5 泥沙运动与河床演变

2．水流的挟沙能力
挟沙能力：单位水体积的饱和含沙量，称为水流挟沙能力。 单位kg/m3。
·水流条件一定，挟沙能力一定，水流条件改变，挟沙能力 也随着改变。
·处于输沙平衡状态(上游来沙量与本段水流挟沙能力相适应) 时，河床既不冲刷，也不淤积。相反则冲刷淤积。 ·水流挟沙能力的影响因素有流速、水深或水力半径及泥沙 粒径。不同河流，可采用不同的经验公式计算挟沙能力。
河 流 泥 沙： 河 流 中 运 动 的 以 及 组 成 河 床 的 泥 沙， 所 有 在 河 流 中 运 动 及 静 止 的 粗 细 泥 沙 、 大 小 石 砾 都 称 为 河 流 泥 沙。 固 体 径 流： 随 水 流 运 动 的 泥 沙， 是 重 要 的 水 文 现 象 之 一。
影 响 河 流 泥 沙 的 主 要 因 素：1） 降 雨；2） 流 域 的 下 垫 面（ 地 形、 植 被 及 土 壤 特 性 等）
Q 多年平均年径流量 m3
Qi 相应年份的年径流量 m 适用几年实测资料，无法建立其它相关关系时公式。
3
·无实测资料时 进行粗略估计 悬浮质多年平均侵蚀摸数法：单位流域面积上多年平均的悬移质年产量， 称悬浮质多年侵蚀模数法。 悬移质多年平均年输沙量： W s Ms F -悬移质多年平均侵蚀模数，t/km .a 查水文手册中的悬移质多年 平均模数分区图。 2 F-流域面积,km 水文比拟法：利用自然地理条件相似的参证流域的土壤侵蚀系数， 用
3．推移质输沙率
推移质输沙率：是指单位时间内通过过水断面的推移质数量， kg/s,m3/s。
·上游的推移质泥沙量超过本段的输沙率，就发生淤积，反之 则发生冲刷。
·确定输沙率方法： 用采样器现场实测。不完善、效率低、稳定性差。 采用输沙率公式计算：采用水力因素和泥沙因素建立。用水 槽试验确定公式中系数。
二、河水的环流运动 ： 由 纵 坡 降 以 外 的 其 他 因 素 促 成
环流运动：环绕一定的旋转轴往复进行的水流运动。环流称副 流或次生流，主要影响泥沙运动和河床演变， 是 引 起 横 向 输 沙 的 主 要 动 力。 1．水平轴环流： 水平轴环流：旋转轴呈水平状的环流。图5-3
·图5-3(a)为河道弯段上由离心力产生横坡降引起的横向环流。 凹岸水面高于凸岸，表流流向凹岸，底流流向凸岸，凹冲凸淤。
1 n 多年平均年输沙量 Wi n i 1
（5-6）
Wi-第 I 年的年输沙量，n-实测资料年数。
①悬移质多年平均年输沙量估算 ·有 12 年以上资料时，采用上(5-6)式计算 ·资料不足时，尽量延展资料，如不能则用下式估算
Wi Ws Q Qi
用输沙量与径流有关
Ws-多年悬浮年输沙量 t Wi-实测年份的悬浮质年输沙量 t
横坡降引起的横向环流是河床冲刷和淤积的主要原因之一。 以上旋转轴基本与纵向主流平行。
·图5-3(d)，(e)两种水平轴环流的旋转轴与纵向主流相垂直， 这种环流一般为相对封闭的回旋流，其形成原因各不相同。(d) 环流由于前进流受阻形成，(e)环流是水流的离解作用形成。
2．竖直轴环流 竖直轴环充的旋轴与主流及河底都垂直，它是相对封闭 的回旋流。主要由水流的离解作用产生的。如图5-4，5-5。
·止动流速：使运动着的泥沙回到河床上静止不动的垂线 平均流速称泥沙的止动流速(即水平平均流速)。
因止动流速不需克服重力、河床的V摩擦力及粘结力，固 一般Vc=1.2~1.4 VH
2．泥沙的推移运动——沙波运动 沙波运动—冲积河流推移质的运动达到一定程度时，河床 表面便逐渐形成与风成沙丘形状类似的水下沙波，称沙波 运动。沙波运动是推移质的主要运动形式，是构成河床地 形的基本单位。 特点： · 沙波表面的水流速度分布不均，迎水面逐渐增大 至波峰处最大；过峰后由于离解现象使背水面形成环流。 波谷流速最小。 · 迎水坡面的泥少被推移的数量↑，坡面冲刷，冲下的泥沙 越过波峰后，较粗的跌入波谷，较细的在环流作用下落到 下一个沙波的迎水坡。 · 沙粒不断地从上坡冲走，在下坡堆积，形成沙波的推移 运动。如移至取水构筑物附近，则有可能有大量泥沙堵塞 取水构筑物，影响取水安全。
研究模型：为计算方便，将非均匀流的长河段分成若干 视为均匀流的短河段加以研究。均匀流的短河段，其平 均流速按谢才公式计算。
1．河道水流的轴线
·正流(或元生流)：指河道水流的主体部分。 主流线：为沿程各断面最大纵向垂线平均流速所在点的连 线的水平投影。( 注 流 线 和 深 水 线 大 致 重 合） 主流带：为围绕主流线两侧一定宽度内平均流速较大的流 带。
·边流带：在主流带以外的两侧或一侧，平均流速较小的近 岸区域。
·主流线可以作为河道水流的轴线，具有“大水趋直，小水 走弯”的趋向。 ·主流线及主流带对全河段总的状态及发展趋势起决定性作 用。同一河段中不同季节(洪水期和枯水期)形成不同的主流 位置和洲滩形态。
2．洪水波
·流域降水以前，河道中已有一水面。流域降水后，地表径流不断汇入河槽，河道水 位、流量、流速等沿程发生变化，原有的水面因受干扰而形成波动称为洪水波。在 原有水面上涌入的水量称为波流量。
均 匀 流：流 速 沿 程 不 变 的 流 动； 反 之， 为 非 均 匀 流。 天然河道的水流不均匀主要原因是河道断面形状、底坡 及流量等沿程不断变化。但是，对于一个比较顺直的河 段，来水来泥情况基本稳定、河床基本处于不冲不淤的 相对平衡状况，过水断面及流速沿程变化不大，水面坡 度、床面坡度基本平直且相互平衡，基本上可颗粒与河床间存在摩擦力，其大 小与摩擦系数有关。 ·粘结力N：水中沙粒的表面被一层水膜包围，当颗粒相 互接触时，产生便颗粒连结在一起的粘结力。大小与泥 沙 颗 粒 的 性 质 、 粘 径 、 水 深 等 有 关 。 泥 沙 d↑→N↓ d↓→N↑。
上述中1、2、3种是促使沙粒起动的力，4、5、6种是抵 抗沙粒起动的力。以0点为瞬时转动中心，Px、Py构成起 动力矩，G、N构成抵抗力矩。
第五章 泥沙运动与河床演变 研 究 目 的：为了取得较好的水质，防止泥沙、 漂浮物等对取水构筑物及河道形成危害，避免 因河道变迁造成取水脱流。
第一节 河水运动
河水的运动极为复杂，是纵向水流、横 向环流和紊流的交互作用的混合运动且沿着流 程不断变化。
一、河水的纵向运动： 由 河 床 的 纵 坡 降 的 总 趋势引起
1
（5-2a）
·考虑水温影响的张红武公式（引入运动粘度γ ，适用细沙 d≤0.15mm）
Vc 3.5(
Ps p g) P
2 9
5 9 r
d
h
1 6
（5-3）
当计算取水构筑物周围河床的局部冲涮深度，需要知道泥沙 的起动流速时，可根据河床泥沙平均粒径和水深，用(5-2a)进 行计算，该式适用d=0.1～１００ mm，水深h=0.2～17m，流 速为0.1～６ m/s。
一、泥沙的分类
·床沙：河床表面静止的泥沙，其颗粒较大(>推移质) ·推移质：在水流作用下，沿河底滚动，滑动或跳跃前进的泥 沙，称推移度(也称底沙)。 特点：颗粒d较粗，占河总沙量的5～１０％。但对河床演变起 重要作用。
·悬移质(悬沙)：悬浮于水中随水流前进的泥沙称悬移质。
特点：粒径较细，在冲积平原江河中，占总 沙量的90～９５％。 ·联系和区别：同一泥沙在较缓水流作用下，也可表现为推移 质；在较强水流作用下，也可表现为悬移质。推移质与床沙也 可处于不断交替之中。
②泥沙颗粒的起动条件(即开始运动的水力条件) ·起动流速：在一定的水流作用下，静止的泥沙，开始 由静止状态转变为运动状态，叫做“起动”。这时的 水流速度称为起动流速。
·沙莫夫公式：
Ps P h 6 Vc 1.14 gd ( ) P d
1
Vc—起动流速 m/s, h—水深 m 3 g—重力加速度 9。806 m /s, d—泥沙颗粒径 m。 应用：未考虑粘结力，因形式简单在 d≥0.2 mm 应用较多 3 3 Ps—泥沙的密度 kg/m ,P—水的密度 kg/m 。
三、悬移质运动 对于悬移质运动，与取水最为密切的问题是含沙量沿水深分布 和水流的挟沙能力。泥沙悬浮主要因素是紊动作用。 1．悬移质分布 含沙量：单位体积河水内挟带泥沙的重量称含沙量。 ·由于江河中各处水流脉动强度不同，河中含沙量的分布不均匀。 近河床底部大，近水面少。泥沙的粒径靠河底粗，近水面细。 ·泥沙在水流横断面上的分布亦不均匀。一般泥沙沿断面横向分 布比沿水深的变化为小，在横向分布上，河心的含沙量略高于 两侧。
二、推移质运动
对于推移质运动，与取水工程最为密切的问题是泥沙的起动和 沙波运动。
1．泥沙的起动
①泥沙运动的受力分析：
·正面推力：水流经过河床面泥沙中的某一颗沙粒而受阻在附近 发生绕流，在沙粒的迎水面形成的正压水的水流推力，在其背水 面则由于绕流导致水流分离形成负压。迎水面的正压力和背水面 的负压力合成纵向水流对沙粒的正面推力。 ·上举力：流过河床上沙粒上方和下方的水流存在速度梯度，颗 粒下方流速小，压力大，上方向流速大，压力小，因而产生一向 上的压力差Py，即产生使泥沙向上的上举力。 ·脉动压力：紊流的水流中存在着脉动压力如图a中小箭头。对泥 沙只起摇撼作用，往往忽略。
·图5-3(b)由心滩形成的横坡降引起的横向环流。表流由心滩流 向两岸，底流由两岸流向心滩，造成两岸冲刷，心滩淤积。
·图5-3(c)河底有横向沙脊或横向石滩时形成的双向环流。 与(b)图(由于心滩大，且又有弯道，而沙脊纵向短)的情况正好相 反，水流经过沙脊或石滩时，由于中部流速大，受到的壅水作 用强，因而河心水面隆起，两岸之间相对下降，形成从河心向 两岸下倾的横坡降，这时双向环流的底流从河心流向两岸。如 河底泥沙的可动性很大，则河心被冲刷，两岸则淤高。
3．悬移质的输沙率：单位时间内通过断面的悬移质泥沙量kg/m3
四、河流年输沙量估算 年输沙量：一年内通过河流断面的泥沙总量。推移 质量+悬移质量