《河流动力学：第四章 推移质运动》由会员分享，可在线阅读，更多相关《河流动力学：第四章 推移质运动（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、目录oChap1.绪论1.0oChap2.水流的紊动 0.5oChap3.泥沙特性 1.5oChap4.推移质运动 4.0oChap4.悬移质运动 4.0 oChap5.异重流 1.0oChap6.河床演变 2.0oChap7.潮汐河口演变 2.0下一页下一页上一页上一页第四章第四章 推移质运动推移质运动下一页下一页回目录回目录上一页上一页重点内容：泥沙的起动，输沙率o泥沙的运动形式o泥沙的起动o沙波运动o冲击河流的阻力o推移质输沙率o推移质和悬移质的概念 n悬移质：细颗粒，连续运动悬浮于水中并在水流方向与水流以同样速度前进的泥沙n推移质：粗颗粒，间歇运动在河底附近以滚动、滑动、跳跃或层移形式
2、前进其速度远小于水流速度的泥沙4.1.4.1. 泥沙运动的形式泥沙运动的形式下一页下一页返回返回4.1. 4.1. 泥沙运动的形式泥沙运动的形式o推移质运动的分类n接触质滚动或滑动的泥沙在运动中始终保持与床面接触n跃移质在床面附近以跳跃形式前进的泥沙n层移质河床表层以下的泥沙将成层移动或滚动下一页下一页返回返回上一页上一页4.1. 4.1. 泥沙运动的形式泥沙运动的形式o推移质与悬移质间的交换n同一水流中：相互转化悬移质中的较粗部分推移质中的较细部分n同一泥沙组成：表现不同水流较强时：悬移质水流较弱时：推移质下一页下一页返回返回上一页上一页4.1. 4.1. 泥沙运动的形式泥沙运动的形式o推移
3、质与悬移质间的交换过程 悬移区 床面层 河床（悬移质） （接触质及跃移质） （床沙） 悬移区 床面层 层移区 河床（悬移质）（接触质及跃移质）（层移区） （床沙）下一页下一页返回返回上一页上一页4.1. 4.1. 泥沙运动的形式泥沙运动的形式o推移质与悬移质间的差别n运动规律不同受力不同运动速度不同n能量来源不同推移质直接消耗水流的机械能悬移质仅消耗水流的紊动动能（转化为热能）n对河床作用不同下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动下一页下一页返回返回上一页上一页o泥沙的起动n定义随着水流条件的增强泥沙颗粒由静止开始运动n用途计算输沙率航道整治设计时使用护滩、护
4、岸块石稳定计算n泥沙的起动条件起动流速起动切应力起动功率4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动一、无粘性均匀沙的起动流速公式o考虑的条件n泥沙粒径是均匀的n颗粒之间没有粘结力o推导公式的思路n分析受力条件，分析起动形式n写出各力的表达式，列出平衡方程n推导出泥沙起动的结构公式n通过试验确定公式中的参数n得到计算泥沙起动流速公式下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动o颗粒所受的力n使其运动的力水流推移力FD水流的上举力FLn抗拒运动的力泥沙的有效重力Wo泥沙颗粒运动形式n滑动n滚动下一页下一页返回返回上一页上一页水面水面水流水流床面沙粒受力情况图床面沙粒受力情
5、况图4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动o沙粒所受的力n水流推移力：n水流上举力：n沙粒有效重力：下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动o平衡方程n考虑滚动失稳n列出力矩平衡式：o得出结构公式，但注意：u0U！下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动o指数分布n采用指数流速分布公式n沿水深积分，建立表面流速与平均流速的关系n流速分布表达式为n沙粒上y=D的流速为n起动流速的结构公式下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动o沙莫夫公式n1.144nm=1/6n适用范围：D0.2mmo岗恰洛夫公式
6、n对数流速分布n适用范围： 0.081.50mm下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动二、无粘性均匀沙的起动拖曳力o起动拖曳力n泥沙处于起动状态的床面剪切力：nU*为摩阻流速o推导过程n前已求得结构公式：nu0的表达式下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动ou0的表达式n爱因斯坦对数流速分布ny=D，u0的表达式o临界起动表达式n经带入转换得n最终得希尔兹公式nc为临界相对拖曳力下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动o希尔兹曲线的特点n曲线为马鞍型Re*10存在最低点近壁层流层n床面处于光滑区
7、（ Re*10后起动拖曳力随粒径增加 Re*1000后c为常数下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动o关于对希尔兹曲线的修正n Re*2时起动拖曳力并非与粒径无关c与Re*的0.3次方成反比n Re*较大时c的上限为0.06c的下限为0.04下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动三、粘性泥沙的起动流速公式o临界粒径n 现象：存在某一粒径大于该粒径时：粒径越大，越难起动小于该粒径时：粒径越小，越难起动n产生的原因近壁层流层对细颗粒泥沙的隐蔽作用细颗粒泥沙之间粘结力的作用下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起
8、动泥沙的起动o研究对象n 新淤粘性沙在河床冲淤过程中自然沉积新淤未久，尚未密实可按单颗粒泥沙处理，但应考虑粘结力n非固结粘性土沉积日久，经过物理化学作用不再以单颗粒的形式起动，而是成片成团研究不成熟：机理不清，资料较少，误差极大下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动o细颗粒泥沙特性n 周围存在束缚水：因双电层结构包括：粘结水、粘滞水厚度一般在0.25m以下n粘结水接近固体，容重大于1仅能单向传递静水压力n粘滞水介于粘结水与自由水之间基本只能单向传递静水压力下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动o粘结力的成因：观点不一n 张瑞谨
9、（武汉水院）粘结力是由于束缚水不传递静水压力引起以两块薄板为例n唐存本（南京水科院）粘结力主要是由于沙粒表面与粘结水之间的分子引力造成的引用杰列金使用的交叉石英丝所做的粘结力实验成果n窦国仁（南京水科院）综合两者的观点两者均加以考虑下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动o粘结力：NN1+N2n水对床面颗粒的下压力：N1=(/32)hDn颗粒间的分子粘结力： N2= (/32)Do力矩的平衡方程式n在无粘性沙的力矩平衡式中增加N1和N2n该两力：抗拒泥沙运动，放在右边n平衡方程式：K4=K5下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动
10、o进一步处理n求出部分系数根据前人试验资料：CD和CL假定泥沙颗粒为椭球体：各系数n流速处理将瞬时底流速转为时均底流速将时均底流速用垂线平均流速表示o得到起动流速公式nm=0.32少量动；0.265个别动；0.408普遍动下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动o同类公式n张瑞谨公式n唐存本公式下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动o分析比较（见图27）n水深0.15mD=0.17mm时，起动流速最小D0.17mm时，D越大，Uc越大n一般估计D1.0mm，重力占支配地位D0.01mm，粘结力占支配地位D0.1mm左右，两者作用
11、相当下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动四、与泥沙起动有关的几个问题o非均匀沙的起动n仅讨论均匀沙一般冲积河流的床沙较均匀计算结果与实际情况基本相符合n非均匀沙情况复杂：粒径大小不一细沙受粗沙保护，相对于均匀沙较难起动粗沙暴露于床面，相对于均匀沙易于起动研究的热点：统计理论下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动o起动流速与起动拖曳力的比较n起动流速：数据易得，使用广泛n起动拖曳力：不易准确o砾石及卵石的起动n资料较少n排列应有影响o止动流速n由运动转为静止：Uc= KUcn求推移质输沙率用：起动时输沙率不为零o扬动流速n由静
12、止直接转入悬移质状态n为了能够迅速冲刷淤积的泥沙下一页下一页返回返回上一页上一页泥沙起动的判别标准o泥沙起动具有随机性n泥沙条件大小、形状级配、密度：均匀沙，非均匀沙床面平整、颗粒排列n水流条件水流的紊动流速的大小o说明n泥沙运动复杂n但研究大多没有考虑随机性4.2.4.2. 泥沙的起动泥沙的起动下一页下一页返回返回上一页上一页4.2. 4.2. 泥沙的起动泥沙的起动o泥沙起动判别标准n定性标准：Kramer方法n定量标准：窦国仁方法oKrammer方法：定性标准n最常用的方法n具体内容无泥沙运动：静止轻微的泥沙运动：个别动，可数中等强度泥沙运动：少量动，不可计数普遍的泥沙运动：普遍动，床面变
13、形下一页下一页返回返回上一页上一页4.3.4.3. 沙波运动沙波运动下一页下一页返回返回上一页上一页o沙波运动n定义推移质运动达到一定规模，床面起伏泥沙颗粒在床面的集体运动n用途推移质运动的一种主要形式构成河床地形的基本元素影响：水流结构，河道阻力，泥沙运动，河床演变o主要内容n沙波形态和运动状态n沙波的产生和消亡4.3.1. 4.3.1. 沙波形态和运动状态沙波形态和运动状态o沙波介绍n名词：波峰、波谷、波长、波高n特点：迎水面：较为平坦、背水面：相对较陡o平面形态：四种n带状（顺直）沙波：少见波峰线基本平行，且与流线垂直，或略斜交n断续蛇曲（弯曲）状沙波：常见波峰线不规则，时断时续，大致与
14、水流平行n新月形沙波：常见，波峰线凸向上波高与波长基本相等，排列整齐，呈鱼鳞状n舌状沙波：常见，波峰线凸向下与新月形沙波类似下一页下一页返回返回上一页上一页4.3.1. 4.3.1. 沙波形态和运动状态沙波形态和运动状态o水流、泥沙运动n水流运动波峰处流速大，波谷处流速小背水面：分离漩涡，2个停滞点n泥沙运动迎水面：泥沙运动变快，波峰最大背水面：越过漩流区，进入波谷区，淤积运动过程：冲刷下移扩散淤积推进o沙波运动的两个重要现象n沙波对床沙的分选作用粗沙：在背水面内落到谷底细沙：随负流上移，越细越上n粗沙运动的间歇性：粗颗粒下沉，间歇下一页下一页返回返回上一页上一页4.3.1. 4.3.1. 沙
15、波的产生和消亡沙波的产生和消亡o沙波运动阶段n静平整(a)泥沙不动，床面平整n沙纹(b)波高：0.51.2cm，波长：1.01.5cmn沙垄(c)波高：13m，波长：几米100多米n过渡(d)随着流速增加，床面趋平n动平整(e)流速较大时，河床恢复平整，大量泥沙运动下一页下一页返回返回上一页上一页4.3.1. 4.3.1. 沙波的产生和消亡沙波的产生和消亡n沙浪(f)流速继续增大，Fr1，再次起伏，为沙浪沙浪纵剖面对称，背水面水流不分离o沙波产生的原因n与河床组成及水流脉动有关河床组成不均匀床面凹凸不平河床平整水流脉动凹凸不平n流体界面运动推移质运动大床面泥沙成层运动悬移质发展充分，但含沙量相
16、对少密度不同形成沙波下一页下一页返回返回上一页上一页4.4. 4.4. 冲积河流的阻力冲积河流的阻力o冲积河流阻力n河流动力学的重要问题河道的泄流能力，输沙能力n冲积河流阻力的组成横断面床面阻力：动床，沙粒阻力，沙波阻力河岸及滩面阻力：定床，断面河槽形态阻力：纵向外形，如弯曲人工建筑物：丁坝，桥梁o主要内容n床面阻力和河岸阻力的划分n沙粒阻力与沙波阻力的划分n动床阻力的计算下一页下一页返回返回上一页上一页4.4.1. 4.4.1. 床面阻力和河岸阻力的划分床面阻力和河岸阻力的划分o问题及求解思路n问题已知：nb，nw求：综合糙率n0n思路利用叠加原理：F=Fb+Fw部分假定，经验公式o推导过程
17、n河床阻力组成综合剪切力：0， 0RJ床面剪切力： bb，河岸剪切力： wwn阻力叠加原理： 0 bb ww下一页下一页返回返回上一页上一页4.4.1. 4.4.1. 床面阻力和河岸阻力的划分床面阻力和河岸阻力的划分o推求b 和w的方法n水力半径分割法n能坡分割法o爱因斯坦方法n水力半径分割：J为常量n水力半径：Rb，Rwn面积：A、Ab、Awn代入力的叠加公式：n关键：Rn下一页下一页返回返回上一页上一页4.4.1. 4.4.1. 床面阻力和河岸阻力的划分床面阻力和河岸阻力的划分n假定U在断面各处相同J也为常量n采用曼宁公式：对于各个部分均适用n最后得：爱因斯坦公式o能坡分割法：nU和R为常
18、量nJ：Jb和Jw下一页下一页返回返回上一页上一页4.4.2. 4.4.2. 沙粒阻力与沙波阻力的划分沙粒阻力与沙波阻力的划分o沿用相同的方法n阻力叠加：整个湿周n水力半径分割n能坡分割下一页下一页返回返回上一页上一页4.4.3. 4.4.3. 动床阻力计算动床阻力计算o理想方法n考虑河床形态各个阶段n考虑影响阻力的诸多因子o实际情况：没有n爱因斯坦方法：相对完善n指数阻力公式：近似o指数阻力公式n考虑的情况：无沙波n阻力公式：D取中值粒径，单位：mA=2324（紧密），A=1920（松散）A越大n越小，A随水流而变下一页下一页返回返回上一页上一页o基本情况介绍o以流速为主要参变数的公式o以拖
19、曳力为主要参变数的公式o根据能量平衡建立的公式o根据统计法则建立的公式o根据沙波运动规律建立的公式o推移质输沙率公式的比较4.5.4.5. 推移质输沙率推移质输沙率下一页下一页返回返回上一页上一页o推移质输沙率n定义不冲不淤输沙平衡状态单位时间通过过水断面的推移质数量n单位输沙率Gb：kg/s, N/s单宽输沙率gb： kg/(sm), N/(sm)n用途及特性与水流强弱有关，泥沙不多不少表示水流挟沙能力判断冲刷或淤积4.5.4.5. 推移质输沙率推移质输沙率下一页下一页返回子返回子上一页上一页4.5.4.5. 推移质输沙率推移质输沙率o推移质泥沙运动特性n单颗粒：随机性走走停停，时快时慢运动
20、具有非连续性n整体表现：确定性连续的沙波运动连续运动来处理下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.4.5. 推移质输沙率推移质输沙率o推移质输沙率研究n非常复杂随机性：水流，泥沙实测资料：缺少测量推移质的有效方法n研究方法和途径以流速为主要参变数以拖曳力为主要参变数根据能量平衡观点从统计法则考虑按沙波运行规律分析下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.1 4.5.1 以流速为主要参变数的公式以流速为主要参变数的公式o基本思路和方法n影响输沙强度主要因素：流速建立公式：主要参数是流速n公式推导单宽推移质输沙率：ub：推移质前进速度K：厚度系数，13D：泥沙粒径ms：动密实系数下一页下一页
21、上一页上一页返回子返回子4.5.1. 4.5.1. 以流速为主要参变数的公式以流速为主要参变数的公式下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.1. 4.5.1. 以流速为主要参变数的公式以流速为主要参变数的公式o此类公式n列维公式：单位：kg, m, sD=0.2523mmn沙莫夫公式：单位：kg, m, sD=0.200.73mmD=1365mmn窦国仁公式：单位：kg, m, sC0=C/g1/2下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.1. 4.5.1. 以流速为主要参变数的公式以流速为主要参变数的公式o应注意的问题n单位量纲不协调：公式左右不一致条件性：经验系数是由试验确定n泥沙材
22、料变量中不含密度不能直接用于模型沙计算ngb与U4成正比流速（小变化）推移质输沙率（大变化）例如：U增20 gb增107下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.1. 4.5.1. 以流速为主要参变数的公式以流速为主要参变数的公式下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.2. 4.5.2. 以拖曳力为主要参变数的公式以拖曳力为主要参变数的公式o基本思路n推移质输沙率与拖曳力与起动拖曳力差值有关o杜波依斯公式n公式gb=0(0-c)0=hJ, c=f(s- )Dn评价假定泥沙成层运动不符合实际主要观点被采用、补充和发展下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.2. 4.5.2. 以拖曳力为
23、主要参变数的公式以拖曳力为主要参变数的公式下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.3. 4.5.3. 根据能量平衡建立的公式根据能量平衡建立的公式o基本思路和方法n基本观点维持推移质运动，消耗部分水流能量根据能量平衡观点研究推移质输沙n基本方法给出搬运泥沙所作功（功率）表达式给出水流提供的功（功率）表达式两者相等，求出gb下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.3. 4.5.3. 根据能量平衡建立的公式根据能量平衡建立的公式下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.3. 4.5.3. 根据能量平衡建立的公式根据能量平衡建立的公式下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.3. 4.5
24、.3. 根据能量平衡建立的公式根据能量平衡建立的公式下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.3. 4.5.3. 根据能量平衡建立的公式根据能量平衡建立的公式下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.4. 4.5.4. 根据统计法则建立的公式根据统计法则建立的公式o认识和解决问题基本思路n床面附近水流具有随机性，泥沙也如此n应该使用统计理论进行研究o对于推移质运动的基本认识n床沙中静止和运动的泥沙相互交换n随机现象，应使用统计学的观点处理n运动概率取决于泥沙和水流，与历时无关n泥沙运动与否取决于上举力与重力关系，概率同n泥沙颗粒每次运动后都要进行一次选择，运动的单步距离：100Dn泥沙完成
25、一次运动后，如水流条件不足，则沉落，概率相同下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.4. 4.5.4. 根据统计法则建立的公式根据统计法则建立的公式o均匀沙推移质输沙率公式推导n泥沙的沉积率单步步长D，继续运动的百分比为p，N颗泥沙一个单步：N(1-p)沉落，Np继续二个单步： Np(1-p) 沉落，Np2继续N个单步: Npn-1(1-p) 沉落，Npn继续全部沙粒的平均运动距离gb带来的泥沙都将在L0范围内沉积，所以沉积率为下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.4. 4.5.4. 根据统计法则建立的公式根据统计法则建立的公式o均匀沙推移质输沙率公式推导n泥沙的冲刷率单位床面泥沙颗
26、粒总数1/2D2，质量s3D3/ 2D2颗粒被举起的概率p，冲走质量(3/ 2)sDp单位时间内冲走质量(3/ 2)sDp/t输沙平衡时，t应等于泥沙沉落所需时间单位面积上的泥沙冲刷率为下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.4. 4.5.4. 根据统计法则建立的公式根据统计法则建立的公式n输沙强度参数输沙平衡时，冲刷率与沉积率相等下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.4. 4.5.4. 根据统计法则建立的公式根据统计法则建立的公式n泥沙冲刷外移的概率p取决于水流强度：上举力 /重力下一页下一页上一页上一页返回子返回子4.5.4. 4.5.4. 根据统计法则建立的公式根据统计法则建立
27、的公式下一页下一页上一页上一页返回子返回子2.5.4. 2.5.4. 根据统计法则建立的公式根据统计法则建立的公式n爱因斯坦输沙率公式下一页下一页上一页上一页返回子返回子2.5.6. 2.5.6. 推移质输沙率公式的比较推移质输沙率公式的比较o平均流速公式n三个公式：沙莫夫，列维，岗恰洛夫n三个流速0.5、1.0及1.5m/sn试验条件H=15cm, s=2.65t/m3, T=20Cn比较结果岗恰洛夫因包括部分悬移质，偏大下一页下一页上一页上一页返回子返回子2.5.6. 2.5.6. 推移质输沙率公式的比较推移质输沙率公式的比较o西方公式n三个公式：梅叶彼得，拜格诺，爱因斯坦n比较条件：均匀沙，床面平整n比较结果：低强度输沙时2，吻合较好高强度输沙时2，结果分散n问题：所有点据基本来自实验室急需收集天然条件下推移质运动资料下一页下一页上一页上一页返回子返回子2.5.6. 2.5.6. 推移质输沙率公式的比较推移质输沙率公式的比较o作业n利用三个公式计算输沙率：沙莫夫，窦国仁，梅叶彼得式中的有关量采用各自合适公式！n计算条件H=15cm, s=2.65t/m3, T=20Cn三个流速0.5、1.0及1.5m/sn泥沙粒径均匀沙：D1mm，D10mm，n=0.018下一页下一页上一页上一页返回子返回子
