泥沙的起动PPT演示课件

天然沙的沉速,水电部规范公式：d1.5mm,0.15mm=d=1.5mm,其中d单位取mm，算得沉速单位为cm/s。0.1mm0.646W时泥沙开始跃起下移；床面颗粒的受力接近正态分布，如下图。,31,fL/fL+fD/fD图4-9脉动上举力和脉动拖曳力的概率密度分布与标准正态分布曲线的对比,32,事实上，根据上举力的计算公式，瞬时流速服从正态分布，那么上举力的瞬时值并不应为正态分布，而是服从多维自由度的分布。随着自由度的增加，分布的形状与正态分布的图形类似。所以，通常可采用正态分布的数学手段研究近底床面泥沙运动的基本规律。,33,第二节无粘性均匀沙的起动1起动拖曳力(incipienttractiveforce),34,一个圆形球体的水下重量为W，床面上泥沙颗粒所受的上举力为FL，相应的颗粒所受的拖曳力FD为：,(4-24),35,取对数流速公式：,临界起动(滑移)：,36,阻力系数CD、CL与沙粒形状和沙粒雷诺数有关，最后得出起动拖曳力公式:,(4-32),上式的关系见图4-10，即著名的希尔兹关系曲线。,37,图4-10希尔兹起动拖曳力曲线,38,希尔兹起动拖曳力曲线具有以下特点:Re*=10，最易于起动；Re*10，起动拖曳力随粒径的增大而加大；Re*1000，接近一常数0.06。,39,辅助曲线:以为参数、斜率为2。使用方法：先计算的值，利用辅助线查得纵坐标即为数，可进一步计算c。,40,Mantz（1977）0.0150.066mm的天然粉沙0.01550.076mm的云母碎片碎片厚度作代表粒径：偏大等容球体直径作代表粒径稍小平均平面直径作代表粒径偏小,检验、修正Shields曲线,41,Ling从理论上推导了起动拖曳力的表达式，按滚动条件推导得出的起动拖曳力最小，而按上举力条件推导得出的结果则最大，Shields起动拖曳力介于两者之间。,42,Choi对滚动、滑动和跳跃三种运动形式的分析结果表明，滚动的拖曳力最小，跳跃的拖曳力最大，当Re*10以后，Shields曲线与滑动时的曲线相近。对充分紊流区，在运动的泥沙中，滚动的泥沙占59，滑动占38，跳跃则占3。,43,2起动流速(incipientvelocity),44,由于流速场和剪力场之间存在着一定的关系，所以可以从起动拖曳力的表达式推导出泥沙的起动流速公式。如采用对数流速公式,可得用UC代表在临界起动时的垂线平均流速：,(对数型起动流速公式),45,如流速分布不采用对数形式而采用指数流速分布公式,从而可以得出指数型的起动流速公式,这类公式与水深有关,如应用较多的沙莫夫公式:,46,张小峰和谢葆玲(1995)建立了起动流速和起动概率的关系，得出了带有不同起动概率参数C的起动流速公式：,式中的C值按起动概率p确定,如取p=12.71%，则C=1.14，代入上式可得沙莫夫公式.,47,剪应力的横向分布,图4-11床面剪应力横向分布计算示意图,对于一般河道，床面剪应力，代表了单位湿周上的平均剪应力。在实际的河道中，剪应力沿横断面的分布是不均匀的。为了研究河道断面的冲刷和淤积，有必要深入分析剪应力的横向分布。,48,首先测出河道断面的流速分布，作出流速分布的等值线图和等值线的正交曲线，则在任一正交曲线上的剪应力为零，于是任两条正交曲线和床面湿周线之间围成的面积乘以单位长度的水体的重力分量必然要由该湿周乘以单位长度上的剪切力来平衡，从而可间接计算得到该部分的剪应力。,49,稳定渠道的理想断面设计,该余弦曲线即为所求的理想、稳定的渠道横断面，在给定的流量下，它具有最小湿周、最小顶宽、最小断面和最大的水力效率。,在一般渠道中，总是有一部分渠底已开始冲刷而另一部分的剪应力还小于临界值。Graf介绍了一种理想的渠道断面设计，可使整个断面同时达到临界剪应力。,50,第三节无粘性非均匀沙的起动,51,52,53,54,55,56,从推移质输沙率公式推导起动条件，即当推移质输沙率趋于零时的水流条件为临界起动条件。,Meyer-Peter公式,Gb0，=21.3,相应0.047。Einstein公式,当=27,=0.0001,0.037,57,天然沙的起动Wilcock天然混合沙试验,D(mm)图4-14试验沙粒径分布,58,对单峰型和弱双峰型的粒径分布：临界起动剪应力只与Dm有关。双峰型的粒径分布：随粒径而加大，可用下式计算:,59,Kuhnle的试验细沙D50=0.476mm，粗沙D50=5.579mm,图4-15Kuhnle试验沙级配曲线图4-16Kuhnle试验结果粗沙暴露于床面和粗沙对细沙的隐蔽作用,60,彭润泽和吕秀贞分析了长江寸滩站的卵石推移质输沙规律，得出了计算非均匀沙的起动流速公式:,野外观察资料分析,61,王兴奎等人公式,其中A和y为待定系数。该式是从床面上颗粒受力平衡的观点推导得出的，均匀沙的起动流速公式一般采用这种形式；对非均匀沙，计算某一级粒径的泥沙可能起动的概率时，该式的结构仍是可用的，只是系数需用实测资料确定。,62,第四节粘性颗粒和轻质沙的起动,63,1粘性颗粒的起动,Re*10时,粘结力作用,64,65,张瑞瑾公式（武水公式）：,其中h和D单位取m，算得沉速单位为m/s。,66,窦国仁（1960）石英丝试验：明确了颗粒的受力情况,证实了薄膜水的一些物理性质,推导出了一个适用于各种颗粒的起动流速公式:,Ha=10m,为以水柱高表示的大气压力,=3.010-8cm为水分子厚度。,67,窦国仁(1999)从上式出发，采用时均流速分布公式求出垂线平均流速及时均底流速，得出：,68,各公式计算结果的对比见图4-19，当水深为15cm、D0.2mm后，各公式的差异较大。,D(mm)图4-19各起动流速公式的对比,69,D(m)图4-21临界起动应力与粒径和密度的关系,Roberts试验:粒径和密度对粘结力的影响,70,万兆惠试验研究了水压力的影响：最大水压力可到10m水柱散粒体泥沙(D=0.065mm)，起动流速与水压力无关。细颗粒泥沙(D=0.004mm),起动流速随水压力的增加而明显加大，试验结果介于窦国仁公式和张瑞瑾公式之间。,Krone研究认为：影响粘性颗粒起动的主要因素是其在床面形成的结构，随着覆盖层的增加，絮凝结构逐渐崩解而更加密实，更难于起动。,71,2轻质沙的起动,72,陈稚聪等水槽试验极细塑料沙(D=0.0410.24mm)随粒径变细,起动流速增加增加的趋势与天然沙相似,如考虑重力作用和粘结力作用对细颗粒泥沙的影响,起动流速仍可用一般的起动流速公式来描述,即:,73,式中参数K为与粒径D(以mm计)有关的参数（适用于D0.25mm）:,(4-61),(4-62),74,府仁寿等人用塑料沙和电木粉在水槽里进行了起动流速的试验,由试验结果得出(4-61)式中的参数K与粒径D(以mm计)的关系图4-22，其适线方程分别为：,75,D(mm)图4-22轻质沙起动流速公式中K值与粒径D的关系,76,塑料沙：,.(4-63),.(4-64),电木粉：,77,府仁寿研究了细颗粒电木粉(D=0.038mm)的起动流速和固结时间的关系,发现随着颗粒在水下固结时间的增加,起动流速将有所增加,可表示为：,Uct=UcT1/6,78,3淤泥的起动,79,杨美卿(1996)从粘性细泥沙絮凝的电化学理论推导了颗粒之间粘着应力的表达式：,.(4-70),.(4-71),80,式中单位采用kgms制，上式与大量的实测资料符合良好。从(4-70)式可以看出，淤泥的临界剪应力与含沙量有关，图4-23为以S为参数的D关系图，在细颗粒部分为以S为参数的曲线族，含沙量越低，越容易起动。,81,D(mm)图4-23与D和S的关系,82,黄建维引用分子吸引势能的理论推导了海底淤泥的起动剪切力公式,得出起动剪应力主要与淤积物的含沙量S有关：(4-72)式中的系数k具有10-6的数量级，指数n2.02.68,83,Lavelle(1987b)的文章列出了二十多年来这一领域研究的80篇文章；Buffington(1998)的文章列出了