CH4：推移质运动及动床阻力

法（采用公式和实验结合）
• 习题4 • 某宽浅河道水深H=2米，比降J=0.0005,断 面平均流速V=0.8m/s，河床泥沙组成主要 有 0.25、0.5、1.0 、2.0、 5.0、16.0mm • 在上述水文条件下，哪些沙粒处在运动状 态，分别采用下述三种关系式进行比较。 （取ν ＝0.01cm2/s) • (1)岗恰洛夫公式，（取d95=16mm) • (2)沙莫夫公式 • （3）利用西尔兹关系
§3.1 泥沙起动的形式
二、联系与区别
联系：
对同一个泥沙组成来说，在较弱的水流条件下，可以 表现为推移质；在较强的水流条件下，可以表现为悬 移质。二者无明显分界线。 推移质运动和悬移质运动间存在物理本质的差别。
区别：
1. 运动规律不同：
2. 能量来源不同： 3. 对河床作用不同： 意义： 推移质运动与河床冲淤变化息息相关，因此意义重大。
3.3 沙波运动
二、沙波的产生和消亡的几个阶段
• 沙垄：受河流几何形态和尺寸的影响，波高从 1m到2~3m，波长从几米到100m 不等。
3.3 沙波运动
二、沙波的产生和消亡的几个阶段 • 过渡： • 动平整：
纱垄发展到一 定程度
流速增大
纱垄趋于 衰 微
波长渐大 床面恢复
波高渐小 平 整
3.3 沙波运动
§3.２ 泥沙的起动
1、无粘性均匀沙的起动切力
θc
§3.２ 泥沙的起动
1、无粘性均匀沙的起动切力
θc
2、起动流速
• D> 0. 2 m m, 各 公 式 差 别 较 大。
§3.２ 泥沙的起动
二、泥沙起动的有关问题： • 1、泥沙起动的随机现象？
• 2、判别标准
• 推移质运动的四个阶段（克雷默）？ (1) 无泥沙运动：床面全部静止； (2) 轻微泥沙运动：少数泥沙处于运动状态； (3) 中等强度泥沙运动：各处均有泥沙在运动；
Ch3 推移质运动及动床阻力
§3.1 泥沙起动的形式
1. 泥沙起动判别标准
2. 无粘性均匀沙的起动流速公式 3. 无粘性均匀沙的起动拖曳力公式 4. 粘性泥沙的起动流速公式
§3.2 泥沙的起动 §3.3 沙波运动 §3.4
1. 沙波形态与运动状态
2. 沙波的产生与消亡 1. 床面阻力与河岸阻力划分 3. 冲积河流的阻力 沙波的尺度与运行速度 2. 沙粒阻力与沙波阻力划分
高水流能态区的判别：沙垄-平整-逆行沙垄
§3.4 冲积河流的阻力
研究意义： 冲积河流阻力决定了河道泄流能力与输 沙能力，反映了水流对河床作用力的大 小，是河流动力学中的一个重要问题。
§3.4 冲积河流的阻力
一、天然河流的阻力 • 沙粒阻力 • 沙波阻力 床面阻力，属于动床阻力
• 河岸及滩面阻力 • 河槽形态阻力 • 人工建筑物外加阻力
3.3 沙波运动
二、沙波的产生和消亡的几个阶段 • 急滩与深潭： Fr>>1
急 滩
(急 流) 强烈冲刷 流速增大 深 潭 (缓 流) 严重淤积 水 跃
常见于山区性河流
急滩
深潭
3.3 沙波运动
二、沙波的产生和消亡的几个阶段
• 小结：可分为2个明显阶段
沙纹与沙垄 阶段1 恢复平整或 遗留沙垄痕迹 过渡阶段 沙 浪 阶段2
(床面层)
形式前进，其速度小于水流速度的泥沙。
分接触质、跃移质、层移质三种。
３.床沙： 河床上静止的泥沙。
(河床)
§3.1 泥沙起动的形式
推移质沙运动的形式
接触质： 当水流速度足以使河床的泥沙颗粒发生运动 时，突出在床面上的颗粒，便以滑动或滚动 床 的形式向前运动。这种泥沙在运动中始终保 面 持着与床面接触，称接触质。 跃移质： 在河底附近，以跳跃形式前进的泥沙。是推 移质的主要运动形式。 当水流速度超过一定范围后，水流的作用不 只限于河床表面。河床表层以下的泥沙在水 流拖曳力作用下，将成层移动或滑动，运动 速度逐次递减，称层移质。
§3.２ 泥沙的起动
一、无粘性均匀沙的起动
几 个 概 念 的 说 明 ：
底
U*反映了水流的紊动情 况，常用于泥沙研究。
1、起动拖曳力分析－希尔兹关系（曲线）
§3.２ 泥沙的起动
1、无粘性均匀沙的起动切力
θc
=Re*
§3.２ 泥沙的起动
1、无粘性均匀沙的起动切力
θc
§3.２ 泥沙的起动
1、无粘性均匀沙的起动切力
三、动床阻力的计算
2、沙波阻力的计算
§3.4 冲积河流的阻力
三、动床阻力的计算
Ks
x
(注：x查图教材p28图2-3可得)
• 例题 • 某河流床沙组成D35=0.0006m, D65=0.001m， Q=149m3/s，比降J=0.0004,水力半径与过水 面积关系: • R(m) 0 0.58 0.92 1.13 1.25 1.33 • A(m2) 0 50.0 100 150 200 250 • 忽略岸壁影响，用Eeinstein方法确定Rb?
二、沙波的产生和消亡的几个阶段
• 沙浪：流速继续增大，弗劳德数Fr>1，床面再一次出现 起伏，称沙浪。特点：沙浪起伏对称，流线基本与河床 平行，波峰后水流不分离，泥沙运动强度大，成层运动。 • 顺行沙浪：沙浪运动方向和水流方向一致。 • 逆行沙浪：沙浪运动方向和水流方向相反。 黄河下游经常出现这种逆行沙浪。例如，土城子河段在中 水位以上时，全河宽500～600m 内都会此起彼落地出现 沙浪，黄河上叫做“淦”。淦常表现为一连串的波浪， 波浪的数目多在6～20个，浪高多在1～3m，波长约在15m 左右。淦多为突发性的，常发生在落水阶段。经过十几 分钟的演化，徐徐消失。
§3.4 冲积河流的阻力
二、阻力单元的划分
§3.4 冲积河流的阻力
二、阻力单元的划分
(床面阻力与河岸阻力划分)
§3.4 冲积河流的阻力
二、阻力单元的划分
(床面阻力与河岸阻力划分)
• 例题 • 实验室玻璃水槽，B=0.8m，Q=136升/秒， 均匀流水深H=20m，J=0.0036,槽底铺沙， 求床面糙率?
H
阻力大，通过同级别 流量需要的水深增加
逆时针顺套曲线
阻力小，流速大， 水深小
Q
深潭
四 床面形态判别和特性研究
• 决定沙波运动的无量纲数首推shields数θ =
• 沙纹的形成和发展与沙粒雷诺数有关； • 沙垄发展与沙粒雷诺数和H/D有关。
0 ( s ) D
• 一 沙波运动的判别准则 • 低水流能态区的判别（静平整-沙纹-沙垄区）
近期三峡泥沙问题
• 2003年三峡蓄水以来，三峡工程的生态和环境影响一 直是牵动世界的敏感神经，传言、怀疑和揣测纷纷涌 来，长江下游城市天气的异常、九江的地震等等都与 之扯上了关系。最近的一次联系则是长江湖南、湖北 段干堤的强烈崩岸，如岳阳江段崩岸 、洪山头镇的 “天字一号”崩岸 、长江荆江段成崩岸重灾区。这些 崩岸与三峡蓄水的关系如何？ • 三峡蓄水提高到至 １５６米后，三峡大坝何时再蓄水 至１７５米的最终水位， 将遵循泥沙运动规律，根据 泥沙冲淤监测情况来决定。 • 随着三峡大坝全线 建成，大坝具备挡水能力，长 江挟带的上游泥沙将被大坝 拦截。随之而来的担忧是 泥沙淤积会不会使工程运行受影 响？上游的重庆等地 港口会不会淤废？下游冲刷将达到什 么程度？
(4) 普遍的泥沙运动：各种大小泥沙均运动，床面外 形剧烈改变。
3、泥沙的止动和扬动
§3.２ 泥沙的起动
算例解答： 在已知ρ,ρ,d和υ的泥沙，问此时比降为J，水深为h 的河底，泥沙是否可以启动？
θc
θc
Θc=
3.3 沙波运动
• 沙波运动：泥沙颗粒在床面的集体运动。 • 沙波：推移质泥沙运动达到一定程度时，河床表 面出现起伏不平但又比较规则的波状起伏。对河 道水流结构、河道阻力、泥沙运动和河床演变均 有重要作用。
推 层 移 质
层移质：
Ch3 推移质运动概述
推移质泥沙在河床附近运动,常与床面泥沙 相互交换,时而由静止转为运动,时而由运动转为 静止伴随着推移质运动,床面还出现沙波.床面附 近这种泥沙运动及相应的床面形态,影响着河床 对水流运动的阻力,水流运动阻力的改变又反过 来影响泥沙运动。研究推移质运动，目的是建 立推移质输沙率公式，推移质输沙率公式和泥 沙运动的形式、泥沙起动、沙波运动、河道阻 力有关，本章将研究以上这些问题。
§3.２ 泥沙的起动
泥沙起动条件：维持泥沙颗粒静止状态的平衡条件遭到 破坏，床面泥沙由静止状态转入运动状态的临界水流条 件。 研究泥沙起动的意义：如水库下游泥沙运动
泥沙起动条件可以用流速、拖曳力或功率来表示。用垂 线平均流速表示的，叫起动流速；
用拖曳力表示的，叫起动拖曳力； 用水流功率表示的叫起动功率。 目前我国工程实践中多采用起动流速方式。 泥沙起动复杂性：与水流条件、沙粒性质、泥沙组成等。
迎水面
背水面
λ
沙波的纵剖面图
3.3 沙波运动
• 带状沙波：波峰线基本平行并与流线垂 直，或略显斜交； • 断续蛇曲状沙波：波峰线不规则，时断 时续，大致与流线垂直； • 新月形沙波：波高与波长基本相等，波 峰线形如上弦月； • 舌状沙波：波峰线形如下弦月；
3.3 沙波运动
• 一、沙波形态和运动特性 • （1）几何特性；（2）水流运动特性；（3）阻力；（4）水流紊 动；（5）泥沙运动 • 迎水面加速区，冲刷区 • 背水面是减速区，淤积区，床沙的分选：“上细下粗” • 产生沙波运动，向下游推进沙波对沙波中粗泥沙运动的间歇性
迎水面
背水面
λ
沙波的纵剖面图
沙 波 运 动 教 学 实 验
二、沙波的产生和消亡的几个阶段
• 静平整、沙纹、沙垄、过渡、动平整、沙浪、急滩与深潭。