河道水流和泥沙的一般特性

河道水流和泥沙的一般特性 河流动力学 河道水流的一般特性 河流动力学 河道水流的基本特性 天然河道中的水流属于明渠流 在很多情况下可以沿用水力学中明渠流的有关结果二相流特性三维性不恒定性非均匀性 河流动力学 河道水流中的阻力 明渠二维水流的阻力损失 河流动力学 河道水流阻力损失与水力学中顺直管道和棱柱体明槽水流中发生的紊动相比 河道水流的紊动在尺度 紊源上要复杂得多明槽主要是粗糙边壁附近小尺度的紊动 由大 中 小尺度构成的紊动结构虽不能完全排除 但不占主导地位河道水流 根据张瑞理的研究 紊源除了普通意义的粗糙边壁外 还包括河势 河相 成型淤积体 河底或河岸的大凸大凹 沙纹及沙波等 这些紊源的尺度是边壁粗糙完全不能比拟的 河流动力学 因此对于河道水流 糙率系数 n的内含应该是极为复杂的作为属于阻力平方区的时均流速U的表达式中代表水流阻力效果的综合因素 它当然直接与水流中的紊源和紊动结构有关 与大至河势 小至河床床沙粒径有关 河流动力学 河道水流的运动特性 河流动力学 河道水流的流型 主副流及流速分布 河道水流的流型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 它一般是在重力作用下产生的 在流动过程中 水流的流线基本上是相互平行的 水流的速度向量也是互相平行的 而且都平行于河槽的轴线 河流动力学 河道水流的主流与副流副流与主流不同是由于纵比降以外的其它因素所促成的副流实际是在水流内部产生的一种大规模的水流旋转运动 它可以因重力作用而引起 也可在其它的力 内力或外力 作用下产生 在副流中 有的具有复归性 或者基本上与主流脱离 在一个区域内呈循环式的封闭流动 或者与主流或其它副流结合在一起 呈螺旋式的非封闭的复归性流动 具有复归性的次生流 我们称之为环流因产生的原因不同 具有不同的轴向 河流动力学 河道水流的流速分布 河流动力学 河流动力学 河道水流中环流结构 因产生原因的不同 环流可以分为因离心力产生的弯道环流 因柯里奥里 G Criorid 力而产生的环流 因水流与固体周界分离而产生的环流等等 水流在弯道内作曲线运动的时候 必然产生指向凹岸的离心力 水流为了平衡这个力 通过调整 使得凹岸的水面升高 凸岸方向的水面降低 从而形成横比降 河流动力学 弯道环流图图中 a为平面 b为横剖面 河流动力学 河流泥沙的来源和组成 河流动力学 泥沙的来源 河流泥沙的最根本来源是岩石的风化河流中运动着的泥沙 其来源主要包括流域地表的冲蚀和河床的冲刷风沙运动给河流带来的泥沙首先在规模上不如前二者 其次 从广义的角度也可以归入流域地表的冲蚀 再者 风沙运动带来的泥沙绝大部分属于冲泻质 对河流的冲淤影响较小流域地表的侵蚀与气候 土壤 地形地貌及人类活动等因素有关黄河中游的黄游地区 7 8月份降雨最多 且多为暴雨 其它条件也较差 所以地表侵蚀最为严重 而在我国南部省份 虽然也有暴雨 但土壤结构密实 植被覆被较好 所以其输沙量模数多在1000t km2 a 以下地形对流域的侵蚀 也起着重要的作用 坡度大则地面径流下渗量小 汇流速度大 侵蚀作用也随之增大 侵蚀量也随坡长的增大而增加 河流动力学 河流动力学 河流动力学 河流动力学 河流动力学 河流动力学 从流域地表侵蚀下来的泥沙 经过河流的搬运作用 大部分汇流大海 但也有不少沉积在低洼湖泊地带我国几条大河的河口地区和洞庭湖 都阳湖等大湖泊 都属于这样的堆积区从流域地表冲蚀而来的泥沙数量 通常是用每平方公里地面每年冲蚀若干吨泥沙来衡量 称为侵蚀模数 也称输沙量模数 下图为我国输沙量模数分布情况 河流动力学 河流动力学 泥沙随水流汇集到河流之中 加上河床上泥沙被水流冲刷起来 使得河道水流中含有一定数量的泥沙 常以每单位体积河水中的泥沙重量表示河流的含沙量 一般来说 我国北方 特别是黄河中游的一些干支流 年平均含沙量有些高达300kg m3以上 而在南方一些省份 年平均含沙量不足1kg m3 这样的分布状况 是与我国各地区的水土流失程度紧密相关的 下表是我国及国外一些主要河流水沙特征值的统计资料 附表 河流动力学 泥沙的矿物成分与分类 泥沙的矿物成分既然泥沙来源于岩石风化 则风化岩石的矿物成分决定泥沙的矿物成分 不同的风化方式对岩石矿物成分的影响程度不同 因此风化方式也影响泥沙的矿物成分物理风化 化学风化以及生物过程矿物的物理性质比重或密度 2 65硬度 5 水轮机过流部件硬度一般 5 河流动力学 河流泥沙的分类矿物分 运动方式分类以及粒径分类我国泥沙分类的分界数字为 200 20 2 1 20 1 200 即200 20 2 0 5 0 005 河流动力学 泥沙的粒径大小与泥沙的水力学特性与物理化学特性有着密切的关系不同粒径级的颗粒所形成的土壤具有不同的力学性质不同粒径级的颗粒具有不同的矿物组成不同粒径级的颗粒具有不同的物理化学特性 河流动力学 河流泥沙的几何特性 河流动力学 泥沙的粒径 泥沙的几何特性系指泥沙颗粒的形状和大小 或者说泥沙颗粒的形状与粒径泥沙的粒径泥沙的粒径是泥沙颗粒大小的量度所谓等容粒径 就是体积与泥沙颗粒相等的球体的直径 设某一颗沙的体积为v 则其等容粒径为 单位mm 河流动力学 河流动力学 泥沙的粒径 续 对较粗的天然沙粒测量成果的统计分析表明 沙粒的中轴长度 和其长 中 短三轴的几何乎均值 即等容粒径 接近相等且略大对于粒径在0 062 32 0mm之间的沙粒 一般采用筛析法用筛析法量得的粒径应相当于各粒径组界限沙粒的中轴长度 可以近似地看成等容粒径 或者直接称为筛径对于粒径在0 062mm以下粉粒和粘粒 已不可能进一步筛分 只能采用沉降法 河流动力学 泥沙的粒配曲线 通过对沙样颗粒组成的分析 得出其中各粒径级的重量百分比或者小于某粒径的重量百分比 并据以绘制如右图所示的泥沙粒配曲线粒配曲线可直接表现泥沙沙样粒径的大小和沙样的均匀程度 代表较细的沙样 代表较均匀的沙样 河流动力学 从粒配曲线上 可以查出小于某粒径的泥沙在总沙样中占的重量百分数在总沙样中占某重量百分数的泥沙的上限粒径后者通常以重量百分数为脚标 附注在粒径的右下角 表示该上限粒径如d5 d20 d50 d90等d50称为中值粒径 它表示在全部沙样中 大于和小于这一粒径的泥沙重量刚好相等 河流动力学 河流动力学 三 泥沙的空隙率 孔隙率 泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比称为孔隙率 泥沙孔隙率因沙粒的大小及均匀度 沙粒的形状 沉积的情况以及沉积后受力大小及历时长短而有不同 对各类泥沙孔隙率一般为粗沙 的孔隙率39 40 中沙 41 48 细沙 44 49 黄河的河漫滩沉积物就因孔隙率的不同而有 铁板抄 与 晃滩沙 的区别 河流动力学 通常泥沙的平均粒径与中值粒径直并不相等 二者之间的关系应为关于沙样的均匀程度 常采用如下形式的非均匀系数或称拣选系数非均匀系数等于1 则沙样均匀 愈大于1 则越不均匀 河流动力学 细颗粒泥沙的物理化学特性 河流动力学 电化学性质 1 比表面积 泥沙颗粒表面积与其体积之比 比表面积的意义 反映泥沙颗粒的物化作用与重力作用的相对 越大 物化作用就越大 颗粒越细 该值越大 大小 河流动力学 电化学性质 2 双电层及吸附水膜的特性 1 细泥沙颗粒在含有电解质的水中 颗粒周围会形成双电层 吸附水膜 细泥沙颗粒表面带有负电荷 吸引反离子 形成吸附层 固定层 扩散层 细泥沙颗粒表面带有负电荷 同时也吸引水分子形成粘结水 粘滞水 束缚水 河流动力学 2 双电层的电位变化 泥沙颗粒表面带负电荷后 就有一定的电位值 此电位值与扩散层外的自由电位之差称为热力学电位 或 0电位 在吸附层内 电位线性降落 所剩余的电位差 即吸附层与扩散层交界面的电位与扩散层外自由电位之差称为电动电位 或 电位 电位的数值及双电层的厚度与水中电解质的离子浓度及价数有关 河流动力学 压密过程与物理性质的变化 沙 砾石 卵石类粗颗粒泥沙一旦沉积到河底 不再压密 细颗粒泥沙 特别是粘土颗粒在沉积时会连结成絮团 在自重或其他外力的作用下 沉积固结过程如下 河流动力学 泥沙的重力特性 河流动力学 泥沙的一般重力特性 泥沙的容重与密度泥沙各个颗粒实有重量与实有体积的比值 称为泥沙的容重或重度 采用国际单位为牛 米3 N m3 由于构成泥沙的岩石成分不同 泥沙的容重也不相同 常以26kN m3 国际单位 或2650kgf m3 工程单位 为代表值 有效容重系数或有效密度系数 河流动力学 泥沙的干容重与干密度沙样经100 l05 温度烘干后 其重量与原状沙样整个体积的比值 称为泥沙的干容重 单位为N m3泥沙干容重与粒径的大小 埋藏的深浅 以及淤积历时的长短有关 其变化幅度是相当大的实际观测资料中 曾经得到的淤积泥沙干容量的变化幅度约在2 94 21 56kN m3泥沙的水下休止角在静水中的泥沙 由于摩擦力的作用 可以形成一定的倾斜面而不致塌落 此倾斜面与水平面的交角 称为泥沙的水下休止角 其正切值即为泥沙的水下摩擦系数f 即 河流动力学 泥沙的沉阵速度 沉降形式泥沙在静止的清水中等速下沉时的速度 称为泥沙的沉降速度 简称沉速反映着泥沙在与水流相互作用时对运动的抗拒能力 组成河床的泥沙沉速越大 则泥沙参与运动的倾向越小泥沙重度 水的重度 在水中的泥沙颗粒将受重力作用而下沉 初始速度为零 抗拒下沉的阻力也为零 有效重力起作用 泥沙颗粒的下沉具有加速度 随着下沉速度的增大 阻力增大 终于使下沉速度达到某一极限值 此时 泥沙所受的有效重力和阻力恰恰相等 泥沙颗粒的继续下沉便以等速方式进行泥沙在静水中下沉时 从加速到等速所经历的时间是十分短暂的 3mm 1 10s 1mm 1 20s 河流动力学 泥沙颗粒在静水中下沉时的运动状态与沙粒雷诺数有关式中d和 分别为泥沙的粒径及沉速 为水的运动粘滞性系数当Red较小时 约小于0 5 运动状态属于滞性状态 泥沙颗粒基本上沿铅垂线下沉 附近的水体几乎不发生紊乱现象当Red较大时 约大于1000 泥沙颗粒脱离铅垂线 以极大的紊动状态下沉 附近的水体产生强烈的绕动和涡动 这时的运动状态属于紊动状态当Red介于0 5到1000之间时 泥沙颗粒下沉时的运动状态为过渡状态 河流动力学 河流动力学 球体的沉速单颗粒圆球在无限水体中等速下沉时 其沉降可看做对称绕流运动