推移质运动

同济大学水利工程系河流动力学第二章推移质运动泥沙的运动形式本章内容1泥沙的起动2沙波运动3冲积河流的阻力4推移质输沙率5一泥沙的运动形式一、泥沙的运动形式泥沙颗粒按其运动形式的不同，可以分为接触质、跃移质、层移质及悬移质。推移质（底沙）：沿河床表面以滑动、滚动、跳跃方式运动的泥沙。悬移质（悬沙）：悬浮在水中，基本上随水流以相同速度运动的泥沙。推移质悬移质接触质跃移质层移质一、泥沙的运动形式推移质运动：接触质Ø滚动或滑动的泥沙Ø在运动中始终保持与床面接触跃移质Ø在床面附近Ø以跳跃形式前进的泥沙层移质Ø河床表层以下的泥沙Ø将成层移动或滚动悬移质运动：Ø悬浮于水中Ø并在水流方向与水流以同样速度前进的泥沙一、泥沙的运动形式运动形式随水流条件的变化情况（2）跃移质：流速增大,若滚动泥沙处在上举力突然增大处,会跳跃起来进入流速较大的水流区,挟带一定距离后，在重力和向下漩涡的作用下重新回到床面。这是推移质运动的主要形式。（3）层移质：流速达到一定限度，河床表面泥沙作剪切运动，泥沙成层的移动或滚动。（4）悬移质：流速超过一定数值，紊动强度加强，水流中充满了大小不同的漩涡，漩涡尺寸大于粒径，向上分速大于沉速，此时，跳跃中的泥沙会进入主流区随水流同速前进。水流强度增大（1）接触质：流速较大但不太大，泥沙发生运动，主要形式为滑动和滚动，始终与床面保持接触，为数不多。推移质一、泥沙的运动形式推移质与悬移质的区分（1）运动是否连续推移质——间歇性悬移质——连续性（2）数量推移质远小于悬移质（只占5%～10%）（3）河床形态变化推移质——直接作用悬移质——通过交换发生作用一、泥沙的运动形式推移质与悬移质间的相对性推移质和悬移质不能绝对分开，之间存在交换（1）同一水流中：相互转化泥沙分布具有连续性，悬沙中较粗的颗粒与推移质中较细的颗粒交错，悬沙时而滚动，底沙也时而悬浮。（2）同一泥沙组成：表现不同水流较强时：悬移质→推移质水流较弱时：推移质→悬移质（3）运动泥沙与静止泥沙发生交换悬沙→底沙→床沙→底沙→悬沙一、泥沙的运动形式悬移区床面层河床（悬移质）（接触质及跃移质）（床沙）当存在层移运动时，在床面层与河床之间又要通过层移区作为过渡：悬移区床面层层移区河床（悬移质）（接触质及跃移质）（层移区）（床沙）推移质与悬移质间的转换过程一、泥沙的运动形式推移质与悬移质的差别（1）运动规律不同推移质：运动取决于泥沙跳离床面时的受力情况悬移质：运动不仅取决于泥沙跳离床面时的受力情况，还受悬浮作用的影响（2）能量来源不同推移质：直接消耗水流的机械能悬移质：仅消耗水流的紊动动能（转化为热能）（3）对河床作用不同推移质：增加了河床表面的压力，加大了河床稳定性悬移质：增加了水流的单位容重，加大了水体的静水压力一、二、泥沙的起动二、泥沙的起动1.研究历史时间人物事件1753布朗姆斯(A.Brahms)提出泥沙的起动流速UC与泥沙重量的1/6次方成正比，与当代对泥沙启动条件的认识一致1914福煦海默尔(P.Forchheimer)系统讨论了泥沙级配、分选和粗化等对起动流速UC的影响1936希尔兹(Shields)通过量纲分析提出希尔兹起动曲线，至今广泛为人们引用1950~1960莱恩(Lain)将起动拖曳力的概念应用到渠道设计中，使稳定渠道的设计建立在更为可靠的理论基础上1970-今沙玉清等许多学者对均匀沙、非均匀沙、粘土等的起动进行了大量的研究二、泥沙的起动2.泥沙的起动条件泥沙起动：河床表面上静止的泥沙颗粒，随着水流的增强，到一定条件时开始运动的现象起动条件：河床表面上的泥沙颗粒由静止状态转化为运动状态时的临界水流条件起动条件一般用三种方法（参数）表示：Ø起动流速Ø起动切应力（起动拖曳力）Ø起动功率二、泥沙的起动3.泥沙起动的随机性Ø泥沙颗粒本身大小、形状、方位、排列均有随机性Ø水流本身具有脉动，脉动本身就是随机的Ø受力情况的随机性：受其它颗粒掩盖的随机性Ø泥沙组成的非均匀性：无明显的临界粒径二、泥沙的起动4.泥沙起动的判别标准泥沙起动的随机性使得起动条件难以确定，目前还没有一致的起动标准。Ø克雷默定性标准Ø亚林颗粒数标准Ø窦国仁概率标准Ø输沙率标准二、泥沙的起动克雷默定性标准克雷默曾把推移质运动分为四个阶段：阶段泥沙状态无泥沙运动床面沙粒完全静止轻微的泥沙运动个别可数的细颗粒泥沙运动中等强度的泥沙运动床面各处均有中等大小以下的泥沙在运动普遍的泥沙运动各种大小的沙粒均已运动，床面外形急剧改变缺点：定性不定量，不同的人，甚至是同一人在不同的情况下，判断的结果差异较大二、泥沙的起动亚林颗粒数标准：sDAtm5式中，m为t时间内从床面面积A内冲刷外移的沙粒颗数缺点：（1）颗粒数m难以得到（2）作为一个标准，ε应为一常数，但当粒径变化时，如D2=10D1，则需很大的观察面积A或观察时间t方能保证ε为常数二、泥沙的起动窦国仁概率标准：10000020000030000032.110.0013521.740.027711.370.159cccuccccuccccucPPuuuuPPuuuuPPuuuu①个别起动：②少量起动：③大量起动：00000.37ccucuuPu，,底流速时均起动流速起动概率,均方差缺点：需要知道起动底流速二、泥沙的起动输沙率标准：314cm/(m.min)0.02bbssggDgD＝美国试验站曾规定：Taylor提出：无因次输沙率二、泥沙的起动5.无粘性均匀沙起动流速公式前提条件：（1）泥沙粒径是均匀的（2）颗粒之间没有粘结力（3）滚动模式启动推导思路：（1）分析受力条件，分析起动形式（2）写出各力的表达式，列出平衡方程（3）推导出泥沙起动的结构公式（4）通过试验确定公式中的参数（5）得到计算泥沙起动流速公式二、泥沙的起动泥沙受力分析：使泥沙颗粒运动的力：水流推移力FD水流的上举力FL抗拒运动的力：泥沙的有效重力W′水面水流0uDFLFWODK1DK2DK3二、泥沙的起动泥沙颗粒受力计算：（1）有效重力W′333球体：6非球体：ssWDWD其中，表示沙粒的体积系数。二、泥沙的起动泥沙颗粒受力计算：（2）拖曳力FD2201220242DDDDuFCDguFCDg球体非球体：：其中，表示垂直于水流方向的面积系数。二、泥沙的起动泥沙颗粒受力计算：（3）上举力FL其中，表示铅直方向的面积系数，CL表示上举力系数。2222020224LLLLuFCDguFaCDg球体：非球体：顶部流→压力小⇒⇒→向上速大底部流的压力差压大速小上举力力二、泥沙的起动公式推导（起动底流速uoc）：3332022220211)(22DDaKgUDaDCKgUDaDCKSLDDaKgUaCKgUaCKSLD)(223320222011二、泥沙的起动公式推导（起动底流速uoc）：)()(222113320aCKaCKgDaKULDSgDaCKaCKaKUUSLDC221133002因为底流速uoc不易测定，故常用垂线平均流速Uc替代底流速作为起动流速。二、泥沙的起动公式推导（垂线平均流速Uc）：采用指数流速分布公式推导mhyhyUUUy—垂线上某点（y点）的速度（时均值）y—该点离开床面的距离Uh—y=h处即水流表面流速h—水深m—指数(通常取1/7-1/6)二、泥沙的起动公式推导（垂线平均流速Uc）：则垂线平均流速为：mUdyhyUhUhmhh110将Uh=（1+m）U代入得：myhyUmU)1（二、泥沙的起动公式推导（垂线平均流速Uc）：如取yoc=aD处的流速作为作用在沙粒上流速的平均值，有则有mmhDUamU)1(0mSCDhgDU不同的η和m→不同的Uc公式二、泥沙的起动各家Uc公式：⑴沙莫夫公式（η＝1.144，m＝1/6）1/61/31/61/31/61.1441.654.660.2mmscscchUgDDDhDUUDh=天然沙：少量起动;大量起动⑵冈恰洛夫公式（采用对数流速分布公式导出）958.81.00.08~1.5mlgm7schUDgDD这类公式较多，对无粘性均匀沙研究较多，也较成熟。虽然还存在不同形式的计算公式，但计算结果相差不大，精度也较高。共同点UC=f(D,h)二、泥沙的起动希尔兹曲线及其修正现象：当泥沙粒径小到一定程度后，细颗粒泥沙也难以起动猜想：在床面附近存在着一层很薄的边界层流层，当泥沙颗粒很细时有可能部分或全部浸没在边界层流层内，从而使得泥沙颗粒受到边界流层的隐蔽作用，使起动变得困难。根据这一设想，就产生了另一类型的起动公式，其代表就是希尔兹起动切力（拖曳力）公式。二、泥沙的起动二、泥沙的起动希尔兹曲线的特点**min***0.030.122210ecseceecRDDDUDDRRRo近壁流层→最易起动近壁流层，泥沙受近壁层隐蔽→不易起动近壁流层，沙粒无近壁层隐蔽，但逐渐增重→不易起动:1马鞍型曲线中间低，两边高时，Shileds假想曲线:减小:增加成45角直线斜率:=-1：，＜=**0.120.0310006escRU时，水平线起动与粒径无关为常数=，表明起动切应力与粒径成正比0.04错误0.3*RecC二、泥沙的起动6.粘性泥沙起动流速公式粘性沙受力特点：（1）除了受水下重力、拖曳力和上举力以外，还受粘结力作用（2）粘结力：因细颗粒泥沙的双电层结构，存在束缚水引起。二、泥沙的起动推导思路：采用滚动模式的力矩平衡推导K1DFD+K2DFL=K3DW+K4DN1+K5DN2考虑颗粒间粘结力推得的起动流速公式：二、泥沙的起动二、泥沙的起动一般认为当D1.0㎜时，可以只考虑重力作用，忽略粘结力；当D0.01㎜时，可以只考虑粘结力作用，忽略重力；当0.01≦D≦1.0㎜时,两种力都要考虑。三、沙波运动三、沙波运动沙波运动：在水流作用下，推移质泥沙作群体运动达到一定程度后，河床表面就形成波状起伏的堆积形状，这种形状就叫沙波。沙波运动是推移质的集体运动形式，是推移质运动的一种主要形态。主要内容：（1）沙波形态和运动状态（2）沙波的产生和消亡三、沙波运动1.沙波的纵剖面迎水面：较平坦背水面：较陡，略大于水下休止角波峰：隆起处波谷：凹入处波长：相邻两波峰或波谷间的距离，λ波高：波峰与波谷间的垂直距离，Δ三、沙波运动2.沙波的平面形态大致可分为四类（与水流强度密切相关）：（1）带状，顺直，波峰线基本相互平行，与水流垂直（沙波形成初期常见）（2）断续蛇曲状，波峰线呈不规则曲线，时断时续，大致与流向垂直（天然河道常见）（3）新月状沙波，波峰线凹向上游，如上弦月（4）舌状沙波，与新月状沙波类似，但波峰线向下游，如下弦月(天然河道常见)顺直弯曲舌状新月形水流强度加大三、沙波运动三、沙波运动3.水流结构（1）水流速度沿程分布不均，迎水面逐渐增加，背水面逐渐减小，U峰＝max，U谷＝min（2）水流越过波峰后发生分离现象，而形成漩涡成为回流区（3）漩涡上下端出现两滞流点(A1、A2),即U＝0（流速转向）（4）A1与A2之间的沙波表面的流速为负值（反流向）三、沙波运动4.泥沙运动（1）水流速度大的地方泥沙运动快，水流速度小的地方泥沙运动慢（2）沙波的迎水面上的泥沙向下游运行的（3）沙波的迎水面不断冲刷，在背水面不断地淤积（3）沙波缓慢地向下游移动，而沙波的形态大致维持不变（4）沙波的推进速度远小于水流速度三、沙波运动5.泥沙颗粒在沙波上运动的两个基本特性（1）水选作用从上游沿着迎水面带来的泥沙进入回流区后，由于漩涡作用，粗颗粒泥沙堆积在谷底，细颗粒泥沙在负流速作用下淤积在背水