CH1河道水流泥沙特性課件

第一章：河道水流、泥沙基本特性1.1紊流的形成與猝發(fā)紊動(dòng)切應(yīng)力一、紊動(dòng)切應(yīng)力概念由于渦漩混摻引起質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量交換而產(chǎn)生脈動(dòng)流速及相應(yīng)紊動(dòng)切應(yīng)力，也稱附加切應(yīng)力。表達(dá)形式1：式中，ux’uy’是指空間某點(diǎn)瞬時(shí)ux’和uy’在某時(shí)段的時(shí)均值。ux=ux+ux’；uy=uy+uy’；式中，ux為瞬時(shí)值，ux為時(shí)均值，ux’為X方向的脈動(dòng)流速紊動(dòng)切應(yīng)力表達(dá)形式2：影響εm的幾個(gè)量在量測和確定上都存在不少困難，在實(shí)際計(jì)算中，通常由切應(yīng)力和時(shí)均流速分布反推εm值。1.2、明渠水流的流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布一、明渠水流流速分布上式為：三種壁面的統(tǒng)一對(duì)數(shù)流速公式，（式中，x為修正系數(shù)，其中糙壁x=1；光壁和過渡壁面x是ks和δ的函數(shù)。）κ卡門常數(shù)愛因斯坦公式8.5明渠水流的流速分布二、對(duì)數(shù)區(qū)流速分布上式為：三種壁面的統(tǒng)一對(duì)數(shù)流速公式，（式中，x為修正系數(shù)，其中糙壁x=1；光壁和過渡壁面x是ks和δ的函數(shù)。）κ卡門常數(shù)愛因斯坦公式8.5

天然河流的阻力分為定床阻力和動(dòng)床阻力，清水阻力和挾沙水流阻力：河道水流的流型：河道水流的雷諾數(shù)一般都比較大，其流型一般居于阻力平方區(qū)。河道水流的主流與副流：主流（又稱正流、元生流）是水流沿著河槽總方向的流動(dòng)。與主流相對(duì)應(yīng)的有副流（又稱次生流）。如環(huán)流次生流：在比較順直的河段中，當(dāng)流量隨時(shí)間變化劇烈時(shí)，常常產(chǎn)生微弱的環(huán)流。分散流：河流漲水時(shí)，兩岸水位低于斷面中間水位，產(chǎn)生河底水流向兩岸分散的兩個(gè)環(huán)流，兩岸淤積，中間沖刷。集合流：河流退水時(shí)，產(chǎn)生的向河底集聚的兩個(gè)微弱環(huán)流，兩岸沖刷，中間淤積。河灣水流：是河道中常見的水流現(xiàn)象，一種三元流動(dòng)。實(shí)際是橫向運(yùn)動(dòng)與縱向運(yùn)動(dòng)結(jié)合的螺旋流。

不同情況下的環(huán)流結(jié)果河道水流的流速分布卡曼-普蘭特爾（Th.von.Darman-L.Prandtl）對(duì)數(shù)流速分布公式

對(duì)數(shù)及反三角函數(shù)流速分布

指數(shù)公式

幾個(gè)概念簡析粗糙高Ks：是天然壁面的當(dāng)量粗糙高，它綜合反映壁面粗糙程度、形式和分布等因素對(duì)水流的影響。不僅只反映槽壁的粗糙程度，同時(shí)還與粗糙的形式和分布狀況有關(guān)。在河道和明渠中，粗糙程度、形式和分布都是不均勻的，也是隨機(jī)的，Ks是反映這些因素的一個(gè)綜合參數(shù)。通常采用實(shí)測的方法來確定Ks，即測出河槽的流速分布和U*，再用槽壁流速公式反推粗糙高。也有人用床沙情況來初估Ks，如對(duì)于均勻床沙，采用Ks=0.7d，d為床沙粒徑；如對(duì)于非均勻床沙，采用Ks=d65，d65為床沙組成中出現(xiàn)概率是65%的粒徑；不同實(shí)驗(yàn)條件不同，僅供參考。8.5槽壁流速公式:幾個(gè)概念簡析摩阻流速U*：

U*=摩阻流速U*反映了水流的紊動(dòng)情況，廣泛應(yīng)用在泥沙研究中。U*與脈動(dòng)強(qiáng)度的數(shù)值大小相當(dāng)。τ0是起動(dòng)拖曳力，即泥沙處于起動(dòng)狀態(tài)的床面剪切力。τ0=γhJ=ρU*2gRJ=τ0ρ常用計(jì)算的推導(dǎo)Ks和糙率n的計(jì)算：

例：先測得河流水深h,再測水流垂線上兩點(diǎn)流速，如：從水面測得U0.2h=u1;U0.8h=u2，由流速分布公式：u1=5.75U*lg(24h/Ks)u2=5.75U*lg(6h/Ks)lghKs=0.778u1/u2-1.381-u1/u2h,u1,u2得KsKs多測幾點(diǎn)流速，計(jì)算Ks和n值，以供校核，或取平均。離水面的距離；y1=h-0.2h=0.8h；y2=h-0.8h=0.2h；作業(yè)或習(xí)題P16第一題；已知某河實(shí)測水深H=3.6米，三點(diǎn)法測得的流速分別為U0.2=1.82m/s,U0.6=1.60m/s,U0.8=1.50m/s,試求河床的粗糙高度KS及曼寧糙率n。U=1nR2/3J1/2曼寧公式U*=gRJ;UU*=cg§1.4河流泥沙的來源與幾何特性一、泥沙的來源泥沙：指所有在流體中運(yùn)動(dòng)或受水流、風(fēng)力、波浪、冰川及重力作用移動(dòng)后沉積下來的固體顆粒碎屑（錢寧、1983）。粒徑大小可差數(shù)十~數(shù)萬倍。粒徑大小一般變化在0.001~100.0mm。主要來自巖石的風(fēng)化，土壤侵蝕，火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山灰、生物骨骼、貝殼分解及人類各種生產(chǎn)活動(dòng)的廢棄物。河流泥沙的來源可以分為兩類：一類是來自流域降雨形成的地面徑流對(duì)地表的沖蝕，通常稱為水土流失；另一類是從原河床沉積層沖刷起來的。河流泥沙在運(yùn)動(dòng)過程中與床沙相互交換，塑造了不斷變化的河床形態(tài)。

按導(dǎo)致土壤侵蝕的外營力種類劃分

在我國引起土壤侵蝕的外營力種類主要有水力、風(fēng)力、重力、水力和重力的綜合作用力、溫度(由凍融作用而產(chǎn)生的作用力)作用力、冰川作用力、化學(xué)作用力等，因此土壤侵蝕類型就有水力侵蝕、風(fēng)力侵蝕、重力侵蝕、凍融侵蝕、冰川侵蝕、混合侵蝕、化學(xué)侵蝕和生物侵蝕等類型。水力侵蝕類型冰川侵蝕類型風(fēng)力侵蝕類型凍融侵蝕類型重力侵蝕類型土壤侵蝕類型混合侵蝕類型化學(xué)侵蝕類型生物侵蝕類型流域地表水土流失的嚴(yán)重程度是用侵蝕模數(shù)M來表示的，它表示流域上每平方公里地面每年沖蝕的泥沙量。黃土高原的M大于1000t/(km2.a)。相當(dāng)于地面每年普遍被沖走0.6mm以上厚的土層。陜北個(gè)別地區(qū)M高達(dá)10000t/(km2.a)。我國南方流域M一般100t/(km2.a)左右。河流中泥沙的含量隨區(qū)域水土流失情況的不同差異很大。黃河干支流河道實(shí)測最大含沙量達(dá)到1500kg/m3，平均為300kg/m3，國內(nèi)外主要河流的含沙量見表。土壤侵蝕的危害表現(xiàn)為：（1）水資源和土壤資源惡化。年流失耕地表層土壤1cm，流失的養(yǎng)分相當(dāng)于4000萬t的化肥量。（2）農(nóng)田、耕地水沙為害。溝壑縱橫切割造成耕地大面積破壞。（3）對(duì)下游水系的危害。河床抬高，防洪能力下降，湖泊面積縮小，調(diào)蓄能力減小。（4）流域內(nèi)水庫淤積、庫容減少、水利設(shè)施效率降低。三、泥沙的群體特性三、泥沙的群體特性§1.3泥沙的重力特性和渾水性質(zhì)一、泥沙的容重容重：泥沙顆粒的重量與其實(shí)際體積之比，用。與泥沙的礦物組成決定。一般分為膠體分散礦物、輕礦物和重礦物。§1.5泥沙的重力特性和渾水性質(zhì)二、泥沙淤積物干容重（1）泥沙淤積物干容重（specificweight)單位體積的沙樣干燥后的重量。也稱干密度。由于泥沙顆粒存在孔隙，干容重一般小于個(gè)體顆粒的容重。在分析河床沖淤變化時(shí)，泥沙沖淤的重量必須通過泥沙的干容重?fù)Q算為泥沙沖淤體積。影響干容重的主要因素有粒徑組成，淤積歷時(shí)，埋藏的深度和環(huán)境等。（2）干容重計(jì)算方法（3）泥沙粒徑對(duì)干容重的影響；（4）干容重與淤積深度和淤積歷時(shí)關(guān)系；（5）泥沙的水下休止角：靜水中的泥沙由于摩擦力作用，堆積成一定角度的穩(wěn)定傾斜面。（4）干容重與淤積深度和淤積歷時(shí)關(guān)系；（5）泥沙的水下休止角：靜水中的泥沙由于摩擦力作用，堆積成一定角度的穩(wěn)定傾斜面。三、渾水的基本特性§1.5泥沙的重力特性和渾水性質(zhì)四、泥沙的沉速習(xí)題2

已知江西贛江棉津站1979年6月12日實(shí)測泥沙級(jí)配資料:(1)繪制懸移質(zhì)和推移質(zhì)的累積級(jí)配曲線；（2）分別確定懸移質(zhì)和推移質(zhì)的中值粒徑，平均粒徑dm,揀選系數(shù)，幾何均方差。（3）確定床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的分界粒徑。說明泥沙的交換情況。懸移質(zhì)粒徑mm0.0070.010.0250.050.100.250.51.0累計(jì)百分?jǐn)?shù)P24.731.948.963.790.095.699.2100推移質(zhì)粒徑mm0.100.250.501.02.05.0