第三章第三章 泥沙的起动泥沙的起动有关泥沙运动的一些基本概念有关泥沙运动的一些基本概念1、泥沙起动是泥沙运动理论中最基本的问题之一，也是 研究工程泥沙问题时首先遇到的问题早在19世纪就提出 了泥沙起动的概念，20世纪初开始了系统的研究，至今仍 在继续2、泥沙的起动是指水流底部床面上的泥沙由静止开始运 动，相应的水流条件成为起动条件当泥沙颗粒的粒径、 密度等已知时，泥沙开始运动时的流速被称为起动流速3、由于作用在泥沙颗粒上的流速是水流底部流速，而在 实用上多换算成沿水深的平均流速（垂线平均流速），因 而起动流速泛指这两种流速第一有关泥沙运动的一些基本概念有关泥沙运动的一些基本概念第一3、表示泥沙起动条件的除起动流速外，还有一个常用指 标：起动拖曳力（欧美应用较多），即泥沙开始起动时床面 底部水流的切应力 泥沙起动的随机性和起动判别标准泥沙起动的随机性和起动判别标准第一1、泥沙起动的随机性 泥沙颗粒大小、形状的随机性泥沙颗粒所处位置的随机性流速和拖曳力的随机性2、泥沙起动的判别标准 弱动中动普动当水流经过有松散泥沙颗粒组成的河床时，床面上的 沙粒将承受拖曳力和上举力。
对于很细的颗粒来说，抗拒 水流作用力的除了泥沙颗粒的重力之外，还有相邻颗粒之 间粘结力粗颗粒泥沙的起动时的受力情况和细颗粒的泥沙有很 大的不同床面泥沙颗粒的受力情况床面泥沙颗粒的受力情况分析和 起动条件均匀沙散粒体及粘性泥沙的统一起动流速公式 第一1、张瑞瑾公式 取作用流速的特征高度y=ad ，a为系数将作用临界 流速转化为垂线平均临界流速Uc长度和时间单位分别用 m，s2 2、唐存本公式、唐存本公式 唐存本结论 2 2、唐存本公式、唐存本公式 与粒径，干密度有关3 3、窦国仁公式、窦国仁公式 0.17mm唐存本公式窦国仁公式张瑞瑾公式起动流速公式与实测资料的对照均匀非粘性泥沙的起动流速公式沙莫夫公式冈恰洛夫公式张瑞瑾公式均匀沙散粒体及粘性泥沙的起动拖曳力公式希尔兹起动拖曳力公式启动条件表达方式的比较启动条件表达方式的比较从促使泥沙运动的动力来考虑 • 1940年怀特做过这样的研究，设计了特殊水槽，水槽中的 拖曳力沿程不变而流速沿程变化，两组实验发现，泥沙起 动在全试验段发生。
说明，水流拖曳力是泥沙起动的直接 原因启动条件表达方式的比较启动条件表达方式的比较从床面紊动的 影响考虑 •莱尔斯曾在 四种不同粗 糙度的床面 上进行过实 验考虑到紊动对泥沙起动的影 响，起动拖曳力作为临界指 标优于起动流速泥沙颗粒的几种运动方式泥沙颗粒的几种运动方式• 床面泥沙颗粒 的不同位置• 接触质• 颗粒突出，受到的拖曳力比较大， 多以滑动方式起动，启动后往往改 为滚动，在运动过程中经常与河床 保持接触• 跃移质• 位于成排沙粒前缘的颗粒，易在上 举力和拖曳力的力矩作用下滚动， 遇到下图的（b）位置，上举力会 突然增大，泥沙颗粒跃起流速逐渐增大悬移质漩涡带动泥沙颗粒在水中 悬浮前进层移质成层运动的泥沙颗粒 较少使用按运动形式及性质划分推移质（水流势能 ）悬移质（紊动能）按来源和造床作用划分床沙质（交换）冲泻质（下泻）思考题思考题你对几个粘性均匀沙起动流速公式作何评价？泥沙的起动：泥沙起动中存在的问题 由于泥沙颗粒处于床面的位置及作用 在颗粒上的水流速度等是随机的，故泥沙起动具有随机性最早将起动作为 一个随机事件进行研究的是Einstein(1950)在此之前，通常以临界起动无 因次切应力Θc或临界起动流速Vc作为判别床面泥沙起动的标准，并将起动 现象作为一个确定性的问题来研究。
当水流拖曳力或水流流速大于临界拖曳 力或临界起动流速时，床面上的泥沙颗粒将起动，从起动的平均情况来说， 这是正确的但进一步的研究表明，在水流小于起动临界条件时，床面上就 有泥沙起动；而在水流大于起动临界条件时，床面上还存在没有起动的泥沙 ，这是因为上述确定性处理方法将起动问题作为一个必然事件来研究，实际 上床面泥沙起 动是随机的•泥沙起动是泥沙运动理论中最基本的问题之一，也是研究工程泥沙问 题时首先遇到的问题早在 •19世纪就提出了泥沙起动的概念，20世纪初开始了系统的研究，至 今仍在继续• 泥沙的起动，一般可分为二种状态，即将动未动、少量 动和普遍动第一种状态是指床面泥沙除个别凸出颗粒可 动外，基本不动，这时的脉动流速应为其最大值脉动流 速符合正态分布，其三倍的均方根值即为实际上可能出现 的最大脉动流速，其发生机率仅为0. 00135第一种起动 状态是指床面上的泥沙，时而这个部位起动，时而那个部 位起动，经常能观察到有少量颗粒起动，这时的脉动流速 可视为其二倍的均方根值，其发生频率为0. 0228在第 三种起动状态下床面上各部位的泥沙并不是同时起动而是 有先有后，但在一定观察时段内在床面上各部位均能看到 泥沙颗粒的运动，这时的脉动流速可视为等于其均方根值 ，其发生机率己达0. 159。
在这二种水流状态下，( 9)式 左边的瞬时流速分别为• 所谓泥沙起动流速，是指床面泥沙开始移动时的 水流流速而言.这个概念是首先由沙任(1871年)， 继而由艾里(1885年)提出的.考虑到床面沙粒受水 流的推移作用与流速平方成正比，沙粒在水中的 重量与粒径的立方成正此，艾里得到了起动流速 与沙粒直径平方根成正此的规律，应当指出，虽 然这个关系式是根据极其简单的受力情况得到的 ，然而它还能够反映出粗沙及卵石起动的大致规 律来，因此它在目前还具有某种意义• 对于较粗颗粒的泥沙，都是以单颗粒形式 起动;对于较细颗粒的泥沙，由于粘结力和 水流脉动(“扫荡”)的影响，往往以数十个或 数白个颗粒组成的群体形式起动，起动后 仍以单颗粒形式在水流中运动，只是在床 面上留下片状痕迹自由沉降于床面上的 颗粒群体，在其起动时所受到的各种作用 力均较单颗粒时按相应倍数增大，因而在 讨论力或力矩的平衡时仍可按单颗粒处理 泥沙颗粒并不是球体，颗粒愈细偏离愈 大，但仍可按球体处理，对其所引起的偏 差可在确定经验系数时给予间接考虑• 颗粒间存在着吸力对于略大的颗粒，其吸力远小于颗 粒的重力，从而表现为无粘性颗粒。
对于细颗粒，此吸力 远大于颗粒的重力，成为粘结力粘结力的大小，除与司’ 一物性质等物理和化学因素有关外，还与颗粒大小有关 对于粒径分别为d，和d:的两个球体间的粘结力，从理论 上可以得出其值与两个粒径乘积的平方根成i1比/z}另一 方面又与两个颗粒的间距成反比，即与颗粒密实程度有关 颗粒愈密实，颗粒间的间距就会小，从而粘结力也就愈 大试验资料表明，此粘结力F,可表述为• 在泥沙颗粒周围有水膜环绕，其最贴近颗粒表面的薄膜水，是非自由 水，具有某种固体性质，其压力传递不符合巴斯克尔定律，因而在两 颗粒接触面积上受到上边水柱压力的作用作者于1958年通过交义石 英兹试验首次证实了此力的存在[’]，万兆惠等[3]于1990年通过竹道加 压试验证实了此力对细颗粒泥沙起动的显著影响因而在研究泥沙起 动问题时需要考虑水柱的压力设两颗粒间承受水柱压力的厚度为 26,颗粒直径均为d，则承受水柱压力的面积味为}r}b, 6是薄膜水厚度 和粒径的函数试验表明，随着颗粒的减小，水柱压力的影响急剧增 大，呈非线性关系，因此假定6值与薄膜水厚度的3/ 2次方成}}比，与 粒径的1/ 2次方成反比，即cS}d-抓其中。
为薄膜水厚度参数，具 有长度量纲水柱压力也与粘结力一样，都与床面颗粒密实程度有关 ，即与床面泥沙的十容重有关因此水柱对床面泥沙颗粒的压力F}可 表述为：题目题目第1第2第3第4第一。