的泥沙颗粒都以一定的转移概率分别经历这三种运动形式,而处于在各种运动状态上的概率依其粒径大小和水流条件而定。推移质主要在河床附近运动,因此称为“底沙”,相应地悬移质称为“悬沙”。
关于推移质和悬移质之间的区别,主要有以下几点:
(1)运动规律的不同。即按重量计的单宽输沙率与水流剪切力τ0之间的关系,对推移质和对悬移质是完全不同的。悬移运动使输沙效率提高。根据长江宜昌水文站实测资料,葛洲坝工程蓄水前的多年平均卵石推移质输沙量为75.8万t,沙质推移质输沙量为878万t,而悬移质输沙量为5.15亿t。
(2)能量来源的不同。推移质运动包含固体之间的碰撞、滚动摩擦等作用,直接消耗水流的时均能量,增加水流阻力(即边界上的平均切应力)。悬移质运动效率之所以较高,是因为它所消耗的是水流的紊动能量而非时均能量,对水流阻力的影响是间接的、复杂的(细颗粒悬移质有可能减少水流的阻力)。
(3)对河床作用的不同。悬移质增加水的容重而用静水压力作用于河床,推移质则通过粒间离散力直接与河床发生作用。推移质运动与床面形态的形成密切相关。
推移质和悬移质的运动对河道演变有着重要的作用。对河道演变作用最大的是推移质,以及悬移质中较粗的部分。在冲淤平衡河段中人为切断推移质来源,将影响冲积河流的河床稳定。以葛洲坝工程坝下河段为例,工程竣工蓄水后,宜昌水文站沙质推移质输沙量减少了83%,卵石推移质输沙量减少了48%,而同河段中水流挟沙力变化不大,引起输沙率的自动调整,造成该河段河床冲刷下切。除此以外,推移质与悬移质在实际造床过程中的区别还包括:
弯道演变:弯道的泥沙运动与螺旋流密切相关。表层含沙量较小的水流流向凹岸,并冲刷河岸,然后挟带泥沙潜入河底,而底部推移质泥沙则在螺旋流的作用下由凹岸运动到凸岸,并产生沉积。凸岸边滩(point bar)的形成是推移质在环流推动下形成的。悬移质则大部分下泄。
库区淤积:在典型的三角洲淤积形态中可以自上而下分为:尾水段、顶坡段、前坡段、坝前淤积段等4个部分。尾水段以推移质淤积为主,包括悬移质中的粗颗粒;顶坡、前坡段,以悬移质淤积为主;坝前淤积段以悬移质中的细颗粒和异重流淤积为主。
对床沙和悬沙的级配曲线进行分析可以看到,实际河流中某个特定河段内、特定的水流条件下,悬移质中粒径较粗的泥沙是在河床中大量存在的,而粒径较细的一部分泥沙是床沙中少有或没有的,前者称床沙质(bed material load),后者称冲泻质(wash load)。换句话说,床沙质就是不断与河床上的泥沙进行交换的泥沙群体,从单个颗粒的角度来看,床沙质也即在静止、推移、悬浮三种运动状态中不断转移的泥沙颗粒。而冲泻质则在该河段特定的水流条件下,基本上保持悬移状态不变,不与河床上的泥沙进行交换。对于正在河段中输运的泥沙沙量,可按输运方式、颗粒粒径、来源、造床作用等划分为不同的部分,如表1-21。
表1-21 泥沙输运量划分方法
冲泻质概念的雏形最早由C.P.Vetter于1937年提出。后经许多学者如W.M.Griffith、H.A.Einstein等的研究得到进一步发展。一般认为,冲泻质由悬移质中较细的那部分泥沙组成,它们基本上不参与造床,在床沙组成中没有或者很少,其输沙率主要取决于上游来量而与本河段水流条件无明显关系,它们因往往一泻千里而得名冲泻质。
床沙质及冲泻质在造床中起的作用不同。床沙质又称造床质,冲泻质又称为非造床质。床沙输移特性及与河床的关系为:随着水力条件的不断变化,床沙质泥沙不断与床沙交换,不断调整输移量,使之与挟沙力相适应,或者说使之与挟沙力达到最大限度的适应,并不断调整着冲积河流的河床形态。冲泻质特性及其与河床关系为:在特定河段和特定时段内,冲泻质输移量和水力条件几乎不存在关系,而只取决于流域产沙或上游来沙。以往的一些研究认为,在研究河段的河床组成物质中,绝大部分颗粒的粒径都较冲泻质泥沙粒径为粗,即冲泻质与床沙几乎不发生交换,因此对河床形态影响很小。但实际上,冲泻质泥沙在一些河流的输沙量中占很大比重,对多沙河流的河床演变作用不容忽视,多沙河流的冲泻质与床沙质经常通过冲淤而相互转化。(www.daowen.com)
床沙质和冲泻质之间的密切关系首要表现是,两者的分界粒径随着当地水力条件的变化而不断地变化。水力条件变弱,部分冲泻质转换为床沙质,分界粒径变小;水力条件变强,部分床沙质可转变为冲泻质。事实上,床沙质与冲泻质并不存在绝对的界限。许多研究人员进行了床沙质及冲泻质的输沙规律及划分方法的研究(例如钟德钰等1998a,1998b)。应当注意床沙质和冲泻质只是相对于某特定河段、特定的水流条件而言的。在本河段上的冲泻质,随着河流水力因素的变化(如坡降的变缓、水流强度的减弱等),在下游河段上就可能与河床上的泥沙发生交换而成为床沙质。即使在同一河段上,同一粒径的泥沙随着水流条件的改变也会分别属于床沙质或冲泻质,所以冲泻质、床沙质的划分与水流条件等有密切关系。
区分床沙质与冲泻质的一般方法是取床沙质级配曲线上与5%相对应的粒径,作为床沙质与冲泻质区分的临界粒径,或以悬浮指标z=ω/(κu*)的数值区分,z=0.06为区分床沙质与冲泻质的界限,z=4为区分悬移质与推移质的界限。这种经验分界方法只是长时期内的一种平均的粗略的方法。随着对实际河流、水库泥沙冲淤研究的发展,人们发现冲泻质与床沙质泥沙的分界粒径与水流强度密切相关,水流愈强,此分界粒径愈粗,且随着水流强度的时空变化而变化。
王尚毅、Bagnold(1962)根据泥沙运动能量来源及能量耗散,分别提出了判别冲泻质的自动悬浮假定。该假定认为当某粒径泥沙消耗的紊动能可以从泥沙所增加的势能中取得补偿时,这种粒径的泥沙就是冲泻质,不管流域来多少都可以被水流所挟带。根据所谓“自动悬浮理论”,对于河段上流速为U和水力坡降为J的情况,沉速ω满足ω≤UJ的泥沙颗粒即为冲泻质。
河流中的冲泻质存在,对泥沙输运的研究造成的问题主要是冲泻质的数量不能从本河段的水流条件和河床表层的组成条件确定下来,即输沙率无法计算。冲泻质的数量主要受上游来量控制。这样,在某河段上,由于上游冲泻质来量的变化,同一水流条件下包括冲泻质在内的总输沙率就会不同,造成流量—输沙率关系的散乱。钱宁通过试验后认为冲泻质与床沙质一样也有挟沙能力,其值也和水流强度及粒径密切相关,若在床沙组成中含有一定比例时,也和床沙比例密切相关,还认为冲泻质与床沙质遵循完全相同的输运规律,理论上完全可以用以计算床沙质挟沙力相同的公式来计算冲泻质挟沙力。但由于输沙过程中河床上冲泻质供应条件变化波动极大,使得冲泻质的流量—输沙率关系不明确(钱宁、万兆惠,1983,130-135页;Einstein&Chien,1953)
床沙质及冲泻质的不同特点可以总结成表1-22(钱宁、万兆惠,1983)。
表1-22 床沙质与冲泻质的基本性质
续表
【注释】
[1]芦汉才、李浩麟,轻质模型沙试制及特性试验,南京水利科学研究所,1963。
[2]见中国水利学会泥沙专业委员会,泥沙模型报告汇编,泥沙模型试验技术经验交流会,1978年,北京。
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