河流动力学(第三章).ppt

第三章泥沙的起动 有关泥沙运动的一些基本概念 1 泥沙起动是泥沙运动理论中最基本的问题之一 也是研究工程泥沙问题时首先遇到的问题 早在19世纪就提出了泥沙起动的概念 20世纪初开始了系统的研究 至今仍在继续 2 泥沙的起动是指水流底部床面上的泥沙由静止开始运动 相应的水流条件成为起动条件 当泥沙颗粒的粒径 密度等已知时 泥沙开始运动时的流速被称为起动流速 3 由于作用在泥沙颗粒上的流速是水流底部流速 而在实用上多换算成沿水深的平均流速 垂线平均流速 因而起动流速泛指这两种流速 第一 有关泥沙运动的一些基本概念 第一 3 表示泥沙起动条件的除起动流速外 还有一个常用指标 起动拖曳力 欧美应用较多 即泥沙开始起动时床面底部水流的切应力 泥沙起动的随机性和起动判别标准 第一 1 泥沙起动的随机性 泥沙颗粒大小 形状的随机性泥沙颗粒所处位置的随机性流速和拖曳力的随机性 2 泥沙起动的判别标准 弱动中动普动 当水流经过有松散泥沙颗粒组成的河床时 床面上的沙粒将承受拖曳力和上举力 对于很细的颗粒来说 抗拒水流作用力的除了泥沙颗粒的重力之外 还有相邻颗粒之间粘结力 粗颗粒泥沙的起动时的受力情况和细颗粒的泥沙有很大的不同 床面泥沙颗粒的受力情况 床面泥沙颗粒的受力情况分析和起动条件 均匀沙散粒体及粘性泥沙的统一起动流速公式 第一 1 张瑞瑾公式 取作用流速的特征高度y ad a为系数 将作用临界流速转化为垂线平均临界流速Uc 长度和时间单位分别用m s 2 唐存本公式 唐存本结论 2 唐存本公式 与粒径 干密度有关 3 窦国仁公式 0 17mm 唐存本公式 窦国仁公式 张瑞瑾公式 起动流速公式与实测资料的对照 均匀非粘性泥沙的起动流速公式 沙莫夫公式 冈恰洛夫公式 张瑞瑾公式 均匀沙散粒体及粘性泥沙的起动拖曳力公式希尔兹起动拖曳力公式 启动条件表达方式的比较 从促使泥沙运动的动力来考虑1940年怀特做过这样的研究 设计了特殊水槽 水槽中的拖曳力沿程不变而流速沿程变化 两组实验发现 泥沙起动在全试验段发生 说明 水流拖曳力是泥沙起动的直接原因 启动条件表达方式的比较 从床面紊动的影响考虑莱尔斯曾在四种不同粗糙度的床面上进行过实验 考虑到紊动对泥沙起动的影响 起动拖曳力作为临界指标优于起动流速 泥沙颗粒的几种运动方式 床面泥沙颗粒的不同位置 接触质颗粒突出 受到的拖曳力比较大 多以滑动方式起动 启动后往往改为滚动 在运动过程中经常与河床保持接触 跃移质位于成排沙粒前缘的颗粒 易在上举力和拖曳力的力矩作用下滚动 遇到下图的 b 位置 上举力会突然增大 泥沙颗粒跃起 流速逐渐增大 悬移质漩涡带动泥沙颗粒在水中悬浮前进 层移质成层运动的泥沙颗粒较少使用 按运动形式及性质划分 推移质 水流势能 悬移质 紊动能 按来源和造床作用划分 床沙质 交换 冲泻质 下泻 思考题 你对几个粘性均匀沙起动流速公式作何评价 泥沙的起动 泥沙起动中存在的问题由于泥沙颗粒处于床面的位置及作用在颗粒上的水流速度等是随机的 故泥沙起动具有随机性 最早将起动作为一个随机事件进行研究的是Einstein 1950 在此之前 通常以临界起动无因次切应力 c或临界起动流速Vc作为判别床面泥沙起动的标准 并将起动现象作为一个确定性的问题来研究 当水流拖曳力或水流流速大于临界拖曳力或临界起动流速时 床面上的泥沙颗粒将起动 从起动的平均情况来说 这是正确的 但进一步的研究表明 在水流小于起动临界条件时 床面上就有泥沙起动 而在水流大于起动临界条件时 床面上还存在没有起动的泥沙 这是因为上述确定性处理方法将起动问题作为一个必然事件来研究 实际上床面泥沙起动是随机的 泥沙起动是泥沙运动理论中最基本的问题之一 也是研究工程泥沙问题时首先遇到的问题 早在19世纪就提出了泥沙起动的概念 20世纪初开始了系统的研究 至今仍在继续 泥沙的起动 一般可分为二种状态 即将动未动 少量动和普遍动 第一种状态是指床面泥沙除个别凸出颗粒可动外 基本不动 这时的脉动流速应为其最大值 脉动流速符合正态分布 其三倍的均方根值即为实际上可能出现的最大脉动流速 其发生机率仅为0 00135 第一种起动状态是指床面上的泥沙 时而这个部位起动 时而那个部位起动 经常能观察到有少量颗粒起动 这时的脉动流速可视为其二倍的均方根值 其发生频率为0 0228 在第三种起动状态下床面上各部位的泥沙并不是同时起动而是有先有后 但在一定观察时段内在床面上各部位均能看到泥沙颗粒的运动 这时的脉动流速可视为等于其均方根值 其发生机率己达0 159 在这二种水流状态下 9 式左边的瞬时流速分别为 所谓泥沙起动流速 是指床面泥沙开始移动时的水流流速而言 这个概念是首先由沙任 1871年 继而由艾里 1885年 提出的 考虑到床面沙粒受水流的推移作用与流速平方成正比 沙粒在水中的重量与粒径的立方成正此 艾里得到了起动流速与沙粒直径平方根成正此的规律 应当指出 虽然这个关系式是根据极其简单的受力情况得到的 然而它还能够反映出粗沙及卵石起动的大致规律来 因此它在目前还具有某种意义 对于较粗颗粒的泥沙 都是以单颗粒形式起动 对于较细颗粒的泥沙 由于粘结力和水流脉动 扫荡 的影响 往往以数十个或数白个颗粒组成的群体形式起动 起动后仍以单颗粒形式在水流中运动 只是在床面上留下片状痕迹 自由沉降于床面上的颗粒群体 在其起动时所受到的各种作用力均较单颗粒时按相应倍数增大 因而在讨论力或力矩的平衡时仍可按单颗粒处理 泥沙颗粒并不是球体 颗粒愈细偏离愈大 但仍可按球体处理 对其所引起的偏差可在确定经验系数时给予间接考虑 颗粒间存在着吸力 对于略大的颗粒 其吸力远小于颗粒的重力 从而表现为无粘性颗粒 对于细颗粒 此吸力远大于颗粒的重力 成为粘结力 粘结力的大小 除与司 一物性质等物理和化学因素有关外 还与颗粒大小有关 对于粒径分别为d 和d 的两个球体间的粘结力 从理论上可以得出其值与两个粒径乘积的平方根成i1比 z 另一方面又与两个颗粒的间距成反比 即与颗粒密实程度有关 颗粒愈密实 颗粒间的间距就会小 从而粘结力也就愈大 试验资料表明 此粘结力F 可表述为 在泥沙颗粒周围有水膜环绕 其最贴近颗粒表面的薄膜水 是非自由水 具有某种固体性质 其压力传递不符合巴斯克尔定律 因而在两颗粒接触面积上受到上边水柱压力的作用 作者于1958年通过交义石英兹试验首次证实了此力的存在 万兆惠等 3 于1990年通过竹道加压试验证实了此力对细颗粒泥沙起动的显著影响 因而在研究泥沙起动问题时需要考虑水柱的压力 设两颗粒间承受水柱压力的厚度为26 颗粒直径均为d 则承受水柱压力的面积味为 r b 6是薄膜水厚度和粒径的函数 试验表明 随着颗粒的减小 水柱压力的影响急剧增