泥沙的起动与沉降
第四节河流泥沙的运动
第四节河流泥沙的运动第四节河流泥沙的运动⼀、推移质运动推移质的运动来源于床⾯泥沙的起动。
当床⾯泥沙起动达到⼀定程度后，床⾯会出现起伏不平的沙波，⽽沙波运动⼜往往是推移质运动的主要形式。
因此，在介绍推移质运动时，往往需要涉及到河床泥沙的起动、起动流速及沙波运动的相关概念。
1.泥沙的起动流速设想床⾯为泥沙组成且具有⼀定厚度，在这种⽔槽中施放⽔流，使⽔流的速度由⼩到⼤逐渐增加，直到使床⾯泥沙(床沙)由静⽌转⼊运动，这种现象称为泥沙的起动。
泥沙颗粒由静⽌状态变为运动状态的临界⽔流条件，称为泥沙的起动条件。
泥沙的起动条件常⽤起动流速Uc表⽰，它相当于床⾯泥沙开始起动时的⽔流平均流速U。
对于天然沙，其起动流速常由下式计算：U c = 4.66131hd（3-3）式中，d为泥沙粒径；h为⽔深。
适⽤范围：d>0.15~0.2mm。
泥沙的起动流速是关系到河床冲刷状态的重要判据，因此，对它的研究具有重要的理论与实践意义。
例如，在研究坝下游河床冲刷时，⾸先需计算河床泥沙的起动流速。
当河道实际⽔流流速U超过床沙的起动流速Uc时，就可判定，河床就会被冲刷；反之，河床就不会发⽣冲刷。
河床在冲刷过程中，⽔深随之增加，流速降低，当发展到⽔流条件不⾜以使床⾯泥沙继续起动时，冲刷便会⾃动停⽌。
再如，组成河床的泥沙粗细不均时，则细的颗粒被⽔流优先冲⾛，粗的颗粒留下来逐渐形成⼀层抗冲覆盖层，冲刷逐渐停⽌下来。
河床冲刷前的⾼程与冲刷终⽌后的⾼程之差，即为河床的冲刷深度。
下⾯举例说明泥沙起动流速公式的具体实际应⽤⽅法及其意义。
算例：已知某⽔库下游河段河床沙质组成，河宽B=200m, 过⽔⾯积A=500m2，床沙平均粒径d=5.5mm, 问当⽔库下泄流量Q=500m3/s时,河床会否发⽣冲刷？可能冲深多少？解：（1）判断河床会否发⽣冲刷？V = Q/A = 500/500 = 1.0 m/sH = 500/200 = 2.5 m由沙莫夫公式Vc= 4.6d1/3H1/6 = 4.6×（5.5×10-3）1/3×2.51/6= 0.946 m/s∵ V > Vc，∴河床会发⽣冲刷。
粘性泥沙运动规律研究
粘性泥沙运动规律研究港航102 芦克强 201010413065摘要：依次介绍了粘性泥沙的沉降规律，粘性泥沙的冲刷规律和粘性泥沙的扬动规律，展现泥沙运动的特点。
这对于我们了解研究河口河床和近海海床沉积冲刷现象有着重要意义，也为更进一步的研究打下了基础。
关键词：粘性泥沙沉降冲刷扬动一、引言通常情况下，根据泥沙颗粒的大小和矿物成分，可以将泥沙分为非粘性沙和粘性泥沙两类。
其中粘性泥沙主要是由粉沙（d<0.05mm）和粘粒（d<0.05mm）组成，这些黏性细泥沙淤积固结后根据物理性质不同又可分为浮泥，淤泥和粘土[1,2]。
在多沙河流中（包括河床，河岸和滩地）粘性泥沙占有一定的比重，同时它还存在于水库、河口港湾、粉质海岸中，对这些河流的演变和治理有着重要影响[3]。
因此，研究粘性泥沙的运动规律有着重要意义。
本文在此主要讨论粘性泥沙的沉积，冲刷，扬动三个个方面，系统的阐述粘性泥沙的简单运动规律，以期获得总体认识。
二、群体泥沙颗粒的沉降规律前人对颗粒群体沉速公式的研究，可大致划分为两类：一是粗颗粒均匀沙的沉速，二是含较多细颗粒的非均匀沙沉速。
(1)Batchelor(1972)认为球体在低含沙水体中沉降时，颗粒间及颗粒与周围水体的相互影响，其沉速与其在无限清水中沉速的差异，是平均值不为0的随机变量。
他从统计理论出发，最后推导出低含沙量情况下群体沉速的理论公式ωs/ω0=1－6.55Sv (1)上式中当Sv≤0.05时，计算结果能与实验值基本符合；当Sv较大则偏差大。
(2)Richardson和Zaki 采用量纲分析与试验结果，建立如下群体沉速公式[4]ωs/ω0=(1-Sv)m (2)上式中指数m与沙粒雷诺数(Red=ω0d/ν)有关。
夏震寰和汪岗对细沙取m=7时，上式与试验资料符合较好[5]。
(3)王尚毅认为式(8)中当Sv=1时ωs=0，这种计算结果不对[6]。
因此将上式修改为ωs/ω0=(1-βSv)m(3)上式中m=2.5；β与泥沙特性有关，对塘沽淤泥可取β=5.0。
第4章 泥沙的推移运动
非均匀沙， K s D65 ； 为考虑水流粘滞性影响的校正系数，为河床 相对粗糙度 K s / 的函数， f K s /
近壁层流层厚度， 11.6 U* 为水的运动粘滞系数。
；
28
校正系数与河床相对粗糙度的关系
滑移模式
如泥沙颗粒沿着床面滑动的，则起动临界状态下力的平衡方 程式为：
FD (W FL ) f
• 式中， f——床面摩擦系数，
f tan
•
通常不用底流uoc作为起动流速， 而用垂线平均流速U作为起动 4 f cs u0 c gD 3 CD C f 流速。 uoc→UcL？？
水流本身具有脉动，脉动本身就是随机的，水流的脉 动性致使其作用在床面某一位置上颗粒上的力也完全 是随机的。 • （4）沙粒组成的非均匀性
泥沙组成的非均匀性，无明显的临界粒径。
三、泥沙起动临界状态的判别 2.2.1.3
起动的随机性→确定起动条件的困难性，目前还无一致 的起动标准 ⑴ 克雷默（H.Kramer）的定性标准
用垂线平均流速指数水深表面流速代入指数流速分布公式图41泥沙的起动无粘性均匀沙起动流速公式第四章推移质运动2224ye起动垂线平均流速起动流速u0c作用位置的确定0cad41泥沙的起动无粘性均匀沙起动流速公式第四章推移质运动2224xe起动垂线平均流速起动流速u41泥沙的起动无粘性均匀沙起动流速公式第四章推移质运动2224xe起动垂线平均流速起动流速u的确定下一步任务是如何确定41泥沙的起动无粘性均匀沙起动流速公式第四章推移质运动2231xe2代入对数流速分布公式
2 u0 非球体：FL a2C L D 2g 2
泥沙起动规律初探.
起动机理中的作用和起动标准以求得非均匀沙起动时的起动流速或临界切应力
(6由于起动条件随水流条件床面形态泥沙颗粒相对暴露度的变化而异且不同的学者对起动的认识感官评价及实测方法不同因而结果会产生一定的偏差故应对起动建立统一的具有可操作性的标准
参考文献
1胡春宏惠遇甲.明渠挟沙水流运动的力学和统计分析M
.北京
科学出版社
1995
pp.193-202.
2
Reizes,J.A.,Numerical Study of Continuous Saltation, Proc. ASCE,J. Hydr.Div.Vol.104,No.9,1978.
目前有关推移质泥沙起动规律问题国内外已有许多研究尽管各家公式基本上都通过了理论分析及实测资料的验证但公式在形式及计算结果上相差较大使人们在使用选择时增加了一定困难这主要是对泥沙起动的机理还不完全清楚对泥沙起动标准等问题的认识上还有一定分歧故不同的学者采用研究方法各异如就起动模式而言有滚动及滑动等就采用的原理而言有力学方法和统计分析方法
67
泥沙起动规律初探
何文社,方铎
曹叔尤
李昌志
郭志学
(四川大学高速水力学国家重点实验室四川成都610065
摘要:非均匀沙运动规律与均匀沙明显不同故从非均匀沙起动的特点出发阐述了其运动机理采用滚动起动模式
通过对附加质量力的概念及表达式和相对暴露度参数的引入推得了非均匀沙起动公式并用实测资料进行
水文学原理-第11章 河流泥沙
随水流运动以及构成河床的固体颗粒称为河流泥沙，又称固 体径流，它不仅包括在水流中运动或相对静止的粗细泥沙， 还包括河道中的砾石与卵石。
泥沙运动和沉积是河流中重要的水文现象，对河流水文情势、 河流发育以及河床演变影响极大。鉴于我国大多数河流挟带 泥沙，兴修水利工程（防洪、航运、灌溉、发电、港口码头） 和进行流域治理时，不仅需要研究河流水文情势，也要考虑 与之相伴的泥沙运动状况。
2020年2月1日
21
上述泥沙粒径频率分布曲线与泥沙粒径累积频率分布曲线统称为泥 沙粒径级配曲线。 天然河流河床的泥沙粒径级配曲线形态会因河流类型不同而不同。
许多山区河流河床泥沙粒径频率分布曲线存在明显的双峰，一个 峰对应粗卵石和细砾石，另一个峰对应粗砂，相应累积频率曲线 呈现为板凳状。这是因为除了较难冲动的粗大卵石以外，细小的 砂子可以填塞到粗大卵石组成的骨架空隙中，冲刷较少，因而含 量较高。当然也有的山区河流床的泥沙粒径频率分布曲线只有一 个单峰。
2020年2月1日
29
比重——固体泥沙颗粒重量与同体积4℃水的重量之比。无量纲，
一般泥沙比重：=2.65
有效容重系数（有效密度系数）：泥沙在水中运动状态，既与泥沙
容重有关，又与水的容重有关，在分析计算时，常出现相对数值，为
简便起见，常取a=1.65.
a s
a s
4
1、坡面侵蚀 流域表层的土壤或岩石碎屑在风吹日晒、水冲以及地球重力的 作用下，从原来所处状态剥离、冲刷、搬运而随径流注入河道 的水土流失过程，称为坡面侵蚀。 坡面侵蚀从形态上又有层状、沟状、陷穴、滑坡、塌岸等侵蚀 类型。
2020年2月1日
当降水发生在较为平整、植被 较差的坡面上所形成的漫流会 将土壤或岩石碎屑成层剥蚀， 即层状侵蚀。
第三章+泥沙的起动(2011)讲解
50
40
P (%)
30
20
10
0
-4 -3
-2
-1
0
1
2
3
4
fL /f 'L
+ fD / f 'D
图 4-9 脉动上举力和脉动拖曳力的 概率密度分布与标准正态分布曲线的对比
FL
D 2
CL 4
U 0 2
2
事实上，根据上举力的计算公式，瞬时流速 服从正态分布，那么上举力的瞬时值并不应 为正态分布，而是服从多维自由度的 2 分 布。随着自由度的增加， 2 分布的形状与正 态分布的图形类似。所以，通常可采用正态 分布的数学手段研究近底床面泥沙运动的基 本规律。
0.1mm < d < 0.15mm, 线性内插。
第三章 泥沙的起动 ( Incipient motion of sediment )
泥沙的运动形式
第一节 泥沙起动的随机性 1 起动现象的描述
物理概念：明确 具体分析：困难 随机性－－水流、颗粒
W
(
s
) D3
6
D 2
FD CD 4
1). 无泥沙运动 2). 轻微的泥沙运动 3). 中等强度泥沙运动 4). 普遍的泥沙运动
（三）窦国仁的理论分析
瞬时底流速表示的起动条件：
1/ 6
2.5
U ot
1.27
Dc D*
3.6 s
gD
0 0*
0 gh / D
D
式中:δ =2.31×10-5 cm 为薄膜水厚度，
2 泥沙起动的判别标准
Buffington（1998）总结分析了80年来有 关泥沙起动的研究成果，在泥沙起动的 判别方面还没有一致公认的标准。这里 介绍几种类型的判别方法： （一）延长推移质输沙率曲线到输沙率 接近零或某一参考值（Parker，1982）
河流泥沙的运动
第四节河流泥沙的运动一、推移质运动推移质的运动来源于床面泥沙的起动。
当床面泥沙起动达到一定程度后，床面会出现起伏不平的沙波，而沙波运动又往往是推移质运动的主要形式。
因此，在介绍推移质运动时，往往需要涉及到河床泥沙的起动、起动流速及沙波运动的相关概念。
1.泥沙的起动流速设想床面为泥沙组成且具有一定厚度，在这种水槽中施放水流，使水流的速度由小到大逐渐增加，直到使床面泥沙(床沙)由静止转入运动，这种现象称为泥沙的起动。
泥沙颗粒由静止状态变为运动状态的临界水流条件，称为泥沙的起动条件。
泥沙的起动条件常用起动流速Uc表示，它相当于床面泥沙开始起动时的水流平均流速U。
对于天然沙，其起动流速常由下式计算：U c = 4.66131hd（3-3）式中，d为泥沙粒径；h为水深。
适用范围：d>0.15~0.2mm。
泥沙的起动流速是关系到河床冲刷状态的重要判据，因此，对它的研究具有重要的理论与实践意义。
例如，在研究坝下游河床冲刷时，首先需计算河床泥沙的起动流速。
当河道实际水流流速U超过床沙的起动流速Uc时，就可判定，河床就会被冲刷；反之，河床就不会发生冲刷。
河床在冲刷过程中，水深随之增加，流速降低，当发展到水流条件不足以使床面泥沙继续起动时，冲刷便会自动停止。
再如，组成河床的泥沙粗细不均时，则细的颗粒被水流优先冲走，粗的颗粒留下来逐渐形成一层抗冲覆盖层，冲刷逐渐停止下来。
河床冲刷前的高程与冲刷终止后的高程之差，即为河床的冲刷深度。
下面举例说明泥沙起动流速公式的具体实际应用方法及其意义。
算例：已知某水库下游河段河床沙质组成，河宽B=200m, 过水面积A=500m2，床沙平均粒径d=5.5mm, 问当水库下泄流量Q=500m3/s时,河床会否发生冲刷？可能冲深多少？解：（1）判断河床会否发生冲刷？V = Q/A = 500/500 = 1.0 m/sH = 500/200 = 2.5 m由沙莫夫公式Vc= 4.6d1/3H1/6 = 4.6×（5.5×10-3）1/3×2.51/6= 0.946 m/s∵ V > Vc，∴河床会发生冲刷。
泥沙的起动与沉降
在湖泊底部形成沉积物堆积，影响湖泊的形态和演变。
湖泊中泥沙沉积的影响
影响湖泊水质、生态系统和水资源利用等。
海岸带的泥沙运动
1 2
海岸带泥沙的来源
主要来自河流搬运、风力搬运和波浪侵蚀等。
海岸带泥沙的运动方式
在波浪、潮汐和风的共同作用下，沿岸输移和近 岸沉积。
3
海岸带泥沙运动的影响
环境因素的影响
风的影响
潮汐与波浪作用
风的作用能够引起近岸水体的混合和悬浮， 从而影响泥沙的起动和迁移。在强风条件下， 风力作用可能导致泥沙的再悬浮和扩散。
潮汐和波浪作用能够引起水体的垂直混合和 水平搬运，从而影响泥沙的起动和沉降。在 潮汐和波浪较强的区域，泥沙的迁移和分布 特征会受到显著影响。
05 泥沙起动与沉降的工程应 用
泥沙颗粒性质的影响
颗粒大小
泥沙颗粒的大小直接影响其起动和沉 降特性。较小的颗粒更容易受到水流 的作用力而悬浮和迁移，而较大的颗 粒则更容易沉降。
颗粒形状与表面特性
泥沙颗粒的形状和表面特性也会影响 其起动和沉降。不规则形状的颗粒更 容易在紊动水流中分散，而具有较大 表面积的颗粒则更容易吸附其他物质， 影响其沉降。
塑造海岸地貌、影响海洋生态环境和海洋资源开 发等。
04 泥沙起动与沉降的影响因 素
水流条件的影响
水流速度
水流速度是影响泥沙起动和沉降的重 要因素。随着水流速度的增加，泥沙 更容易被冲刷和搬运，导致更多的泥 沙起动和迁移。
水流的紊动
水流中的紊动作用能够增加泥沙颗粒 的悬浮和混合，从而影响泥沙的起动 和沉降。在较强的紊动条件下，泥沙 更容易被搬运和分散。
泥沙的起动与沉降
目 录
• 泥沙起动的条件 • 泥沙的沉降速度 • 泥沙的输移与沉积 • 泥沙起动与沉降的影响因素 • 泥沙起动与沉降的工程应用
2-1泥沙及起动
（2-12）
2019/5/13
2.2.1 泥沙特性 2）泥沙沉降
泥沙重度大于水的重度，在水中受重力作用有向下 的沉降趋势。
泥沙 s
静、动水不同：在动水中，泥沙的沉降还受到水流脉 动上举的作用，其沉降效果与静水中 的不同。
2019/5/13
2.2.1 泥沙特性
沉降速度ωs：是泥沙重要的水力特性之一。 泥沙沉降速度与颗粒形状和流态有关。
Uc 1.4
gd ln h , 7d
h 60 d h 60 d
式中变量单位: kg、m、s制
（2-18）
2.2.1 泥沙特性
起动流速 Uc （非均匀沙）:
床沙颗粒间紧密系数
非均匀沙(第i 组) ：
床沙平均粒径
1/ 6
Uc,i 0.786
s
gd
i
2.5m
d di
常用沉速计算公式：
A. 圆颗粒、静水、层流
s
1 18
s
g
d2
B. 圆颗粒、动水、紊流
（2-13）
水的运动粘度
s 1.72
s gd
（2-14 ）
2019/5/13
2.2.1 泥沙特性 C. 明渠常用：
s
9
d
9
2
s
gd
d
flow
2019/5/13
U c KU c
Uc K<1
（2-22）
K>1
2.2.1 泥沙特性
泥沙的始冲流速：指结构物周围的泥沙由静止转入运动 的临界来流流速。
始冲流速小于泥沙起动流速。
泥沙的沉速讲解
1/
3
s
1
/
3
1/
3
4 3
ReD CD
1/ 3
ReD
Sa
d
g1/
3
s
1/
3
1
/
3
g1/
3
s
2/3
1/ 3 d
上述公式中单位用国际单位：ω：m/s,g:m/s2,d:m
公式单位若为：ω： cm/s,g:cm/s2,d:mm
g1
/
3
s
1/ 3 d
10 2/ 3
F 3 d 3 d
(2-4)
圆球绕流阻力的一般表达式 (2-2)
F
Cd
d2
4
2
2
得
Cd
24
d
24 Red
(2-5)
8
5、层流区、紊流区和过渡区圆球沉速公式 ①、层流区圆球沉速公式（ Red<0.5）源自将CD24
d
代入球体在静水中沉速的一般表达式
(2-5)
4 s gd 3Cd
得
第2章 泥沙的沉速 2.1 泥沙沉降的不同形式 1、沉速的定义
单颗粒泥沙在足够大的静止清水中等速下沉时的速度， 称为泥沙的沉速。用符号ω表示。
定义的理解，应注意的几点 ⒉ 泥沙在水中沉降时所受作用力 ⒊ 泥沙在水中沉降特点 ⒋ 研究泥沙沉降的意义
5. 泥沙在静水中下沉时的运动状态
沙粒雷诺数
Red
D
泥沙在层流区的岗恰洛夫沉速公式为
0.75 1 s gd 2 1 s gd 2 18 24
(2-21)
13
3、岗恰洛夫公式 ②紊流区沉速公式（d>1.5mm）
泥沙的起动与沉降
阻力系数 CD、CL 与沙粒形状和 沙粒雷诺数有关，最后得出起动拖 曳力公式:
(s c)Df(u D)
(4-32)
上式的关系见图 4-10，即著名的 希尔兹关系曲线。
c s - D
10 20 30 40 60 80
1
0.8 0.6
层流曲线
0.4
0.2 0.1 0.08 0.06 0.04
0.02
• 这就给确定泥沙的临界水流条件带来了困 难，究竟怎样判别泥沙是否起动，目前还 没有一致的看法。
克雷默(1935) 根据试验观察的现象，把 推移质的运动分为四个阶段:
1). 无泥沙运动 2). 轻微的泥沙运动 3). 中等强度泥沙运动 4). 普遍的泥沙运动
窦国仁的理论分析
瞬时底流速表示的起动条件：
粉沙在油中 (层流)
D 0.1
s -
gD
102
103
希尔兹紊流曲线
0.01 0.01 0.02 0.04 0.1 0.2 0.4
12 4
10 20 40 100 200 400 1000
Re *
uD
图 4-10 希尔兹起动拖曳力曲线
希尔兹起动拖曳力曲线具有以下特点:
Re * = 10 ，最易于起动； Re * < 10 ，不易于起动，起动拖曳力随粒 径的减小而加大；
Re* > 10 ，起动拖曳力随粒径的增大而加 大；
Re* > 1000 ，接近一常数0.06。
2 起动流速
由于流速场和剪力场之间存在着一定的 关系，所以可以从起动拖曳力的表达式 推导出泥沙的起动流速公式。如采用对
数流速公式, 可得用UC 代表在临界起动
时的垂线平均流速： 即为Shields数
泥沙的起动
其中αx和αy为系数，d=10mm, d′ 的取值为
(5)
颗粒间存在着吸力 对于略大的颗粒，其吸力远小于颗粒的 重力，从而表现为无粘性颗粒。 对于细小颗粒，此吸力远大于颗粒的重力， 成为粘结力 。
粘结力的大小，除与矿物性质等物理和 化学因素有关外，还与颗粒大小有关。 对于粒径分别为d1和d2的两个球体间的粘 结力，从理论上可以得出其值与两个粒 径乘积的平方根成正比。另一方面又与 两个颗粒的间距成反比，即与颗粒密实 程度有关。颗粒愈密实，颗粒间的间距 就会小，从而粘结力也就愈大。试验资 料表明，此粘结力Fc可表述为
(9)
式中α1、α2、α3 为综合系数。根据试验资料可取 α1=1.75,α2 =3.6, α3ε=ε0。这里ε0是综合粘结力参数， 其值与颗粒的物理化学性质有关，对于粘土还与有 机质含量及沉积环境等有关，变化范围较大。根据 试验资料可知，对于一般泥沙ε0 =1.75cm3s2,对于粘 土最大可达17.5cm3/s,对于电木粉ε0 = 0.15cm3/s3,对 于塑料沙ε0 = 0.1cm3/s2。式中的薄膜水厚度参数δ= 2.31×10-5cm(相当于770个水分子厚度)。
浅析泥沙起动
港航081 吴平 200810413012
概述
• 泥沙起动是泥沙运动理论中最基本的问题 之一，也是研究工程泥沙问题时首先遇到 的问题。早在19世纪就提出了泥沙起动的 概念，20世纪初开始了系统的研究，至今 仍在继续。
1. 作用于床面泥沙颗粒的力
• 对于较粗颗粒的泥沙，都是以单颗粒形式起动； • 对于较细颗粒的泥沙，由于粘结力和水流脉动 (“扫荡”)的影响，往往以数十个或数百个颗粒组 成的群体形式起动，起动后仍以单颗粒形式在水 流中运动。 • 自由沉降于床面上的颗粒群体，在其起动时所受 到的各种作用力均较单颗粒时按相应倍数增大， 因而在讨论力或力矩的平衡时仍可按单颗粒处理。 虽然泥沙颗粒并不是球体，但仍可按球体处理， 对其所引起的偏差可在确定经验系数时给予间接 考虑。
泥沙起动理论1
-
Shields曲线
泥沙颗粒起动、止动特性的不同
颗粒由静止起动时，流速必 须大于起动条件。 颗粒起动后，流速降到小于 起动流速时，动者保持运动、 静者保持静止。 流速降到止动条件以下时，颗 粒向床面沉降，停止运动、静止 下来。 不同粒径的泥沙，起动流 速和止动流速之差有什么变 化规律？为什么？ 这些差别对河道演变有 什么影响？
泥沙的临界起动(滑动)条件τc是如何推导的?
注意：此处的推 导只适用于无粘 性均匀沙 床面沙粒开始滑动的条件
颗粒所受的上举力
FD = k (W '− FL )
摩擦系数 总压力
颗粒所受的拖曳力
W’ 颗粒的水下重量
河流动力学基础 22
研究泥沙起动的方法
-
定量确定起动条件
-
起动的随机性
-
临界起动的切应力表达法
研究泥沙起动的方法
-
定量确定起动条件
-
起动的随机性
-
临界起动的切应力表达法
-
Shields曲线
起动和推移运动现象的观测
室内水槽试验
4
全面起动 (=推移运动)
河流动力学基础 7
研究泥沙起动的方法
-
定量确定起动条件
-
起动的随机性
-
临界起动的切应力表达法
-
Shields曲线
起动和推移运动现象的观测
野外河流观测
河流动力学基础
23
研究泥沙起动的方法
-
定量确定起动条件
-
起动的随机性
-
临界起动的切应力表达法
-
Shields曲线
按照滑动颗粒情况推导临界起动条件
FD = k (W '− FL )
泥沙启动
泥沙起动临界平均流速的分析
摘要：泥沙起动是指在一定的水流条件下，泥沙由静止转为运动的现象。
当水流达到一定强度后，河床床面的泥沙颗粒开始脱离静止状态而进入运动，决定这一临界状态的水流条件称为泥沙的起动条件。
关于均匀沙的起动有两种比较实用的方法，一种是通过临界希尔兹参数，另一种通过时均流速沿水深方向上的积分得到平均流速u与临界值u c比较，当u> u c时，泥沙启动。
关键词：临界平均流速，水深、粒径、希尔兹参数
1、平均流速u的计算
在河床附近
其中是床面剪切流速；κ是卡曼常数，下面的计算中取κ=0.4,；为绝对粗糙度，下面计算取；B是关于粗糙雷诺数的函数。
h为水深
查表
根据希尔公式：
（ ：床面剪切应力 ； ：床面剪切流速。
）
导出*c c *g u τD R =
2、起动速度与粒径的关系 通过公式绘图可知：
床面剪切速度与直径d 成对数分布，且随d 增大而增大， 当泥沙直径d<1mm 时，床面剪切流速的增长缓慢 当泥沙直径d>1mm 时，床面剪切流速的增长加快
按照书上图4-6中所说，当粒径>0.17mm 时，粒径越大，起动流速越高；粒径<0.17mm 时，粒径越小，起动流速越高。
从上图中发现，与实测值不符，因此，在运用此公式是要注意粒径的大小范围。
3、推导公式与张瑞谨公式的比较。
论泥沙起动流速
论泥沙起动流速窦国仁(南京水利科学研究院)摘要：本文是作者40年来研究泥沙起动公式的小结。
文中对颗粒间的粘结力、水的下压力和阻力等有关参数进行了修改。
通过瞬时作用流速，明确了三种起动状态间的关系，消除了起动切应力和起动流速间的不协调。
对导得的起动切应力公式和起动流速公式进行了较为全面的验证，说明公式较好地反映了粗、细颗粒泥沙和轻质沙的起动规律，为研究工程泥沙问题提供了实用公式。
关键词：泥沙；起动流速；临界切应力1 前言泥沙起动是泥沙运动理论中最基本的问题之一，也是研究工程泥沙问题时首先遇到的问题。
早在19世纪就提出了泥沙起动的概念，20世纪初开始了系统的研究，至今仍在继续。
作者于40年前写了“论泥沙起动流速”一文，先后发表于《水利学报》和《中国科学》外文版[1]。
其后40年中，国内外许多学者对泥沙起动问题，特别是对细颗粒泥沙和轻质沙的起动问题进行了大量研究，取得了较为丰富的资料。
在此期间本文作者结合长江葛洲坝工程、三峡工程、黄骅港工程和长江口深水航道治理工程等泥沙问题的研究，也积累了一些资料，加深了对泥沙起动问题的认识，感到有必要对泥沙起动流速公式作进一步的修改和完善。
本文就是作者40年来研究泥沙起动规律的嗅。
限于篇幅，文中未对许多学者的重要成果进行介绍，也未涉及不均匀沙中的各种特殊问题。
2 作用于床面泥沙颗粒的力对于较粗颗粒的泥沙，都是以单颗粒形式起动；对于较细颗粒的泥沙，由于粘结力和水流脉动(“扫荡”)的影响，往往以数十个或数百个颗粒组成的群体形式起动，起动后仍以单颗粒形式在水流中运动，只是在床面上留下片状痕迹。
自由沉降于床面上的颗粒群体，在其起动时所受到的各种作用力均较单颗粒时按相应倍数增大，因而在讨论力或力矩的平衡时仍可按单颗粒处理。
泥沙颗粒并不是球体，颗粒愈细偏离愈大，但仍可按球体处理，对其所引起的偏差可在确定经验系数时给予间接考虑。
为泥沙颗粒所受的重力Fg(1)式中ρs和ρ为沙粒和水的密度，g为重力加速度，d为粒径，一般均指其中值粒径，即d=d50。
《泥沙的沉速》课件
05 泥沙的沉速研究展望
研究方向
1 2
泥沙沉速与环境因素的关系
研究泥沙沉速与水流速度、水深、水质等因素的 关系，揭示泥沙运动规律。
泥沙沉速与河床演变
探讨泥沙沉速与河床演变的关系，预测河床形态 变化趋势。
3
泥沙沉速与人类活动影响
分析人类活动对泥沙沉速的影响，提出相应的治 理措施。
03
探讨影响泥沙颗粒沉速的主要因 素，如颗粒形状、大小、密度、
水的温度和流速等。
04
04 泥沙的沉速应用
水库淤积预测
泥沙淤积对水库寿命的影响
水库淤积速度过快会导致水库寿命缩短，影响水库的正常运行。通过泥沙的沉 速研究，可以预测水库淤积情况，为水库的维护和管理提供科学依据。
沉速与水库淤积量的关系
水库淤积量与泥沙的沉速密切相关。通过研究泥沙的沉速，可以推算水库淤积 量，进而制定合理的清淤计划，保持水库的库容和功能。
牛顿公式是描述泥沙颗粒在流动水体中受 到的阻力与流速、颗粒粒径、水的粘滞系 数之间的关系的公式。它基于牛顿第二定 律和斯托克斯阻力理论推导得出。公式表 达为：F=Cdv/2，其中F为阻力，C为阻 力系数，d为颗粒粒径，v为水的粘滞系 数。
修正公式
总结词
对斯托克斯公式和牛顿公式进行修正，以考虑实际水体中的复杂因素对泥沙沉速和阻力的影响。
环境保护
揭示人类活动对河床演变的影响，保护生态 环境。
泥沙资源利用
泥沙资源化利用
随着城市化进程的加速，建筑、道路等工程 需要大量的砂石材料。通过研究泥沙的沉速 ，可以从河床中提取符合工程要求的砂石材 料，实现泥沙资源化利用。
沉速与泥沙资源利用的关 系
泥沙的沉速与砂石材料的粒径、级配等密切 相关。通过对泥沙沉速的研究，可以优化砂 石材料的提取和加工工艺，提高泥沙资源的
第四章泥沙的起动与推移运动
第五章泥沙的起动与推移运动水流强度达到某一临界值时，静止于河床表面的泥沙颗粒就会开始运动。
确定此时的水动力条件就可得到临界起动条件，如临界起动剪切应力、临界起动流速等。
临界起动条件取值的大小与给定的河床泥沙颗粒级配有关。
水流强度超过临界起动条件后，较粗的泥沙颗粒会沿床面滑动、滚动或跃移，统称推移质运动。
泥沙颗粒的临界起动条件和推移运动机理可以采用经典力学的方法进行研究。
5 .1 研究泥沙起动的方法泥沙的临界起动问题是河流动力学研究的重要组成部分，早在二百多年前就有许多学者对这一问题进行了深入研究。
20世纪30年代，通过试验得到了泥沙临界起动情况下，边界切应力与颗粒特性的Shields曲线。
近年来，研究工作的重点是工程实际中经常遇到的非均匀沙、粘性颗粘和海底淤积物起动等问题。
5 .1 .1起动现象的描述一颗静止于床面上的泥沙，所受的力主要包括水流促使其起动的力和床面阻止其运动的F和力。
当二者平衡时，泥沙颗粒将处于临界起动状态。
先假定水流的怍用力只有水平分量d F,则泥沙颗粒在其水下重力W 、水流作用力和床面反力的综合作用下，因其所垂直分量L处的位置不同而可能发生滑动、滚动或跃移，示意如图4-l。
从上述三种最简单的例子中已可以看到天然河流中泥沙起动的复杂性。
对河床表面任一指定位置的颗粒，其大小、形状和与其他颗粒的相对位置都是随机的。
另一方面在天然河流中，水流都具有脉动的性质既其作用在床面上某一指定位置上颗粒的力也完全是随机的。
由于这些原因，研究床面上某一指定位置的泥沙颗粒的起动，会遇到双重的随机性。
因此有人认为对这一问题的研究没有实际的意义，如Lavelle和Mofjeld(1987)分析了大量前人有关起动问题的资料后得出：在任一水流条件下，都不存在所谓的临界起动条件。
又如Einstein的整个输沙理论中就没有用到起动的概念。
尽管如此，从学科发展的理论体系和生产实践的应用来看，研究泥沙的临界起动条件都有重要意义，所以它至今仍是本学科的热点研究课题，从研究方法上可以分成两个方同：一是分析大量泥沙颗粒临界起动的综合情况，认为在某一水流和床面条件下，可以从统计的角度来确定泥沙的临界起动条件。
02 第2次课(第2章：泥沙的沉速)详解
备注
0.081lg 83
3.7D D0
1
0.03
7T
16
4、沙玉清公式 ①层流区沉速公式（d<0.1mm）
与岗恰洛夫的考虑相同，得出与岗恰洛夫完全一 致的公式
1 s gd 2 24
②紊流区沉速公式（d>2mm） 沙玉清取紊流区泥沙沉降的阻力系数 Cd =1.02
1.14 s gd
0.062＜d＜2.0mm，采用沙玉清过渡区公式（2-25）
lg Sa 3.6652 lg 5.7772 39.0 （2-25）
D＞2.0mm，采用沙玉清紊流区公式（2-26）
4.58 10d
(2-26)
24
2.3 影响泥沙沉速的各种因素 影响泥沙沉速的主要因素有： 颗粒形状、含沙量、边壁条件、紊动、絮 凝、水质等。
过渡区（介流区）
Re D 1000
紊流区（紊动区） 2
2.2 泥沙沉速公式
2.2.1 圆球在静水中的沉速 ⒈ 球体沉降阻力
F
W
有效重力
W
s
d 3
6
（2-1）
绕流阻力
F
Cd
d 2
4
2
2
（2-2）
3
2.2 泥沙沉速公式
2.2.1 圆球在静水中的沉速
2. 球体沉速的一般表达式
有效重力
W
s
d 3
6
上述公式中单位用国际单位：ω：m/s,g:m/s2,d:m
公式单位若为：ω： cm/s,g:cm/s2,d:mm
g1
/
3
s
1/ 3 d
10 2/ 3
20
Sa
g1
/
3
第四章 泥沙的起动与推移运动
c 0.033
3 已知一宽浅河道，D50＝0．6mm，h＝3.5m，求： (1)根据Shields曲线求其临界起动床面剪切应力； (2)采用不同形式的临界起动平均流公速式计算起动流速。
答:（1）据Shields曲线与辅助线，得 颗粒密度ρs＝2650kg/m3，清水密度ρs ＝l000 kg/m3，D＝0.6mm
D
s 0.6 103 2650 1000 0.1 gD 0.1 9.8 0.6 103 18.71 6 10 1000
据此查得D＝0.6mm的颗粒在Shields曲线上的对应点，读图得到临界起 动Shields数为 c 0.033 ，因此临界起动剪切应力为
U c 5.75 c
c 0.033
s 1.0 12.27 gD lg 12.27 0.41m / s 23.1 D C lg D D
采用沙莫夫公式计算：
h U c 1.14 s gD 0.44m / s D
16
c c s gD 0.033 2650 1000 9.8 0.6 103 0.32Pa
临界起动剪切流速为
U *c c /
12
4.61 1000
12
0.068m / s
（2）对数型起动流速公式 D=0.6mm，
8 某山区河流平均水深h＝0.45m，河宽B＝21.6m，水力比 降J＝0.00144，流速U＝0.98m／s，泥沙平均粒径D＝ 3.05mm。试用Meyer-Peter公式计算其单宽推移质输沙率。
,
答：
又
s Qb Kb hJ 0.047 s D 0.25 Q Kb g
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＝ 1 s g D 2 18
(平方关系)
(1.18)
②紊流状态：CD与Red为无关，基本为一常数，CD≈0.45。则：
＝1.72 s gD
(平方根关系)
(1.21)
③过渡状态：CD与Red成曲线关系，数学上难以描述。则：
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15
窦国仁公式
U cm ln 1K 1 hs sgD 0.19 k D gh • 当泥沙处于少量起动的临界状态时，
m=0.320 • 当泥沙处于个别起动的临界状态时，
m=0.256 • 当泥沙处于大量起动的临界状态时，
m=0.408
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16
张瑞瑾公式（武水公式）：
Uc(D h)0.141.76Ds0.000001D00 0.7h6 2 0
• 这就给确定泥沙的临界水流条件带来了困 难，究竟怎样判别泥沙是否起动，目前还 没有一致的看法。
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2
克雷默(1935) 根据试验观察的现象，把 推移质的运动分为四个阶段:
1). 无泥沙运动 2). 轻微的泥沙运动 3). 中等强度泥沙运动 4). 普遍的泥沙运动
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3
窦国仁的理论分析
瞬时底流速表示的起动条件：
U o t 1 .2 7 D D * c 1 /6
2 .5
3 .6sg D 0 0 *
0gh/D D
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4
• 瞬时底流速为时均底流速与脉动底流速之和，实际 可能出现的最大脉动流速为脉动强度的3倍。
• 个别泥沙起动概率为0.135%,少量起动条件概率
2.28%,大量起动条件概精选率课件15.9%。
(cm/s)。
d
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18
一、泥沙沉降的不同形式
3、沉降状态：
①沙粒雷诺数Red= d
②沉降状态：
(沙粒惯性力与水流粘滞力的对比) 。
a、层流状态下降； b、紊流状态下降； c、过渡状态下降：
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19
二、球体的沉速
1、 阻 力计 算公 式：
球体沉降为对称绕流，其阻力F与 2 成正比：
F
sU c gD 5.75f(Re*)lo1 g2 .27 K R s
(
对数型起动流速公式 精选课件
)
13
如流速分布不采用对数形式而采用 指数流速分布公式, 从而可以得出指数型 的起动流速公式, 这类公式与水深有关, 如应用较多的沙莫夫公式:
Uc
1.14s
gD
h1/6
D
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14
粘性泥沙的起动
其中h和D单位取m，算得沉速单位为m/s。
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17
第四章 泥沙的水力特性
一、泥沙沉降的不同形式
1、沉降过程： ①重力>阻力，加速下沉。 ②阻力逐渐增大，而重力恒定，加速度减小。 ③重力＝阻力，加速度＝0，泥沙匀速下沉，沉
速趋于稳定
2、沉速概念： 单颗粒泥沙在静止的无限大的清水水体中匀速下沉的速度
过渡状态时：CD与Red成曲线关系，数学 上 难以描述。
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20
二、球体的沉速
CD与Red关系 曲线
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21
二、球体的沉速
2、水下重力计算：
W
s
6
D3
3、沉速推导：
F＝W
(1.18)
CD
4
D2
2
2g
＝
s
6
D3
＝
4 3CD
•
s gD
不同的沉降状态，CD具有不同的计算方法，分别如下。 ①层流状态：CD与Red为直线关系，即CD=24/Red，则：
(层流)
D 0.1
s -
gD
102
103
希尔兹紊流曲线
0.01 0.01 0.02 0.04 0.1 0.2 0.4
12 4
10 20 40 100 200 400 1000
Re *
uD
图 4-10 希尔精兹选课件起动拖曳力曲线 10
希尔兹起动拖曳力曲线具有以下特点:
Re * = 10 ，最易于起动； Re * < 10 ，不易于起动，起动拖曳力随粒 径的减小而加大；
CD
4
D 2
2
2g
(1.14)
CD— — 阻 力 系 数 ，
CD f (形状、方位、表面粗糙 度、水流紊动强度、 Red )
层流时：CD与Red为直 线关系，斯托克斯 导 出：
F 3D，其中CD 24 / Red
(1.15、 16)
紊 流 时 ： CD与 Red为 无 关 ， 基 本 为 一 常 数 ， CD≈ const.。
5
无粘性均匀沙的起动
1 起动拖曳力
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6
一个圆形球体的水下重量为 W’，
床面上泥沙颗粒所受的上举力为FL， 相应的颗粒所受的拖曳力FD为：
W
(sห้องสมุดไป่ตู้
)D3
6
FDCDD 42
U02
2
FL
CL
D2
4
U02
2
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7
取对数流速公式 ：
U0
y 5.75lo3 g0.2
u
Ks
U0 u f2(uD)
临界起动(滑移)： FDk(W 'FL)
0.02
s
c - D
=
0.10
R e-0. 8
作 者符号 沙样 作 者 符号 沙样
Shields
Casey Kram er USW ES
Gibert
琥珀
Tison
褐 煤 C. M. White
花岗石 重金石
李昌华
沙
沙
Mantz
沙
S. J. White
沙
Yalin and
Karahen
沙 沙 沙
沙在油中 粉沙 粉沙 粉沙在油中
Re* > 10 ，起动拖曳力随粒径的增大而加 大；
Re* > 1000 ，接近一常数0.06。
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11
2 起动流速
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12
由于流速场和剪力场之间存在着一定的
关系，所以可以从起动拖曳力的表达式
推导出泥沙的起动流速公式。如采用对
数流速公式, 可得用UC 代表在临界起动
时的垂线平均流速： 即为Shields数
泥沙的起动
• 河床上静止的泥沙颗粒，随着水流条件的 增强，到一定时间时开始运动，这种现象 称为泥沙的起动。
• 维持泥沙颗粒静止状态的平衡条件遭到破 坏，床面泥沙由静止转变为运动的临界水 流条件，就是所谓的泥沙的起动条件。泥
沙的起动条件可以用流速、拖曳力或功率
来表示。
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1
泥沙起动的判别标准
• 泥沙起动是相当复杂的，泥沙起动具有双 重的随机性天然河流中床面的泥沙颗粒形 状、大小、位置及排列组合等均为随机； 水流脉动本身的随机性，导致作用在床面 上某一指定位置上颗粒的力也是随机的。
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8
阻力系数 CD、CL 与沙粒形状和 沙粒雷诺数有关，最后得出起动拖
曳力公式:
(s c)Df(u D)
(4-32)
上式的关系见图 4-10，即著名的
希尔兹关系曲线。
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9
c s - D
10 20 30 40 60 80
1
0.8 0.6
层流曲线
0.4
0.2 0.1 0.08 0.06 0.04