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1、08 3 5 2周 三08 3 7 2周 五08 3 10 3周 一 1 第二章推移质运动 本章内容简介 2 泥沙的运动形式泥沙的起动沙波运动冲击河流的阻力推移质输沙率 2 1 1 2 1泥沙运动的形式 xe 第二章推移质运动 泥沙的运动形式按运动形式分类 2 1 1 2 1泥沙运动的形式 xe 第二章推移质运动 运动形式随水流条件的变化情况 接触质 流速较大但不太大 泥沙颗粒发生运动 主要形式为滑动和滚动 始终与床面保持接触 为数不多 图2 1 跃移质 流速增大 如滚动的泥沙处在上举力突然较大之处 会突然跳跃起来 进入流速较大的水流区 挟带一定距离后 在重力和向下漩涡的作用下重新回到床面 如
2、再遇同样水流条件会重复以上过程 主要以跳跃的形式前进 这是推移质运动的主要形式 图2 1 层移质 流速达到一定限度 河床表面泥沙作剪切运动 泥沙成层的移动或滚动 图2 1 悬移质 流速超过一定数值 紊动强度加强 水流中充满了大小不同的漩涡 漩涡尺寸大于粒径 向上分速大于沉速 此时 跳跃中的泥沙会进入主流区随水流同速前进 图2 1 2 1 1 2 1泥沙运动的形式 xe 第二章推移质运动 推移质和悬移质的相对性 悬沙 底沙 床沙 推移质和悬移质不能绝对分开 之间存在交换 从河底到水面 泥沙是连续的 中间有交错部分 泥沙分布具有连续性 悬沙中较粗的颗粒与推移质中较细的颗粒交错 悬沙时而滚动 底沙也
3、时而悬浮 悬沙与底沙存在着交换 水流较弱时 悬沙 底沙水流较强时 底沙 悬沙 运动泥沙与静止泥沙发生交换 悬沙 底沙 床沙 底沙 悬沙 2 1 1 2 1泥沙运动的形式 ye 第二章推移质运动 推移质和悬移质物理本质上的区别 推移质和悬移质不仅运动形式和位置不同 且存在物理本质上的区别 运动规律不同 推移质 运动取决于泥沙跳离床面时的受力情况 悬移质 运动不仅取决于泥沙跳离床面时的受力情况 还受悬浮作用的影响 2 1 1 2 1泥沙运动的形式 ye 第二章推移质运动 推移质和悬移质物理本质上的区别 能量来源不同 浑水能量 水流势能 水流紊动动能 泥沙势能推移质 能量来源于水流势能 水流带动 将
4、水流的势能转化为泥沙动能 悬移质 能量来源于水流紊动动能 紊动动能为水流势能转化为热能的过渡形式 2 1 1 2 1泥沙运动的形式 2 1 第二章推移质运动 推移质和悬移质物理本质上的区别 对河床的作用不同 推移质 颗粒碰撞产生剪力 向上的离散力支持底沙的重量 向下的离散力 使河床受到向下的压力 增加河床稳定性 影响河床颗粒本身 悬移质 漩涡动量产生力支持泥沙重量 同时增加容重 加大静水压力 可传递到河床孔隙间的水体 影响河床颗粒间的水体 2 2 2 2泥沙的起动 xe 第二章推移质运动 研究历史 1753年 布朗姆斯 Brahms 提出VC与重量的1 6成正比1914年 福煦海默尔 Forc
5、hheimer 讨论了泥沙级配 分选和粗化等对VC的影响1936年 希尔兹 Shields 通过量刚分析提出Shields起动曲线1950 1960年 莱恩 Lain 将起动拖曳力的概念应用到渠道设计中之后 许多学者对均匀沙 非均匀沙 粘土等的起动进行了大量的研究 2 2 2 2泥沙的起动 xe 第二章推移质运动 研究的意义 航道工程设计用 如束水攻沙等 坝前泄水拉沙设计用泥沙运动规律研究的基础 如大多输沙率公式均有此参数 2 2 1 1 2 2泥沙的起动一 泥沙起动的判别标准 xe 第二章推移质运动 泥沙的起动条件 起动条件 河床表面上的泥沙颗粒由静止状态转化为运动状态时的临界水流条件 称为
6、泥沙起动条件 一般有三种方法或称为三种参数表示 起动流速Uc起动拖曳力 临界拖曳力 tc起动功率Wc 2 2 1 2 2 2泥沙的起动一 泥沙起动的判别标准 xe 第二章推移质运动 泥沙起动的随机性 泥沙颗粒大小 形状 方位 排列均有随机性 水流本身具有脉动 脉动本身就是随机的 受其它颗粒掩盖的随机性 受力情况的随机性 泥沙组成的非均匀性 无明显的临界粒径 2 2 1 3 2 2泥沙的起动一 泥沙起动的判别标准 ye 第二章推移质运动 起动的判断标准 缺点 定性不定量 不同的人 即使是同一人在不同的情况 判断的结果差异较大 起动的随机性 确定起动条件的困难性 目前还无一致的起动标准 克雷默的定
7、性标准 他将推移质运动划分为四个阶段 无泥沙运动 泥沙完全静止 轻微的泥沙运动 个别可数的泥沙运动 中等强度的泥沙运动 D50的泥沙已运动 普遍的泥沙运动 床面已经变形 2 2 1 3 2 2泥沙的起动一 泥沙起动的判别标准 ye 第二章推移质运动 起动的判断标准 亚林 Yalin 的颗粒数标准 缺点 颗粒难以数清 作为一个标准 应为一常数 但当D2 10D1 则需很大的A或t m t时间内从床面面积A内冲刷外移的沙粒颗数 2 2 1 3 2 2泥沙的起动一 泥沙起动的判别标准 ye 第二章推移质运动 起动的判断标准 窦国仁的概率标准 缺点 需要知道起动底流速 2 2 1 3 2 2泥沙的起动
8、一 泥沙起动的判别标准 一 第二章推移质运动 起动的判断标准 输沙率标准 目前常用目测和输沙率 理论上应该F 0作为标准 但无法判断 故取F 0 02 2 2 2 1 2 2泥沙的起动二 无粘性均匀沙起动流速公式 xe 第二章推移质运动 泥沙受力分析 滚动模式 有效重力W 拖曳力FD 上举力FL 2 2 2 2 2 2泥沙的起动二 无粘性均匀沙起动流速公式 ye 第二章推移质运动 受力计算 有效重力W 2 2 2 2 2 2泥沙的起动二 无粘性均匀沙起动流速公式 ye 第二章推移质运动 受力计算 拖曳力FD 2 2 2 2 2 2泥沙的起动二 无粘性均匀沙起动流速公式 xe 第二章推移质运动
9、受力计算 上举力FL 2 2 2 3 2 2泥沙的起动二 无粘性均匀沙起动流速公式 xe 第二章推移质运动 起动底流uoc公式的推导 通常不用底流uoc作为起动流速 而用垂线平均流速Uc作为起动流速 uoc Uc 2 2 2 4 2 2泥沙的起动二 无粘性均匀沙起动流速公式 ye 第二章推移质运动 起动垂线平均流速 起动流速Uc 公式的推导 指数流速分布公式 图 2 2 2 4 2 2泥沙的起动二 无粘性均匀沙起动流速公式 ye 第二章推移质运动 起动垂线平均流速 起动流速Uc 公式的推导 u0c作用位置的确定 y0c aD 2 2 2 4 2 2泥沙的起动二 无粘性均匀沙起动流速公式 xe
10、第二章推移质运动 起动垂线平均流速 起动流速Uc 公式的推导 Uc的确定 下一步任务是如何确定h 2 2 2 4 2 2泥沙的起动二 无粘性均匀沙起动流速公式 二 第二章推移质运动 多家起动流速公式 沙莫夫公式 沙莫夫试验获得h 1 44 m 1 6 刚恰洛夫公式 刚恰洛夫采样对数流速公式 试验得到 2 2 3 1 2 2泥沙的起动三 无粘性均匀沙起动拖曳力 ye 第二章推移质运动 起动拖曳力概念 下一步任务 如何利用前面的起动流速Uc换算tc 起动拖曳力 泥沙处于起动状态的床面剪切力t0 t0计算式 2 2 3 1 2 2泥沙的起动三 无粘性均匀沙起动拖曳力 xe 第二章推移质运动 起动拖曳
11、力概念 对数流速分布公式 2 2 3 2 2 2泥沙的起动三 无粘性均匀沙起动拖曳力 xe 第二章推移质运动 起动拖曳力的推导起动时 y aKs 2 2 3 3 2 2泥沙的起动三 无粘性均匀沙起动拖曳力 三 第二章推移质运动 Shields 希尔兹 曲线及其特点 曲线为马鞍形 中间低 两边高 图 Re 10时 Re 2时 曲线为斜率 1的直线 此时 Re 1000时 曲线基本水平 此时 请思考 是否是泥沙粒经越小越容易起动 是否与矛盾 2 2 4 1 2 2泥沙的起动四 粘性泥沙起动流速公式 xe 第二章推移质运动 粘性沙受力特点 粘性沙除了受水下重力 拖曳力和上举力以外 还受粘结力作用 粘
12、结力 因细颗粒泥沙的双电层结构 存在束缚水引起 张瑞瑾 粘结力是束缚水不传递静水压力N1引起 图2 5 唐存本 粘结力是沙粒表面与粘结水之间的分子引力N2引起 窦国仁 二者均有原因 N1 N2 受力情况 无粘性沙基础上多两个阻碍起动的力 图 2 2 4 2 2 2泥沙的起动四 粘性泥沙起动流速公式 四 第二章推移质运动 粘性沙起动流速公式 采样滚动模式的力矩平衡推导 图 多家公式 窦国仁 张瑞瑾 唐存本 比较结论 细颗粒各家比较接近 较粗颗粒差异较大 不知谁好 2 2 5 1 2 2泥沙的起动五 与泥沙起动有关的几个问题 xe 第二章推移质运动 非均匀沙的起动 特点 大小颗粒之间的隐蔽掩护 大
13、的起动小的并不一定起动 计算方法 目前研究不成熟 通常采用代表粒径法 如Dm D50等分级粒径法 起动流速与起动拖曳力公式的比较 受力确定性方面采用起动拖曳力好 但应用不便 因需要U 2 gRJ 而J通常难以测量 应用性方面采用起动流速好 因流速容易量测 精度较高 目前多用起动流速 2 2 5 3 2 2泥沙的起动五 与泥沙起动有关的几个问题 2 2 第二章推移质运动 砾石与卵石的起动 砾石与卵石的起动 砾石 卵石的形状 扁平度 以及排列方式对起动影响较大 需深入研究 可针对不同的具体河段进行研究 如现有寸滩公式等 止动流速Uc 扬动流速Uf 概念 泥沙由运动状态到悬浮状态的临界垂线平均流速
14、计算方法 概念 泥沙由运动状态到静止状态的临界垂线平均流速 计算方法 通常采用Uc KUc计算 K 1 沙莫夫 K 0 71 列维 K 0 83 2 3 0 2 3沙波运动 xe 第二章推移质运动 沙波 沙波运动是水流强度达到一定强度后 推移质运动的集体形式 此时 床面呈起伏不平的波浪形态 是推移质运动的主要形态 是构成河床地形的基本元素 对河道水流结构 河道阻力 泥沙运动 河床演变均有重要影响 2 3 1 1 2 3沙波运动一 沙波形态与运动状态 xe 第二章推移质运动 沙波纵剖面形态 波峰 波谷 波长 相邻两波峰或波谷间的距离 波高 波峰与波谷间的垂直距离 迎水面 较平坦 背水面 较陡 略
15、大于水下休止角 2 3 1 2 2 3沙波运动一 沙波形态与运动状态 xe 第二章推移质运动 沙波的平面形态 带状 顺直 沙波 图 断续蛇曲 弯曲 状沙波 图 新月形沙波 图 舌状沙波 图 新月形沙波和舌状沙波皆成鱼鳞状 故合称沙鳞 波峰线平行 且与水流方向垂直或略斜交 沙波形成初期常见 线成不规则曲线 时断时续 大致与水流方向垂直 天然河道常见 排列较整齐 单行与双行彼此交错 波峰凸向上游 如上弦月 天然河道常见 与新月形相似 但波峰凸向下游 如下弦月 2 3 1 3 2 3沙波运动一 沙波形态与运动状态 xe 第二章推移质运动 沙波床面上的水流状态 水流强度分布不均 迎水面加速区 背水面减
16、速区 U峰 max U谷 min 背水面常产生平轴漩涡 漩涡的上下端出现两个滞流点 即U 0 于A1 A2 A1与A2之间的沙波表面的流速为负值 2 3 1 4 2 3沙波运动一 沙波形态与运动状态 xe 第二章推移质运动 沙波对河床的水选作用 迎水面加速区的泥沙翻过波峰后 极细泥沙输向下游 较粗颗粒落淤回到波谷区 其中细沙在负流作用下向上游输移 粗沙则留下 因此形成上细下粗的现象 发生所谓的水选作用 2 3 1 5 2 3沙波运动一 沙波形态与运动状态 一 第二章推移质运动 沙波的整体运动 迎水面冲刷而逐渐下移 背水面淤积而逐渐向前延伸 导致整个沙波徐徐向下游推进 但U沙波 U流 2 3 2 0 2 3沙波运动二 沙波的产生和消亡 xe 第二章推移质运动 沙波的产生和消亡的过程 依据不同的水流条件存在静平整 沙纹 沙垄 动平整 沙浪 碎浪 急滩和深潭等阶段 2 3 2 1 2 3沙波运动二 沙波的产生和消亡 xe 第二章推移质运动 静平整 U Uc 床面平整 沙纹 U Uc 泥沙起动 少量聚集成沙丘 然后移动加长 彼此连接形成形状及其规则的沙纹 迎水面长而平 背水面短而陡 尺度较小
