第6章_懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)2014

1、6 懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng) (suspend load)河流動(dòng)力學(xué)河流動(dòng)力學(xué)1第六章第六章 懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)本章本章主要主要內(nèi)容內(nèi)容2 1、懸移質(zhì)懸浮機(jī)理、懸移質(zhì)懸浮機(jī)理 2、床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)概念；、床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)概念； 3、懸沙含沙量垂線分布；、懸沙含沙量垂線分布； 4、懸移質(zhì)輸沙率；、懸移質(zhì)輸沙率； 5、水流挾沙能力；、水流挾沙能力；6-1 懸移質(zhì)泥沙概念懸移質(zhì)泥沙概念一、一、 懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)的一般特點(diǎn)懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)的一般特點(diǎn) （1）河流蝕山造原的過程中，懸移質(zhì)至少在數(shù)量上起著更）河流蝕山造原的過程中，懸移質(zhì)至少在數(shù)量上起著更為重要的作用。為重要的作用。例：寸灘站年均懸沙輸沙量例：

2、寸灘站年均懸沙輸沙量4.6億噸，底沙億噸，底沙600萬(wàn)噸，懸沙占萬(wàn)噸，懸沙占98.7%； 嘉陵江北碚站年均懸沙量嘉陵江北碚站年均懸沙量1.18億噸，底沙億噸，底沙58萬(wàn)噸，懸沙萬(wàn)噸，懸沙99.3% （2）天然河流中床沙、推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙中，懸移質(zhì)泥）天然河流中床沙、推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙中，懸移質(zhì)泥沙最細(xì)，非均勻性最大。沙最細(xì)，非均勻性最大。 （3）與推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同，懸移質(zhì)泥沙在水中懸?。┡c推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同，懸移質(zhì)泥沙在水中懸浮前進(jìn)，時(shí)而上浮，時(shí)而下沉，留下只有統(tǒng)計(jì)學(xué)機(jī)遇性質(zhì)而前進(jìn)，時(shí)而上浮，時(shí)而下沉，留下只有統(tǒng)計(jì)學(xué)機(jī)遇性質(zhì)而無(wú)力學(xué)必然規(guī)律的跡線。無(wú)力學(xué)必然規(guī)律的跡線。 （4）推移

3、質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)的間斷性強(qiáng)，而懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)的持）推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)的間斷性強(qiáng)，而懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)的持續(xù)性一般是相當(dāng)大的續(xù)性一般是相當(dāng)大的，作為，作為連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)。第六章第六章 懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)3.00u二、研究的目的意義二、研究的目的意義引水排沙工程引水排沙工程：需了解含沙量沿水深的分布；庫(kù)區(qū)淤積及淹沒庫(kù)區(qū)淤積及淹沒：需知道懸移質(zhì)輸沙量；河床演變分析河床演變分析：需了解輸沙率及含沙量沿程變化；u三、泥沙懸浮的條件三、泥沙懸浮的條件（1）床面附近的漩渦尺度大于泥沙粒徑；）床面附近的漩渦尺度大于泥沙粒徑；（2）漩渦的向上分速大于泥沙的沉速。）漩渦的向上分速大于泥沙的沉速。（3）懸移質(zhì)在紊動(dòng)水流中，既

4、因承受重力作用而下沉，懸移質(zhì)在紊動(dòng)水流中，既因承受重力作用而下沉，又因承受紊動(dòng)擴(kuò)散作用而上升。又因承受紊動(dòng)擴(kuò)散作用而上升。6-1 懸移質(zhì)泥沙一些基本概念懸移質(zhì)泥沙一些基本概念5四、天然河道含沙量沿水深分布現(xiàn)象四、天然河道含沙量沿水深分布現(xiàn)象、一般情況下，天然河道受重力作用影、一般情況下，天然河道受重力作用影響，懸移質(zhì)含沙量沿水深分布都是上細(xì)響，懸移質(zhì)含沙量沿水深分布都是上細(xì)下粗，上稀下濃，存在著自下而上逐漸下粗，上稀下濃，存在著自下而上逐漸減小的含沙量梯度，含沙量沿水深分布減小的含沙量梯度，含沙量沿水深分布具有不均勻性。具有不均勻性。含沙含沙量沿量沿水深水深分布分布圖圖6-1 懸移質(zhì)泥沙懸移質(zhì)

5、泥沙一些基本概念6、河道水流屬于紊流，其各流層間、河道水流屬于紊流，其各流層間存在著強(qiáng)烈的混摻現(xiàn)象，向上的渦存在著強(qiáng)烈的混摻現(xiàn)象，向上的渦體自然會(huì)使泥沙向上懸浮。體自然會(huì)使泥沙向上懸浮。、但就恒定流時(shí)均情況而言，根據(jù)、但就恒定流時(shí)均情況而言，根據(jù)脈動(dòng)水流的連續(xù)性，流層間混摻的脈動(dòng)水流的連續(xù)性，流層間混摻的上浮水體與下沉水體是相等的，為上浮水體與下沉水體是相等的，為什么泥沙還會(huì)上浮呢？什么泥沙還會(huì)上浮呢？ 6-1 懸移質(zhì)泥沙懸移質(zhì)泥沙一些基本概念3.2.0.5xeu重力作用重力作用泥沙比水重而向下沉降，使得水流含沙量在河底較大，水面較小，泥沙比水重而向下沉降，使得水流含沙量在河底較大，水面較小，

6、懸沙呈現(xiàn)上稀下濃的非均勻分布。懸沙呈現(xiàn)上稀下濃的非均勻分布。u紊動(dòng)作用紊動(dòng)作用紊動(dòng)作用紊動(dòng)作用使懸沙由含沙量高的下層向含沙量低的上層傳送。因?yàn)椋菏箲疑秤珊沉扛叩南聦酉蚝沉康偷纳蠈觽魉汀Ｒ驗(yàn)椋捍┻^水平面的渾水量平衡，而下濃上稀，向上水體挾帶的泥沙大于穿過水平面的渾水量平衡，而下濃上稀，向上水體挾帶的泥沙大于向下水體挾帶的泥沙。向下水體挾帶的泥沙。u紊動(dòng)擴(kuò)散作用紊動(dòng)擴(kuò)散作用紊流作用同分子布朗運(yùn)動(dòng)引起的某物質(zhì)從濃度高的地方向濃度低的紊流作用同分子布朗運(yùn)動(dòng)引起的某物質(zhì)從濃度高的地方向濃度低的地方不斷遷移的分子擴(kuò)散現(xiàn)象一樣，因次稱為。地方不斷遷移的分子擴(kuò)散現(xiàn)象一樣，因次稱為。重力作用重力作用使含沙量

7、沿水深分布趨向使含沙量沿水深分布趨向不均勻化不均勻化；紊動(dòng)作用紊動(dòng)作用使含沙量沿水深分布趨向使含沙量沿水深分布趨向均勻化均勻化。6-1 懸移質(zhì)泥沙懸移質(zhì)泥沙一些基本概念原因：原因：3.2.0.6紊動(dòng)擴(kuò)散作用使泥沙上浮，重力作用使泥沙下沉，含沙紊動(dòng)擴(kuò)散作用使泥沙上浮，重力作用使泥沙下沉，含沙量沿水深部分由此二者相對(duì)作用的對(duì)比關(guān)系決定。量沿水深部分由此二者相對(duì)作用的對(duì)比關(guān)系決定。重力作用占優(yōu)勢(shì)，泥沙下沉，河床淤積；紊動(dòng)擴(kuò)散作用重力作用占優(yōu)勢(shì)，泥沙下沉，河床淤積；紊動(dòng)擴(kuò)散作用占優(yōu)勢(shì)，泥沙上浮，河床沖刷；二者作用相當(dāng)時(shí)，河床占優(yōu)勢(shì)，泥沙上浮，河床沖刷；二者作用相當(dāng)時(shí)，河床不沖不淤不沖不淤,處于平衡狀態(tài)

8、處于平衡狀態(tài). 紊動(dòng)擴(kuò)散作用上浮的沙量和重力作用下沉的沙量在垂線上任紊動(dòng)擴(kuò)散作用上浮的沙量和重力作用下沉的沙量在垂線上任一位置都相等，含沙量沿水深分布達(dá)到了平衡狀態(tài)。一位置都相等，含沙量沿水深分布達(dá)到了平衡狀態(tài)。懸移質(zhì)上升之所以成為可能，是與含沙量具有上稀下濃的懸移質(zhì)上升之所以成為可能，是與含沙量具有上稀下濃的沿垂線梯度分不開的。沿垂線梯度分不開的。在沖刷、淤積的過程中，沿垂線的含沙量梯度起著重要的在沖刷、淤積的過程中，沿垂線的含沙量梯度起著重要的調(diào)節(jié)作用調(diào)節(jié)作用6-1 懸移質(zhì)泥沙懸移質(zhì)泥沙一些基本概念 1、概念；按造床作用對(duì)泥沙的分類、概念；按造床作用對(duì)泥沙的分類 床沙質(zhì)（床沙質(zhì)（bed m

9、aterial load)：懸移質(zhì)中較粗部分懸移質(zhì)中較粗部分的泥沙，在床沙中大量存在，參與塑造河床作用。的泥沙，在床沙中大量存在，參與塑造河床作用。 沖瀉質(zhì)（沖瀉質(zhì)（wash load）：）：懸移質(zhì)中較細(xì)部分的泥沙，床懸移質(zhì)中較細(xì)部分的泥沙，床沙中較少存在，不參與造床。沙中較少存在，不參與造床。 2、特性；、特性； 與水力條件的關(guān)系；與水力條件的關(guān)系；床沙質(zhì)與水力條件密切相關(guān)床沙質(zhì)與水力條件密切相關(guān)；沖瀉質(zhì)與水力條件關(guān)系不密切，一般是不飽和的。；沖瀉質(zhì)與水力條件關(guān)系不密切，一般是不飽和的。 在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化。在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化。 3、劃分方法；、劃分方法；6.2 床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)床沙質(zhì)

10、與沖瀉質(zhì)床床沙沙質(zhì)質(zhì)和和沖沖瀉瀉質(zhì)質(zhì)床沙質(zhì)與水力條件密切相關(guān)；沖瀉質(zhì)與水力條件關(guān)系不密切床沙質(zhì)與水力條件密切相關(guān)；沖瀉質(zhì)與水力條件關(guān)系不密切方法一：方法一：用床沙用床沙的的d5或或d10方法二：方法二：公切線公切線法法床床沙沙質(zhì)質(zhì)和和沖沖瀉瀉質(zhì)質(zhì)劃劃分分一、泥沙紊動(dòng)擴(kuò)散一、泥沙紊動(dòng)擴(kuò)散 基于泥沙顆粒在紊流中隨機(jī)運(yùn)動(dòng)來(lái)求解泥沙濃度基于泥沙顆粒在紊流中隨機(jī)運(yùn)動(dòng)來(lái)求解泥沙濃度垂向分布，稱為擴(kuò)散理論垂向分布，稱為擴(kuò)散理論。這一理論的基礎(chǔ)是液。這一理論的基礎(chǔ)是液體的體的紊動(dòng)擴(kuò)散理論紊動(dòng)擴(kuò)散理論，它是通過把泥沙或液體微團(tuán)，它是通過把泥沙或液體微團(tuán)的運(yùn)動(dòng)與分子熱運(yùn)動(dòng)相比擬而得出來(lái)的，其基本的運(yùn)動(dòng)與分子熱運(yùn)動(dòng)

11、相比擬而得出來(lái)的，其基本方法都是用梯度型擴(kuò)散（如方法都是用梯度型擴(kuò)散（如Fick擴(kuò)散定律）來(lái)描擴(kuò)散定律）來(lái)描述顆粒隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的宏觀結(jié)果。述顆粒隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的宏觀結(jié)果。6-3 懸移質(zhì)含沙量垂線分布懸移質(zhì)含沙量垂線分布 菲克定律菲克定律，是描述氣體擴(kuò)散現(xiàn)象的宏觀規(guī)律，這是生理，是描述氣體擴(kuò)散現(xiàn)象的宏觀規(guī)律，這是生理學(xué)家菲克（學(xué)家菲克（FickFick）于）于18551855年發(fā)現(xiàn)的。年發(fā)現(xiàn)的。 早在早在18551855年，菲克就提出了：年，菲克就提出了：在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量（稱為擴(kuò)散通量散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量（稱為擴(kuò)散通量, ,用用J

12、 J表示）與該截面處的濃度梯度成正比，表示）與該截面處的濃度梯度成正比，也就是說(shuō)，濃度梯也就是說(shuō)，濃度梯度越大，擴(kuò)散通量越大。這就是菲克第一定律。度越大，擴(kuò)散通量越大。這就是菲克第一定律。D D稱為擴(kuò)散系數(shù)稱為擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)(m2/s)，C C為擴(kuò)散物質(zhì)的體積濃度為擴(kuò)散物質(zhì)的體積濃度( (原子數(shù)原子數(shù)/m/m或或kg/m)kg/m)，dC/dxdC/dx為濃度梯度，為濃度梯度，“”號(hào)表示擴(kuò)散方向?yàn)闈舛忍荻鹊姆捶较?，即擴(kuò)散組元號(hào)表示擴(kuò)散方向?yàn)闈舛忍荻鹊姆捶较颍磾U(kuò)散組元由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散 15 重力作用與紊動(dòng)擴(kuò)散作用表達(dá)重力作用與紊動(dòng)擴(kuò)散作用表達(dá)、重力作用、重

13、力作用 重力作用的強(qiáng)弱可用懸移質(zhì)的沉速重力作用的強(qiáng)弱可用懸移質(zhì)的沉速 代表，代表，沉速愈大，則重力作用愈強(qiáng)；沉速愈大，則重力作用愈強(qiáng)； 單位時(shí)間單位水平截面在重力作用引起的單位時(shí)間單位水平截面在重力作用引起的下沉的泥沙量為下沉的泥沙量為 。 S 一些基本概念(二二 )、紊動(dòng)擴(kuò)散作用紊動(dòng)擴(kuò)散作用 紊動(dòng)擴(kuò)散理論可以簡(jiǎn)單概括為：如果某一物理量紊動(dòng)擴(kuò)散理論可以簡(jiǎn)單概括為：如果某一物理量m在呈在呈紊動(dòng)狀態(tài)，可作為連續(xù)介質(zhì)看待的流體中分布不勻，具紊動(dòng)狀態(tài)，可作為連續(xù)介質(zhì)看待的流體中分布不勻，具有沿任一方向有沿任一方向n的濃度梯度的濃度梯度 ，則這一物理量將通過，則這一物理量將通過紊動(dòng)作用由高濃度區(qū)向低濃度

14、區(qū)擴(kuò)散，其擴(kuò)散強(qiáng)度紊動(dòng)作用由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散，其擴(kuò)散強(qiáng)度為為 ，此處，此處 為擴(kuò)散系數(shù)，亦稱傳遞系數(shù)。為擴(kuò)散系數(shù)，亦稱傳遞系數(shù)。nm nmn n 、水流的、水流的紊動(dòng)強(qiáng)度紊動(dòng)強(qiáng)度，用紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，用紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) 表示，也可用垂向脈動(dòng)流速表示，也可用垂向脈動(dòng)流速 表示；表示； 、懸移質(zhì)含沙量沿垂線分布的不均勻性，、懸移質(zhì)含沙量沿垂線分布的不均勻性，用垂線用垂線含沙量梯度含沙量梯度 表示。表示。 單位時(shí)間單位水平截面上，由于紊動(dòng)擴(kuò)散單位時(shí)間單位水平截面上，由于紊動(dòng)擴(kuò)散作用引起的上浮的泥沙量可表示為作用引起的上浮的泥沙量可表示為 ，也可表示為也可表示為 。y vyS ySy (二二 )、紊動(dòng)擴(kuò)

15、散作用紊動(dòng)擴(kuò)散作用3.2.1.3xeu二維恒定均勻流平衡輸沙擴(kuò)散方程二維恒定均勻流平衡輸沙擴(kuò)散方程021)(dySdSdySdSggSyyy輸沙平衡質(zhì)量擴(kuò)散懸沙擴(kuò)散系數(shù)時(shí)均含沙量；令Sg1dySdgy2021)(dySdSdySdSggSyyy輸沙平衡質(zhì)量擴(kuò)散懸沙擴(kuò)散系數(shù)時(shí)均含沙量；單位時(shí)間單位水平面積內(nèi)的泥沙下沉量：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位水平面積內(nèi)的泥沙上升量：懸懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)方程：二元水體泥沙質(zhì)量守恒移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)方程：二元水體泥沙質(zhì)量守恒連續(xù)介連續(xù)介質(zhì)質(zhì)寫出在時(shí)間寫出在時(shí)間 內(nèi)進(jìn)入或離開這個(gè)水體上內(nèi)進(jìn)入或離開這個(gè)水體上下左右四面的染色物質(zhì)的體積。當(dāng)研究泥下左右四面的染色物質(zhì)的體積。當(dāng)研究泥沙的擴(kuò)散時(shí)

16、，由于泥沙比水重，沙粒還將沙的擴(kuò)散時(shí)，由于泥沙比水重，沙粒還將以速度以速度下沉。下沉。()()()()tvttvtvtvtvtggvtU SV SxySSxytxyttxxyySy 二元水體泥沙質(zhì)量守恒二元水體泥沙質(zhì)量守恒連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì) 對(duì)于紊動(dòng)水流，流速和濃度均具對(duì)于紊動(dòng)水流，流速和濃度均具有脈動(dòng)，可將流速和含沙濃度的有脈動(dòng)，可將流速和含沙濃度的瞬時(shí)瞬時(shí)值分解成時(shí)均值和脈動(dòng)值值分解成時(shí)均值和脈動(dòng)值，即：，即： Ut=U+u ，Vt=V+v， vt=Sv+sv (6-3)式中大寫字符為時(shí)均值，小寫字符為式中大寫字符為時(shí)均值，小寫字符為脈動(dòng)值，脈動(dòng)值，取長(zhǎng)時(shí)間平均取長(zhǎng)時(shí)間平均, 脈動(dòng)值的長(zhǎng)時(shí)間

17、平均為零。脈動(dòng)值的長(zhǎng)時(shí)間平均為零。 3.2.1.4yeu二元均勻流不平衡輸沙擴(kuò)散方程二元均勻流不平衡輸沙擴(kuò)散方程 ySyvSxSuxSutS整理得：代入上式得又,xSSuySvSxyySySyxSxxSutSxSSuySvSyxxy：擴(kuò)散方程式二元均勻流不平衡輸沙代入上式得又為書寫方便取消平均符)(, 對(duì)流項(xiàng) 擴(kuò)散項(xiàng) 沉降項(xiàng)當(dāng)懸移質(zhì)含沙量的垂線分布達(dá)到平衡狀當(dāng)懸移質(zhì)含沙量的垂線分布達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，泥沙擴(kuò)散問題成為一個(gè)均勻，恒態(tài)時(shí)，泥沙擴(kuò)散問題成為一個(gè)均勻，恒定的問題，泥沙擴(kuò)散方程中對(duì)距離和定的問題，泥沙擴(kuò)散方程中對(duì)距離和對(duì)時(shí)間的偏微分均等于零：對(duì)時(shí)間的偏微分均等于零：0t0 x0)(dydSv

18、ySvdydy二維恒定均勻紊動(dòng)擴(kuò)散方程二維恒定均勻紊動(dòng)擴(kuò)散方程為為:yS vyS v 0輸沙平衡輸沙平衡假定泥沙擴(kuò)散系數(shù)與動(dòng)量交換系數(shù)泥沙擴(kuò)散系數(shù)與動(dòng)量交換系數(shù)m相等，相等，即：即： y=m= k uyhyh*代入擴(kuò)散方程得：代入擴(kuò)散方程得： ku yhyhdSvdySv*0式中：SvSvahyyahaZZku*稱為稱為懸浮指數(shù)懸浮指數(shù)，也常稱，也常稱Rouse數(shù)。它實(shí)際數(shù)。它實(shí)際上代表了重力作用上代表了重力作用與紊動(dòng)擴(kuò)散作用與紊動(dòng)擴(kuò)散作用u*的的對(duì)比關(guān)系。對(duì)比關(guān)系。 令時(shí)，令時(shí)，vva，積分可得：，積分可得： 一、勞斯（Rouse）公式 1）勞斯（勞斯（Rouse）假設(shè)）假設(shè) 勞斯（勞斯（R

19、ouse）在建立二維均勻明槽流的平）在建立二維均勻明槽流的平衡情況下懸移質(zhì)含沙量沿垂線的分布公式衡情況下懸移質(zhì)含沙量沿垂線的分布公式時(shí)，做了兩個(gè)重要假設(shè)：時(shí)，做了兩個(gè)重要假設(shè)： （1）沉速）沉速沿水深定值；沿水深定值； （2）泥沙紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)泥沙紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) （ ）等于相應(yīng)）等于相應(yīng)的動(dòng)量紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)的動(dòng)量紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù) （3）流速分布采用對(duì)數(shù)公式）流速分布采用對(duì)數(shù)公式y(tǒng) sy m 6 - 3 含 沙 量 垂 線 分 布 律 一、擴(kuò)散理論 懸浮指標(biāo)的數(shù)值越大，表明重力作用在與懸浮指標(biāo)的數(shù)值越大，表明重力作用在與紊動(dòng)擴(kuò)散作用的對(duì)比中越強(qiáng)，懸移質(zhì)含沙紊動(dòng)擴(kuò)散作用的對(duì)比中越強(qiáng)，懸移質(zhì)含沙量在垂線上的分

20、布越不均勻；反之，值量在垂線上的分布越不均勻；反之，值越小，懸移質(zhì)分布越均勻。越小，懸移質(zhì)分布越均勻。 Z5，判斷河床床面泥沙是否起懸的指標(biāo)（，判斷河床床面泥沙是否起懸的指標(biāo)（推移質(zhì)與懸移質(zhì)劃分標(biāo)準(zhǔn)）；推移質(zhì)與懸移質(zhì)劃分標(biāo)準(zhǔn)）；Z0.01，床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)的區(qū)分臨界，床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)的區(qū)分臨界。Fig3-40 . 5* UZ 01. 0* UZ 3.2.1.8u懸浮指標(biāo)懸浮指標(biāo) z 的物理意義的物理意義*Uz物理意義：物理意義：表征重力作用與紊動(dòng)擴(kuò)散作用的相對(duì)大小，表征重力作用與紊動(dòng)擴(kuò)散作用的相對(duì)大小，反映了含沙量沿水深分布的均勻程度；反映了含沙量沿水深分布的均勻程度；z 越大，表明重力越大，表明

21、重力作用相對(duì)越強(qiáng)，分布越不均勻，作用相對(duì)越強(qiáng)，分布越不均勻， z 越小，表明紊動(dòng)擴(kuò)散作越小，表明紊動(dòng)擴(kuò)散作用相對(duì)越強(qiáng)，分布越均勻用相對(duì)越強(qiáng)，分布越均勻(圖圖3-4)z的另一功用：的另一功用：可作為推移質(zhì)進(jìn)入懸浮狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)?？勺鳛橥埔瀑|(zhì)進(jìn)入懸浮狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)。 z 5后后(圖圖3-4) ，懸沙較少，可將，懸沙較少，可將z5作為推、懸的臨界判別值。作為推、懸的臨界判別值。6-3 含沙量垂線分布律 一、擴(kuò)散理論3.2.1.9yeu對(duì)公式的檢驗(yàn)對(duì)公式的檢驗(yàn)*Uz檢驗(yàn)內(nèi)容檢驗(yàn)內(nèi)容： 公式的結(jié)構(gòu)是否合理？ 懸浮指標(biāo) ？檢驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)結(jié)果： 公式結(jié)構(gòu)合理、正確公式結(jié)構(gòu)合理、正確(圖3-5)。 z的理論值與

22、實(shí)測(cè)值的理論值與實(shí)測(cè)值z(mì)1有一定差異有一定差異：z 較小時(shí)，實(shí)測(cè)值與理論值相差不大；z 較大時(shí)，實(shí)測(cè)值小于理論值，且隨z的增大，差距也越大(圖3-7)。6-3 含沙量垂線分布律 一、擴(kuò)散理論Fig3-5&6公式結(jié)構(gòu)合理公式結(jié)構(gòu)合理Fig3-7z 較小時(shí)，實(shí)測(cè)值與理論值相差不大；較小時(shí)，實(shí)測(cè)值與理論值相差不大；z 較大時(shí)，實(shí)測(cè)值小較大時(shí)，實(shí)測(cè)值小于理論值，且隨于理論值，且隨z的增大，差距也越大的增大，差距也越大Fig3-81) 1(Vanoli*1zamyahayyhSSUzz建議：Fig3-9清水時(shí)：=0.4渾水時(shí)：Gs，河床發(fā)生沖刷Gs*=Gs，河床不沖不淤Gs*Gs，河床發(fā)生淤積3

23、.3.0.1u 懸移質(zhì)實(shí)際輸沙率懸移質(zhì)實(shí)際輸沙率GS 6 - 4 懸 移 質(zhì) 輸 沙 率 基本概念u求解求解方法方法方法一：積分法方法一：積分法根據(jù)前面介紹的理論方法，可以求出懸移質(zhì)含沙量Sv及流速U沿垂線的分布，據(jù)此可計(jì)算得出單位時(shí)間內(nèi)，河道過水面中高程y處單位時(shí)間、單位斷面面積上通過的懸移質(zhì)沙量為USv，將其沿垂線積分即可得出全水深上的懸移質(zhì)單寬輸沙率。方法二：乘積法方法二：乘積法更為簡(jiǎn)便的方法是求解得出斷面平均含沙量和平均流速，則兩者之積乘以過水?dāng)嗝婷娣e就是全斷面的懸移質(zhì)輸沙率。 6 - 4 懸 移 質(zhì) 輸 沙 率 基本概念3.3.0.30u懸移質(zhì)單寬輸沙率懸移質(zhì)單寬輸沙率gShaVsh

24、asdyuSuSdyghhassudyuSdyqgSQGS0*hSdySham單位寬度內(nèi)的懸移質(zhì)輸沙率。u懸沙水流挾沙力懸沙水流挾沙力S*(飽和含沙量、臨界含沙量飽和含沙量、臨界含沙量)河流處于不沖不淤臨界狀態(tài)下，單位水體所能挾帶的懸移質(zhì)中床沙質(zhì)數(shù)量(重量)的平均值。u垂線平均含沙量垂線平均含沙量Sm注意注意S*與與Sm的區(qū)別：的區(qū)別：S*為沿垂線以單寬流量為權(quán)的加權(quán)平為沿垂線以單寬流量為權(quán)的加權(quán)平均均Sm則為以水深為權(quán)的加權(quán)平均；則為以水深為權(quán)的加權(quán)平均； 6 - 4 懸 移 質(zhì) 輸 沙 率 基本概念3.3.1.1xeu基本思路基本思路*UzahayyhSSuSdygzahas采用含沙量沿水

25、深分布的Rouse公式和單寬懸移質(zhì)輸沙率定義，并采用推移質(zhì)輸沙率計(jì)算臨底含沙量。6-4 懸移質(zhì)輸沙率 一、Einstein公式一、一、 Einstein公式公式3.3.1.2yeu 公式推導(dǎo)公式推導(dǎo)zahasahayyhSSuSdyg ，dyahayyhSyUgyUuzahas2 .30lg75. 52 .30lg75. 5*：采用對(duì)數(shù)流速分布公式 ddhAAaSUghaAhyzAzAzzaslg12 .30lg1)1 (75. 5/111*，令6-4 懸移質(zhì)輸沙率 一、Einstein公式3.3.1.2xeu 公式推導(dǎo)公式推導(dǎo) ddhAAaSUgzAzAzzaslg12 .30lg1)1 (

26、75. 5111*dAAIdAAIIIhaSUddhAAaSUgzAzzzAzzazAzAzzasln1)1 (216. 01)1 (216. 02 .30lg303. 26 .11ln1434. 012 .30lg)1 (75. 511211121*111* 216. 06 .11434. 075. 5216. 0303. 26 .1175. 5lg303. 2lnln434. 0lg注意：6-4 懸移質(zhì)輸沙率 一、Einstein公式3.3.1.3xeuI1、I2的計(jì)算的計(jì)算I1、I2僅是A、z，可通過數(shù)值積分計(jì)算，也可通過已繪制的圖形查取。dAAIdAAIIIhaSUgzAzzzAzza

27、sln1)1 (216. 01)1 (216. 02 .30lg303. 26 .1111211121* 6-4 懸移質(zhì)輸沙率 一、Einstein公式3.3.1.4yeu臨底含沙量的計(jì)算臨底含沙量的計(jì)算sabbbsbbsbbbassbbsbaUSgiDaUuaUgiuagiSgigiDiDi*6 .116 .111)2,(水槽試驗(yàn)床面層內(nèi)的平均含沙量沙率該粒徑的懸移質(zhì)單寬輸沙率該粒徑的推移質(zhì)單寬輸則：所占的百分比懸移質(zhì)某粒徑所占的百分比推移質(zhì)某粒徑設(shè)：Einstein認(rèn)為包括近河底區(qū)的泥沙分布應(yīng)是連續(xù)的，床面層頂部的泥沙濃度應(yīng)是懸移質(zhì)的臨底含沙量Sa 。6-4 懸移質(zhì)輸沙率 一、Einste

28、in公式3.3.1.4yeu臨底含沙量的計(jì)算臨底含沙量的計(jì)算NisisbisibbbbsssassabbggIPIggIPIgiIIhgigiIIhaUSgiaUSgi121212121*2 .30lg303. 22 .30lg303. 26 .116 .11或者寫為：6-4 懸移質(zhì)輸沙率 一、Einstein公式代表性公式 愛因斯坦公式(Einstein) )2 .30lg(75. 5*0shvsskyUUdyUSg 21*2 .30lg303. 26 .11IIkhaSUgsvass 6-4 懸移質(zhì)輸沙率 五、公式的選用6-5 水流挾沙力水流挾沙力 定義定義 是指在一定水流、泥沙及邊界條件

29、下，是指在一定水流、泥沙及邊界條件下，水流所能挾帶的包括推移質(zhì)和懸移質(zhì)在內(nèi)水流所能挾帶的包括推移質(zhì)和懸移質(zhì)在內(nèi)的全部沙量。的全部沙量。6-5 水流挾沙力 基本概念3.5.0 xeu總輸沙率總輸沙率在一定水流與河床組成條件下，河床處于不沖不淤的平衡狀態(tài)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過河段下泄的推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙總量(水流輸沙能力水流輸沙能力、水流挾沙力水流挾沙力)。u床沙質(zhì)總輸沙率床沙質(zhì)總輸沙率推移質(zhì)輸沙率推移質(zhì)輸沙率與懸移質(zhì)中床沙質(zhì)輸沙率懸移質(zhì)中床沙質(zhì)輸沙率之和。u全沙總輸沙率全沙總輸沙率(總輸沙率總輸沙率)推移質(zhì)輸沙率推移質(zhì)輸沙率與懸移質(zhì)輸沙率懸移質(zhì)輸沙率(包含沖泄質(zhì)沖泄質(zhì))之和。 例：江西章水：gb:g

30、s=1:2 長(zhǎng)江重慶段： gb:gs=1:16606-5 水流挾沙力 基本概念3.5.1.16-5 水流挾沙力 一、床沙質(zhì)總輸沙率xeuEinstein公式公式NiTiTbbTibbssbbggIPIgigIPIgigigi12121)1 ()(床沙質(zhì)挾沙力：床沙質(zhì)挾沙力：懸移質(zhì)挾沙力：推移質(zhì)挾沙力：對(duì)于所有粒徑組：對(duì)于某粒徑組：NiTiTbbTibbssbbggIPIgigIPIgigigi12121)1 ()(床沙質(zhì)挾沙力：床沙質(zhì)挾沙力：懸移質(zhì)挾沙力：推移質(zhì)挾沙力：對(duì)于所有粒徑組：對(duì)于某粒徑組：思路思路：推移質(zhì)輸沙率懸移質(zhì)輸沙率3.5.1.2xeu拜格諾(Bagnold)公式公式UUegg

31、gUgUegbsssbTsssbssb020001. 0tg01. 0tg床沙質(zhì)挾沙力：懸移質(zhì)挾沙力：推移質(zhì)挾沙力：思路思路：推移質(zhì)輸沙率懸移質(zhì)輸沙率6-5 水流挾沙力 一、床沙質(zhì)總輸沙率3.5.1.3yeu恩格隆漢森(Engelund-Hansen)公式公式5 . 1500505022025003505 . 2)(05. 0881)(1 . 0DgDDUgUgUghJfDgDgfsssTesssTTTe即：無(wú)量綱輸沙率與無(wú)量綱床面剪切力的2.5次方成正比6-5 水流挾沙力 一、床沙質(zhì)總輸沙率3.5.1.3xeu恩格隆漢森(Engelund-Hansen)公式公式沉降粒經(jīng)沉降粒經(jīng)D50：公式中

32、的D50不是床沙的直接中值粒經(jīng)，而是對(duì)應(yīng)的沉降粒經(jīng)，其相關(guān)關(guān)系見表3-1。5 . 150050502)(05. 0DgDDUgsssT公式檢驗(yàn)公式檢驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)資料相關(guān)性較好(圖3-16)，也適用于沙浪階段，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，是目前公認(rèn)為較好的公式。6-5 水流挾沙力 一、床沙質(zhì)總輸沙率Fig3-16xeu基本思路基本思路 ：在平原河流，懸移質(zhì)輸沙為主，推移質(zhì)輸沙：在平原河流，懸移質(zhì)輸沙為主，推移質(zhì)輸沙可忽略?？珊雎?。先根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析而得，然后提出懸移質(zhì)具有先根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析而得，然后提出懸移質(zhì)具有制紊作用制紊作用的觀點(diǎn)，的觀點(diǎn)，采用采用定理進(jìn)行理論推導(dǎo)。定理進(jìn)行理論推導(dǎo)。四、張瑞瑾公式（四

33、、張瑞瑾公式（武水公式）6-5 水流挾沙力 二、張瑞瑾公式（半經(jīng)驗(yàn)半理論）（半經(jīng)驗(yàn)半理論）2、張瑞謹(jǐn)公式：基于張瑞謹(jǐn)公式：基于 “制紊假說(shuō)制紊假說(shuō)”提出提出紊動(dòng)減弱的原因：紊動(dòng)減弱的原因：3.3.2.3yeu公式的理論推導(dǎo)公式的理論推導(dǎo)制紊作用制紊作用：懸移質(zhì)的存在將使水流的紊動(dòng)減弱、水流阻力減小。張瑞瑾發(fā)現(xiàn)張瑞瑾發(fā)現(xiàn)：挾沙水流 S 越大，糙率n越小，能耗就越小。存在制紊作用的原因存在制紊作用的原因： 水流與泥沙比重不同，運(yùn)動(dòng)不同步，發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而互相牽制 水流挾沙增加粘性，對(duì)紊動(dòng)不利。 近底是產(chǎn)生紊動(dòng)漩渦的地方，但含沙量大，對(duì)渦體的形成與運(yùn)動(dòng)具有制約作用。制紊功制紊功：由懸移質(zhì)的制紊作用產(chǎn)生

34、的功清水能耗E渾水能耗ES。6-5 水流挾沙力 二、張瑞瑾公式3.3.2.3yeu公式的理論推導(dǎo)公式的理論推導(dǎo)AUJE的能耗：清水單位長(zhǎng)度單位時(shí)間)1 (sVssVsJSJSJAUEEE制紊功：sVssVsAUJSAUJSE)1 (：渾水同樣條件下的能耗VsVsVsVssVssVssVssVsSFAESAEFSAEFSAFEJSJSJAVEEEAVJSAVJSEAVJE43210, 0),(),( )1 ()1 (：根據(jù)量剛分析的定理或根據(jù)影響因素：制紊功：渾水同樣條件下的能耗的能耗：清水單位長(zhǎng)度單位時(shí)間0),(),( 21VsVsSAEFSAFE或根據(jù)影響因素：6-5 水流挾沙力 二、張瑞瑾

35、公式3.3.2.3yeu公式的理論推導(dǎo)公式的理論推導(dǎo))1 (sVssVsJSJSJAUEEE制紊功：VsSFAE4定理：)()()1 ()1 (001114ssVsVssVVssVssVVVVVJJUCSJSJSJAUSACJSJSJAUESCSFESES于是可以假定：，一般情況有：)()()1 ()1 (001114ssVsVssVVssVssVVVVVJJUCSJSJSJAUSACJSJSJAUESCSFESES于是可以假定：，一般情況有：)()()1 ()1 (001114ssVsVssVVssVssVVVVVJJUCSJSJSJAUSACJSJSJAUESCSFESES于是可以假定：，

36、一般情況有：6-5 水流挾沙力 二、張瑞瑾公式3.3.2.3yeu公式的理論推導(dǎo)公式的理論推導(dǎo))()()1 ()1 (001114ssVsVssVVssVssVVVVVJJUCSJSJSJAUSACJSJSJAUESCSFESES于是可以假定：，一般情況有(8:0)(0,)()()(8241)(241241gRUCCSSCffffSffSgRUffCSgURffJJgURfJgURfJsVVssVsVssVssss則可假定而(8, 0)(0,)()()(8241)(241241gRUCCSSCffffSffSgRUffCSgURffJJgUR

37、fJgURfJsVVssVsVssVssss則可假定而(8, 0)(0,)()()(8241)(241241gRUCCSSCffffSffSgRUffCSgURffJJgURfJgURfJsVVssVsVssVssss則可假定而(8:0)(0,)()()(8241)(241241gRUCCSSCffffSffSgRUffCSgURffJJgURfJgURfJsVVssVsVssVssss則可假定而： 6-5 水流挾沙力 二、張瑞瑾公式3.3.2.3xeu公式的理論推導(dǎo)公式的理論推(8:0)(0,)()()(8241)

38、(241241gRUCCSSCffffSffSgRUffCSgURffJJgURfJgURfJsVVssVsVssVssss則可假定而：mssssVsgRUKSmCCKgRUCCSS3*112131121)(8)(8令mssssVsgRUKSmCCKgRUCCSS3*112131121)(8)(8令 6-5 水流挾沙力 二、張瑞瑾公式3.3.2.4xeu綜合因子綜合因子 的物理意義的物理意義gRU3*22223SUgRUUgRUUgRUUgRUgRU紊動(dòng)作用作用的相對(duì)大小：表征紊動(dòng)作用與重力大?。罕碚髦亓ψ饔玫南鄬?duì)紊動(dòng)作用大?。焊ト甑聰?shù)，表征水流*22223SUgRUUgRUUgRUUgRUg

39、RU紊動(dòng)作用作用的相對(duì)大小：表征紊動(dòng)作用與重力大?。罕碚髦亓ψ饔玫南鄬?duì)紊動(dòng)作用大小：弗汝德數(shù)，表征水流*22223SUgRUUgRUUgRUUgRUgRU紊動(dòng)作用作用的相對(duì)大小：表征紊動(dòng)作用與重力大小：表征重力作用的相對(duì)紊動(dòng)作用大?。焊ト甑聰?shù)，表征水流*22223SUgRUUgRUUgRUUgRUgRU紊動(dòng)作用作用的相對(duì)大?。罕碚魑蓜?dòng)作用與重力大小：表征重力作用的相對(duì)紊動(dòng)作用大?。焊ト甑聰?shù)，表征水流 6-5 水流挾沙力 二、張瑞瑾公式3.3.2.5二u公式的應(yīng)用公式的應(yīng)用mssssVsgRUKSmCCKgRUCCSS3*112131121)(8)(8令公式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有一定的理論和實(shí)測(cè)資料支持，

40、國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣泛。公式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有一定的理論和實(shí)測(cè)資料支持，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣泛。實(shí)際應(yīng)用中注意實(shí)際應(yīng)用中注意k、m的具體擬合。的具體擬合。 6-5 水流挾沙力 二、張瑞瑾公式ghUL3圖中圖中k值給出了上下包絡(luò)線，這值給出了上下包絡(luò)線，這是因?yàn)樘烊缓恿髦袘乙瀑|(zhì)運(yùn)動(dòng)是因?yàn)樘烊缓恿髦袘乙瀑|(zhì)運(yùn)動(dòng)往往并非處于平衡狀態(tài)，而是往往并非處于平衡狀態(tài)，而是存在沖刷或淤積。存在沖刷或淤積。3.3.4.1 6-5 水流挾沙力 四、經(jīng)驗(yàn)公式u基本思路基本思路利用具體河道的實(shí)測(cè)輸沙率資料，依據(jù)定理等手段建立輸沙率與水流、泥沙參數(shù)(U、R、D.)的相關(guān)結(jié)構(gòu)，經(jīng)數(shù)值分析獲得具體系數(shù)和指數(shù)等。一般僅適合具體河道或具體河段。五五 經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式挾沙力關(guān)系的基本表達(dá)式挾沙力關(guān)系的基本表達(dá)式 影響水流挾沙力的四個(gè)主要因素包括： 水流條件水流條件，包括：流速U，水深h，比降J和重力作用g； 水流的物理性質(zhì)水流的物理性質(zhì)，包括：容重、粘性。 泥沙的物理性質(zhì)泥沙的物理性質(zhì)，包括：容重 ，沉速 、粒徑D 邊界