河流动力学：第四章 推移质运动

1、目 录Chap1.绪论1.0Chap2.水流的紊动 0.5Chap3.泥沙特性 1.5Chap4.推移质运动 4.0Chap4.悬移质运动 4.0 Chap5.异重流 1.0Chap6.河床演变 2.0Chap7.潮汐河口演变 2.0下一页上一页第四章 推移质运动下一页回目录上一页重点内容：泥沙的起动，输沙率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推移质和悬移质的概念 悬移质：细颗粒，连续运动悬浮于水中并在水流方向与水流以同样速度前进的泥沙推移质：粗颗粒，间歇运动在河底附近以滚动、滑动、跳跃或层移形式前进其速度远小于水流速度的泥沙4.1. 泥沙运动的形式下一页返回4.1. 泥

2、沙运动的形式推移质运动的分类接触质滚动或滑动的泥沙在运动中始终保持与床面接触跃移质在床面附近以跳跃形式前进的泥沙层移质河床表层以下的泥沙将成层移动或滚动下一页返回上一页4.1. 泥沙运动的形式推移质与悬移质间的交换同一水流中：相互转化悬移质中的较粗部分推移质中的较细部分同一泥沙组成：表现不同水流较强时：悬移质水流较弱时：推移质下一页返回上一页4.1. 泥沙运动的形式推移质与悬移质间的交换过程 悬移区 床面层 河床（悬移质） （接触质及跃移质） （床沙） 悬移区 床面层 层移区 河床（悬移质）（接触质及跃移质）（层移区） （床沙）下一页返回上一页4.1. 泥沙运动的形式推移质与悬移质间的差别运动

3、规律不同受力不同运动速度不同能量来源不同推移质直接消耗水流的机械能悬移质仅消耗水流的紊动动能（转化为热能）对河床作用不同下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动下一页返回上一页泥沙的起动定义随着水流条件的增强泥沙颗粒由静止开始运动用途计算输沙率航道整治设计时使用护滩、护岸块石稳定计算泥沙的起动条件起动流速起动切应力起动功率4.2. 泥沙的起动一、无粘性均匀沙的起动流速公式考虑的条件泥沙粒径是均匀的颗粒之间没有粘结力推导公式的思路分析受力条件，分析起动形式写出各力的表达式，列出平衡方程推导出泥沙起动的结构公式通过试验确定公式中的参数得到计算泥沙起动流速公式下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动颗粒所受

4、的力使其运动的力水流推移力FD水流的上举力FL抗拒运动的力泥沙的有效重力W泥沙颗粒运动形式滑动滚动下一页返回上一页水面水流床面沙粒受力情况图4.2. 泥沙的起动沙粒所受的力水流推移力：水流上举力：沙粒有效重力：下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动平衡方程考虑滚动失稳列出力矩平衡式：得出结构公式，但注意：u0U！下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动指数分布采用指数流速分布公式沿水深积分，建立表面流速与平均流速的关系流速分布表达式为沙粒上y=D的流速为起动流速的结构公式下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动沙莫夫公式1.144m=1/6适用范围：D0.2mm岗恰洛夫公式对数流速分布适用范围： 0.0

5、81.50mm下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动二、无粘性均匀沙的起动拖曳力起动拖曳力泥沙处于起动状态的床面剪切力：U*为摩阻流速推导过程前已求得结构公式：u0的表达式下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动u0的表达式爱因斯坦对数流速分布y=D，u0的表达式临界起动表达式经带入转换得最终得希尔兹公式c为临界相对拖曳力下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动希尔兹曲线的特点曲线为马鞍型Re*10存在最低点近壁层流层床面处于光滑区（ Re*10后起动拖曳力随粒径增加 Re*1000后c为常数下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动关于对希尔兹曲线的修正 Re*2时起动拖曳力并非与粒径无关c与Re*的0.3

6、次方成反比 Re*较大时c的上限为0.06c的下限为0.04下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动三、粘性泥沙的起动流速公式临界粒径 现象：存在某一粒径大于该粒径时：粒径越大，越难起动小于该粒径时：粒径越小，越难起动产生的原因近壁层流层对细颗粒泥沙的隐蔽作用细颗粒泥沙之间粘结力的作用下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动研究对象 新淤粘性沙在河床冲淤过程中自然沉积新淤未久，尚未密实可按单颗粒泥沙处理，但应考虑粘结力非固结粘性土沉积日久，经过物理化学作用不再以单颗粒的形式起动，而是成片成团研究不成熟：机理不清，资料较少，误差极大下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动细颗粒泥沙特性 周围存在束缚水：因双

7、电层结构包括：粘结水、粘滞水厚度一般在0.25m以下粘结水接近固体，容重大于1仅能单向传递静水压力粘滞水介于粘结水与自由水之间基本只能单向传递静水压力下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动粘结力的成因：观点不一 张瑞谨（武汉水院）粘结力是由于束缚水不传递静水压力引起以两块薄板为例唐存本（南京水科院）粘结力主要是由于沙粒表面与粘结水之间的分子引力造成的引用杰列金使用的交叉石英丝所做的粘结力实验成果窦国仁（南京水科院）综合两者的观点两者均加以考虑下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动粘结力：NN1+N2水对床面颗粒的下压力：N1=(/32)hD颗粒间的分子粘结力： N2= (/32)D力矩的平衡方程式

8、在无粘性沙的力矩平衡式中增加N1和N2该两力：抗拒泥沙运动，放在右边平衡方程式：K4=K5下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动进一步处理求出部分系数根据前人试验资料：CD和CL假定泥沙颗粒为椭球体：各系数流速处理将瞬时底流速转为时均底流速将时均底流速用垂线平均流速表示得到起动流速公式m=0.32少量动；0.265个别动；0.408普遍动下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动同类公式张瑞谨公式唐存本公式下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动分析比较（见图27）水深0.15mD=0.17mm时，起动流速最小D0.17mm时，D越大，Uc越大一般估计D1.0mm，重力占支配地位D0.01mm，粘结力占支

9、配地位D0.1mm左右，两者作用相当下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动四、与泥沙起动有关的几个问题非均匀沙的起动仅讨论均匀沙一般冲积河流的床沙较均匀计算结果与实际情况基本相符合非均匀沙情况复杂：粒径大小不一细沙受粗沙保护，相对于均匀沙较难起动粗沙暴露于床面，相对于均匀沙易于起动研究的热点：统计理论下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动起动流速与起动拖曳力的比较起动流速：数据易得，使用广泛起动拖曳力：不易准确砾石及卵石的起动资料较少排列应有影响止动流速由运动转为静止：Uc= KUc求推移质输沙率用：起动时输沙率不为零扬动流速由静止直接转入悬移质状态为了能够迅速冲刷淤积的泥沙下一页返回上一页泥沙起

10、动的判别标准泥沙起动具有随机性泥沙条件大小、形状级配、密度：均匀沙，非均匀沙床面平整、颗粒排列水流条件水流的紊动流速的大小说明泥沙运动复杂但研究大多没有考虑随机性4.2. 泥沙的起动下一页返回上一页4.2. 泥沙的起动泥沙起动判别标准定性标准：Kramer方法定量标准：窦国仁方法Krammer方法：定性标准最常用的方法具体内容无泥沙运动：静止轻微的泥沙运动：个别动，可数中等强度泥沙运动：少量动，不可计数普遍的泥沙运动：普遍动，床面变形下一页返回上一页4.3. 沙波运动下一页返回上一页沙波运动定义推移质运动达到一定规模，床面起伏泥沙颗粒在床面的集体运动用途推移质运动的一种主要形式构成河床地形的基

11、本元素影响：水流结构，河道阻力，泥沙运动，河床演变主要内容沙波形态和运动状态沙波的产生和消亡4.3.1. 沙波形态和运动状态沙波介绍名词：波峰、波谷、波长、波高特点：迎水面：较为平坦、背水面：相对较陡平面形态：四种带状（顺直）沙波：少见波峰线基本平行，且与流线垂直，或略斜交断续蛇曲（弯曲）状沙波：常见波峰线不规则，时断时续，大致与水流平行新月形沙波：常见，波峰线凸向上波高与波长基本相等，排列整齐，呈鱼鳞状舌状沙波：常见，波峰线凸向下与新月形沙波类似下一页返回上一页4.3.1. 沙波形态和运动状态水流、泥沙运动水流运动波峰处流速大，波谷处流速小背水面：分离漩涡，2个停滞点泥沙运动迎水面：泥沙运动

12、变快，波峰最大背水面：越过漩流区，进入波谷区，淤积运动过程：冲刷下移扩散淤积推进沙波运动的两个重要现象沙波对床沙的分选作用粗沙：在背水面内落到谷底细沙：随负流上移，越细越上粗沙运动的间歇性：粗颗粒下沉，间歇下一页返回上一页4.3.1. 沙波的产生和消亡沙波运动阶段静平整(a)泥沙不动，床面平整沙纹(b)波高：0.51.2cm，波长：1.01.5cm沙垄(c)波高：13m，波长：几米100多米过渡(d)随着流速增加，床面趋平动平整(e)流速较大时，河床恢复平整，大量泥沙运动下一页返回上一页4.3.1. 沙波的产生和消亡沙浪(f)流速继续增大，Fr1，再次起伏，为沙浪沙浪纵剖面对称，背水面水流不分

13、离沙波产生的原因与河床组成及水流脉动有关河床组成不均匀床面凹凸不平河床平整水流脉动凹凸不平流体界面运动推移质运动大床面泥沙成层运动悬移质发展充分，但含沙量相对少密度不同形成沙波下一页返回上一页4.4. 冲积河流的阻力冲积河流阻力河流动力学的重要问题河道的泄流能力，输沙能力冲积河流阻力的组成横断面床面阻力：动床，沙粒阻力，沙波阻力河岸及滩面阻力：定床，断面河槽形态阻力：纵向外形，如弯曲人工建筑物：丁坝，桥梁主要内容床面阻力和河岸阻力的划分沙粒阻力与沙波阻力的划分动床阻力的计算下一页返回上一页4.4.1. 床面阻力和河岸阻力的划分问题及求解思路问题已知：nb，nw求：综合糙率n0思路利用叠加原理：

14、F=Fb+Fw部分假定，经验公式推导过程河床阻力组成综合剪切力：0， 0RJ床面剪切力： bb，河岸剪切力： ww阻力叠加原理： 0 bb ww下一页返回上一页4.4.1. 床面阻力和河岸阻力的划分推求b 和w的方法水力半径分割法能坡分割法爱因斯坦方法水力半径分割：J为常量水力半径：Rb，Rw面积：A、Ab、Aw代入力的叠加公式：关键：Rn下一页返回上一页4.4.1. 床面阻力和河岸阻力的划分假定U在断面各处相同J也为常量采用曼宁公式：对于各个部分均适用最后得：爱因斯坦公式能坡分割法：U和R为常量J：Jb和Jw下一页返回上一页4.4.2. 沙粒阻力与沙波阻力的划分沿用相同的方法阻力叠加：整个湿

15、周水力半径分割能坡分割下一页返回上一页4.4.3. 动床阻力计算理想方法考虑河床形态各个阶段考虑影响阻力的诸多因子实际情况：没有爱因斯坦方法：相对完善指数阻力公式：近似指数阻力公式考虑的情况：无沙波阻力公式：D取中值粒径，单位：mA=2324（紧密），A=1920（松散）A越大n越小，A随水流而变下一页返回上一页基本情况介绍以流速为主要参变数的公式以拖曳力为主要参变数的公式根据能量平衡建立的公式根据统计法则建立的公式根据沙波运动规律建立的公式推移质输沙率公式的比较4.5. 推移质输沙率下一页返回上一页推移质输沙率定义不冲不淤输沙平衡状态单位时间通过过水断面的推移质数量单位输沙率Gb：kg/s,

16、 N/s单宽输沙率gb： kg/(sm), N/(sm)用途及特性与水流强弱有关，泥沙不多不少表示水流挟沙能力判断冲刷或淤积4.5. 推移质输沙率下一页返回子上一页4.5. 推移质输沙率推移质泥沙运动特性单颗粒：随机性走走停停，时快时慢运动具有非连续性整体表现：确定性连续的沙波运动连续运动来处理下一页上一页返回子4.5. 推移质输沙率推移质输沙率研究非常复杂随机性：水流，泥沙实测资料：缺少测量推移质的有效方法研究方法和途径以流速为主要参变数以拖曳力为主要参变数根据能量平衡观点从统计法则考虑按沙波运行规律分析下一页上一页返回子4.5.1 以流速为主要参变数的公式基本思路和方法影响输沙强度主要因素

17、：流速建立公式：主要参数是流速公式推导单宽推移质输沙率：ub：推移质前进速度K：厚度系数，13D：泥沙粒径ms：动密实系数下一页上一页返回子4.5.1. 以流速为主要参变数的公式下一页上一页返回子4.5.1. 以流速为主要参变数的公式此类公式列维公式：单位：kg, m, sD=0.2523mm沙莫夫公式：单位：kg, m, sD=0.200.73mmD=1365mm窦国仁公式：单位：kg, m, sC0=C/g1/2下一页上一页返回子4.5.1. 以流速为主要参变数的公式应注意的问题单位量纲不协调：公式左右不一致条件性：经验系数是由试验确定泥沙材料变量中不含密度不能直接用于模型沙计算gb与U4

18、成正比流速（小变化）推移质输沙率（大变化）例如：U增20 gb增107下一页上一页返回子4.5.1. 以流速为主要参变数的公式下一页上一页返回子4.5.2. 以拖曳力为主要参变数的公式基本思路推移质输沙率与拖曳力与起动拖曳力差值有关杜波依斯公式公式gb=0(0-c)0=hJ, c=f(s- )D评价假定泥沙成层运动不符合实际主要观点被采用、补充和发展下一页上一页返回子4.5.2. 以拖曳力为主要参变数的公式下一页上一页返回子4.5.3. 根据能量平衡建立的公式基本思路和方法基本观点维持推移质运动，消耗部分水流能量根据能量平衡观点研究推移质输沙基本方法给出搬运泥沙所作功（功率）表达式给出水流提供

19、的功（功率）表达式两者相等，求出gb下一页上一页返回子4.5.3. 根据能量平衡建立的公式下一页上一页返回子4.5.3. 根据能量平衡建立的公式下一页上一页返回子4.5.3. 根据能量平衡建立的公式下一页上一页返回子4.5.3. 根据能量平衡建立的公式下一页上一页返回子4.5.4. 根据统计法则建立的公式认识和解决问题基本思路床面附近水流具有随机性，泥沙也如此应该使用统计理论进行研究对于推移质运动的基本认识床沙中静止和运动的泥沙相互交换随机现象，应使用统计学的观点处理运动概率取决于泥沙和水流，与历时无关泥沙运动与否取决于上举力与重力关系，概率同泥沙颗粒每次运动后都要进行一次选择，运动的单步距离：100D泥沙完成一次运动后，如水流条件不足，则沉落，概率相同下一页上一页返回子4.5.4. 根据统计法则建立的公式均匀沙推移质输沙率公式推导泥沙的沉积率单步步长D，继续运动的百分比为p，N颗泥沙一个单步：N(1-p)沉落，Np继续二个单步： Np(1-p) 沉落，Np2继续N个单步: Npn-1(1-p) 沉落，Npn继续全部沙粒的平均运动距离gb带来的泥沙都将在L0范围内沉积，所以沉积率为下一页上一页返回子4.5.4. 根据统计法则建立的公式均匀沙推移质输沙率