CH4：推移质运动及动床阻力

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1、近期三峡泥沙问题 2003年三峡蓄水以来，三峡工程的生态和环境影响一 直是牵动世界的敏感神经，传言、怀疑和揣测纷纷涌 来，长江下游城市天气的异常、九江的地震等等都与 之扯上了关系。最近的一次联系则是长江湖南、湖北 段干堤的强烈崩岸，如岳阳江段崩岸 、洪山头镇的 “ 天字一号”崩岸 、长江荆江段成崩岸重灾区。这些崩 岸与三峡蓄水的关系如何？ 三峡蓄水提高到至 米后，三峡大坝何时再蓄水 至米的最终水位， 将遵循泥沙运动规律，根据 泥沙冲淤监测情况来决定。 随着三峡大坝全线 建成，大坝具备挡水能力，长江 挟带的上游泥沙将被大坝 拦截。随之而来的担忧是泥 沙淤积会不会使工程运行受影 响？上游的重庆等地

2、港 口会不会淤废？下游冲刷将达到什 么程度？ Ch3 推移质运动及动床阻力 3.1 泥沙起动的形式3.2 泥沙的起动3.3 沙波运动3.4 冲积河流的阻力3.5 推移质输沙率1. 泥沙起动判别标准2. 无粘性均匀沙的起动流速公式3. 无粘性均匀沙的起动拖曳力公式4. 粘性泥沙的起动流速公式1. 沙波形态与运动状态2. 沙波的产生与消亡3. 沙波的尺度与运行速度1. 床面阻力与河岸阻力划分2. 沙粒阻力与沙波阻力划分3. 动床阻力的计算 1. 以垂线平均流速为主的公式2. 以拖曳力为主的公式3. 根据能量平衡建立的公式4. 根据统计法则建立的公式5. 各种公式比较与选择3.1 泥沙起动的形式泥沙

3、起动概念：一、泥沙运动的形式.床沙：(河床)1.悬移质： (悬移区)2.推移质：(床面层)悬浮在水中运动，速度与水流速度基本相同 的泥沙。在河底附近，以滚动、滑动、跃动或层移等 形式前进，其速度小于水流速度的泥沙。河床上静止的泥沙。分接触质、跃移质、层移质三种。3.1 泥沙起动的形式推移质沙运动的形式接触质：跃移质：当水流速度足以使河床的泥沙颗粒发生运动 时，突出在床面上的颗粒，便以滑动或滚动 的形式向前运动。这种泥沙在运动中始终保 持着与床面接触，称接触质。在河底附近，以跳跃形式前进的泥沙。是推 移质的主要运动形式。当水流速度超过一定范围后，水流的作用不 只限于河床表面。河床表层以下的泥沙在

4、水 流拖曳力作用下，将成层移动或滑动，运动 速度逐次递减，称层移质。推移质床面层层移质：Ch3 推移质运动概述推移质泥沙在河床附近运动,常与床面泥沙 相互交换,时而由静止转为运动,时而由运动转为 静止伴随着推移质运动,床面还出现沙波.床面附 近这种泥沙运动及相应的床面形态,影响着河床 对水流运动的阻力,水流运动阻力的改变又反过 来影响泥沙运动。研究推移质运动，目的是建 立推移质输沙率公式，推移质输沙率公式和泥 沙运动的形式、泥沙起动、沙波运动、河道阻 力有关，本章将研究以上这些问题。3.1 泥沙起动的形式二、联系与区别联系：对同一个泥沙组成来说，在较弱的水流条件下，可以 表现为推移质；在较强的

5、水流条件下，可以表现为悬 移质。二者无明显分界线。推移质运动和悬移质运动间存在物理本质的差别。1. 运动规律不同：2. 能量来源不同：3. 对河床作用不同：区别：意义：推移质运动与河床冲淤变化息息相关，因此意义重大。3. 泥沙的起动泥沙起动条件：维持泥沙颗粒静止状态的平衡条件遭到 破坏，床面泥沙由静止状态转入运动状态的临界水流条 件。研究泥沙起动的意义：如水库下游泥沙运动泥沙起动条件可以用流速、拖曳力或功率来表示。用垂 线平均流速表示的，叫起动流速；用拖曳力表示的，叫起动拖曳力；用水流功率表示的叫起动功率。目前我国工程实践中多采用起动流速方式。泥沙起动复杂性：与水流条件、沙粒性质、泥沙组成等

6、。3. 泥沙的起动一、无粘性均匀沙的起动几个概念的说明：底U*反映了水流的紊动情 况，常用于泥沙研究。1、起动拖曳力分析希尔兹关系（曲线）3. 泥沙的起动1、无粘性均匀沙的起动切力c=Re*3. 泥沙的起动1、无粘性均匀沙的起动切力c3. 泥沙的起动1、无粘性均匀沙的起动切力3. 泥沙的起动1、无粘性均匀沙的起动切力c3. 泥沙的起动1、无粘性均匀沙的起动切力c2、起动流速 D 0. 2 m m, 各 公 式 差 别 较 大 。3. 泥沙的起动二、泥沙起动的有关问题： 1、泥沙起动的随机现象？ 2、判别标准 推移质运动的四个阶段（克雷默）？(1) 无泥沙运动：床面全部静止；(2) 轻微泥沙运动

7、：少数泥沙处于运动状态；(3) 中等强度泥沙运动：各处均有泥沙在运动；(4) 普遍的泥沙运动：各种大小泥沙均运动，床面外 形剧烈改变。3、泥沙的止动和扬动3. 泥沙的起动算例解答：在已知,d和的泥沙，问此时比降为J，水深为h 的河底，泥沙是否可以启动？ccc=3.3 沙波运动 沙波运动：泥沙颗粒在床面的集体运动。 沙波：推移质泥沙运动达到一定程度时，河床表 面出现起伏不平但又比较规则的波状起伏。对河 道水流结构、河道阻力、泥沙运动和河床演变均 有重要作用。迎水面背水面沙波的纵剖面图 带状沙波：波峰线基本平行并与流线垂 直，或略显斜交； 断续蛇曲状沙波：波峰线不规则，时断 时续，大致与流线垂直；

8、 新月形沙波：波高与波长基本相等，波 峰线形如上弦月； 舌状沙波：波峰线形如下弦月；3.3 沙波运动 一、沙波形态和运动特性 （1）几何特性；（2）水流运动特性；（3）阻力；（4）水流紊 动；（5）泥沙运动 迎水面加速区，冲刷区 背水面是减速区，淤积区，床沙的分选：“上细下粗” 产生沙波运动，向下游推进沙波对沙波中粗泥沙运动的间歇性3.3 沙波运动迎水面背水面沙波的纵剖面图沙波运动教学实验二、沙波的产生和消亡的几个阶段 静平整、沙纹、沙垄、过渡、动平整、沙浪、急滩与深潭。3.3 沙波运动二、沙波的产生和消亡的几个阶段 静平整：流速小于起动流速，泥沙不动 ，床面平整。 沙纹：流速增大，沙粒聚集最

9、后连接成 形状规则的沙纹。纵剖面不对称，迎水 面长而平，背水面短而陡，一般波高在 0.52.0cm，波长11.5cm。3.3 沙波运动二、沙波的产生和消亡的几个阶段 沙垄：受河流几何形态和尺寸的影响，波高从 1m到23m，波长从几米到100m 不等。3.3 沙波运动二、沙波的产生和消亡的几个阶段 过渡： 动平整：纱垄发展到一 定程度纱垄趋于衰 微流速增大床面恢复平 整波长渐大波高渐小3.3 沙波运动二、沙波的产生和消亡的几个阶段 沙浪：流速继续增大，弗劳德数Fr1，床面再一次出现 起伏，称沙浪。特点：沙浪起伏对称，流线基本与河床 平行，波峰后水流不分离，泥沙运动强度大，成层运动 。 顺行沙浪：

10、沙浪运动方向和水流方向一致。 逆行沙浪：沙浪运动方向和水流方向相反。黄河下游经常出现这种逆行沙浪。例如，土城子河段在中 水位以上时，全河宽500600m 内都会此起彼落地出现 沙浪，黄河上叫做“淦”。淦常表现为一连串的波浪， 波浪的数目多在620个，浪高多在13m，波长约在15m 左右。淦多为突发性的，常发生在落水阶段。经过十几 分钟的演化，徐徐消失。3.3 沙波运动二、沙波的产生和消亡的几个阶段 急滩与深潭： Fr1急 滩(急 流)深 潭(缓 流)流速增大 水 跃强烈冲刷严重淤积常见于山区性河流急滩 深潭3.3 沙波运动二、沙波的产生和消亡的几个阶段 小结：可分为2个明显阶段沙纹与沙垄恢复平

11、整或遗留沙垄痕迹沙 浪阶段1过渡阶段 一般河流常见常见沙纹与沙垄，沙浪、急滩与深潭较少见 天然河流中各种平面形态并存，并各自经历不同的发展过程 特定条件下，有的发展阶段不一定出现急滩 深潭阶段23.3 沙波运动三、研究意义 沙波是冲积河流阻力的主要组成部分之一 沙波的发展有时会引起HQ关系异常 根据沙波形态和运动速度计算推移质输沙率阻力小，流速大， 水深小深潭HQ逆时针顺套曲线阻力大，通过同级别 流量需要的水深增加四 床面形态态判别别和特性研究 决定沙波运动的无量纲数首推shields数= 沙纹的形成和发展与沙粒雷诺数有关； 沙垄发展与沙粒雷诺数和H/D有关。 一 沙波运动的判别准则 低水流能

12、态区的判别（静平整-沙纹-沙垄区）高水流能态区的判别：沙垄-平整-逆行沙垄3.4 冲积河流的阻力研究意义：冲积河流阻力决定了河道泄流能力与输 沙能力，反映了水流对河床作用力的大 小，是河流动力学中的一个重要问题。3.4 冲积河流的阻力 沙粒阻力 沙波阻力 河岸及滩面阻力 河槽形态阻力 人工建筑物外加阻力床面阻力，属于动床阻力一、天然河流的阻力3.4 冲积河流的阻力二、阻力单元的划分3.4 冲积河流的阻力二、阻力单元的划分(床面阻力与河岸阻力划分)3.4 冲积河流的阻力二、阻力单元的划分(床面阻力与河岸阻力划分) 例题 实验室玻璃水槽，B=0.8m，Q=136升/秒， 均匀流水深H=20m，J=

13、0.0036,槽底铺沙， 求床面糙率?3.4 冲积河流的阻力二、阻力单元的划分(沙粒阻力与沙波阻力划分)3.4 冲积河流的阻力二、阻力单元的划分(床面阻力与河岸阻力划分)3.4 冲积河流的阻力二、阻力单元的划分(沙粒阻力与沙波阻力划分)3.4 冲积河流的阻力三、动床阻力的计算3.4 冲积河流的阻力三、动床阻力的计算3.4 冲积河流的阻力三、动床阻力的计算2、沙波阻力的计算3.4 冲积河流的阻力三、动床阻力的计算x(注：x查图教材p28图2-3可得)Ks 例题 某河流床沙组成D35=0.0006m, D65=0.001m ， Q=149m3/s，比降J=0.0004,水力半径与 过水面积关系:

14、R(m) 0 0.58 0.92 1.13 1.25 1.33 A(m2) 0 50.0 100 150 200 250 忽略岸壁影响，用Eeinstein方法确定Rb?3.5 推移质输沙率 推移质输沙率Gb：一定的水沙条件下，河道处于冲淤平衡时，单位时间通过断面的推移质数量。单位:kg/s。 单宽输沙率gb ：推移质输沙率通常习惯用单位宽度的数量来表示，单位:kg/(m.s)一定的水沙条件下，河流只能输送一定的推移质，上游来沙如果超过本河段Gb就可能会淤积；反之则冲刷。对推移质的定量研究方法：采样法(代表性不好)、公式法（采用公式和实验结合） 习题4 某宽浅河道水深H=2米，比降J=0.0005,断 面平均流速V=0.8m/s，河床泥沙组成主要 有 0.25、0.5、1.0 、2.0、 5.0、16.0mm 在上述水文条件下，哪些沙粒处在运动状 态，分别采用下述三种关系式进行比较。 （取0.01cm2/s) (1)岗恰洛夫公式，（取d95=16mm) (2)沙莫夫公式 （3）利用西尔兹关系