河流动力学2008-C3悬移质运动for教学楼.ppt

08 3 18 4周 三08 3 20 4周 五08 3 23 5周 一 1 第三章悬移质运动 本章内容简介 2 床沙质冲泄质含沙量沿水深的分布悬移质输沙率含沙量沿程变化总输沙率 3 0 0 第三章悬移质运动 研究的目的意义 引水排沙工程 需了解含沙量沿水深的分布 库区淤积及淹没 需知道悬移质输沙量 河床演变分析 需了解输沙率及含沙量沿程变化 泥沙悬浮的条件 床面附近的漩涡尺度大于泥沙粒径 漩涡的向上分速大于泥沙的沉速 悬沙占总沙量的比例 悬沙一般占总沙量的绝大部分 悬沙量一般比底沙量多数十倍甚至更多 但推移质不能忽略 例 寸滩站年均悬沙输沙量4 6亿吨 底沙600万吨 悬沙占98 7 嘉陵江北碚站年均悬沙量1 18亿吨 底沙5 8万吨 悬沙 99 3 3 1 1 1 3 1床沙质与冲泄质一 问题的提出 xe 第三章悬移质运动 床沙与运动沙颗粒级配分析 床沙 粗沙多于细沙动沙 细沙多于粗沙组成 动沙中某些较细的泥沙在床沙中几乎没有 似乎与床面没有发生交换 为什么 3 1 1 2 3 1床沙质与冲泄质一 问题的提出 xe 第三章悬移质运动 实测输沙量与流量关系 Qs Q 分析 正常概念 Q越大 Qs应越大 但仅在较大的颗粒存在此概念 D越大 0 03mm Qs Q关系越强 D 0 01mm时 Qs Q几乎没有关系 图3 1 说明 D 0 01mm时 上游来多少沙就走多少沙 只与上游Qs有关 而与Q无关 3 1 1 3 3 1床沙质与冲泄质一 问题的提出 一 第三章悬移质运动 水槽试验成果分析 D 0 1mm时 无论上游加多少沙 Qs几乎不变 图 D0 1mm时 Qs由水流条件确定 D 0 06mm时 Qs由上游加沙量确定 3 1 2 3 1床沙质与冲泄质二 床沙质与冲泄质的概念 二 第三章悬移质运动 床沙质 较粗颗粒泥沙在搬运过程要与河床上的泥沙发生交换 认为该河段的粗沙来自上游河床 是从床沙中进入运动的泥沙 与河床冲淤变化有密切关系 所以又称造床质 请注意 床沙 与 床沙质 概念上的区别 冲泄质 较细颗粒泥沙在运动过程不与河床上的泥沙发生交换 可认为是从流域表面冲刷后一泻千里而来 沿程几乎不交换 不沉淀 与河床冲淤变化基本无关系 所以又称非造床质 3 1 3 3 1床沙质与冲泄质三 推移质 悬移质与床沙质 冲泄质命名的区别 三 第三章悬移质运动 命名方式不同 推 悬 按运动方式分床 冲 按颗粒大小和泥沙来源分 推移质 床沙质 悬移质 冲泄质 悬沙含有床沙质和冲泄质 只是冲泄质多 床沙质少 底沙也含有床沙质和冲泄质 只是冲泄质少 床沙质多 床沙质与冲泄质在一定条件下可以相互转换 同一粒经的颗粒 在上游是冲泄质 在下游可能就是床沙质 同一粒经的颗粒 在洪水期是冲泄质 在枯水期可能就是床沙质 在库区 床沙质的粒经会更小 3 1 4 3 1床沙质与冲泄质四 床沙质与冲泄质的划分 3 1 第三章悬移质运动 床沙Dw5法 固定粒经法 公切线法 请注意 床沙质 与 冲泄质 分界的具体河段 具体水期 具体河道特性 三种方法的共同点 均是以粒经分界 认为床沙中 Dw5的颗粒为冲泄质 悬沙中 Dw5的颗粒为冲泄质 图3 2 Partheniades认为D 0 06mm为冲泄质 床沙与悬沙级配曲线的公切线与D轴的交点处的粒经作为分界 图 3 2 0 1 3 2含沙量沿水深分布 一些基本概念 xe 第三章悬移质运动 含沙量的定义 3 2 0 2 3 2含沙量沿水深分布 一些基本概念 xe 第三章悬移质运动 各含沙量之间的换算关系 3 2 0 5 3 2含沙量沿水深分布 一些基本概念 xe 第三章悬移质运动 重力作用 泥沙比水重而向下沉降 使得水流含沙量在河底较大 水面较小 悬沙呈现上稀下浓的非均匀分布 紊动作用 紊动作用使悬沙由含沙量高的下层向含沙量低的上层传送 因为 穿过水平面的浑水量平衡 而下浓上稀 向上水体挟带的泥沙大于向下水体挟带的泥沙 紊动扩散作用 紊流作用同分子布朗运动引起的某物质从浓度高的地方向浓度低的地方不断迁移的分子扩散现象一样 因次称为 重力作用使含沙量沿水深分布趋向不均匀化 紊动作用使含沙量沿水深分布趋向均匀化 3 2 0 6 3 2含沙量沿水深分布 一些基本概念 0 第三章悬移质运动 含沙量沿水深分布的平衡状态 紊动扩散作用使泥沙上浮 重力作用使泥沙下沉 含沙量沿水深部分由此二者相对作用的对比关系决定 重力作用占优势 泥沙下沉 河床淤积 紊动扩散作用占优势 泥沙上浮 河床冲刷 二者作用相当时 河床不冲不淤 处于平衡状态 紊动扩散作用上浮的沙量和重力作用下沉的沙量在垂线上任一位置都相等 含沙量沿水深分布达到了平衡状态 本章含沙量沿水深分布的推进就基于这种平衡状态 3 2 1 1 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 xe 第三章悬移质运动 理论前提 属于质量守恒原理 采用扩散理论推导含沙量沿水深分布的前提 二元 恒定 均匀流 平衡输沙 基本思路 平衡输沙 重力作用的泥沙下沉量 紊动扩散作用的泥沙上浮量 3 2 1 3 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 xe 第三章悬移质运动 二维恒定均匀流平衡输沙扩散方程 单位时间单位水平面积内的泥沙下沉量 单位时间单位水平面积内的泥沙上升量 3 2 1 4 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 ye 第三章悬移质运动 二元均匀流不平衡输沙扩散方程取微元体如图3 3 获得进出微元体的沙量差 3 2 1 4 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 ye 第三章悬移质运动 二元均匀流不平衡输沙扩散方程 3 2 1 4 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 ye 第三章悬移质运动 二元均匀流不平衡输沙扩散方程 3 2 1 4 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 xe 第三章悬移质运动 二元均匀流不平衡输沙扩散方程 虽然w随S变化 但变化很小 可认为是定值 所以 下一步的任务是 如何获得ey的表达式 3 2 1 5 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 ye 第三章悬移质运动 ey em间的关系 紊动扩散项g2的另一种表达式 3 2 1 5 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 xe 第三章悬移质运动 ey em间的关系依据紊流动量传递理论 最简单的假定是 ey em em 3 2 1 6 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 xe 第三章悬移质运动 em的计算式依据紊流动量传递理论 再代入上式 得 3 2 1 7 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 ye 第三章悬移质运动 含沙量沿水深分布公式 Rouse方程 积分过程 无法采用水面边界 那积分常数C如何获得 只有采用河底边界 3 2 1 7 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 xe 第三章悬移质运动 含沙量沿水深分布公式 Rouse方程 3 2 1 8 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 xe 第三章悬移质运动 悬浮指标z的物理意义 物理意义 表征重力作用与紊动扩散作用的相对大小 反映了含沙量沿水深分布的均匀程度 z越大 表明重力作用相对越强 分布越不均匀 z越小 表明紊动扩散作用相对越强 分布越均匀 图3 4 z的另一功用 可作为推移质进入悬浮状态的判别标准 z 5后 图3 4 悬沙较少 可将z 5作为推 悬的临界判别值 3 2 1 9 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 ye 第三章悬移质运动 对公式的检验 检验内容 公式的结构是否合理 悬浮指标 检验结果 公式结构合理 正确 图3 5 z的理论值与实测值z1有一定差异 z较小时 实测值与理论值相差不大 z较大时 实测值小于理论值 且随z的增大 差距也越大 图3 7 3 2 1 9 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 ye 第三章悬移质运动 对公式的检验 z与z1差异的原因 因为引入了三个假定 假定 与实际差异不大 假定 与实际存在一定差异 D的漩涡对泥沙扩散作用不大 但可进行水流动量交换 泥沙的惯性引起泥沙与水流不完全同步运动 一般ey略大于em 图3 8 假定 与实际有一定差异 因浑水k小于清水k 0 4 图3 9 3 2 1 9 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 xe 第三章悬移质运动 对公式的检验 公式中存在的问题 y 0时 S 已属推移质 扩散公式本身不适用 仅用于y a y h时 S 0 实际观测 D小U大时 水面存在泥沙运动 原因 对数流速公式的du dy 0 但 0 则 y m 0 实际上水面的 m 0 但 y 0 图3 8 3 2 1 10 3 2含沙量沿水深分布一 扩散理论 一 第三章悬移质运动 a的确定 一般取床面层厚度 则 Sa称临底含沙量 通常由实测资料获取 推移质与悬移质之间目前难以准确分界 床面层厚度确定方法较多 也不一致 Einstein取a 2D 3 2 2 1 3 2含沙量沿水深分布二 重力理论 xe 第三章悬移质运动 悬浮功 泥沙比水重 为维持泥沙在水中悬浮而不下沉 需要水流对泥沙作功将其托起 这部分功称为悬浮功 基本思路 基本思路 能量守恒原理 即水流消耗的能量E1 水流克服阻力所做的功E2 悬浮功E3 E1 单位体积浑水中的清水在单位时间内提供的能量E2 单位体积浑水中的清水克服运动阻力在单位时间内消耗的能量E3 单位体积浑水中的清水为托起泥沙在单位时间内提供的悬浮功E1 E2 E3 3 2 2 3 3 2含沙量沿水深分布二 重力理论 ye 第三章悬移质运动 公式推导 3 2 2 3 3 2含沙量沿水深分布二 重力理论 ye 第三章悬移质运动 公式推导 3 2 2 3 3 2含沙量沿水深分布二 重力理论 ye 第三章悬移质运动 公式推导 3 2 2 3 3 2含沙量沿水深分布二 重力理论 ye 第三章悬移质运动 公式推导 3 2 2 4 3 2含沙量沿水深分布二 重力理论 xe 第三章悬移质运动 公式验证 3 2 2 5 3 2含沙量沿水深分布二 重力理论 二 第三章悬移质运动 公式的局限性 细颗粒泥沙的计算结果与实际差异较大 悬浮功是紊动动能 而紊动动能是阻力损失的一部分 所以平衡方程中重复计算了两次 实测表明 浑水能耗并不比清水大 阻力损失 理论上存在缺陷而实际也难以应用 3 3 0 1 3 3悬移质输沙率 基本概念 xe 第三章悬移质运动 悬移质输沙率GS 一定的水流与河床组成条件下 水流在单位时间内所能挟带并通过河段下泄的悬移质中床沙质的数量 一般是指河床处于不冲不淤 水流含沙量处于饱和情况下 单位时间内通过河段下泄的悬移质悬移质中床沙质量 悬移质实际输沙率GS 单位时间内实际通过河段下泄的悬移质泥沙量 GS GSGs Gs 河床发生冲刷Gs Gs 河床不冲不淤Gs Gs 河床发生淤积 3 3 0 3 3 3悬移质输沙率 基本概念 0 第三章悬移质运动 悬移质单宽输沙率gS 单位宽度内的悬移质输沙率 悬沙水流挟沙力S 饱和含沙量 临界含沙量 河流处于不冲不淤临界状态下 单位水体所能挟带的悬移质中床沙质数量 重量 的平均值 垂线平均含沙量Sm 注意S 与Sm的区别 S 为沿垂线以单宽流量为权的加权平均Sm则为以水深为权的加权平均 一般情况下S 与Sm谁大 3 3 1 1 3 3悬移质输沙率一 Einstein公式 xe 第三章悬移质运动 基本思路 采用含沙量沿水深分布的Rouse公式和单宽悬移质输沙率定义 并采用推移质输沙率计算临底含沙量 3 3 1 2 3 3悬移质输沙率一 Einstein公式 ye 第三章悬移质运动 公式推导 3 3 1 2 3 3悬移质输沙率一 Einstein公式 xe 第三章悬移质运动 公式推导 3 3 1 3 3 3悬移质输沙率一 Einstein公式 xe 第三章悬移质运动 I1 I2的计算I1 I2仅是A z 可通过数值积分计算 也可通过已绘制的图形 图3 12 3 13 查取 3 3 1 4 3 3悬移质输沙率一 Einstein公式 ye 第三章悬移质运动 临底含沙量的计算 Einstein认为包括近河底区的泥沙分布应是连续的 床面层顶部的泥沙浓度应是悬移质的临底含沙量Sa 3 3 1 4 3 3悬移质输沙率一 Einstein公式 ye 第三章悬移质运动 临底含沙量的计算 3 3 2 1 3 3悬移质输沙率二 原武汉水利电力学院公式 武水公式 xe 第三章悬移质运动 基本思路 先根据实测资料经数值分析而得 然后提出悬移质具有制紊作用的观点 采用 定理进行理论推导 挟沙力公式 其中K m均是Y的函数 由图3 14给出 通常称Y为挟沙力综合因子 3 3 2 3 3 3悬移质输沙率二 原武汉水利电力学院公式 武水公式 ye 第三章悬移质运动 公式的理论推导 制紊作用 悬移质的存在将使水流的紊动减弱 水流阻力减小 张瑞瑾发现 挟沙水流S越大 糙率n越小 能耗就越小 存在制紊作用的原因 水流与泥沙比重不同 运动不同步 发生相对运动而互相牵制 水流挟沙增加粘性 对紊动不利 近底是产生紊动漩涡的地方 但含沙量大 对涡体的形成与运动具有制约作用 制紊功 由悬移质的制紊作用产生的功 清水能耗E 浑水能耗ES 3 3 2 3 3 3悬移质输沙率二 原武汉水利电力学院公式 武水公式 ye 第三章悬移质运动 公式的理论推导 3 3 2 3 3 3悬移质输沙率二 原武汉水利电力学院公式 武水公式 ye 第三章悬移质运动 公式的理论推导 3 3 2 3 3 3悬移质输沙率二 原武汉水利电力学院公式 武水公式 ye 第三章悬移质运动 公式的理论推导 3 3 2 3 3 3悬移质输沙率二 原武汉水利电力学院公式 武水公式 xe 第三章悬移质运动 公式的理论推导 3 3 2 4 3 3悬移质输沙率二 原武汉水利电力学院公式 武水公式 xe 第三章悬移质运动 综合因子的物理意义 3 3 2 5 3 3悬移质输沙率二 原武汉水利电力学院公式 武水公式 二 第三章悬移质运动 公式的应用 公式结构简单 有一定的理论和实测资料支持 国内应用较广泛 实际应用中注意k m的具体拟合 3 3 3 1 3 3悬移质输沙率三 Bagnold公式 ye 第三章悬移质运动 基本思路 从能量平衡出发 即水流使泥沙悬浮所做的功等于水流消耗于泥沙悬浮的势能建立关系式 公式的推导 3 3 3 2 3 3悬移质输沙率三 Bagnold公式 xe 第三章悬移质运动 公式的推导 3 3 3 3 3 3悬移质输沙率三 Bagnold公式 三 第三章悬移质运动 水流搬运悬移质效率es的大小 结论 水流用于托浮悬沙的功很小 仅为水流势能的2 3 4 6 不到推移质的0 35 长江 黄河的实测资料显示 该公式计算值显著偏小 应用时应根据具体情况确定系数 目前应用不多 但是一种途径 应用情况 3 3 4 1 3 3悬移质输沙率四 经验公式 ye 第三章悬移质运动 基本思路 利用具体河道的实测输沙率资料 依据 定理等手段建立输沙率与水流 泥沙参数 U R w D 的相关结构 经数值分析获得具体系数和指数等 一般仅适合具体河道或具体河段 多家公式 范家骅公式 引用引黄济卫渠系和陕西洛惠渠资料 3 3 4 2 3 3悬移质输沙率四 经验公式 xe 第三章悬移质运动 多家公式 托马林公式 利用中亚前苏联大量灌溉渠道资料 黄河干支流公式 麦乔威根据黄河干流及部分支流资料 3 3 4 3 3 3悬移质输沙率四 经验公式 四 第三章悬移质运动 经验公式应注意的问题 经验公式利用实测资料获得 具有较强的实用性 但需注意 公式基本只适用于当地河道或河段 因次大多不和谐 注意各参数的具体单位 可根据自己研究的河段 借用已有公式拟合具体参数 3 3 4 3 3 3悬移质输沙率五 公式的选用 3 3 第三章悬移质运动 目前采用的方法是 根据当地河段的具体资料进行检验 优化选取 另外 习惯用较简单的公式 如推移质的沙莫夫公式 悬移质的武水公式和经验公式等 3 4 1 3 4含沙量沿程变化一 问题的提出 xe 第三章悬移质运动 输沙率公式计算结果为不冲不淤的输沙量 天然情况存在超饱和淤积 次饱和冲刷的情况 实际S 临界S 建坝后下泄为清水 S 0 S S 下游必发生冲刷 含沙量沿程增大 不是马上达到饱和 而需要一定距离后才能达到饱和 故S是沿程变化的 大坝上游是先淤积 最终达到平衡 S也是沿程变化的 冲泄质的S S 不能用S 代替S 由此 需要获得S沿程的变化规律 以便计算河床的具体冲淤情况 3 4 2 1 3 4含沙量沿程变化二 一元恒定均匀流含沙量沿程变化方程 xe 第三章悬移质运动 推导前提 恒定均匀流 恒定输沙 恒定流 U S 等不随时间而变 均匀流 U S 等沿程不变 恒定输沙 S S等不随时间而变 原理 质量守恒 3 4 2 2 3 4含沙量沿程变化二 一元恒定均匀流含沙量沿程变化方程 xe 第三章悬移质运动 微分方程 3 4 2 3 3 4含沙量沿程变化二 一元恒定均匀流含沙量沿程变化方程 xe 第三章悬移质运动 沿程变化公式 3 4 2 4 3 4含沙量沿程变化二 一元恒定均匀流含沙量沿程变化方程 xe 第三章悬移质运动 泥沙落距 落距L 不考虑紊动悬浮作用情况下 泥沙随水流以速度U运动时 从水面降落到河底所经过的水平距离 3 4 2 5 3 4含沙量沿程变化二 一元恒定均匀流含沙量沿程变化方程 xe 第三章悬移质运动 a的确定 韩其为根据实测资料反推 a 0 25 淤积时 a 1 0 冲刷时 张启瞬采用 3 4 2 6 3 4含沙量沿程变化二 一元恒定均匀流含沙量沿程变化方程 二 第三章悬移质运动 恢复距离坝下水流需要多远距离才能恢复到天然河道的含沙量 3 4 3 1 3 4含沙量沿程变化三 一元恒定非均匀流含沙量沿程变化方程 3 4 第三章悬移质运动 特点 非均匀流 U S 等沿程要变 方程 韩其为导出 3 5 0 3 5总输沙率 基本概念 xe 第三章悬移质运动 总输沙率 在一定水流与河床组成条件下 河床处于不冲不淤的平衡状态时 单位时间内通过河段下泄的推移质和悬移质泥沙总量 水流输沙能力 水流挟沙力 床沙质总输沙率 推移质输沙率与悬移质中床沙质输沙率之和 全沙总输沙率 总输沙率 推移质输沙率与悬移质输沙率 包含冲泄质 之和 例 江西章水 gb gs 1 2长江重庆段 gb gs 1 1660 3 5 1 1 3 5总输沙率一 床沙质总输沙率 xe 第三章悬移质运动 Einstein公式 思路 推移质输沙率 悬移质输沙率 3 5 1 2 3 5总输沙率一 床沙质总输沙率 xe 第三章悬移质运动 Bagnold公式 思路 推移质输沙率 悬移质输沙率 3 5 1 3 3 5总输沙率一 床沙质总输沙率 ye 第三章悬移质运动 Engelund Hansen公式 思路 根据沙垄运动规律 认为泥沙沿沙垄运动所需要的能量应等于作用在运动泥沙上的水流剪切力所做的功 并通过实验资料得出 3 5 1 3 3 5总输沙率一 床沙质总输沙率 xe 第三章悬移质运动 Engelund Hansen公式沉降粒经D50 公式中的D50不是床沙的直接中值粒经 而是对应的沉降粒经 其相关关系见表3 1 公式检验 实验资料相关性较好 图3 16 也适用于沙浪阶段 且结构简单 使用方便 是目前公认为较好的公式 3 5 1 4 3 5总输沙率一 床沙质总输沙率 xe 第三章悬移质运动 Colby方法 Colby方法是计算床沙输沙能力的图解法 以Einstein泥沙运动理论为指导 以水槽试验和水文站实测资料为基础建立的床沙输沙率与流速 水深 床沙D50之间的关系图 图3 17 3 5 1 5 3 5总输沙率一 床沙质总输沙率 一 第三章悬移质运动 对各公式可靠性的检验 美国NioBrara河实测资料与三公式比较结果 Colby公式与Engelund Hansen公式计算结果与实测资料吻合较好 Einstein公式输沙率偏小 但斜率比较接近 图3 20 White试验成果表明 Engelund Hansen公式比Einstein公式计算结果要好 Bagnold公式很不可靠 鉴于现有理论水平有限 反而经验公式更好 3 5 2 1 3 5总输沙率二 全沙总输沙率 c3 第三