泥沙的起动与沉降

1、泥沙的起动,河床上静止的泥沙颗粒，随着水流条件的增强，到一定时间时开始运动，这种现象称为泥沙的起动。 维持泥沙颗粒静止状态的平衡条件遭到破坏，床面泥沙由静止转变为运动的临界水流条件，就是所谓的泥沙的起动条件。泥沙的起动条件可以用流速、拖曳力或功率来表示。,泥沙起动的判别标准,泥沙起动是相当复杂的，泥沙起动具有双重的随机性天然河流中床面的泥沙颗粒形状、大小、位置及排列组合等均为随机；水流脉动本身的随机性，导致作用在床面上某一指定位置上颗粒的力也是随机的。 这就给确定泥沙的临界水流条件带来了困难，究竟怎样判别泥沙是否起动，目前还没有一致的看法。,克雷默(1935) 根据试验观察的现象，把推移质的运

2、动分为四个阶段:,1). 无泥沙运动 2). 轻微的泥沙运动 3). 中等强度泥沙运动 4). 普遍的泥沙运动,窦国仁的理论分析,瞬时底流速表示的起动条件：,个别泥沙起动概率为0.135%,少量起动条件概率2.28%,大量起动条件概率15.9%。,瞬时底流速为时均底流速与脉动底流速之和，实际可能出现的最大脉动流速为脉动强度的3倍。,无粘性均匀沙的起动 1 起动拖曳力,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：,取对数流速公式 ：,临界起动(滑移)：,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

3、的关系见图 4-10，即著名的希尔兹关系曲线。,图 4-10 希尔兹起动拖曳力曲线,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。,2 起动流速,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 ),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:,粘性泥沙的起动

4、,窦国仁公式,当泥沙处于少量起动的临界状态时，m=0.320 当泥沙处于个别起动的临界状态时，m=0.256 当泥沙处于大量起动的临界状态时，m=0.408,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。,一、泥沙沉降的不同形式,第四章泥沙的水力特性,1、沉降过程： 重力阻力，加速下沉。 阻力逐渐增大，而重力恒定，加速度减小。 重力阻力，加速度0，泥沙匀速下沉，沉速趋于稳定,2、沉速概念： 单颗粒泥沙在静止的无限大的清水水体中匀速下沉的速度(cm/s)。,一、泥沙沉降的不同形式,3、沉降状态： 沙粒雷诺数Red=(沙粒惯性力与水流粘滞力的对比) 。 沉降状态： a、层流状

5、态下降；b、紊流状态下降；c、过渡状态下降：,二、球体的沉速,二、球体的沉速,CD与Red关系 曲线,二、球体的沉速,三、泥沙的沉速,天然泥沙为非球体，下沉阻力对于球体，阻力系数多通过试验确定。,三、泥沙的沉速,三、泥沙的沉速,三、其他因素对沉速的影响,前述理想沉速： 单颗粒、静水、均匀、无限体、清水、球体等，自然界不存在。 实际情况： 群体、动水、非匀速、有界、浑水、非球体、含杂质、紊动、温度等。,1、形状对沉速的影响,方向的影响：方位不同，下沉受阻面积及阻力不一样,a、低Red0.1：均能保持稳定的方位下沉。 b、高Red：颗粒摆动打转，无固定方位。 c、中Red：颗粒自动调整方位，最后调整到受阻最大的稳定方位上。,三、泥沙的沉速,2、絮凝对沉速的影响 絮凝的形成：当D0.01mm时，颗粒间的吸附作用很强，同时它带有负电，静电引力吸附正离子杂质，而正离子常有富裕