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U

c

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 = 4.661

3

1

h

d（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U

c

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/s

H = 500/200 = 2.5 m

由沙莫夫公式

V

c

= 4.6d1/3H1/6 = 4.6×（5.5×10-3）1/3×2.51/6= 0.946 m/s

∵ V > V

c

，∴河床会发生冲刷。

（2）当冲刷停止时，求河床冲深ΔH=？

当V ， = V ，

c 时， 即 Q/BH ，= 4.6

d 1/3 H ，1/6

∴ H ， =）（316.4Bd Q 6/7 = ）（31

0055.02006.4500⨯⨯6/7 = 2.62 m 故知，河床可能冲深： ΔH = H ，-H = 2.62 - 2.5 = 0.12 m.

2.沙波运动

床面泥沙起动之后，接下来可能变为推移质沿床面附近前进。从天然河道及实验室水槽中均可观察到，当推移质泥沙运动达到一定程度时，河床表面就会出现起伏不平但又看似规则的波浪状形态，称之为沙波。沙波是推移质泥沙运动的外在表现，从纵剖面看，整个沙波似象一个整体在水流的作用下往下游缓缓“爬行”，如图3-4所示。沙波附近的水流泥沙运动如图3-5所示。

图3-4 沙波纵剖面形态

图3-5 沙波附近水流泥沙运动

3.推移质输沙率

在一定水力、泥沙条件下，单位时间内通过过水断面的推移质数量称为推移质输沙率，用G b 表示，单位为kg ／s 或t ／s 。由于河道沿河宽方向的水流条件

变化很大，单位时间通过不同部位的推移质数量往往差别悬殊，故在实践中常用单宽推移质输沙率g b 表示，单位kg ／m ·s 或者t ／m ·s 。

单宽推移质输沙率的一般计算公式如下：

m n c c s b h

d U U U U d g )())((-=ϕρ （3-4） 式中，g b 为单宽推移质输沙率；s ρ为泥沙密度；d 为泥沙粒径；h 为水深；

U为垂线平均流速；U

为泥沙起动流速； 为综合系数，n、m为待定指数，可据

c

实测资料反求。公式单位为kg、m、s。

推移质输沙率问题研究有着重要的工程实际意义。如水库回水末端的推移质淤积，水电站底孔的防沙过机，山区河道模型试验研究等，无一不涉及到推移质输沙率的定量计算。现阶段看来，推移质问题研究的理论成果虽为数不少，但真正能满意地用于解决实际问题的却不多。

这里还需指出的是，当前急需改进野外推移质的观测手段与设备，以提高江河测验效率与资料精度。只有在天然实测资料精度与可靠性有了大的提高之后，推移质问题的理论研究才有可能取得大的进展。

二、悬移质运动

悬移质是随水流浮游前进的泥沙。自然界中的河流，完全不挟带悬移质的几乎没有。日常所见的许多河流，河水浑浊，汛期更为如此，表明河水挟带一定数量的悬移质泥沙。

江河中运动的两种泥沙（推移质和悬移质）相比较说来，悬移质是江河输沙的主体。冲积平原较大的河流，悬移质的数量往往要占到总输沙量的95％以上；山区较小的河流，悬移质的数量一般也在80％以上。因此，在河流蚀山造原（指平原）的过程中，悬移质至少在数量上起着更为重要的作用。所谓的“沧海桑田”，主要是悬移质泥沙的历史功绩。

悬移质在水流中的运动，跟随着水流中的紊动涡体，时升时降，时快时慢，时而接近水面，时而触及河床，具有随机性质，运动迹线连续而不规则。

天然河流中的悬移质的泥沙组成，往往很细、很不均匀。与山区河流相比较，平原河流的悬移质泥沙更细、更不均匀。一般说来，河流愈往下游，悬移质的泥沙组成愈细、愈不均匀。

河水挟带悬移质泥沙的多少，通常用含沙量表示。它是指单位体积浑水中的泥沙所占质量，常用符号S表示，单位kg/m3。天然河流的含沙量，不同的河流不同，同一河流不同的河段不同，同一河流、同一河段不同的时间不同，比如汛期的含沙量就比枯水季节的要大。此外，即使在同一断面，不同的部位，如水面与河底，左岸、右岸或河中心，河水含沙量都可能有差异。

大量实测资料表明，悬移质含沙量沿垂线的分布特征是“上小下大”或“上稀下浓”。也就是说，河流含沙量沿垂线自水面向河底逐渐增大，愈接近河底，含沙量愈大（图3-6）。

悬移质含沙量沿垂线分布的规

律告诉我们：当我们需要从河流中

图3-6 实测含沙量沿垂线分布