CH2河道水流、泥沙特性.ppt

第一章：河道水流、泥沙基本特性 1.1 紊流的形成与猝发,紊动切应力,一、紊动切应力概念 由于涡漩混掺引起质点动量交换而产生脉动流速及相应紊动切应力，也称附加切应力。,表达形式1：,式中，uxuy是指空间某点瞬时ux和uy在某时段的时均值。 ux= ux+ ux； uy= uy+ uy； 式中， ux为瞬时值，ux为时均值， ux为X方向的脉动流速,紊动切应力,表达形式2：,影响m的几个量在量测和确定上都存在不少困难，在实际计算中，通常由切应力和时均流速分布反推m值。,紊动切应力表达式,在恒定二元均匀明流，水深为h，水力坡度为J，作用于底壁的切应力为：0=rhJ； 根据理论与实测资料分析得到紊流切应力沿水深按直线分布： =r(h-y)J= 0 (1-y/h),表达形式3：,=,l2(dux/dy)2,普兰特根据动量传递原理或掺混长度理论得到。,1.2、 明渠水流的流速分布,一、明渠水流流速分布,一、明渠水流流速分布,一、明渠水流流速分布,一、明渠水流流速分布,一、明渠水流流速分布,上式为：三种壁面的统一对数流速公式，（式中，x为修正系数，其中糙壁x=1；光壁和过渡壁面x是ks和的函数。）,卡门常数,爱因斯坦公式,8.5,明渠水流的流速分布,二、对数区流速分布,上式为：三种壁面的统一对数流速公式，（式中，x为修正系数，其中糙壁x=1；光壁和过渡壁面x是ks和的函数。）,卡门常数,爱因斯坦公式,8.5,天然河流的阻力分为定床阻力和动床阻力，清水阻力和挟沙水流阻力：,河流是河道和水流两部分相互作用下的水流运动。河道由泥土、沙砾、卵石和顽石等组成，统称为泥沙。 1、河道水流的两相性：水（连续介质）和沙（非连续介质的颗粒群体）。 （1）重力、（2）惯性力、（3）阻力 2、河道水流的三维性：河道断面不规则，顺直段很短，宽深比小，尤其是弯曲河流。 3、河道水流的非恒定性：来水来沙随时间变化；河床处于不断的变化中。 4、河道水流的非均匀性： 5、不平衡输沙；,1.3 河道水流基本特性,河道水流的流型：河道水流的雷诺数一般都比较大，其流型一般居于阻力平方区。 河道水流的主流与副流：主流（又称正流、元生流）是水流沿着河槽总方向的流动 。 与主流相对应的有副流（又称次生流）。如环流次生流：在比较顺直的河段中，当流量随时间变化剧烈时，常常产生微弱的环流。 分散流：河流涨水时，两岸水位低于断面中间水位，产生河底水流向两岸分散的两个环流，两岸淤积，中间冲刷。 集合流：河流退水时，产生的向河底集聚的两个微弱环流，两岸冲刷，中间淤积。 河湾水流：是河道中常见的水流现象，一种三元流动。实际是横向运动与纵向运动结合的螺旋流。,不同情况下的环流结果,河道水流的流速分布 卡曼-普兰特尔（Th.von.Darman-L.Prandtl）对数流速分布公式 对数及反三角函数流速分布 指数公式,几个概念简析,粗糙高Ks：是天然壁面的当量粗糙高，它综合反映壁面粗糙程度、形式和分布等因素对水流的影响。不仅只反映槽壁的粗糙程度，同时还与粗糙的形式和分布状况有关。在河道和明渠中，粗糙程度、形式和分布都是不均匀的，也是随机的，Ks是反映这些因素的一个综合参数。 通常采用实测的方法来确定Ks，即测出河槽的流速分布和U*，再用槽壁流速公式反推粗糙高。 也有人用床沙情况来初估Ks，如对于均匀床沙，采用Ks=0.7d，d为床沙粒径；如对于非均匀床沙，采用Ks=d65，d65为床沙组成中出现概率是65%的粒径；不同实验条件不同，仅供参考。,8.5,槽壁流速公式:,几个概念简析,摩阻流速U*： U*= 摩阻流速U*反映了水流的紊动情况，广泛应用在泥沙研究中。 U*与脉动强度的数值大小相当。 0是起动拖曳力，即泥沙处于起动状态的床面剪切力。 0=hJ=U*2,gRJ,=,0,常用计算的推导,Ks和糙率n的计算： 例：先测得河流水深h,再测水流垂线上两点流速，如：从水面测得U0.2h=u1 ;U0.8h=u2，由流速分布公式：,u1=5.75U*lg(24h/Ks),u2=5.75U*lg(6h/Ks),lg,h Ks,=,0.778u1/u2-1.38,1-u1/u2,h,u1,u2,得Ks,Ks,多测几点流速，计算Ks和n值，以供校核，或取平均。,离水面的距离；y1=h-0.2h=0.8h； y2=h-0.8h=0.2h；,常用计算的推导,Ks和糙率n的计算： 例：先测得河流水深h,再测水流垂线上两点流速，如：测得U0.2h=u1 ;U0.8h=u2，由流速分布公式：,c=18lg(12.27R/Ks),n=,n,R1/6,18lg,12.27R Ks,将实测的lg(h/Ks)代入上式，令R=h,=,5.57u1/u2-5.27,u1/u2-1,c,=,(u1/u2-1)h1/6,5.57(u1/u2+0.95),n,多测几点流速，计算Ks和n值，以供校核，或取平均。,作业或习题,P16第一题；已知某河实测水深H=3.6米，三点法测得的流速分别为U0.2=1.82m/s, U0.6=1.60m/s, U0.8=1.50m/s, 试求河床的粗糙高度KS及曼宁糙率n。,U=,1 n,R2/3J1/2,曼宁公式,U*=,gRJ,;,1.4 河流泥沙的来源与几何特性,一、泥沙的来源 泥沙：指所有在流体中运动或受水流、风力、波浪、冰川及重力作用移动后沉积下来的固体颗粒碎屑（钱宁、1983）。粒径大小可差数十数万倍。粒径大小一般变化在0.001100.0mm 。 主要来自岩石的风化，土壤侵蚀，火山喷发产生的火山灰、生物骨骼、贝壳分解及人类各种生产活动的废弃物。 河流泥沙的来源可以分为两类：一类是来自流域降雨形成的地面径流对地表的冲蚀，通常称为水土流失；另一类是从原河床沉积层冲刷起来的。河流泥沙在运动过程中与床沙相互交换，塑造了不断变化的河床形态。,按导致土壤侵蚀的外营力种类划分,在我国引起土壤侵蚀的外营力种类主要有水力、风力、重力、水力和重力的综合作用力、温度(由冻融作用而产生的作用力)作用力、冰川作用力、化学作用力等，因此土壤侵蚀类型就有水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀、冰川侵蚀、混合侵蚀、化学侵蚀和生物侵蚀等类型。,水土流失（soil Loss) 包括水和土的流失两个方面。它与土壤侵蚀概念不同。从侵蚀作用 力来看，为水力侵蚀，水土流失量是指离开某一范围的地表物质总和，一般土壤侵蚀量大于水土流失量。 土壤侵蚀与产沙（sediment yield) 也是两个不同的概念，产沙是指侵蚀的土壤量能够到达流域出口的泥沙量。因此，产沙小于侵蚀量，两者之间用泥沙输移比表示。如以长江上游宜昌，20世纪80年代平均侵蚀量为15.7亿吨，同期宜昌站输出沙量5.49亿吨,流域地表水土流失的严重程度是用侵蚀模数M来表示的，它表示流域上每平方公里地面每年冲蚀的泥沙量。黄土高原的M大于1000t/(km2.a)。相当于地面每年普遍被冲走0.6mm以上厚的土层。陕北个别地区M高达10000t/(km2.a)。我国南方流域M一般100t/(km2.a)左右。 河流中泥沙的含量随区域水土流失情况的不同差异很大。黄河干支流河道实测最大含沙量达到1500kg/m3，平均为300kg/m3，国内外主要河流的含沙量见表。,土壤侵蚀的危害表现为：,（1）水资源和土壤资源恶化。年流失耕地表层土壤1cm，流失的养分相当于4000万t的化肥量。 （2）农田、耕地水沙为害。沟壑纵横切割造成耕地大面积破坏。 （3）对下游水系的危害。河床抬高，防洪能力下降，湖泊面积缩小，调蓄能力减小。 （4）流域内水库淤积、库容减少、水利设施效率降低。,二、泥沙颗粒的大小粒径 1、等容粒径：体积相当的球体直径；粗颗粒 2、平均粒径：算术平均和几何平均； 2、筛分粒径：刚好能通过筛孔的粒径；停留在D1，通过D2的平均粒径；细颗粒 3、沉降粒径：粒径小于0.1mm。0.1mm的细沙 泥沙颗粒分类：方法很多，结果有差别。,三、泥沙的群体特性,三、泥沙的群体特性,三、泥沙的群体特性,1.3 泥沙的重力特性和浑水性质,一、泥沙的容重,容重：泥沙颗粒的重量与其实际体积之比，用 。 与泥沙的矿物组成决定。一般分为胶体分散矿物、轻矿物和重矿物。,1.5 泥沙的重力特性和浑水性质,二、泥沙淤积物干容重,（1）泥沙淤积物干容重（specific weight) 单位体积的沙样干燥后的重量。也称干密度 。由于泥沙颗粒存在孔隙，干容重一般小于个体颗粒的容重。在分析河床冲淤变化时，泥沙冲淤的重量必须通过泥沙的干容重换算为泥沙冲淤体积。 影响干容重的主要因素有粒径组成，淤积历时，埋藏的深度和环境等。 （2）干容重计算方法,（3）泥沙粒径对干容重的影响；,（4）干容重与淤积深度和淤积历时关系；,（5）泥沙的水下休止角：静水中的泥沙由于摩擦力作用，堆积成一定角度的稳定倾斜面。,（4）干容重与淤积深度和淤积历时关系；,（5）泥沙的水下休止角：静水中的泥沙由于摩擦力作用，堆积成一定角度的稳定倾斜面。,三、浑水的基本特性,1.5 泥沙的重力特性和浑水性质,四、泥沙的沉速,习题2 已知江西赣江棉津站1