第五講泥沙運(yùn)動(dòng)的基本概念

1、第五講 泥沙運(yùn)動(dòng)的基本概念,黃爾 2012年4月,3 泥沙運(yùn)動(dòng)的基本概念,5.1 床面泥沙顆粒的受力情況 5.2 泥沙的運(yùn)動(dòng)形式 5.3 劃分推移質(zhì)及懸移質(zhì)的意義 5.4 床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì),5.1 床面泥沙顆粒的受力情況,拖曳力與上舉力,水流流過(guò)泥沙的膚面摩擦力及背水面渦輥造成的前后壓差阻力的合力稱為拖曳力。 流過(guò)泥沙顆粒頂部流速高于底部水流流速產(chǎn)生的向上的壓力差稱為上舉力 u0為作用在沙粒上的流速,作用流速,作用流速（有效流速）距床面的距離應(yīng)與泥沙粒徑成正比，但具體數(shù)值尚未統(tǒng)一。 0.5d、0.35d、u0取斷面平均流速、u0直接用摩阻流速,關(guān)于拖曳力和上舉力,處理方法各異，差異較大，應(yīng)該測(cè)壓

2、力分布，計(jì)算合力的分量。 拖曳力系數(shù)與沉降的阻力系數(shù)規(guī)律相似 作用力 ？作用流速？ 脈動(dòng)服從正態(tài)分布。 上舉力與拖曳力的相對(duì)重要性：對(duì)于相嵌的泥沙上舉力更重要。但由于起動(dòng)公式都是用實(shí)驗(yàn)確定綜合系數(shù)，所以不是實(shí)質(zhì)性問(wèn)題。,重力和粘結(jié)力,水下重量： 粘結(jié)力： 原狀粘土的粘性力影響因素很多，難以表達(dá)。主要研究水中新淤泥沙的粘結(jié)力。 一種看法：源于薄膜水單向穿壓特性，屬于附加壓力 另一種：主要來(lái)至分子引力。,粒間離散力,很多泥沙與水流存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，粒間的繞流流態(tài)將使顆粒間相互產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為顆粒承受一個(gè)與水流相垂直的力，稱為粒間離散力。 也可以看成顆粒間碰撞動(dòng)量交換產(chǎn)生的力。 有助于河床穩(wěn)定,滲透壓

3、力,當(dāng)河水與地下水相互補(bǔ)給、在河床內(nèi)部出現(xiàn)滲流時(shí)，床面泥沙還將承受滲透壓力。 地下水內(nèi)滲時(shí)，會(huì)減小床沙穩(wěn)定。 當(dāng)河水外滲時(shí)，會(huì)增加床沙穩(wěn)定。 由于滲透壓力數(shù)值較小，一般可忽略。,5.2 泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)形式,推移質(zhì)：床面附近運(yùn)動(dòng)的泥沙 接觸質(zhì)：運(yùn)動(dòng)中與河床保持接觸 躍移質(zhì)：跳躍前進(jìn)的泥沙 層移質(zhì)：河床表面泥沙成層運(yùn)動(dòng) 懸移質(zhì)：隨漩渦懸浮在水中，并隨水流前進(jìn)的泥沙稱為懸移質(zhì)。,推移質(zhì)與懸移質(zhì)的相對(duì)重要性,水流強(qiáng)度較弱時(shí)，以推移質(zhì)為主 隨著流速的增大，懸移質(zhì)的重要性將超過(guò)推移質(zhì)。 平原河流中、推移質(zhì)沙量往往不足總沙量的5%。高壩大庫(kù)的庫(kù)容損失主要受懸移質(zhì)影響。 山區(qū)天然航道整治、取水工程、防洪工程、

4、低壩(閘)樞紐等工程泥沙問(wèn)題主要受推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響。,5.3 劃分推移質(zhì)及懸移質(zhì)的意義,5.3.1 泥沙運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性 懸移質(zhì)床面層層移層床沙 各種運(yùn)動(dòng)形式的相互交換,5.3.2推移質(zhì)與懸移質(zhì)在物理本質(zhì)上的區(qū)別,一、運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同：,二、能量來(lái)源不同,推移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)要加大水流的能量損失。 懸移質(zhì)隨漩渦前進(jìn)，不直接消耗水流的能量，維持懸浮的能量來(lái)至紊動(dòng)動(dòng)能。紊動(dòng)動(dòng)能是水流已經(jīng)消耗的能量的一部分，是最后轉(zhuǎn)化成熱能的過(guò)渡形式。,三、對(duì)于河床的作用不同,懸移質(zhì)增加了渾水的容重，加大了水體的靜水壓力 推移質(zhì)增加河床表面的壓力，加大了河床的穩(wěn)定性。,5.3.3 劃分推移質(zhì)和懸移質(zhì)的實(shí)際意義,彎道環(huán)流對(duì)推移質(zhì)和懸移

5、質(zhì)的影響不一樣。 在發(fā)生沉積的環(huán)境中，兩者的淤積部位不同。 山區(qū)河流的河床變形主要受推移質(zhì)的影響。 ,5.4床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì),按泥沙的相對(duì)粗細(xì)及來(lái)源的不同，可分為床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)。 錢(qián)寧將“質(zhì)”這個(gè)字專用于水流中運(yùn)動(dòng)的泥沙。組成河床的泥沙叫“床沙”。,5.4.1問(wèn)題的提出,愛(ài)因斯坦等發(fā)現(xiàn)床沙中粗的顆粒多于細(xì)的顆粒，運(yùn)動(dòng)的泥沙中則相反。運(yùn)動(dòng)泥沙中較細(xì)的一部分在床沙中沒(méi)有或很少，這部分細(xì)顆粒與床沙似乎沒(méi)有交換。 水流中粗顆粒泥沙的含量與流量相關(guān)，而細(xì)顆粒則不明顯。 粗顆粒泥沙可以看成是來(lái)至上游河床，稱“床沙質(zhì)”，細(xì)顆粒泥沙來(lái)至流域，在本河段很少停留，一瀉千里，叫“沖瀉質(zhì)”。,5.4.2床沙質(zhì)及沖瀉質(zhì)運(yùn)

6、動(dòng)規(guī)律的同一性,山區(qū)河流河床由塊石或卵石組成，水流中的細(xì)顆粒泥沙與床沙基本不交換，相當(dāng)于定床輸沙。 對(duì)于全部泥沙都能起動(dòng)的沖積河流而言，床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一致的。,流量輸沙率關(guān)系,沖積河流的水流挾沙能力，是指在一定河床組成下，水流能挾帶的泥沙。 實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)來(lái)沙量變化時(shí)，對(duì)于沖瀉質(zhì)基本能繼續(xù)下泄。對(duì)于床沙質(zhì)則下泄沙量變化幅度較小。因此，床沙質(zhì)的流量輸沙率關(guān)系要明確得多。 在多沙河流中，即使是床沙質(zhì)也存在“多來(lái)多排”現(xiàn)象。 河床的粗化或細(xì)化，可以使河道挾沙能力隨之減小或增大。,劃分沖瀉質(zhì)和床沙質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn),床沙中最細(xì)的5%看成沖瀉質(zhì)。 將床沙和懸移質(zhì)級(jí)配曲線上下疊繪，用公切線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)確定為臨界粒徑。 山區(qū)河流，卵石是床沙質(zhì)，沙以下就是沖瀉質(zhì)。中下游沙質(zhì)河床，沙是床沙質(zhì)，粉砂以下屬于沖