CH推移質(zhì)運(yùn)動及動床阻力

1、近期三峽泥沙問題2003年三峽蓄水以來，三峽工程的生態(tài)和環(huán)境影響一直是牽動世界的敏感神經(jīng)，傳言、懷疑和揣測紛紛涌來，長江下游城市天氣的異常、九江的地震等等都與之扯上了關(guān)系。最近的一次聯(lián)系則是長江湖南、湖北段干堤的強(qiáng)烈崩岸，如岳陽江段崩岸 、洪山頭鎮(zhèn)的 “天字一號”崩岸 、長江荊江段成崩岸重災(zāi)區(qū)。這些崩岸與三峽蓄水的關(guān)系如何？三峽蓄水提高到至 米后，三峽大壩何時再蓄水至米的最終水位， 將遵循泥沙運(yùn)動規(guī)律，根據(jù)泥沙沖淤監(jiān)測情況來決定。隨著三峽大壩全線 建成，大壩具備擋水能力，長江挾帶的上游泥沙將被大壩 攔截。隨之而來的擔(dān)憂是泥沙淤積會不會使工程運(yùn)行受影 響？上游的重慶等地港口會不會淤廢？下游沖刷將

2、達(dá)到什 么程度？ 1Ch3 推移質(zhì)運(yùn)動及動床阻力 3.1 泥沙起動的形式3.2 泥沙的起動3.3 沙波運(yùn)動3.4 沖積河流的阻力3.5 推移質(zhì)輸沙率泥沙起動判別標(biāo)準(zhǔn)無粘性均勻沙的起動流速公式無粘性均勻沙的起動拖曳力公式粘性泥沙的起動流速公式沙波形態(tài)與運(yùn)動狀態(tài)沙波的產(chǎn)生與消亡沙波的尺度與運(yùn)行速度床面阻力與河岸阻力劃分沙粒阻力與沙波阻力劃分動床阻力的計(jì)算以垂線平均流速為主的公式以拖曳力為主的公式根據(jù)能量平衡建立的公式根據(jù)統(tǒng)計(jì)法則建立的公式各種公式比較與選擇23.1 泥沙起動的形式泥沙起動概念：一、泥沙運(yùn)動的形式.床沙：(河床)1.懸移質(zhì)：(懸移區(qū))2.推移質(zhì)：(床面層)懸浮在水中運(yùn)動，速度與水流速

3、度基本相同的泥沙。在河底附近，以滾動、滑動、躍動或?qū)右频刃问角斑M(jìn)，其速度小于水流速度的泥沙。河床上靜止的泥沙。分接觸質(zhì)、躍移質(zhì)、層移質(zhì)三種。33.1 泥沙起動的形式推移質(zhì)沙運(yùn)動的形式接觸質(zhì)：躍移質(zhì)：當(dāng)水流速度足以使河床的泥沙顆粒發(fā)生運(yùn)動時，突出在床面上的顆粒，便以滑動或滾動的形式向前運(yùn)動。這種泥沙在運(yùn)動中始終保持著與床面接觸，稱接觸質(zhì)。在河底附近，以跳躍形式前進(jìn)的泥沙。是推移質(zhì)的主要運(yùn)動形式。當(dāng)水流速度超過一定范圍后，水流的作用不只限于河床表面。河床表層以下的泥沙在水流拖曳力作用下，將成層移動或滑動，運(yùn)動速度逐次遞減，稱層移質(zhì)。推移質(zhì)床面層層移質(zhì)：4Ch3 推移質(zhì)運(yùn)動概述 推移質(zhì)泥沙在河床附近

4、運(yùn)動,常與床面泥沙相互交換,時而由靜止轉(zhuǎn)為運(yùn)動,時而由運(yùn)動轉(zhuǎn)為靜止伴隨著推移質(zhì)運(yùn)動,床面還出現(xiàn)沙波.床面附近這種泥沙運(yùn)動及相應(yīng)的床面形態(tài),影響著河床對水流運(yùn)動的阻力,水流運(yùn)動阻力的改變又反過來影響泥沙運(yùn)動。研究推移質(zhì)運(yùn)動，目的是建立推移質(zhì)輸沙率公式，推移質(zhì)輸沙率公式和泥沙運(yùn)動的形式、泥沙起動、沙波運(yùn)動、河道阻力有關(guān)，本章將研究以上這些問題。53.1 泥沙起動的形式二、聯(lián)系與區(qū)別聯(lián)系：對同一個泥沙組成來說，在較弱的水流條件下，可以表現(xiàn)為推移質(zhì)；在較強(qiáng)的水流條件下，可以表現(xiàn)為懸移質(zhì)。二者無明顯分界線。推移質(zhì)運(yùn)動和懸移質(zhì)運(yùn)動間存在物理本質(zhì)的差別。運(yùn)動規(guī)律不同：能量來源不同：對河床作用不同：區(qū)別：意義

5、：推移質(zhì)運(yùn)動與河床沖淤變化息息相關(guān)，因此意義重大。673. 泥沙的起動泥沙起動條件：維持泥沙顆粒靜止?fàn)顟B(tài)的平衡條件遭到破壞，床面泥沙由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)入運(yùn)動狀態(tài)的臨界水流條件。研究泥沙起動的意義：如水庫下游泥沙運(yùn)動泥沙起動條件可以用流速、拖曳力或功率來表示。用垂線平均流速表示的，叫起動流速；用拖曳力表示的，叫起動拖曳力；用水流功率表示的叫起動功率。目前我國工程實(shí)踐中多采用起動流速方式。泥沙起動復(fù)雜性：與水流條件、沙粒性質(zhì)、泥沙組成等。83. 泥沙的起動一、無粘性均勻沙的起動幾個概念的說明：底U*反映了水流的紊動情況，常用于泥沙研究。910111、起動拖曳力分析希爾茲關(guān)系（曲線）123. 泥沙的起動1

6、、無粘性均勻沙的起動切力c=Re*133. 泥沙的起動1、無粘性均勻沙的起動切力c143. 泥沙的起動1、無粘性均勻沙的起動切力153. 泥沙的起動1、無粘性均勻沙的起動切力c163. 泥沙的起動1、無粘性均勻沙的起動切力c172、起動流速1819D0.2mm,各公式差別較大。20213. 泥沙的起動二、泥沙起動的有關(guān)問題：1、泥沙起動的隨機(jī)現(xiàn)象？2、判別標(biāo)準(zhǔn)推移質(zhì)運(yùn)動的四個階段（克雷默）？(1) 無泥沙運(yùn)動：床面全部靜止；(2) 輕微泥沙運(yùn)動：少數(shù)泥沙處于運(yùn)動狀態(tài)；(3) 中等強(qiáng)度泥沙運(yùn)動：各處均有泥沙在運(yùn)動；(4) 普遍的泥沙運(yùn)動：各種大小泥沙均運(yùn)動，床面外形劇烈改變。3、泥沙的止動和揚(yáng)動

7、223. 泥沙的起動算例解答：在已知,d和的泥沙，問此時比降為J，水深為h的河底，泥沙是否可以啟動？ccc=2324253.3 沙波運(yùn)動沙波運(yùn)動：泥沙顆粒在床面的集體運(yùn)動。沙波：推移質(zhì)泥沙運(yùn)動達(dá)到一定程度時，河床表面出現(xiàn)起伏不平但又比較規(guī)則的波狀起伏。對河道水流結(jié)構(gòu)、河道阻力、泥沙運(yùn)動和河床演變均有重要作用。迎水面背水面沙波的縱剖面圖26帶狀沙波：波峰線基本平行并與流線垂直，或略顯斜交；斷續(xù)蛇曲狀沙波：波峰線不規(guī)則，時斷時續(xù)，大致與流線垂直；新月形沙波：波高與波長基本相等，波峰線形如上弦月；舌狀沙波：波峰線形如下弦月；3.3 沙波運(yùn)動27一、沙波形態(tài)和運(yùn)動特性（1）幾何特性；（2）水流運(yùn)動特性

8、；（3）阻力；（4）水流紊動；（5）泥沙運(yùn)動迎水面加速區(qū)，沖刷區(qū)背水面是減速區(qū)，淤積區(qū)，床沙的分選：“上細(xì)下粗”產(chǎn)生沙波運(yùn)動，向下游推進(jìn)沙波對沙波中粗泥沙運(yùn)動的間歇性3.3 沙波運(yùn)動迎水面背水面沙波的縱剖面圖28沙波運(yùn)動教學(xué)實(shí)驗(yàn)29二、沙波的產(chǎn)生和消亡的幾個階段靜平整、沙紋、沙壟、過渡、動平整、沙浪、急灘與深潭。303.3 沙波運(yùn)動二、沙波的產(chǎn)生和消亡的幾個階段靜平整：流速小于起動流速，泥沙不動，床面平整。沙紋：流速增大，沙粒聚集最后連接成形狀規(guī)則的沙紋。縱剖面不對稱，迎水面長而平，背水面短而陡，一般波高在0.52.0cm，波長11.5cm。31323.3 沙波運(yùn)動二、沙波的產(chǎn)生和消亡的幾個階

9、段沙壟：受河流幾何形態(tài)和尺寸的影響，波高從1m到23m，波長從幾米到100m 不等。333.3 沙波運(yùn)動二、沙波的產(chǎn)生和消亡的幾個階段過渡：動平整：紗壟發(fā)展到一定程度紗壟趨于衰 微流速增大床面恢復(fù)平 整波長漸大波高漸小343.3 沙波運(yùn)動二、沙波的產(chǎn)生和消亡的幾個階段沙浪：流速繼續(xù)增大，弗勞德數(shù)Fr1，床面再一次出現(xiàn)起伏，稱沙浪。特點(diǎn)：沙浪起伏對稱，流線基本與河床平行，波峰后水流不分離，泥沙運(yùn)動強(qiáng)度大，成層運(yùn)動。順行沙浪：沙浪運(yùn)動方向和水流方向一致。逆行沙浪：沙浪運(yùn)動方向和水流方向相反。黃河下游經(jīng)常出現(xiàn)這種逆行沙浪。例如，土城子河段在中水位以上時，全河寬500600m 內(nèi)都會此起彼落地出現(xiàn)沙浪

10、，黃河上叫做“淦”。淦常表現(xiàn)為一連串的波浪，波浪的數(shù)目多在620個，浪高多在13m，波長約在15m左右。淦多為突發(fā)性的，常發(fā)生在落水階段。經(jīng)過十幾分鐘的演化，徐徐消失。353.3 沙波運(yùn)動二、沙波的產(chǎn)生和消亡的幾個階段急灘與深潭： Fr1急 灘(急 流)深 潭(緩 流)流速增大水 躍強(qiáng)烈沖刷嚴(yán)重淤積常見于山區(qū)性河流急灘深潭363.3 沙波運(yùn)動二、沙波的產(chǎn)生和消亡的幾個階段小結(jié)：可分為2個明顯階段沙紋與沙壟恢復(fù)平整或遺留沙壟痕跡沙 浪階段1過渡階段一般河流常見常見沙紋與沙壟，沙浪、急灘與深潭較少見天然河流中各種平面形態(tài)并存，并各自經(jīng)歷不同的發(fā)展過程特定條件下，有的發(fā)展階段不一定出現(xiàn)急灘深潭階段2

11、373.3 沙波運(yùn)動三、研究意義沙波是沖積河流阻力的主要組成部分之一沙波的發(fā)展有時會引起HQ關(guān)系異常根據(jù)沙波形態(tài)和運(yùn)動速度計(jì)算推移質(zhì)輸沙率阻力小，流速大，水深小深潭HQ逆時針順套曲線阻力大，通過同級別流量需要的水深增加38四 床面形態(tài)判別和特性研究決定沙波運(yùn)動的無量綱數(shù)首推shields數(shù)=沙紋的形成和發(fā)展與沙粒雷諾數(shù)有關(guān)；沙壟發(fā)展與沙粒雷諾數(shù)和H/D有關(guān)。一 沙波運(yùn)動的判別準(zhǔn)則低水流能態(tài)區(qū)的判別（靜平整-沙紋-沙壟區(qū)）39高水流能態(tài)區(qū)的判別：沙壟-平整-逆行沙壟403.4 沖積河流的阻力研究意義： 沖積河流阻力決定了河道泄流能力與輸沙能力，反映了水流對河床作用力的大小，是河流動力學(xué)中的一個重

12、要問題。413.4 沖積河流的阻力沙粒阻力沙波阻力河岸及灘面阻力河槽形態(tài)阻力人工建筑物外加阻力床面阻力，屬于動床阻力一、天然河流的阻力423.4 沖積河流的阻力二、阻力單元的劃分433.4 沖積河流的阻力二、阻力單元的劃分(床面阻力與河岸阻力劃分)443.4 沖積河流的阻力二、阻力單元的劃分(床面阻力與河岸阻力劃分)45例題實(shí)驗(yàn)室玻璃水槽，B=0.8m，Q=136升/秒，均勻流水深H=20m，J=0.0036,槽底鋪沙，求床面糙率?463.4 沖積河流的阻力二、阻力單元的劃分(沙粒阻力與沙波阻力劃分)473.4 沖積河流的阻力二、阻力單元的劃分(床面阻力與河岸阻力劃分)483.4 沖積河流的阻

13、力二、阻力單元的劃分(沙粒阻力與沙波阻力劃分)493.4 沖積河流的阻力三、動床阻力的計(jì)算503.4 沖積河流的阻力三、動床阻力的計(jì)算513.4 沖積河流的阻力三、動床阻力的計(jì)算2、沙波阻力的計(jì)算 523.4 沖積河流的阻力三、動床阻力的計(jì)算x(注：x查圖教材p28圖2-3可得)Ks53例題某河流床沙組成D35=0.0006m, D65=0.001m， Q=149m3/s，比降J=0.0004,水力半徑與過水面積關(guān)系:R(m) 0 0.58 0.92 1.13 1.25 1.33A(m2) 0 50.0 100 150 200 250忽略岸壁影響，用Eeinstein方法確定Rb?545556575859603.5 推移質(zhì)輸沙率推移質(zhì)輸沙率Gb：一定的水沙條件下，河道處于沖淤平衡時，單位時間通過斷面的推移質(zhì)數(shù)量。單位:kg/s。單寬輸沙率gb ：推移質(zhì)輸沙率通常習(xí)慣用單位寬度的數(shù)量來表示，單位:kg/(m.s)一定的水沙條件下，河流只能輸送一定的推移質(zhì)，上游來沙如果超過本河段Gb就可能會淤積；反之則沖刷。 對推移質(zhì)的定量研究方法：采樣法(代表性不好)、公式