河流动力学2015 第10章 异重流 20150601讲解

（11）估算异重流出库的排沙量W0=QT0Sn，以及排沙比 s
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引航道内异重流及回流淤积纵剖面图
“盲肠”河段内的淤积特性
引航道内异重流及回流 淤积粒配沿程变化图
“盲肠”河段内的淤积计算： 单位时间内异重流带入“盲 肠”河段的沙量：
Gs ' bh'U ' S'
其中异重流的厚度 h'： h' K1H
异重流的流速 U：'
U' K2
s gHS' s
较一般明渠水流的Fr数小的 多，因此惯性力突出，决定了 其爬高能力，类似于游泳.
异重流翻越障碍物：
异重流的特性： 3.阻力作用相对增强
明渠均匀流流速表征了重力和阻力的对比关 系，而对于异重流有：
U'
8 f'
g'R'J0
8 f'
gR'J0
结论：异重流流速较低，反应了阻力较大； 维持异重流长距离流动需要较大底坡。
2g gh2
其中q’为异重流单宽流量
最终的异重流吸出极限高度为 hL h'
第四节 河渠异重流
“盲肠”河段内的： • 流速分布 • 含沙量分布
船闸引航道
淤积区
淤积分布：
（1）沿程淤积 （2）回流淤积
“盲肠”河段内的淤积特性： 葛洲坝三江引航道
“盲肠”河段内的淤积特性
引航道内异重流及回流淤积纵剖面图
如果洪水来量较大，能持续一定的时间，库底又有足够的坡 度，异重流可能运行到坝前。如果坝体设排沙孔，并能及时开启 ，异重流就能排出库外。
水库异重流现象：
潜入点
浑水
异重流
清水 大 坝
水库异重流：
A断面特征：明渠挟沙水流进入库区，水深较小，流速较大，水面 含沙量和流速都正常分布； B断面特征：由于流速继续降低，含沙量已经集中于底部。 C断面特征：水深继续增加，泥沙形成的异重流已经潜入底部，并 形成清晰的水沙之间的界面。 D断面特征：异重流形成并在清水区形成倒流（横轴漩涡），该漩涡 将携带水面的杂物向上游流动，这是判断异重流形成的重要标志。
异 重 流 前 锋 流 速
河槽含沙量
课程设计内容：
小浪底水库异重流的排沙计算
水库异重流的排沙计算：考虑的因素
（1）首先确定潜入点 （2）异重流到达坝前的时间 （3）洪峰与沙峰持续时间的对比关系 （4）出口断面的含沙量 （5）底孔高程和闸门的设置
水库异重流的排沙计算：
潜入点
浑水
异重流
清水 大 坝
盐水楔异重流
盐水楔
河水（淡水）
海水（高盐度）
近海海底
盐水楔异重流（剖面）
就异重流的位置而言，分三种情况：
1）下异重流：是较重的流体在较轻的流体下面运动。 （浑水异重流和盐水异重流） 2）上异重流：是较轻的流体在较重的流体上面运动。 （温差异重流） 3）中异重流：是在较重与较轻的流体间存在第三种 流体的运动。（天空中云层的运动）
括床面阻力系数及交 界面阻力系数在内的 综合阻力系数。
f f0 f1
阻力系数可以通过试 验得到。
五 异重流的清水分离特性
试验资料表明：
单位面积上分离出的清水流量（流速）： 与含沙量的关系：
第三节 水库异重流
水库在蓄水期，泥沙下沉，此时库水的重度与清水相近。 洪水期，大量携带泥沙的浑水进入水库，较粗的泥沙首先在 库首淤积，较细的泥沙随水流继续前进。由于其重度比库中清水 的大，在一定的条件下，这种浑水可能在某处插入库底，以异重 流的形式向前运动。
水库异重流的排沙计算过程：
（7）在进库泥沙的级配曲线上查出d90所对应的百分 数，求得第二断面的进库平均含沙量。
（8）重复第5~7步，直到坝前断面，此时含沙量即为 出库含沙量。 （9）根据各段长度及流速，分别求得流经各段所需 时间，累加起来得到异重流运行到坝前的时间；加上 潜入时刻即为水库排沙开始时间。 （10）将洪峰的时间算出异重流可能排沙的总时间T0。
第二节 异重流的水力学基本规律
一 异重流的静水压力
异重流中任一点的静水压强为：
p h ' h' y
h
清水
而总压强为
H
P h' h ' h' y dy 0
hh' ' h'2
h’
浑水
2
对于考虑重度沿水深的不均匀性，见课本 P214
第十章 异重流
主要内容
第1节 异重流的现象及特性 第2节 异重流的基本力学规律 第3节 水库异重流 第4节 河渠异重流 第5节 水库异重流排沙
一 个
有 趣 的 现 象
鸡尾酒的特点
密度（容重）存在差异 密度（容重）差别不大
不产生全局性掺混
异重流： （Density current）
两种密度不同的流体因密度差异而产生的相对流动， 并且流动过程中两种流体各自在交界面内流动而不产生 全局性掺混，这种流动成为异重流，又称密度流。
异重流的含沙量：
S' K3S
单位时间内异重流带入“盲肠”河段的沙量：
Gs ' bH 3/ 2S 3/ 2
其中： K1K2K33/ 2
s g s
根据试验资料并结合原型观测资料，可以得到其数值。 影响其值的因素？？
水池
河渠异重流试验布置图
河 道 含 沙 量
引水渠内含沙量
入点位置上移。
水库浑水异重流的潜入点的水深条件：
潜入点c：
U
2 0
g gh0
0.6

h0
1.1863
q2
g g
h0 13.833
q2 gS
6.463
q2 S
影响潜入点的因素？？？
此外，潜入点的水深还与底坡降有关。
水库浑水异重流的持续运动条件：
在一定的水库地形条件下，入库洪水能维持异重流 在水库中继续向前运动的条件。
（1）入库的流量和洪峰的持续时间； （2）一定的含沙量和底坡； （3）一定的库区地形条件（库面较窄，支流较少，沿 程的异重流能量损失小）
异重流孔口出流问题：
潜入点
浑水
异重流
清水 大 坝
孔 口
异重流孔口出流问题：
三种情况：
2
1.交界面低于下限交界面
3
2.交界面高于上限交界面
3.交界面介于上下极限交
小浪底水库异重流的排沙：
我国北方河流上修建的水库，在一定条件下可以形成异 重流，因此可以采用异重流进行排沙，从而减少水库的淤积， 延长水库的使用寿命。
水库异重流的排沙计算过程： （经验法）
根据黑松林水库的实测资料得到的经验公式：
s 3.2Jb0.85
水库异重流的排沙计算过程：（计算法）
（1）根据水库地形特性和入库洪水基本资料，绘制入 库洪峰流量Q入和含沙量过程线以及含沙粒配曲线。
（2）以进库洪峰流量陡涨至流量、含沙量锐减趋稳之 间的时段作为洪峰持续时间T1，计算该时段内平均流 量Q和平均含沙量S。
（3）以洪峰流量陡涨时的流量Q入和含沙量S入作为参 数，根据库水位和回水曲线，利用潜入点公式，选择 不同断面试算潜入点位置，作为计算的起始断面。
0.699 (
q2


g
g
)1/ 3
h

q2
2g gh2
异重流孔口出流问题（2）：
对于二维孔口：
1

3
hL

0.699

q2
'
g
g

对于三维孔口：
1

5
hL

0.68

g
g

异重流附加爬高
h' q'2
当异重流为均匀流时……？
四 异重流的能量方程
f U 2 dhf
8 g gh dx
U dU d (U 2 / 2)
dx
dx
能量方程:
y0
h
U 2
2g g

hf
五 异重流的阻力
U'
8 f'
g'R'J0
8 f'
gR'J0
清水 浑水
阻力系数 f´ 是包
浑水
清水
p浑浑 p清清
成因：容重（密度）差异压力差下潜相对运动
异重流的特性： 1. 重力特性显著减小
' ( ' )g
'g'
g'

' '

g

'
g
g g
g

'

m
0.622S 1000 0.622S
水库异重流现象：
当挟沙水流进入水库壅水段，由于水深增加、流速降低， 水流中的泥沙下断向底部集中。其中较粗的一部分将就地落淤 而形成三角洲淤积；较细的一部分由于沉速较小，还能继续随 水流前进并保持悬浮状态。这部分浑水水流的密度比清水要大， 在条件合适时，可能在水库的一定位置潜入库底，以异重流的 方式向前运动。如果源源不断的挟沙水流携带的大部分是细沙 并达到一定的含沙量，而且库底有足够的底坡，该异重流将一 直达到坝前。
水库异重流现象：
潜入点
异重流
清水 大 坝
水库异重流
异重流排沙
引航道
浑水异重流产生的原因
清浑水密度的差异是产生浑水异重流的根本原因。
设想有一垂直隔板将静水分为两部分，一侧为清水，另一 侧为浑水。由于两者密度不同，对隔板而言，任一点上所受的压 力不等，浑水侧的压力大于清水侧的压力，水深愈大，愈是接近 底部，压力差也愈大，隔板绝对光滑，并垂直向上将其缓缓提出 水面，浑水将从底部潜入清水。这是产生混水异重流的物理实质。
主要内容主要内容密度容重存在差异密度容重差别不大不产生全局性掺混鸡尾酒的特点鸡尾酒的特点两种两种密度丌同的流体的流体因密度差异因密度差异而产生的相对流动而产生的相对流动并且流动过程中两种流体各自并且流动过程中两种流体各自在交界面内流动而而丌产生全局性掺混这种流动成为这种流动成为异重流又称又称密度流
第十章 异重流
水库异重流的排沙计算过程：（计算法）
（4）根据水库地形特征分成若干库段，确定各段长 度，平均坡降，平均宽度和阻力系数，用平均流量计 算各段单宽流量。
（5）以进库含沙量确定浑水容重和异重流有效容重 ，并计算第一断面异重流流速U’。
（6）以求的流速作为第二断面的流速，根据流速与 挟沙粒径之间的关系曲线，确定该流速下所能携带的 泥沙最大粒径。
水库浑水异重流的形成条件：
（1）水库内储存一定的清水； （2）进入水库的浑水具有一定的含沙量，且泥沙颗粒较细； （3）潜入时浑水具有一定的单宽流量。
浑水
清水
水库浑水异重流的潜入条件：
明渠非均匀流运动方程
拐潜点入ddhxK点：CJ0：1ddhxU8fgηhUU2ggg′ 0h2h2 ′ 0<1
异重流的分类：
水库异重流 几种常见的异重流： “盲肠”河段异重流
河口盐水楔异重流 温排水异重流
浑水异重流常见于水库、挖入式河港、盲肠河段等； 温差异重流常见于热电站冷却水引水口； 盐水异重流常见于径流较强、潮汐势力较弱的河口；
浑水异重流（实验室水槽观测）
温差异重流
温差异重流
盐水楔异重流
异重流运动方程
dh' dx

J0
f ' U '2
8 gh'
1

U '2
gh'
dh dx Uk2 1
g ghk
水库浑水异重流的潜入条件：
潜入点c：
U
2 0
g gh0
0.6
潜入点的水流泥沙特性:
(1思)入考库流：量大，潜入点
潜的入位置点下位移置; 随入库流量和 含(2沙)入量库的的含变沙化量规大律，？潜？
y
h 'h'
二 异重流的连续方程
对于二元恒定异重流有： 因此：
密度沿程不变，则：
三 异重流的运动方程
受力分析：…… 非恒定流：
明渠非均匀流运动方程
dh dx

J0

f 8
U2 gh
1 U 2
gh
清水
浑水
非均匀异重流运动方程
dh' dx

J0

f' 8
U '2
gh'
1

U '2
gh'
1
界面之间
异重流吸出极限高度： 交界面清水能量方程：
p gy

u2 2
C1
交界面浑水能量方程：
p gy C2
孔口作为汇点流动：
u q
r
y hL r


g
g (hL

r)

q2
2 2r 2
图10-11 异重流和清水吸出极限高度示意图
吸出极限高度
hL

分别为： ， ', , g'
异重流中浑水的有效重 度；浑水重度；清水重 度；有效重力加速度
此处的 g 称为重力修
正系数，用g‘代替g，则 可移用很多一般明渠流 动公式
g 的数量级10-2 ~ 10-3
异重流的特性： 2.惯性力作用相对突出
Fr'
U' g 'h'
U'
gh'