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1、第二章推移质运动 研究泥沙起动的方法 起动现象一颗静止于床面上的泥沙，所受的力主要是水 流促使其起动的力和床面阻止其运动的力。假定水流的作用力只有水平分量和垂直分量， 则泥沙在其水下重力、水流作用力和床面反力 的综合作用下，因其位置不同而可能发生滑动 、滚动或跃移，甚至会发生层移。 泥沙起动的随机性？ 一颗静止于床面上的泥沙，所受的力? 第一节 泥沙运动的形式悬移质推移质- 接触质、跃移层、层移质床面层-河床表面13倍的D悬移区悬移质床面层 接触质及 跃移质河床床沙悬移区悬移质床面层 接触质及 跃移质河床床沙层移区层移质第二节泥沙的起动 一、泥沙起动的判别标准二、无粘性均匀沙起动流速公式K1
2、dFD+ K2 dFL = K3dW（2-5）将u0c转换成垂线平均流速UC2-92-6?近年在研究三峡工程中提出起动概念瞬时推移力和上举力表达式瞬时起动力矩：M= K1 dFD+ K2 dFL 三、无粘性拖曳力拖曳力-指泥沙处于起动状态的床面剪切力。由滚动方式得临界起动点流速 垂线流速分布采用的对数流速分布公式（2-14）（2-5）式中：KS=f(D),换一方式表达u0 将（2-15）代入（2-5）取平方， 考虑到（2-15）取y=AKS代入（2-14）式(2-16)(2-17)？ 从力的平衡推导泥沙临界起动切力（以滑动方式）所受的力：垂线流速分布用对数型：取yD代入(4)，（1）（2）（3
3、）（4）（5）把（2）、（3）、（5）代入（1）考虑到（6）（6）式简化为（2-17） 特点 Re*1000,无量纲临界起动切应力接近常数 计算方法 辅助尺子 以 参数，斜率为2的辅助线。 对于颗粒粒径为D所对应的辅助线，试证明：由辅助线 上任一点的纵坐标反算出为U*值必等于根据其横坐标反 算得到的U*值。 取D对应的辅助线，它与横线 的交 点坐标为 。 在该条辅助线上另取一点A，其纵、横坐标 值分别为A、Re*A，则有-(*1)-(*2)四、粘性泥沙的起动流速公式将各系数代入可得瞬时起动底流速受力分析：重力、上举力、推移力、粘结力（水对床面 颗粒的下压力、颗料间分子粘结力）。动力平衡为力矩平
4、衡（滚动方式起动）:请列出平衡方程？利用对数流速分布公式形式，将时均起动底流速转化成 以垂线平均流速的关系形式：窦国仁公式张瑞瑾公式唐存本公式沙玉清公式统一的公式形式泥沙起动的规律？有关说明：1、对于粗颗粒（卵石）-考虑卵石形状因素的起动问题。2、非均匀沙起动混合沙起动：是不稳定的。需要考虑大颗粒对小颗粒的隐 蔽作用、大颗粒暴露于河床、冲淤过程中的粗化和细化。对床沙粗化及隐暴作用的起动流速，钱宁提出了隐蔽系数 的概念。非均匀沙各个粒径的起动流速公式（秦荣昱）：非均匀沙中细颗粒较均匀沙难起动，粗颗粒较均匀 沙易起动。 3、细颗粒泥沙（1）大水深下粘性细颗粒的起动问题（2）细颗 粒成团起动问题 4
5、、起动流速与起动拖曳力 5、止动流速岗恰洛夫K=0.71沙莫夫、窦国仁K=0.83 6、扬动流速-沙玉清公式第二节沙波运动一、沙波的形态 1、平面形态 2、纵剖面态 3、关注问题：（1）、沙波的两个重要现象一是沙波对床沙的分选作用；另一是较粗泥沙运动的间歇性。（2）、沙波表面水流泥沙运动方式二、沙波的产生和消亡三、沙波尺度张瑞瑾长江流域办（2-37）（2-38）四、河床形态判别 判别河床形态，即要判别沙波发展所处的阶段。 希尔兹数 反映了水流促使泥沙运动的力和床沙抗拒运动的力的比值。这个数越大，泥沙可动性越强，因此它是一个描述泥沙从不动到运动、从微动到大动的重要指标。 Re*直接反映床沙高度与
6、粘性底层的厚度之比，可以间接衡量水流促使泥沙运动的力与粘滞力的比值。而沙纹的产生可能与粘性底层有关。是决定沙纹运动的参数。 Re*11.7不再形成沙纹。 弗汝德数是惯性作用与重力作用的对比，决定了水流流态，流态又影响沙波的发展。对于运动与水深和流速沿程变化相关的沙垄的发展具有十分重要意义。 此外还有U*/，U/Uc，h/D等一定程度上也反映了沙波运动和水流泥沙条件的关系。刘心宽：水流对泥沙的冲刷力F1=C1AU*泥沙对水流的抗拒力F2=C2 AF1= F2，泥沙开始起动。出现沙纹的临界条件为第四节冲积河流的阻力回顾水力学中阻力问题关系式。一、床面阻力和河岸阻力的划分水力半径分割法假定能坡不变(
7、2-44)(2-46)二、沙粒阻力与沙波阻力什么是沙粒阻力？沙粒阻力：直接作用于泥沙颗粒上，引发推移 质的运动和床面形态的变化（形成沙波），它 是水流与泥沙颗粒本身之间的直接作用的结果 。当床沙运动但没有沙波（动平整床面）时，阻 力完全由边界非滑移条件及颗粒绕流包括水流 直接做功使推移质运动）所产生，此时沙粒阻 力等于全部阻力。 什么是沙波阻力？ 沙波阻力又称形态阻力，是沙波背水面水流运动边 界层的分离，所产生的较大尺度的紊动。 沙波阻力引起的时均能量消耗对推移质运动没有贡 献，但转化为紊动动能而支持了悬移质运动。 动床阻力=沙粒阻力+沙波阻力水力半径分割法三、动床阻力1、爱因斯坦-水力半径分
8、割法对沙粒阻力光滑床面粗糙床面床面无沙波床面有沙波床沙均匀Ks=D,河床组成不均匀Ks=D65上式中包含了两个未知数U，（2-58）试推证 ？Einstein水流参数 是Shields数的倒数 。 参数 在1.650，水流处于低能态区，床 面形态以沙垄为主。 小于1.6时，水流处于 过流区至高能态区，沙垄将拉平，或出现逆 行沙垄，沙波阻力较小。 一般认为沙波阻力是与沿床面的输沙率有关 的函数，Einstein根据野外实测资料，提出 图2-12.计算步骤： 先假定R，用式（2-60）计算 用图2-12查得U/U”*，再取Ks=D65,用（2-58）计算 U; 计算U* R” 检验R=R” +R（
9、*） 如果（*）式成立，所假定的R正确，此时计算的U 为所求值，否则重新调整R，直到（*）式成立。 思考题已知：梯形断面渠道，底宽5m，边坡为1：2 ，流量40m3/s，坡降万分之二，泥沙比重2.65，水 流运动粘滞性系数10-6m2/s,粒径D35=0.4mm，D65 =0.7mm，试用Einstein方法求水深。2、恩格隆（Engelund,F)方法沙粒阻力计算公 式（定床）动床情况下沙粒阻力计算式上式中D主要表达床面的粗糙度，而粗颗粒泥沙对 阻力影响较大，对于不均匀沙有：上式中包含了两个未知数U，（*1）引入无因次参数：用实验手段，建立有推移质和无推移质运动时无因次参数之间的关系- 。上
10、式中非均匀沙用D35取代D。综合无量纲剪切应力计算步骤：根据Rb、J及D35计算用图确定 ，从而求得将D35、J及 代入（*1）式中，计算平均流速U沙粒引起的无量纲剪 切应力=f()4、李昌华整理 长江、黄河 、赣江资料3、钱宁整理 黄河资料 对于二维流动，认为能坡损失完全由床面阻力引起（不 计边壁阻力引起的能坡损失）。设沙波波长为L，在一个 波长范围内的水力坡降.J是由沙粒阻力引起的坡降，J是由局部突变引起的损失5、能坡分割法综合无量纲剪切力沙粒阻力的无量纲剪切力沙波阻力的无量纲剪切力上式两边同乘第五节 推移质输沙率 推移质输沙率（Gb ）单位：kg/s 单宽推移质输沙率（gb ）单位：kg
11、/(s.m)一、以垂线平均流速为主要参数的公式基本思想：水力因素（流速）是影响推移 质输沙强度的主要因素。关系：成正比。（2-68）1、列维公式单位：kg.m.s 范围：D=0.2523mm;h/D=5500;U/Uc=1.03.52、沙莫夫公式适用范围：D0.2mm;单位：kg.m.s3、窦国仁公式4、岗恰洛夫公式1962年早期二、以拖曳力为主要参数的公式 1、杜波依斯（P.DuBoys)1879 2、梅叶-彼德宽浅河槽公式梅叶-彼德公式特点：资料范围广，经验公式。根据初步试验资料，找出只包括单宽推移质输沙率、单宽流量、比降及泥沙粒径等几个简单因子的经验公式，然后把这样的结果应用到比较复杂的
12、情况中，找出偏差和原因。再把这样的因素孤立起来，研究其对输沙率的影响。修正系数说明但实验看指数 取3/2较好。三、根据能量平衡观点建立的公式水下重量计Bagnold,R.A.从能量平衡入手：单位床面面积上推移质的水下重量。单位时间搬运泥沙所做的功=单位床面上水流提供的功= 单宽推移质输移的能量平衡式： 需要的功=提供的有效功 基本出发点：假定推移质以跳跃方式起动，这种跳跃是由于固体颗料与床面发生碰撞的结果。碰撞后，沿水流方向出现动量减量。但在此之后，由于受水流作用，到下一次再与河底碰撞时，其沿水流方向的动量又恢复到原来的状态。从分析单个颗粒跃移过程与水流相互作用入手。固体颗粒在一次跳跃过程中所
13、受水流平均作用力：通过对跳跃全过程的多次曝光摄影，可以确定碰撞后沿水流方向的速度减量及泥沙颗粒一次跳跃的历时T。此法可以确定tga为0.5 。与泥沙水下摩擦系数0.63接近。假定跳跃全过程中泥沙平均受力中心至河底距离为yn=nd，采用对数流速分布，作用点流速uyn和y点处垂线平均流速Uy关系为假设单位床面上的推移质共n颗，纵向推移的阻力系数为c，垂向沉降阻力系数为c。水流对泥沙的实际作用流速为ur=uyn-us取tga =1,不计加速度对阻力系数的影响，取c=c,因推移质输移功率应与有效水流功率相等，则式中n的函数关系根据推移质输沙率资料求得设河底剪力 中仅有一部分用于推移泥沙，即取 窦国仁公
14、式-引入了止动流速冲淤平衡能量平衡n1 研究床面范围内有泥沙个数n2 研究床面范围内是移走的泥沙个数n 3 是研究床面范围内床面上运动的泥沙个数m 泥沙平面密实系数。将上式中n3代入后化简得推移质输沙率实质决定于泥沙在床面停留的久暂。从随机性出发，应用统计理论研究大量泥沙在一定水流下的运动。泥沙被水流带起的概率决定于泥沙性质及床面近处的流态与泥沙过去历史无关，瞬时上举力大于泥沙有效重力泥沙起动，泥沙在床面各处起动概率相同；泥沙运动的单位步距离决定于泥沙大小及形状与水流条件、床沙组 成及推移质输沙率无关，约为沙粒直径的100倍。泥沙落淤概率床面各处一样。四、根据统计法则建立的公式五点基本假定：
15、一、泥沙冲刷外移的概率与推移质输沙率的关系1、单位面积上泥沙的沉积率 基本假设：沉积率与颗粒平均运动距离有关系p：水流上举力大于沙粒水下重量那部分泥沙占床面泥 沙的百分比泥沙平均运动距离计算示意图：假定单位时间内进入起始断面的有N颗泥沙，在完成第一个行程的过程中，只有N（1-p)颗沙粒在 d 距离内落淤。N颗泥沙运行的总距离L，应等于经历不同行程的泥沙各自运行距离的总和 。泥沙的平均运动距离2、泥沙的冲刷率泥沙被举起完全脱离床面所需要的时间t泥沙自床面冲刷外移的条件取决于有多少 泥沙满足FL W 及其概率的大小单位床面上泥沙总数=1/a2D2 ,质量=3、输沙平衡条件：泥沙沉积率=泥沙的冲刷率单位床面上泥沙冲刷率上式中：于是有： （2-85）（2-85）反映了泥沙冲刷外移的概率与推移质输沙率的 关系。方程中p和gb均未知。因此，还需要从另一途径 寻找p和gb关系。 二、泥沙冲刷外移的概率与水
