河流动力学C2

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1、第 二 章 泥沙颗粒基本特性序 言n n 通常我们把组成河床和随水流运动的小颗粒矿物质叫做泥沙，但在本门文献中也常常给予它广义的涵义，除了小颗粒矿物质外还包括砾石和卵石。n n 某一河段内水流中的泥沙颗粒既可能直接来自于流域，也可能是从上游河床上冲刷起动而来的。水体挟带了大量泥沙后，可能会引起某些物理特性发生变化，如：流变性质。2-1 单个颗粒的特性n n 泥沙颗粒（沉积物碎屑）的粒径变化范围较大（0.001100mm），研究其运动时一般不能概化为连续介质，故需对单颗粒泥沙的性质进行定量、精确的描述，有时还需对其运动过程（滚动、跃移等）进行详细研究。一、颗粒的大小粒径（粒度） 天然泥沙颗粒的形

2、状不规则，常由大小不等颗粒组成，其粒径范围变化较大，对不同范围，有专门的定义和测量方法。1、表述颗粒大小的各种测量所测量的物理量所测量的物理量 测量方法测量方法定义（名称）定义（名称）卵石、砾石卵石、砾石目测、量规目测、量规长、宽、高度长、宽、高度颗粒投影颗粒投影千分尺千分尺投影直径投影直径小颗粒横切面小颗粒横切面放大图像后同上放大图像后同上薄片直径薄片直径横切面的横切面的A Aminmin筛析法筛析法筛分粒径筛分粒径重量重量天平天平与颗粒与颗粒 、G G等等的球体直径的球体直径体积体积体积计体积计等容粒径等容粒径沉速沉速沉降筒、离心机沉降筒、离心机沉降粒径沉降粒径2-1 单个颗粒的特性2 2

3、、常用的粒径定义和计算、常用的粒径定义和计算 等容粒径等容粒径 定义：与泥沙颗粒体积相同的球体直径定义：与泥沙颗粒体积相同的球体直径 公式：公式： 筛分粒径筛分粒径 D D1 1 D D D D2 2 沉降粒径沉降粒径 D D0.1mm0.1mm的的细细沙沙 水析法水析法测颗测颗粒在静粒在静 水中沉速水中沉速2-1 单个颗粒的特性 粒径是泥沙的一个重要性质，它不仅直接代表泥沙颗粒的粗细程度，而且与泥沙的许多其他特性紧密关联。n n 粘性沙（较细）与非粘性沙（较粗）在同一水流交互作用过程中表现不同情况：较细的泥沙有较大的孔隙率和较小的干容重，较粗的相反；细颗粒沙多半棱角峥嵘，而粗砂失去棱角。故面

4、对具体的河流时，必须弄清组成河床（渠底）的泥沙粒径及水流挟带的泥沙粒径是怎样的。2-1 单个颗粒的特性二、颗粒的形状 1、几何特征 圆度：颗粒棱和角的尖锐程度。 球度： 与颗粒同体积的球体直径（等容粒 径）和颗粒外接球直径之比。 整体形状 表面结构2-1 单个颗粒的特性2、 形状及其成因 最初形状取决于岩石母质和风化作用，随后在输运过程中受到物理、化学、和生物作用不断改变形状，最终成形取决于搬运介质（水、空气、冰川运动）和搬运方式（滑动、滚动、悬浮等）。 岩石碎屑的圆度在流水搬运初期迅速增加，然后增加速度减缓，直至完全变圆，而其球度以一个缓慢而稳定的速度增加。2-1 单个颗粒的特性 泥沙颗粒不

5、同外形的成因分析： 与组成泥沙的原生矿物外形有关 岩石由不同矿物组合而成，不同矿物的比重、硬度各有差异，所以构成的岩石碎屑物在抵抗水流的冲刷时结果也不同，导致了泥颗形状各有千秋，在细颗粒沙中尤为明显。 2-1 单个颗粒的特性 与搬运的距离和时间有关 一般来说，进入河床的泥沙其搬运距离和时间较短的则棱角较多，磨圆度较差；反之亦然。这在现场查勘时很容易发现：在砾石河床中发现其粒径突然有明显不同（形状明显变化），说明附近不是有崩塌碎屑物就是可能有支流的汇入。2-1 单个颗粒的特性 水流的塑造能力 粗颗粒沙因其自身体积、重力大，在水流作用下，颗粒间碰撞的能量大，棱角易磨损，外形较光滑；细颗粒沙体积、重

6、力小，除了较软组成矿物易磨损外，较硬矿物组成的不易磨损，故有的棱角分明，有的不明显。更细的粒径小于0.1mm的泥沙，除了上述原因而保持棱角外，还有分子薄膜水在起作用（保护）。2-1 单个颗粒的特性三、颗粒的密度、容重、比重 1、颗粒的密度s： 颗粒单位体积内所含的质量。 2、容重s： 泥颗的实有重量与实有体积的比值（排 除孔隙率在外），由颗粒的矿物组成决定。 3、比重： 固体颗粒重量与同体积4水的重量之比。2-1 单个颗粒的特性组成泥沙颗粒的矿物一般可分为组成泥沙颗粒的矿物一般可分为胶体分散矿物、胶体分散矿物、轻矿物和重矿物轻矿物和重矿物。比重大于。比重大于2.82.8的矿物称重矿物。的矿物称

7、重矿物。 重矿物的分布范围一般局限在特定岩层中，所重矿物的分布范围一般局限在特定岩层中，所以在河流沙样中采集到某种重矿时表示上游流域分以在河流沙样中采集到某种重矿时表示上游流域分布有与之相应的岩层，此功能称为示源功能。布有与之相应的岩层，此功能称为示源功能。 重矿比较稳定、硬度大，在河流中被运输时磨重矿比较稳定、硬度大，在河流中被运输时磨损较小，是较理想的示源矿物。在河流上、下游各损较小，是较理想的示源矿物。在河流上、下游各断面收集沙样并分析其重矿成分可推知河流泥沙的断面收集沙样并分析其重矿成分可推知河流泥沙的来源。来源。2-2 颗粒的群体特性一、沙样的粒径分布 1、分级标准 按几何级数变化的

8、粒径尺度作为标准 2、粒径分布特征值 中值粒径D50 算术平均粒径Dm 几何平均粒径Dmg2-2 颗粒的群体特性二、淤积物的干容重s 1、概念 单位体积沙样干燥后（105 ）的重量。由于颗粒间存在孔隙，干容重一般小于单个颗粒的容重。 2、影响因素 粒径组成 淤积历时 埋藏的深度和环境2-2 颗粒的群体特性三、泥沙的水下休止角三、泥沙的水下休止角 将静水中的泥沙颗粒堆积起来，其堆积体边将静水中的泥沙颗粒堆积起来，其堆积体边坡形成的稳定倾面与水平面的夹角。坡形成的稳定倾面与水平面的夹角。 河流泥沙运动的一些现象，如：床面沙波形河流泥沙运动的一些现象，如：床面沙波形态、河渠护岸、桥渡冲刷等局部河床变

9、形过程，态、河渠护岸、桥渡冲刷等局部河床变形过程，都与之相关。其量值与颗粒群体的级配、特征粒都与之相关。其量值与颗粒群体的级配、特征粒径、颗粒形状、表面光滑度等有关。粒径径、颗粒形状、表面光滑度等有关。粒径0.5mm0.5mm以上的无粘性沙，其棱角越尖利，则以上的无粘性沙，其棱角越尖利，则 越大。越大。2-3 泥沙颗粒的沉速n n 静水中的沉速是泥沙颗粒的重要基本特性，也是泥沙运动理论中重要的参数。一、基本概念 1、定义：泥沙在静水中匀速下沉时的速度。 记为，单位cm/s。 在静止清水中，开始下沉时（s ）呈加速运动（时间很短），不久保持匀速下沉（持久）。衡量泥沙的粗细用水力特征指标来表示，故

10、称“水力粗度”。2-3 泥沙颗粒的沉速 2、研究意义 沉降规律是泥沙运动基本规律之一。越大，沉降几率大，易造成河床淤积，反之亦然。故沉速既影响河床淤积，又是水析法确定粒径的依据。 3、绕流阻力 定义：颗粒沉降受到的阻力。（圆球颗粒） (G(G、F)F)2-3 泥沙颗粒的沉速 分类： 表面阻力 水体与球面接触处发生的表面摩擦力，大部分产生在迎水表面。 形状阻力 迎水面和背水面的压力差，也称“压差阻力”。由颗粒背水面分离漩涡造成，因与颗粒形状有关（不同性质产生阻力不同），由此得名。4、不同粒径的沉降规律流态流态粒径粒径（mmmm）沉降现象沉降现象阻力阻力层流层流D D0.10.1铅直下沉，流线有条

11、不铅直下沉，流线有条不紊，颗粒背面流线紧贴紊，颗粒背面流线紧贴表面，流线无分离。表面，流线无分离。表面表面阻力阻力 为主。为主。过渡过渡 0.1 0.1 D D 2 2介于两者之间介于两者之间兼有兼有紊流紊流D D2 2 较大，摇摆下沉，流较大，摇摆下沉，流线呈曲线状态，背面强线呈曲线状态，背面强烈扰动漩涡。烈扰动漩涡。形状形状阻力阻力 为主。为主。2-3 泥沙颗粒的沉速二、沉速的确定（明确基本概念后讨论公式） 1、注意事项 核心问题：水流对泥沙的阻力。把泥沙看 作静止，相对的水流为运动的，运用流体运 动方程求解。 把泥沙简化为球体，按形状不同进行修正。 局限在一定粒径范围内的泥沙可按理论推

12、导，若干系数还需借助试验资料。 泥沙下沉有3种状态，故公式有所不同。2-3 泥沙颗粒的沉速2 2、一般表达式（球体）、一般表达式（球体） 水中重力水中重力 牛顿阻力牛顿阻力 平衡时平衡时沉降达极限状态沉降达极限状态 G=FG=FR R 对三种绕流状态都适用，不同在于对三种绕流状态都适用，不同在于C CD D区别区别2-3 泥沙颗粒的沉速 3 3、层流、层流stokesstokes R Reded0.250.25时，据水流作用于球沙的运动方程时，据水流作用于球沙的运动方程得出球体等速下沉时所受阻力等于水中重力，即：得出球体等速下沉时所受阻力等于水中重力，即： 或或 C CD D=24/R=24/

13、Re e2-3 泥沙颗粒的沉速 4 4、紊流状态、紊流状态 据试验得：据试验得：C CD D=0.45=0.45或或0.430.43 5 5、过渡状态、过渡状态 目前无理论分析公式，一般靠实验解决。目前无理论分析公式，一般靠实验解决。2-3 泥沙颗粒的沉速n n “分离角” 窦国仁 从球体运动的直接观察中表明：只有在Re很小时，水流才以层流状态绕过球体，水流与球体之间无分离现象（绕流阻力以表面摩擦力为主）；当Re较大时，流线发生弯曲并产生分离现象，即处于过渡区；随着Re分离区域不断扩大，其大小可用分离角表示（表面阻力形状阻力）；当Re很大时，可以假定，此时球体周围布满漩涡，因而处于紊流状态。2

14、-3 泥沙颗粒的沉速三、影响沉速的因素 1、泥沙形状 单颗粒：球体所受阻力最小，形状越不 规则，阻力。 平均情况：阻力为球体阻力的4/3倍，一 般为偏平形状，椭球体沿长轴下沉时，阻力修正系数小。 2、温度 影响粘滞系数（随温度变化敏感）2-3 泥沙颗粒的沉速3、含盐度 含盐度，盐水和，阻力， 含盐度，促使细颗粒泥沙絮凝成团，颗 粒变大，使。“絮凝现象” ：一方面细颗粒表面包围着双电层，当两颗粒相互接近时产生排斥力，另一方面因颗粒表面带有极性，具有彼此吸引的分子引力。当两颗粒碰撞时，若吸引力排斥力则颗粒就互相粘结在一起（成团）产生絮凝。2-3 泥沙颗粒的沉速 吸引力与介质关系不大，但双电层斥力与

15、之关系密切。介质中离子浓度或离子化合价则斥力，从而易产生絮凝。故当粘性细颗粒沙进入河口遇到离子浓度很高的海水时常看到此现象。说明： 此现象随含盐度而，但变化缓慢，若在高含沙浓度时变化不明显。2-3 泥沙颗粒的沉速 影响絮凝的因素： 盐度、水温影响排斥力； 含沙浓度、紊动增加碰撞几率，利于絮凝，使，但反过来紊动易破坏已有絮团。 “上清下浑”：（实验室） 当细颗粒浓度较低时，絮团互不相连，单个絮团细颗粒个体；当S时，絮团相连絮网结构，其大幅，形成一个整体缓慢下沉，在水体顶部呈现一个不断下降的清、浑水交界面。2-3 泥沙颗粒的沉速 含沙浓度S：群体沉速 S小，则干扰小（泥颗沉降时彼此影响小）自由沉降

16、；S大加大沉降阻力，使。 粗颗粒：S对影响表现在颗粒下沉时诱发了向上的水流，扰动并加大了浑水重率，从而减少了颗粒的有效重力等因素，使 细颗粒：除上述影响外，主要是含沙量促进絮凝（利于 ）；加大浑水粘滞性，使。2-3 沉速小结n n 水力粗度是泥沙的一个重要特性。在许多情况下，反应了泥沙在与水流交互作用时对机械运动的抗拒能力。组成河床的泥沙，可动性；随水流运动的泥沙，则沉淀的倾向。n n 关于河道分析演变过程中，很少课题是与无关的。 2-4 含沙水体（浑水）的性质一、基本概念 1、浑水的容重 单位体积浑水的重量，记为m 。 2、含沙量 单位体积浑水中固体泥沙颗粒所占的比例。两种表达方式：重量含沙

17、量SW和体积比含沙量SV。2-4 含沙水体（浑水）的性质 3 3、两者关系、两者关系2-4 含沙水体（浑水）的性质二、含沙水体的流型 1、概念： 均质悬液处于剪切流动时，不同流层的流速不同，不同流层间的剪切力作用使流体微团产生变形，称为流变。其剪切变形率与切应力的关系称为流变特性。 不同流变的类型称为流型。 2、基本分类 牛顿流体、理想塑性体、胡克型物体。含沙水体的流型流体类型流体类型剪切应力的变化剪切应力的变化牛顿流体牛顿流体非非牛牛顿顿流流体体流型流型不随不随时间时间而变而变宾汉流体宾汉流体伪塑性流体伪塑性流体剪切应力的增加率随切剪切应力的增加率随切变率的增加而减小变率的增加而减小膨胀体膨

18、胀体随之增大而增大随之增大而增大有屈服应力的伪塑性体有屈服应力的伪塑性体与与t t有关有关触变体触变体固定切变率下，剪切应固定切变率下，剪切应力随时间减小力随时间减小凝胶体凝胶体随时间增大随时间增大2-4 含沙水体（浑水）的性质3、影响浑水流变特性的原因（泥颗） 流线在泥沙颗粒附近的变形。 非球形颗粒，尤其是片状或棍状颗粒，在流体中受剪切后，将重新安排它们的位置，使长轴平行于剪切的方向。 细颗粒之间因絮凝形成絮团、网架结构。 这种絮团和结构往往很脆弱，对剪切作用很敏感。（易破坏和重新形成） 颗粒（棍状）易吸附水膜 因絮凝作用形成的链或框架有一定的弹性。2-4 含沙水体（浑水）的性质三、泥沙运动

19、形式的分类 1、按运动形式（群体） 悬移质悬沙 以悬浮形式运动的泥沙。 推移质底沙 以滚动（包括层移）、跃移形式运动的颗粒，主要在河床附近运动。 床沙：床面上的静止泥沙。2-4 含沙水体（浑水）的性质2、按参与河床变形程度 床沙质造床质 运动的泥沙中相当于组成河床主体的粗沙，同时与水流条件有密切关系，不断与河床上的泥沙进行交换的泥沙群体。包括悬移质中粒径较粗的泥沙和全部的推移质。 冲泻质非造床质 组成床沙的细粒泥沙，且与水流条件关系不密切，不与河床上的泥沙进行交换。全部属于悬移质。2-4 含沙水体（浑水）的性质 附表：附表： 泥沙输运量划分方法泥沙输运量划分方法注：以注：以z=0.06z=0.

20、06为区分床沙质和冲泻质的界限；为区分床沙质和冲泻质的界限； 以以z=4z=4区分悬移质和推移质；区分悬移质和推移质； 悬浮指标悬浮指标z=/z=/（UU）名称名称划分依据划分依据输运方式输运方式粒径、来源、造床作用粒径、来源、造床作用全全沙沙质质冲泻质冲泻质悬移质悬移质细细冲泻质（非造床质）冲泻质（非造床质）悬移床沙质悬移床沙质粗粗床沙质（造床质）床沙质（造床质）推移质推移质推移质推移质床沙质和冲泻质的基本性质3、悬移质和推移质的区别表现表现推移质推移质悬移质悬移质运动规律运动规律水流对床面颗粒直接作用力水流对床面颗粒直接作用力靠水流紊动得以悬浮靠水流紊动得以悬浮能量来源能量来源主要来自于水

21、流势能主要来自于水流势能紊动能量和本身势能紊动能量和本身势能对河床作用对河床作用通过粒间离散力直接作用河通过粒间离散力直接作用河床，增加床面阻床，增加床面阻/ /压力和河压力和河床稳定性，影响颗粒本身。床稳定性，影响颗粒本身。增加水流重率和静水增加水流重率和静水压力，影响颗粒间水压力，影响颗粒间水体体河道演变河道演变最大最大较粗泥沙较粗泥沙造床过程造床过程在弯道螺旋流作用下，从凹在弯道螺旋流作用下，从凹岸岸凸岸淤积。凸岸淤积。大部分下泄大部分下泄2-4 含沙水体（浑水）的性质 4、推移质和悬移质的联系 随水流条件的改变而相互交换，但没有明显界限。当水流条件减弱，泥沙为了适应它，通过若干时间、流

22、程后，有大量的悬沙沉积于河床底部，成为推移质的一部分；反之若流速，因推移质反应敏感，起动的泥沙以跳跃形式运动了一段距离后，若遇到较强的紊动水团，可以卷入漩涡成为悬沙的一部分。2-4 含沙水体（浑水）的性质 即流速，水流与颗粒的迎面压力，上举力、悬浮力，沙粒跳跃越高，运移越远，承受悬浮机会，转变为悬沙的可能。 同一颗泥沙，在一个时间一种水流条件下可以是以推移质形式出现；在另一个时间另一种水流条件下可以是以悬移质形式出现.附1：异重流1、定义 两种重率（密度）相差不大、可以混合的流体由于密度的差异而发生的流动，也称密度流（density current）。 在运动过程中各种流体能保持其原来的面貌，

23、不因交界面上的紊动而发生全局性的混合现象，如：浑水潜入水库、河口盐水入侵、河流淡水入海、河口区浮泥运动、冷暖空气对流、云雾运动、火山热浪等。异重流2、类型据所产生的位置不同 下异重流也称潜流，较重流体在较轻 流体下面流动。 上异重流较轻流体在较重流体上面流 动。如：淡水入海 中异重流在较重流体之上、较轻流体 之下存在的第三种流体流动 如：天空云层异重流3、形成因素 温度、溶解质含量、含沙量（因S不同引起的称浑水异重流）。清浑水的重率差异是产生的根本原因。4、水库异重流 当挟带大量细泥沙的水流进入水库时，由于清浑水比重差异，浑水潜入底部而形成。异重流附2：高含沙水流1、定义 当水流泥沙达到一定浓

24、度后，水流的一些基本特性发生质的变化，这种由特高含沙浓度引起的物理性质改变的水流。2、研究意义 对多沙河的治理和管道的输送有重要意义，对潮汐河口特有的浮泥运动研究也有借鉴之处。高含沙水流3、基本特性 流变特性 ： 抵抗剪切变形，高含沙水流是宾汉体。 阻力特性： 与流态有关，常见层流和紊流。 河床冲淤： 因携带大量泥沙进入下游河段，比降、流速减小，易大量淤积，使河床不断抬高甚至越出两岸地面高程，成为“悬河”。高含沙水流 输沙特性：输沙特性： 沉降规律：沉降规律： 水流中存在大量细颗粒沙必然对沉速有影响：浑水流中存在大量细颗粒沙必然对沉速有影响：浑水粘滞性增大；改变水体规律，均使沉速大大降低。水粘滞性增大；改变水体规律，均使沉速大大降低。 挟沙特点：挟沙特点： 通过沙粒间相互接触传递部分重力及上、下流层通过沙粒间相互接触传递部分重力及上、下流层的切应力。的切应力。 含沙量分布：含沙量分布： 十分均匀（沙粒沉速突出降低）十分均匀（沙粒沉速突出降低）