川大水力学教学课件16河渠挟沙水流理论基础

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1第十六章

河渠挟沙水流理论基础16-1泥沙特性16-2泥沙在静水中的沉降速度16-3泥沙的临界推移力与起动流速16-4推移质输沙率16-5悬移质运动16-6悬移质含沙量沿垂线分布16-7水流挟沙能力16-8冲积河流和挟沙水流的阻力变化16-9泥沙连续性方程式

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2第十六章河渠挟沙水流理论基础

天然河流和无衬砌的渠道，在水面以下的河床部分和水面以上的河岸部分都是由泥沙组成的，水流中也挟带着泥沙。挟带泥沙改变了原来的水流结构，使流速分布和能量损失与清水水流有差异。

在水流作用下，泥沙要运动。运动的方式可能是沿着河床运动，也可能是分布在水流中作上下左右运动。

本章的目的在于探求水流与泥沙相互作用的力学机理和运动规律。‹#›2第十六章河渠挟沙水流理论基础天2‹#›

316-1泥沙的特性一泥沙的粒径及级配曲线泥沙的常用表示方法１．等容粒径。与泥沙颗粒的体积相等的球体直径称为等容粒径。２．筛孔粒径。以泥沙颗粒刚能通过的筛孔大小作为粒径，称为筛孔粒径。３．沉速粒径。标准筛最小的空径为0.623毫米。与泥沙比重相同，在相同液体中沉降时，具有相同沉速的圆球直径。４．大颗粒泥沙的粒径可用算术平均或重量计算法：‹#›316-1泥沙的特性一泥沙的粒径及级配曲线泥沙的3川大水力学教学课件16河渠挟沙水流理论基础4川大水力学教学课件16河渠挟沙水流理论基础5‹#›

6（２）几何平均粒径，用下式表示：或‹#›6（２）几何平均粒径，用下式表示：或6‹#›

7二泥沙的容重及干容重泥沙的容重系指沙粒的重量与沙粒体积的比值，其值在26000牛顿／米３至27000牛顿／米３之间，在应用上一般可取起平均值26500牛顿／米３。淤积泥沙的干容重系指沙样在100～105℃的温度下烤干后的重量与沙粒的孔隙体积之和的比值，由于孔隙随泥沙的级配及淤积久暂而变化，所以变化的幅度较大，可由300牛顿／米３至17000牛顿／米３。‹#›7二泥沙的容重及干容重泥沙的容重系指沙粒的重量与沙7‹#›

8三河流泥沙的分类及运动形式

按照泥沙的运动状态，可以分为推移质（底沙）和悬移质两类。从河床的演变来看泥沙可分为造床泥沙与非造床泥沙。1.细颗粒泥沙的运动。细的泥沙在比较小的流速时就开始运动。2.粗颗粒泥沙的运动。当流速逐渐增大，粗颗粒就开始运动。3.沙纹与沙垄。‹#›8三河流泥沙的分类及运动形式按照泥沙的运动8‹#›

9水流的脉动，使作用在河床上的作用力也为脉动量。

河床原来是平整的，由于水流的脉动，使瞬时流速较大地点发生冲刷，而在速度较小的地方淤积，河床就失去平整。

在非均匀沙组成的河床上，细沙先冲走，亦开始使河床失去平整。

河床失去平整以后，少量泥沙聚集在床面的某些部位，形成小丘，在小丘后面形成旋涡。‹#›9水流的脉动，使作用在河床上的作用力也为脉动量。9‹#›

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泥沙沿着迎水面运动，到达小丘顶点后，落入背水面的旋涡中，在那里沉积下来，床面就形成了高低不平的沙纹，沙纹的迎水面不断冲刷，背水面逐渐淤积而延伸，使整个沙纹向前移动。如下图‹#›10泥沙沿着迎水面运动，到达小丘顶点后，落入10‹#›

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河床形成沙纹以后，水面因河床的起伏而波动，仍保持（如图a）。

如继续增大流速，但Fr仍小于1，沙纹的长与高将增大，终于使水面的波峰出现降落，而波谷处的水面隆起（如图b）。‹#›11河床形成沙纹以后，水面因河床的起伏而波动11‹#›

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如流速加大至沙垄顶附近水流的垂直脉动流速大于泥沙的趁奖速度，则泥沙到达沙垄顶以后，就转入悬浮状态，河床又恢复平整（如图c）。4.立波与逆行沙垄。在水深较浅的地方，河床的起伏使水面做相应的起伏（如图d）。沙纹，沙垄，立波，逆行沙垄等河床形态统称沙波。‹#›12如流速加大至沙垄4.立波与逆行沙垄。在12‹#›

1316-2泥沙的静水中的沉降速度如下图所示为球体在液体中沉降的三种状态。（a）为球体做层流沉降时，流线紧贴球体，只受表面阻力的作用（c）为球体做紊流沉降时，边界层分离，球的后部产生旋涡，阻力主要是形状阻力（b）表示球体过渡状态沉降，这时表面阻力与形状阻力都应同时考虑‹#›1316-2泥沙的静水中的沉降速度如下图所示为球13‹#›

14球体在静止液体中沉降的普通公式一层流沉降二紊流沉降三过渡区沉降‹#›14球体在静止液体中沉降的普通公式一层流沉降二紊14‹#›

15（1）球体做层流沉降时与d2成正比，与成反比（2）球体在过渡区沉降时与d成正比，与成反比综上所述：（3）球体做紊流沉降时与成正比，与成反比。‹#›15（1）球体做层流沉降时与d2成正比，与15‹#›

16由实验得出的值，见下图。‹#›16由实验得出的值，见下图。16‹#›

1716-3泥沙的临界推移力与启动流速泥沙的启动标准：第一，河床上的局部地方，屈指可数的泥沙已运动到无法估计的程度；第二，河床上平均粒径的泥沙已运动到无法估计的程度；第三，各种大小的泥沙都已投入运动，床面形态发生改变，称为普通移动。‹#›1716-3泥沙的临界推移力与启动流速泥沙的启动17‹#›

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右图为河床沙粒的受力情况。主要有水流的水平推力，垂直上举力和泥沙在水中的重量三种。系数K中包括有：

均与泥沙形状和组成有关。‹#›18右图为河床沙粒的受力情况。主要有水流的水18‹#›

19希尔兹将上式改写为：点绘实验成果如下图:‹#›19希尔兹将上式改写为：点绘实验成果如下图:19‹#›

2016-4推移质输沙率推移质输沙率的影响因数个归纳为下面四类：一从河底切力出发流速直线分布如图法国杜勃埃提出的输沙率公式：二以流速为主要参数列维公式‹#›2016-4推移质输沙率推移质输沙率的影响因数个20‹#›

21三应用功率原理根据功率原理与无量纲数表达的爱克斯和怀特1973年提出的公式四应用纪律概念根据统计法则建立的推移质输沙率公式参阅爱因斯坦著，“明渠水流的挟沙能力”。此处略。‹#›21三应用功率原理根据功率原理与无量纲数表达的爱21‹#›

2216-5悬移质运动

泥沙从河底起来以后，如果遇到具有足够强度和尺度的紊动旋涡就会悬浮起来。紊流旋涡的强度和尺度和水力条件有关，泥沙开始悬浮和悬浮的沙量也与水力条件有关。常用的含沙浓度表示方法有下列三种：体积百分比重量百分比混合表达式‹#›2216-5悬移质运动泥沙从河底起来以后，22‹#›

23三者的关系为：‹#›23三者的关系为：23‹#›

2416-6悬移质含沙量沿垂线分布

二元稳定均匀流情况下悬移质含沙量沿垂线分布的基本微分公式：相对含沙量与相对水深的关系‹#›2416-6悬移质含沙量沿垂线分布二元稳定24‹#›

25当

0.0004<<0.002当

0.002<<0.008时16-7水流挟沙能力1.从能量平衡的概念出发，应用量纲分析的方法，v为断面平均流速；M为系数；m为指数。2.根据黄河干流及无定河，渭河，伊洛河的实测资料得3.扎马林公式‹#›25当0.0004<<0.002当25‹#›

2616-8冲击河流的挟沙水流的阻力变化一河床形态改变对阻力的影响左下图为水流阻力系数与流速的关系。右下图为实测成果绘出的水流阻力，Fr和d/R间的关系．‹#›2616-8冲击河流的挟沙水流的阻力变化一河床26‹#›

27二含沙量对水流阻力的影响左图为范诺尼的矩形水槽实验成果下图是从能量观点出发绘制的．‹#›27二含沙量对水流阻力的影响左图为范诺尼的矩形水