河流動(dòng)力學(xué)C2課件

第二章

泥沙顆粒基本特性序言通常我們把組成河床和隨水流運(yùn)動(dòng)的小顆粒礦物質(zhì)叫做泥沙，但在本門(mén)文獻(xiàn)中也常常給予它廣義的涵義，除了小顆粒礦物質(zhì)外還包括礫石和卵石。某一河段內(nèi)水流中的泥沙顆粒既可能直接來(lái)自于流域，也可能是從上游河床上沖刷起動(dòng)而來(lái)的。水體挾帶了大量泥沙后，可能會(huì)引起某些物理特性發(fā)生變化，如：流變性質(zhì)?！?-1單個(gè)顆粒的特性泥沙顆粒（沉積物碎屑）的粒徑變化范圍較大（0.001~100mm），研究其運(yùn)動(dòng)時(shí)一般不能概化為連續(xù)介質(zhì)，故需對(duì)單顆粒泥沙的性質(zhì)進(jìn)行定量、精確的描述，有時(shí)還需對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程（滾動(dòng)、躍移等）進(jìn)行詳細(xì)研究。一、顆粒的大小——粒徑（粒度）天然泥沙顆粒的形狀不規(guī)則，常由大小不等顆粒組成，其粒徑范圍變化較大，對(duì)不同范圍，有專(zhuān)門(mén)的定義和測(cè)量方法?！?-1單個(gè)顆粒的特性2、常用的粒徑定義和計(jì)算⑴等容粒徑定義：與泥沙顆粒體積相同的球體直徑

公式：⑵篩分粒徑D1<D<D2⑶沉降粒徑D<0.1mm的細(xì)沙水析法測(cè)顆粒在靜水中沉速§2-1單個(gè)顆粒的特性★粒徑是泥沙的一個(gè)重要性質(zhì)，它不僅直接代表泥沙顆粒的粗細(xì)程度，而且與泥沙的許多其他特性緊密關(guān)聯(lián)。粘性沙（較細(xì)）與非粘性沙（較粗）在同一水流交互作用過(guò)程中表現(xiàn)不同情況：較細(xì)的泥沙有較大的孔隙率和較小的干容重，較粗的相反；細(xì)顆粒沙多半棱角崢嶸，而粗砂失去棱角。故面對(duì)具體的河流時(shí)，必須弄清組成河床（渠底）的泥沙粒徑及水流挾帶的泥沙粒徑是怎樣的?！?-1單個(gè)顆粒的特性二、顆粒的形狀1、幾何特征⑴圓度：顆粒棱和角的尖銳程度。⑵球度：與顆粒同體積的球體直徑（等容粒徑）和顆粒外接球直徑之比。⑶整體形狀⑷表面結(jié)構(gòu)§2-1單個(gè)顆粒的特性2、形狀及其成因最初形狀取決于巖石母質(zhì)和風(fēng)化作用，隨后在輸運(yùn)過(guò)程中受到物理、化學(xué)、和生物作用不斷改變形狀，最終成形取決于搬運(yùn)介質(zhì)（水、空氣、冰川運(yùn)動(dòng)）和搬運(yùn)方式（滑動(dòng)、滾動(dòng)、懸浮等）。巖石碎屑的圓度在流水搬運(yùn)初期迅速增加，然后增加速度減緩，直至完全變圓，而其球度以一個(gè)緩慢而穩(wěn)定的速度增加?！?-1單個(gè)顆粒的特性⑵與搬運(yùn)的距離和時(shí)間有關(guān)一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)入河床的泥沙其搬運(yùn)距離和時(shí)間較短的則棱角較多，磨圓度較差；反之亦然。這在現(xiàn)場(chǎng)查勘時(shí)很容易發(fā)現(xiàn)：在礫石河床中發(fā)現(xiàn)其粒徑突然有明顯不同（形狀明顯變化），說(shuō)明附近不是有崩塌碎屑物就是可能有支流的匯入?！?-1單個(gè)顆粒的特性

⑶水流的塑造能力

粗顆粒沙因其自身體積、重力大，在水流作用下，顆粒間碰撞的能量大，棱角易磨損，外形較光滑；細(xì)顆粒沙體積、重力小，除了較軟組成礦物易磨損外，較硬礦物組成的不易磨損，故有的棱角分明，有的不明顯。更細(xì)的粒徑小于0.1mm的泥沙，除了上述原因而保持棱角外，還有分子薄膜水在起作用（保護(hù)）?！?-1單個(gè)顆粒的特性組成泥沙顆粒的礦物一般可分為膠體分散礦物、輕礦物和重礦物。比重大于2.8的礦物稱(chēng)重礦物。重礦物的分布范圍一般局限在特定巖層中，所以在河流沙樣中采集到某種重礦時(shí)表示上游流域分布有與之相應(yīng)的巖層，此功能稱(chēng)為示源功能。重礦比較穩(wěn)定、硬度大，在河流中被運(yùn)輸時(shí)磨損較小，是較理想的示源礦物。在河流上、下游各斷面收集沙樣并分析其重礦成分可推知河流泥沙的來(lái)源?！?-2顆粒的群體特性一、沙樣的粒徑分布1、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)按幾何級(jí)數(shù)變化的粒徑尺度作為標(biāo)準(zhǔn)2、粒徑分布特征值⑴中值粒徑D50⑵算術(shù)平均粒徑Dm⑶幾何平均粒徑Dmg§2-2顆粒的群體特性二、淤積物的干容重γs’1、概念單位體積沙樣干燥后（105℃）的重量。由于顆粒間存在孔隙，干容重一般小于單個(gè)顆粒的容重。

2、影響因素⑴粒徑組成⑵淤積歷時(shí)⑶埋藏的深度和環(huán)境★§2-3泥沙顆粒的沉速靜水中的沉速是泥沙顆粒的重要基本特性，也是泥沙運(yùn)動(dòng)理論中重要的參數(shù)。一、基本概念1、定義：泥沙在靜水中勻速下沉?xí)r的速度。記為ω，單位cm/s。在靜止清水中，開(kāi)始下沉?xí)r（γs＞γ）呈加速運(yùn)動(dòng)（時(shí)間很短），不久保持勻速下沉（持久）。衡量泥沙的粗細(xì)用水力特征指標(biāo)來(lái)表示，故稱(chēng)“水力粗度”?！?-3泥沙顆粒的沉速

2、研究意義沉降規(guī)律是泥沙運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律之一。ω越大，沉降幾率大，易造成河床淤積，反之亦然。故沉速既影響河床淤積，又是水析法確定粒徑的依據(jù)。3、繞流阻力⑴定義：顆粒沉降受到的阻力。（圓球顆粒）(G、F)§2-3泥沙顆粒的沉速⑵分類(lèi)：①表面阻力水體與球面接觸處發(fā)生的表面摩擦力，大部分產(chǎn)生在迎水表面。②形狀阻力迎水面和背水面的壓力差，也稱(chēng)“壓差阻力”。由顆粒背水面分離漩渦造成，因與顆粒形狀有關(guān)（不同性質(zhì)產(chǎn)生阻力不同），由此得名?！?-3泥沙顆粒的沉速二、沉速的確定（明確基本概念后討論公式）1、注意事項(xiàng)①核心問(wèn)題：水流對(duì)泥沙的阻力。把泥沙看作靜止，相對(duì)的水流為運(yùn)動(dòng)的，運(yùn)用流體運(yùn)動(dòng)方程求解。②把泥沙簡(jiǎn)化為球體，按形狀不同進(jìn)行修正。③局限在一定粒徑范圍內(nèi)的泥沙可按理論推導(dǎo)，若干系數(shù)還需借助試驗(yàn)資料。④泥沙下沉有3種狀態(tài)，故公式有所不同。§2-3泥沙顆粒的沉速2、一般表達(dá)式（球體）水中重力牛頓阻力

平衡時(shí)﹤沉降達(dá)極限狀態(tài)﹥G=FR對(duì)三種繞流狀態(tài)都適用，不同在于CD區(qū)別§2-3泥沙顆粒的沉速3、層流﹤stokes﹥Red＜0.25時(shí)，據(jù)水流作用于球沙的運(yùn)動(dòng)方程得出球體等速下沉?xí)r所受阻力等于水中重力，即：或CD=24/Re§2-3泥沙顆粒的沉速“分離角”﹤竇國(guó)仁﹥從球體運(yùn)動(dòng)的直接觀察中表明：只有在Re很小時(shí)，水流才以層流狀態(tài)繞過(guò)球體，水流與球體之間無(wú)分離現(xiàn)象（繞流阻力以表面摩擦力為主）；當(dāng)Re較大時(shí)，流線發(fā)生彎曲并產(chǎn)生分離現(xiàn)象，即處于過(guò)渡區(qū)；隨著Re↑分離區(qū)域不斷擴(kuò)大，其大小可用分離角θ表示（θ↑表面阻力↓形狀阻力↑）；當(dāng)Re很大時(shí)，可以假定θ→π，此時(shí)球體周?chē)紳M(mǎn)漩渦，因而處于紊流狀態(tài)?！?-3泥沙顆粒的沉速三、影響沉速的因素1、泥沙形狀單顆粒：球體所受阻力最小，形狀越不規(guī)則，阻力↑。平均情況：阻力為球體阻力的4/3倍，一般為偏平形狀，橢球體沿長(zhǎng)軸下沉?xí)r，阻力修正系數(shù)小。2、溫度影響粘滯系數(shù)（隨溫度變化敏感）§2-3泥沙顆粒的沉速⑵影響絮凝的因素：①鹽度、水溫—影響排斥力；②含沙濃度、紊動(dòng)—增加碰撞幾率，利于絮凝，使ω↑，但反過(guò)來(lái)紊動(dòng)易破壞已有絮團(tuán)。⑶“上清下渾”：（實(shí)驗(yàn)室）當(dāng)細(xì)顆粒濃度較低時(shí)，絮團(tuán)互不相連，單個(gè)絮團(tuán)ω＞細(xì)顆粒個(gè)體ω；當(dāng)S↑時(shí)，絮團(tuán)相連→絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其ω大幅↓，形成一個(gè)整體緩慢下沉，在水體頂部呈現(xiàn)一個(gè)不斷下降的清、渾水交界面?！?-3泥沙顆粒的沉速⑷含沙濃度S：﹤?cè)后w沉速﹥①S小，則干擾?。囝w沉降時(shí)彼此影響?。杂沙两?；S大加大沉降阻力，使ω↓。②粗顆粒：S對(duì)ω影響表現(xiàn)在顆粒下沉?xí)r誘發(fā)了向上的水流，擾動(dòng)并加大了渾水重率，從而減少了顆粒的有效重力等因素，使ω↓細(xì)顆粒：除上述影響外，主要是含沙量促進(jìn)絮凝（利于ω↑）；加大渾水粘滯性，使ω↓?！?-3沉速小結(jié)水力粗度是泥沙的一個(gè)重要特性。在許多情況下，反應(yīng)了泥沙在與水流交互作用時(shí)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的抗拒能力。組成河床的泥沙，ω↑，可動(dòng)性↓；隨水流運(yùn)動(dòng)的泥沙，ω↑則沉淀的傾向↑。關(guān)于河道分析演變過(guò)程中，很少課題是與ω?zé)o關(guān)的?！?-4含沙水體（渾水）的性質(zhì)一、基本概念1、渾水的容重單位體積渾水的重量，記為γm。2、含沙量單位體積渾水中固體泥沙顆粒所占的比例。兩種表達(dá)方式：重量含沙量SW和體積比含沙量SV。§2-4含沙水體（渾水）的性質(zhì)3、兩者關(guān)系§2-4含沙水體（渾水）的性質(zhì)二、含沙水體的流型1、概念：

均質(zhì)懸液處于剪切流動(dòng)時(shí)，不同流層的流速不同，不同流層間的剪切力作用使流體微團(tuán)產(chǎn)生變形，稱(chēng)為流變。其剪切變形率與切應(yīng)力的關(guān)系稱(chēng)為流變特性。

不同流變的類(lèi)型稱(chēng)為流型。

2、基本分類(lèi)牛頓流體、理想塑性體、胡克型物體。含沙水體的流型流體類(lèi)型剪切應(yīng)力的變化牛頓流體非牛頓流體流型不隨時(shí)間而變賓漢流體偽塑性流體剪切應(yīng)力的增加率隨切變率的增加而減小膨脹體隨之增大而增大有屈服應(yīng)力的偽塑性體與t有關(guān)觸變體固定切變率下，剪切應(yīng)力隨時(shí)間減小凝膠體隨時(shí)間增大§2-4含沙水體（渾水）的性質(zhì)3、影響渾水流變特性的原因（泥顆）①流線在泥沙顆粒附近的變形。非球形顆粒，尤其是片狀或棍狀顆粒，在流體中受剪切后，將重新安排它們的位置，使長(zhǎng)軸平行于剪切的方向。②細(xì)顆粒之間因絮凝形成絮團(tuán)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。這種絮團(tuán)和結(jié)構(gòu)往往很脆弱，對(duì)剪切作用很敏感。（易破壞和重新形成）③顆粒（棍狀）易吸附水膜因絮凝作用形成的鏈或框架有一定的彈性。§2-4含沙水體（渾水）的性質(zhì)※三、泥沙運(yùn)動(dòng)形式的分類(lèi)1、按運(yùn)動(dòng)形式（群體）①懸移質(zhì)﹤懸沙﹥以懸浮形式運(yùn)動(dòng)的泥沙。②推移質(zhì)﹤底沙﹥以滾動(dòng)（包括層移）、躍移形式運(yùn)動(dòng)的顆粒，主要在河床附近運(yùn)動(dòng)。③床沙：床面上的靜止泥沙?！?-4含沙水體（渾水）的性質(zhì)2、按參與河床變形程度①床沙質(zhì)﹤造床質(zhì)﹥運(yùn)動(dòng)的泥沙中相當(dāng)于組成河床主體的粗沙，同時(shí)與水流條件有密切關(guān)系，不斷與河床上的泥沙進(jìn)行交換的泥沙群體。包括懸移質(zhì)中粒徑較粗的泥沙和全部的推移質(zhì)。②沖瀉質(zhì)﹤非造床質(zhì)﹥組成床沙的細(xì)粒泥沙，且與水流條件關(guān)系不密切，不與河床上的泥沙進(jìn)行交換。全部屬于懸移質(zhì)?！?-4含沙水體（渾水）的性質(zhì)附表：泥沙輸運(yùn)量劃分方法注：以z=0.06為區(qū)分床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的界限；以z=4區(qū)分懸移質(zhì)和推移質(zhì)；懸浮指標(biāo)z=ω/（κU＊）名稱(chēng)劃分依據(jù)輸運(yùn)方式粒徑、來(lái)源、造床作用全沙質(zhì)沖瀉質(zhì)懸移質(zhì)細(xì)沖瀉質(zhì)（非造床質(zhì)）懸移床沙質(zhì)粗床沙質(zhì)（造床質(zhì)）推移質(zhì)推移質(zhì)床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的基本性質(zhì)3、懸移質(zhì)和推移質(zhì)的區(qū)別表現(xiàn)推移質(zhì)懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律水流對(duì)床面顆粒直接作用力靠水流紊動(dòng)得以懸浮能量來(lái)源主要來(lái)自于水流勢(shì)能紊動(dòng)能量和本身勢(shì)能對(duì)河床作用通過(guò)粒間離散力直接作用河床，增加床面阻/壓力和河床穩(wěn)定性，影響顆粒本身。增加水流重率和靜水壓力，影響顆粒間水體河道演變最大較粗泥沙造床過(guò)程在彎道螺旋流作用下，從凹岸→凸岸淤積。大部分下泄§2-4含沙水體（渾水）的性質(zhì)4、推移質(zhì)和懸移質(zhì)的聯(lián)系隨水流條件的改變而相互交換，但沒(méi)有明顯界限。當(dāng)水流條件減弱，泥沙為了適應(yīng)它，通過(guò)若干時(shí)間、流程后，有大量的懸沙沉積于河床底部，成為推移質(zhì)的一部分；反之若流速↑，因推移質(zhì)反應(yīng)敏感，起動(dòng)的泥沙以跳躍形式運(yùn)動(dòng)了一段距離后，若遇到較強(qiáng)的紊動(dòng)水團(tuán)，可以卷入漩渦成為懸沙的一部分。§2-4含沙水體（渾水）的性質(zhì)即流速↑，水流與顆粒的迎面壓力↑，上舉力、懸浮力↑，沙粒跳躍越高，運(yùn)移越遠(yuǎn)，承受懸浮機(jī)會(huì)↑，轉(zhuǎn)變?yōu)閼疑车目赡堋?/p>

同一顆泥沙，在一個(gè)時(shí)間一種水流條件下可以是以推移質(zhì)形式出現(xiàn)；在另一個(gè)時(shí)間另一種水流條件下可以是以懸移質(zhì)形式出現(xiàn).附1：異重流1、定義兩種重率（密度）相差不大、可以混合的流體由于密度的差異而發(fā)生的流動(dòng)，也稱(chēng)密度流（densitycurrent）。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各種流體能保持其原來(lái)的面貌，不因交界面上的紊動(dòng)而發(fā)生全局性的混合現(xiàn)象，如：渾水潛入水庫(kù)、河口鹽水入侵、河流淡水入海、河口區(qū)浮泥運(yùn)動(dòng)、冷暖空氣對(duì)流、云霧運(yùn)動(dòng)、火山熱浪等。異重流2、類(lèi)型﹤據(jù)所產(chǎn)生的位置不同﹥⑴下異重流——也稱(chēng)潛流，較重流體在較輕流體下面流動(dòng)。⑵上異重流——較輕流體在較重流體上面流動(dòng)。如：淡水入海⑶