河流动力学-C2推移质运动

1,第二章推移质运动,本章内容简介,2,泥沙的运动形式泥沙的起动沙波运动冲击河流的阻力推移质输沙率,2.1.1,2.1泥沙运动的形式,xe,第二章推移质运动,泥沙的运动形式按运动形式分类：,2.1.1,2.1泥沙运动的形式,xe,第二章推移质运动,运动形式随水流条件的变化情况,接触质：流速较大但不太大，泥沙颗粒发生运动，主要形式为滑动和滚动，始终与床面保持接触，为数不多。(图2-1),跃移质：流速增大,如滚动的泥沙处在上举力突然较大之处,会突然跳跃起来,进入流速较大的水流区,挟带一定距离后，在重力和向下漩涡的作用下重新回到床面，如再遇同样水流条件会重复以上过程，主要以跳跃的形式前进。这是推移质运动的主要形式。(图2-1),层移质：流速达到一定限度，河床表面泥沙作剪切运动，泥沙成层的移动或滚动。(图2-1),悬移质：流速超过一定数值，紊动强度加强，水流中充满了大小不同的漩涡，漩涡尺寸大于粒径，向上分速大于沉速，此时，跳跃中的泥沙会进入主流区随水流同速前进。(图2-1),2.1.1,2.1泥沙运动的形式,xe,第二章推移质运动,推移质和悬移质的相对性,悬沙？底沙？床沙？,推移质和悬移质不能绝对分开，之间存在交换。,从河底到水面，泥沙是连续的，中间有交错部分。泥沙分布具有连续性，悬沙中较粗的颗粒与推移质中较细的颗粒交错，悬沙时而滚动，底沙也时而悬浮。,悬沙与底沙存在着交换。水流较弱时，悬沙底沙水流较强时，底沙悬沙,运动泥沙与静止泥沙发生交换。悬沙底沙床沙底沙悬沙,2.1.1,2.1泥沙运动的形式,ye,第二章推移质运动,推移质和悬移质物理本质上的区别,推移质和悬移质不仅运动形式和位置不同，且存在物理本质上的区别。,运动规律不同。,推移质：运动取决于泥沙跳离床面时的受力情况。悬移质：运动不仅取决于泥沙跳离床面时的受力情况，还受悬浮作用的影响。,2.1.1,2.1泥沙运动的形式,ye,第二章推移质运动,推移质和悬移质物理本质上的区别能量来源不同。,浑水能量水流势能水流紊动动能泥沙势能推移质：能量来源于水流势能(水流带动，将水流的势能转化为泥沙动能)悬移质：能量来源于水流紊动动能(紊动动能为水流势能转化为热能的过渡形式),2.1.1,2.1泥沙运动的形式,2.1,第二章推移质运动,推移质和悬移质物理本质上的区别对河床的作用不同。,推移质：颗粒碰撞产生剪力，向上的离散力支持底沙的重量，向下的离散力，使河床受到向下的压力，增加河床稳定性，影响河床颗粒本身。悬移质：漩涡动量产生力支持泥沙重量，同时增加容重，加大静水压力，可传递到河床孔隙间的水体，影响河床颗粒间的水体。,2.2,2.2泥沙的起动,xe,第二章推移质运动,研究历史,1753年：布朗姆斯(Brahms)提出VC与重量的1/6成正比1914年：福煦海默尔(Forchheimer)讨论了泥沙级配、分选和粗化等对VC的影响1936年：希尔兹(Shields)通过量刚分析提出Shields起动曲线19501960年：莱恩(Lain)将起动拖曳力的概念应用到渠道设计中之后：许多学者对均匀沙、非均匀沙、粘土等的起动进行了大量的研究。,2.2,2.2泥沙的起动,xe,第二章推移质运动,研究的意义,航道工程设计用（如束水攻沙等）坝前泄水拉沙设计用泥沙运动规律研究的基础(如大多输沙率公式均有此参数),2.2.1.1,2.2泥沙的起动一、泥沙起动的判别标准,xe,第二章推移质运动,泥沙的起动条件,起动条件：河床表面上的泥沙颗粒由静止状态转化为运动状态时的临界水流条件，称为泥沙起动条件。,一般有三种方法或称为三种参数表示：,起动流速Uc起动拖曳力(临界拖曳力)tc起动功率Wc,2.2.1.2,2.2泥沙的起动一、泥沙起动的判别标准,xe,第二章推移质运动,泥沙起动的随机性,泥沙颗粒大小、形状、方位、排列均有随机性。,水流本身具有脉动，脉动本身就是随机的。,受其它颗粒掩盖的随机性，受力情况的随机性。,泥沙组成的非均匀性，无明显的临界粒径。,2.2.1.3,2.2泥沙的起动一、泥沙起动的判别标准,ye,第二章推移质运动,起动的判断标准,缺点：定性不定量，不同的人，即使是同一人在不同的情况，判断的结果差异较大。,起动的随机性确定起动条件的困难性，目前还无一致的起动标准,克雷默的定性标准：他将推移质运动划分为四个阶段：,无泥沙运动：泥沙完全静止轻微的泥沙运动：个别可数的泥沙运动中等强度的泥沙运动：1?,沙莫夫：K0.71,列维：K0.83,2.3.0,2.3沙波运动,xe,第二章推移质运动,沙波：沙波运动是水流强度达到一定强度后，推移质运动的集体形式。此时，床面呈起伏不平的波浪形态，是推移质运动的主要形态，是构成河床地形的基本元素。,对河道水流结构、河道阻力、泥沙运动、河床演变均有重要影响。,2.3.1.1,2.3沙波运动一、沙波形态与运动状态,xe,第二章推移质运动,沙波纵剖面形态,波峰：波谷：波长：相邻两波峰或波谷间的距离，波高：波峰与波谷间的垂直距离，迎水面：较平坦；背水面：较陡，略大于水下休止角。,2.3.1.2,2.3沙波运动一、沙波形态与运动状态,xe,第二章推移质运动,沙波的平面形态带状(顺直)沙波(图)断续蛇曲(弯曲)状沙波(图)新月形沙波(图)舌状沙波(图),新月形沙波和舌状沙波皆成鱼鳞状，故合称沙鳞,波峰线平行，且与水流方向垂直或略斜交，沙波形成初期常见,线成不规则曲线，时断时续，大致与水流方向垂直，天然河道常见,，排列较整齐，单行与双行彼此交错，波峰凸向上游，如上弦月。天然河道常见,与新月形相似，但波峰凸向下游，如下弦月。,2.3.1.3,2.3沙波运动一、沙波形态与运动状态,xe,第二章推移质运动,沙波床面上的水流状态,水流强度分布不均，迎水面加速区，背水面减速区，U峰max，U谷min，,背水面常产生平轴漩涡,漩涡的上下端出现两个滞流点，即U0，于A1、A2,A1与A2之间的沙波表面的流速为负值。,2.3.1.4,2.3沙波运动一、沙波形态与运动状态,xe,第二章推移质运动,沙波对河床的水选作用,迎水面加速区的泥沙翻过波峰后，极细泥沙输向下游，较粗颗粒落淤回到波谷区，其中细沙在负流作用下向上游输移，粗沙则留下，因此形成上细下粗的现象，发生所谓的水选作用。,2.3.1.5,2.3沙波运动一、沙波形态与运动状态,一,第二章推移质运动,沙波的整体运动,迎水面冲刷而逐渐下移，背水面淤积而逐渐向前延伸，导致整个沙波徐徐向下游推进，但U沙波1后，形成起伏的沙浪。纵剖面对称，流线与床面平行，背水面不发生水流分离现象。分顺行沙浪(与水流流向相同)和逆行沙浪(与水流流向相反)(图2-10)。,碎浪：当逆行沙浪继续发展，水面波幅逐渐超过河底波幅(可达到1.52.0倍)，如果水面波谷低于河底波峰时，水面失去稳定而发生破碎，形成碎浪（黄河称为”淦“）(图2-10)。,急滩与深潭：当Fr1时，河床冲淤变化急剧，容易形成急滩和深潭(图2-10)。,沙纹、沙浪和沙浪常见，而急滩和深潭少见。,2.3.3.1,2.3沙波运动三、沙波的尺度和运行速度,xe,第二章推移质运动,主要尺度和速度,波长：波高：运行速度：沙坝整体运行速度ur,2.3.3.2,2.3沙波运动三、沙波的尺度和运行速度,2.3,第二章推移质运动,现有研究成果,目前理论研究较困难，多数通过试验获得经验公式。亚林研究：张瑞瑾据实测资料和试验研究：长办对长江的研究成果：,2.4.0,2.4冲击河流的阻力,ye,第二章推移质运动,研究河道阻力的意义,是影响河道泄流能力的关键参数；是决定输沙能力的重要参数；是研究局部建筑物(桥墩、码头、丁坝等)对水流影响的主要参数。,动床阻力：,冲积河流由可动的泥沙组成，常有沙纹、沙垄、沙浪等沙波形态出现，边界和阻力是在不停地发生变化，与定床阻力有较大差别。,2.4.0,2.4冲击河流的阻力,xe,第二章推移质运动,河道阻力的组成单元,2.4.1.1,2.4冲击河流的阻力一、床面阻力和河岸阻力的划分,ye,第二章推移质运动,划分模式,能坡分割法(按能坡划分),物理意义：能量消耗一部分传递到Jw，一部分传递到Jb,2.4.1.1,2.4冲击河流的阻力一、床面阻力和河岸阻力的划分,xe,第二章推移质运动,划分模式,水力半径分割法(按水力半径划分),物理意义：能量来自哪个区域就消耗在哪个区域,2.4.1.2,2.4冲击河流的阻力一、床面阻力和河岸阻力的划分,xe,第二章推移质运动,阻力方程组,9个方程,10个未知数,需另寻求1个方程。下面就河岸糙率、河床糙率与综合糙率的关系寻求另1方程。,2.4.1.3,2.4冲击河流的阻力一、床面阻力和河岸阻力的划分,ye,第二章推移质运动,综合糙率的推导,2.4.1.3,2.4冲击河流的阻力一、床面阻力和河岸阻力的划分,ye,第二章推移质运动,综合糙率的推导,2.4.1.3,2.4冲击河流的阻力一、床面阻力和河岸阻力的划分,ye,第二章推移质运动,综合糙率的推导,2.4.1.3,2.4冲击河流的阻力一、床面阻力和河岸阻力的划分,一,第二章推移质运动,综合糙率的推导,采用Einstein公式的较多，因为有人从能耗最小原理、数学领域的合理性导出的公式与Einstein公式一样。,2.4.2.1,2.4冲击河流的阻力一、沙粒阻力和沙波阻力的划分,xe,第二章推移质运动,阻力叠加原理,沙粒阻力和沙波阻力是作用在同一周界上的两个阻力单元，仍可采用阻力叠加原理。,2.4.2.2,2.4冲击河流的阻力二、沙粒阻力和沙波阻力的划分,xe,第二章推移质运动,阻力的划分,仍可采用能坡分割法、水力半径分割法处理。,2.4.2.3,2.4冲击河流的阻力三、动床阻力的计算,三,第二章推移质运动,综合阻力通常根据实测资料采用能量方程反算。动床阻力计算主要是如何将床面阻力分界为沙粒阻力和沙波阻力；目前的计算方法不完全成熟，同学们自学。,2.5.0,2.5推移质输沙率,0,第二章推移质运动,推移质输沙率：一定的水流和床沙组成条件下，河床处于不冲不淤的输沙平衡状态时，单位时间内通过河床断面的推移质数量(Gb,kg/s),通常采用的是：单宽输沙率,单宽推移质输沙率：单位河宽的推移质输沙率，gb,kg/(s.m),推移质输沙率建立途径：,流速：前苏联拖曳力：Duboys,Mayer-Peter能量：Bagnold统计法则：Einstein沙波运动：张瑞瑾,2.5.1.1,2.5推移质输沙率一、以垂线平均流速为主要参数的公式,xe,第二章推移质运动,基本思路,如果ub、ms、K确定后，gb自然获得；下面的任务介绍如何计算ub、ms、K等参数。,影响推移质输沙强度的主要水力因素是水流速度，流速愈大，则推移质输沙率愈大。,设：推移质前进速度ub床面层厚度KD动密实系数ms：床面层内运动沙占床面层总体积的比例。,则：推移质单宽输沙率gb为,2.5.1.2,2.5推移质输沙率一、以垂线平均流速为主要参数的公式,xe,第二章推移质运动,泥沙运动速度ub的计算,2.5.1.4,2.5推移质输沙率一、以垂线平均流速为主要参数的公式,xe,第二章推移质运动,动密实系数ms的推导,单宽输沙率gb的推导,2.5.1.5,2.5推移质输沙率一、以垂线平均流速为主要参数的公式,一,第二章推移质运动,实用公式,注意各公式的共同特点：gbV4,2.5.2.1,2.5推移质输沙率二、以拖曳力为主要参数的公式,xe,第二章推移质运动,基本想法,水流拖曳力0越大，推移质输沙强度越强，gb就越大；水流拖曳力0与起动拖曳力c的差值越大，gb越大；,2.5.2.2,2.5推移质输沙率二、以拖曳力为主要参数的公式,xe,第二章推移质运动,法国Duboys公式(1879年),单位制：g-cm-s不足：公式是按成层运动导出，而该形式很少出现,2.5.2.3,2.5推移质输沙率二、以拖曳力为主要参数的公式,二,第二章推移质运动,Meyer-peter公式(1948年),单位制：t-m-s,思考：能用此公式导出起动拖曳力吗？,2.5.3.1,2.5推移质输沙率三、根据能力平衡观点建立的公式,xe,第二章推移质运动,基本想法,水流为了保持推移质处于运动状态，必然要消耗一部分能量；那消能量的多少就与推移质输沙率大小有关。主要代表：Bagnold,2.5.3.2,2.5推移质输沙率三、根据能力平衡观点建立的公式,ye,第二章推移质运动,推导过程,2.5.3.2,2.5推移质输沙率三、根据能力平衡观点建立的公式,三,第二章推移质运动,推导过程,Bagnold试验资料：当U0.33.0m/s，D0.030.30mm时eb0.120.15,2.5.4.1,2.5推移质输沙率四、根据统计法则建立的公式,ye,第二章推移质运动,Einstein的几点认识,床沙与底沙存在交换，运动静止再运动，说明了床面泥沙的全部历史，试验说明沙粒在床面上停歇的时间愈久，输沙率愈小。所以推移质输沙率决定于沙粒在床面停留的久暂。推移质运动的随机性，说明统计学研究的可行性，应研究群体，而不应该研究某一颗或某几颗沙粒的运动。任何沙粒起动的概率，决定于泥沙的性质及床面附近的流态，与沙粒过去的历史无关。使泥沙起动的作用力主要是上举力，当瞬时上举力大于沙粒在水中的重量时，床面沙粒就进人运动状态。一定的沙粒，在床面各处的起动概率相同。,2.5.4.1,2.5推移质输沙率四、根据统计法则建立的公式,xe,第二章推移质运动,Einstein的几点认识沙粒在走完一段距离以后，就要进行一次选择：继续保持运动状态还是沉落到河床上这个距离称为单步距离，其长短取决于沙粒的大小及形状，而与水流条件、床沙组成及推移质输沙率无关。对于具有一般球度的沙粒，单步距离约相当于粒径的100倍。沙粒在完成一个单步距离后，只要当地的瞬时水流条件不足以维持其继续运动，就会在那里沉淀下来。对于一定的沙粒，其在床面各处沉淀的概率都是一样的。,基本思路输沙平衡（冲刷量淤积量，沉积率冲刷率）,2.5.4.3,2.5推移质输沙率四、根据统计法则建立的公式,ye,第二章推移质运动,沉积率P沉,设有N颗泥沙前进，走完一个单步距离lD后，有p概率继续前进，有N(1-p)停留下来。,到n后全部停留下来，则其单位时间总的运行距离L总为,2.5.4.3,2.5推移质输沙率四、根据统计法则建立的公式,xe,第二章推移质运动,沉积率P沉,单位时间通过O-O断面的泥沙gb均沉积在此内。,则：单位时间平均运行距离L0为,单位面积内的沉积率P沉为,2.5.4.4,2.5推移质输沙率四、根据统计法则建立的公式,xe,第二章推移质运动,冲刷率P冲,2.5.4.5,2.5推移质输沙率四、根据统计法则建立的公式,xe,第二章推移质运动,Einstein输沙率公式的获得输沙平衡：P沉P冲,只要p知道，gb便可获得,2.5.4.6,2.5推移质输沙率四、根据统计法则建立的公式,ye,第二章推移质运动,冲刷概率p的推求p的含义：FLW的机率，即pP(FLW),2.5.4.6,2.5推移质输沙率四、根据统计法则建立的公式,ye,第二章推移质运动,冲刷概率p的推求,2.5.4.6,2.5推移质输沙率四、根据统计法则建立的公式,ye,第二章推移质运动,冲刷概率p的推求,2.5.4.6,2.5推移质输沙率四、根据统计法则建立的公式,ye,第二章推移质运动,冲刷概率p的推求,2.5.4.6,2.5推移质输沙率四、根据统计法则建立的公式,xe,第二章推移质运动,冲刷概率p的推求,(图2-16),2.5.4.7,2.5推移质输沙率四、根据统计法则建立的公式,四,第二章推移质运动,Einstein公式的归纳,成果验证(图2-17),2.5.5,2.5推移质输沙率五、根据沙波运动概率建立的公式,五,第二章推移质运动,2.5.6.1,2.5推移质输沙率六、推移质输沙率公式的比较,xe,第二章推移质运动,以流速表达的公式之间的比较沙莫夫与列维接近，冈恰洛夫偏大(含一部分悬移质),2.5.6.2,2.5推移质输沙率六、推移质输沙率公式的比较,ye,第二章推移质