高含沙水流2012課件

第九章

高含沙水流運(yùn)動(dòng)靜止床面泥沙起動(dòng)推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)推移質(zhì)、懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)推、懸運(yùn)動(dòng)推、懸、中性懸浮質(zhì)運(yùn)動(dòng)推、懸運(yùn)動(dòng)，紊動(dòng)減弱推、懸運(yùn)動(dòng)，中性懸浮質(zhì)運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，紊動(dòng)減弱層移質(zhì)的層流流態(tài)層移質(zhì)、中性懸浮質(zhì)的層流流態(tài)中性懸浮質(zhì)運(yùn)動(dòng)水石流粘性泥石流高含沙水流（偽一相流）兩相流一相流1234567錢寧所描繪的泥沙運(yùn)動(dòng)發(fā)展模式（1）錢寧所描繪的泥沙運(yùn)動(dòng)發(fā)展模式（2）推移質(zhì)、懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)推、懸運(yùn)動(dòng)推、懸、中性懸浮質(zhì)運(yùn)動(dòng)454—>5階段取決于流域中小于0.01mm的細(xì)粉沙及粘土的補(bǔ)給，如果含量較多，則向B方向發(fā)展，將出現(xiàn)中性懸浮質(zhì)運(yùn)動(dòng)中性懸浮質(zhì)：由于粘性顆粒形成一定的結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)力，支持一定重量的泥沙懸浮而在水體中不沉降，這部分泥沙稱為中性懸浮質(zhì)。AB推、懸運(yùn)動(dòng)，紊動(dòng)減弱層移質(zhì)的層流流態(tài)層移質(zhì)、中性懸浮質(zhì)的層流流態(tài)中性懸浮質(zhì)運(yùn)動(dòng)676—>7階段，推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步加強(qiáng)，使得河床表面泥沙不再以跳躍滾動(dòng)為主，而是以成層剝離為主，形成層移質(zhì)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，因?yàn)閼乙瀑|(zhì)運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，而其能量來源為水流的紊動(dòng)動(dòng)能，因此紊動(dòng)動(dòng)能逐漸減弱，反過來又遏制了懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)最終使懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)消亡。推、懸運(yùn)動(dòng)，中性懸浮質(zhì)運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，紊動(dòng)減弱錢寧所描繪的泥沙運(yùn)動(dòng)發(fā)展模式（3）層移質(zhì)的層流流態(tài)層移質(zhì)、中性懸浮質(zhì)的層流流態(tài)中性懸浮質(zhì)運(yùn)動(dòng)7階段7，懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)已經(jīng)消亡。分為兩種情況：1.細(xì)顆粒泥沙極多，流體已呈現(xiàn)非牛頓流體狀態(tài)，全部泥沙轉(zhuǎn)化為中性懸浮質(zhì)，和水組成均勻液體，流體屬于偽一相流2.細(xì)顆粒并不很多時(shí)，水流中較細(xì)的顆粒轉(zhuǎn)化為中性懸浮質(zhì)，較粗的泥沙顆粒繼續(xù)以層移質(zhì)形式運(yùn)動(dòng)。由于層移質(zhì)從水流勢能中獲取能量，因此，只有在比較陡的坡降下才會出現(xiàn)，形成粘性泥石流3.流域中可補(bǔ)給的細(xì)顆粒泥沙極少時(shí)，粗顆粒泥沙基本不能形成非牛頓流體，全部泥沙轉(zhuǎn)化為層移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，形成高濃度的水石流，由于液相中缺乏細(xì)顆粒泥沙來有效降低沉速，因此水石流要求的比降比泥石流高得多錢寧所描繪的泥沙運(yùn)動(dòng)發(fā)展模式（4）高含沙水流的特點(diǎn)：高含沙水流必須有一定的細(xì)粉沙和粘土為骨架，來自沙漠區(qū)的河流不可能形成高含沙水流泥沙含量增大后，泥沙沉速大幅降低，在高含沙水流中，礫石和粗沙可能以懸浮的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，含沙量越高，水流中挾帶的泥沙越粗一般高含沙水流為紊流型兩相流，水和中性懸浮質(zhì)組成的漿液構(gòu)成液相，而推移質(zhì)和懸移質(zhì)組成固相第一節(jié)高含沙水流的基本特性一、流變特性及流變參數(shù)的確定流變特性:牛頓流體：清水、低含沙水流冪律流體：紙漿、面粉團(tuán)屈服偽塑性流體賓漢流體：泥漿、血漿第一節(jié)高含沙水流的基本特性流變方程:表觀粘度的表達(dá)式：(一)流變特性牛頓流體：賓漢流體：冪率流體：屈服偽塑性體：粒徑小于0.01mm的粘性細(xì)顆粒含量粘性細(xì)顆粒電化學(xué)作用絮凝絮網(wǎng)粘性增加絮網(wǎng)的破壞和生成達(dá)到平衡賓漢流體的生成發(fā)展過程達(dá)到賓漢極限剪切力流體運(yùn)動(dòng)(二)流變特性的機(jī)理及其影響因素介質(zhì)化學(xué)性質(zhì)，固體顆粒條件對剛性系數(shù)的修正：假設(shè)：泥沙顆粒為剛性球體，粒間距較大，顆粒對周圍介質(zhì)流動(dòng)的影響范圍互不干擾因此適用于含沙量較低的情況運(yùn)用了黃河鄭州段以及官廳水庫的8種泥沙進(jìn)行試驗(yàn)研究(三)流變參數(shù)的確定愛因斯坦公式（1）錢寧、馬惠民公式（2）考慮了薄膜水和絮網(wǎng)間的封閉自由水的影響考慮了薄膜水和絮網(wǎng)間的封閉自由水的影響，并分析了黃河干支流的54組泥沙沙樣試驗(yàn)結(jié)果對剛性系數(shù)的修正：禇君達(dá)公式（3）費(fèi)祥俊公式（4）賓漢極限剪切力的修正：費(fèi)祥俊公式：其中：二、沉降特性及沉降速度群體沉速(一)粗顆粒均勻沙群體沉速二、沉降特性及沉降速度群體沉速當(dāng)沉降處于紊流區(qū)時(shí)，m=1.4；過渡區(qū)時(shí)，m=1.4~3.5褚君達(dá)公式：理查森及扎基：m隨Red變化關(guān)系，見表9-1.(二)含較多細(xì)顆粒非均勻沙群體沉速絮凝和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)群體沉速錢寧、萬兆惠第1區(qū)，離散顆粒與離散絮團(tuán)制約沉降區(qū)。第2區(qū)，離散顆粒在絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)體中沉降區(qū)。第3區(qū)，絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)體整體緩慢沉降區(qū)。含有細(xì)顆粒的高含沙水流中泥沙的沉降分區(qū)第1區(qū)第2區(qū)第3區(qū)0.05mm三、流動(dòng)特性（一）流態(tài)“高強(qiáng)度紊流”比降大，流速高，雷諾數(shù)大，水流急，紊動(dòng)充分發(fā)展【流態(tài)及流區(qū)】“復(fù)雜結(jié)構(gòu)流”縱向流速和紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂線的分布：流核區(qū)：非流核區(qū)：流速與紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂線分布高含沙水流的分區(qū)阻力系數(shù)及有效雷諾數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分區(qū)：“層流流區(qū)，紊流光滑區(qū)，過渡區(qū)，紊流粗糙區(qū)”（二）分區(qū)紊動(dòng)流變參數(shù)的影響絮網(wǎng)的結(jié)構(gòu)的影響賓漢剪切力減小破壞絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)層流流區(qū)，紊流光滑區(qū)，過渡區(qū),紊流粗糙區(qū)”（二）紊流區(qū)流速分布王明甫：高含沙賓漢體紊流：高含沙二維恒定均勻明流的流速分布公式流核區(qū)：非流核區(qū)：非流核區(qū)：流核區(qū)：（三）紊動(dòng)特性（1）紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂線的分布（2）紊動(dòng)頻率及紊速的概率密度分布高斯正態(tài)分布流核區(qū)紊動(dòng)強(qiáng)度近似為零；非流核區(qū)存在明顯紊動(dòng)；（四）阻力特性影響因素為：水流的粘度、紊動(dòng)程度及河床邊界條件第二節(jié)高含沙水流的泥沙運(yùn)動(dòng)及河床演變特點(diǎn)一泥沙運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及機(jī)理高含沙挾沙水流運(yùn)動(dòng)水流紊動(dòng)擴(kuò)散泥沙重力泥沙顆粒間的斥力絮網(wǎng)減小重力高強(qiáng)度紊流復(fù)雜結(jié)構(gòu)流高含沙挾沙水流含沙量垂線分布高含沙挾沙水流含沙量分布公式:求微分方程含沙量分布公式：其中：賓漢流體摩阻流速；相對非流核區(qū)厚度；泥沙擴(kuò)散修正系數(shù)；高含沙水流挾沙能力懸浮功與勢能的關(guān)系【高含沙挾沙水流挾沙能力強(qiáng)的原因？】含沙量高含沙紊流高含沙復(fù)雜結(jié)構(gòu)流”漿河“二、高含沙水流的河床演變特點(diǎn)？（一）高含沙水流的河床演變一般規(guī)律（1）在一定條件下可以保持很高挾沙能力，進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送而不淤積。節(jié)省輸沙水量。長距離輸運(yùn)泥沙，并在合適位置放淤。高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用【舉例】：節(jié)省輸沙水量目前，河道防洪減淤措施主要是利用干流水庫調(diào)節(jié)加大出庫流量，提高河道輸沙能力以排沙入海的方案。在河流水量(尤其是汛期水量)日益減少的情況下,將有限的水資源用于排沙入海(據(jù)統(tǒng)計(jì)用于排沙入海的水量年均在200億立米左右)并不是泥沙處理的上策70年代后，有研究者提出利用高含沙水流輸沙減淤的方式，

因?yàn)檩斏澈乃颗c含沙量大小有關(guān)：節(jié)省輸沙水量高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用【舉例】：按照上式：例如：當(dāng)含沙量S=30～50kg/m3

時(shí),每噸泥沙輸沙用水q=87.3～52.0m3/t,當(dāng)含沙量提高到S=300～500kg/m3

的高含沙水流輸沙,

q=7.83～4.30m3/t可見應(yīng)用高含沙水流輸沙可大大節(jié)約輸沙用水【小浪底調(diào)水調(diào)沙】【小浪底調(diào)水調(diào)沙】我國西北地區(qū)引黃灌溉渠道中常常出現(xiàn)高含沙量水流在定常流量下長距離輸送而不發(fā)生淤積長距離輸運(yùn)泥沙1969年引洛灌區(qū)中干渠輸送含沙量為848kg/m3的高含沙渾水，引送距離40km,歷時(shí)22.5小時(shí)，渠底坡度i=1/2000～1/2500;1976年引洛灌區(qū)中干渠，以含沙量716kg/m3

的渾水，輸送到50km以外的灘地放淤，也未發(fā)現(xiàn)泥沙淤積；1974年寶雞峽引渭干渠的高含沙輸送例子,灌渠底坡僅為i=1/4000～1/5000,設(shè)計(jì)流量Q=20～30m3/s,可將含沙量400～500kg/m3

的高含沙渾水輸送到100km以外。高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用在天然河道中，也常發(fā)生類似現(xiàn)象：長距離輸運(yùn)泥沙如1977年8月7～10日,渭河下游Q=1300m3/s,水深為3～4m,水面比降J=0.05‰,最大含沙量達(dá)S=800kg/m3,流經(jīng)距離約100km,河道含沙量過程無明顯變化;高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用高含沙水流在什么條件下能實(shí)現(xiàn)長距離輸送？兩種見解：高含沙水流均屬偽一相流及具有非牛頓體的特性,高含沙水流具有較高的賓漢極限剪切力,足以支持泥沙顆粒不沉而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送高含沙水流形成的窄深斷面是輸送高含沙水流的重要條件高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用高含沙水流在什么條件下能實(shí)現(xiàn)長距離輸送？觀點(diǎn)1：高含沙水流均屬偽一相流及具有非牛頓體的特性,高含沙水流具有較高的賓漢極限剪切力,足以支持泥沙顆粒不沉而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送這一觀點(diǎn)本身正確，但：

黃河中游侵蝕區(qū)產(chǎn)生的泥沙大多屬于粗沙，即大于0.05mm粒徑的泥沙占有相當(dāng)大的比重，因此，多數(shù)情況下并不能形成偽一相流，而是非均質(zhì)兩相流，因此出現(xiàn)層流型高含沙水流的情況并不多，多數(shù)為紊流型高含沙水流高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用觀點(diǎn)2：高含沙水流形成的窄深斷面是輸送高含沙水流的重要條件該觀點(diǎn)與黃河高含沙水流實(shí)際情況接近，但需要從三個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)考察高含沙水流輸沙的不淤流速高含沙水流長距離輸送的最小坡降水流斷面形態(tài)對高含沙水流輸送的影響高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用高含沙水流在什么條件下能實(shí)現(xiàn)長距離輸送？高含沙水流輸沙的不淤流速問題前邊提到，對于細(xì)沙和粘粒組成的高含沙水流，不存在挾沙力問題，但對于具有一定量粗顆粒泥沙的高含沙水流，粗顆?？赡墚a(chǎn)生落淤，因此存在不淤流速的問題高含沙水流下的不淤流速，或者說挾沙力問題，與一般含沙水流相比主要突出含沙量的影響高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用含沙量增大細(xì)顆粒及粘粒占優(yōu)的情形粘性增大的效果大于抑制紊動(dòng)的效果基本不產(chǎn)生回淤情況較粗顆粒占一定比例的情形抑制紊動(dòng)的效果大于粘性增大的效果要求更小的粒徑或沉速，或者說，更大的不淤流速高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用高含沙水流輸沙的不淤流速問題清華大學(xué)費(fèi)祥俊等根據(jù)大渠道以及天然河道數(shù)據(jù)，得出如下公式：不淤流速計(jì)算值與實(shí)測值比較高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用高含沙水流輸沙的不淤流速問題天然河道中不淤流速與含沙量關(guān)系由于上述原因,河流中含沙量愈高,泥沙淤積也愈嚴(yán)重,實(shí)際資料也表明黃河下游淤積主要是高含沙洪水條件下造成的。據(jù)統(tǒng)計(jì)1969～1989年黃河下游16次高含沙洪水所淤積的泥沙占同期下游總淤積量的82%。含沙量方面：高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用高含沙水流輸沙的不淤流速問題泥沙粒徑方面：懸沙組成粗細(xì)是影響不淤流速的重要因素高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用高含沙水流輸沙的不淤流速問題上面提到西北地區(qū)灌渠及渭河下游長距離輸沙不淤的實(shí)例,其重要原因是這些灌渠及河道的懸沙粒徑細(xì),遠(yuǎn)細(xì)于相同含沙量下黃河下游的懸沙粒徑。就渭河來說,S=200,400,800kg/m3

時(shí)的懸沙上限粒徑分別為d90=0.06,0.09及0.13mm,因而不淤流速也相應(yīng)減少泥沙粒徑方面：高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用高含沙水流輸沙的不淤流速問題高含沙水流長距離輸送的最小坡降問題為維持高含沙水流輸送的不淤流速,克服含沙水流的運(yùn)動(dòng)阻力,必須要有一定的水力坡降。對于非均質(zhì)兩相流,輸送水力坡降有兩部分組成,即懸移泥沙的渾水阻力坡度Je

及一少部分泥沙作推移運(yùn)動(dòng)的附加阻力坡度JS,在一般情況下Je

占的比重遠(yuǎn)大于JS

。高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用在輸沙平衡條件下,水流速度等于不淤流速,前者可寫作將代入上式得到懸移泥沙的渾水阻力坡度：高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用高含沙水流長距離輸送的最小坡降問題而推移部分的附加阻力坡度Js則可以表示為：以上兩部分水力坡降之和,即為高含沙水流長距離輸送所需要的最小坡度渾水阻力坡度高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用高含沙水流長距離輸送的最小坡降問題高含沙水流輸沙的能坡從右圖可以看出：高含沙水流輸沙的最小坡降除與輸沙濃度有關(guān)以外,還和斷面的水力半徑R有關(guān),在一定流量下后者與斷面形態(tài)有密切關(guān)系,斷面愈窄深,在同流量下水力半徑也愈大,有利于減少輸沙能坡高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用高含沙水流長距離輸送的最小坡降問題水流斷面形態(tài)對高含沙水流輸送的影響前面分析表明一定濃度高含沙水流,要求最低的縱坡J

隨著斷面水力半徑增大而減小(如上圖所示）,而一定流量下水力半徑大小與斷面形態(tài)有密切關(guān)系,這就表明水流斷面形態(tài)對于高含沙水流輸送要求的坡降有直接關(guān)系。引入一個(gè)斷面形態(tài)參數(shù)式中p為斷面濕周,表明M值越大斷面形狀越寬淺,如黃河下游游蕩性河段斷面參數(shù)M值遠(yuǎn)大于彎曲性河段的M值,顯然一定斷面的參數(shù)M值還和流量大小有關(guān),由流量連續(xù)原理或高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用點(diǎn)繪Q~Q/M的關(guān)系曲線得：高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用水流斷面形態(tài)對高含沙水流輸送的影響艾山以下黃河縱比降為J=0.1‰,則由右圖可得輸送不同濃度含沙水流不淤要求的水力半徑R,再由此計(jì)算相應(yīng)的不淤流速及需要的輸沙流量Q結(jié)果表明,艾山段河道雖然具有相對窄深式斷面,但因比降太緩,輸送S=200，300,及400kg/m3

高含沙水流需要的流量分別為Q=4730,8800及17500m3/s,超過近年來汛期實(shí)際流量,故艾山以下河道能通過的高含沙水流不過略大于S=200kg/m3河道輸送高含沙水流的能力必須將其斷面形態(tài)與河段縱坡降結(jié)合考慮高含沙水流在高效輸沙中的應(yīng)用水流斷面形態(tài)對高含沙水流輸送的影響（2）“淤灘刷槽，大沖大淤”強(qiáng)烈的淤灘刷槽高含沙水流通過河道阻力增大，水位上漲漫灘—灘地淤積主槽—強(qiáng)烈沖刷高灘深槽——橫斷面窄深多來多排高含沙水流的含沙量越高橫斷面越窄深輸沙能力越強(qiáng)（3）高含沙洪水中的異常特殊現(xiàn)象高含沙水流的特殊現(xiàn)象高含沙水流：含沙量>200kg/m3，實(shí)測最大1650kg/m3；具有“滾波”、“漿河”、“揭河底”等特殊流動(dòng)現(xiàn)象和“大沖大淤”、“多來多排”等輸沙特性高含沙水流經(jīng)常發(fā)展成一系列滾波高含沙水流的基本現(xiàn)象特殊流動(dòng)現(xiàn)象：“揭河底”河床被成塊掀起沖走，河床瞬間沖深10米左右，黃河及其支流特有的現(xiàn)象2002年7月5日龍門站發(fā)生的“揭河底”照片高含沙水流的基本現(xiàn)象特殊流動(dòng)現(xiàn)象：層流流核層流狀態(tài)：只有靠近邊界才有流速梯度，中部為流核，整體勻速運(yùn)動(dòng)野外明渠流核層流有流核湍流無流核水槽流態(tài)實(shí)驗(yàn)：隨流速增大，層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞲吆乘鞯膬煞N極端模式以細(xì)粉砂及粘土等細(xì)顆粒為主的高含沙水流以粗顆粒為主的高含沙水流高含沙水流的兩種極端模式以細(xì)粉砂及粘土等細(xì)顆粒為主的高含沙水流1.非牛頓流體的特征顯著（賓漢體）泥沙顆粒間迅速形成結(jié)構(gòu)，粘性急劇增加，顆粒沉降過程中不再發(fā)生分選，而是作為整體緩慢下沉，較單顆粒小上千倍，水流形成均質(zhì)漿液例如，根據(jù)萬兆惠等的研究，中徑為0.00015mm的沙樣來說，當(dāng)含沙量大于90kg/m3后，即形成均質(zhì)漿液。高含沙水流的兩種極端模式以細(xì)粉砂及粘土等細(xì)顆粒為主的高含沙水流2.通過理論分析及實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)泥沙中最粗粒徑小于下式時(shí)，只要水流有足夠的坡降或壓差，能夠克服邊壁阻力，即可維持運(yùn)動(dòng)，不存在一般意義上的挾沙能力的問題。高含沙水流的兩種極端模式以粗顆粒為主的高含沙水流在含沙量不是很大的情況下，近似保持牛頓流體的性質(zhì)，即使含沙量很高，賓漢極限剪切力的絕對值也不大。粗顆粒泥沙在沉降過程中存在分選，整個(gè)水流屬于二相挾沙水流的范疇。隨著含沙量的增大，紊動(dòng)強(qiáng)度不斷減弱，最后紊流轉(zhuǎn)化為層流，含沙量在垂線的分布變得十分均勻。漿河現(xiàn)象解釋泥沙組成越粗，出現(xiàn)漿河時(shí)的含沙量（即水流所能挾帶的極限含沙量）也越大。從賓漢極限剪切力的角度考慮，泥沙組成中的細(xì)顆粒含量越高，賓漢極限剪切力也越大，在同樣的水流條件下，較低的含沙量即有可能出現(xiàn)漿河現(xiàn)象。高含沙水流對河道及河床演變的影響漿河現(xiàn)象解釋在實(shí)際河流中，當(dāng)含沙量超過某一極限值后，在洪峰忽然降落、流速迅速減小的情況下，有時(shí)水流已不能保持流動(dòng)狀態(tài)，整體停滯不前。例如1963