川大水力學(xué)教學(xué)課件16河渠挾沙水流理論基礎(chǔ)

?#?

1第十六章

河渠挾沙水流理論基礎(chǔ)16-1泥沙特性16-2泥沙在靜水中的沉降速度16-3泥沙的臨界推移力與起動(dòng)流速16-4推移質(zhì)輸沙率16-5懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)16-6懸移質(zhì)含沙量沿垂線分布16-7水流挾沙能力16-8沖積河流和挾沙水流的阻力變化16-9泥沙連續(xù)性方程式

返回目錄?#?1第十六章河渠挾沙水流理論基礎(chǔ)16-1泥沙特1?#?

2第十六章河渠挾沙水流理論基礎(chǔ)

天然河流和無襯砌的渠道，在水面以下的河床部分和水面以上的河岸部分都是由泥沙組成的，水流中也挾帶著泥沙。挾帶泥沙改變了原來的水流結(jié)構(gòu)，使流速分布和能量損失與清水水流有差異。

在水流作用下，泥沙要運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的方式可能是沿著河床運(yùn)動(dòng)，也可能是分布在水流中作上下左右運(yùn)動(dòng)。

本章的目的在于探求水流與泥沙相互作用的力學(xué)機(jī)理和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。?#?2第十六章河渠挾沙水流理論基礎(chǔ)天2?#?

316-1泥沙的特性一泥沙的粒徑及級(jí)配曲線泥沙的常用表示方法１．等容粒徑。與泥沙顆粒的體積相等的球體直徑稱為等容粒徑。２．篩孔粒徑。以泥沙顆粒剛能通過的篩孔大小作為粒徑，稱為篩孔粒徑。３．沉速粒徑。標(biāo)準(zhǔn)篩最小的空徑為0.623毫米。與泥沙比重相同，在相同液體中沉降時(shí)，具有相同沉速的圓球直徑。４．大顆粒泥沙的粒徑可用算術(shù)平均或重量計(jì)算法：?#?316-1泥沙的特性一泥沙的粒徑及級(jí)配曲線泥沙的3川大水力學(xué)教學(xué)課件16河渠挾沙水流理論基礎(chǔ)4川大水力學(xué)教學(xué)課件16河渠挾沙水流理論基礎(chǔ)5?#?

6（２）幾何平均粒徑，用下式表示：或?#?6（２）幾何平均粒徑，用下式表示：或6?#?

7二泥沙的容重及干容重泥沙的容重系指沙粒的重量與沙粒體積的比值，其值在26000牛頓／米３至27000牛頓／米３之間，在應(yīng)用上一般可取起平均值26500牛頓／米３。淤積泥沙的干容重系指沙樣在100～105℃的溫度下烤干后的重量與沙粒的孔隙體積之和的比值，由于孔隙隨泥沙的級(jí)配及淤積久暫而變化，所以變化的幅度較大，可由300牛頓／米３至17000牛頓／米３。?#?7二泥沙的容重及干容重泥沙的容重系指沙粒的重量與沙7?#?

8三河流泥沙的分類及運(yùn)動(dòng)形式

按照泥沙的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以分為推移質(zhì)（底沙）和懸移質(zhì)兩類。從河床的演變來看泥沙可分為造床泥沙與非造床泥沙。1.細(xì)顆粒泥沙的運(yùn)動(dòng)。細(xì)的泥沙在比較小的流速時(shí)就開始運(yùn)動(dòng)。2.粗顆粒泥沙的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)流速逐漸增大，粗顆粒就開始運(yùn)動(dòng)。3.沙紋與沙壟。?#?8三河流泥沙的分類及運(yùn)動(dòng)形式按照泥沙的運(yùn)動(dòng)8?#?

9水流的脈動(dòng)，使作用在河床上的作用力也為脈動(dòng)量。

河床原來是平整的，由于水流的脈動(dòng)，使瞬時(shí)流速較大地點(diǎn)發(fā)生沖刷，而在速度較小的地方淤積，河床就失去平整。

在非均勻沙組成的河床上，細(xì)沙先沖走，亦開始使河床失去平整。

河床失去平整以后，少量泥沙聚集在床面的某些部位，形成小丘，在小丘后面形成旋渦。?#?9水流的脈動(dòng)，使作用在河床上的作用力也為脈動(dòng)量。9?#?

10

泥沙沿著迎水面運(yùn)動(dòng)，到達(dá)小丘頂點(diǎn)后，落入背水面的旋渦中，在那里沉積下來，床面就形成了高低不平的沙紋，沙紋的迎水面不斷沖刷，背水面逐漸淤積而延伸，使整個(gè)沙紋向前移動(dòng)。如下圖?#?10泥沙沿著迎水面運(yùn)動(dòng)，到達(dá)小丘頂點(diǎn)后，落入10?#?

11

河床形成沙紋以后，水面因河床的起伏而波動(dòng)，仍保持（如圖a）。

如繼續(xù)增大流速，但Fr仍小于1，沙紋的長(zhǎng)與高將增大，終于使水面的波峰出現(xiàn)降落，而波谷處的水面隆起（如圖b）。?#?11河床形成沙紋以后，水面因河床的起伏而波動(dòng)11?#?

12

如流速加大至沙壟頂附近水流的垂直脈動(dòng)流速大于泥沙的趁獎(jiǎng)速度，則泥沙到達(dá)沙壟頂以后，就轉(zhuǎn)入懸浮狀態(tài)，河床又恢復(fù)平整（如圖c）。4.立波與逆行沙壟。在水深較淺的地方，河床的起伏使水面做相應(yīng)的起伏（如圖d）。沙紋，沙壟，立波，逆行沙壟等河床形態(tài)統(tǒng)稱沙波。?#?12如流速加大至沙壟4.立波與逆行沙壟。在12?#?

1316-2泥沙的靜水中的沉降速度如下圖所示為球體在液體中沉降的三種狀態(tài)。（a）為球體做層流沉降時(shí)，流線緊貼球體，只受表面阻力的作用（c）為球體做紊流沉降時(shí)，邊界層分離，球的后部產(chǎn)生旋渦，阻力主要是形狀阻力（b）表示球體過渡狀態(tài)沉降，這時(shí)表面阻力與形狀阻力都應(yīng)同時(shí)考慮?#?1316-2泥沙的靜水中的沉降速度如下圖所示為球13?#?

14球體在靜止液體中沉降的普通公式一層流沉降二紊流沉降三過渡區(qū)沉降?#?14球體在靜止液體中沉降的普通公式一層流沉降二紊14?#?

15（1）球體做層流沉降時(shí)與d2成正比，與成反比（2）球體在過渡區(qū)沉降時(shí)與d成正比，與成反比綜上所述：（3）球體做紊流沉降時(shí)與成正比，與成反比。?#?15（1）球體做層流沉降時(shí)與d2成正比，與15?#?

16由實(shí)驗(yàn)得出的值，見下圖。?#?16由實(shí)驗(yàn)得出的值，見下圖。16?#?

1716-3泥沙的臨界推移力與啟動(dòng)流速泥沙的啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)：第一，河床上的局部地方，屈指可數(shù)的泥沙已運(yùn)動(dòng)到無法估計(jì)的程度；第二，河床上平均粒徑的泥沙已運(yùn)動(dòng)到無法估計(jì)的程度；第三，各種大小的泥沙都已投入運(yùn)動(dòng)，床面形態(tài)發(fā)生改變，稱為普通移動(dòng)。?#?1716-3泥沙的臨界推移力與啟動(dòng)流速泥沙的啟動(dòng)17?#?

18

右圖為河床沙粒的受力情況。主要有水流的水平推力，垂直上舉力和泥沙在水中的重量三種。系數(shù)K中包括有：

均與泥沙形狀和組成有關(guān)。?#?18右圖為河床沙粒的受力情況。主要有水流的水18?#?

19希爾茲將上式改寫為：點(diǎn)繪實(shí)驗(yàn)成果如下圖:?#?19希爾茲將上式改寫為：點(diǎn)繪實(shí)驗(yàn)成果如下圖:19?#?

2016-4推移質(zhì)輸沙率推移質(zhì)輸沙率的影響因數(shù)個(gè)歸納為下面四類：一從河底切力出發(fā)流速直線分布如圖法國(guó)杜勃埃提出的輸沙率公式：二以流速為主要參數(shù)列維公式?#?2016-4推移質(zhì)輸沙率推移質(zhì)輸沙率的影響因數(shù)個(gè)20?#?

21三應(yīng)用功率原理根據(jù)功率原理與無量綱數(shù)表達(dá)的愛克斯和懷特1973年提出的公式四應(yīng)用紀(jì)律概念根據(jù)統(tǒng)計(jì)法則建立的推移質(zhì)輸沙率公式參閱愛因斯坦著，“明渠水流的挾沙能力”。此處略。?#?21三應(yīng)用功率原理根據(jù)功率原理與無量綱數(shù)表達(dá)的愛21?#?

2216-5懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)

泥沙從河底起來以后，如果遇到具有足夠強(qiáng)度和尺度的紊動(dòng)旋渦就會(huì)懸浮起來。紊流旋渦的強(qiáng)度和尺度和水力條件有關(guān)，泥沙開始懸浮和懸浮的沙量也與水力條件有關(guān)。常用的含沙濃度表示方法有下列三種：體積百分比重量百分比混合表達(dá)式?#?2216-5懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)泥沙從河底起來以后，22?#?

23三者的關(guān)系為：?#?23三者的關(guān)系為：23?#?

2416-6懸移質(zhì)含沙量沿垂線分布

二元穩(wěn)定均勻流情況下懸移質(zhì)含沙量沿垂線分布的基本微分公式：相對(duì)含沙量與相對(duì)水深的關(guān)系?#?2416-6懸移質(zhì)含沙量沿垂線分布二元穩(wěn)定24?#?

25當(dāng)

0.0004<<0.002當(dāng)

0.002<<0.008時(shí)16-7水流挾沙能力1.從能量平衡的概念出發(fā)，應(yīng)用量綱分析的方法，v為斷面平均流速；M為系數(shù)；m為指數(shù)。2.根據(jù)黃河干流及無定河，渭河，伊洛河的實(shí)測(cè)資料得3.扎馬林公式?#?25當(dāng)0.0004<<0.002當(dāng)25?#?

2616-8沖擊河流的挾沙水流的阻力變化一河床形態(tài)改變對(duì)阻力的影響左下圖為水流阻力系數(shù)與流速的關(guān)系。右下圖為實(shí)測(cè)成果繪出的水流阻力，F(xiàn)r和d/R間的關(guān)系．?#?2616-8沖擊河流的挾沙水流的阻力變化一河床26?#?

27二含沙量對(duì)水流阻力的影響左圖為范諾尼的矩形水槽實(shí)驗(yàn)成果下圖是從能量觀點(diǎn)出發(fā)繪制的．?#?27二含沙量對(duì)水流阻力的影響左圖為范諾尼的矩形水